Modeling of groundwater flow at depth in crystalline rock beneath a moving ice-sheet margin, exemplified by the Fennoscandian Shield, Sweden (Englisch)

in Hydrogeology Journal ; 21 , 1 ; 239-255
Hydrogeology Journal
Springer-Verlag , Berlin/Heidelberg; 2012

Abstract

On-going geological disposal programs for spent nuclear fuel have generated strong demands for investigation and characterization of deep-lying groundwater systems. Because of the long time scales for which radiological safety needs to be demonstrated in safety assessment applications, an analysis of the hydrogeological performance of the geosphere system during glacial climate conditions is needed. Groundwater flow at depth in crystalline rock during the passage of an ice-sheet margin is discussed based on performed groundwater-flow modeling of two bedrock sites, Forsmark and Laxemar, in the Fennoscandian Shield, Sweden. The modeled ice sheet mimics the Weichselian ice sheet during its last major advance and retreat over northern Europe. The paper elaborates and analyzes different choices of top boundary conditions at the ice sheet–subsurface interface (e.g. ice-sheet thickness and ice-margin velocity) and in the proglacial area (presence or lack of permafrost) and relates these choices to available groundwater-flow-model hydraulic output and prevailing conceptual hydrogeochemical models of the salinity evolution at the two sites. It is concluded that the choice of boundary conditions has a strong impact on results and that the studied sites behave differently for identical boundary conditions due to differences in their structural-hydraulic properties.

Résumé

Les programmes en cours de stockage géologique de combustible nucléaire usé ont généré des demandes fortes d’investigation et de caractérisation des systèmes hydrogéologiques profonds. En raison des échelles de temps longues sur lesquelles la sécurité radiologique doit être démontrée, dans le cadre des demandes d’évaluation de la sécurité, une analyse du fonctionnement hydrogéologique de la géosphère dans les conditions d’un climat glaciaire est nécessaire. L’écoulement souterrain profond dans une roche cristalline pendant le passage du front de calotte glaciaire est discuté sur la base d’un modèle mis en œuvre sur deux sites de substrat, du Bouclier Fenno-scandien, Forsmark et Laxemare, Suède. La modélisation simule la calotte glaciaire du Weichselien durant sa dernière avancée importante et son retrait à travers l’Europe du Nord. L’article considère et analyse différentes conditions aux limites supérieures, à l’interface de la base de la calotte glaciaire (exemple épaisseur de la couverture de glace et vitesse du front glaciaire) et dans le domaine pro-glaciaire (présence ou absence de pergélisol) et corrèle ces cas aux résultats du modèle d’écoulement hydraulique souterrain disponible et aux modèles hydrogéochimiques conceptuels prévalants d’évolution de la salinité sur les deux sites. On conclut que le choix des conditions aux limites a un fort impact sur les résultats et que les sites étudiés se comportent différemment pour des conditions aux limites identiques en raison de propriétés hydrauliques structurelles différentes.

Resumen

Los programas actuales de disposición geológica para el combustible nuclear utilizado generaron fuertes demandas para la investigación y caracterización de los sistemas de aguas subterráneas yacentes en profundidad. Debido a las largas escalas de tiempo, la seguridad radiológica necesita ser demostrada con la evaluación de aplicaciones seguras, siendo necesario un análisis de la performance hidrogeológica del sistema de la geósfera durante las condiciones climáticas glaciales. Se discute el flujo de agua subterránea en profundidad en una roca cristalina durante el pasaje de un límite de capa de hielo basado en el modelado del flujo de agua subterránea realizado en dos sitios de roca de basamento. Forsmark y Laxemar, en el Escudo Fennoscandian, Suecia. La capa de hielo modelada simula la capa de hielo de Weichselian durante su último mayor avance y retroceso sobre el norte de Europa. El trabajo elabora y analiza diferentes opciones de las condiciones del contorno superior en la interfase capa de hielo - subsuperficie (por ejemplo el espesor de la capa de hielo y la velocidad del límite del hielo) y en el área proglacial (presencia o ausencia de permafrost) y relaciona estas opciones con la salida hidráulica del modelo de flujo subterráneo disponible y los modelos hidrogeoquímicos conceptuales prevalentes de la evolución de la salinidad en los dos sitios. Se concluye que la opción de las condiciones de contorno tiene un impacto fuerte sobre los resultados y que los sitios estudiados se comportan de manera diferente para condiciones de contorno idénticas debido a las diferencias en sus propiedades estructurales e hidráulicas.

摘要

核废料的地质处理工程需要深入的研究刻画深层地下水系统。由于在安全评价中需要证明核辐射在长时间尺度上是安全的,所以在冰期气候条件下的岩石圈的水文地质分析是需要的。基于在瑞典芬诺斯堪的亚地盾Forsmark 和 Laxemar两处基岩中地下水流的模拟,对冰盖边缘下结晶岩深处地下水流进行了讨论。模拟的冰盖模仿了遍布北欧的处于最后的主要的增长和衰退期的Weichselian冰盖。本文详细的阐述和分析 了冰盖地下界面(如冰盖厚度和冰盖边缘流速)和冰前区域(存在或缺乏多年冻土)的上边界条件的不同选择,并把这些选择与合适的地下水流模型的液压输出和Forsmark 、 Laxemar两处盐分演化的主要水文地球化学概念模型联系起来。结果表明,边界条件的选择对结果有显著的影响;由于构造水力性质的不同,在同一边界条件下Forsmark 、 Laxemar两研究区表现出不同的行为。

Resumo

Os correntes programas de armazenamento geológico de combustível nuclear têm gerado fortes necessidades de investigação e caraterização de sistemas de água subterrânea profundos. Devido às longas escalas de tempo, em que as necessidades de segurança radiológica têm de ser demonstradas nas aplicações de controlo de segurança, é necessária uma análise do desempenho hidrogeológico do sistema da geosfera durante condições climáticas glaciais. É discutido o fluxo de água subterrânea em profundidade em rochas cristalinas durante a passagem de uma margem de um manto de gelo, com base na modelação de fluxo de água subterrânea em dois locais de bed-rock, Forsmark e Laxemar, no Escudo Fenoscandinavo, na Suécia. O manto de gelo modelado mimetiza o manto Weichseliano durante o seu maior desenvolvimento e recuo sobre a Europa do norte. O artigo elabora e analisa diferentes seleções das condições de fronteira de topo, na interface do manto de gelo com a subsuperfície (e.g. espessura do manto de gelo e velocidade da margem do gelo) e na área pró-glacial (presença ou falta de permafrost) e relaciona estas escolhas com os resultados disponíveis através dos modelos hidráulicos de fluxo e dos modelos hidrogeoquímicos concetuais da evolução da salinidade nos dois locais. Conclui-se que a escolha das fronteiras tem um forte impacte nos resultados e que os locais de estudo se comportam de modo diferente para idênticas condições de fronteira, devido a diferenças nas suas propriedades hidráulico-estruturais.

Kommerziell Vergütung an den Verlag: 34,95 € Grundgebühr: 4,00 € Gesamtpreis: 38,95 €


Studierende Vergütung an den Verlag: 12,50 € Grundgebühr: 2,00 € Gesamtpreis: 14,50 €

Kostenpflichtiger Download

Dokumentinformationen


Inhaltsverzeichnis – Band 21, Ausgabe 1

Zeige alle Jahrgänge und Ausgaben

Die Inhaltsverzeichnisse werden automatisch erzeugt und basieren auf den im Index des TIB-Portals verfügbaren Nachweisen der enthaltenen Aufsätze. Die Anzeige der Jahrgänge kann aufgrund fehlender Aufsatznachweise unvollständig oder lückenhaft sein, obwohl die Zeitschrift komplett in der TIB verfügbar ist.

1
Preface: Hydrogeology of cold regions
Hinzman, Larry D. / Destouni, Georgia / Woo, Ming-ko | 2013
5
Permafrost and groundwater on the Qinghai-Tibet Plateau and in northeast China
Cheng, Guodong / Jin, Huijun | 2012
25
Review: Groundwater in Alaska (USA)
Callegary, J. B. / Kikuchi, C. P. / Koch, J. C. / Lilly, M. R. / Leake, S. A. | 2013
41
Regional groundwater flow in an area mapped as continuous permafrost, NE Alaska (USA)
Kane, Douglas L. / Yoshikawa, Kenji / McNamara, James P. | 2012
53
Hydrogeological processes in seasonally frozen northern latitudes: understanding, gaps and challenges
Ireson, A. M. / van der Kamp, G. / Ferguson, G. / Nachshon, U. / Wheater, H. S. | 2012
67
Inferring groundwater contributions and pathways to streamflow during snowmelt over multiple years in a discontinuous permafrost subarctic environment (Yukon, Canada)
Carey, Sean K. / Boucher, Jessica L. / Duarte, Celina M. | 2012
79
Noble gas and isotope geochemistry in western Canadian Arctic watersheds: tracing groundwater recharge in permafrost terrain
Utting, Nicholas / Lauriol, Bernard / Mochnacz, Neil / Aeschbach-Hertig, Werner / Clark, Ian | 2012
93
Rapid runoff via shallow throughflow and deeper preferential flow in a boreal catchment underlain by frozen silt (Alaska, USA)
Koch, J. C. / Ewing, S. A. / Striegl, R. / McKnight, D. M. | 2012
107
Simulation of subsurface heat and water dynamics, and runoff generation in mountainous permafrost conditions, in the Upper Kolyma River basin, Russia
Semenova, Olga / Lebedeva, Liudmila / Vinogradov, Yury | 2013
121
Using streamflow characteristics to explore permafrost thawing in northern Swedish catchments
Sjöberg, Ylva / Frampton, Andrew / Lyon, Steve W. | 2012
133
Spatial and seasonal variability of polygonal tundra water balance: Lena River Delta, northern Siberia (Russia)
Helbig, Manuel / Boike, Julia / Langer, Moritz / Schreiber, Peter / Runkle, Benjamin R. K. / Kutzbach, Lars | 2013
149
Quantifying and relating land-surface and subsurface variability in permafrost environments using LiDAR and surface geophysical datasets
Hubbard, S. S. / Gangodagamage, C. / Dafflon, B. / Wainwright, H. / Peterson, J. / Gusmeroli, A. / Ulrich, C. / Wu, Y. / Wilson, C. / Rowland, J. et al. | 2012
171
Shallow groundwater systems in a polar desert, McMurdo Dry Valleys, Antarctica
Gooseff, Michael N. / Barrett, John E. / Levy, Joseph S. | 2013
185
Sensitivity analysis of lake mass balance in discontinuous permafrost: the example of disappearing Twelvemile Lake, Yukon Flats, Alaska (USA)
Jepsen, S. M. / Voss, C. I. / Walvoord, M. A. / Rose, J. R. / Minsley, B. J. / Smith, B. D. | 2012
201
The active-layer hydrology of a peat plateau with thawing permafrost (Scotty Creek, Canada)
Quinton, W. L. / Baltzer, J. L. | 2012
221
Modeling challenges for predicting hydrologic response to degrading permafrost
Painter, S. L. / Moulton, J. D. / Wilson, C. J. | 2012
225
Exchange and pathways of deep and shallow groundwater in different climate and permafrost conditions using the Forsmark site, Sweden, as an example catchment
Bosson, Emma / Selroos, Jan-Olof / Stigsson, Martin / Gustafsson, Lars-Göran / Destouni, Georgia | 2012
239
Modeling of groundwater flow at depth in crystalline rock beneath a moving ice-sheet margin, exemplified by the Fennoscandian Shield, Sweden
Vidstrand, Patrik / Follin, Sven / Selroos, Jan-Olof / Näslund, Jens-Ove / Rhén, Ingvar | 2012
257
Impact of permafrost development on groundwater flow patterns: a numerical study considering freezing cycles on a two-dimensional vertical cut through a generic river-plain system
Grenier, Christophe / Régnier, Damien / Mouche, Emmanuel / Benabderrahmane, Hakim / Costard, François / Davy, Philippe | 2012
271
Permafrost degradation and subsurface-flow changes caused by surface warming trends
Frampton, Andrew / Painter, Scott L. / Destouni, Georgia | 2012
281
Impacts of climate, lake size, and supra- and sub-permafrost groundwater flow on lake-talik evolution, Yukon Flats, Alaska (USA)
Wellman, Tristan P. / Voss, Clifford I. / Walvoord, Michelle A. | 2013
299
Permafrost thaw in a nested groundwater-flow system
McKenzie, Jeffrey M. / Voss, Clifford I. | 2013

Ähnliche Titel