Отчет о выполнении 3 этапа Государственного контракта № icon

Отчет о выполнении 3 этапа Государственного контракта №



Смотрите также:
1   2   3   4   5   6   7   8

Введение



Потепление климата криолитозоны уже сейчас приводит к ряду отрицательных последствий, в том числе деградации мерзлоты. Это существенным образом влияет на устойчивость сооружения и коммуникаций, расположенных в криолитозоне.

При деградации многолетнемерзлых пород в них образуются талые зоны. При этом растет число фазовых границ раздела талых и мерзлых зон, число которых заранее неизвестно. Это накладывает определенные условия на математическую модель, которая претерпит существенные изменения по сравнению с математической моделью промерзания-таяния сезонно-мерзлого или сезонно-талого грунта. Для оценки влияния климатических изменений на состояние многолетнемерзлой породы (ММП) разработана математическая модель. Она позволяет на основе учета составляющих тепло - и массобмена, климатических изменений, состояния и изменчивости поверхностных покровов, состояния и типа грунта, геотермального потока тепла, оценить термическое состояние и динамику развития ММП при климатических изменениях и регулировании термического состояния поверхностных покровов.

Важным параметром, влияющим на взаимодействие климатических изменений и многолетней мерзлоты, является снежный покров. Параметром, характеризующим теплозащитные свойства снежного покрова, является его термическое сопротивление, которое определяется толщиной снежного покрова и коэффициентом теплопроводности снега. Величина последнего зависит в основном от плотности снега. При росте толщины снежного покрова растет и его плотность. При больших плотностях снега дальнейший ее рост замедляется. В этом случае изменение термического сопротивления снежного покрова определяется в основном изменением его толщины.

Изменение термического сопротивления снежного покрова приводит к изменению термического режима многолетнемерзлых пород. При увеличении термического сопротивления снежного покрова (росте его толщины и снижении плотности) свыше критической величины происходит снижение глубины промерзания грунта и сезонно-талый слой промерзнет не полностью. При повторении такого сценария образуется талик и начнется деградация мерзлоты. Для сезонно-мерзлых пород при снижении термического сопротивления снежного покрова ниже критической величины увеличится глубина промерзания грунта, которая превысит глубину слоя таяния. В результате образуется мерзлый слой и при сохранении такого сценария, толщина слоя будет расти. Критическая толщина снежного покрова определяется путем численных экспериментов на математической модели.

Для реализации математической модели потребовались теплофизические параметры снежного покрова и средние многолетние значения температуры воздуха, значения которых определялись по данным климатических справочников. На основании обработки данных метеостанций криолитозоны получена динамика толщины и плотности снежного покрова и ход средних многолетних значений температуры воздуха. Это позволило путем вариации максимальной толщины снежного покрова и численных экспериментов на математической модели определить критическую толщину снежного покрова для условий ряда метеостанций криолитозоны.

Для оценки влияния климатических изменений на деградацию многолетнемерзлых пород для условий севера Западной Сибири и Якутии выбраны 12 метеостанций с наибольшим разнообразием климатических условий и параметров снежного покрова и две метеостанции севера ЕТР, расположенных на побережье и внутри материка. Теплофизические параметры снежного покрова выбранных метеостанций охватывает большой диапазон изменения термическое сопротивление.

Возможности регулирования теплозащитных свойств поверхностных покровов и их влияния на ММП рассмотрены на примере мохового покрова. Наличие мохового покрова существенно уменьшает глубину протаивания грунта. Проведенные расчеты показали, что наличие мохово-растительного покрова может стать защитой от деградации мерзлоты при климатических изменениях.

Формирование почвенно-растительного покрова заданной толщины и термического сопротивления в условиях криолитозоны является достаточно трудоемкой задачей. Другим вариантом решения проблемы деградации мерзлоты при климатических изменениях является снижение термического сопротивления снежного покрова в такой степени, чтобы рост глубины талой зоны компенсировался ростом глубины промерзания.

Влияние регулирования термического сопротивления снежного покрова на состояние ММП рассмотрено на примере двух метеостанций, имеющих сравнимые параметры снежного покрова, но разную сумму положительных температур воздуха.

Таким образом, объектом исследований являются теплозащитные свойства снежного покрова, термическое состояние ММП при климатических изменениях, математические модели промерзания-протаивания многолетнемерзлых пород.

Целью работы является определение критической толщины снежного покрова, определяющей разные сценарии изменения состояния многолетнемерзлых пород, разработка математической модели тепломассообмена в системе атмосфера – поверхностные покровы – многолетнемерзлые породы с произвольным числом фазовых границ в грунте, оценка термического состояния многолетнемерзлых пород при изменении климата на основе математического моделирования, оценка влияния регулирования термического сопротивления снежного покрова на состояние и деградацию мерзлоты.

Работы 3-го этапа выполнены полностью в соответствии с Календарным планом и Техническим заданием.
^

Глава 1 Аннотированная справка по научным результатам НИР, полученным на 1 этапе



Вечная мерзлота составляет порядка 2/3 части территории России. Изменение ее теплофизического состояния и деградация могут привести к геокриологическим процессам и явлениям, представляющим серьезную опасность для хозяйственной деятельности и жизнеобеспечения населения. Рассмотрены последствия изменения термического состояния многолетнемерзлых пород (ММП) для народного хозяйства и природной среды.

Важнейшими параметрами, влияющими на термическое состояние ММП, являются температура воздуха и теплофизические параметры снежного покрова. Так, изменение условий снегонакопления в районах распространения вечной мерзлоты способствует активизации опасных природных процессов и снижению несущей способности оснований. В частности начало формирования таликов происходит при превышении критической толщины снежного покрова.

Снежный покров, благодаря своим теплоизолирующим свойствам, способен усилить или замедлить деградацию вечной мерзлоты. Результаты ряда работ показывают, что повышение средней годовой температуры воздуха в ряде районов может сопровождаться понижением температуры грунтов. Это объясняется уменьшением максимальной толщины снежного покрова или замедленным его ростом в первой половине зимы. Проведенные к настоящему времени исследования показали, что в районах криолитозоны снежный покров оказывает преобладающее влияние на температуру грунта.

Для моделирования реакции многолетнемерзлых пород на изменение климата необходимо использование теплофизических параметров снежного покрова, которые имеют как межгодовую, так и внутригодовую изменчивость. Причем, пространственное распределение теплофизических свойств снежного покрова определяется комплексом климатических и физико-географических факторов. Основными теплофизическими параметрами снежного покрова, определяющими его теплозащитные свойства, являются толщина и плотность снежного покрова. Эти параметры, наряду с температурой снега, определяют коэффициент эффективной теплопроводности снега и его термическое сопротивление.

Поэтому целью работ на 1-м этапе являлось исследование пространственно-временной изменчивости теплофизических параметров снежного покрова, влияющих на изменение теплового потока в системе атмосфера – поверхностные покровы – подстилающие породы, термическое состояние и деградацию многолетнемерзлых пород (ММП).

На основании средних многолетних данных климатических справочников получена внутригодовая динамика толщины и плотности снежного покрова для ряда метеостанций севера криолитозоны ЕТР, Западной Сибири и Якутии, необходимая при моделировании воздействия метеорологических факторов на термический режим ММП, их промерзание и таяние в течение года.

Межгодовая изменчивость параметров снежного покрова определяет динамику температурного режима многолетнемерзлых пород при климатических изменениях. Картина распределения толщин снежного покрова и его плотности может меняться в связи с изменениями климата.

Теплозащитные свойства снежного покрова определяются величиной термического сопротивления равного частному от деления толщины снежного покрова на коэффициент эффективной теплопроводности. Поэтому рассмотрены различные зависимости для расчета коэффициента эффективной теплопроводности снега и проведен их сравнительный анализ.

Для исследования реакции многолетнемерзлых пород на текущие изменения климата необходимо изучение влияния напочвенных покровов на термический режим грунтов. Наиболее распространенным растительным напочвенным покровом в криолитозоне является моховой покров, который является естественным теплоизолятором. Его теплоизоляционные свойства и их динамика в течение года изучены недостаточно. Это связано как с большим видовым разнообразием мха, так и слабым исследованием его теплофизических параметров.

Моховой покров, как и снежный покров, уменьшает теплообмен между нижними слоями атмосферы и подстилающей поверхностью. Однако, в отличие от снежного покрова, который в основном снижает выхолаживающее действие атмосферы на грунт (лишь в период таяния снежный покров защищает грунт от прогревания до положительных температур), действие мохового покрова круглогодично. Причем, если в холодный период года влияние мохового покрова служит лишь дополнением к теплоизолирующему действию снежного покрова, то в летний период он является основным фактором, снижающим прогревание и протаивание грунта.

Поэтому были проведены экспериментальные полевые и лабораторные исследования теплофизических параметров, наиболее распространенных на Западном Шпицбергене видов мха и рассмотрено их влияние на термический режим и протаивание ММП. Получена величина коэффициента теплопроводности некоторых видов мха.

Термическое состояние ММП в значительной мере определяется климатическими изменениями. Рассмотрены текущие и возможные климатические изменения, как на основе фактических данных, так и анализа различных моделей.

На температурный режим ММП и его динамику оказывают влияние различные параметры снежного покрова: максимальная толщина и плотность снега, динамика снегонакопления, ее зависимость от времени и толщины снежного покрова, задержка времени установления снежного покрова относительно даты перехода средней суточной температуры воздуха через 0оС. Другой комплекс параметров связан с параметрами нижних слоев атмосферы, таких как влажность воздуха и скорость ветра, облачность. На термическое состояние ММП оказывают влияние теплофизические параметры талого и мерзлого грунта и растительного покрова, их зависимости от температуры и влажности.

Изучение взаимосвязей между перечисленными параметрами и оценка их влияния на термическое состояние ММП позволит на основе математического моделирования прогнозировать на региональном или локальном уровне состояние самой снежной среды и процессы промерзания–протаивания поверхностной толщи многолетнемерзлых пород.





страница2/8
Дата конвертации28.10.2013
Размер0,65 Mb.
ТипОтчет
1   2   3   4   5   6   7   8
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rud.exdat.com


База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2012
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Документы