Специфические факторы

При освоении территории восточной части Европейского севера России приходится считаться со следующими специфическими факторами: особым режимом снежных отложений в черте застройки и утепляющим влиянием грунтовых вод.

Кроме сурового ветрового режима, для климата этого района характерно большое количество осадков: зимних — 420 мм, среднее за год 680 мм. Максимальная скорость ветра и минимальное число штилей приходятся на зимние месяцы. Зимой ветры со скоростью 5-7 м/сек и более вызывают метели. Число дней с метелями составляет 40% холодного периода. Поземки и метели вызывают значительный перенос снега. Так, например, по наблюдениям Г.Л. Крюкова, в бассейне р. Воркуты ветровая миграция снега распространяется от северной границы лесотундры до Полярного Урала. Естественно, что в этих условиях застроенная территория, являясь искусственной преградой на пути миграции снега, подвержена большой снегозаносимости.

Снегомерной съемкой, проведенной зимой 1954/55 г. в одном из рабочих поселков комбината "Воркутауголь" и зимой 1958/59 и 1964/65 гг. в Воркуте, установлено, что количество снега на застроенной территории на 50-60% больше, чем на равновеликой площади в открытой тундре. Наблюдается увеличение снегоотложений от периферии города к центру. Так, зимой 1958/59 г. приведенная высота слоя воды в запасах снега составила: в центре города 243 мм, на периферии 195 мм, в тундре 152 мм.

Распределение снега по застроенной территории происходит крайне неравномерно. Во дворах и на бульварах Воркуты высота снежного покрова больше, чем в естественных условиях тундры, а улицах и площадях меньше. Однако магистрали занимают всего 15-20% территории города, и поэтому в целом теплозащитная роль снежного покрова в черте застройки больше, чем в тундре. Этому способствует также меньшая, чем в тундре, плотность снежного покрова. Плотность снега зависит от режима ветров, поэтому изменение режима вызывает изменение плотности снега, что и отмечается в Воркуте.

Повышенное снегонакопление на застроенной территории приводит к изменению температуры грунтов, особенно существенному в районах распространения высокотемпературных многолетнемерзлых пород.

Температура дневной поверхности (t_д.п) зависит от свойств поверхности. Максимальная температура наблюдается над асфальтовыми покрытиями, минимальная - над поверхностью с растительным покровом.

Значения температуры дневной поверхности (по данным А.В. Павлова и В.М. Горбачевой) приведены ниже:

Характер поверхности температура дневной поверхности, ⁰С

Площадка с растительным покровом............................ -5,7

Оголенный грунт............................................................. -5,4

Оголенный грунт, зачерненный угольной пылью.........-4,6

Бетонированная площадка...............................................-4,7

Асфальтированная площадка.......................................... -4,1

В результате инженерной подготовки поверхности температура дневной поверхности в районе Воркуты изменяется от минус 5,7⁰ (площадка с растительным покровом) до минус 4,1⁰ (асфальтированная площадка).

Практический интерес представляет определение влияния инженерной подготовки поверхности на температурный режим грунтов. Допустим, что высота снежных отложений на территории застройки одинакова. Рассмотрим два крайних случая: площадка с растительным покровом (t_д.п. = -5,7 ⁰С) и площадка с асфальтовым покрытием (t_д.п. = -4,1 ⁰С).

В условиях Воркутинского района критическая мощность снежного покрова изменяется от 25 см (асфальтированная площадка) до 45 см (естественная тундра). Устройство асфальтовых покрытий по влиянию на среднюю годовую температуру поверхности грунта равнозначно увеличению средней за зиму мощности снежных отложений на 20 см. Высота снежных отложений в Воркутинском районе за многолетний период составляет 30 - 35 см. При данных условиях под асфальтовыми покрытиями глубина сезонного промерзания должна быть меньше глубины залегания верхней границы многолетнемерзлых пород. В действительности же под асфальтовыми и бетонными покрытиями отмечается, напротив, повышение верхней границы вечномерзлых пород и понижение температуры грунта. Это объясняется тем, что указанные покрытия расположены на участках городской территории, где снежный покров или отсутствует или сильно уплотнен (улицы, площади). Если мощность снежного покрова остается неизменной или увеличивается, инженерная подготовка поверхности в условиях Воркуты вызывает повышение температуры грунта. Так, например, после проведения на территории центрального бульвара города планировочных работ и мелиоративных мероприятий верхняя граница вечномерзлых пород, по наблюдениям И.Н. Горчакова, опустилась на 5-6 м.

В результате инженерной подготовки поверхности, а также вследствие повышенного снегонакопления глубина летнего протаивания в черте застройки увеличивается. Контрольным бурением на глубину 3 м в пределах территории г. Воркуты, где до застройки наблюдалось слияние слоя сезонного промерзания-протаивания с вечномерзлыми грунтами, было отмечено опускание верхней границы мерзлых пород. Из 13 скважин только 3 скважины, расположенные на проезжей части улиц, достигли мерзлых грунтов. Глубина летнего протаивания под улицами составляла 1,5-1,8 м.

Глубина сезонного протаивания грунта на застроенной территории увеличивается не только под влиянием повышения снегонакоплении, но и в результате сокращения периода весеннего снеготаяния. Установлено, что в районе Воркуты в границах освоенной территории снежный покров весной полностью сходит на 2-3 недели раньше, чем за ее пределами. Одной из причин ускоренного снеготаяния в зоне промышленного освоения является загрязнение поверхности снега угольной и породной пылью, уменьшающее альбедо снежной поверхности.

В 1958 и 1959 гг. Л.Н. Хрусталевым, Ю.Т. Уваркиным и С.С. Нечаевым были проведены специальные наблюдения за ходом изменения запыленности снежного покрова в направлении от центра промышленной зоны и далее за ее пределами. Эти наблюдения, уточненные затем аэровизуальной съемкой, позволили составить схематическую карту запыленности снежного покрова (рис. 2.2.3). На карте выделены три зоны различной запыленности снега.

1. Зона максимальной запыленности распространяется не далее 5-6 км от источников пылевыделения. Она включает в себя территорию города, поселков, шахтных площадок и узкие (200-300 м) полосы вдоль железных дорог. Содержание пыли в пробах в 0,5 дм³достигает нескольких граммов. Альбедо поверхности, как правило, меньше 35%.

2. Зона средней запыленности распространяется от 5-6 до 25 км от источников пылевыделения. Содержание пыли в 0,5 дм³снега колеблется от 10 до 50 мг. Альбедо снежного покрова — от 54 до 67%.

3. Зона минимальной запыленности распространяется далее 25 км от источников пылевыделения. Внешняя ее граница аэровизуальными наблюдениями не прослеживается. Содержание пыли не превышает долей миллиграмма. Альбедо снежной поверхности колеблется от 77 до 90%.

Загрязненный снег поглощает примерно вдвое больше тепла, чем чистый. В связи с этим в зоне максимальной запыленности весной создаются условия для ускоренного снеготаяния, в то время как в зоне минимальной запыленности сплошность снежного покрова остается ненарушенной.

Рис. 2.2.3. Схематическая карта запыленности снежного покрова в районе г. Воркуты. 1 — зона максимальной запыленности; 2 — зона средней запыленности; 3 — зона минимальной запыленности

Другим фактором более раннего по сравнению с тундрой схода снежного покрова в черте застройки служит большая неравномерность распределения его по застроенной территории. Известно, что таяние снежного покрова находится в зависимости от характера его залегания. При равномерном залегании снежного покрова таяние происходит относительно медленно; после появления первым проталин интенсивность таяния быстро возрастает, так как темная поверхность проталин нагревается значительно сильнее, чем поверхность снега, и теплый воздух, нагретый над проталинами, способствует быстрейшему таянию снежного покрова.

Неравномерность залегания снега в черте застройки усугубляется еще весенней уборкой его с проезжей части улиц. Образовавшиеся в результате этого свободные от снега участки увеличивают скорость схода остальной части снежного покрова.

Таким образом, в городе действуют три фактора, уменьшающие период снеготаяния: запыленность, неравномерное залегание и весенняя уборка снега, причем трудно сказать, какой из этих факторов играет первостепенную роль. Существует объяснение, что снег, имеющий много механических примесей, сходит позднее, чем чистый снег. Пыль, нагреваясь быстрее снега и погружаясь в его толщу, делает поверхность снега ноздреватой и более рыхлой, тем самым, увеличивая термическое сопротивление снежного покрова. Действительно, иногда приходится наблюдать, что загрязненный снег тает позднее, чем снег чистый. По-видимому, существует какая-то оптимальная величина запыленности, выше которой запыленность начинает удлинять период снеготаяния. В значительной степени она зависит от характера весны. При солярном типе весны критический уровень запыленности больше, а при адвентивном типе - меньше.

Для определения влияния более раннего схода снежного покрова на температуру грунтов нами был произведен анализ температурного режима грунтов на двух опытных площадках Геофизического поля Северного отделения НИИ оснований в период весеннего снеготаяния (с 6 по 29 мая). С первой площадки снежный покров был удален, вторая оставалась в естественном состоянии. Средняя суточная температура воздуха большую часть этого периода была ниже 0°. Однако вследствие повышенной инсоляции первая площадка получила за указанное время в три раза больше тепла, чем вторая. Аналогичное явление отмечалось и в других районах Европейского Севера России. Так, например, исследования, проведенные Союзморпроектом в г. Амдерме, показали, что грунт начинает протаивать даже раньше, чем средняя суточная температура воздуха станет устойчиво положительной.

Таким образом, связанное с хозяйственным освоением территории уменьшение периода весеннего снеготаяния увеличивает поступление в грунт тепловой энергии; это в свою очередь ведет к повышению температуры поверхности и к увеличению глубины сезонного протаивания грунтов.

Другим специфическим фактором являются грунтовые воды. В районах, где вечномерзлые толщи имеют высокую температуру ирасчленены таликами, даже незначительное увеличение глубины сезонного протаивания может вызвать резкое изменение во взаимодействии подземных вод с мерзлой толщей (Порхаев, Щелоков, 1961). В южных районах области вечномерзлых пород повсеместно распространенные талики являются коллекторами грунтовых вод. Перемещаясь в протаявшем слое, грунтовые воды усиливают процессы переноса тепла, вызывая дополнительное протаивание мерзлых пород. Характерным примером могут служить следующие цифры, относящиеся к Воркутинской мульде. На западном крыле мульды, где подмерзлотные воды были встречены почти во всех разведочных скважинах, мощность вечномерзлой толщи составляет от 40 до 80 м. На восточном же крыле, где подмерзлотные воды были обнаружены не более чем в 8% всех бурившихся скважин, мощность вечномерзлых пород равна 130 м. Большое влияние на протаивание мерзлых грунтов на застроенной территории оказывают также надмерзлотные воды, особенно при дополнительном нагревании их в основании зданий и у подземных коммуникаций. При протаивании мерзлых пород на застроенной территории образуются новые коллекторы грунтовых вод и появляются новые пути их фильтрации. В городе надмерзлотные воды имеют более высокую температуру, чем в естественных условиях. Так, например, в грунтах основания здания родильного дома в г. Воркуте были встречены грунтовые воды с температурой 27°. За 10 лет эксплуатации здания, построенного по принципу сохранения грунтов в мерзлом состоянии, под ним образовалась чаша протаивания глубиной 15 м. Было отмечено, что скорость опускания верхней границы вечномерзлых грунтов под зданием не только со временем не затухает, а напротив, увеличивается. Это на первый взгляд аномальное явление объясняется наличием грунтового потока, который, нагреваясь возле заглубленных в грунт вводов теплофикации и канализации, поступает в основание здания и утепляет его. В результате такого процесса здание деформировалось.

Тепловое влияние грунтовых вод прежде всего проявляется в сезоннопротаивающем слое, являющемся коллектором атмосферных осадков и вмещающем большую часть тепловыделяющих коммуникаций города. Грунты сезоннопротаивающего слоя в pайоне Воркуты большей частью представлены пылеватыми покровными суглинками и суглинками верхней и нижней морены. До последнего времени эти грунты считались практически водонепроницаемыми и конвективный теплообмен в них при теплотехнических расчетах не учитывался. Однако по данным Л.Н. Хрусталева установлено, что в условиях естественного залегания коэффициент фильтрации этих грунтов на два-три порядка выше коэффициента фильтрации тех же грунтов с нарушенной структурой. Это объясняется тем, что при протаивании высокольдистых верхних слоев вечномерзлой толщи грунт частично сохраняет свое криогенное строение, и на месте вытаивающих линз и прослоек образуются макропоры, по которым может перемещаться грунтовая вода.

Повышенная фильтрационная способность пылеватых суглинистых грунтов слоя сезонного протаивания служит существенным фактором в процессе формирования теплового и влажностного режима сезоннопротаивающего слоя и подстилающей толщи вечномерзлых пород.

Тепловое воздействие грунтовых вод на высокотемпературные (выше минус 1⁰) мерзлые основания в ряде случаев настолько велико, что приводит к глубокому дополнительному протаиванию грунтов в основании сооружений. К сожалению, величина этого протаивания, зависящая в первую очередь от фильтрационного расхода и температуры воды, пока не поддается количественному учету. В то же время факты показывают, что температурные изменения в грунтах оснований инженерных сооружений, происходящие под действием грунтовых вод, часто бывают более существенными, чем обусловленные кондуктивными потоками тепла непосредственно от самого сооружения. Там, где имеются грунтовые воды, сооружения, как правило, деформируются. Поэтому при проектировании и строительстве инженерных сооружений необходимо предусмотреть различные конструктивные мероприятия в виде дренажей, отмосток, мерзлотных поясов, которые ликвидируют возможность обводнения оснований сооружений грунтовыми и поверхностными водами.

Изучение опыта освоения территорий в криолитозоне показывает, что, если при определении среднеинтегральной температуры учесть также ее зависимость от естественной и техногенной динамики климата, то эта температура становится надежным показателем направленности мерзлотного процесса в природно-техническом комплексе. Искусственно воздействуя на формирование среднеинтегральной температуры с помощью экстенсивных и интенсивных факторов, можно управлять тепловыми процессами в системах. Геофизические процессы, протекающие в ПТК, и их результаты по П.Ф. Швецову определяются экстенсивными и интенсивными факторами воздействия. К экстенсивным относятся площади контактов теплоисточников или стоков тепла с ММП; к интенсивным — температура контакта или величина теплопотока.

Рассмотрим экстенсивные факторы — площади контактов. Они определяются балансом элементов застроенной территории (структурой застройки). Например, если мы имеем дело с жилой застройкой, то ее элементами являются: здания, подземные коммуникации, транспортные магистрали и автостоянки, пешеходные пути, хозяйственные площадки, зеленые насаждения, зоны рекреации. Площади контактов этих элементов с поверхностью фунта образуют многочисленные источники и стоки тепла. К первым относятся площади, занимаемые зданиями, построенными по принципу II, подземными коммуникациями и зелеными насаждениями (зеленые насаждения в черте застройки аккумулируют снег, который оказывает отепляющее воздействие на ММП). Ко вторым – площади, занимаемые зданиями, построенными по принципу I, транспортными магистралями, автостоянками, пешеходными путями, и любые другие поверхности, с которых убирается или сдувается снежный покров.

Управлять экстенсивными факторами можно, изменяя в пределах градостроительных требований и экономической целесообразности структуру застройки за счет плотности зданий, дорог, инженерных сетей, и соотношения площадей, подлежащих мелиорации (осушению, засыпке крупноскелетным материалом, озеленению, снегоуборке). Согласно градостроительным требованиям плотность зданий в черте жилой застройки можно изменять от 18 до 24%. В то же время, если здания возводятся по принципу II, их критическая плотность (под критической понимается плотность теплоисточников, обусловливающих деградацию ММП с разрывом сплошности) составляет 6% в районе Воркуты и 17% в районе Якутска.

Большими возможностями обладают методы регулирования с помощью интенсивных факторов. В пределах территории, занимаемой зданиями, это производится путем назначения определенного принципа строительства или определенного сочетания принципов строительства. Целесообразность регулирования теплового режима фунтов на застраиваемой территории зависит главным образом от мерзлотно-грунтовых условий и назначения сооружения, выбор принципа строительства позволяет изменять температуру поверхности грунта в большом диапазоне, границы которого определяются среднегодовой температурой наружного воздуха и воздуха в помещении. При этом ограниченность подобного регулирования неизбежна. Методы расчета среднегодовой температуры поверхности грунта под зданиями приводятся в монографиях Г.В. Порхаева (1970) и Л.Н. Хрусталева (2005).

Влиянием подземных коммуникаций на ММП управляют путем назначения их способов прокладки (траншейная, канальная) и применением теплоизоляторов. Широкое распространение получила прокладка санитарно-технических систем в проходном вентилируемом канале. В этом случае среднегодовая температура грунта в полосе прокладки канала становится близкой к нулю градусов.

Мелиорация территории служит одним из мощных средств воздействия на температуру поверхности грунта. Здесь главным является регулирование режима снегонакопления. За счет указанного мероприятия можно понизить температуру поверхности грунта на 4 — 6 ⁰С.

В последние годы в составе работ по мелиорации грунтов широко применяется устройство подсыпок из крупноскелетных материалов. Их влияние на температуру поверхности неоднозначно и может приводить как к растеплению, так и к охлаждению грунтов. В то же время сочетание крупноскелетных подсыпок с горизонтальными парожидкостными термосифонами (охлаждающие подсыпки) дает глубокое охлаждение грунтов, температура которых становится соизмеримой со среднезимней температурой наружного воздуха. Новые конструкции термосифонов, предложенные Г.М. Долгих и др., имеющие длину подземного теплообменника до 500 м, позволяют применять охлаждающие подсыпки не только под отдельными зданиями и сооружениями, но и под застройкой в целом, например, в пределах всей территории установки комплексной подготовки газа (УКПГ), площадки кустового бурения, резервуарного парка и т.д.

Таким образом, арсенал технических средств и способов воздействия на формирование среднеинтегральной температуры в пределах ПТК достаточно велик и может обеспечить ее значения в широком диапазоне.

Литература

Порхаев Г.В., Щелоков В.К. Влияние застройки на термовлажностный режим многолетнемерзлых грунтов // Мат-лы к основам учения о мерзлых зонах земной коры. Вып. 7. М.: Изд-во АН СССР, 1961. С. 13-20.

Порхаев Г.В. Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с вечномерзлыми грунтами. М.: Наука, 1970. 208 с.

Хрусталев Л.Н. Температурный режим вечномерзлых грунтов на застроенной территории. М.: Наука, 1990. 353 с.

Хрусталев Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне: Учебник. М.: Изд-во МГУ. 2005. 542 с.