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
^

4.2 Методы управления состоянием многолетнемерзлых пород, путем изменения теплофизических параметров снежного покрова




4.2.1 Климатические параметры, принятые в расчетах



Влияние климатических изменений и регулирования термического сопротивления снежного покрова на деградацию ММП рассмотрено на примере двух метеостанций – Волочанка и Игарка, для которых рассмотрены климатические параметры. При приблизительно схожих параметрах снежного покрова сумма положительных температур воздуха в районе м/с Игарка на 30% больше, чем для м/с Волочанка.

Повышение средней годовой температуры воздуха принято Tya= 6оС за 100 лет. Средняя годовая температура воздуха рассчитывается по формуле, приведенной в отчете за 1-й этап работы,


(25)


где Tf и Tthсредние температуры воздуха за периоды с положительной и отрицательной температурой воздуха, φ= τth / 365, τth продолжительность теплого периода года.

Рост средней годовой температуры воздуха на величину Tya происходит, как за счет повышения средней положительной температуры воздуха и понижения средней отрицательной температуры воздуха, так и в результате сокращения продолжительности холодного периода года и соответственно повышения продолжительности теплого периода года. Примем, что рост средней отрицательной температуры воздуха в «k» раз превосходит рост средней положительной температуры воздуха, тогда из уравнения


(26)


получим формулу для определения средней температуры воздуха Tth за период с положительной температурой воздуха


(27)


при росте средней годовой температуры воздуха на Tya.

Для условий севера Западной Сибири примем преобладающее (в 2 раза) повышение отрицательной температуры воздуха (k=2), по сравнению с ростом летних температур и рост продолжительности периода с положительными температурами τT на 6 суток на 1 град роста средних годовых температур воздуха. По данным работы [16] – на северных широтах 65 и 70 (при 80 в.д.) перепад средних годовых температур воздуха составляет 3,5С при разнице в продолжительности теплого периода года – 25 суток (τT = 7 суток/град). Между 70 и 60с. ш. – 53 суток и 7С (τT = 7,5 суток/град). Между 70 и 60 северной широты при 100 в.д. эти величины составляют 45 суток на 6 град повышения средней годовой температуры воздуха (τT = 7,5 суток/град). Однако на разных широтах определенное влияние имеет продолжительность светлого времени суток и величина солнечной радиации.

Климатические условия в районе метеостанций Волочанка и Игарка приведены в таблице 5, а динамика толщины, плотности снежного покрова и температуры воздуха на рисунке 22.


Таблица 5 - Температура воздуха и продолжительность теплого периода года.


Метеостанции

Продолжительность теплого периода года, сутки

Средняя

положительная температура

воздуха, оС

Средняя

отрицательная

температура

воздуха, оС

Tth, оС,

При τT = 6

Волочанка

112

8,42

–20,7

1,96

Игарка

130

9,48

–18,09

2,12








Рисунок 22 - Динамика толщины (а), плотности (б) снежного покрова и температуры воздуха (в) для метеостанций: 1 –Игарка; 2 – Волочанка.


Расчеты проводились для суглинка влажностью 25% и плотностью скелета грунта 1600 кг/м3. Рассматриваемая толщина мерзлой горной породы составляла 170 м. Количество незамерзшей воды на границе мерзлой и талой зоны суглинка составляет ww =11%.

^

4.2.2 Результаты расчетов по влиянию поверхностных покровов на деградацию многолетнемерзлых пород



Параметры снежного покрова, температуры воздуха и результаты расчетов глубины протаивания грунта приведены в таблица 4. Анализ проведенных расчетов показывает, что глубина протаивания грунта для м/с Волочанка (6,45 м) и Игарка (11,64 м) через 100 лет будет отличаться на 40% (рисунок 23). Это обусловлено более низкой средней годовой температурой воздуха –11,9С для м/с Волочанка, по сравнению с –8,4С для м/с Игарка при равном термическом сопротивлении снежного покрова 3,2 м2 град / Вт.




Рисунок 23 - Глубина промерзания (1) и протаивания (2) грунта для условий метеостанций: Волочанка – 3; Игарка – 4.


Одним из факторов, влияющих на теплообмен между атмосферой и мерзлотой, является моховой покров. В летний период теплопроводность мха сравнима с теплопроводностью снега плотностью 200 кг/м3. Тогда как в период с отрицательными температурами воздуха теплопроводность водонасыщенного промерзшего мха в несколько раз выше. Поэтому этот слой не является существенным препятствием для теплообмена в зимний период, по сравнению со снежным покровом. Анализ теплозащитных свойств мохового покрова приведен в отчете за 1-й этап работ. Расчеты показали, что не учет увеличения коэффициента теплопроводности мха зимой дает рост глубины протаивания грунта при влажности 200% на 3 – 8 см, так как в этом случае происходит меньшее выхолаживание грунта. Разница в глубине протаивания в условиях метеостанции Волочанка для мха hylocomium влажностью 100, 200 и 300% толщиной 5 см составляет 7 – 10 см (для мха sanionio – 5 – 7 см). В отсутствии мохового покрова глубина протаивания грунта на 60 см больше (рисунок 24). С ростом влажности мха глубина протаивания увеличивается. Перелом кривых на рисунке 24 обусловлен образованием талика. При наличии мохового покрова талик образуется на 20 лет позже (рисунок 24). Влияние почвенно-растительного покрова наиболее значительно в районах с небольшими положительными температурами воздуха.




Рисунок 24 - Влияние на протаивание грунта мохового покрова hylocomium толщиной 5 см при его влажности: 1 – 100%; 2 – 200%; 3 – 300%; 4 – в отсутствии мохового покрова.


Результаты расчетов глубины промерзания и протаивания грунта при наличии мохового покрова толщиной 5 см влажностью 200% и при его отсутствии приведены на рисунке 25. В зависимости от вида мохового покрова меняется глубина протаивания грунта и время начала образования талика.




Рисунок 25 - Глубина промерзания (1) и протаивания (2 – 4) грунта при наличии мохового покрова толщиной 5 см и влажностью 200% (2, 3) и без мохового покрова(4): 1 – промерзание; 2 – мох hylocomium; 3 – мох sanionio.

Для мохового покрова толщиной 10 см поток тепла в грунт и его максимальная глубина протаивания снижаются настолько, что в холодный период года сезонноталый слой грунта промерзает полностью и талик не образуется (рисунок 26).




Рисунок 26 - Влияние на протаивание грунта мохового покрова hylocomium толщиной 10 см при его влажности: 1 – 100%; 2 – 200%; 3 – 300%.


При этом разница в глубине протаивания грунта в условиях метеостанции Volochanka для мха hylocomium толщиной 10 см влажностью от 100 до 200% составляет 12 см и от 200 до 300% – 9 см (рисунок 26). Результаты расчетов глубины протаивания грунта для мохового покрова из hylocomium влажностью 200% и толщиной 5 и 10 см приведены на рисунке 27. Из него видно, что для мохового покрова из hylocomium влажностью 200% и толщиной 10 см талик не образуется.




Рисунок 27 - Глубина протаивания грунта при наличии мохового покрова из hylocomium влажностью 200% и толщиной: 1 – 10 см; 2 – 5 см и 3 – без мохового покрова.

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.

^

4.2.3 Результаты расчетов деградации многолетнемерзлых пород при воздействии на снежный покров



Для снижения термического сопротивления снежного покрова рассматривались два вида воздействия:

1. Уплотнение снежного покрова в 2 раза после достижения им половины максимальной толщины;

2. Удаление снежного покрова после достижения им половины максимальной толщины.

Уплотнение снежного покрова в 2 раза может происходить при проходе по снежному покрову автомобилей. Ниже представлены результаты наших экспериментов по уплотнению снежного покрова при проходах по снежному покрову Тюменской области разных автомобилей.

Исследования показали, что уже после первого прохода плотность снега увеличилась в 2 раза (рисунок 28). При 2–3-кратных проходах происходит 3–кратный рост плотности снега.

При этом глубина колеи составляет порядка 25 см. При расчетах уплотнение снежного покрова проводилось после достижения им половины своей максимальной толщины.



Рисунок 28 - Изменение плотности снега при повторных проходах

по снежному покрову Тюменской области автомобилей:

1 – ГАЗ–66; 2 – ЗИЛ–131, 3 – КрАЗ–255 Д.


Второй вид воздействия – однократное удаление снежного покрова после достижения им половины своей максимальной толщины. При этом плотность нового слоя снежного покрова рассчитывается исходя из его новой небольшой толщины.

Результаты расчетов для условий метеостанции Волочанка показали (рисунок 29), что различие в глубине протаивания грунта при указанных воздействиях на снежный покров составляет 10 – 15 см. Такое воздействие на снежный покров уменьшает глубину протаивания грунта на 30–50 см, по сравнению с ненарушенным снежным покровом. При указанных воздействиях на снежный покров талик не образуется. Тогда как в отсутствии воздействия на снежной покров толщина талика достигнет 6,5 м.




Рисунок 29 - Глубина протаивания грунта в районе Волочанки: 1 – удаление снежного покрова после достижения им половины максимальной толщины снежного покрова; 2 – уплотнение снежного покрова в 2 раза после достижения им половины максимальной толщины снежного покрова; 3 – снежный покров без изменений.

Различие в глубине протаивания грунта при указанных воздействиях на снежный покров для условий метеостанции Игарка составляет 6 – 10 см (рисунок 30). Указанные виды воздействия на снежный покров с целью снижения его термического сопротивления на 40–45 см снижают глубину протаивания грунта, чем для случая ненарушенного снежного покрова. При этом талик не образуется. Тогда как в отсутствии воздействия на снежной покров толщина талика в летний период достигнет 10 м через 85 лет.

Технологические мероприятия по регулированию термического сопротивления снежного покрова могут проводиться на ограниченной территории в районе защищаемого объекта. Эти мероприятия достаточно технологичны. Удаление снежного покрова легко осуществляется бульдозером, а его уплотнение – дорожными катками. Эти мероприятия будут способствовать быстрому промерзанию сезонно-талого слоя и выхолаживанию его на большую глубину. Большой запас холода в грунте замедлит его протаивание и уменьшит толщину сезонно-талого слоя.




Рисунок 30 - Глубина протаивания грунта в районе Игарки: 1 – удаление снежного покрова после достижения им половины максимальной толщины снежного покрова; 2 – уплотнение снежного покрова в 2 раза после достижения им половины максимальной толщины снежного покрова; 3 – снежный покров без изменений.


При выборе линейных размерах обрабатываемой площади расстояние от границы защищаемого объекта до границы обрабатываемого снежного покрова должно на порядок превышать глубину годовых колебаний температуры грунта.
^

Глава 5 Публикации результатов НИР

5.1 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию




^

5.2 Копия статьи, опубликованной в журнале ВАК















Заключение



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.

Важным параметром, влияющим на взаимодействие климатических изменений и многолетней мерзлоты, является снежный покров. Основным параметром, характеризующим теплозащитные свойства снежного покрова, является его термическое сопротивление, которое определяется толщиной снежного покрова и коэффициентом теплопроводности снега. На основании обработки данных метеостанций криолитозоны получена динамика толщины и плотности снежного покрова и ход средних многолетних значений температуры воздуха.

Для оценки влияния климатических изменений на состояние многолетнемерзлых пород 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 многолетнемерзлых пород при климатических изменениях и регулировании термического состояния поверхностных покровов.

Численные эксперименты на математической модели позволили путем вариации максимальной толщины снежного покрова определить критическую толщину снежного покрова на примере двух метеостанций севера Западной Сибири Волочанка и Байкит. Для метеостанций Волочанка и Байкит средние отрицательные значения температуры воздуха равны –21,64оС и –19,03оС соответственно, а средние положительные – 7,68оС и 10,34оС. Продолжительность холодного периода для указанных метеостанций принята 252 и 220 суток соответственно.

Для климатических условий метеостанции Волочанка критическая толщина снега составляет 2,3 м, а величина термического сопротивления 12,9 м2.град/Вт. При превышении этих значений толщины снега (при сохранении климатических условий) будет происходить деградация мерзлоты. Под такой толщей снега сезонно-талый слой промерзнет не полностью. Критическая толщина снега в районе м/с Байкит составляет 0,36 м при 25% влажности грунта и 0,31 м снега при 30% влажности грунта. Величина термического сопротивления снежного покрова в этих случаях составляет 2,7 и 2,4 м2.град/Вт, соответственно. При меньших значениях толщины снежного покрова будет формироваться многолетняя мерзлота.

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. Для метеостанций севера ЕТР, расположенных на побережье (м/с Индига) и внутри материка (Хоседа–Хард), протаивание грунта за 100 лет при принятых климатических изменениях (рост средней годовой температуры воздуха порядка 40С и при росте зимних температур в 2,5 раза выше, чем летних) составит около 13 и 20 м, соответственно. Такая разница обусловлена тем, что среднее за холодный период года термическое сопротивление снежного покрова для условий м/с Индига и Хоседа–Хорд составляет порядка 2 и 6 м2.град/Вт соответственно.

Для рассмотренных метеостанций севера Западной Сибири и Якутии при повышении средней годовой температуры воздуха на 6оС за 100 лет толщина талика составляет 5–14 м. Исключение составляет метеостанция Норильская ЗГМО, для которой талик не образуется из-за небольшой толщины (22 см) снежного покрова.

Возможности регулирования теплозащитных свойств поверхностных покровов и их влияния на многолетнемерзлые породы рассмотрены на примере мохового покрова. Его наличие мохового покрова толщиной 5 см уменьшает глубину протаивания грунта на 60 см и увеличивает время начала формирования талика на 20 лет. При моховом покровом толщиной 10 см талик не образуется. Проведенные расчеты показали, что наличие мохово-растительного покрова может стать защитой от деградации мерзлоты при климатических изменениях. Поэтому при освоении северных территорий следует по возможности сохранять естественный моховой покров, в противном случае значительно ускорится деградация многолетнемерзлых пород.

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 многолетнемерзлых пород рассмотрено на примере двух метеостанций – Волочанка и Игарка, имеющих сравнимые параметры снежного покрова, но сумма положительных температур воздуха в районе м/с Игарка на 30% больше, чем для м/с Волочанка.

Для снижения термического сопротивления снежного покрова рассматривались два вида воздействия: 1. Уплотнение снежного покрова в 2 раза после достижения им половины максимальной толщины снежного покрова; 2. Удаление снежного покрова после достижения им половины максимальной толщины снежного покрова. Уплотнение снежного покрова в 2 раза может происходить при проходе по снежному покрову автотранспорта. Результаты расчетов для условий метеостанции Волочанка показали, что различие в глубине протаивания грунта при указанных воздействиях на снежный покров составляет 10 – 15 см. Такое воздействие на снежный покров уменьшает глубину протаивания грунта на 30–50 см, по сравнению с ненарушенным снежным покровом. При указанных воздействиях на снежный покров талик не образуется. Тогда как в отсутствии воздействия на снежной покров толщина талика через 100 лет достигнет 6,5 м для м/с Волочанка и 10 м для м/с Игарка через 85 лет.

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

Список использованных источников





  1. Вотяков И.Н. Физико–механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов Якутии. – Новосибирск: изд–во Наука, сиб.отд. 1975, С.176

  2. Сосновский А.В. Расчет оптимальной толщины слоя водно–ледовой смеси при намораживании льда на больших площадях // Материалы гляциологических исследований. 1984, вып.50, С.223–321

  3. Павлов А.В. Теплофизика ландшафтов. Новосибирск, Наука, Сиб. отд., 1979, С.286

  4. Кузьмин П.П. Процесс таяния снежного покрова. Л.: Гидрометеоиздат. 1961, С.346

  5. Будак Б.М., Васильев Ф.П., Успенский А.Б. Разностные методы решения некоторых краевых задач типа Стефана. Численные методы в газовой динамике. Сборник работ ВЦ МГУ, изд-во МГУ. 1965, С.139-182

  6. СНиП 2.02.04–88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах / Минстрой России.– М.: ГУП ЦПП. 1997. С.52

  7. Пивоварова З.И. Радиационные характеристики климата СССР. Л.: Гидрометеоиздат. 1977.С.335

  8. Осокин Н.И., Самойлов Р.С., Сосновский А.В., Жидков В.А., Чернов Р.А. Роль снежного покрова в промерзании грунтов // Известия АН Серия географическая. 2001, № 4, С.52-57

  9. Осокин Н.И., Самойлов Р.С., Сосновский А.В., Жидков В.А., Китаев Л.М., Чернов Р.А. Влияние снежного покрова на теплообмен с подстилающей поверхностью. В кн. Оледенение Северной Евразии в недавнем прошлом и ближайшем будущем. Под. ред. В.М. Котлякова, Наука, М., 2007, С. 15–54 С.368

  10. Берковский Б.М., Ноготов Е.Ф. Разностные методы исследования задач теплообмена. – Минск: изд–во «Наука и техника». 1976, С.144

  11. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Л., Гидрометеоиздат, 1989, сер.3, вып. 1, ч. 1-6, кн.1, Республика Коми, С.483

  12. Шнееров Б.Е., Мелешко В.П., Матюгин В.А., Спорышев П.В., Павлова Т.В., Вавулин С.В., Школьник И.М., Зубов В.А., Гаврилина В.М., Говоркова В.А. Современное состояние глобальной модели общей циркуляции атмосферы ГГО (версия MGO-2) в сб. Моделирование общей циркуляции атмосферы и климата. Труды ГГО, вып. 550, 2001, С.3-43

  13. Справочник по климату СССР, вып.1, часть IV, Л., Гидрометеоиздат, 1968, С.348

  14. Научно–прикладной справочник по климату СССР. Л.: Гидрометеоиздат. 1989. сер.3. вып. 24. ч. 1–6. кн.1. Якутская АССР. С.607

  15. Научно–прикладной справочник по климату СССР. Л.: Гидрометеоиздат. 1990. сер.3. вып. 21. ч. 1–6. кн.1. Красноярский край и Тувинская автономная область. С.623

  16. Гаврилова М. К. Современный климат и вечная мерзлота на континентах. Новосибирск, Изд-во «Наука», Сиб. отд., 1981, C.113






страница8/8
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