https://escholarship.mcgill.ca/concern/theses/bc386q02f

Lyons, L. (2020). Does sporadic permafrost influence catchment-scale groundwater processes? McGill University, Montreal, Quebec. Thesis

Groundwater processes in subarctic regions are poorly understood, particularly in areas of sporadic permafrost (perennially frozen ground underlying 0-50% of the landscape). Permafrost acts as an impermeable boundary to groundwater flow and can control porewater movement and storage. The objective of this thesis is to develop a conceptual understanding of how permafrost thaw caused by climate change will impact groundwater flow in watersheds underlain by sporadic permafrost. I use field data from Granger Basin, a headwater catchment in the Wolf Creek Research Basin, Yukon, Canada, to develop an archetypal model using the USGS saturated-unsaturated variable-density groundwater flow model with dynamic freeze-thawfunctionality (SUTRA-ice). Capacitive-coupled resistivity and ground penetrating radar were used to map permafrost and depth to bedrock. Simulations show that the presence of permafrost influences patterns of groundwater discharge (exfiltration) to surface water. Specifically, a fill-spill mechanism occurring in late summer where groundwater accumulates upslope sporadic permafrost blocks until it is rapidly released upon reaching a threshold water level. As a result ofthis mechanism, with the presence of permafrost there is an increase in late summer exfiltration as a result of spill events. As permafrost thaws the fill-spill mechanism is diminished, and within decades there are no longer spill events. The net result is that permafrost thaw can lead to a decrease in late summer groundwater exfiltration, with potential impacts on the subarctichydrologic cycle including changes in ecohydrology function and water resources.

Les mécanismes affectant l’écoulement de l’eau souterraine dans les régions subarctiques sont relativement méconnus, en particulier dans les zones où le pergélisol est sporadique (i.e. 0 à 10% du territoire est couvert par un sol gelé en permanence). Le pergélisol joue le rôle d’une barrière imperméable à l’écoulement de l’eau souterraine et peut par le fait même restreindre le mouvement et l’emmagasinement de l’eau dans les pores du sol. L’objectif de ce projet est de développer une compréhension conceptuelle des impacts de la dégradation du pergélisol sur l’écoulement des eaux souterraines dans les bassins versants subissant des changements climatiques. Des données prises dans le bassin versant Granger, situé dans la partie amont du Wolf Creek Research Basin au Yukon, Canada, ont été utilisés pour développer un modèle avec SUTRA-ice, le code numérique de l’USGS qui simule l’écoulement des eaux souterraines dans les milieux saturés et non-saturés, le transfert de chaleur par conduction, advection et convection et les impacts dynamiques du gel et dégel du sol. Des levés de résistivité électrique et de géoradar ont été réalisés pour localiser le pergélisol et le roc. Les résultats des simulations démontrent que la présence de pergélisol influence les tendances de décharge des eaux souterraines vers la surface (exfiltration). Plus précisément, un mécanisme de remplissage et de déversement (fill-spill) de l’aquifère en amont du pergélisol, où l’eau souterraine s’accumule pour ensuite se déverser rapidement dans l’aquifère en aval lorsque le niveau de la nappe atteint un seuil critique, est observé. Il y a donc une augmentation de l’exfiltration à la fin de l’été, causée par les épisodes de déversement et la présence de pergélisol. L’impact du fill-spill sur l’exfiltration est considérablement diminué alors que le pergélisol se dégrade et, après quelques décennies, il n’y a plus d’épisodes de déversement. Au bout du compte, la dégradation du pergélisol peut mener à une diminution de l’exfiltration des eaux souterraines à la fin de l’été ce qui peut affecter le cycle hydrologique des régions subarctiques et, par le fait même, la biodiversité et les ressources en eaux

Masters, McGill University, Mountain Water Futures

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