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Glacier Outburst Floods From “Hazard Lake”, Yukon Territory, and the Problem of Flood Magnitude Prediction

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Garry K. C. Clarke*
Affiliation:
Department of Geophysics and Astronomy, University of British Columbia, Vancouver, British Columbia V6T 1W5, Canada.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

In August 1978 “Hazard Lake” released 19.62 × 106 m3 of water through a subglacial tunnel beneath Steele Glacier, Yukon Territory, Canada. The discharge during the outburst flood was measured by recording lake level changes with time, and a peak discharge of approximately 640 m3 s–1 was estimated from the data. We have attempted to model the 1978 flood from “Hazard Lake” using an adaptation of Nye’s (1976) theoretical model for jökulhlaups from Grimsvötn. Our aim has been to calibrate the Nye model as a first step toward using it as a peak discharge estimator for other glacier–dammed basins. The agreement between our measured and simulated hydrographs is good, and we find that creep closure, though included in our analysis, appears to play an insignificant role in limiting the discharge of “Hazard Lake”. Release of thermal energy from the relatively warm lake water is the dominant factor contributing to tunnel enlargement.

The Manning roughness of outlet channels from glacier–dammed lakes is not known a priori and must either be assumed or estimated after the fact from the flood hydrograph. For “Hazard Lake” our fit implies Manning roughness in the range n′ = 0.105 m–1⁄3 s, consistent with Nye’s estimate of n′ = 0.12 ml⁄3s for the 1972 Grimsvötn flood and our estimate of n′ = 0.12 m 1/3 s for the 1967 Summit Lake flood. If the Manning roughness for flood conduits can be shown to lie within a narrow range, this would constrain one of the least certain variables of the Nye model.

By making several simplifying assumptions, we have succeeded in reducing our adapted version of Nye’s model to a simple mathematical description involving dimensionless numbers characterizing reservoir geometry and the relative magnitudes of creep closure and tunnel enlargement by melting. In this simplified form, the influence of lake temperature, reservoir geometry, and creep closure on the character of flood hydrographs can be conveniently studied.

Résumé

Résumé

Les debâcles glaciaires à partir du “Hazard Lake” dans le territoire du Yukon et le problème de la prévision de l’ampleur de la crue. En août 1978 le “Hazard Lake” lança 19,62 × 106 m3 d’eau à travers un chenal sous–glaciaire sous le Steele Glacier dans le territoire du Yukon au Canada. Le débit pendant la crue de débâcle a été mesuré en enregistrant les variations dans le temps du niveau du lac et on a pu estimer la pointe de crue à approximativement 640 m3 s d’après ces données. Nous avons essayé de “modéliser” la crue de 1978 du “Hazard Lake” en utilisant une adaptation du modèle théorique de Nye(1976) pour les jökulhlaups de Grimsvötn. Notre but a été de caler le modèle de Nye à litre de premier pas vers son utilisation comme un estimateur du débit pour d’autres bassins avec barrage glaciaire. La concordance entre nos hydrogrammes mesurés et simulés est bonne et nous trouvons que l’obturation par le glissement du glacier, bien qu’incluse dans notre analyse semble jouer un rôle insignifiant pour limiter le débit du “Hazard Lake”. La libération d’énergie thermique à partir de l’eau relativement chaude du lac est le facteur dominant contribuant à l’élargissement du tunnel.

Le coefficient de rugosité de Manning des canaux émissaires des lacs proglaciaires n’est pas connu a priori et doit être supposé ou estimé après coup à partir de l’hydrogramme de la crue. Pour le “Hazard Lake” notre ajustement implique un coefficient de Manning de l’ordre de n′ = 0,105 m–1⁄3 s, cohérent avec l’estimation de Nye de n′ = 0,12 m₋1/3 s pour la crue de Grimsvötn en 1972 et notre propre estimation de n′ = 0.12 m –1⁄3 s pour la crue du Summit Lake en 1962. Si on peut montrer que les coefficients de Manning pour les chenaux de vidange restent dans un faible domaine de variation cela réduirait l’incertitude sur l’une des variables les moins stables du modèle de Nye.

Grâce à plusieurs hypothèses simplificatrices, nous avons réussi à réduire notre version adaptée du modèle de Nye à une simple description mathématique comprenant des nombres sans dimensions pour caractériser la géométrie du réservoir et les ordres de grandeur relatif de l’obturation par le glissement et de l’élargissement du tunnel par la fusion. Sous cette forme simplifiée, l’influence de la température du lac de la géométrie du réservoir et de l’obturation par le glissement sur les caractéristiques des hydrogrammes de crue peut être convenablement décrite.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Glaziale Ausbruchfluten aus dem “Hazard Lake”, Yukon Territory, und das Problem der Vorhersage von Ausbruchsmengen. Im August 1978 entsandte der “Hazard Lake” 19,62 × 106 m3 Wasser durch einen subglazialen Tunnel unter dem Steele Glacier, Yukon Territory, Kanada. Der Ahfluss während der Ausbruchsflut wurde durch zeitliche Beobachtungen des Seespicgels gemessen: aus den Daten ergab sich eine Abflussspitze von ungefähr 640 m3 s –1. Wir versuchten, die Flut von 1978 aus dem “Hazard Lake” mit Hilfe einer Anpassung von Nye’s (1976) theoretischem Modell für die Gletscherläufe von Grimsvötn zu simulieren. Unser Ziel war, das Modell von Nye zu kalibrieren, als ein erster schritt zu seiner Benutzung als schutzmittel für den Gipfelabfiuss anderer cisgedämmter Seen. Die Übereinstimmung zwischen unseren gemessenen und simulierten Pegelstanden ist gut. und wir können feststellen, dass der Abschluss durch Kriechvorgänge, der zwar in unserer Analyse berücksichtigt war. eine nur unwesentliche Rolle bei der Beendigung des Abflusses aus dem “Hazard Lake” zu spielen scheint. Das Freiwerden thermischer Energie aus dem relativ warmen Seewasser ist der wesentliche Faktor für die Vergrösserung des Tunnels.

Die Manning–Rauhigkeit von Abflusskanälen gletschergedämmter Seen ist nicht a priori bekannt und muss entweder angenommen oder nach der Flut aus den Abflusswerten geschätzt werden. Für den “Hazard Lake” ergeben unsere Auswertungen eine Manning–Rauhigkeit im Bereich von n′ = 0,105 m–1/3 s, was mit Nye’s Abschätzung von n′= 0,12 m–1⁄3 s für die Grimsvötn–Flut von 1972 und unserer eigenen schätzung von n′ = 0,12 m–1⁄3 s für die Surnmit Lake–Flut von 1967 übereinstimmt. Wenn sich zeigen lässt, dass die Manning–Rauhigkeit von Abflusskanälen innerhalb enger Grenzen liegt, würde eine der unsichersten Variablen in Nye’s Modell erfasst sein.

Durch einige vereinfachende Annahmen gelang es uns, unsere angepasste Version des Nye–Modells auf eine einfache mathemalische Beschreibung zu reduzieren, in der zwei dimensionslose Zahlen die Geometrie des Beckens und das Grössenverhältnis des Kriecliabschlusses und der Tunnelerweiterung durch schmelzen kennzeichnen. In dieser vereinfachten Form kann der Hinfluss der Seetemperatur, der Beekengeometrie und des Kriechabschlusses auf den Charakter des Flutablaufes bequem untersucht werden.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1982
Figure 0

Table I. Chronology for “Hazard Lake”

Figure 1

Fig 1 A schematic cross–section (roughly to scale) showing “Hazard Lake” and the Steele Glacier ice dam. The subglacial topography and actual location of the seal are unknown.

Figure 2

Fig 2 Map of “Hazard Lake” based on 1979 ground survey and aerial photography. Contours measure the depth below high–water mark; the contour interval is 5 m.

Figure 3

Table II. "Hazard lake" hypsometric data 1979

Figure 4

Fig 3 “Hazard Lake” water level record for August 1978 (solid curve descending to the right) and July 1979 (points marked by +) outburst floods. The August 1978 discharge (solid curve ascending to right) is calculated by numerical differentiation of the water–level record; this explains the saw–toothed “noise” component added to the discharge curve. The dashed curves are the predictions of the simulation model. The largest measured value of discharge was 511 m3 s–1 and the maximum discharge predicted by the simulation model is 547 w3 s–1. These discharge rates are for the net water flux from the lake; the discharge role for water flowing through the tunnel is obtained by adding the value of water flux into the lake, 5.0 m3 s–1.

Figure 5

Table III. "Hazard Lake" discharge model

Figure 6

Fig 4 Effect of lake temperature parameter (S on dimensionless peak discharge – Large values of β correspond to tunnel enlargement by release of stored thermal energy from the lake water rather than the release of potential energy by the flow. β = 0 corresponds to a lake at 0°C in which no stored thermal energy is available to melt ice and enlarge the tunnel. For this graph α = 0 so that tunnel closure is neglected.

Figure 7

Fig 5 Effect of tunnel closure parameter α and lake temperature parameter β on the character of discharge hydrographs for outburst floods. Large values of the closure parameter (α ≫ 1) correspond to creep closure dominating the effects of tunnel melting; α = 0 corresponds to no creep closure. Large values of lake temperature parameter p correspond to release of stored thermal energy from the lake water as the dominant mechanism for tunnel enlargement; β = 0 corresponds to a lake at 0°C. Discharge and lime are given in dimensionless variables.(a) For this figure the reservoir geometric parameter is taken as M = 0.05. This value is similar to that for “Hazard Lake” and corresponds to a “horn shaped” reservoir which stores most of its volume at the highest levels. The lake temperature parameter β is set to zero. The curces for α = 105 and larger values show the flood prematurely terminated by creep closure of the tunnel.(b) For this figure the reservoir geometric parameter is taken as M = 0.30 and the lake temperature parameter is set to zero. The water pressure in the outlet tunnel falls more rapidly than for case (a); thus the outlet tunnel is more susceptible to creep closure and peak discharge for a given value of a is less than that for case (a). The curves for α = 105 and larger values show the flood prematurely terminated by creep closure of the outlet tunnel.(c) For this figure the reservoir geometric parameter is taken as M = 0.05. as for “Hazard Lake”, and the lake temperature parameter is taken as β = 10, similar to that estimated for the 1978 outburst flood. Note the different scale for this figure. Comparison with (a) shows that elevated lake temperature affects the magnitude and shape of the discharge curve for a given value of creep closure parameter α.