LIGHT NON-AQUEOUS PHASE LIQUID MIGRATION IN FROZEN HETEROGENEOUS POROUS MEDIA

Abstract

Permafrost strongly affects the movement, storage, and exchange of surface and subsurface fluids, including light non-aqueous phase liquids (LNAPLs), which once released into the subsurface pose significant risks to ecosystems and human health. Moreover, climate warming is expected to modify permafrost conditions, which will, in turn, affect LNAPL migration. Laboratory studies are required to investigate LNAPL migration in freezing and frozen soils to protect the environment in a changing climate. Previous laboratory studies mainly focused on the isolated effects of pore ice and freezing temperatures on LNAPL migration by spilling into frozen homogeneous soils. In an attempt to reproduce field conditions, a series of intermediate-scale laboratory experiments were conducted to investigate LNAPL dynamics in the presence of heterogeneity in geology and water/ice contents. The light transmission method (LTM), traditionally used in unfrozen soils, was adapted for use in frozen soils and was used to track LNAPL spills in sand packs with various degrees of heterogeneity in both unfrozen and frozen conditions.

Results demonstrated that while LNAPL’s response to heterogeneity in frozen soils differ in comparison to unfrozen soils, heterogeneity remains a critical component for accurate predictions of the extent of a spill. Engineers working to remediate LNAPL spills in frozen conditions should perform a detailed soil characterization to locate heterogeneities in both grain size and distribution as well as ice contents. In the experiments conducted in this study, LNAPL was very sensitive to such ground features and results suggest that the heterogeneity effect seen in unfrozen soils may be enhanced in frozen soils at high ice saturation, including thin layers of fine grains which may become impermeable once frozen. Moreover, in addition to buoyancy and capillary forces, viscous forces need to be considered when it comes to LNAPL migration in frozen soils. Spills in these experiments were observed to migrate as wider masses in frozen conditions in comparison to unfrozen soils, including in zones of residual ice saturation. LNAPL penetration rates also diminished in frozen soils, which was attributed to an increase in the LNAPL viscosity at low temperatures as well as partial blockage of pore space by ice causing LNAPL to spread laterally. Unlike in unfrozen conditions, when LNAPL reached the top of the frozen capillary fringe, it was completely contained above the ice. Finally, the permafrost table should not automatically be associated to impermeable barriers to LNAPL migration since it describes the thermal behaviour of the ground rather than the freeze-thaw state of water and ice. Results demonstrated that only layers of high ice saturation may completely block LNAPL vertical migration. Combining findings from this research as well as knowledge acquired in previous studies, a new conceptual model for LNAPL migration in frozen soils is proposed at the end of this study.

Le pergélisol affecte fortement le mouvement, l’accumulation et l'échange des fluides de surface et souterrains, y compris les liquides non aqueux légers (LNAL), qui, une fois rejetés dans le sol, posent des risques importants pour les écosystèmes et la santé humaine. De plus, on estime que le réchauffement climatique va modifier les conditions du pergélisol, ce qui, à son tour, affectera la migration des LNALs. Des études en laboratoire sont nécessaires pour étudier la migration des LNALs dans les sols gelant et gelés afin de protéger l'environnement dans un climat changeant. Les études antérieures en laboratoire se sont principalement concentrées sur les effets isolés de la glace remplissant les pores et des températures de congélation sur la migration des LNALs par des déversements dans des sols homogènes gelés. Dans une tentative de reproduire les conditions de terrain, une série d'expériences de laboratoire à échelle intermédiaire ont été menées pour étudier les dynamiques des LNALs en présence d'hétérogénéité dans la géologie et les contenus d’eau ou de glace. La méthode de transmission de la lumière (MTL), traditionnellement utilisée dans les sols non gelés, a été adaptée pour une utilisation dans les sols gelés et a été utilisée pour étudier la migration de LNALs dans des couches de sable avec divers degrés d'hétérogénéité dans des conditions non gelées et gelées.

Les résultats ont démontré que même si la réponse des LNALs à l'hétérogénéité dans les sols gelés diffère de celle des sols non gelés, l'hétérogénéité reste un élément essentiel pour des prédictions précises de l'étendue d'un déversement. Les ingénieurs travaillant à remédier aux déversements de LNALs dans des conditions de gel doivent effectuer une caractérisation détaillée du sol pour localiser les hétérogénéités dans la taille et la distribution des grains ainsi que dans la teneur en glace. Dans les expériences menées dans cette étude, les LNALs étaient très sensibles à ces caractéristiques du sol et les résultats suggèrent que l'effet d'hétérogénéité observé dans les sols non gelés peut être intensifié dans les sols gelés à saturation de glace élevée, incluant les fines couches de grains fins qui peuvent devenir imperméables une fois gelés. De plus, en plus des forces capillaires et de flottabilité, les forces visqueuses doivent être prises en compte lorsqu'il s'agit de la migration des LNALs dans les sols gelés. En effet, les déversements dans ces expériences ont migré sous forme de masses plus larges dans des conditions gelées par rapport aux sols non gelés, y compris dans les zones de saturation résiduelle de glace. Les taux de pénétration du LNAL ont également diminué dans les sols gelés, ce qui a été attribué à une augmentation de la viscosité du LNAL à basse température ainsi qu'au blocage partiel de l'espace poreux par la glace, provoquant la propagation latérale du LNAL. Contrairement aux conditions non gelées, lorsque les LNALs ont atteint le sommet de la zone capillaire gelée, elles étaient complètement contenues au-dessus de la glace. Engin, la limite du pergélisol ne devrait pas être automatiquement associée à des barrières imperméables à la migration des LNALs puisqu'elle décrit le comportement thermique du sol plutôt que l'état de gel-dégel de l'eau et de la glace. Les résultats ont démontré que seules les couches de saturation élevée en glace peuvent complètement bloquer la migration verticale des LNALs. Combinant les résultats de cette recherche ainsi que les connaissances acquises dans des études antérieures, un nouveau modèle conceptuel pour la migration des LNALs dans les sols gelés est proposé à la fin de cette étude.