Coupled cryo-hydrogeological modelling of permafrost dynamics near Umiujaq (Nunavik, Canada)

Abstract

A two-dimensional (2D) cryo-hydrogeological numerical model of groundwater flow, coupled with advective-conductive heat transport with phase change, has been developed to study permafrost dynamics around an ice-rich permafrost mound in the Tasiapik Valley near Umiujaq, Nunavik (Québec), Canada. Permafrost is degrading in this valley due to climate warming observed in Nunavik over the last two decades. Ground temperatures measured along thermistor cables in the permafrost mound show that permafrost thaw is occurring both at the permafrost table and base, and that heat fluxes at the permafrost base are up to ten times higher than the expected geothermal heat flux. Based on a vertical cross-section extracted from a 3D geological model of the valley, the numerical model was first calibrated using observed temperatures and heat fluxes. Comparing simulations with and without groundwater flow, advective heat transport due to groundwater flow in the subpermafrost aquifer is shown to play a critical role in permafrost dynamics and can explain the high apparent heat flux at the permafrost base. Advective heat transport leads to warmer subsurface temperatures in the recharge area, while the cooled groundwater arriving in the downgradient discharge zone maintains cooler temperatures than those resulting from thermal conduction alone. Predictive simulations incorporating a regional climate-change scenario suggest the active layer thickness will increase over the coming decades by about 12 cm/year, while the depth to the permafrost base will decrease by about 80 cm/year. Permafrost within the valley is predicted to completely thaw by around 2040.

Résumé

Un modèle numérique cryo-hydrogéologique bidimensionnel (2D) de l’écoulement de l’eau souterraine, couplé avec un transfert de chaleur advectif-convectif à changement de phase, a été développé pour étudier la dynamique du pergélisol autour d’un monticule fortement gelé dans la Vallée de Tasiapik près de Umiujaq, Nunavik, Québec (Canada). Le pergélisol se dégrade dans cette vallée du fait du réchauffement climatique observé à Nunavik au cours des deux dernières décennies. Les températures du sol mesurées sur des câbles de thermistance au sein du monticule de pergélisol montrent que la fonte de ce dernier se produit à la fois à sa surface et à sa base et que les flux de chaleur de la base sont jusqu’à 10 fois supérieurs au flux de chaleur géothermique attendu. Sur la base d’une coupe verticale extraite d’un modèle géologique 3D de la vallée, le modèle numérique a d’abord été calé sur les températures et les flux de chaleur observés. En comparant les simulations avec et sans écoulement d’eau souterraine, on montre que le transfert de chaleur advectif lié à l’écoulement de l’eau souterraine dans l’aquifère sous le pergélisol joue un rôle crucial dans la dynamique du pergélisol et peut expliquer le flux de chaleur élevé constaté à sa base. Le transfert de chaleur advectif conduit à des températures de subsurface plus chaudes dans la zone de recharge tandis que l’arrivée d’une eau souterraine froide dans la zone de décharge aval assure le maintien des températures plus froides que celles résultant de la conduction thermique seule. Des simulations prédictives intégrant un scénario de changement climatique régional suggèrent que l’épaisseur de la couche active s’accroîtra durant les décennies à venir d’environ 12 cm/an, tandis que la profondeur de la base du pergélisol diminuera.

Resumen

Se ha desarrollado un modelo numérico bidimensional (2D) criohidrogeológico del flujo de agua subterránea, junto con el transporte de calor advectivo-conductivo con cambio de fase, para estudiar la dinámica del permafrost alrededor de un montículo de permafrost rico en hielo en el valle de Tasiapik, cerca de Umiujaq, Nunavik (Québec), Canadá. El permafrost se está degradando en este valle debido al calentamiento climático observado en Nunavik en las últimas dos décadas. Las temperaturas del suelo medidas a lo largo de los cables del termistor en el montículo del permafrost muestran que el deshielo del permafrost está ocurriendo tanto en la capa como en la base del permafrost, y que los flujos de calor en la base del permafrost son hasta diez veces más altos que el flujo de calor geotérmico esperado. Basado en una sección transversal vertical extraída de un modelo geológico 3D del valle, el modelo numérico fue calibrado primero utilizando temperaturas observadas y flujos de calor. Comparando simulaciones con y sin flujo de agua subterránea, se ha demostrado que el transporte de calor advectivo debido al flujo de agua subterránea en el acuífero del subpermafrost juega un papel crítico en la dinámica del permafrost y puede explicar el alto flujo de calor aparente en su base. El transporte conveniente de calor conduce a temperaturas subterráneas más cálidas en el área de recarga, mientras que el agua subterránea más fría que llega a la zona de descarga con pendiente descendente mantiene temperaturas más frías que las que resultan de la conducción térmica sola. Las simulaciones predictivas que incorporan un escenario regional de cambio climático sugieren que el espesor de la capa activa aumentará en las próximas décadas en unos 12 cm/año, mientras que la profundidad hasta la base del permafrost disminuirá en unos 80 cm/año. Se predice que el permafrost dentro del valle se descongelará completamente hacia 2040.

摘要

开发了二维(2D)地下水流动的低温水文地质数值模型, 并考虑了相变的对流传导热传输,以研究加拿大魁北克省努纳维克Umiujaq附近Tasiapik峡谷中富含冰的多年冻土丘周围的多年冻土动力过程。由于过去二十年来在努纳维克观察到的气候变暖,该峡谷的多年冻土正在退化。沿永久冻土丘中的热敏电缆测量的地面温度表明,永久冻土台和底部都发生了永久冻土融化,并且永久冻土底部的热通量比预期的地热通量高出十倍。利用峡谷3D地质模型中提取的垂直剖面,使用观察到的温度和热通量首先对数值模型进行识别。考虑有无地下水流的比较模拟果表明,由于多年冻土层中地下水流动而产生的对流热传递在多年冻土动力过程中起着至关重要的作用,还可以解释多年冻土底部高表层热通量的原因。对流热传输导致补给区的地下温度升高,而到达下坡排泄区的冷地下水有着比仅由热传导导致的温度更低的温度。结合区域气候变化情景的预测模拟表明,在未来几十年中,活动层厚度将增加约12 cm/year,而到永久冻土底部的深度将减少约80 cm/year。预计到2040年左右,峡谷中的永久冻土将完全融化。

Resumo

Um modelo numérico crio-hidrogeológico bidimensional (2D) crio-hidrogeológico, juntamente com transporte de calor condutor-advetivo com mudança de fase, foi desenvolvido para estudar a dinâmica do pergelissolo em torno de um monte de pergelissolo rico em gelo no vale Tasiapik perto de Umiujaq, Nunavik (Quebec), Canadá. O pergelissolo está se degradando neste vale devido ao aquecimento climático observado em Nunavik nas últimas duas décadas. As temperaturas do solo medidas ao longo dos cabos do termistor no monte de pergelissolo mostram que o degelo do pergelissolo está ocorrendo no topo e na base de pergelissolo e que os fluxos de calor na base do pergelissolo são até dez vezes mais altos que o fluxo de calor geotérmico esperado. Com base em uma seção transversal vertical extraída de um modelo geológico 3D do vale, o modelo numérico foi primeiro calibrado usando temperaturas e fluxos de calor observados. Comparando simulações com e sem fluxo de águas subterrâneas, é mostrado que o transporte de calor devido ao fluxo de água subterrânea no aquífero subpergelissolo desempenha um papel crítico na dinâmica do pergelissolo e pode explicar o alto fluxo de calor aparente na base do pergelissolo. O transporte de calor advectivo leva à temperaturas mais baixas do subsolo na área de recarga, enquanto as águas subterrâneas resfriadas que chegam à zona de descarga de nível inferior mantêm temperaturas mais baixas do que aquelas resultantes apenas da condução térmica. Simulações preditivas incorporando um cenário regional de mudança climática sugerem que a espessura da camada ativa aumentará nas próximas décadas em cerca de 12 cm/ano, enquanto a profundidade da base do pergelissolo diminuirá em cerca de 80 cm/ano. Prevê-se que o pergelissolo no vale descongele completamente por volta de 2040.