UNIVERSITÉ DU QUÉBEC DYNAMIQUE FLUVIO-GLACIELLE ÉTUDE DE CAS D'UNE FOSSE-À-FRASIL, RIVIÈRE MITIS, BAS-SAINT- LAURENT MÉMOIRE PRÉSENTÉ

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1 UNIVERSITÉ DU QUÉBEC DYNAMIQUE FLUVIO-GLACIELLE ÉTUDE DE CAS D'UNE FOSSE-À-FRASIL, RIVIÈRE MITIS, BAS-SAINT- LAURENT MÉMOIRE PRÉSENTÉ COMME EXIGENCE PARTIELLE DE LA MAÎTRISE EN GÉOGRAPHIE PAR GENEVIÈVE ALLARD JANVIER 2010

2 UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À RIMOUSKI Service de la bibliothèque Avertissement La diffusion de ce mémoire ou de cette thèse se fait dans le respect des droits de son auteur, qui a signé le formulaire «Autorisation de reproduire et de diffuser un rapport, un mémoire ou une thèse». En signant ce formulaire, l auteur concède à l Université du Québec à Rimouski une licence non exclusive d utilisation et de publication de la totalité ou d une partie importante de son travail de recherche pour des fins pédagogiques et non commerciales. Plus précisément, l auteur autorise l Université du Québec à Rimouski à reproduire, diffuser, prêter, distribuer ou vendre des copies de son travail de recherche à des fins non commerciales sur quelque support que ce soit, y compris l Internet. Cette licence et cette autorisation n entraînent pas une renonciation de la part de l auteur à ses droits moraux ni à ses droits de propriété intellectuelle. Sauf entente contraire, l auteur conserve la liberté de diffuser et de commercialiser ou non ce travail dont il possède un exemplaire.

3 REMERCIEMENTS Je remercie mon directeur Thomas Buffin-Bélanger, pour sa générosité et son humanisme basé sur le respect de l'autre. Merci pour cette découverte du monde scienti fiqu e, pour la générosité de ton temps, de ton aide, pour le constructivisme de nos échanges et pour ton amitié. Je remercie égal ement mon codirecteur Normand Bergeron, pour sa créati vité, son énergie contagieuse et l'apport enrichissant de ses critiques. Merci pour tes encouragements soutenus. Je remercie tous ceux et ce lles qui m ' ont aidée au cours de ce périple académique. D'abord, ma famille, A lexandre, Max im et Jean-Christophe. Cette aventure fut autant la leur que la mienne. Puis, il y a ceux qui donnent existence aux données et qui soutiennent chaque proj et par leur aide sur le terra in et en laboratoire. Je te remercie, Françis Bérubé, Jérôme Dubé, Joachim Bobinet, Sylvio Demers, Pierre Simard, Suzan Taylor, Yanick Larue, Marc Desrosiers, Jean-Daniel Côté, Stéphane Bolduc, Laure-Éloïse Bergeron et Sébasti en A llard. La réa li sati on de ces recherches a été possible grâce au soutien financier du CRSNG, de Bi onord, du FQRNT (Fonds Québécoi s de Recherche sur la Nature et les Technologies), du Centre d ' Études Nordiques et de la Fondation de l' UQAR. La qualité de ce mémoire et des articles qui en découlent repose également sur la critique constructive de nombreux évaluateurs. Finalement, à l'équipe du laboratoire, aux li eux de rencontres, aux montagnes, lacs et ri vières, aux amis, à ces endroits et à ceux qui sèment des grains de fo lie dans mon quotidien.

4 TABLE DES MATIÈRES LISTE DES FIGURES v LISTE DES TABLEAUX vii RÉSUMÉ viii CHAPITRE 1 INTRODUCTION Contexte Structure et objectifs CHAPITRE II UN MODÈLE CONCEPTUEL D'INTÉGRATION DES DYNAMIQUES FLUVIALES ET GLACIELLES A conceptual model of cold rivers The trinity of crystallization process, ice transport and iceforms Crystallization process Ice transport Iceforms A complete river ice trinity Cold river dynamics Flow structure and ice dynamics Sediment transpoit and ice dynamics Bedforms development and ice dynamics Discussion Conclusion

5 IV CHAPITRE III DYNAMIQUE FLUVIO-GLACIELLE D'UNE FOSSE-À-FRASIL Introduction Study location Methods Freeze-up sul-vey Bed monitoring [ce monitoring Results Freeze-up dynamics GPR and soundings Dynamic bed-rods Bed deformation \ 3.5 Discussion Dynamics of frazil ice production and accumulation Evolution of ice cover and frazillayer Morphological changes and implication for pool dynamics Conclusion C HAPITRE [V CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE

6 v LISTE DES FIGURES Figure Page l.l TlIustration simple des interrelations entre les formes du lit à la dynamique du fras il en rivière, à l'échelle de tronçon Cold ri vers subject to freezing in the northern hemisphere. Freezing index is based on a eontinuous long-term 25 km x 25 km grid monthly temperature dataset for the Northem Hemi sphere. Monthly dataset is deri ved from CRU TS 2. 1 dai ly air temperatllre observations The ' trinity' of flow, sediment transport and bedfonn as a fe edback loop (from Leeder, 1983) The «crystal modcl» on the interactions between flu vial and ri ver ice dynamics. Dependant components are presented into boxes and interrelationships and feedbacks in arrows. Dotted arrows indicate hypothetical bonds necessitating further research. lndependent variables arc exeluded from the model... The «ic e trinity» model between crystallization process, ice transpo rt and iceforms components Evolution of iceforms in cold ri ve rs, from ice initiation to ic e eover break-up. Length scales are from Morse and Richard, !ce trains at ri ver bend PK2 1 from estuary, Mitis Ri ver, Québec. Photography by Jerôme Dubé Anchor ice riffle formation at strai ght reach PK33.6 from estuary, Mitis Ri ver, Québec. a) Anchor ice riffle formation 01 /25/2008 b) Anchor ice ri m e at lower discharge 02/02/ II A conceptual model for the complex interre lations between fra zil ice and bedfonns from Allard (2009a). The black arrows show th e interrelati ons and feedbacks between the frasil Iceform component and Bedfonn component through the Flow and Sediment transport dependant components

7 VI Figure Page (a) Map showing Mitis Ri ver basin, adjacent basins and location of Mitis River survey corridor. (b) Illustration of the fra zil-pool study site. Arrows indica tes f.low direction. (c) Physiographic map showing (reeze-up survey sites along the survey corridor. The arrow indieates the location of the pool study site (a) Map showing DBR and water level logger deployment at the fra zil-pool site. (b) Dynamic bed-rod arrangement (a) Outer batlk view of frazil pool site on Mareh 19 ù (b) Frazil-pool site from aerial photograph QO (Ministère des ressources natllrelles et de la faune). The arrows show the direction of the flow and the lines th e approximatc location of the cross-sections (a) a 400 MHz GPR re flexion profile after filtering procedurcs. (b) Processed GPR profile of cross-section (a) Freeze-up survcy results for the period Nov. 16 th to Feb. 14 th (b) Broad geomorphologic characterization of ri ver corridor and localization of fra zil producing ri ver segments. (c) Longitudinal profile and water slope gradient of the river corridor Daily hydroclimatic conditions for the period November 1 S\ 2007 (day 1) to June I st, 2008 (day 2 14) Hydroclimatic conditions at the frazil-pool site during fraziljam. Period shovll1 is From December 9 th to December 16th. The arrow is pointing at a strong decrease in water le vel at the pool followed by a decrease in di scharge at Mitis-2 dam. Ri ghtbottom photo shows continuous ice runs through downstrealll opening shortly before ice jalllming (a) GPR survey analysis cross-sections 01/29; (b) drill-hole sounding cross-sections 02/29 (black), 03/11 (gray). Crosssection thickness va lues should be regarded qualitatively. Frazil-pool result-illaps (a) Sub-ice flow distribution from sounding Illeasurelllents. (b) DBR flow-sensors responses (c) DBR ground-sensors responses

8 .. V II LISTE DES TABLEAUX Tableau Page Conceptual models of river ice processes Iceform types and de fu1ition s Methods specifications Summary of bydroclimati c conditions prior to the first frazil ice runs at th e frazil-pool site and bydroclimatic conditions wben full ice cover formed on the pool

9 RÉSUMÉ Il se forme du frasil dans près de 60 % des grands bassins de l' hémisphère nord, pour des périodes variant de quelques jours à plusieurs mois. Le frasil et les glaces qu'il produit, endommagent les infrastructures submergées, menacent la sécurité civile et modifient considérablement la morphologie des rivières. Les interrelations que partage la dynamique glacielle avec la géomorphologie fluviale et le transport des sédiments sont encore mal comprises, entre autres parce qu 'elles s'insèrent dans un champ d'études dépourvu de cadre d'analyse. Ce mémoire s' intéresse à l'étude des liens entre la dynamique du ftasil et la géomorphologie flu via le. Il s 'organise autour de deux chapitres-articles. Le premier article propose un modèle conceptuel d' intégration des dynamiques glacielle et flu viale. La «trinité» conceptuelle de Leeder s'impose comme cadre structurel, car elle illustre efficacement les interactions entre les composantes de la dynamique fluviale. Une «trinité» analogue a été développée pour la dynamique glacielle. Le modèle proposé contient six composantes dépendantes et leurs interrelatio ns. Ce modèle est un prcmier outil d'analyse pour comprendre la complexité des dynamiques physiques sous-jacentes aux rivières froides. Le second article s' intéresse à la chronologie des ajustements morphologiques d'wle fosse à frasil selon l'accumulation de ftasii sous couvert de glace et le degré d'obstruction du chenal par celte accumulation. Les fo sses à frasil présentent une morphologie «anormalement profonde» résultant d ' interrelations non documentées entre la dynamiquc glacielle et la dynamique fluvi ale. La fosse à l'étude est située à 14.1 km de l'embouchure de la rivière Mitis, Bas-Saint-Laurent. Les objectifs spécifiques de l'étude sont de trois ordres : documenter les processus qui mènent à l'accumulation de frasil ; cartographier l'évolution mensuelle du couvert de glace, de l'accumulation sous-glacielle de frasil et l'évolution du lit; documenter en continu la déformation du lit au cours de l' hiver. Les premières observations de frasil dans le système flu vial de la rivière Mitis sont associées à une température de l'eau de 0.8 oc, à un abaissement de la température atmosphérique et à d ' importantes précipitations neigeuses. L'étude identifie une relation étroite entre la progression du couvert de glace et le gradient de pente du chenal. À l'échelle de la fosse-àfrasil, l'anal yse des levés géophysiques et manuels dévoile une géométrie hydraulique sousglacie lle modelée par d'épaisses accumulations de frasil aux formes irrégulières qui occupent jusqu'à 70 % de la section transversale et atteignent une épaisseur de 6.25 mètres. Un système de bornes autonome munies d 'accéléromètres, enregistrant la temporalité et la spatialité des déformations du lit, a été développé. L'utilisation de ces bornes sédimentaires dynamiques (DBR), révèle une rclation claire entre la déformation du lit et la progression du couvert de glace sur la fosse-à-frasil. Dans les cours d 'eau de taille moyenne, l'accumulation suspendue de frasil constitue une composante morphologique imposante qui dépasse le qualificati f de simple accumulation ponctuelle de glace.

10 CHAPITRE 1 INTRODUCTION 1. 1 Contexte Au cours des mois hi vernaux, du frasil se forme dans près de 60 % des grands bassins versants de l 'hémisphère nord pour des périodes variant de quelques jours à plusieurs mois et contri bue à la fo nnation des glaces de rivière. L 'action des glaces de ri vière et la présence de frasil engendrent des coûts socio-économiques considérables (Beltaos, 2000; Morse et Hicks 2005). Depuis toujours, ces phénomènes climatiques endommagent les infrastructures submergées, menacent la sécurité civile (inondations) et modifient considérablement la morpho logie des ri vières (Prowse et Beltaos, 2002). Plus récemment, les changements climati ques semblent influencer le régime des glaces flu viales. On observe dans plusieurs systèmes flu viaux de l' Est du Canada, une augmentation des débits hi vernaux, un e réduction des débits printani ers, des changements dans les dates de gels et de dégels, une réduction des jours avec couvert de glace, une augmentation des événements de dislocation du couvert de glace, ainsi que des changements au niveau de l'épaisseur du couvert de glace (Burre ll, 2009). Le fra sil constitue l' une des composantes clefs de la dynamique flu vio-glacie lle. Considérant sa sensibilité aux conditions hydroclimatiques, il importe de bien comprendre les processus li és à sa formation, son transport et son accumulation dans les ri vières des régions froides.

11 2 Le frasil apparaît dans un écoulement turbulent en état de surfu sion ce qui le distingue de la glace pelliculaire qui se forme à la surface de l'eau dans un écoulement laminaire (Michel, 197 1). Le frasil est composé de cristaux aux [onnes circulaires ou elliptiques de tailles va ri ant de 0. 1 à 4 mm dc diamètre (Unduche et Doering, 2007; Morse and Richard, 2009). En ri vière, on associe intuiti vement la production de ftas il aux sections de fortes pentes où l' écoulement est turbulent et le couvert de glace est absent (chutes, seuils et rapides) (fig. I. I). La quantité de fra sil produite est théoriquement proportionnelle à l'étendue de la surface d'eau libre et au taux de perte thermique (Beltaos, 1995). En transport dans l'écoulement, les particules de frasil croissent, se transforment et évoluent en d 'autres formes de glaces. La croissance thermique des cristaux de fta sil est gouvernée par les transferts thermiques entre le cri stal de glace et l'eau turbulente en surfusion (Hammar et Shen, 1993). Dans une eau en surfus ion, le fras il a la capacité d 'adhérer à toute surface immergée (substrat, in frastructures, cri staux de glace). Sans être adhésif, le fra sil en transit peut également être «harponné» par toute surfa ce irrégulière ou rugueuse. Le frasil initie la formation de glace de fond lorsqu ' il entre en collision avec le substrat de la ri vière (Daly, 1994). Lié à d 'autres particules de fras il, il compose un fl ocul at. Le floculat est une masse d'eau-frasil non unifonne dont la densité est fo nction de la concentration de frasil (Tsang, 1993). A lors que la turbulence de l'écoulement œuvre à détruire les agglomérations formées, le culbutage des floculats tend à compacter les flo culats entre eux ce qui favorise l' incorporation de grains de frasil et la croissance intrinsèque des cristaux. Cri staux et floculats remontent à la surface lorsque leur taille devient suffi sante importante pour augmenter leur flottabilité et contrer les forces de l'écoul ement. En surface, ils s'agglomèrent et s'épaississent, pour composer d 'autres fonnes de glace (plaquettes, ass iettes, radeaux de glace). La formation dynamique du couve rt de glace repose sur la juxtaposition, la progression frontale, la compression ou l'empilement de frasil et de ses formes glac ie lles parentes. Un couvert de glace dynamique peut occuper jusqu 'à 100 % de la largeur du chenal et peut progresser vers l'amont à une vitesse de 40 km/ jour (Michel, 1972).

12 3 \ 7ulement turbulent ~ \ 7'--.; Frasil Floculats, plaquettes, assiettes, radeaux \ ) 2F;';:o<c _: _ ~ '" ~, L ~ccumulat/ion suspe ndue de fra5~u vert de glace ''''-Î~:\..,-,.. '. <'"'J>ê,"",,~,,-- '[\ _~~ \'" \ ~ Glace de fond "" " '.- ~. ~" -- -", T< O C T= O C T< O C T= O C "'- "", Processus de cristallisation Zone de transport Evolution glaclelle Zone de transport Surface et suspension '''1 -- ErOSIon. -f Fo~ s ;~~fr~'sil Accumulation suspendue de frasil Figure 1.1 Illustration simple des interrelations entre les formes du lit à la dynamique du fras il en rivière, à l'échelle de tronçon, En présence d ' un couvert de glace, lorsque la force de l' écoul ement excède la flottabilité des cristaux de frasil et floculats, ceux-ci peuvent être transportés sous le couvert de g lace. Il s adhèrent et s'accumulent dans des zones à faible vélocité telles que les mo uilles, méandres, exutoires de lacs, etc, Le terme «barrage suspendu» fait référence à une accumulation verticale de glace, de pellicules de glaces de fond, de frasil ou de leurs combinaisons (Shen et Wang, 1995), Un barrage suspendu de frasi 1 peut causer une augmentation de ni veau d 'eau à l' amont et une augmentation de vitesse près du lit L'affouillement localisé trouvé sous plus d ' un barrage suspendu de frasil, confirme que l'accumulation de frasil sous couvert de g lace a des impacts notamment sur le transport de sédiment en charge de fond et indirectement sur la morphologie du chenal (Michel et Drouin 1975; Be ltaos, 1995; Sui ef al., 2006). Les interrelations que partage la dynamique g lacielle avec la géomorpho logie fluviale et le transport des sédiments sont encore mal comprises, Des concepts comme l' altération de la sous-g lacielle de la géométrie du lit et les ajuste ments hi vernaux du talweg demeurent fa iblement étudiés, principalement parce qu ' il s'agit de processus ponctuels et éphémères qu' il peut être difficile de documenter suite à la disparition du couvert de g lace, Le transport sédimentaire hi vernal est une composante essentielle à la compréhension de la réponse morphologique sous couvert de glace. Pourtant, un nombre limité d 'études porte sur le transport sédimentaire sous couvert de g lace (Ettema et Daly, 2004; Sui ef al., 2000; Milburn

13 4 et Prowse, 1996, 1998; Muste et al., 2000). De plus, les mesures terrain de tra nsport sédimentaire hi vernal sont quasi inexistantes (Beltaos, 1993). Les particules de fras il, comme les particules de glace présentent une résistance au cisaillement de l'écoulement. Il est donc possibl e de s' intéresser aux interactions ftas il-chenal se lon la rés istance du lit à l'écoulement ou selon la résistance de l'accumul ation de fras il à l'écoulement. Des travaux de rec herche menés sur le fleuve Jaune ont pennit d'établir une relation positive entre l'accroissement vertical d'accumulations de frasil et l'augmentation de la déformation du lit. (Sui et al. 2000; 2006). Selon Sui, Wang et Karney (2000), pour une sec tion transversale donnée, les fo nnes du lit et l'accumulation de fras il chercheront à s'ajuster selon un minimum requis d'énergie (least energy consumplion) afin de fac iliter le passage de l' écoulement. Des efforts de recherche sont nécessaires pour aider à comprendre la contribution exacte de chaque composantes glacielles et flu viales impliquées dans la dynamique flu viale hi ve rn ale. Plusieurs études se contentent d'une interprétation intuitive et simpliste de la géomorphologie flu viale lorsqu ' il s'agit de comprendre son rôle dans les processus de cristallisa tion, de transport de glace ou de cro issance des formes glac ielles. Il en va de même lorsqu ' il s'agit de prédire la réponse du chenal à la dynamique glacielle. La créa tion d' un cadre d'analyse qu i intègre la dynamique glacielle (cristalli sation, transport de glace ct morphologie glac ielle) à la dynamique flu viale (structure des écoulements, transport de sédiment et formes du li t) pourrait aider à mieux comprendre la complex ité des ri vières à dynamique glaciell e. Plusieurs fosses anormalement larges et pro fondes sont présentes dans nos ri vières, mais peu d'entre elles sont connues ou documentées (Lapointe, 1984; Gharabaghi el al, 2007; Inkaras et al, 2009). La plupart de ces fosses présentent une morphologie diffi cil ement allouable à la dynamique d'écoulement en chenal libre. Il a été proposé que les conditions glaciell es pourraient être à l'origine de la morphologie anormalement pro fonde d'une fosse de 30 mètres de profondeur dans le delta du fleuve Mackenzie (Gharabaghi et al., 2007). Des scénarios de vitesses d'écoulement sous couve rt de glace ont montré que la forc e de cisaillement près du lit diminue lorsque le débit augmente du à l' inversement du gradient de pression. Nous ignorons touj ours si l'entretien et l'évolut ion de telles fosses sont imputab les à la dynamique des glaces.

14 5 l.2 Structure et objectifs Ce mémoire s' intéresse à l'étude des li ens entre la dynamique du frasil et la géomorphologie alluviale. Il s'organise autour d ' un co urt chapitre de contexte et de deux chapitres-articles. Le choix de cette structure de présentation repose sur l' intérêt de di sséminer les résultats de cette recherche à un large éventail de la communauté scientifique car plusieurs disciplines côtoient les interrelations entre la dynamique glacielle, la géomorphologie et la sédimentolog ie flu viale. Le modèle conceptue l proposé dans le premier article vise à intégrer les efforts de recherche passés et fu turs dans un cadre de travail universel de caractéri sation Iluvio-glacie lle. Les interactions entre les composantes de la dynamique flu viales sont efficacement illustrées par la «trinité» conceptuelle de Leeder (1 983) qui s' impose comme cadre structure l. U ne «trinité» analogue est développée pour la dynamique glacielle. Le modèle proposé comprend six composantes et leurs interrelations : ( 1) l' écoul ement (2) le transport de sédiments (3) la morphologie du lit (4) le processus de cristallisation (5) le transport de glace et (6) la morphologie glacie ll e. Les i.nterrelations intrinsèques à la dynamique glaciell e ainsi que celles qui uni ssent cette dyna mique aux composantes de la dyna mique flu viale sont soutenues par des études expériment ales provenant de la li ttérature. Ce modè le constitue un cadre d ' analyse pour mi e ux décrire c t comprendre la complexité des dynamiques physiques sous-jacentes aux ri vières froides. Il se distingue pa r sa simplic ité ct sa capacité d ' adaptation à une di versi té d ' environnements et d 'éche lles flu viales. Le second article présente la chronologie des ajustement s mo rphologiques d ' une fo sse-àfrasil sui vant l'accumulati on sous-glacie lle de fras il ct le degré d'obstructi on du chenal par cette accumulation. Une fosse à frasil est un bas point topographique du pro fil lo ngitudinal qui présente une morpho logie «anomale» résultant d ' interrelations entre les dynamiques glacie lle et Iluviale. La fosse à l' étude, d ' une profondeur maximale de 8.2 m (ni veau ple in bord), est située à 14.1 km de l'embouchure de la ri vière Mitis, Bas-Saint-Laurent. Le premier objecti f spécifique de cet article co nsiste à comprendre les processus de producti on et de transport de glace qui mènent à l'accumulatio n de frasil dans la fosse d 'é tude. Au cours de

15 6 la période de gel, un sui vi qualitatif des conditions glacielles a été mené sur un corridor de 24 km à l' amont de la fo sse. L' instrumentation de ce corridor et une caractéri sati on géomorphologique du corridor flu vial penneltent de discriminer l'influence des variables climatiques, hydrauliques et géomorphologiques. L'analyse de ces données révèle l'existence d ' un lien étroit entre un gradient hydraulique de 5 % et l' absence de couvert de glace sur un tronçon de 5.8 km de la ri vière Mitis. Exposé à de basses températures, ce tronçon a la capacité de produire d' importants vo lumes de frasil au cours de l' hiver. Le deuxième objecti f spécifique vise à documenter l' intensité et la spatialité de la réponse morphologique de la fosse à des événements spécifiques de na tures hydrologiques ou glacielles. Une matrice de bornes sédimentaires dynamiques (dynamic bed-rods (DBR», composées d ' accéléromètres tridimensionnels a été déployée dans la fo sse. Ce système a montré une relation claire entre la déformation du lit et la progression du couvert de glace sur la fosse-à-frasil. Le troisième obj ecti f spécifique consiste à examiner l'évolution morphologique des fonnes g lacie ll cs ct des fo rmes du lit d ' unc fo ssc-à-frasil, sur unc base mensue lle. Des relevés géophysiques et des sondages manuels révèlent l'épaisseur verticale des couches de glace selon 7 pro fil s transversaux. Les résultats obtenus dévoilent une géométrie hydraulique hi vernale unique liéc à la présence d'épaisses accumulations de fras il aux formes irréguli ères qui occupent jusqu ' à 70 % des secti ons tra nsversales de la fo sse. Une courte conclusion termine ce mémoire en soulignant les principaux résultats obtenus au cours de ces recherches. Di verses pistes de recherches pour développer nos connaissances sur la dynamique flu vio-glacic lle sont également proposées.

16 CHAPITRE [( A CONCEPTUAL MODEL ON THE INTERACTIONS BETWEEN FLUVIAL AND ICE DYNAMICS UN MODÈLE CONCEPTUEL D' rntégration DES DYNAMIQUES FLUVlALES ET GLACIELLES Abstract Rivers exposed to flu vial ice processes are complex systcms composed of interdcpendent components that are difficult to study in isolation. Conccptual mode ls are successfully uscd in flu vial geomorphology to simpli fy the complex structure of such flu vial systems and to hi ghlight key interactions betwccn the components. Leeder's conceptual «trinity» mode l dcscribes ri ver dynamics thought three components and theirs interacti ons: ( 1) f1 0w (2) scdiment transport and (3) bed forms. The strength of thi s model comes from its simplic ity and applicability to nearly ail flu vial conditions. Leeder's trinity, like other flu vial dynamics models, fails to integrate the pec uliar of ice dynamics (Knighton, 1998; Bridge, 2003). The domain of cold ri ver science has proposed a few conceptual mode ls (S hen, 2003; Miche l 1984). These models present the river ice system as a space-time continuum of ice form s and ice processes sharing some interactions with flow processes. Present conceptual modcls tcnd to exclude known inte ractions between ice dynamics, sediment transport and bedfonns. No model actuall y fulfills the need for a conceptual framework to study river ice dynamics as an intrinsic component of flu vial dynamics. In this paper, we propose a conceptual model for the study of the complex interactions between flu vial and river ice dynamics. Strongly influenced by Leeder's conccptual model, the mode l attempts to integrate both flu vial and ice dynamics w ithin a unified structurc of components and interactions. Wc illustrate th e models wi th several examples from field and experimental studies in order to idcnti fy key aspccts of river ice proccsses fro m past and recent research.

17 8 Résumé long Les envirolmements flu viaux exposés à la dynamique g laciell e sont composés d ' une my ri ade de variables qui interagissent de manière complexe et qui ne peuvent être étudiées isolément. De nombreux modèles conceptue ls sont utilisés en géomorphologie flu viale pour simplifier la description et l'étude de la dynamique flu viale. Ces modè les sont composés d ' un ensemble structuré de composantes distinctes et interdépendantes. La représentation de l'environnement flu via l sous fo rme de modè le v isue l aide à identifier des re latio ns critiques entre les composantes, à disting ue r des manques d ' informations et à désigner des suje ts d ' étude prioritaires. La «trinité» conceptuell e de Leeder (1 983) décrit la dynamique flu via le par le biais de trois composantes et de leurs interactions: (1 ) l'écoulement (2) le transport de sédiments et (3) la morpho logie. Ce modèle se distingue par sa simplicité et sa capac ité d ' adapta tio n à la di vers ité des environnements et éche ll es flu via les. Malgré l'effi cacité de la Trinité à décrire Ic systèm e flu via l, ce modèle, développé pour dcs cours d ' eau dépourvus de g lace, échoue à intégrer la spécificité de la dynamique g lacielle des ri vières fro ides. D 'ai lleurs, auc un autre modèle destiné à la conceptualisation de la dynamique flu viale n' intègre les varia bles de la dynamique g lacie ll e. Près d ' une dizaine de modè les conceptuels de dynamique g lacie lle ont été proposés au cours des 40 dernières années. Certains dc ces modè les, porte nt sur l'évolution spatio-temporelle des formes et processus de g lace a lors que d'autres s ' inté ressent à la relation entre la g lace et les processus hydrolog iques. Ces modèles sont complexes e t les modèles courants excluent les li ens connus entre la dynamique glacielle, le transpo rt de sédiment et la morpho logie. Aucun n' offre de cadre d 'ana lyse o rganisati onne l permettant de considérer la dyna mique glacie lle co mme étant intrinsèque à la dy namique flu viale. Ce chapitre, composé d ' un article de recherche qui sera soumis à la revue scienti fi que Progress in Physical Geography, propose un modè le conceptuel d ' intégration des dynamiques flu via les et glacielles. Dans un premier temps, le chapitre-article vise à dé finir la nature des processus glacie ls par la description de la «trinité» de la dynamique g lacie ll e. En ana log ie à la «trinité» de Leeder, la «trinité» de la dyna mique glacielle est composée de tro is composantes interdépendantes: ( 1) le processus de cri stalli sati on (2) le transport de la g lace et (3) la mo rpho logie g lac ie ll e. Les li ens rétroacti fs que partagent ces trois composantes sont démontrés à l'aide d 'exemples concrets tirés de recherches expérimenta les passées et actue lles. Dans un deuxième temps, des liens entre la «trinité» de la dynamique g lacie lle et chacune des composantes de la dynamique flu viale sont ide nti fi és. Dans un tro isièmc tcmps, le modè le conceptue l de la dynamique flu vio-g lac iell e est proposé. Inspiré de la trinité de Leede r, ce modèle tente d ' intégrer les deux dynamiques, g lac ic ll e et flu viale, en un co ncept unifié sous la fo rme de composantes et de liens. Les composantes dépendantes sont contenues dans des bo ites a lors que les liens sont illustrés par des fl èches. Les composantes indépendantes te ll es que les paramètres hydroclimatiques siègent à l'exté ri eur de l' encadré principa l. Lc modè lc proposé s' adresse à ceux qui cherchent à comprendre les processus et enti tés abiotiques sous-j acents aux ri vières froides. Il o ffre une approche uni versell e ct simple pour visua liser la complexité des interactions intrinsèques à la dynamiq ue flu via le des rég io ns fro ides.

18 9 2.1 A conceptual model of cold rivers Based on average monthly minimal temperature data and major basins distribution, it can be estimated that ice processes occur in 60 % of major ri ver basins in tbe northern hemispbere (fig. 2. 1). Ri ver ice is known to interfere with ri ver usage (hydropower, water suppl y, transportation or sanitation), threaten human activities (l1ooding) and remodel flu vial morphological features. Freezing ri vers have received little attention compared to the number of studies devoted to ice free ri vers. Literature on ri ver ice (reat ri ver ice processes mainly as periods of ice activity (freeze-up, evolution and break up) and as a major component of hydrological processes. Knowledge gaps remains in the domain of how ice and river syste ms interaet as a whole (Shen, 2003; Ettema and Daly, 2004). Conceptual models are widely used in flu vial geomorphology to help understand the structure and dynamies of ideali zed alluvial systems (Knigbton, 1998; Bridge, 2003; Leeder, 1983). Leeder (1983) proposed a simple, yet effici ent, model strietl y composed of three dependant variables: (1) flo w structure (2) sediment transport a nd (3) bedforms that interact over a range of time and spaee scales (fig. 2.2). The «trinity» model i Ilustrates weil the continuous feedback system at work between flow and sediment transport can determine the ability of a river to modify its morphology. Easil y applicable to nearl y any situation, th e model is largely acknowlcdged by multiple citations, including citations coming From Best 1993 ' s adaptation. Authors like C li ffo rd ( 1993) have brilliantly uscd and adapted th e ' trinity' to present, in si mplified tcrms, the main features ofthcir study. Albei t the efficiency of Leeder' s trinity to describc the dynamics of Ou vial system, il fails to adequately integrate the peculi ar dynamics of cold ri vers. This is also truc of many other models of the Ou vial system. The factors pertaining to the scverity of a n ice jams (discharge, channel width and slope, hydraulic resistancc, strength and characteristics of a jam, ice volume, water temperature and heat transfer, strength and thickness of ice cover during break-up) enlighten the interactions that cxist be(ween ice dynamies, Oow, sediments transport and bed forms lhal are not eas ily included in actual models of Ou vial dynamics (Beltaos, 1995).

19 10 /':',. ~ ' :...~ "op, " '. I... ~ Mongolia Kazakhstan Russia t ' ;' ''.,t'- ' ~:;. /~(; ' " Line indicutcs minimal \'lilue {Y\~ " ~~\. ~~\ ~~:i:~ ~r:;:~~~o~'~~:!~~,:~i; ' > ', from Frallcnfdd. and al. 2(07). ' This ",duc corresponds to the spatial distribution of in' jam nents in thc US, 'R, ': ;'~ ~~:,I?~~ <~~~ 7 ~..., -, / "... x---'".. ( \ ~ l'roj\!ction: Lalllbcn azilllllthai cq llal ar~a Data solln:c : LISA-CRRI::L lec.!am Databas~ (2008 ): Global RlinolT Data U nt ~ r (200 7): Frall\!n"~ld and al. (2007). Figure 2.1 Cold ri vers subject to freezin g in the northern hemisphere, Freezing index is based on a continuous longterm 25 km x 25 km grid monthly temperature dataset for the Northern Hemisphere. Monthly datasct is deri ved From C RU TS 2. 1 da il y ai r tempe rature observations. The co Id re search community offers a comprehensive understanding of ri ver ice dynamics through conceptual models. Most o f these models, listed in Table l, outline ri ver ice processes through three m ain componcnts (crysta lli za ti on process, ice transport and iceforms) and relate 10 the space-time evolution of icefonns (freeze up, ice covered and breakup). Michel ( 197 1) drew a classification sc he me based on macroscopic iceforms in lakes and ri vers. M ichel (1972) di scriminated fra zil crystallization and fra zil transpoi1 as a n inacti ve form into a simple schematic reprcsentation. Michcl 's ( 1984) tlow chart distinguishes two conditions of ice cover formation. Gray's ( 198 1) and Shen' s (2003) sche ma tics

20 Il classifi cations resulted in complex diagrams where an emphasis was glven to flo w turbulence. Tbose conceptual models tend rel ate to a un idirectional bond between flow and ice processes and do not encompass ice retroactive in fl uence on the river system. Lawler' s ( 1993) diagram refers to both the ri ver ice and the flu vial dynamics. S eing applicabl e only to ncedlc-ice processes, it does not fu i fi Il the oeed for a conceptual frame that considers river ice dynamics as an intrinsic asset to flu vial dynamics. No model presently assesses the sc ope of interrela tion betwcen ice dynamics and morphological processes. Turbulent Boundal'Y Layer Structure Sediment Transport Bedform Development Figure 2.2 The ' trin ity' of fl ow, sediment tra nsport and bedform as a fcc dback loop (from Leeder, 1983).

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