Abstract This study investigates two design options that complement the original Upper Qu’Appelle Upland Canal (consisting of a 31 km long West Canal and a 53 km long East Canal) in Saskatchewan, Canada to accommodate flows of up to 6 m3/s during winter: (i) the additional installation of a pilot channel running along the canal bottom to constrict the flow width and increase the flow depth under the ice cover and (ii) the installation of check structures to back up water and provide additional depth for flow under the ice cover and submergence of intakes used for irrigation abstractions. The combined flow of the Upland Canal and the existing valley floor channel, the upper Qu’Appelle River, can be up to 8 m3/s in the winter, thus flows in either could range from 2 to 6 m3/s. Additional flow depth for low flows under ice is sought to prevent the water column from freezing to the canal bottom and the ice cover grounding to the canal bed. This could potentially increase erosion and scour the gravel or rip-rap armouring causing a protective reinforced polyethylene (RPE) liner to lift and tear away from the bed. Additional armour material such as ArmorFlex and Flexamat are considered as alternatives. However, knowledge and experience is sparse on the impacts of ice on these materials. The deterministic numerical model RIVICE was implemented to calculate water depths under the ice cover at freeze-up. The ice cover was initiated by the juxtaposition of frazil ice pans at freeze-up and thickened thermally during the course of winter. An empirical modelling approach based on the Stefan equation was used to predict a maximum ice thickness of 120 cm occurring in extremely cold winters. The canal in its original design or adapted to include a pilot channel along its bottom are not recommended options for water conveyance during winter. Water depths are too shallow making the canal and channel susceptible to ice grounding, scouring and increased erosion. Check structures provide substantially more water depth for flows under the ice cover, however there may still be a risk of bankfast ice dislodging armouring and damaging underlying liners.

Zusammenfassung In dieser Studie wurden zwei Gestaltungsentwürfe untersucht, die den bestehenden Oberen Qu’Appelle Hochlandkanal in Saskatchewan, Kanada, (bestehend aus einem 31 km langen West-Kanal und einem 53 km langen Ost-Kanal) für einen Abfluss bis zu 6 m3/s während des Winters ertüchtigen sollen: (i) mittels der zusätzlichen Installation eines Hauptgerinnes an der Kanalsohle, um die Abflussbreite einzuengen und die Fließtiefe unter der Eisdecke zu erhöhen und (ii) mit Hilfe der Errichtung von Kontrollbauwerken zum Anstauen von Wasser, der Bereitstellung zusätzlicher Tiefe für den Abfluss unter der Eisdecke und der Flutung von Einläufen, die für Bewässerungsentnahmen verwendet werden. Der vereinte Abfluss des Hochland Kanals und des vorhandenen Talflusses, des Oberen Qu’Appelle, kann im Winter bis zu 8 m3/s betragen und demzufolge in jedem der beiden Gerinne zwischen 2 und 6 m3/s variieren. Zusätzliche Fließtiefe für geringe Strömungen unter Eis ist stets willkommen, um das Durchfrieren des Wassers bis zur Kanalsohle und die Berührung der Sohle durch die Eisdecke zu verhindern. In solch einem Fall könnte die Erosion und Kolkbildung an der Schotter- oder Steinschüttung ansteigen, die als Deckschicht eine polyethylenverstärkte Auskleidung der Sohle vor Auftrieb und Abreißen schützt. Zusätzliche Sicherungsmaterialien in Form von ArmorFlex und Flexamat wären Alternativen. Jedoch sind Kenntnisse und Erfahrungen über die Wirkung von Eis auf diese Materialien sehr spärlich. Das deterministische numerische Modell RIVICE wurde implementiert, um Wassertiefen unter der Eisdecke beim Zufrieren zu berechnen. Die Bildung der Eisdecke wird durch die Ansammlung und das Zusammenschieben von Eisschollen eingeleitet und die Dickenzunahme erfolgt thermisch im Verlauf des Winters. Für die Prognose der maximalen Eisdicke von 120 cm während extrem kalter Winter wurde ein empirischer Modellansatz benutzt, der auf der Stephan-Formel basiert. Der Kanal in seiner originalen Gestalt oder angepasst durch den ergänzten Hauptkanal entlang der Kanalsohle werden nicht für den Wassertransport während des Winters empfohlen. Die zu geringen Wassertiefen machen den Kanal anfällig für das Durchfrieren des Eises bis zur Sohle, Kolkbildungen an der Sohle und zunehmende Erosion. Kontrollbauwerke stellen erheblich größere Wassertiefen und Strömungen unter der Eisdecke zur Verfügung, hingegen könnte es ein Risiko bezüglich der ufernahen Beschädigung des Deckwerkes und für die Beschädigung der darunter liegenden Auskleidung geben.