CC BY
5210. Тихомиров Б.А. Некоторые особенности снежного покрова тундры и его влияние на существование растительности // Снег и талые воды. - М.: Изд-во АН СССР, 1956. -С.206-239.
11. Белорусова Ж.М. О нагорных (солифлюк-
ционных) террасах о. Большого Ляховского // Новосибирские острова: Тр. ААНИИ. -
Л.: Морской транспорт, 1963. - Т. 224. - С. 88-92.
12. Конищев В.Н. Взаимосвязь состава и температуры криогенных почв и грунтов // Вестник МГУ. Сер. 5. География. - 1998. - № 1. - С. 9-13.
13. Наливкин Д.В. Учение о фациях. Географические условия образования осадков. - Т. I. -М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1956. - 534 с.
УДК 551.345
Природные и техногенные проблемы г. Якутска
О.И. Алексеева, В.Т. Балобаев, М.Н. Григорьев, В.Н. Макаров, Р.В.Чжан,
М.М. Шац, В.В. Шепелев
Проанализированы инженерно-геокриологические условия и состояние окружающей среды территории г. Якутска. Рассмотрена их связь с современным потеплением климата и условиями эксплуатации зданий и сооружений. Предложены пути выхода из кризисной эколого-геокриологической ситуации, в которой оказался в настоящее время г. Якутск.
The paper presents an analysis of engineering-geocryological and environmental conditions at Yakutsk. Their relationship to recent climatic warming and the operation and maintenance of buildings and structures is discussed. The ways out of the critical eco-geocryological situation existing now at Yakutsk are proposed.
Город Якутск - самый крупный город в мире, находящийся в пределах сплошной криолито-зоны. Этот уникальный город живет и развивается в очень сложных природных и техногенных условиях, многие из которых могут квалифицироваться как кризисные.
Одной из серьезных проблем, волнующих в последние годы мировую общественность, является проблема потепления климата. Само потепление, наблюдающееся уже на протяжении 25 лет, стало фактом и его никто не оспаривает. Отмечено, что за последние 30 лет температура атмосферного воздуха в Якутии повысилась на
0,5-2,0° С. Однако температура мерзлых пород за
АЛЕКСЕЕВА Ольга Ивановна - к.т.н., уч. секретарь ИМЗ СО РАН; БАЛОБАЕВ Вениамин Тихонович - член-корр. РАН, советник РАН ИМЗ СО РАН; ГРИГОРЬЕВ Михаил Николаевич - к.г.н., с.н.с., зав. лаб. ИМЗ СО РАН; МАКАРОВ Владимир Николаевич - д.г.-м.н., зав. лаб.ИМЗ СО РАН; ЧЖАН Рудольф Владимирович - д.т.н., директор ИМЗ СО РАН,ШАЦ Марк Михайлович - к.г.н., в.н.с. ИМЗ СО РАН; ШЕПЕЛЕВ Виктор Васильевич - д.г.-м.н., зам. директора по науке ИМЗ СО РАН.
этот период не изменилась, что можно объяснить большой инерционностью мерзлых толщ. Это указывает на то, что различные колебания температурных условий на поверхности Земли распространяются медленно, неглубоко и быстро затухают.
Сотрудниками Института мерзлотоведения СО РАН совместно с Геофизическим институтом Университета Аляски был проведен гармонический анализ длинных рядов наблюдений за температурой воздуха в гг. Якутске и Фэрбенксе [1, 2]. Результаты анализа указывают на окончание наблюдающегося потепления климата в 2005-2017 гг., когда средняя годовая температура атмосферного воздуха в г. Якутске достигнет -8,0° С. После этого вплоть до 2054 г. будет происходить интенсивное похолодание до -11° С. Затем вновь наступит период потепления, который продлится до 2088-2098 гг., когда средняя годовая температура воздуха в г. Якутске вновь повысится до -8,5...-9,0° С. Следующее столетие будет характеризоваться относительным постоянством температуры воздуха, но к концу XXII в. она понизится до -11,5° С.
Проведенный анализ свидетельствует о том, что основные проблемы устойчивости инженерных сооружений на территории г. Якутска необходимо связывать не с изменением климата, а с неудовлетворительным их проектированием, строительством и эксплуатацией, вызывающими деградацию мерзлых оснований.
Мощность криолитозоны в районе г. Якутске в среднем составляет 250-350 м. Вне городской застройки среднегодовая температура грунтов изменяется соответственно от -0,5 до -2,1° С (для супесей) и от -1 до -4° С (для суглинков). Мощность слоя годовых теплооборотов равняется 15-17 м. В естественных условиях глубина сезонно-талого слоя (СТС) составляет в среднем 1,5-1,7 м для суглинков, 1,6-2,0 м - для супесей и 2,0-2,5 м - для песков. Многолетняя изменчивость глубины СТС, обусловленная климатическими колебаниями, оценивается в 0,4-0,5 м. Повторно-жильные льды редки и маломощны. Сильнольдистые грунты залегают в понижениях рельефа и представлены суглинками и супесями со слоистой криогенной текстурой. В малольдистых песчаных отложениях, приуроченных к возвышенным грядам, криогенная текстура массивная. Под основным руслом р. Лены в районе г. Якутска существует сквозной талик щелеобразной формы. Под Городской протокой талик несквозной мощностью около 30 м, а глубина проникновения таликовых зон под городскими озерами и старичными понижениями не превышает 20 м. Во всех устойчивых таликовых зонах развиты надмерзлотные грунтовые воды.
Основными криогенными процессами на территории г. Якутска являются термокарстовые и термосуффозионные просадки, морозобойное растрескивание, солифлюкция, локальное и площадное морозное пучение, термоэрозия, термоденудация, термопросадки, заболачивание и подтопление, а также техногенное наледеобразо-вание. Активизация этих процессов неблагоприятно сказывается на функционировании городской инфраструктуры. В последние десятилетия отмечается расширение площадей распространения деструктивных криогенных процессов. Это выражается в разрушении дорожных покрытий и коммуникаций, деформациях насыпей, фундаментов сооружений, формировании термоэрозионных рытвин, увеличении зон заболачивания.
Масштабность развития подтопления и обводнения территории г. Якутска обуславливает высокую степень нарушенное™ и нестабильности мерзлотно-грунтовых условий оснований
зданий, сооружений и коммуникаций, способствует активизации опасных криогенных процессов [3]. Именно обводнение является одним из наиболее неблагоприятных факторов, влияющих на потерю устойчивости грунтов оснований и несущих конструкций. Причем обводнение происходит как пресными, так и минерализированными подземными водами - криопэгами. Серьезной проблемой городского хозяйства зимой являются техногенные наледи, обусловленные аварийными утечками из водопроводно-канализационных коммуникаций и являющиеся массовым и непрерывным процессом [4]. Слой наледного стока на территории города в среднем составляет 50 мм в год. В отдельных городских кварталах он достигает более 200 мм, что значительно превышает сумму зимних атмосферных осадков. Наледи, минерализация льда которых достигает 1,5-2 г/л, являются одним из важных источников загрязнения городской территории, негативно влияют на качество грунтов и их ин-женерно-геологические свойства. Они способствуют заболачиванию территории, изменяют тепловой баланс и химический состав подстилающих отложений.
Наиболее интенсивное развитие криогенных процессов происходит в пределах линейных участков, приуроченных к древним пойменным и старичным понижениям, которые охватывают территорию города густой сетью и наиболее распространены на поверхности первой надпойменной террасы. Эти участки являются ареной активного развития криогенных процессов и явлений, а древние пойменные гряды, напротив, характеризуются относительной стабильностью. К числу наиболее динамичных явлений относятся сезонное пучение и просадки грунтов (до 15-20 см в год), термоэрозия, спровоцированная техногенезом (первые метры в год), а также термокарстовые просадки дна новообразованных озер на северо-западе города (до 15—40 см в год).
Все это вынуждает администрацию г. Якутска ежегодно расходовать огромные средства на укрепительно-восстановительные, ремонтные и аварийные работы, на усложнение конструкций фундаментов, дорог, схем прокладки инженерных сетей и т.д. Однако эти меры не снижают кризисности мерзлотно-гидрогеологической, инженерно-геологической и геоэкологической обстановки в городе. Без принятия кардинальных мер г. Якутск может оказаться в ситуации, когда дальнейшее его функционирование на существующей территории будет весьма проблематичным.
Проведенные Институтом мерзлотоведения СО РАН эколого-геохимические мониторинговые исследования свидетельствуют о том, что территория г. Якутска отличается высокой плотностью техногенного давления на экосистемы. Это обусловлено как неблагоприятными климатическими и инженерно-геологическими условиями, так и ошибками, допущенными при создании и эксплуатации городской инфраструктуры. Техногенные геохимические аномалии фиксируются во всех природных средах: атмосфере, снежном покрове, почвах, природных водах, растительности.
Засоленные грунты и аварийные сооружения на территории г. Якутска. 2003 г.
1-2 - засоленные грунты (сумма солей, %): 1 - 0,5-1,0, 2 - выше 1,0; 3 - аварийные сооружения; 4-5 - границы городской застройки: 4 - 1821 г., 5 - 1908 г.
Загрязнение атмосферы г. Якутска разнообразными выбросами охватывает не только непосредственно территорию городской застройки, но и распространяется далеко за ее пределы. Аномальное геохимическое поле занимает площадь около 150 км2. Средний объем суммарных выпадений из атмосферы изменяется от 5 (п. Та-бага) до 104 (п. Кангалассы) т/км2 в год. Основная масса загрязнителей приходится на пылеватые выпадения, объем которых в пригородных
поселках Жатай и Кангалассы достигает 92-96 % от общего количества выпадений.
Попадание сточных вод в поверхностные водоемы и их инфильтрация в почвы ведут к частичной или полной метаморфизации химического состава поверхностных и надмерзлотных подземных вод. Ухудшение санитарно-гигиенического состояния природных вод связано в основном с повышением минерализации воды за счет концентрирования хлоридов магния и натрия, увеличением концентрации соединений азота и ряда токсичных элементов (марганца, стронция, хрома и др.).
Характерным для г. Якутска является высокий темп интенсификации фильтрационномиграционных процессов, вследствие которых происходят глубинное засоление многолетнемерзлых грунтов и их переход в пластичномерзлое и талое состояние. На отдельных участках города минерализация над- и межмерзлот-ных вод - криопэгов увеличивается до 50-100 г/л. Температура замерзания грунтов, содержащих воды с такой минерализацией, достигает -3...-50 С, что приводит к возникновению отрицательно-температурных талых грунтов, на которых невозможно строительство по 1-му принципу. Коварным свойством криопэгов является способность «разъедать» материал несущих конструкций фундаментов зданий и сооружений. В городе немало участков, пораженных этими процессами. Глубина таликов, образовавшихся под некоторыми зданиями, достигает 12-16 м, происходят активные процессы засоления грунтов (рисунок).
Одним из депонентов веществ-загрязнителей является почвенный покров. Первоначальный химический состав почв зависит от состава материнских пород и развития почвообразовательных процессов. В процессе техногенного воздействия на почвенный покров произошли существенные изменения в химическом составе грунтов. Наиболее высокая интенсивность засоления деятельного слоя характерна для сульфатов и уменьшается в ряду: 802‘4 > СГ > НС03. Размеры литохимических аномалий в почвах на территории города варьируют довольно широко - от 100-200 га (ртуть, свинец, серебро) до 1-10 га (литий, ванадий, кобальт, галлий). Как правило, площади аномалий значительно больше территорий промышленных объектов и распространяются на жилые кварталы [5]. Оценка химического загрязнения почв по суммарному показателю химического загрязнения [6] показала, что на значительной части территории города (30-40 %)
загрязнение почвенного покрова отвечает параметрам чрезвычайной экологической ситуации. Наиболее сложная экологическая ситуация в городе по накоплению в почвах свинца - химического вещества 2-го класса опасности. Среднее содержание свинца в почвах в два раза выше ПДК, а максимальное (700-1500 мг/кг) достигает уровня чрезвычайной экологической ситуации.
На территории г. Якутска возникли крупные литохимические аномалии, в пределах которых засоление грунтов превышает 1%/100 г. Для большинства аномалий характерно преобладание хлоридного и сульфатного засоления грунтов с концентрацией СГ и 8042" более 10-20 мг-экв. Геохимический мониторинг территории г. Якутска позволил установить качественные и количественные показатели повышения засоленности грунтов, главным образом, за счет хлоридных и сульфатных солей. Особенно быстрыми темпами происходит возрастание щелочности грунтов.
Показатели химического состава грунтов: pH, органические вещества, содержание N03, С1, Ре, магнезиальных солей и едких щелочей, свидетельствуют об агрессивности и коррозионной активности грунтов по отношению к строительным конструкциям (металлам) на территории города.
В районе г. Якутска насчитывается несколько десятков озер. Наиболее крупными из них являются Сайсары (площадь 0,6 км2, глубина 5 м) и Белое (0,8 км2, глубина 7 м). Воды озер весьма разнородны по химическому составу: от маломинерализованных гидрокарбонатных смешанных по составу катионов до солоноватых и соленых, преимущественно гидрокарбонатных и хлоридных. Величина минерализации озерных вод колеблется от 84,0 до 6567,0 мг/л, но в большинстве озер находится в пределах 20-700 мг/л. Наиболее минерализована (1400-5600 мг/л) вода в озерах Хатын-Юрях, Хомустах и безымянных озерах, которые протягиваются вдоль западной окраины города. Соленость воды в этих озерах заметно возрастает с 1998 г., что связано с продолжающимся сливом сточных вод в эти водоемы и перекачкой минерализованных загрязненных вод в оз. Хатын-Юрях, предпринятой администрацией города летом 2003 г.
Озера с наиболее пресными водами, величина минерализации воды в которых в настоящее время не превышает 0,5 г/л, находятся в южной части города (Теплое, Сергеляхское). Вода большинства городских озер щелочная, водородный показатель изменяется в пределах 6,79-9,79 pH. Концентрации большинства микроэлементов (Си, РЬ, Мп, УЬ, Са, Сг) в озерных водах незна-
чительны и не превышают гигиенических санитарных норм. Наиболее загрязненные озера в районе г. Якутска находятся в промышленной зоне, а также вдоль главных автомагистралей города и на территории городской свалки [7].
Техногенные преобразования химического состава надмерзлотных вод в совокупности с криогенными процессами негативно отражаются на состоянии подземных коммуникаций, фундаментов, подвальных помещений, дорожного покрытия и других сооружений. Многократные изменения кислотности-щелочности, содержания органических веществ и других компонентов усиливают агрессивную способность среды и повышают коррозионную активность грунтов. Природно-техногенные геологические процессы и явления наносят прямой и косвенный ущерб городскому хозяйству, создают экологические проблемы, угрожают устойчивости сооружений, вызывают аварии и разрушения жилых зданий, промышленных площадок и транспортных магистралей, служат причиной чрезвычайных ситуаций.
К концу XX столетия в г. Якутске сформировался большой фонд жилых и общественных зданий в каменном мелкоштучном и крупнопанельном исполнении с различными конструктивными решениями. По данным Департамента жилищно-коммунального хозяйства администрации города, число каменных строений составляет около 3000 единиц, в том числе жилых домов - 968. Состояние жилого фонда признано катастрофическим. Начиная с 1970 г. в городе произошло более 20 случаев крупных обрушений каменных зданий постройки 1950-1960 гг.
Основными причинами неудовлетворительного технического состояния зданий в каменном и крупнопанельном исполнении являются ухудшение мерзлотно-грунтовых условий, отсутствие надлежащей вертикальной планировки возле зданий, в кварталах, микрорайонах, отсутствие сети ливневой, частые аварийные утечки воды из трубопроводных систем. Все это приводит к интенсивному оттаиванию, засолению и обводнению застроенной территории города, что в свою очередь вызывает неравномерные деформации грунтов оснований фундаментов. Вследствие постоянных утечек минерализованных агрессивных сточных вод из систем канализации происходит не только деградация мерзлых грунтов, но и разрушение железобетонных несущих конструкций фундаментов.
В течение последних 15 лет вопросы состояния объектов жилищно-гражданского назначения, а также объектов жизнеобеспечения г. Якутска не-
однократно обсуждались на различных уровнях -от городских и республиканских научно-практических конференций до выездных комиссий, организованных Правительством Российской Федерации. В целях снижения остроты сложившейся ситуации и обеспечения комплексного и эффективного развития г. Якутска были разработаны «Комплексная схема охраны окружающей среды г. Якутска» (1992 г.) и «Целевая программа мероприятий по улучшению экологической обстановки и рациональному природопользованию на территории Якутского горсовета на 1992-1995 гг. и на перспективу». В 1995 г. была разработана «Концепция инженерной защиты территории г. Якутска от подтопления и развития опасных криогенных процессов». Она была составлена на общественных началах специалистами института «Сахапроект», НПО «Геотехнология» и Института мерзлотоведения СО РАН.
Министерством строительства и архитектуры РС(Я), администрацией г. Якутска и рядом научно-исследовательских институтов и организаций была разработана «Республиканская целевая программа по сносу ветхих домов и укрепительно-восстановительным работам на аварийных жилых домах г. Якутска на 2002-2006 гг.». Однако финансовых средств у администрации г. Якутска на выполнение этих и других программ не нашлось.
В то же время в городе возводятся монументальные дорогостоящие здания и сооружения (театры, бассейны, цирк, набережная с фонтанами, многочисленные памятники историческим личностям и др.), что несомненно внешне украшает город. Лицо города хорошеет, но продолжается процесс ухудшения инженерно-геокриологического состояния оснований зданий и сооружений [8,9].
Для выхода из сложившейся кризисной ситуации можно наметить следующие первоочередные мероприятия:
1. Начать комплексное восстановление мерзлого состояния грунтов оснований с применением горизонтальных, вертикальных и наклонных систем замораживания, автоматически действующих за счет естественного холода (термосифонов).
2. Создать ливневую канализацию и разработать эффективную систему дренирования над-мерзлотного стока на территории г. Якутска.
3. Использовать альтернативные свайным фундаментам поверхностные фундаменты, приспособленные к повышению температуры грунтов и неравномерным осадкам оснований (фун-
даменты-оболочки, фундаменты структурного типа, плоские фундаментные плиты с сотовым заполнителем).
4. Организовать специализированную городскую службу, осуществляющую цикл работ по схеме: изыскание - проектирование - строительство - научно-технический мониторинг.
Литература
1. Шендер Н.И., Романовский В.Е., Тетелъбаум А. С. Прогноз естественноисторических колебаний климата гг. Якутска и Фэрбенкса // Наука и образование. - 1999. - № 2(4). - С. 24-29.
2. Балобаев В. Т., Шепелев В.В. Космопланетарные климатические циклы и их роль в развитии биосферы Земли // Докл. РАН. - 2001. - Т. 379, № 2.-С. 247-251.
3. Шепелев В.В., Шац М.М. Геоэкологические проблемы обводнения и подтопления территории г. Якутска // Наука и образование. - 2000. - № 3. -С. 68-71.
4. Григорьев М.Н., Курчатова А.Н. и др. Кон-
троль состояния геотехнической системы Якутска на основе мерзлотно-геоморфологической систематизации // Материалы научно-практической конференции «Якутск - столица северной республики: глобальные проблемы
градосферы и пути их решения». - Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1997. - Ч. II. - С. 31-39.
5. Макаров В.Н. Геохимический атлас Якутска. - Якутск: ИМЗ СО АН СССР, 1985. - 65 с.
6. Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. - М.: Мин. охраны окружающей среды РФ, 1992. - 48 с.
7. Makarov V.N. Groundwater modification and its effect on the infrastructure of northerh cities. RMZ-Materials and Geoenvironment: V. 50, № 3, Ljubljana, Slovenia. - 2003. - P. 201-204.
8. Чжан P.В. Проблемы инженерного мерзлотоведения // Проблемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых криолитозоны: Труды Международной научно-практической конференции (г. Якутск, 14-17 июня 2005 г.). - Якутск: ИМЗ СО РАН, 2005. - Т.1. - С. 45-49.
9. Алексеева О.И., Демченко Р.Я., Курчатова А.Н. Мониторинг мерзлых оснований зданий в Якутске // Криосфера Земли. - Новосибирск: Наука, 1999. - № 4. - С. 9-14.
❖ ❖
