УДК 551.583:551.345(470-17+570-17)
Оценка влияния изменения климата и деградации вечной мерзлоты на инфраструктуру в северных регионах России
О. А. Анисимов*, М. А. Белолуцкая*
Ожидаемые изменения к/пшата в северных регионах России приведут к деградации вечной мерзлоты и уменьшению ее механической несущей способности. Предлагается прогностическая модель, позволяющая оценивать потенциальную опасность воздействия деструктивных геокриологических процессов при изменении климата на элементы инженерной инфраструктуры в районах Крайнего Севера. Приводятся результаты расчетов и прогностические карты природных геокриологических опасностей для территории России.
Данная статья продолжает серию публикаций, посвященных применению специализированной геоинформационной системы для исследования изменения климата и оценки его последствий. Структура и функциональные возможности информационной системы, разработанной в Государственном гидрологическом институте, были рассмотрены в [6]. Ранее с ее использованием был построен эмпирический прогноз изменения температуры воздуха в первой четверти XXI века [7], получены оценки энергозатрат на обогрев и кондиционирование зданий [1], а также проведены расчеты изменения агроклиматического потенциала [2] в условиях прогнозируемого глобального потепления. В этой работе обсуждается применение геоинформационной системы для прогноза обусловленных изменением климата геокриологических опасностей в районах распространения вечной мерзлоты, представляющих потенциальную угрозу для инфраструктуры.
Результаты многих исследований указывают на то, что воздействие глобального изменения климата на природные процессы в районах Крайнего Севера будет проявляться главным образом в уменьшении продолжительности периода со снежным покровом, изменении гидрологического и ледового режимов северных рек, повышении температуры и сокращении площади распространения многолетнемерзлых пород, увеличении глубины сезонного протаивания и смещении границ растительных зон. Некоторые из этих изменений могут оказать заметное влияние на социально-экономические условия в северных регионах и привести к возникновению различных природных опасностей. Одним из примеров может служить чрезвы-
* Государственный гидрологический институт.
чайная ситуация весной 2001 г., когда из-за сложных ледовых условий на реках Сибири были затоплены значительные территории и несколько населенных пунктов в Якутии.
В районах Крайнего Севера современные изменения климата способствовали усилению и возникновению ряда новых природных опасностей, которые можно назвать геокриологическими. К их числу относятся процессы и явления, которые связаны с таянием льда и оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Одной из обострившихся в последние годы проблем является деструктивное воздействие климатически обусловленной деградации вечной мерзлоты на инфраструктуру территорий. Многие промышленные и жилые здания, нефтяные вышки, насосные станции и трубопроводы, дороги, мосты, взлетно-посадочные полосы в северных регионах построены на вечной мерзлоте и рассчитаны на эксплуатацию в определенном диапазоне изменения внешних условий. Изменения параметров природной среды, выходящие за рамки расчетного диапазона, могут вызвать повреждение объектов инфраструктуры, их частичное или полное разрушение, что может иметь опасные, в том числе катастрофические, последствия. В данной работе предлагается методология вероятностного оценивания геокриологических опасностей в условиях глобального потепления и обсуждаются результаты прогнозов для условий будущего климата середины XXI века, полученные при помощи геоинформационной системы.
Многолетнемерзлые породы занимают в настоящее время приблизительно 24% площади суши в Северном полушарии, что составляет около 22,8-106 км2, при этом в России они распространены более чем на половине (67%) территории страны. За последние 25—30 лет температура мерзлых грунтов в Западной Сибири повысилась на 1—1,5°С при том, что температура воздуха возросла на 1,0—2,5°С [5, 14]. Для инфраструктуры северных регионов эта тенденция опасна прежде всего тем, что увеличение температуры грунта приводит к уменьшению несущей способности свайных фундаментов, оснований и опор. Не менее серьезную угрозу представляет увеличение глубины сезонного протаивания поверхностного слоя грунта с высоким содержанием льда. Развитие термокарста может вызвать значительные неравномерные просадки грунта, привести к нарушениям рельефа и оказать пагубное воздействие на транспортные магистрали и инженерные сети. В последнее десятилетие деструктивное воздействие этих процессов на сооружения в области распространения вечной мерзлоты усилилось.
Ожидаемое антропогенное изменение климата осложняет проблемы, связанные с устойчивостью и надежностью инженерной инфраструктуры северных регионов. Деградация вечной мерзлоты уже сейчас причиняет заметный ущерб населению и экономике многих северных стран, и перспектива ее усиления вызывает серьезные опасения ученых. В Западной Сибири ежегодно происходит около 35 тысяч отказов и аварий на магистральных нефте- и газопроводах, общая протяженность которых в России составляет приблизительно 350 тысяч километров [10]. Около 21% всех аварий вызваны механическими воздействиями, в том числе связанными с потерей устойчивости фундаментов и деформацией опор [13]. Имеются 16
многочисленные примеры нарушения целостности и разрушения жилых и производственных зданий из-за уменьшения несущей способности вечной мерзлоты и различных форм термокарста. В крупных северных городах с развитой инженерной инфраструктурой, таких как Якутск, эта проблема дополнительно осложняется негативным влиянием антропогенных и техногенных факторов, усиливающих деструктивное воздействие меняющегося климата [11].
Возможность изучения влияния климата на инфраструктуру в северных регионах в значительной степени обусловлена наличием прогнозов изменения климата и моделей, которые позволяют рассчитывать температуру мерзлого грунта, глубину сезонного протаивания и распространение вечной мерзлоты. Результаты предшествующих исследований по этим направлениям создают предпосылки для развития методов количественной оценки геокриологических опасностей в условиях изменения климата.
Результаты многочисленных исследований указывают на то, что ожидаемое потепление будет более значительным в северной приполярной области в зимний период, в то время как в теплый период изменение климата может быть весьма небольшим. На севере России, в Западной Сибири и Якутии, увеличение температуры воздуха может превосходить среднюю по земному шару величину в 2—3 раза. В то же время сохраняется значительная неопределенность оценки чувствительности климата к концентрации углекислого газа в атмосфере. Согласно результатам, полученным с применением моделей общей циркуляции атмосферы и океана, при удвоении концентрации С02 глобально осредненная температура воздуха может возрасти на 1,5—5,8°С [19]. Следует учитывать, что прогнозы по таким моделям значительно различаются между собой, в частности, если сравнивать их по отдельным регионам.
Между тем именно региональные особенности потепления наиболее важны для оценки геокриологических опасностей. Региональный эмпирический прогноз климата на несколько десятилетий можно составить, проведя статистическую обработку метеорологических данных за длительный период наблюдений. Методология построения эмпирического прогноза и архивы данных, на основе которых он был разработан, были рассмотрены в ряде предшествующих публикаций [7, 15]. Согласно такому прогнозу, к середине XXI века ожидается значительное повышение средней годовой температуры воздуха: на 3—4°С в Западной Сибири и на 2—3°С на севере Европейской России, в Якутии и вдоль всего арктического побережья. На Дальнем Востоке возможно умеренное потепление (на 1—2°С). Примечательно, что прогноз, полученный на основе анализа фактических данных об изменениях климата в XX столетии, подтверждается по основным позициям результатами палеоклиматических реконструкций для прошлых теплых эпох [8, 9]. Несмотря на то, что имеются длительные ряды наблюдений за осадками и снежным покровом, какие-либо надежные выводы об их изменении в будущем сделать сложно. Исходя из наметившихся современных тенденций, к середине XXI века они могут возрасти в целом на 10 20%.
При изменении климата, соответствующем данным эмпирического прогноза, площадь вечной мерзлоты к середине XXI века может сократиться
на 12—15%, а ее граница сместится к северо-востоку на 150—200 км [3—5, 12, 16]. Согласно модельным расчетам, заметно увеличится глубина сезонного протаивания, в среднем на 15—25%, а на арктическом побережье и в отдельных районах Западной Сибири до 50% [17]. В Западной Сибири (полуостровы Ямал, Гыдан) температура мерзлых грунтов повысится в среднем на 1,5—2,0°С (с -5...-6°С до -3...-4°С), при этом возникнет опасность формирования высокотемпературных мерзлых грунтов даже в районах Арктики [14].
Увеличение температуры и глубины протаивания вечной мерзлоты приведет к частичной потере несущей способности свайных фундаментов, при этом возрастет вероятность разрушения существующих инженерных сооружений. Так, например, по данным Л. Н. Хрусталева, опубликованным в [20], влияние изменения температуры воздуха на несущую способность мерзлого грунта следующее:
Изменение среднегодовой температуры воздуха, °С 0,5 1,0 1,5 2,0
Изменение несущей способности фундаментов зданий, % -5 -15 -25 -50 Изменение несущей способности опор трубопроводов -10 -20 -30 -60
и линий электропередач, %
т. е. в условиях Якутска при увеличении среднегодовой температуры воздуха на 2°С несущая способность свайных фундаментов может сократиться на 50%. По имеющимся оценкам, полученным на кафедре инженерной геокриологии МГУ под руководством профессора Л. Н. Хрусталева, более четверти стандартных жилых пятиэтажных зданий в Якутске, Воркуте и Тикси, построенных в 1950—1970-х годах, может стать непригодными к эксплуатации уже в ближайшее одно-два десятилетия [20]. В основу такого прогноза бы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.