Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,831

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ТРАССЫ ВОДОВОДА НИЖНИЙ БЕСТЯХ – ВОДОХРАНИЛИЩЕ МУНДУЛАХ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ

Варламов С.П. 1 Скрябин П.Н. 1
1 ФГБУН «Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН»
Представлены результаты инженерно-геокриологических исследований, выполненных в полосе проложения водовода Нижний Бестях – водохранилище Мундулах в Центральной Якутии. Освещены геокриологические условия района работ, методика геотемпературного мониторинга верхних горизонтов криолитозоны. Объектами исследований являются грунты слоя годовых теплооборотов. Полевые работы включают повторные ландшафтные обследования нарушенных участков, проведения наблюдений в холодный и теплый сезоны года за высотой и плотностью снежного покрова, свойствами, протаиванием и температурой грунтов. Исследована динамика индикаторов изменений термического режима грунтов: мощность сезоннопротаивающего слоя и температуры в слое годовых теплооборотов. Выявлено значительное повышение среднегодовой температуры грунтов и увеличение глубины сезонного протаивания при вырубке леса и нарушения напочвенного покрова. Мощность сезоннопротаивающего слоя на трассе водовода увеличивается ежегодно, местами достигая верхней кровли подземных льдов, где начинается деградация многолетнемерзлых пород. Приведены данные о развитии опасных криогенных процессов. Результаты исследований использованы при проектировании и строительстве водовода. Экспериментальные данные являются основой прогноза изменения термического режима грунтов нарушенных ландшафтов и разработки рекомендаций по рациональному природопользованию.
водовод
мерзлые грунты
температура
сезоннопротаивающий слой
мониторинг
динамика
нарушенные ландшафты
1. Бойцов А.В. Особенности режима надмерзлотных вод сезонноталого слоя в условиях расчлененного рельефа // Мониторинг подземных вод криолитозоны. – Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО РАН, 2002. – С. 124–140.
2. Босиков Н.П. Мерзлотные ландшафты зоны освоения Лено-Алданского междуречья / Н.П. Босиков, И.С. Васильев, А.Н. Федоров. – Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1985. – 124 с.
3. Иванов М.С. Криогенное строение четвертичных отложений Лено-Алданской впадины. – Новосибирск: Наука, 1984. – 125 с.
4. Гаврильев П.П. Мерзлотно-экологические особенности таежных агроландшафтов Центральной Якутии / П.П. Гаврильев, И.С. Угаров, П.В. Ефремов. – Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2001. – 196 с.
5. Скрябин П.Н. Термический режим нарушенных ландшафтов Центральной Якутии / П.Н. Скрябин, С.П. Варламов // Криосфера Земли. – 2013. – T. XVII. – № 3. – С. 44–49.
6. Скрябин П.Н. Оценка теплового состояния нарушенных ландшафтов при восстановлении растительности / П.Н. Скрябин, С.П. Варламов // Успехи современного естествознания. – 2013. – № 2. – С. 73–76.

Рациональное и безопасное использование природных криогенных ресурсов является современной актуальной задачей в холодных регионах России. В Центральной Якутии строительство и эксплуатация линейных сооружений (трубопроводы, железные, автомобильные дороги и т.д.) осложняется большим разнообразием инженерно-геокриологических условий и тенденциями развития неблагоприятных криогенных процессов. Устойчивость мерзлотных ландшафтов при техногенных воздействиях определяют ведущие природные факторы: температура грунтов, льдистость, растительность и криогенные процессы. Строительство линейных сооружений неизбежно сопровождается нарушением условий теплообмена грунтов с атмосферой: удаляется растительный и напочвенный покровы, изменяется мощность и плотность снега, состав и свойства грунтов сезонного протаивания-промерзания. В результате интенсивного изменения температурного и влажностного режима грунтов начинают развиваться негативные криогенные процессы. Эти процессы приводят к изменению мерзлотно-ландшафтных условий территории и угрожают устойчивости сооружений. Тепловое состояние грунтов является одной из основных характеристик геокриологических условий, определяющих устойчивость инженерных объектов.

В связи с реализацией программы водоснабжения заречных районов Республики Саха (Якутия) Институт мерзлотоведения СО РАН в 1993 г. выполнил инженерно-геокриологические исследования на трассе проектируемого водовода Нижний Бестях – водохранилище Мундулах. Было изучено распространение, строение многолетнемерзлых пород, температурный режим прибрежной зоны водохранилища. Составлен прогноз теплового режима ложа водохранилища и оценены характер и темпы переработки его берегов. С 1994 г. организован геотемпературный мониторинг грунтов с целью установления эволюции и тенденции развития инженерно-геокриологического состояния грунтов вдоль трассы водовода.

Материалы и методы исследования

Прилегающая к водоводу территория характеризуется сложными геокриологическими условиями: распространением многолетнемерзлых пород, надмерзлотных вод, подземных льдов и развитием криогенных процессов [1–4 и др.].

Трасса прокладки водовода в рассматриваемом районе пересекает естественные и нарушенные ландшафты трех типов местности: пойменного, песчано-грядового, межаласного.

В пойменном типе местности геотемпературные наблюдения организованы на злаково-разнотравном лугу у прибортовой части межгривного понижения на средней пойме (Скв-168/89). Напочвенный покров представлен дерново-растительным слоем мощностью до 0,12 м. Сезоннопротаивающий слой до глубины 1,5 м сложен мелкозернистым песком влажностью 18–21 %. Многолетнемерзлые среднезернистые пески до глубины 12,1 м характеризуются постоянной влажностью равной 25 %.

В песчано-грядовом типе местности наблюдения в естественных условиях организованы в лишайниково-толокнянковом сосняке (Скв-13/93). Напочвенный покров мощностью 0,06 м представлен слаборазложившимися мхами и лишайниками с пылеватыми песками, влажностью до 12 %. Сезоннопротаивающий слой мощностью до 2,1 м сложен мелкозернистым песком и характеризуется малой влажностью (2–3 %) верхнего 1-метрового слоя, у подошвы сезонного протаивания влажность их увеличивается до 15–18 %. Подстилаемые многолетнемерзлые пылеватые пески с массивной криотекстурой до глубины 11 м отличаются повышенной влажностью (19–21 %).

Техногенный участок (свежая гарь) расположен на склоне песчаной гряды западной экспозиции. Природный пожар 1987 г. в последующем стал причиной вывала молодого соснового древостоя (Скв-13/87). Верхний слой почвы мощностью до 8 см содержит обгоревшие растительные остатки с влажностью 3–5 %. Сезоннопротаивающий слой до глубины 1,75 м сложен слабоувлажненным (5–13 %) мелкозернистым песком. Многолетнемерзлые грунты слоя годовых теплооборотов отличаются постоянной влажностью (19-20 %) и представлены переслаиванием мелкозернистого песка и супеси.

В межаласном типе местности контрольный участок оборудован в лиственничном лесу (Скв-10/93). Напочвенный покров толщиной до 0,1 м представляют зеленые мхи с включением слаборазложившейся лесной подстилки, влажность которых изменяется в широких пределах (7–47 %). Сезоннопротаивающий слой мощностью 1,4–1,6 м сложен супесью и суглинком с влажностью 10–15 %. Подстилающие многолетнемерзлые суглинисто-супесчаные грунты до глубины 5 м характеризуются устойчиво повышенной влажностью 49–53 %. В интервале глубин 3–12 м вскрыты повторно-жильные льды.

Второй техногенный участок оборудован на просеке водовода (Скв-12/93). В процессе сооружения трубопровода был вырублен лес и уничтожена лесная подстилка. Влажность верхнего нарушенного слоя грунтов мощностью 0,05–0,1 м изменяется в небольших пределах (4–9 %). Сезоннопротаивающий супесчаный слой отличается большими изменениями влажности (15–35 %). С глубины 2,1 м до 14,0 м залегают повторно-жильные льды, которые до 15,8 м подстилаются супесями с прослойками тонкозернистого песка, ниже до 19 м – мелкозернистыми песками.

Объектами исследований являются грунты слоя годовых теплооборотов до глубины 10–15 м. Основными критериями тепловой реакции криолитозоны на антропогенные воздействия являются мощность сезоннопротаивающего слоя (ξ) и среднегодовая температура на подошве слоя годовых теплооборотов (t0). Работы проводятся в соответствии с требованиями метода природных аналогий на основе организации длительных натурных исследований [5].

Наблюдательная сеть геотемпературного мониторинга охватывает естественные и нарушенные ландшафты. Натурные наблюдения проводятся 4 раза в холодный и тёплый периоды года. Полевые работы предусматривают повторное обследование нарушенных ландшафтов, проведение наблюдений за факторами, определяющими термический режим грунтов (высота и плотность снега, строение, свойства, протаивание и температура грунтов, теплопроводность напочвенных покровов, криогенные процессы).

Результаты исследования и их обсуждение

На средней пойме в межгривном понижении с ивовыми кустами (Скв-168/89) межгодовые изменчивости среднегодовых температур грунтов на подошве слоя годовых теплооборотов изменяются в широких пределах от –1,1 до –3,5 °С, мощность сезоннопротаивающего слоя, находящегося в сильноувлажненном состоянии, варьирует в широких пределах (1,43–2,15 м). В формировании термического режима грунтов определяющее влияние оказывают снежный покров и пойменный режим реки. Минимальные температуры грунтов наблюдались в периоды с аномально малоснежными покровами (1996, 1997 гг.), когда максимальная высота снега за сезон составляла всего 30–35 см. Максимальные температуры отмечались в многоснежные и аномально многоснежные годы (1999–2001 гг.) при максимальной мощности снежного покрова равной 39–51 см.

После сильных наводнений 2006 и 2011 гг. намыв песка толщиной до 0,3 м на поверхности поймы способствовал понижению температуры грунтов на 1,6–2,0 °С (рис. 1).

varl1.wmf

Рис. 1. Динамика среднегодовой температуры грунтов: С-168/89 – на разнотравном лугу средней поймы, С-13/93 – в сосновом лесу и С-13/87 – на гари с вырубкой в песчано-грядовом типе местности, С-10/93 – в лиственничном лесу и С-12/93 – при вырубке леса и нарушении напочвенного покрова в межаласном типе местности на трассе водовода

Здесь опасными экзогенно-геологическими процессами являются весенние ледоходы р. Лены, где отмечаются срезание льдами кустарниково-древесной растительности, намыв песков половодьем, размыв берегов пойм и др.

В песчано-грядовом типе местности на толокнянковом сосняке (Скв-13/93) среднегодовые температуры грунтов на глубине 10 м за период наблюдений изменялись в пределах –0,7…–2,1 °С (рис. 1), мощности сезоннопротаивающего слоя составляли 1,85–2,10 м. Основными факторами, определяющими формирования термического режима песчаных грунтов, являются метеорологические параметры холодного периода (приземная температура воздуха, динамика снежного покрова), влажностный режим сезоннопротаивающего слоя и их слабая теплопроводность.

На техногенном участке в течение 2 лет после природного пожара отмечается резкое повышение t0 на 1,5 °С. Начиная с 4-го года на бывшей гари при постепенном самовосстановлении березово-кустарниковой растительности наблюдается стабилизация температуры грунтов и ее значения не выходят за пределы –0,3 –0,4 °С (рис. 1). Мощность сезоннопротаивающего слоя в зависимости от летних температур воздуха изменялась в пределах 2,4–2,8 м. В этом типе местности развитие опасных криогенных процессов не отмечается.

В межаласном типе местности в районе водохранилища Мундулах геотемпературный мониторинг в естественных условиях (Скв-10/93) проводится с 1993 г. в мохово-брусничном лиственничнике [6]. Максимальная высота снежного покрова варьировала в пределах 31–36 см. Среднегодовая температура грунтов на подошве годовых теплооборотов изменяется от –2,0 до –2,9 °С.

В 1992 г. для прокладки водовода была вырублена просека в лиственничном лесу с последующим нарушением напочвенного покрова. На этом техногенном участке (Скв-12/93) проведены многолетние экспериментальные наблюдения [6]. К сожалению летом 1995 г. в процессе эксплуатации водовода скважина была выведена из строя. В сентябре 2008 г. была пробурена новая скважина на расстоянии 100 м от первой. Вырубка затеняющего леса и уничтожение теплоизолирующего мохового покрова привели к резкому повышению температуры грунтов. Через 23 года в конце теплого периода повышение температуры грунтов на глубине 2 м составило 3,6 °, на глубине 5 м – 1,5 °С (рис. 1 и 2). Следовательно, подошва сваи опоры находится в высокотемпературных слабоустойчивых мерзлых грунтах, температура которых составляет всего –0,6 °С.

varl2.wmf

Рис. 2. Изменение температуры грунтов в лиственничном лесу (Скв-10/93) и на просеке (Скв-12/93) трассы водовода Нижний Бестях – Мундулах

varl3.tif

Рис. 3. Развитие начальной формы термокарста Вид Скв-12/93* (восстановленной, где стоит буровая установка) от старой Скв-12/93 (вышедшей из строя). Август 2009 г.

На просеке по сравнению с естественными условиями среднегодовая температура грунтов на глубине 5 м повысилась на 1,4 °С, а мощность сезоннопротаивающего слоя увеличилась на 1,1 м и достигла 3,0 м. Такие изменения теплового состояния грунтов при залегании повторно-жильных льдов на глубинах 1,6–2,4 м обусловили деградацию мерзлой толщи, просадку поверхности на 0,5–1,0 м и развитию начальной формы термокарста (рис. 3). Формирование полигональной формы рельефа на просеке представляет серьезную опасность устойчивости грунтового основания водовода.

Участок водохранилище Мундулах расположен в 1,2 км восточнее с. Майя, в окрестностях одноименного аласа. Зрелая термокарстовая котловина глубиной 10–15 м вытянута в северо-восточном направлении, имеет длину 1,5 и ширину 0,6 км. Полевые работы лаборатории криолитологии в 1993 г. установили повсеместное развитие супесчано-суглинистых отложений ледового комплекса с повторно-жильными льдами. Влажность мерзлых отложений колеблется в пределах 37–53 %, объемная льдистость изменяется от 0,45 до 0,78.

Температурный режим мерзлых грунтов в пределах котловины определяется в основном экспозицией склонов и наличием растительного покрова. На склонах южной экспозиции отмечаются самые высокие температуры, которые составляют –1,7 °С на луговом межаласье и верхней части склона борта и –0,8 °С в нижней периферийной части днища аласа. Самая низкая температура грунтов характерна для склона северо-восточной экспозиции, где она достигает –3,0 °С. На межаласьях, где произрастает лиственничный лес, температура грунтов на глубине годовых нулевых амплитуд составляет около –3,0 °С.

Буровые работы лаборатории геокриологического прогноза в 1993 г. выявили наличие мерзлых пород мощностью 5–6 м в центре аласа, на глубине 7 м вскрыли талые, водонасыщенные грунты. Проект Института «Гипроводхоз» предусматривал затопление половины площади аласа, поэтому на середине его было рекомендовано сооружение дамбы длиной 570 м. Прогнозная оценка, выполненная Н.И. Шендером и А.С. Тетельбаумом, показала, что при заполнении водохранилища мерзлые породы, залегающие на днище котловины, полностью протаивают за 8–12 лет. Верхняя граница многолетнемерзлых пород через 40 лет будет фиксироваться на расстоянии 55 м от береговой линии, примерно на глубине 8 м от поверхности дна аласа.

Водохранилище заполнялось полностью в течение 1995–1996 гг. В результате теплового влияния водной толщи водохранилища под днищем котловины и дамбой протаяли мерзлые грунты и вторая сухая половина аласа в 2006 г. тоже стала заполняться водой, с лета 2008 г. днище котловины аласа представляет единый водоем водохранилища.

Выводы

На основе выполненных исследований можно сформулировать следующие выводы:

1. Выявлено понижение среднегодовой температуры грунтов на глубине 10 м на 1,6–2,0 °С в средней пойме при намыве песка. Лесной природный пожар в песчано-грядовом типе местности приводит к повышению t0 на 1,6–1,9 °С. Вырубка леса и уничтожение напочвенного покрова в межаласном типе местности повышает t0 на 1,5 °С, увеличивает ξ на 1,1 м.

2. Техногенные воздействия в межаласном типе местности при близком залегании повторно-жильных льдов обусловили деградацию мерзлой толщи, развитие начальной формы термокарста, угрожающей устойчивости водовода.

3. Инженерно-геокриологическое состояние трассы водовода оценивается как относительно устойчивое в песчано-грядовом и слабо устойчивое в межаласном типах местности.


Библиографическая ссылка

Варламов С.П., Скрябин П.Н. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ТРАССЫ ВОДОВОДА НИЖНИЙ БЕСТЯХ – ВОДОХРАНИЛИЩЕ МУНДУЛАХ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 8. – С. 58-63;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36521 (дата обращения: 01.02.2023).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.685