Thème 5 – Adaptation au dégel du pergélisol

Zhina Rezvani (T5-PhD1)  

Titre: Gestion des risques liés aux infrastructures linéaires dans les régions éloignées à pergélisol : Le chemin de fer de Churchill.

Superviseurs: Shawn Kenny avec Ryley Beddoe, Pascale Roy-Léveillée et Fabrice Calmels. 

Les infrastructures linéaires sont particulièrement exposées aux dommages liés au soulèvement dû au gel ou à l’affaissement dû au dégel en raison de l’étendue et de la variété des conditions de pergélisol qu’elles peuvent traverser. Le projet de Zhina consiste à développer une approche intégrée pour surveiller les infrastructures linéaires nordiques éloignées afin de soutenir les décisions opérationnelles. Le chemin de fer de Churchill, récemment rouvert après une défaillance de la voie ferrée, constituera une étude de cas stratégique, permettant à Zhina de collaborer avec d’autres dans le cadre du thème 5. Les pratiques actuelles d’inspection des rails font appel à des techniques visuelles complétées par des essais non destructifs pour l’évaluation des défauts de la voie ferrée et la surveillance des changements dans les caractéristiques géométriques, ainsi qu’à la détection et la télémétrie par ondes lumineuses (LIDAR) et au géoradar (GPR) pour l’évaluation du profil du ballast et de la qualité de la subsurface. Toutefois, de nouvelles données (p. ex., thermistances, images numériques de drones) et de nouveaux outils (p. ex., DIC, structure à partir du mouvement) sont nécessaires pour surveiller et évaluer l’état des voies ferrées (ballast et fondations) dans les régions à pergélisol, afin de pouvoir planifier les activités d’entretien préventif (p. ex., drainage, corrections de la géométrie de la voie) et élaborer des stratégies d’adaptation durables. Zhina utilise des données géotechniques obtenues par forage et des études géophysiques par GPR ou prospection électrique (ERT) pour définir l’état du pergélisol. Les observations de télédétection (optique, LiDAR, RADAR) réalisées par des véhicules aériens sans pilote (UAV) et des capteurs satellitaires sont utilisées pour estimer les changements du pergélisol et les mouvements du sol. Des outils de calcul empiriques et de dépistage seront développés pour estimer le risque pour des segments de route définis dans le cadre d’un réchauffement climatique continu. Cette base de connaissances et ces outils permettront de déterminer les zones problématiques où des travaux plus intensifs pourraient être nécessaires, en tenant compte des changements hydrologiques dans les tourbières.

Rae Landriau (T5-PhD3)

Titre: Calendrier de stabilité des puisards, côte ouest de l’Arctique.

Superviseurs: Chris Burn avec Stephan Gruber, Trevor Lantz et Steve Kokelj; stage à l’Aurora Research Institute.

Au cours des années 1960 et 1970, plus de 50 bassins d’élimination des déchets ont été construits dans l’Arctique occidental pendant l’exploration pétrolière et gazière. Ces puisards étaient des fosses ouvertes pendant l’élimination des déchets, puis recouvertes à la fermeture. Le pergélisol, dont la température annuelle moyenne est alors inférieure à -7 °C dans la majeure partie de la région, est censé fournir un milieu de confinement imperméable à perpétuité. Le réchauffement du pergélisol dément aujourd’hui cette possibilité. La gestion de ces sites contaminés nécessite d’estimer le temps restant avant que le pergélisol ne cesse d’être un confinement efficace. 

Rae mène une étude du régime thermique du sol à proximité de deux puisards situés dans des terrains contrastés, l’un dans le delta extérieur du Mackenzie et l’autre dans les hautes terres adjacentes, afin d’établir le régime thermique autour de ces structures. Le projet consiste à échantillonner les matériaux des bassins pour déterminer leurs caractéristiques de congélation. L’expertise du le thème 3 aide à la modélisation thermique des conditions de terrain autour des bassins et de leur trajectoire future prévue. L’échelle de temps associée à l’évolution thermique des puisards et des terrains adjacents est nécessaire pour prédire la sortie des contaminants de ces puisards. Une fois calibrés avec les données recueillies dans la région, ces modèles permettront d’estimer si ces structures sont susceptibles d’être sécurisées pendant des décennies ou des siècles. Il s’agit de données essentielles pour les gestionnaires des terres de la région et pour la réponse nationale à une conséquence indésirable du réchauffement du pergélisol. Le partenaire principal de ce projet est Steve Kokelj (Commission géologique des Territoires du Nord-Ouest).

Adam Kirkwood (T5-PhD4) 

Titre: Aménagement du territoire et risques de destruction massive près de Fort Severn et changement de la qualité de l’eau.

Superviseurs: Pascale Roy-Léveillée.

Le projet d’Adam a 4 objectifs :

1 – Détermination des contrôles et des facteurs de déclenchement de l’érosion massive le long des rivières des basses terres de la baie d’Hudson (HBL)

2 – Production de cartes indiquant les zones potentiellement vulnérables aux effondrements et actuellement touchées par le thermokarst

3 – Production d’une carte des réserves de mercure (Hg) dans la partie ontarienne des basses terres de la baie d’Hudson

4 – Évaluation du potentiel de méthylation et de mobilisation (DOM et Hg) vers les masses d’eau adjacentes dans une gamme de contextes thermokarstiques

Fort Severn est situé sur la rivière Severn, près de la côte de la baie d’Hudson. Les récentes activités de destruction massive le long de la rivière ont suscité l’inquiétude de la population locale qui craint que la stabilité du site de la ville soit menacée par des glissements de terrain provoqués par le dégel. En partenariat avec la Première Nation de Fort Severn, Adam caractérise et compare les dépôts superficiels et les conditions du pergélisol sur le site de la ville et sur les sites touchés par le dynamitage. Il utilise l’imagerie télédétectée et les connaissances locales pour étudier les événements passés de dynamitage, leur chronologie et les facteurs qui peuvent les déclencher. Des signes d’alerte précoce potentiels sont définis en collaboration avec le thème 4. Les conditions et les caractéristiques de rupture des pentes seront comparées aux contrôles des effondrements dus au dégel déterminés par T4-MSc3. Des cartes des conditions du sol et des risques de destruction massive associés sont en cours de réalisation pour faciliter la planification et les mesures d’atténuation des risques. Ces résultats sont ensuite intégrés dans la cartographie des risques du thèmes 4. Le partenaire principal pour cette partie du projet d’Adam est le chef Paul Burke de la Première Nation de Fort Severn.

Adam améliore également la compréhension de la contribution des changements du pergélisol aux changements de la qualité de l’eau par l’intermédiaire de la charge en solutés des eaux de surface, en commençant par un examen et une compilation des données disponibles sur la qualité de l’eau dans une série de contextes environnementaux différents dans la région du pergélisol canadien afin de définir les paramètres des changements hydrochimiques induits par le dégel. Il collabore avec des partenaires du réseau et des chercheurs pour fournir la première analyse de l’évolution de la qualité de l’eau du pergélisol, qui servira de référence pour les études futures. Les recherches sur le terrain se concentrent sur Churchill (Man,) où le carottage du pergélisol en 2010-2011 a indiqué la présence d’une forte teneur en solutés dans le pergélisol le plus élevé riche en glace. Cet emplacement, ainsi que des carottes de pergélisol similaires provenant d’Arviat (Nt), à proximité, indiquent la possibilité que le dégel du pergélisol mobilise des sels vers les eaux de surface dans cette région des basses terres de la baie d’Hudson. Ce projet étend l’échantillonnage du pergélisol pour détailler les conditions de la glace et des solutés près de la surface, et pour établir un réseau de surveillance et d’échantillonnage hydrologique afin de déterminer les modèles de variations hydrochimiques. De plus, l’échantillonnage hivernal des lacs de la région pour la chimie de l’eau est facilité par le soutien du Churchill Northern Research Centre (CNRC) et la participation du Dr LeeAnn Fishback. 

Adam travaille à l’inventaire d’échantillons de tourbe et de pergélisol provenant de 35 sites dans les basses terres de la baie d’Hudson, à l’installation d’équipements de surveillance et à la collecte d’échantillons qui sont analysés à l’Université Western pour déterminer les concentrations de mercure. Son travail comprend l’inventaire des sites de terrain précédents et la création d’une base de données des observations de terrain et des profondeurs de tourbe/profils stratigraphiques pour l’analyse future du stockage du mercure dans les basses terres de la baie d’Hudson et le profilage des communautés microbiennes. 

Afin de faciliter la création d’un inventaire du mercure pour la BTBH, Adam travaille avec le ministère des Richesses naturelles et des Forêts de l’Ontario (MRNFO) afin d’élaborer une entente de partage de données pour l’obtention de données chimiques supplémentaires en relation avec les carottes de tourbe et de pergélisol fournies par le partenaire.

Patrick Jardine (T5-MSc3)  

Titre: Remblais de l’autoroute et accumulation/manipulation de la neige, Blackstone Uplands.

Superviseurs: Chris Burn avec Fabrice Calmels et Pascale Roy-Léveillée.

L’accumulation de neige sur les côtés des remblais est une des principales causes de la dégradation du pergélisol le long des routes du Nord. L’affaissement sous le remblai entraîne la rotation de l’épaulement et la détérioration de l’infrastructure. Ces effets ont été arrêtés avec succès dans des simulations numériques où la couverture neigeuse est déblayée ou compactée à une densité plus élevée.

En collaboration avec la DIT, le ministère des Routes et des Travaux publics du Yukon et la Première Nation Na-Cho Nyak Dun, Patrick a mené une expérience sur le terrain en matière de gestion de la neige afin de valider les projections des simulations. La neige a été compactée par motoneige ou enlevée de plusieurs sites dans le centre du Yukon, le long de la route Dempster dans les Blackstone Uplands sur une section d’essai de 1 km, et près de Mayo, et le changement résultant dans le régime thermique du sol a été établi en comparaison avec les sites non touchés. La surveillance thermique a été conçue avec l’aide du thème 2la caractérisation du pergélisol au pied du remblai avec l’aide du thème 1. Les résultats permettront au personnel d’entretien d’évaluer si la gestion de la neige est une stratégie rentable pour arrêter la dégradation du pergélisol. La simulation, avec l’aide du le thème 3 3 et une fois calibrée pour le site de terrain, sera utilisée pour estimer l’entretien minimum nécessaire pour obtenir une stabilité thermique dans le remblai. Sandra MacDougall (DIT) et Steve Kokelj (CGTNO) sont les principaux partenaires de ce projet.

Payam Sharifi (T5-MSc4)  

Titre: Évaluation d’un remblai ferroviaire soutenu par des géocellules soumis à la dégradation du pergélisol et à des conditions d’accumulation d’eau à l’aide de techniques de modélisation numérique.

Superviseurs: Ryley Beddoe avec Shawn Kenny, Pascale Roy-Léveillée et Jocelyn Hayley.

Le chemin de fer de la baie d’Hudson (CFBH) est un corridor ferroviaire dans le nord du Manitoba, construit sur un terrain de pergélisol et de tourbe. Chaque année, le chemin de fer de la baie d’Hudson subit un nombre important de déformations différentielles et d’instabilités de remblais. Récemment, le CFBH a utilisé des géocellules, une technique de renforcement courante dans les sols non pergélisolés, pour améliorer le support des voies ferrées sur le pergélisol dégradé et la couche de tourbe sous-jacente. Le projet de Payam s’est intéressé aux processus thermo, hydro et mécaniques en utilisant des analyses par éléments finis pour examiner et prédire les déformations, le tassement et la stabilité du dégel.  

Les résultats de Payam ont montré que l’utilisation d’un renforcement par géocellules pour réduire la déformation latérale est plus avantageuse lorsque la couche active se situe entre 1 et 2 m sous le niveau du sol. De même, la stabilité du remblai a été améliorée jusqu’à 50 % en utilisant une géocellule à la hauteur optimale. Les recherches de Payam ont révélé que l’amélioration des performances en matière de stabilité grâce aux géocellules diminuera progressivement sur le long terme en raison de la prédominance croissante de la dégradation du pergélisol. Cette recherche a montré que l’utilisation de géocellules dans les remblais de pergélisol peut apporter des améliorations importantes à la durée de vie nominale du remblai, et son application et son utilisation dans les futures conceptions d’infrastructures linéaires dans les régions de pergélisol devraient être explorées davantage. James Wilson et Brett Young (Arctic Gateway) sont les principaux partenaires de ce projet.

Adeleh Zafranchi Zadeh Moqadam (T5-MSc5) 

Titre: Conception de ponceaux durables sur le pergélisol en voie de dégradation, chemin de fer de la baie d’Hudson.

Superviseurs:  Shawn Kenny avec Ryley Beddoe et Claude Duguay. 

Les récents affaissements le long de la voie ferrée de Churchill montrent comment le changement climatique a abaissé les normes de performance des infrastructures linéaires. D’importants efforts ont été déployés pour rétablir le fonctionnement du chemin de fer, notamment l’installation de plusieurs ponceaux. Avec le soutien de Sheida Majidi (T5-PhD1). Adeleh commencera par caractériser et étudier plusieurs ponceaux, qu’il s’agisse d’installations originales ou récentes, y compris la caractérisation du pergélisol et de l’hydrologie locale, et évaluera la performance des ponceaux. La deuxième étape de ce projet, menée avec l’aide du le thème 3, utilisera des simulations informatiques pour prédire la performance des ponceaux en cas de dégradation continue et accélérée du pergélisol. James Wilson (Arctic Gateway) et LeeAnn Fishback (CNSC) seront les principaux partenaires de ce projet.

Astrid Schetselaar (T5-MSc6)

Titre: Gestion des actifs des infrastructures linéaires dans le sud et le centre du Yukon.

Superviseurs: Chris Burn avec Shawn Kenny et Fabrice Calmels.

Les infrastructures linéaires peuvent être soumises à d’importantes perturbations dues à la dégradation du pergélisol et aux modifications des régimes hydrologiques associées au changement climatique. En collaboration avec la DIT, Astrid interroge les bases de données existantes sur les coûts d’exploitation et d’entretien des infrastructures routières linéaires, en étendant les recherches actuelles sur les routes du nord de l’Alaska et de Dempster au reste du réseau du Yukon. L’accent est mis sur les coûts qui sont directement liés aux effets du climat. Cela permettra d’améliorer la planification et la capacité de réhabilitation et d’entretien. Astrid détaille les effets financiers du changement climatique dans les terrains de pergélisol pour compléter les effets physiques étudiés par d’autres projets du thème 5. Sandra MacDougall (DIT) est la partenaire sur ce projet.