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

Results are reported from a 3-year monitoring initiative (2010-2013) of stable water isotopes (delta O-18 and delta H-2) 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 parts per thousand delta O-18 +/- 0.18 parts per thousand) and Burntwood River (i.e. Churchill Basin; -12.8 parts per thousand delta O-18 +/- 0.4 parts per thousand) 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 delta O-18 and delta H-2 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 resultats sont bases sur une etude d'echantillonnage de 3 ans (2010-2013) d'isotopes stables de l'eau (delta O-18 et delta H-2) a plus de 50 stations hydrometriques dans la partie inferieure du bassin de la riviere Nelson, un corridor marin d'eau fraiche du Canada d'importance mondiale. Les donnees sont tirees d'etudes synoptiques annuelles et d'un programme de mesure de series chronologiques. Les signaux releves dans les isotopes de l'eau montrent des differences significatives dans les moyennes a long terme (avec ecart-type) entre les regions du haut de la riviere Nelson (-10.5 parts per thousand delta O-18 +/- 0.18 parts per thousand) et de la riviere Burntwood (c.-a-d. le bassin de Churchill; -12.8 parts per thousand delta O-18 +/- 0.4 parts per thousand) et sont attribuees a l'etendue geographique et a l'origine de l'eau. Les signaux d'isotopes instables du haut de la riviere Nelson suggerent un climat plus tempere et demontrent un cycle saisonnier inverse (c.-a-d. que lorsque les eaux sont recouvertes de gel, il y a enrichissement et qu'autrement, il y tarissement) resultant de la connexite avec le lac Winnipeg et de l'influence de ce dernier. A l'oppose, la riviere Burntwood reagit comme une riviere dominee par la fonte des neiges et fortement influencee par le stockage des terres humides et l'enrichissement au cours des periodes ou les eaux ne sont pas recouvertes de glace, presentant des signaux isotopiques negativement correles avec les eaux d'amont. Les niveaux de delta O-18 et delta H-2 ponderes par le debit de l'eau presentent une diminution de la variabilite dans les deux regions lorsque les debits sont extremement bas ou eleves, indiquant une tendance vers une source unique : provenant des terres humides (faible debit) ou de la fonte des neiges ou d'averses de pluie (debit eleve). Les debits moyen a normal presentent une augmentation de la variabilite isotopique - comme c'est le cas pour les petits bassins recepteurs d'eau d'amont formes de sources d'eau variees - du temps de retention, de la composition des sources et du role des caracteristiques specifiques au paysage terrestre. Le Reseau de controle des isotopes d'eau stable (SWIMN) presente ici permet de preserver l'equilibre du bilan massique des isotopes d'eau, ce qui permettra de mieux comprendre les changements dans les liens entre les eaux douces et marines.