Актуальность темы
В последние годы пристальное внимание научной общественности всего мира привлекают вопросы, связанные с глобальными климатическими изменениями. С конца 60-х начала 70-х годов прошлого века, по наблюдениям на многочисленных метеостанциях, расположенных как в России, так и за рубежом, фиксируется неуклонный рост среднегодовой температуры воздуха, продолжающийся и в настоящее время.
По оценкам ряда исследователей (Антропогенные., 1987; Борисенков, 1990; Haigh, Pyle, 1982; Manabi, Wetherald, 1980; и др.) к середине XXI столетия повышение среднегодовой температуры воздуха может составить 1,5 — 7,0 °С и стать основной причиной изменений в природной среде.
Несомненно, особое значение проблема глобального потепления имеет для районов распространения многолетнемерзлых пород (ММП), так как природная среда высоких широт крайне чувствительна к изменениям климата. Повышение температуры воздуха может вызвать повсеместную деградацию ММП, занимающих около 2/3 территории России, и интенсификацию опасных для хозяйственной деятельности человека мерзлотно-геологических процессов, таких как термоэрозия, солифлюкция, термокарст и т. д. (Израэль и др. 1999, 2002; Павлов 1997; Гречищев 1997; и др.). Кроме того, при повышении температуры значительно изменяются прочностные свойства мерзлых пород, что может привести к массовым деформациям инженерных сооружений, построенных в криолитозоне, и как следствие — к значительному материальному ущербу (Хрусталев, Пустовойт 1993; Мельников и др. 1993; Хрусталев и др. 2002,2003; и др.).
Все это свидетельствует о том, что на сегодняшний день прогноз реакции многолетнемерзлых толщ на климатические изменения, а также оценка надежности оснований инженерных сооружений в условиях глобального потепления климата актуальна и имеет большое научное и практическое значение.
Цель и задачи исследований. Основной целью работы являлась оценка влияния потепления климата на термический режим многолетнемерзлых пород и устойчивость инженерных сооружений на территории республики Саха-Якутия. В соответствие с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Используя разработанный на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ метод авторетроспекгивного анализа, оценить современные изменения среднегодовой температуры воздуха в различных районах республики Саха-Якутия и выполнить их прогноз на ближайшие 30 лет.
2. С учетом установленных закономерностей изменения среднегодовой температуры воздуха произвести прогноз термического режима многолетнемерзлых пород на исследуемой территории в первой трети XXI века.
3. Оценить изменения надежности оснований инженерных сооружений.
4. Рассмотреть возможные пути управления надежностью геотехнических систем в условиях потепления климата.
Научная новизна работы заключается в следующем: Разработана методика комплексной оценки изменений среднегодовой температуры воздуха и реакции многолетнемерзлых пород оснований инженерных сооружений на эти изменения, в результате чего:
• Получены прогнозные формулы для определения среднегодовой температуры воздуха в различных районах республики Саха-Якутия.
• Составлен прогноз изменения термического режима ММП на территории республики Саха-Якутия в первой трети XXI века и выделены районы, характеризующиеся различной реакцией ММП на возможное повышение среднегодовой температуры воздуха.
• Произведена прогнозная оценка надежности многолетнемерзлых оснований и оценено количество деформированных зданий при прогнозируемом изменении термического режима многолетнемерзлых пород.
• Определены коэффициенты надежности (запаса), которые необходимо задавать при строительстве зданий в различных районах Якутии, для того чтобы обеспечить их безаварийную эксплуатацию в условиях прогнозируемого потепления климата.
На защиту выносятся следующие положения:
Повышение среднегодовой температуры воздуха, начавшееся в конце 60-х — начале 70-х годов прошлого века, фиксируется на сегодняшний момент на всей территории республики Саха-Якутия, и будет продолжаться в первой трети XXI века с интенсивностью от 0,011 до 0,088 °С/год. Повышение среднегодовой температуры воздуха вызовет деградацию ММП на территории республики Саха-Якутия, которая выразится в повышении их среднегодовой температуры и увеличении глубины сезонного оттаивания, кроме того, в южных районах республики приведет к трансформации сезонного оттаивания в многолетнее. Деградация ММП на территории республики Саха-Якутия приведет к снижению надежности оснований и деформациям зданий, которые к 2030 году составят 0,1−0,3% в северных районах республики и 80−90% в южных, от числа построенных в 2000 г.
Практическая значимость работы. Результаты исследований могут быть использованы при планировании мероприятий по обеспечению устойчивости инженерных сооружений в условиях потепления климата и охране геологической среды.
Личный вклад автора. Диссертационная работа является частью коллективных исследований в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники», и проекта Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 02−05−64 331 «Реакция многолетнемерзлых грунтов на вариации современного климата и техногенез». Лично автором было проведено изучение и обобщение имеющихся на сегодняшний день представлений о динамики.
2.
3. Г климата и реакции многолетнемерзлых пород на возможные климатические изменения. Систематизирован обширный литературный и фондовый материал, касающийся исследуемой территории. Используя авторетроспекгивный анализ, были обработаны ряды метеорологических наблюдений по 40 метеостанциям, расположенным в разных районах республики Саха-Якутия и определены тренды повышения среднегодовой температуры воздуха. Для районов расположения 12 опорных метеостанций были произведены прогнозные геокриологические расчеты, позволившие установить изменения термического режима ММП в первой трети XXI века. Произведена оценка изменения надежности оснований зданий, возводимых в этих районах, и рассмотрены пути управления надежностью многолетнемерзлых оснований в условиях потепления климата.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международной конференции «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения» (г. Пущино, 2003), нашли отражение в 5 научных публикациях (3 статьях и 2 тезисах) и использовались при написании ряда научно-технических отчетов. В 2003 году, по теме исследований, в рамках проекта Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 02−05−64 331, автором был получен грант MAC (Молодые Аспиранты и Студенты).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 2 приложений. Содержит 135 страниц машинописного текста, включающих 20 таблиц, 30 рисунков и список использованной литературы из 110 наименований.
основные выводы:
1. На протяжении последних 30−40 лет на всей территории республики Саха-Якутия отмечается устойчивое повышение среднегодовой температуры воздуха. Положительный тренд среднегодовой температуры воздуха имеет значительную широтно-региональную изменчивость, от 0,01 °С/год на севере республики до 0,088 °С/год на юге.
2. При сохранении установленных тенденций к потеплению климата в первой трети XXI века, на территории Якутии будет происходить деградация ММП, которая выразится в повышение их среднегодовой температуры и увеличение мощности сезонноталого слоя, а также в трансформации сезонного оттаивания в многолетнее в южных районах республики. Наиболее устойчивыми к потеплению климата являются районы, расположенные в Арктике и Субарктике, где современная среднегодовая температура ММП изменяется от -5 до —11 °С и ниже и где величина положительного тренда температуры воздуха минимальна (0,01 — 0,02 и 0,02 — 0,033 °С/год). Менее устойчивыми к потеплению климата, являются районы распространения ММП с температурами от -3 до -5 °С и где установлены тренды повышения среднегодовой температуры воздуха в пределах 0,02 — 0,033 °С/год. Неустойчивыми к потеплению климата являются районы, где современная среднегодовая температура ММП выше — 3 °C и установлены тренды повышения среднегодовой температуры воздуха более 0,033 °С/год.
3. Потепление климата негативно отразится на инфраструктуре Якутии и повлечет деформации сооружений. Наименьшее снижение надежности и деформации сооружений следует ожидать в северных районах республики.
Тикси, Саскылах, Чокурдах), наибольшее — в центральных и южных районах (Витим, Якутск, Усть-Мая, Чульман). К потенциально опасным в отношение деформаций и разрушений зданий можно отнести две группы районов: 1) в пределах Лено-Вилюйского междуречья, где широко распространены высокотемпературные и поэтому неустойчивые толщи многолетнемерзлых пород, и 2) в пределах Приленского плато и Алданского нагорья, где установлен максимальный положительный тренд среднегодовой температуры воздуха (0,045 — 0,088 °С/год).
Деформации сооружений будут происходить в результате растепления грунтов основания, интенсивность которого будет зависеть от их состава. По своей подверженности потере несущей способности в результате растепления основания грунты можно расположить в следующий возрастающий ряд: пески — супеси — суглинки и глины. Сопротивляемость свайных фундаментов растеплению грунтов основания выше, чем столбчатых, и возрастает с увеличением глубины их заложения.
Противостоять деформациям и разрушениям зданий возможно рядом способов: для вновь возводимых зданий за счет увеличения расчетного значения коэффициента надежности (запаса) по сравнению с нормированными значениями, для построенных — за счет дополнительно охлаждения основания при помощи специальных охлаждающих систем, использующих как естественный, так и искусственный холод. Так, например, хорошо зарекомендовал себя способов охлаждения с помощью горизонтальных и вертикальных термосифонов. В последнее время находят применение на практике и так называемые тепловые насосы, использование которые, экономически наиболее выгодно в случае одновременного снабжения объектов теплом и холодом, что доказывают теоретические и экспериментальные работы, проводимые в Канаде, Норвегии и России.
Заключение
.
По итогам проведенных исследований можно сделать следующие.
