PROTECTION OF PERMAFROST AND ICE RICH SHORES, TUKTOYAKTUK, N.W.T., CANADA

V.K. Shah

Marine Directorate, Department of Public Works of Canada H.Q., Ottawa, Ontario, Canada

INTRODUCTION

Tuktoyaktuk is located on the eastern side of Kugmallit Bay in the Western Arctic at north latitude of 69° 27' and west longitude of 133° 02'.   It is approximately 90 miles north of Inuvik and 1450 miles northwest of Edmonton (see Plate 1).   The area is mainly comprised of a long, narrow, boot-shaped peninsula oriented in approximately north-south direction, a com­plex lagoon, which has been developed as a har­bour, east of the peninsula and an island strad­dling the mouth of the lagoon. Certain dwellings exist at the southern and southeasterly shores of Tuktoyaktuk Harbour. A large majority of the inhabitants reside in a settlement developed on the peninsula. Tuktoyaktuk is used as a transfer point, linking the Mackenzie River barge trans­port with coastwise shipping serving the western arctic seaboard and inland settlements and bases.   As a result of this the Tuktoyaktuk set­tlement has grown to be the largest of the west­ern arctic coast settlements.

The Tuktoyaktuk shores have been receding at considerable rates, on an average approximately 6 ft. per annum, and shore protection works are required to safeguard the settlement located on the peninsula.

CLIMATE

Tuktoyaktuk lies within the sub-arctic low­land.   It has 8 months of winter and ? months of summer, separated by one month of spring and one month of fall. In the summer there is daylight round the clock.   The winter time is marked by darkness.   The mean winter temperature is about -20°F and that of the summer, 40°F.   In the extreme the temperatures can drop to -50°F in the winter and rise to 80 F in the summer (see Plate 1). The sea freezes up in winter.   The freeze-up occurs at around the beginning of October.   The ice break-up takes place at around the third week of June.   Because of the low capacity of cold air for water vapour the pre­cipitation at Tuktoyaktuk, like most arctic areas, is low.   The predominant directions of winds at Tuktoyaktuk are northwest and south­east.   The wind activity is generally calm to 20 mph winds.   The return period of storm winds

(30 mph and stronger winds) is approximately 1 to 2 years. Likewise the the wave activity is generally small except when storms occur from the northwest when waves as high as 6 to 8 feet can impinge upon the Tuktoyaktuk shores (see Plate 1). The tides at Tuktoyaktuk are of the mixed semi-diurnal type. The average tidal fluc­tuation is small ranging to 1 to 1.5 feet. Simi­larly the currents are small except during storm conditions.

COASTAL GE0MORPH0L0GY

General

The coast of Tuktoyaktuk can be described as a shallow, embayed and receding coast.   It is gen­erally flat and contains narrow beaches and steep cliffs.   The area is mostly underlain by fluvial sands and silts and fine grained  deltaic sands.   These deposits are capped by a thin layer of a mixture of sands, peat, lacustrine deposits, gravel and clayey till like deposits. The subsurface includes permafrost and lenses and sheets of massive ice.

Subsurface

The analysis of test borehole samples and thermistor readings indicates that generally the subsurface can be divided into two zones.   These are:   (1) an active zone which is frozen in the winter and thaws out in the summer and (2) a permanently frozen zone below the active zone. The active zone consists of sands, silts and gravel, in places covered by peat or organic material.   In areas where there is a cover of peat the thickness of the active zone as mea­sured was small, varying from 1 to 2 feet.   In the inorganic soils, the thicknesses of the active zones measured were relatively large, varying from 4 to 16 feet.   The permanently frozen zone consists of layers of sands, silts and gravel together with ice crystals, lenses of ice and sheets of massive ice.   The thickness of the permafrost zone was not determined.   It is, however, known to extend from above to below the sea level or in other words it straddles the sea level.

The offshore deposits are similar to those of the land area.   The depth to permafrost and ice, however, increases rapidly with the depth of water.   It was not possible to extend the test boring to the submerged area.   However, it would be reasonably safe to assume that the ice layer disappears at approximately the 6 ft sounding contour and that the permafrost dips rapidly possibly at 45 . The cover over the permafrost and ice at the junction of the beach and land, and at the beach, is relatively thin, varying from 4 to 7.5 feet.

SHORE EROSION

General

Aerial photographs and shore surveys show that the Tuktoyaktuk shoreline has been reced­ing at dramatic rates.   Between 1950 and 1972, the coastline of the settlement peninsula receded some 130 feet.   A recession of similar magnitude occurred at the Tuktoyaktuk Island.   The adjacent coastlines on either side of Tuktoyaktuk receded at similarly high rates varying from 60 feet to 850 feet in the same period of time.

There are two major causes of the erosion oc­curring at Tuktoyaktuk.   In the warm regions of the world the usual cause of erosion is the phys­ical force of the waves.   In the arctics, where ice rich soils and massive ice within the soil abound, thawing caused by the warmer temperatures in the summer and warmer sea water can be a major cause of shore recession and an accelerating fac­tor in shore erosion.   Both of these phenomena appear to affect the Tuktoyaktuk coast.

Erosion by Wave Forces

The erosion of Tuktoyaktuk shores, attribut­able to the physical forces of waves, can be seen to be taking place in two distinct ways depending upon the shore topography.   In places where high cliffs exist, the cliffs are degraded by under­mining and removal of slices from them. In areas where dunes occur, the dunes are shifted landward in varying alignments depending upon the direc­tion of storms.   The importance of these two shore erosion factors compared with the factors of thermal erosion discussed in the following section, cannot however be precisely established.

The shore material transport rates calculated using a method known as the wave energy flux method (Reference 2) do not reconcile with the large coastal recession rates of Tuktoyaktuk given by the aerial photographs and surveys.

Thermal Erosion

Thermal action is considered to be the major contributory cause of the coastal recession occurring at Tuktoyaktuk.   There are two ways in which the thermal action is affecting the Tuktoyaktuk coast.   These are:

(1) the melting of the ice present in the coastal land by warm water waves at high storm water levels and (2) thawing of the permafrost and ice contained in the beach and underwater soils, by the warm summer environment.

The massive ice and ice rich soil of the coastal land straddle the sea water level and have little material to insulate them against the thermal action by waves at high water levels.   As the waves impinge on the coastal land the thin veneer of material that may be present is removed and the ice and permafrost are brought in direct contact with the warm sea water.   Certain melting of the frozen water occurs and when sufficient quantity of water has been removed the overburden loses the support and collapses to form a new thick layer of insulation in place of the preceding layer removed by wave action.   This process of removal of insulation by waves, thermal action on the ice and permafrost, collapse of the overburden where this exists and the resulting encroachment of the sea on the land, affecting Tuktoyaktuk, is a continuous process depending on the frequency, duration and magnitude of storms and the warm temperatures.

In soils containing excess ice, a signifcant settlement can be expected to take place upon thawing of the ice.   In the frozen state, the frozen soils contain the solid soil particles, ice, in certain cases super cooled but unfrozen water and air. Upon thawing, the ice would be melted to water which would drain out from the soil mass.   The volume of the soil mass would be reduced accordingly and settlement would result.

The Tuktoyaktuk soil mass not only contains excess ice but also massive ice. Large settlements can, therefore, occur there upon thawing of the ice.   Thaw settlements were estimated for the study using the following expression.

(Ref. I]

where      ^A                       1 + 1.09 W_i G

E     = Volume of excess ice divided by

the original volume of frozen soil mass including excess ice. W     = Ratio of the weight of moisture

remaining after thawing and drainage of excess moisture have taken place to the weight of the dry solids in the soil mass.

W.    = Ratio of the weight of the original ¹       mass of moisture contained in the soil

as frozen or unfrozen water and excess

ice to the weight of the dry solids in

the soil mass. G     = Specific gravity of the solids in the

soil mass usually assumed to be 2.7.

To obtain the settlement of a frozen soil stratum, E   is simply multiplied by the thickness o"f the stratum.

The following formula was used to calculate the depth of penetration of thaw at Tuktoyaktuk:

X  ш \. LJ*-*-------------- TI     (Ref. 3)

Where,                       »   ^d   100     ^S

X     = Thaw depth in feet

x     = Non dimensional coefficient (0.75 for

Tuktoyaktuk) к     = Thermal conductivity of material in

BTU/ft. hour °F у .    = Dry density of material in lbs/eft L     = Latent heat of fusion of water in

^s       BTU/lb (144 BTU/lb) W     = Percent moisture content TI    = Thawing index or degree days above

freezing

Using average values of у = 0.75, к = 1.6, TI = 1,500, Y_d = 125, W = 10 and L   = 144, the depth to which thaw can be expected to penetrate at Tuktoyaktuk, in an average year, is 6 feet.

The Tuktoyaktuk beach areas have a thinner cover layer over the permafrost and ice table than required for its stability.   Thawing of permafrost and ice can therefore be expected to occur in the beach areas and because of excess ice content, thaw settlement can be expected to take place.

As the beach is depressed by thaw settlement, the height of water over it in storm conditions is greater.   Because of the greater height of water, the premafrost and ice table is depressed further, causing additional thaw settlement. The new depth of water at the beach then provides access to larger waves and erosion of the coast is intensified,

SHORE PROTECTIVE WORKS

Construction

As discussed earlier, the erosion occurring at Tuktoyaktuk is mainly as a result of an inadequate cover over the ice and permafrost present in the ground at the site. Direct solar heat and thermal action of warm water waves are the main agents that cause the erosion at Tuktoyaktuk.   During normal weather conditions the water levels are low and the waves do not impinge upon the coast.   In stormy weather situations, high water levels occur and the beach and the coastal areas are rendered liable to direct thermal action of warm water and thermal and physical action of waves.   To protect the beach and the coast from the thermal action, an insulating cover is required over the area.   To abate the wave action a barrier is needed.   The insulating cover and the barrier must be of flexible type to accommodate any initial and long term settlement.

The plan devised as a test plan and implemented in 1976 is shown in the accompanying plate 3. The plan essentially consists of two lines of de­fence walls and a system of groins using one meter diameter synthetic fibre tubes, known as "Longard" tubes, filled with local sand. The areas enclosed by the walls and groins were filled with sand to provide the required insula­ting layer over the beach.   The seaward line of defence is located at the waterline.   The main function of this line of defence is to break the storm waves impinging upon the coast at storm water levels.   This defence line also acts as a retaining wall for fill placed in between the walls and groins.   The upshore defence line is a double tube with fill behind the line.   This upshore line of defence is located at the cliff toe and provides protection to the cliffs.   The seaward line of defence and the groins projecting into the water will be subject to ice action and should they prove to be successful the upshore defence line will be eliminated in the final design.

Estimated Costs

Longard Tubes, Dura bags

filter cloth ........................................................ $ 65,000

Sand Fill........................................................... $ 30,000

Construction..................................................... $ 60,000

Indirect Research and

Engineering Costs............................................. $ 50,000

Total                                                         $205,000

Cost per foot of shoreline     $500

CONCLUSION

There were no known precedents of shore protec­tion works in the arctic environment that the Department could follow resulting in extensive field and research work both in laboratory and on site.   The performance of the test work installed at Tuktoyaktuk is hoped will provide adequate data for any future shore protection works that may be required in the permafrost environment.

Перевод:

Предохранение от эрозии многолетнемёрзлых грунтов и льдистых берегов в районе посёлка Туктояктук /Северо-западные территории, Канада/

V.K. Shah, Marine Directorate, Department of Public Works of Canada H.Q., Ottawa, Ontario, Canada

В мае 1972 года Департамент общественных работ Канады предпринял изучение береговой эрозии в районе поселка Туктояктук с целью найти пути предотвращения дальнейшей деградации берега. Программа исследований включала в себя изучение литературы, обзор имеющихся данных, консультации, полевые измерения и исследования и поиск альтернативных решений. Исследования показали, что в арктических районах, изобилующих высокольдистыми грунтами и участками массивного льда,  береговая эрозия обусловлена не только факторами, характерными для более южных районов, но и оттаиванием мерзлых грунтов и массивного льда и состоянием моря в летний период. В августе 1976 года были разработаны и применены предварительные меры по защите берега в районе Туктояктука. Первые на­блюдения показали, по крайней мере, качественно правильность найденного решения. Испытания будут тщательно контролироваться, и их эффективность должна быть выяснена к началу 3-ей Международной конференции по мерзлотоведению (1978 г).

Введение.

Туктояктук находится на восточном берегу залива Кагмаллит    в Западной Арктике и имеет координаты: 69° 27' с. ш., 133° 02' з. д. Он расположен примерно в 90 милях (160 км) к северу от г. Инувика и в 1450 милях (2600 км) к северо-западу от г. Эдмонтон. Эта территория включает в себя в основном узкий полуостров в форме сапога, ориентированный с севера на восток, представляющий из себя комплекс лагун, приспособленных для гаваней. Постоянные жилые постройки расположены на южном и юго-восточном берегу бухты Туктояктук. Большая часть населения проживает в посёлке, расположенном непосредственно на полуострове. Туктояктук используется как место передачи грузов, связывающее баржевый транспорт реки Маккензи с береговым морским транспортом, обслуживающим западные арктические прибрежные и внутренние посёлки и базы. В результате этой деятельности посёлок Туктояктук возрос и стал самым большим поселением на западном арктическом побережье.

Берега Туктояктука отступают значительными темпами, со средней скоростью 6 футов (2 метра) в год, и чтобы сохранить посёлок на полуострове, необходимы меры по защите берегов.

Климат

Туктояктук расположен в пределах субарктической низменности. Зима здесь длится 8 месяцев, а лето – 2, разделённые месяцем весны и осени. Летом наблюдается полярный день. Зимой отмечается полярная ночь. Среднезимняя температура -29°С, среднелетняя: +4°С. Иногда температура зимой падает до -45°С, летом может достигать +27°С. Море начинает покрываться льдом в середине октября, взламывание льдов происходит на третьей неделе июня. Из-за низкой испаряемости холодных вод, количество осадков на территории Туктояктука, как и на всём арктическом побережье – низкое. Преобладающие ветра здесь имеют северо-западное и северо-восточное направление. Средняя скорость ветра достигает 10 м/с. Период штормовых ветров (когда их скорость превышает 15 м/с) составляет 1-2 года. Волновая активность здесь слабая, исключая шторма с преобладанием северо-западных ветров, когда волны могут достигать высоты 2-2,5 м и заплескиваться на побережье Туктояктука. Приливы в районе исследуемого поселения смешанные и происходят дважды в сутки. Высота приливов невысокая: 0,3-0,5 м. прибрежные течения слабо выражены за исключением периодов штормов.

Прибрежная геоморфология

Общие сведения

Берег Туктояктука мелководный,  изрезанный и отступающий.  В основном побережье плоское и имеет узкие пляжи и пологие утёсы. Территория по большей части подстилается флювиальными песками и илом, а также хорошо отсортированным песком дельт. Эти отложения покрыты тонким слоем песка, торфа, озёрных отложений, галечника и покровных суглинков. Грунты находятся в вечномёрзлом состоянии и имеют линзы и прослои пластового льда.

Толща пород

Анализ проб тестовых бурений и показаний термистора позволяют разделить грунтовую толщу на две зоны: 1) Сезонноталый слой, промерзающий зимой и оттаивающий летом; 2) Многолетнемёрзлые породы, подстилающие сезонноталый слой. Слой сезонного промерзания состоит из песков, ила и гальки, местами перекрыт слоем торфа или органики. В тех местах, где мощность сезонноталого слоя была маленькая, толща торфа достигала 0,5 м. В точках, где отсутствовал органический покров, мощность протаивания варьировала от 1 до 5 м. Горизонт вечномёрзлых пород состоит из прослоев песка, ила и гальки с включениями, линзами и прослоями массивного льда. Мощность этих пород в результате исследования определить не удалось. Однако доподлинно известно, что подошва ММП значительно ниже уровня моря. Прибрежные отложения схожи с отложениями остальной территории. С увеличением глубины моря, глубина вечной мерзлоты и льда также увеличивается. Хотя и бурения под водой так и не удалось организовать, было принято решение считать, что лёд исчезает с глубиной 2 м, а вечная мерзлота – после 15 м под водой. Мощность сезонноталого слоя на месте перехода моря в сушу небольшая и варьирует от 1,2 до 2,5 м.

Береговая эрозия

Общие сведения

Аэрофотоснимки и данные береговых осмотров показывают, что береговая линия Туктоякчека отступает с поразительными скоростями. Между 1950 и 1972 гг. береговая линия отступила на 40 м. Отступание с похожей скоростью наблюдается и на о. Туктояктук. Соседние берега отступили за этот же период на расстояние от 20 до 250 м.

Есть две основные причины этого явления. В более тёплых регионах Земного шара это связано с физическим действием волн на берег. В Арктике, где берега мёрзлые и насыщены льдом, их таяние происходит в период более тёплых летних температур, и относительно тёплая морская вода оказывается главным агентом разрушения берегов и катализатором отступания береговой линии. Оба этих явления влияют на берега Туктояктука.

Волновая эрозия

Эрозия берегов Туктояктука, сопровождающаяся физическим воздействием волн, имеет место из-за двух чётких особенностей топографии берегов. Там, где есть уступы, берега разрушаются из-за подмыва нижних частей утёсов. Там, где образуются песчаные наносы – они размываются штормами. Однако важность двух этих факторов в совокупности с факторами термоэрозии, о которой речь пойдёт ниже, не может быть точно оценена.

Количество переносимого с берегов материала, подсчитанное с использованием метода, известного как метод изменения энергии волн, не совпадает с тем количеством, которое было высчитано по аэрофотоснимкам и данным осмотров берегов.

Термоэрозия

Действие тепла вносит наибольший вклад в скорость отступания берегов вблизи Туктояктука. Это происходит двумя путями: 1) Таяние берегового льда из-за штормовых волн летом; 2) Таяние ММП на берегу и на дне из-за тёплых летних условий.

Пластовый лёд и льдистые грунты достигают уровня моря и имеют слабую защиту от термической деятельности волн при высоком уровне воды. Так как волны ударяют напрямую по тонкой прослойке талых грунтов, последние могут смываться, подвергая вечную мерзлоту прямому воздействию волн. Естественно, что таяние береговых льдов происходит и при низкой воде. В таком случае тающий грунт становится теплоизолятором мёрзлых пород от внешней среды. Чередование этих процессов определяет наступление моря, проявляющееся в Туктояктуке. Это непрерывный процесс, зависящий от частоты, продолжительности и мощности штормов и летней температуры.

В грунтах, содержащих избыток льда, можно ожидать проседание в результате рпотаивания. В замороженном состоянии, грунты содержат твёрдый лёд, являющийся цементом, но при таянии он становится водой и паром. В результате протаивания, вода из почвы может дренировать. Объёмы таких грунтовых масс могут быть сокращены.

Меры по защите берегов

Планирование

Как обсуждалось ранее, береговая эрозия в Туктояктуке – это результат недостаточного покрытия ММП и пластового льда на этом месте. Прямая солнечная радиация и термическое действие тёплых морских волн – главные агенты эрозии в посёлке. Во время нормальных погодных условий при низкой воде волны не ударяются о берег. В время штормов уровень воды повышается и берега подвержены не только термическому, но и механическому разрушению волнами. Чтобы защитить берега от теплового воздействия, необходима теплоизоляция на данной территории. Для уменьшения физического действия волн нужен барьер.  Теплоизолирующий слой и барьер должны быть гибкими, чтобы можно было их разместить в различных местах надолго.

Тестовый вариант плана действий был сделан к 1976 г. В сущности он представляет собой 2 линии защиты, сделанные из гибких труб диаметром в 1 метр, известных как трубы “Longard”, наполненных песком, обеспечивающих изоляционный слой на берегу. Линия защиты от волн расположена в море, её главная роль – разрушать штормовые волны, ударяющие в берег во время высокой воды. В основании утёсов устанавливается двухслойная труба, исключающая образование ниш и защищающая уступы от разрушения. Эти устройства должны улучшить ситуацию с отступанием берегов.

Проектная стоимость укрепительных работ составила 1500 долларов США за 1 метр берега, а общая стоимость для всего посёлка составила 205 000 долларов на 1976 год.

Заключение

Подобных работ по укреплению берегов в Арктике никогда не проводилось, поэтому Департамент общественных работ будет продолжать исследовать полученную методику в лабораториях и на реальных объектах. Представленная тестовая работа по Туктояктуку, по мнению авторов, обеспечит достаточные данные для дальнейших работ по укреплению берега, что требуется для сохранения грунтов в мёрзлом состоянии.