научная статья по теме ТЕРМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ПРОМЕРЗАНИЕ ГРУНТА Геофизика

Текст научной статьи на тему «ТЕРМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ПРОМЕРЗАНИЕ ГРУНТА»

Лёд и Снег • 2013 • № 1 (727)

УДК 551.578.46+551.345+631.436

Термическое сопротивление снежного покрова и его влияние на промерзание грунта

© 2013 г. Н.И. Осокин, А.В. Сосновский, П.Р. Накалов, С.В. Ненашев

Институт географии РАН, Москва osokinn@mail.ru

Статья принята к печати 24 декабря 2012 г.

Критическая толщина снежного покрова, промерзание грунта, термическое сопротивление.

Critical thickness of a snow cover, ground freezing, thermal resistance.

Рассмотрена пространственно-временная изменчивость термического сопротивления снежного покрова для ряда районов Красноярского края и Якутии. Проведена корреляция глубины промерзания грунта с толщиной снежного покрова и его термическим сопротивлением. На основе математического моделирования дана оценка влияния параметров снежного покрова и грунта на глубину промерзания. Рассчитана критическая толщина снежного покрова, при превышении которой образуется несливающаяся мерзлота в сезонноталом грунте. Рассмотрены возможности и эффективность регулирования термического сопротивления снежного покрова для снижения отрицательных последствий потепления климата на деградацию многолетнемёрзлых грунтов.

Введение

Деградация многолетней мерзлоты в результате потепления климата снижает несущую способность свайных фундаментов, приводит к деформации опор, потере их устойчивости и, как следствие, к многочисленным авариям и чрезвычайным ситуациям [22]. Началом текущего потепления считают середину 1960-х годов. В работах [2, 7] отмечается, что для севера России потепление оценивается в 0,2—2,5 °С за 1965—1995 гг. В этот период в условиях морского климата количество осадков увеличилось, а в условиях континентального — уменьшилось. Поэтому в ряде районов деградация криолитозо-ны объясняется в том числе и ростом толщины снежного покрова [17]. По данным метеонаблюдений, тренды повышения температуры воздуха за 1960-1995 гг. для севера Западной Сибири и Якутии составляют порядка 0,06 °С/ год, а для Северо-Востока России и севера её европейской части эти показатели в 2-3 раза ниже.

Результаты, близкие к наблюдаемым, получены для севера Западной Сибири и Якутии и по отдельным глобальным климатическим моделям потепления климата. Прогноз изменения климата по этим моделям для первой половины XXI в. дан в работе [2]. Он показывает рост среднегодовой температуры воздуха в северных регионах Западной Сибири по моделям общей циркуляции атмосферы Британской метеорологической службы и Института Макса Планка в Германии на 2,5-5,5 °С. Эмпирический прогноз, приведённый в той же работе, составляет 4-6 °С. При этом преобладает повышение зимних температур

воздуха, которое в 1,4 раза больше летних температур для севера Западной Сибири и в 10 раз больше для Якутии [7]. Измерения в скважинах на севере Аляски показали рост температуры многолетней мерзлоты на 2-4 °С за прошедшие 50-100 лет [23, 24]. Отмечены многочисленные отрицательные последствия влияния потепления климата на мерзлоту. Так, за прошедшие 50 лет на севере Аляски сократились размеры многих водоёмов. Как отмечается в работе [26], вероятный механизм этого - внутренний дренаж в результате деградации поверхностной части многолетней мерзлоты. Расконсервация льдона-сыщенных многолетнемёрзлых грунтов вызывает образование термокарста в арктических лесах Аляски, что приводит к обрушению деревьев и изменению экосистемы [25]. Один из факторов, влияющих на теплофизическое состояние и деградацию многолетнемёрзлых грунтов, -изменчивость параметров снежного покрова. Цель настоящей работы - проанализировать пространственную и временную изменчивость термического сопротивления снежного покрова для ряда метеостанций (ГМС) Красноярского края и Якутии, а также оценить влияние термического сопротивления снежного покрова на глубину промерзания почвогрунтов и деградацию многолетнемёрзлых пород.

Влияние снежного покрова на промерзание грунта

Снежный покров - важный фактор взаимодействия в системе атмосфера - поверхностные покровы - подстилающее основание. Обзор работ по влиянию снежного покрова на под-

стилающее основание дан в работе [15]. К одной из существенных причин, способствующих активизации опасных природных процессов и снижению несущей способности оснований, относится изменение условий снегонакопления в районах распространения многолетней мерзлоты, вызванное, в частности, антропогенным воздействием. В населённых пунктах происходят техногенное перераспределение и уплотнение снега, в результате чего изменяются температура грунта и глубина сезонного промерзания и протаивания пород. Так, натурные наблюдения показали [8], что в ходе инженерной подготовки территории (уплотнение и уборка снега) в течение двух-трёх лет формируются линзы мёрзлого грунта толщиной до 2 м. В то же время устройство газонов с травяной и кустарниковой растительностью способствует накоплению рыхлого снега, под которым глубина сезонного промерзания грунтов значительно снижается.

Изменчивость толщины снежного покрова на небольшой территории как в силу естественных причин, так и в результате техногенных процессов при освоении территории сильно различается, тогда как температура воздуха на локальной территории меняется незначительно. Изменение теплового потока в системе атмосфера—поверхностные покровы—подстилающее основание при потеплении климата может приводить к образованию и росту таликов и, как следствие, к деградации многолетней мерзлоты. Установлено, что повышение среднегодовой 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 [16]. Численные эксперименты показали [13], что только за счёт изменчивости теплофизических параметров снежного покрова расчётная глубина промерзания грунтов может отличаться в несколько раз. К основным параметрам снежного покрова, влияющим на теплообмен, относятся толщина снежного покрова Н!1 и его плотность рг Значение последнего в значительной степени определяет величину коэффициента эффективной теплопроводности снега В качестве комплексного теплофизического параметра снежного покрова, определяющего его теплоизоляционную способность, выступает термическое сопротивление — отношение толщины снежного покрова к коэффициенту эффективной теплопроводности снега: Я5 = И8/Х5. Оценим влияние термического сопротивления снежного покрова на промерзание грунта. Чтобы определить его, приведём глубину промерзания

грунта, измеренную на разных ГМС, к единой температуре воздуха. С этой целью получены расчётные кривые глубины промерзания при разных параметрах снежного покрова и температурах воздуха.

Исходные данные для расчётов

Для получения расчётных кривых применялось математическое моделирование [13]. Параметры грунта принимались в соответствии со СНиП 2.02.04—88 [19]. Расчёты проводились для суглинка с плотностью 1400 кг / м3. При влажности суглинка 25% коэффициенты теплопроводности мёрзлого суглинка Ау и его объёмная теплоёмкость су приняты равными соответственно 1,51 Вт/ (м-К) и 2,06-106 Дж/(м3-К), а для талого суглинка

= 1,33 Вт/ (м-К) и с(к = 2,78'106 Дж/(м3-К). При влажности 35% принятые значения составляют: Ау и соответственно 1,66 и 1,57 Вт/(м-К), а су и с(к — соответственно 2,35-106 и 3,35-106 Дж/(м3-К). Среднеширотные значения интенсивности суммарной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность в равнинных районах России, приняты по данным работы [18]. При отрицательных температурах воздуха значение альбедо снежного покрова принималось равным 0,8, в период таяния — 0,5, а при отсутствии снега — 0,2.

Расчёты проводились для условий ГМС Байкит Красноярского края. Сумма отрицательных температур воздуха ЪТа для этой метеостанции составляет -4020 °С. Суточная температура воздуха за периоды с положительной и отрицательной температурой аппроксимировалась зависимостью вида

Та = Т 8ш(пт/ттах) + 273,

где Т = Ттах или Тт|п; Т - текущее время; Ттах -продолжительность соответствующего периода.

Значения Ттах и Гт1п определялись по формулам Ттах = пТУ2 и Ттт = пТ//2, где Т1Ь и Т/ - соответственно средние значения температуры за периоды с положительной и отрицательной температурой воздуха. Для ГМС Байкит значения Ту и Т1к равны соответственно -19,0 и 10,3 °С. Продолжительность холодного периода принята равной 220 суткам. При расчётах задержка времени начала снегонакопления по отношению к моменту установления отрицательных среднесуточных температур воздуха тл0 принималась равной восьми суткам. Температура выпадающего снега считается одинаковой с температурой воздуха.

Толщина и плотность снежного покрова для ГМС Байкит брались по данным Научно-прикладного справочника по климату СССР [11]. Коэффициент эффективной теплопроводности

снега рассчитывался в зависимости от его плотности р, по формуле [14]

X,=9,16510-2 - 3,81410-4рд + 2,905-10-6р/, Вт/(м-К),

полученной путём обработки более 20 известных из литературы эмпирических зависимостей. При расчётах скорость ветра принималась равной 7 м/с, влажность воздуха — 70%, облачность — 0,6. Количество незамёрзшей воды на границе мёрзлой и талой зоны суглинка считалось равным 11%. Температура грунта к началу промерзания, полученная в результате предварительных расчётов, задавалась по параболической зависимости с максимальным значением 2 °С на глубине 2,5 м и 0 °С на глубинах 0 и 5 м (среднее значение 1,3 °С).

Результаты расчётов

Результаты расчётов глубины промерзания грунта в зависимости от суммы отрицательных температур воздуха при разной толщине снежного покрова и разном термическом сопротивлении даны на рис. 1. Из него видно, что при термическом сопротивлении 3,29 м2- К/ Вт и увеличении суммы отрицательных температур в 3,3 раза (от -1000 до -3300 °С) глубина промерзания увеличивается в 2,2 раза. Приблизительно такой же рост глубины промерзания (в 2 раза) наблюдается в случае уменьшения втрое термического сопротивления (с 4,93 до 1,64 м2-К/Вт) при сумме отрицательных температур -3300 °С.

Сравнение натурных данных по влиянию снежного покрова и его термического соп

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.

Показать целиком