Geotechnical Centrifuge Modelling of Contaminant Transport through Frozen Soil

Abstract

Permafrost degradation due to climate change is a threat to the Canadian Arctic. A long-standing practice in cold regions is to use permafrost to contain contaminated soil because it was thought to be impermeable. Although not fully impermeable, frozen soil has been a reasonable containment option. However, the degradation of permafrost could lead to the release of previously contained contaminants, threatening the local ecosystems and communities. It is important to understand how contaminant transport will occur in a northern environment compared to temperate regions. The long-term study of contaminant transport is often a complex and expensive endeavour due to the isolation of most contaminated sites, the resources required and the short field season in the Arctic. Geotechnical centrifuge modelling is one solution to the cost and complexities involved in performing in-situ field studies. With the scaling principles by which it is governed, centrifuge modelling has proven to be an effective tool to conduct research by simulating the behaviour of large-scale phenomena using benchtop sized models. The scaling effect of time also allows for the conduct of multiple experiments in a relatively short amount of time that simulates the behaviour of a prototype site over a long period of time. The use of geotechnical centrifuge modelling for contaminant transport research was validated by conducting a modelling of models. Three centrifuge contaminant transport experiments were conducted at different acceleration ratios and another experiment was conducted in an acrylic column. Pumpkin seed oil was used as the contaminant for all experiments. The experiments proved that the scaling principle for the wetting front velocity of the oil was being followed, thereby validating the use of the centrifuge for contaminant transport research. Centrifuge experiments were also conducted to observe and quantify the effects of moisture content on the advective and diffusive transport of the oil. The presence of moisture within the soil slowed the migration of the oil. Experiments with frozen soil were conducted to observe and quantify the effects of temperature on the migration of the oil. Decreased temperatures reduced the wetting front velocity of the oil due to the increased surface tension of the oil at lower temperatures. A centrifuge experiment was conducted with soil from an abandoned barrel cache on Ellesmere Island, NU. The wetting front velocity of the oil into the Arctic soil was calculated. The results of this research demonstrate that the transport of contaminants through soil at contaminated sites can be calculated using centrifuge experiments. This would help to identify the contaminant source zone and plume based on the moisture conditions, soil, contaminant and recent climate of the site, thus increasing the effectiveness of remediation efforts.

La dégradation du pergélisol causé par les changements climatiques est un risque pour l’arctique Canadien. Une technique courante pour encapsuler du sol contaminé est l’utilisation du pergélisol puisqu’il est quasiment imperméable. La dégradation du pergélisol pourrait mener à la mobilisation de contaminants qui étaient immobilisés par le pergélisol. La recherche à long-terme de sites contaminés est très complexe et coûteuse en raison de l’isolation des sites, des ressources requises et de la courte période annuelle favorable pour la recherche dans le Nord. La modélisation par centrifugeuse géotechnique est une solution aux coûts et aux complexités de la recherche à long-terme sur un site contaminé. Les principes d’échelle de la modélisation par centrifugeuse permettent l’étude du comportement de prototypes à grandes échelle avec des modèles de petite taille. Les principes d’échelle permettent la conduite de plusieurs essais dans un court délai qui simulent le comportement à long-terme d’un site prototype. La validation de l’utilisation d’une centrifugeuse pour la recherche sur le transport de contaminants a été faite avec une modélisation de modèles. Trois essais ont été effectués dans la centrifugeuse à des accélérations différentes et un autre dans une colonne. De l’huile de graines de citrouille a été utilisée comme contaminant pour tous les essais. Les essais de validation ont prouvé que le principe d’échelle pour la vitesse d’infiltration est respecté. L’utilisation d’une centrifugeuse pour la recherche de transport de contaminant a été validée. Plusieurs essais avec la centrifugeuse ont été effectués afin d’observer et de quantifier l’effet de la teneur en eau sur l’infiltration de l’huile dans le sol. Il a été observé qu’une augmentation de teneur en eau réduit le taux d’infiltration. Des essais avec du sol gelé ont aussi été effectués afin d’observer et quantifier l’effet de la température sur le taux d’infiltration. Les températures sous le point de congélation ont réduit le taux d’infiltration de l’huile. Ceci est causé par l’augmentation de la tension superficielle entre l’huile et les grains de sols à basse température. Un essai a été effectué avec des échantillons de sol d’une cache de barils situé dans l’Arctique canadien sur Île d'Ellesmere, NU. Le taux d’infiltration de l’huile dans le sol arctique a été calculé. Les résultats de cette recherche ont prouvé que le taux d’infiltration des contaminants dans le sol du site contaminé peut être déterminé avec ces essais de centrifugeuse. Ceci aiderait à identifier la zone contaminé sous la surface du sol dépendant de la teneur en eau, du sol, des contaminants et le climat du site. Connaissant l’étendue de la zone contaminé aide à optimiser les efforts d’assainissement des sites contaminés dans l’Arctique canadien.