Parameter sensitivity analysis of a two-dimensional cryo-hydrogeological numerical model of degrading permafrost near Umiujaq (Nunavik, Canada)

Abstract

A calibrated field-scale numerical model of groundwater flow and permafrost degradation has been used in a sensitivity analysis of permafrost thaw on thermal and hydraulic parameters. The two-dimensional cryo-hydrogeological model was developed using the HEATFLOW-SMOKER code applied to the Umiujaq field site in Nunavik, Quebec, Canada, and includes coupled groundwater flow and advective–conductive heat transport with latent-heat and temperature-dependent thermal and hydraulic properties. Model sensitivity was evaluated by using the PEST code to systematically vary selected thermal and hydraulic parameters, and was quantified with respect to three system output variables or ‘targets’: subsurface temperature, groundwater velocity and ground-surface heat flux. PEST-derived model sensitivities were similar for all targets which contained subsurface temperature profiles, while sensitivities were slightly higher when only summer conditions were considered as the target compared to a full year of data. This trend was attributed to greater heat exchange at the ground surface during the summer months, leading to a more active groundwater flow system and greater feedback to the thermal regime. For all targets, the hydraulic and thermal parameters of the shallow layers (fine sand and marine silt, respectively) as well as the parameters defining the ground-surface heat exchange layer, were more sensitive compared to the deeper layers (coarse sand and gravel, and unfractured bedrock). Sensitivities were also among the highest for the ground-surface heat flux target. High model sensitivity to these parameters highlights the importance of detailed site characterization in the near-surface zone for more realistic simulations of permafrost dynamics.

Résumé

Un modèle numérique calibré à l’échelle du terrain de l’écoulement des eaux souterraines et de la dégradation du pergélisol a été utilisé dans une analyse de sensibilité des paramètres thermiques et hydrauliques vis-à-vis du dégel du pergélisol. Le modèle cryo-hydrogéologique bidimensionnel a été développé en utilisant le code HEATFLOW-SMOKER, et appliqué au site de Umiujaq à Nunavik, Québec, Canada, et intègre le couplage des écoulements d’eaux souterraines et le transport thermique diffusif et par advection avec la chaleur latente et les propriétés thermales dépendantes de la température et les propriétés hydrauliques. La sensibilité du modèle a été évaluée en utilisant le code PEST pour faire varier de manière systématique les paramètres thermiques et hydrauliques sélectionnées, et a été quantifiée en ce qui concerne trois variables de sortie ou ‘cibles’: la température du sous-sol, la vitesse des eaux souterraines et le flux thermique souterrain. Les sensibilités dérivées du modèle PEST étaient semblables pour toutes les cibles qui contenaient des profils de température de subsurface, tandis que les sensibilités étaient légèrement plus élevées lorsque seules les conditions estivales étaient considérées comme cible par rapport à une année complète de données. Cette tendance a été attribuée à un plus grand échange de chaleur à la surface du sol pendant les mois d’été, avec pour conséquence un système d’écoulement des eaux souterraines plus actif et une plus grande rétroaction au régime thermique. Pour toutes les cibles, les paramètres hydrauliques et thermiques des couches peu profondes (sables fins et limons marins, respectivement) ainsi que les paramètres définissant la couche d’échange de chaleur entre sous-sol et surface, étaient plus sensibles en comparaison avec les couches plus profondes (sable grossier et gravier, et socle non fracturé). Les sensibilités étaient aussi parmi les plus élevées pour la cible du flux thermique entre le sous-sol et la surface. Une sensibilité élevée de ces paramètres au modèle souligne l’importance d’une caractérisation détaillée du site dans la zone proche de la surface pour des simulations plus réalistes de la dynamique du pergélisol.

Resumen

Se ha utilizado un modelo numérico calibrado a escala de campo del flujo de agua subterránea y de degradación del permafrost en un análisis de sensibilidad del deshielo del permafrost de los parámetros térmicos e hidráulicos. El modelo criohidrogeológico bidimensional se desarrolló utilizando el código HEATFLOW-SMOKER aplicado al yacimiento de Umiujaq en Nunavik, Quebec, Canadá, e incluye el acoplamiento del flujo de agua subterránea y del transporte de calor advectivo-conductivo con propiedades térmicas e hidráulicas latentes y dependientes de la temperatura. La sensibilidad del modelo se evaluó utilizando el código PEST para variar sistemáticamente los parámetros térmicos e hidráulicos seleccionados, y se cuantificó con respecto a tres variables de salida del sistema o “objetivos”: temperatura subterránea, velocidad del agua subterránea y flujo de calor tierra-superficie. Las sensibilidades de los modelos derivados de PEST fueron similares para todos los objetivos que contenían perfiles de temperatura del subsuelo, mientras que las sensibilidades fueron ligeramente superiores cuando sólo se consideraron como objetivo las condiciones de verano, en comparación con un año completo de datos. Esta tendencia se atribuyó a un mayor intercambio de calor en la superficie del suelo durante los meses de verano, lo que condujo a un sistema de flujo de agua subterránea más activo y a una mayor retroalimentación al régimen térmico. Para todos los objetivos, los parámetros hidráulicos y térmicos de las capas poco profundas (arena fina y limo marino, respectivamente), así como los parámetros que definen la capa de intercambio de calor entre el suelo y la superficie, fueron más sensibles en comparación con las capas más profundas (arena gruesa y grava, y basamento no fracturado). Las sensibilidades también estaban entre las más altas para el objetivo de flujo de calor de la superficie del suelo. La alta sensibilidad del modelo a estos parámetros resalta la importancia de la caracterización detallada del sitio en la zona cercana a la superficie para simulaciones más realistas de la dinámica del permafrost.

摘要

校准的地下水流和多年冻土退化的场地尺度数值模型已被用于多年冻土融化对热和水力参数的敏感性分析。二维低温水文地质模型是采用HEATFLOW-SMOKER代码开发的, 该代码应用于加拿大魁北克省努纳维克的Umiujaq场地, 并包括耦合的地下水流和具有潜热和温度相关的热和水力特性的对流传导热传输。通过使用PEST代码系统地改变所选择的热和水力参数来评估模型灵敏度, 并使用三个系统输出变量或“目标”(地下温度, 地下水流速和地表热通量)来量化模型灵敏度。PEST估算的模型灵敏度对于包含地下温度分布的所有目标是相似的, 而当仅将夏季条件视为与全年数据相比的目标时, 灵敏度略高。这一趋势是因为夏季的地表热交换量增加, 导致地下水流动系统更加活跃, 对热系统的反馈更大。对于所有参数目标, 浅层(细砂和海洋淤泥)的水力和热力参数以及定义地表热交换层的参数与深层(粗砂, 砾石和没有破裂的基岩)相比更敏感。地表热通量目标的灵敏度也是最高的。模型对这些参数的高敏感性表明了近地表区域详细场地表征的重要性, 以便更真实地模拟永久冻土动力过程。

Resumo

Um modelo numérico calibrado em escala de campo do fluxo de águas subterrâneas e da degradação do pergelissolo foi usado em uma análise de sensibilidade de degelo do pergelissolo nos parâmetros térmicos e hidráulicos. O modelo crio-hidrogeológico bidimensional foi desenvolvido usando o código HEATFLOW-SMOKER aplicado em uma área de Umiujaq em Nunavik, Quebec, Canadá, e inclui o acoplamento do fluxo de águas subterrâneas e transporte de calor por advecção-condução com calor latente e propriedades térmicas e hidráulicas dependentes da temperatura. A sensibilidade do modelo foi avaliada usando o código PEST para variar sistematicamente os parâmetros térmicos e hidráulicos selecionados, e foi quantificada em relação a três variáveis de saída do sistema, ou “alvos”: temperatura da subsuperfície, velocidade da água subterrânea e fluxo de calor da superfície do solo. As sensibilidades do modelo derivadas do PEST foram semelhantes para todos os alvos que continham perfis de temperatura de subsuperfície, enquanto as sensibilidades foram levemente mais elevadas quando apenas as condições de verão foram consideradas como alvo, em comparação com um ano completo de dados. Essa tendência foi atribuída a uma maior troca de calor na superfície do solo durante os meses de verão, levando a um sistema de fluxo de águas subterrâneas mais ativo e a um maior retorno ao regime térmico. Para todos os alvos, os parâmetros hidráulicos e térmicos das camadas rasas (areia fina e silte marinho, respectivamente), assim como os parâmetros que definem a camada de troca de calor na superfície do solo, foram mais sensíveis em comparação às camadas mais profundas (areia grossa e cascalho, e embasamento não fraturado). As sensibilidades também estavam entre as mais elevadas para o fluxo de calor na superfície do solo como alvo. A alta sensibilidade do modelo a esses parâmetros destaca a importância da caracterização detalhada na zona próxima à superfície para simulações mais realistas da dinâmica do pergelissolo.