Влияние поверхностного обводнения на температурный режим мерзлых грунтов

Об авторах:

Горелик Яков Борисович, доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией тепломассообменных явлений, Институт Криосферы Земли, Тюменский научный центр Сибирского отделения РАН; eLibrary AuthorID, ORCID, Web of Science ResearcherID, gorelik@ikz.ru

Земеров Илья Владимирович, аспирант, Институт криосферы Земли, Тюменский научный центр Сибирского отделения РАН; zemerov.utmn@gmail.com

Аннотация:

Избыточное обводнение застраиваемых территорий в районах распространения многолетнемерзлых грунтов достаточно часто возникает вследствие изменений природных факторов (в том числе климатических) либо недостатков проектирования и может длительное время оказывать негативное влияние на грунты мерзлого основания. В настоящее время отсутствует законченная методика расчета такого влияния. Решение этой проблемы тесно связано с прояснением природы формирования температурной сдвижки, которое на данный момент выполнено недостаточно ясно. Целью работы является создание методики прогноза изменения температуры грунта при возникновении неглубокого водоема на его поверхности.

В первой части статьи предложена простейшая теоретическая модель явления температурной сдвижки, на основе которой получены достаточно удобные аналитические выражения для среднегодовой температуры на подошве деятельного слоя в зависимости от климатических факторов и свойств грунта. Модель наиболее ясно демонстрирует природу возникновения явления и может быть использована для простейших оценок, а также в образовательном процессе. В частности, демонстрируется, что величина сдвижки обусловлена не только разницей теплофизических характеристик талого и мерзлого грунта, но и асимметрией климатических параметров.

Во второй части статьи с помощью квазистационарных методов выполнены расчеты прогнозируемой температуры грунта при возникновении водоема заданной глубины на его поверхности. В отличие от ранее применявшихся методов прогнозируемые параметры грунта отсчитываются от его невозмущенного состояния, которое определяется предложенным авторами ранее способом, что позволяет оценить направленность происходящих изменений (в сторону охлаждения либо потепления). Показано, что влияние неглубокого (глубиной до метра) поверхностного водоема на температуру мерзлых грунтов существенно зависит от процесса перемешивания воды в летнее время. Впервые установлена направленность этих процессов: при высокой степени перемешивания влияние всегда носит отепляющий характер и растет с глубиной водоема, при отсутствии перемешивания водоем охлаждает основание при малых глубинах, а при увеличении глубины больше некоторого значения возникает отепляющее влияние, которое, однако, значительно ниже, чем при наличии перемешивания. Рассмотрены практические применения полученных результатов.

Список литературы:

1. Арэ Ф. Э. Тепловой режим мелких озер таежной зоны Восточной Сибири (на примере Центральной Якутии) / Ф. Э. Арэ // Озера криолитозоны Сибири. Новосибирск: Наука, 1974. С. 98-116.

2. Балобаев В. Т. Влияние поверхностного слоя на тепловой режим и глубину протаивания мерзлых горных пород / В. Т. Балобаев // Тепловые процессы в мерзлых горных породах. М.: Наука, 1964. С. 7-38.

3. Балобаев В. Т. Геотермия мерзлой зоны литосферы севера Азии / В. Т. Балобаев. Новосибирск: Наука, 1991. 193 с.

4. Баренблатт Г. И. О некоторых приближенных методах в теории одномерной неустановившейся фильтрации жидкости при упругом режиме / Г. И. Баренблатт // Известия АН СССР. Отд. техн. наук. 1954. № 9. С. 35-49.

5. Босиков И. П. Текстуры водных отложений как показатель водности термокарстовых озер / И. П. Босиков, В. А. Соколова // Озера криолитозоны Сибири. Новосибирск: Наука, 1974. С. 33-39.

6. Воронцов В. В. Стабилизация критических деформаций земляного полотна автомобильной дороги в криолитозоне / В. В. Воронцов, А. Н. Краев, М. Е. Игошин // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. 2014. № 6 (40). С. 67-72.

7. Гаврилова М. К. Микроклимат озер центральной Якутии / М. К. Гаврилова, П. П. Попов // Озера криолитозоны Сибири. Новосибирск: Наука, 1974. С. 67-82.

8. Гаврилова М. К. Радиационный баланс озер Центральной Якутии / М. К. Гаврилова, А. Н. Степанов // Озера криолитозоны Сибири. Новосибирск: Наука, 1974. С. 83-88.

9. Гаврилова М. К. Тепловой баланс озер Центральной Якутии / М. К. Гаврилова // Озера криолитозоны Сибири. Новосибирск: Наука, 1974. С. 88-98.

10. Горелик Я. Б. Корректность постановки и решения задач по прогнозу динамики температурных полей в основании сооружений на многолетнемерзлых грунтах / Я. Б. Горелик, Д. С. Паздерин // Криосфера Земли. 2017. Том XXI. № 3. С. 49-59.

11. Горелик Я. Б. Методы расчета деформаций инженерных конструкций, вызванных пучением промерзающего слоя / Я. Б. Горелик // Криосфера Земли. 2010. Том XIV. № 1. С. 50-62.

12. Горелик Я. Б. Обобщенная теоретическая модель для расчета льдонакопления и деформаций при промерзании грунтов / Я. Б. Горелик // Криосфера Земли. 2011. Том XV. № 4. С. 46-51.

13. Горелик Я. Б. Физико-механические аспекты процессов фазовых превращений в мерзлых и промерзающих грунтах / Я. Б. Горелик // Материалы 4-й конференции геокриологов России (7-9 июня 2011 г.). М.: Московский государственный университет, 2011. С. 42-49.

14. Гребенец В. И. Деформации автомобильных и железных дорог на участке Норильск — Талнах и методы борьбы с ними / В. И. Гребенец, В. А. Исаков // Криосфера Земли. 2016. Том XX. № 2. С. 69-77.

15. Демин А. И. Тепловой режим донных отложений на мелководье Арктических морей / А. И. Демин // Сезонное протаивание и промерзание грунтов на территории Северо-Востока СССР. М.: Наука, 1966. С. 40-46.

16. Достовалов Б. Н. Общее мерзлотоведение / Б. Н. Достовалов, В. А. Кудрявцев. М.: Московский государственный университет, 1967. 403 с.

17. Дыдышко П. И. Деформации земляного полотна железнодорожного пути и их устранение в условиях вечной мерзлоты / П. И. Дыдышко // Криосфера Земли. 2017. Том XXI. № 4. С. 43-57.

18. Карслоу Г. Теплопроводность твердых тел / Г. Карслоу, Д. Егер. М.: Наука, 1964. 487 с.

19. Кондратьев С. В. Деформации Забайкальской части федеральной автомобильной дороги «Амур» Чита — Хабаровск на участках льдистых многолетнемерзлых грунтов: автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук / С. В. Кондратьев. Иркутск, 2016. 22 с.

20. Лыков А. В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах / А. В. Лыков. М.; Л.: Гостехиздат, 1954. 296 с.

21. Мухин Н. И. Особенности возникновения и развития термокарстовых озер на территории Яно-Индигирской низменности / Н. И. Мухин // Озера криолитозоны Сибири. Новосибирск: Наука, 1974. С. 18-26.

22. Общее мерзлотоведение / под ред. В. А. Кудрявцева. М.: Изд-во Московского государственного университета, 1978. 464 с.

23. Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях / под ред. В. А. Кудрявцева. М.: Изд-во Московского государственного университета, 1974. 432 с.

24. Павлов А. В. Мониторинг криолитзоны / А. В. Павлов. Новосибирск: ГЕО, 2008. 230 с.

25. Порхаев В. Г. Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с мерзлыми грунтами / В. Г. Порхаев. М.: Наука, 1970. 208 с.

26. Тихонов А. Н. Уравнения математической физики / А. Н. Тихонов, А. А. Самарский. М.: Наука, 1972. 736 с.

27. Файко Л. И. Использование льда и ледовых явлений в народном хозяйстве / Л. И. Файко. Красноярск: Изд-во Красноярского университета, 1986. 157 с.

28. Фельдман Г. М. Методы расчета температурного режима мерзлых грунтов / Г. М. Фельдман. М.: Наука, 1973. 254 с.

29. Фельдман Г. М. Передвижение влаги в талых и промерзающих грунтах / Г. М. Фельдман. Новосибирск: Наука, 1988. 258 с.

30. Фельдман Г. М. Прогноз температурного режима грунтов и развития криогенных процессов / Г. М. Фельдман. Новосибирск: Наука, 1977. 102 с.

31. Фельдман Г. М. Термокарст и вечная мерзлота / Г. М. Фельдман. Новосибирск: Наука, 1984. 262 с.

32. Шавлов А. В. Лед при структурных превращениях / А. В. Шавлов. Новосибирск: Наука, 1996. 188 с.

33. Шур Ю. Л. Верхний горизонт толщи мерзлых пород и термокарст / Ю. Л. Шур. Новосибирск: Наука, 1988. 213 с.

34. Шур Ю. Л. Термокарст / Ю. Л. Шур. М.: Недра, 1977. 80 с.

35. Gorelik J. B. Physical and mechanical processes in cryogenic formations associated with temperature change / J. B. Gorelik // Proceedings of the 10^th International Conference on Permafrost. Salechard, 2012. Vol. 2. Pp. 111-115.

36. Gorelik J. B. The mechanism of ice formation in connection with deformation of freezing layer / J. B. Gorelik // Proceedings of the 9^th International Conference on Permafrost. Fairbanks, 2008. Pp. 535-540.