Identification of geographical influences and flow regime characteristics using regional water isotope surveys in the lower Nelson River, Canada

Abstract

Results are reported from a 3-year monitoring initiative (2010–2013) of stable water isotopes (δ18O and δ2H) at over 50 hydrometric sites in the lower portion of the Nelson River Basin, a key freshwater–marine corridor in Canada with global significance. Data are collected from annual synoptic surveys and a time-series monitoring program. Water isotope signals exhibit significant long-term average (with reported standard deviation) differences between the upper Nelson River (–10.5‰ δ18O ± 0.18‰) and Burntwood River (i.e. Churchill Basin; –12.8‰ δ18O ± 0.4‰) regions which are attributed to the geographic extent and origin of the water. Upper Nelson River flow-isotope signals suggest a more temperate climate, and exhibit reverse seasonal cycling (i.e. ice-on isotope enrichment; ice-off isotope depletion) due to the connectivity with and influence of Lake Winnipeg. In contrast, the Burntwood River behaves like a snowmelt-dominated river heavily influenced by wetland storage and enrichment during ice-off periods, exhibiting isotopic signals negatively correlated with headwater river discharge. Flow-weighted δ18O and δ2H show decreased variability in both regions at extreme low- and high-flow regimes, indicating a tendency towards a single dominant end member: wetland release (low-flow regime) or snowmelt/rainfall (high-flow regime). Mid- to normal-flow regimes exhibit increased isotopic variability, as do small headwater catchments resulting from varied source water contributions, residence times, mixing patterns and the role of landscape-specific features. The Stable Water Isotope Monitoring Network (SWIMN) presented enables the closure of water-isotope mass balance modelling that will facilitate the understanding of changes to freshwater–marine linkages.Les résultats sont basés sur une étude d’échantillonnage de 3 ans (2010–2013) d’isotopes stables de l’eau (δ18O et δ2H) à plus de 50 stations hydrométriques dans la partie inférieure du bassin de la rivière Nelson, un corridor marin d’eau fraîche du Canada d’importance mondiale. Les données sont tirées d’études synoptiques annuelles et d’un programme de mesure de séries chronologiques. Les signaux relevés dans les isotopes de l’eau montrent des différences significatives dans les moyennes à long terme (avec écart-type) entre les régions du haut de la rivière Nelson (–10.5‰ δ18O ± 0.18‰) et de la rivière Burntwood (c.-à-d. le bassin de Churchill; –12.8‰ δ18O ± 0.4‰) et sont attribuées à l’étendue géographique et à l’origine de l’eau. Les signaux d’isotopes instables du haut de la rivière Nelson suggèrent un climat plus tempéré et démontrent un cycle saisonnier inversé (c.-à-d. que lorsque les eaux sont recouvertes de gel, il y a enrichissement et qu’autrement, il y tarissement) résultant de la connexité avec le lac Winnipeg et de l’influence de ce dernier. À l’opposé, la rivière Burntwood réagit comme une rivière dominée par la fonte des neiges et fortement influencée par le stockage des terres humides et l’enrichissement au cours des périodes où les eaux ne sont pas recouvertes de glace, présentant des signaux isotopiques négativement corrélés avec les eaux d’amont. Les niveaux de δ18O et δ2H pondérés par le débit de l’eau présentent une diminution de la variabilité dans les deux régions lorsque les débits sont extrêmement bas ou élevés, indiquant une tendance vers une source unique : provenant des terres humides (faible débit) ou de la fonte des neiges ou d’averses de pluie (débit élevé). Les débits moyen à normal présentent une augmentation de la variabilité isotopique – comme c’est le cas pour les petits bassins récepteurs d’eau d’amont formés de sources d’eau variées – du temps de rétention, de la composition des sources et du rôle des caractéristiques spécifiques au paysage terrestre. Le Réseau de contrôle des isotopes d’eau stable (SWIMN) présenté ici permet de préserver l’équilibre du bilan massique des isotopes d’eau, ce qui permettra de mieux comprendre les changements dans les liens entre les eaux douces et marines.