АНАЛИЗ МНОГОАСПЕКТНОГО ВЛИЯНИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙНА БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОДОРОЖНОЙ СЕТИ КРИОЛИТОЗОНЫ РОССИИ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 625.042+551.583

Анатолий Николаевич Якубович, доктор технических наук, профессор кафедры автоматизированных систем управления, ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» e-mail: [email protected]

Ирина Анатольевна Якубович, доктор технических наук, профессор кафедры эксплуатации автотранспортных средств и автосервиса, ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» e-mail: [email protected]

АНАЛИЗ МНОГОАСПЕКТНОГО ВЛИЯНИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ НА БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОДОРОЖНОЙ СЕТИ КРИОЛИТОЗОНЫ РОССИИ

Климатические изменения на территории России, в частности, прогнозируемое воздействие потепления климата на объекты автотранспортной инфраструктуры, имеют ряд отрицательных последствий. На основании анализа информационных источников показано, что изменение климата является фактом, наблюдаемым уже в настоящее время и уверенно прогнозируемым в будущем. Применительно к криоли-тозоне России основные климатические риски для автодорожной сети заключаются в дополнительном оттаивании грунта в основании дорог, что вызывает осадку дорожного профиля, деформирование дорожного полотна и снижение безопасности эксплуатации. Эти факты подчеркивают актуальность и высокую практическую значимость моделирования климатических рисков автодорожной инфраструктуры в условиях изменения климата.

Целью настоящего исследования, реализованного методами математического моделирования, является количественная оценка риска нарушения функциональности автодорожной сети на территории криолитозоны России.

На основе норм проектирования, действующих в отношении оснований на вечномерзлых грунтах, выполнено моделирование величины дополнительного оттаивания с учетом изменения различных климатических параметров: температуры воздуха, средней высоты снегового покрова, продолжительности периода отрицательных температур, контрастности климата. Показано, что при превышении уровня потепления воздуха более чем на 1 °C, а также при возможном совместном неблагоприятном изменении нескольких климатических параметров, избыточное оттаивание основания автодорог превышает 10 %, что свидетельствует о значимом риске нарушения ее функциональности. Песчаные грунты при этом характеризуются более плавной зависимостью риска нарушения функциональности от климатических параметров, чем глинистые грунты, для которых возможно резкое возрастание просадок.

Результаты моделирования позволяют судить о высокой степени риска, обусловленного сверхнормативным оттаиванием грунта, и о необходимости прогнозирования глубины оттаивания грунтов в основаниях автодорог при различных проявлениях ожидаемого изменения климата.

Ключевые слова: автодорожная сеть, изменение климата, моделирование рисков.

1. Введение

Парижское соглашение (2015), заключенное в рамках Конвенции ООН об изменении климата, предусматривает удержание роста глобальной средней температуры воздуха на уровне, не превышающем +2 °С, и всемерные усилия по ограничению этого роста величиной +1,5 °С. Соответственно, прогнозируемое изменение климата, по крайней мере, в указанных границах, является общепризнанным фактом и нуждается во всесторонней оценке своего влияния на объекты инженерной, в том числе автотранспортной, инфраструктуры.

Территории распространения вечномерзлых и многолетнемерзлых грунтов являются наиболее уязвимыми к систематическому потеплению воздуха. Наблюдаемые уже в настоящее время климатические тенденции свидетельствуют, например, о существенном сокращении сроков зимней

эксплуатации временной дорожной сети в Якутии [3], обусловленных, в том числе, продолжающейся деградацией вечномерзлого слоя грунта, сопровождаемой возрастанием глубины его сезонного оттаивания [1, 4]. Прогнозные оценки климатических изменений на территории России подтверждают общую тенденцию потепления климата; в то же время, территориальное проявление этой тенденции весьма неравномерно, и на отдельных территориях в последние 10 лет фиксируется обратный тренд - на понижение средних температур [2].

Прогнозируемое воздействие потепления климата на объекты автотранспортной инфраструктуры является негативным. В работе [8] показаны основные климатические риски, ожидаемые в отношении транспортных систем: повышение количества циклов замерзания и оттаивания строительных материалов; размягчение покрытий с битумными со-

ставляющими в экстремально жаркие летние дни; снижение безопасности движения при наличии чрезмерных осадков. Возможные несоответствия конструктивных параметров объектов изменившимся условиям их эксплуатации показаны в [10]. Экологическое влияние транспортного комплекса в зависимости от состояния климата рассмотрено в [7].

В работе [6] в качестве основного параметра, обуславливающего величину климатических рисков в отношении автодорожной сети, принята глубина дополнительного оттаивания грунта в основании автодороги. Количественное определение данного параметра представляет собой информационно-сложную задачу [5] и решается с использованием эффективных алгоритмов статистического моделирования [9]. По полученным результатам моделирования можно судить о высокой степени риска, обусловленного сверхнормативным оттаиванием грунта, и о необходимости прогнозирования глубины оттаивания

грунтов в основаниях автодорог при различных проявлениях ожидаемого изменения климата.

2. Методика анализа

В соответствии с нормами проектирования, действующими по отношению к основаниям и фундаментам на вечномерзлых грунтах, глубина сезонного оттаивания грунта dth определяется на основании численного решения системы уравнений (1). Грунтовые условия, определяющие, в том числе, значения параметров из (1), описывались следующими показателями:

- тип грунта (песок, супесь, суглинок, глина) и плотность его скелета р;

- степень засоленности Dsal и тип засоления (при его наличии);

- показатели влажности: суммарная между ледяными включениями Жт, на границе пластичности (для глинистых грунтов), суммарная льдистостьI

л (гг\ Р^11 (Ть,с Ты) , й а (То ) = '1-+

/ \2 о.

То ( й ъ ) =

8760

(Тт - Т, )^ + Кй,

йл

2Х

2Цл

V 1

- + Я

+ Т

ъ,

о (Т0 ) =

0,25--

V

Л,с

3600

(То - Тъ,)

д1 (Т ) = К+(7500 - 0,1 )[с* (Т1,с - Тъг) - С (Т - Ты)]

(1),

где Т0 - средняя температура грунта, °С; и - коэффициент теплопроводности грунта в талом и мерзлом состоянии; Т4с, Т{т и ТЪ{ - температура грунта на поверхности в летний период, средняя температура воздуха в зимний период и температура замерзания грунта соответственно, °С; и - расчетные периоды положительных и отрицательных температур, часов; L - объемная теплота замерзания (таяния) грунта, Дж/м3; ^ -безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от типа грунта; С{ и Са - объемная теплоемкость грунта в талом и мерзлом состоянии, Дж/ (кг-°С).

При моделировании состояния климата использовался среднестатистический год, не соответствующий какому-либо определенному календарному году, но хорошо отражающий общие климатические тенденции на территории. Текущее состояние климата описывалось на основе многолетних данных инструментальных наблюдений для рассматриваемой территории; прогнозное состояние задавалось изменением значений некоторых

современных параметров. Основными климатическими показателями, учитываемыми при определении глубины оттаивания грунта, являлись:

- средняя температура воздуха зимой Т{т и летом Т, , °С;

- продолжительность периода отрицательных температур ({т, часов;

- среднезимняя высота снежного покрова ds, м, и его объемный вес р , т/м3.

3. Результаты численного моделирования

Моделирование глубины оттаивания грунта осуществлялось для различных сочетаний температурных параметров, характеризующих современное состояние климата (таблица 1).

При моделировании рассматривалось четыре варианта климатических изменений. В первом варианте предполагалось равномерное, в течение всего среднестатистического года, повышение температуры воздуха ДТ на величину до +2 °С. Остальные климатические параметры предполагались неизменными. Результаты, полученные для песча-

Таблица 1. Координаты точек моделирования и их температурно-климатические характеристики

№ п/п Название Координаты Температурные характеристики

В L т о £ш> т о и , часов

1 Омсукчан 62,52 155,79 -21,9 +7,1 5616

2 Омолон 65,23 160,54 -25,2 +7,1 5568

3 Волочанка 70,97 94,57 -21,0 +7,1 6048

4 Хатанга 71,97 102,50 -22,2 +6,7 6120

5 Дудинка 69,41 86,18 -19,0 +8,0 5928

6 Игарка 67,47 86,60 -22,0 +9,8 5592

7 Верхоянск 67,55 133,39 -30,6 +8,8 5472

8 Вилюйск 63,75 121,63 -23,7 +11,2 5112

9 Саскылах 71,96 114,09 -22,7 +7,1 6179

а)

5, % 10 ■■

б)

1, 2, 3, 4, 9

5- Т\.

5, % 10 ■■

5 ■■

1, 2

3, 4, 5, 9

°с

°с

в)

5, %

г)

2 ДГ, °С

5, % 10 ■■

5 ■■

2

3 V

5, 7

2 АТ,°С

Рисунок 1. Увеличение мощности сезонно-талого слоя с1 при равномерном повышении температуры воздуха в течение всего среднестатистического года: а), б) - песчаный грунт, влажность ^ =15 % и 30 %; в), г) - глинистый грунт, ^о = 35 % и ^о = 50 %.

ного и глинистого грунтов при низком и высоком содержании в них влаги, показаны на рисунке 1.

Второй вариант климатических изменений предусматривал вариативность высоты снегового покрова Д z в диапазоне ± 30 см (но не менее 0 см); результаты приведены на рисунке 2. Таким образом, были рчтены как возможность более интенсивного таяния снега (при повышении температуры

воздуха), что соответствовало значениям Дz < 0, так и увеличение интенсивности осадков, в том числе зимних, при потеплении климата (Дz > 0).

При третьем варианте рассматривалось сокращение продолжительности периода отрицательных температур на величину Д1 < 1 5 % (рисунок 3).

Четвертый вариант климатических изменений характеризовался повышением контрастности

а)

6, % 10 ■5 ■■ 0 ■■

-5 -Р—+

\ '

6 V.

н—н

б)

1, 2, 5, 7

3, 4, 9

-30 -15 0 15 30 Дг

6, % 10 ■-

1, 2, 7 3, 4 \/

см

-30 -15 0 15 30 Дг

см

в)

6, % 10 ■■

5 ■■

О -

1, 2, 3.

г)

-5

-30 -15 0 15 30 Дг

см

6, % 10 ■■

5 ■■

О ■■

-5

-30 -15

Дг, см

Рисунок 2. Изменение мощности сезонно-талого слоя в зависимости от средней высоты снежного покрова: а) - г) см. рисунок 1.

климата при сохранении среднегодовой температуры на текущем уровне. При этом в зависимости от повышения летней температуры воздуха на величину ДТ определялось соответствующее понижение температуры в зимний период. Продолжительность периода отрицательных температур не изменялось. Результаты моделирования приведены на рисунке 4.

4. Обсуждение

По результатам численного моделирования, для песчаных грунтов с низкой влажностью глубина дополнительного оттаивания грунта при всех рассмотренных вариантах изменения климата описывается соотношениями, близкими к линейным. Отступление от линейного закона, заметное в области Дz < 0 на рисунке 2а, объясняется полным исчерпанием снегового покрова. При наличии грунтов данного типа в основании автодороги можно ожидать также равномерного, без скачкообразных изменений, нарастания риска нарушения функциональности дороги при усилении проявлений изменения климата.

С увеличением влажности песчаного грунта глубина дополнительного оттаивания, а, соответст-

венно, и климатические риски, изменяются слабо. При этом с ростом влажности грунта можно наблюдать как возрастание риска (Омсуачан, Омолон), так и его снижение (в климатических условиях ВНудинки при увеличении снегового покрова на 30 см глубина оттаивания влажного грунта меньше в 2,5 раза).

При повышении температуры воздуха на +1 °С дополнительное оттаивание песчаного основания автодороги ожидается на уровне 4-5 %, что можно считать относительно невысоким риском. Дополнительное оттаивание при +2 °С (7-11 %) сопряжено уже с заметным риском нарушения функциональности дороги.

Глинистые грунты отличаются значительно более явной зависимостью глубины дополнительного оттаивания от температурно-климатических особенностей территории и в целом нелинейным характером зависимости оттаивания от величины изменения климатического параметра, что особенно отчетливо видно на рисунках 1в, 1г, 2в, 3в, 3г. Нелинейность в данном случае порождает дополнительные риски резкого снижения эксплуатационных качеств автодорожной сети при сравнительно незначительных климатических изменениях. В ана-

Рисунок 3. Изменение мощности сезонно-талого слоя при сокращении периода отрицательных температур: а) - г) см. рисунок 1.

логичных температурных условиях, для глинистых грунтов сверхнормативное оттаивание, а значит и климатический риск нарушпния функциональности дороги, несколько больше, чем для песчаных. При этом необходпмо отметить, что осадка оттаявшего глинистого грунта больше, чем песчаного, что также способствует увеличению риска. С увеличением влаоптости в глинистых грунтах наблюдается неко -торое снижение дополнительного оттаивания, что объясняется сравнительнп большой теплоемкостью влаги, поглощающей значительную часть поступающего тепле и тем самым смягчающей последствия потепления климата.

Продолжение настоящего исследования наиболее целесообразно в направлении выявления количественных зависимостей, связывающих величину ожидаемого риска с глубиной дополнительного оттаивания в новых климатических условиях. Таким образом, станет возможно оценивать климатические риски в стоимостной форме, что, в свою оче-

редь, послужит основой для оптимизации перечня и объемов инженерно-технических мероприятий, направленных на своевременное предупреждение чрезмерных рисков нарушения функциональности автодорожнойсети криолитозоны России.

5. Выводы

В пределах рассмотренных территорий крио-литозоны России предельная величина повышения температуры воздуха, при которой риски нарушения эксплуатации автодорожной сети можно считать приемлемыми, составляет +1 °С При повышении температуры сверх этого уровня, а также при дополнительных проявлениях потепления климата (изменение снегового покрова, сокращение продолжительности зимнего периода) прогнозируются неприемлемо большие риски нарушения функциональности, которые должны быть своевременно предупреждены соответствующими инженерно-техническими мероприятиями.

а)

5, % 8 +

2, 3, 4, 9

б)

-2-1012 ДТ, °С

5, % 8

-4 ■

-8

1, 2, 3, 4, 9 5, 7 V

-2-1012 ДТ, °С

в)

5, % 8 +

г)

1, 2, 3,4

5, 6, 7

2 ДТ, °С

5, % 8

1, 4

5, 7 6

8

2 ДТ, °С

Рисунок 4. Изменение мощности сезонно-талого слоя при повышении контрастности климата: а) -г) см. рисунок 1.

Литература

1. Анисимов, О.А. Вероятностно-статистическое моделирование мощности сезонноталого слоя в условиях современного и будущего климата / О.А. Анисимов // Криосфера Земли. - 2009. - Т. XIII. -№ 3. - С. 36-44.

2. Груза, Г.В. Вероятностная оценка наблюдаемых и ожидаемых изменений климата Российской Федерации: температура воздуха / Г.В. Груза, Э.Я. Ранькова // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем.-2011. - Т. 24. - С. 43-70.

3. Егорова, Т.П. Влияние климатических изменений на функционирование транспортной системы в Арктических районах Якутии / Т.П. Егорова // Актуальные проблемы, направления и механизмы развития производительных сил Севера. - Сыктывкар: Изд-во ООО «Коми республиканская типография». -2016.-С.147-151.

4. Моделирование региональных особенностей сезонноталого слоя в зоне вечной мерзлоты на территории Сибири / И.М. Школьник, Е.Д. Надёжина, Т.В. Павлова и др. // Криосфера Земли. - 2012. - Т. XVI. -№ 2.-С. 52-59.

5. Николаев, А.Б. Теоретические основы решения информационно-сложных задач / А.Б. Николаев, В.Н. Брыль, С.А. Кузнецов // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета(МАДИ). - 2010.-№4.-С.74-78.

6. Трофименко, Ю.В. Методика оценки риска утраты функциональности автомобильных дорог на территориях распространения многолетней (вечной) мерзлоты в связи с прогнозируемыми климатическими изменениями / Ю.В. Трофименко, А.Н. Якубович // Безопасность в техносфере. - 2016. - Т. 5. - № 5. - С. 27-37.

7. Трофименко, Ю.В. Оценка вреда, наносимого окружающей среде автотранспортным комплексом региона / Ю.В. Трофименко // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). - 2009. - № 2. - С. 97-103.

8. Хлебникова, Е.И. Воздействие изменений климата на строительство, наземный транспорт, топливно-энергетический комплекс / Е.И. Хлебникова, Т.А. Дацюк, И.А. Салл // Труды главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. - 2014. - № 574. - С. 125-178.

9. Якубович А.Н. Эффективный алгоритм численной реализации случайных величин в задачах статистического моделирования надежности технических систем / А.Н. Якубович, И.А. Якубович // Интеллект. Инновации. Инвестиции. - 2106. - № 8. - С. 84-89.

10. Якубович, И.А. Анализ норм проектирования объектов автотранспортной инфраструктуры на чувствительность результатов расчетов к прогнозируемым климатическим изменениям / И.А. Якубович // Актуальные проблемы современной науки. - 2017. - № 1 (92). - С. 208-213.