Моделирование термокарстового озера и оценка его экогеокриологической опасности Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.34 ББК 26.32

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМОКАРСТА Хабибуллин И.Л., Лобастова С.А., Хусаинова З.Р., Солдаткин М.В., Бураншина А.Р.

Данная статья посвящена некоторым проблемам изучения процесса термокарста. В результате математического моделирования удалось получить сравнительную оценку геокриологической опасности термокарста при различных условиях его зарождения.

Обустройство и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений сопровождаются значительным техногенным воздействием на природную среду. В районах с распространением многолетнемёрзлых пород (ММП) это воздействие имеет ряд специфических особенностей. В работе проводится исследование и математическое моделирование одного из наиболее характерных и повсеместно распространенных геокриологических процессов на территории месторождений Крайнего Севера - термокарста.

Термокарст - термические осадки грунтов как результат вытаивания подземного льда. При явлениях термокарста образуются преимущественно отрицательные формы рельефа - различного рода понижения, нередко превращающиеся в озера, провалы, подземные полости и другие формы, внешне напоминающие формы рельефа карстовых областей.[1,2,3]

В современных условиях классификация причин возникновения термокарста должна быть дополнена всесторонним рассмотрением так называемого антропогенного фактора (таблица 1).

Таблица 1

Основные факторы развития (+) и затухания (-) процесса термокарста[ 1,4,5]:

рельеф местности, экспозиция, крутизна склонов + -

снежный покров -

растительный покров -

водный покров и заболоченность + -

конвективные потоки воды и воздуха + -

хозяйственное освоение территории +

Моделирование процесса термокарста осложняется:

• отсутствием на сегодняшний день единой математической модели термокарста, описывающей процесс полностью: с момента его зарождения до затухания;

• повсеместным использованием полуэмпирических формул;

• тесной взаимосвязью инженерно-геокриологических процессов между собой.

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТЕРМОКАРСТА

Техногенные воздействия Естественные нарушения

Механические воздействия на почвеннорастительный покров Механические и тепловые воздействия на грунты и подстилающие породы Механические и тепловые воздействия на факторы природной среды, влияющие на водосток Изменения климата Изменения степени обводненности территории

1.Уплотнение и разрыв растительного покрова; 2.Уничтожение растительного покрова; 3.Частичные нарушения почвенного покрова; 4.Полное нарушение почвенного покрова (оголение минеральных грунтов). 1.Механические: 1.1 .Экскавация грунта; 1.2.Переотложения грунтов, отсыпка насыпей, проводка траншей; 2.Тепловые: 2.1.Слив (в том числе нагретых флюидов); 2.2.Оттайка мерзлых грунтов (в том числе термосваи); 2.3.Растепление. 1.Изменения естественного поверхностного стока; 2.Изменения режима снегонакопления; 3.Искуственные водосбросы. 1. Повышение средней годовой или средней летней температуры воздуха. 1. Изменения количества осадков; 2. Ухудшение дренированности территории.

/ і \

ОБЪЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕРМОКАРСТА

Строения, сооружения, фундаменты, линейные коммуникации и т.д. Почвы, земли, растительный покров и т.д.

Наибольший интерес представляет такая важная характеристика, как скорость движения фронта протаивания. Состояние сезонно-талого слоя (СТС) в течение года изменяется по физико-механическому состоянию на мерзлый, оттаявший и талый грунт. Для СТС большое значение имеет не только вид грунтов, но и их криотекстура, льдистость и влажность, характер химических связей, и особенно - наличие льда в виде прослоек, жил и линз (рис.1.).

Рис. 1. Схема развития термокарста с образованием озера [2].

I, II, III - стадии развития;

А - при вытаивании мономинеральной залежи подземных льдов;

Б - при вытаивании льдистых отложений с повторно-жильными льдами, когда процесс развивается прогрессивно.

Постановка и решение задачи.

Рассмотрим случай, когда развитие термокарста происходит при наличии вблизи подошвы сезонно-талого слоя льдонасыщенных многолетнемерзлых пород и слоя воды на поверхности, температурный режим которого определяется теплообменом с окружающей средой и солнечной радиацией (рис.2).

Рис.2. Г еометрическая схематизация процесса термокарста.

1 - вода,

2 - сезонно-талый слой,

3 - подстилающие многолетнемерзлые породы,

Щ) - фронт протаивания

Распределение температуры в областях 1-3 описывается системой уравнений:

а

С,

Ъ 2Т2 ~дїГ

Ъ 2Т3

ЪТ2

ЪЫ±

Ъ і 1

0 < ъ < - И

= ^, а =1 0 < ъ < 1 (1)

дт1

а =

= 1_, 1 (1) < ъ < ¥

(1)

(2)

(3)

Индексы «1», «2», «3» относятся соответственно к воде, талой и мерзлой зонам; 1 - коэффициент теплопроводности; а - коэффициент температуропроводности; с - объемная теплоемкость; Ц - коэффициент затухания радиации в воде; - интенсивность солнечной радиации на поверхности воды г = - к.

Система уравнений (1)-(3) решается при следующих условиях:

_Г(_/!>0] (4)

ог

а

2

С

2

а

С

3

і^(0,і) =12 ^(0,і) , Т1(0,і) = Т2(0,і) (5)

Ъг Ъг

Тг(1,і) = Тъ(1,і) = Тф , ТД»,і) = Т0. (6)

На фронте протаивания г = 1(і) выполняется уравнение баланса тепла:

1 ЪТ2(1,і) + і ЪТ,(г,і) = (7)

Ъг Ъг Лі

Здесь Ь - теплота фазового перехода лёд-вода, G - льдистость грунта, а - коэффициент теплообмена на границе раздела вода - воздух, ТВ - температура воздуха.

Решение уравнений (2) - (3) строим методом Лейбензона[3]:

Т2(г, і) = ТГ - (Тг - Тф) 1- > (8)

Т,(г, і) = Г0 - (Тф - Т« )ег/:^£ (9)

2^1 а3і

В (8) неизвестная температура Тг на поверхности ъ=0 находится из решения уравнения (1), которое в квазистационарном приближении имеет вид:

Б,

Т, = е -т + —С. + С2. (10)

1 т21 1

Величины С1, С2 и температура Тг на поверхности г = 0 определяется из условий (4) и (5)

а(Т - Т )+—0 ет + а—0 ет + а—01 - а—0

С =__________________т ті тії ті , (11)

1 1 (ь 1 1 + а\--------------------------------

с = Т - — ° - —0— - , (12)

2 ф ті ті2 і2

Т = Т - - . (13)

Г ф і і

Уравнение баланса тепла (7) с учетом найденных выражений для Т2 и Т3 представляется в виде:

Я Тг _ Тф 1(Тф - То) = оьМ (14)

2 1 *1ла4 &

Таким образом, выражения (8) - (14) представляют решение рассматриваемой задачи. Они позволяют определить распределения температуры в водоносной области, в областях талого и мерзлого грунтов, а также основную характеристику, определяющую динамику процесса термокарста - закон движения фронта протаивания мерзлого грунта. В конечном итоге задача сводится к интегрированию уравнения (14). Заметим, что вследствие сложной зависимости Тг от 1(/) это уравнение является нелинейным и допускает аналитическое решение только в простейших случаях. В общем случае численное решение этого уравнения позволяет определить влияние на динамику термокарста следующих факторов:

• атмосферные условия (температура окружающей среды, солнечная радиация, условия теплообмена в системе вода - атмосфера);

• характеристики водного слоя (толщина, начальная температура, теплофизические свойства воды, коэффициент поглощения водой солнечной радиации, зависящей от концентрации взвешенных частиц в воде);

• характеристики системы талый - мерзлый грунты (теплофизические свойства, льдистость и начальная температура).

Результаты численных расчетов и их анализ.

На основе полученных выражений производился расчет изменения положения фронта протаивания со временем с целью исследования динамики развития криогенного процесса термокарста и характера зависимости от основных параметров: льдистости грунта, мощности водного слоя и его начальной температуры. Численный расчет производился с помощью компьютерной программы, реализованной на языке Бе1рЫ, что позволило сделать следующие основные выводы:

• Скорость движения фронта протаивания тем больше, чем выше начальная температура водного слоя, образовавшегося на поверхности мёрзлого массива.

• С увеличением льдонасыщенности грунта скорость движения фронта протаивания уменьшается. Это связано с тем, что для фазового перехода лёд-вода необходимо гораздо больше тепловой энергии, чем для простого нагрева породы.

• Скорость движения фронта протаивания возрастает с увеличением мощности водного слоя на поверхности грунта. Это объясняется увеличением интенсивности теплового потока в грунт от солнечной радиации.

Исследование интенсивности развития термокарстовых процессов в зависимости от причины их возникновения.

На основе рассмотренной выше модели развития термокарстового озера были получены аналогичные графики, наглядно показывающие характер зависимости скорости движения фронта протаивания от причины возникновения термокарстовых процессов (рис.3). Диапазон значений параметров был выбран из соображения соответствия реальным условиям.

График 1(0

Рис. 3. График зависимости положения фронта

протаивания от времени при различных

причинах возникновения термо-карстовых

2 г ( г т_ 1— процессов.

(1 -естественное осадко-накопление,

^ - -1. -1 «- 1 -1— 2 - аварийные сбросы воды,

1 3 3 - очищенные стоки с производства)

. _ у_ 1 |_1_

О 10 20 30 40 50 60 70 80

1, сутки

Сравнительный анализ графиков показал, что техногенные нарушения по степени интенсификации термокарстовых процессов не идут ни в какое сравнение с естественно-природными факторами. Кроме того, необходимо учитывать, что наложение нескольких причин и факторов друг на друга еще более активизирует процесс.

В заключение отметим, что наибольшую угрозу термокарст представляет для промышленных и гражданских зданий и сооружений, поскольку их конструкции, как правило, не приспособлены к большим деформациям основания. Таким образом, одной из основных проблем, связанных со строительством в области вечномерзлых грунтов, оказывается научно-обоснованный прогноз температурного режима ММП и развития криогенных процессов в верхних горизонтах земной коры [4].

ЛИТЕРАТУРА

1. Ананенков А.Г., Ставкин Г.П., Лобастова С. А., Хабибуллин И. Л. Экологические основы землепользования при освоении и разработке газовых и газоконденсатных месторождений Крайнего Севера.-М.: ООО «Недра - Бизнесцентр», 2000. - 316 с.

2. Мельников В.П., Спесивцев В.И.. Криогенные образования в литосфере Земли (изобразительная версия). Новосибирск: НИЦ ОИГГМ СО РАН, Изд-во СО РАН, 2000. - 343 с.

3. Фельдман Г.М. Прогноз температурного режима грунтов и развития криогенных процессов.-Новосибирск: Наука, 1977.-С.9-40,122-156.

4. Гарагуля Л.С. Методика прогнозной оценки антропогенных изменений мерзлотных условий (на примере равнинных территорий). - М.:Изд-во МГУ, 1985. 224 с.

5. Ершов Э.Д. Общая геокриология: учебник для вузов.-М.: Недра, 1990. -559 с.

Поступила в редакцию 27.12.06 г.