SNOW COMPACTION AS A MITIGATION TECHNIQUE TO REDUCE PERMAFROST THAW ALONG HIGHWAYS IN THE CANADIAN ARCTIC

Abstract

Abstract The serviceability of Highways in northern climates is best maintained when permafrost thaw under the road structure is kept at a minimum. In current practice, roads are designed to keep the original ground surface under the road frozen year-round. However, in reality this is a highly complex problem with significant challenges including (but not limited to) poor drainage and ponding water, warming air temperatures increasing thaw, and the impact of snow depth accumulating on the embankment. The impacts of these challenges on a road include lateral spreading of the embankment, differential and irrecoverable settlement and thaw. One mitigation technique being investigated to prevent the excessive thaw of permafrost under road embankments is snow compaction. Snow acts as a thermal insulator which leads to a reduced cooling of the ground during the winter months. Through snow compaction, the thermal insulation is reduced facilitating a greater flow of heat from the ground to the air during the winter months. Field studies currently investigating snow compaction are developing databases of ground temperatures under different snow conditions, however they are limited by the snow conditions that actually occur each year and by the time required to study long-term effects. Currently, a field study is being conducted along the Inuvik-Tuktoyaktuk Highway in the Northwest Territories measuring the effects of snow compaction on ground temperature. The objective of this thesis is to study the influence of snow compaction as a mitigation technique for the maintenance of the Inuvik Tuktoyaktuk Highway through numerical ground temperature modelling. Using numerical models calibrated to the field site thermal data records allows for a rapid assessment of this permafrost technique under a wide range of snow conditions. This research first focuses on the calibration of a numerical model for the Inuvik-Tuktoyaktuk Highway site and discusses model development with limited measured soil properties. Using climate, snow depth and density measurements from two sites, one undisturbed and one compacted, the numerical model was developed through an iterative approach. The model was developed by iterating soil properties until model temperature outputs matched the recorded temperatures recorded at the two sites. With the exception of one model output, the model temperature outputs after the final iteration for the minimum, maximum, and average annual ground temperatures were within 1 °C of the thermistor recordings. Furthermore, this research presents a parametric study, exploring what most influences the thermal regime of the sites. This included evaluating the impact of snow depth, snow compaction cycles (both annually and monthly), lateral heat flow under different compactions, and the effect of an embankment snow accumulation. The snow scenarios included snow compaction applied to historically low, high, and average snow depth and an investigation into the efficacy of the time and frequency of when snow compaction occurs using 18 years of snow depth data (2003-21) from Inuvik. In the 1D model and 2D model with embankment it was found that snow compaction works best with a historically average snow depth and had little effect on when applied to high or low snow depths. It was also found that snow compaction works best when applied multiple years in a row, as changes in ground temperature will eventually revert to non-compacted conditions when snow is left undisturbed. Investigations into the time during which snow compaction is applied in a winter revealed that it is most effective to apply snow compaction early during the winter in December. Using the 2D model to investigate lateral heat flow changes in thaw depths are seen up to 2 m into an area of uncompacted snow area with that has undergone snow compaction. The 2D model also revealed that long term snow compaction can greatly reduce the time the active layer is present, with a 37-to-45-day reduction after 10 years of snow compaction. iv The final section of the thesis summarizes the findings obtained from the numerical models, limitations in the research, and presents further areas for future research. Potential areas of future research include developing models for different sites with different ground conditions along the Inuvik-Tuktoyaktuk Highway, using greenhouse gas emission scenarios to test the viability of snow compaction with rising temperatures, and to incorporate a geothermal flux function into the model.Resume Les infrastructures linéaires dans les climats nordiques ont le défi unique de maintenir leur état de fonctionnement tout en étant construites sur le pergélisol. Dans la pratique actuelle, les routes sont conçues pour maintenir la surface du sol d'origine sous la route pour qu'elle soit gelée toute l'année. Cependant, en réalité, il s'agit d'un problème très complexe avec des défis importants, notamment (mais sans s'y limiter) un mauvais drainage et des flaques d'eau, le réchauffement des températures de l'air augmentant le dégel et l'impact de l'épaisseur de la neige qui s'accumule sur le remblai. Les impacts de ces défis sur une route comprennent l'étalement latéral du remblai, le tassement différentiel et irrécupérable et le dégel. Une technique d'atténuation à l'étude pour empêcher le dégel excessif du pergélisol sous les remblais routiers est le compactage de la neige. La neige agit comme un isolant thermique, ce qui réduit le refroidissement du sol pendant les mois d'hiver. Grâce au compactage de la neige, l'isolation thermique est réduite facilitant un plus grand flux de chaleur du sol vers l'air pendant les mois d'hiver. Les études sur le terrain portant actuellement sur le compactage de la neige développent des bases de données sur les températures du sol dans différentes conditions de neige, mais elles sont limitées à la fois par le temps et les conditions de neige se produisent réellement chaque année et par le temps nécessaire pour étudier les effets à long terme. Actuellement, une étude sur le terrain est menée le long de la route Inuvik-Tuktoyaktuk dans les Territoires du Nord-Ouest pour mesurer les effets du compactage de la neige sur la température du sol. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence du compactage de la neige comme technique d'atténuation pour l'entretien de l'autoroute Inuvik-Tuktoyaktuk grâce à la modélisation numérique de la température du sol. L'utilisation de modèles numériques calibrés sur les enregistrements de données thermiques du site sur le terrain permet une évaluation rapide de cette technique de pergélisol dans une large gamme de conditions de neige. Cette recherche se concentre d'abord sur l'étalonnage d'un modèle numérique pour le site de l'autoroute Inuvik-Tuktoyaktuk et discute du développement d'un modèle avec des propriétés de sol mesurées limitées. À l'aide de mesures du climat, de l'épaisseur et de la densité de la neige sur deux sites, l'un non perturbé et l'autre compacté, le modèle numérique a été développé selon une approche itérative. Le modèle a été développé en itérant les propriétés du sol jusqu'à ce que les sorties de température du modèle correspondent aux températures enregistrées sur les deux sites. À l'exception d'une sortie de modèle, les sorties de température du modèle après l'itération finale pour les températures annuelles minimales, maximales et moyennes du sol se situaient à moins de 1 °C des enregistrements de la thermistance. Le chapitre 3 est une étude paramétrique, explorant ce qui influence le plus le régime thermique des sites. Cela comprenait l'évaluation de l'impact de l'épaisseur de la neige, des cycles de compactage de la neige (annuels et mensuels), du flux de chaleur latéral sous différents compactages et de l'effet d'une accumulation de neige sur un remblai. Les scénarios de neige comprenaient le compactage de la neige appliqué à une épaisseur de neige historiquement faible, v élevée et moyenne et une enquête sur l'efficacité du moment et de la fréquence du compactage de la neige à l'aide de 18 années de données sur l'épaisseur de la neige (2003-21) d'Inuvik. Dans le modèle 1D et le modèle 2D avec remblai, il a été constaté que le compactage de la neige fonctionne mieux avec une épaisseur de neige historiquement moyenne et a peu d'effet lorsqu'il est appliqué à des épaisseurs de neige élevées ou faibles. Il a également été constaté que le compactage de la neige fonctionne mieux lorsqu'il est appliqué plusieurs années de suite, car les changements de température du sol reviendront éventuellement à des conditions non manipulées lorsque la neige n'est pas perturbée. Des enquêtes sur le moment auquel le compactage de la neige est appliqué en hiver ont révélé qu'il est plus efficace d'appliquer le compactage de la neige au début de l'hiver en décembre. En utilisant le modèle 2D pour étudier les changements de flux de chaleur latéraux dans les profondeurs de dégel, on peut voir jusqu'à 2 m dans une zone de neige non compactée et une zone avec qui a subi un compactage de la neige. Le modèle 2D a également révélé que le compactage de la neige à long terme peut réduire considérablement la durée de présence de la couche active, avec une réduction de 37 à 45 jours après 10 ans de compactage de la neige. Le chapitre 4 résume les résultats obtenus à partir des modèles numériques, les limites de la recherche et présente d'autres domaines de recherche future. Les domaines potentiels de recherche future comprennent le développement de modèles pour différents sites avec différentes conditions de sol le long de l'autoroute Inuvik-Tuktoyaktuk, l'utilisation de scénarios d'émissions de gaz à effet de serre pour tester la viabilité du compactage de la neige avec la hausse des températures et l'intégration d'une fonction de flux géothermique dans le modèle.