Border ice processes on the Saint Lawrence River

Border ice is one of many ice freeze-up processes, but it is discussed only to a limited extent in the literature. Border ice formation can be a precursor for ice jam formation that may restrict navigation and lead to flooding. This master’s thesis is mainly devoted to the research on the border ice on the Saint Lawrence River from Montréal to Québec City. This reach stays artificially open all winter because commercial ships are continuously preventing a full ice cover to form. The traffic also limits the extent of border ice. This study provides key information on ice formation and decay. Through analysis of Environment Canada’s historical data (ice charts from 2004 to 2009), the areal coverage of border ice is analyzed during freeze-up, winter and breakup periods. The historical information of ice coverage is collected in order to find out the factors which influence its formation and its spatial limits. Border ice growth and decay rates are also discussed. The thesis shows that border ice coverage has three stages including the rapid growth period at the beginning of the winter, the relatively stable period in the mid-winter and the breakup period as March progresses. During the mid-winter period, the border ice coverage sometimes drops sharply if the air temperature rises above 0 °C and/or if there is some rain. It was also found that the maximum border ice spatial limits are quite similar over the five winter seasons. Based on the analysis of the ice charts, a number of empirical laws regarding the formation and decay of border ice are proposed. Along the river flowing direction, the border ice is formed easily when there are obstacles particularly at the downstream end. The obstacles could include river bends, ice booms, shoals, artificial islands, bridge piers and so on. Thus, the obstacle influences the flow velocity, which is an important factor for ice formation and also provides an object against which the ice can become fast and initiate its formation. On average, border ice reaches 20% of its maximum coverage when the accumulated freezing degree days (AFDD) reaches 124 °C-D. This is followed by a rapid growth period that ends when the ice cover reaches about 80% of its maximum cover corresponding to AFDD equal to 247 °C-D. Border ice coverage usually reaches the maximum value when the average AFDD is 551 °C-D corresponding to the end of January. The winter period is characterised by a stable ice cover (>90% of max) upstream of Trois-Rivières except in the event of a mid-winter thaw. Downstream of Trois-Rivières there is no stable period as the decay begins very soon after the ice reaches its maximum value. Breakup is a gradual process that normally begins on about Feb. 15th downstream of Trois- Rivières and about March 1st upstream. Most ice has normally gone by March 31st. Moreover, the river flow velocity, river depth and Froude number along the limits of border ice once it reaches its maximal areal coverage are evaluated and analyzed. The flow velocity is almost always less than 1.0 m/s; the maximum Froude number is normally 0.1 at Lake Saint-Pierre and 0.2 in the Montréal to Sorel reach; river depth at the ice edge can vary widely. Through numerical modelling, it was found that border ice increased the current velocity by 0.1 m/s in the Lake Saint-Pierre reach and raised water levels by 14 cm in the Montréal to Sorel reach.

La glace de rive est un des nombreux processus de formation des couverts de glace sur les rivières. Cependant peu d’articles dans la littérature traitent de ce sujet malgré que la formation de la glace de rive peut-être un précurseur de l’apparition d’embâcles qui peuvent entrainer des inondations. Ce mémoire de Maitrise porte sur l’étude de la glace de rive le long de la portion du fleuve Saint-Laurent allant de Montréal à Québec. Du fait qu’il y a de la navigation commerciale toute l’année, le fleuve reste ouvert (libre d’un couvert de glace entier) artificiellement pendant tout l’hiver. Ce trafic limite aussi l’extension de la glace de rive. Cette étude fournit des informations clés sur la formation et la désagrégation de la glace de rive. À partir des données historiques d’Environnement Canada (cartes des glaces de 2004 à 2009), la répartition superficielle de la glace de rive est analysée pour les périodes de formation, de stabilité et de rupture de la glace. Les informations historiques sur les couvertures de glace sont collectées afin de déterminer les paramètres qui influencent la formation et les limites spatiales de ce type de glace. Les taux de croissance et de décomposition de la glace de rive sont aussi abordés. Il est montré que l’évolution de la structure propre à la couverture de la glace de rive se fait en trois étapes. Une période de formation rapide (début hiver), suivie d’une période stable (milieu d’hiver) et enfin une période de rupture (pendant le moi de mars). Pendant la période stable, la glace de rive se rompt partiellement parfois lorsque la température de l’air monte au dessus de zéro °C et surtout lorsque le redoux est accompagné de pluie. Il a été trouvé aussi que les limites spatiales maximales des glaces de rive sont très semblables sur 5 hivers de la période d’étude. À partir de l’analyse des cartes des glaces, un certain nombre de relations empiriques sont proposées. Ces relations caractérisent la formation et la désagrégation des glaces de rive. Le long de la direction de l’écoulement la glace de rive est formée facilement en présence d’obstacles, et particulièrement lorsqu’elles sont à l’extrémité aval. Parmi ces obstacles on peut citer les méandres de rivière, les bancs, les estacades, les iles artificielles, les piliers de ponts. Ainsi, les obstacles influencent la vitesse d’écoulement qui est un paramètre important dans la formation de la glace et peut aussi effectuer un apport d’objets sur lesquels la glace peut s’attacher et initier son accroissement. En moyenne la glace de rive atteint 20% de sa couverture maximale lorsque son le nombre de degrés jours accumulés (DJA) atteint 124 °C-j. Ceci est suivi d’une période d’accroissement rapide qui prend fin lorsque la couverture de glace atteint 80% de son maximum qui correspond à un DJA de 247 °C-j. La couverture de glace de rive atteint son maximum lorsque le DJA atteint 551 °C-j; ce qui correspond normalement à la période de fin janvier. La période d’hiver est caractérisée par une couverture de glace stable (supérieure à 90% de son maximum) en amont de Trois-Rivières, sauf pendant les périodes de dégel mi hivernales. À l’aval de Trois-Rivières, il n’y a pas de période stable, vu que la désagrégation commence très tôt après que la glace ait cru à son étendu maximal. La rupture est un processus graduel qui normalement commence vers le 15 février en aval de Trois-Rivières et vers le premier mars en amont. La grande majorité de la glace disparait généralement avant le 31 mars. Par ailleurs, la vitesse d’écoulement de la rivière, ainsi que sa profondeur et son nombre de Froude le long des limites de la glace de rive sont évalués. Ceci dans la condition où la glace de rive a atteint sa répartition superficielle maximale. La vitesse est presque toujours inférieure à 1 m/s, le nombre de Froude maximal est normalement de 0,1 au dans le Lac St Pierre et de 0,2 sur le tronçon Montréal-Sorel. La profondeur de la rivière à la limite de la glace peut varier largement. À partir d’une modélisation numérique, il a été calculé que la glace de rive cause une augmentation de la vitesse de 0,1 m/s dans le chenal maritime du Lac St Pierre et du niveau d’eau de 14 cm dans le tronçon Montréal-Sorel.