|
Библиотека
|
ваш профиль |
Статья опубликована с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0) – Лицензия «С указанием авторства – Некоммерческая».|
Арктика и Антарктика
Правильная ссылка на статью:
Фролов Д.М., Ржаницын Г.А., Кошурников А.В., Гагарин В.Е. —
Мониторинг сезонных изменений температуры грунта
// Арктика и Антарктика.
– 2022. – № 4.
– С. 43 - 53.
DOI: 10.7256/2453-8922.2022.4.39429 EDN: LNECQT URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=39429
Мониторинг сезонных изменений температуры грунта
DOI: 10.7256/2453-8922.2022.4.39429EDN: LNECQTДата направления статьи в редакцию: 17-12-2022Дата публикации: 30-12-2022Аннотация: В работе рассмотрена проблема мониторинга сезонных изменений температуры грунта в северных и горных районах в свете идущих изменений климата. Для изучения сезонных изменений температуры грунта использована модельная площадка метеообсерватории МГУ с возможностями наблюдения за температурой воздуха, толщиной снежного покрова и температурой и глубиной промерзания грунта, которая являлась прототипом системы мониторинга состояния многолетнемерзлых грунтов, применяемой в Арктике и горных территорях. В работе представлены результаты мониторинга сезонных изменений температуры грунта основанные на результатах численного моделирования проникновения сезонных колебаний температуры в грунте в 2014-2017 в среде MATLAB на модельной площадке метеообсерватории МГУ. Рассмотренные в работе результаты численного моделирования проникновения сезонных колебаний температуры в грунте на метеоплощадке МГУ в 2014-2017 в среде MATLAB хорошо согласуются с данными термометрии и, следовательно, разработанная расчётная схема показывает достаточно хорошие результаты моделирования. Это делает возможным применение расчётной схемы для оценки термического состояния мёрзлых грунтов и оценки устойчивости фундаментов и располагающихся на них зданий и линейных сооружений в условиях Севера и горных территорий. Следовательно, представленная методика может служить хорошим подспорьем для мониторинга и по предотвращению разрушения исследуемых сооружений в условиях потепления климата. Ключевые слова: мониторинг, температура грунта, глубина промерзания, Северные районы, Горные районы, температура воздуха, мерзлота, криолитозона, численное моделирование, геофизические исследованияРабота выполнена в соответствии с госбюджетной темой «Опасность и риск природных процессов и явлений» (121051300175-4) и «Эволюция криосферы при изменении климата и антропогенном воздействии» (121051100164-0). Abstract: This paper considers the problem of monitoring seasonal changes in soil temperature in northern and mountainous areas in light of ongoing climate change. To study seasonal changes in soil temperature, the Moscow State University Meteorological Observatory was used as a model site with the ability to monitor air temperature, snow cover thickness, and ground freezing temperature and depth, which was a prototype of a system for monitoring the state of permafrost soils used in the Arctic and mountain territories. The paper presents the results of monitoring seasonal changes in soil temperature based on numerical modeling of the penetration of seasonal fluctuations in soil temperature in 2014–2017 in the MATLAB environment at the MSU Meteorological Observatory model site. The results of the numerical simulation of the penetration of seasonal temperature fluctuations in the ground at the MSU meteorological site in 2014–2017 in the MATLAB environment are in agreement with the thermometry data, and, therefore, the developed calculation scheme shows fairly good simulation results. This makes it possible to use the calculation scheme to assess the thermal state of frozen soils and assess the stability of foundations and buildings and linear structures located on them in the conditions of the north and mountainous territories. Therefore, the presented methodology can serve as a suitable method for monitoring and preventing the destruction of the studied structures in the conditions of climate warming. Keywords: monitoring, ground temperature, freezing depth, North regions, mountain regions, air temperature, permafrost, cryolithozone, numerical modeling, geophysical researchВВЕДЕНИЕ Согласно данных СМИ (https://nia.eco/2022/11/28/52357/), правительство поддержало законопроект Минприроды о мониторинге многолетней мерзлоты и как отметил глава ведомства Александр Козлов, создание системы мониторинга является национальной задачей, о которой ранее говорил президент Владимир Путин. Также говорилось, что фоновый мониторинг, над созданием объектов которого учёные уже работают, будет создан на базе наблюдательной сети Росгидромета. На мысе Баранова и архипелаге Шпицбергена уже сделали опытные полигоны. Пробурили 25-метровые скважины, в них установили термометрические косы, данные с которых, по спутниковым каналам, непрерывно передаются в институт. По словам министра в системе мониторинга будет 140 таких станций-скважин. Система позволит получать данные о деградации вечномёрзлых грунтов. Это даст возможность разрабатывать меры адаптации для соответствующих отраслей экономической и социальной сфер. Мониторинг сезонных изменений температуры грунта в горных регионах также очень важен в свете современных климатических изменений [1-8] . МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ На территории метеообсерватории МГУ для изучения влияния естественного покрова (в первую очередь снежного покрова) на распределение теплового поля в грунте ведутся наблюдения за температурой воздуха, толщиной снежного покрова и глубиной промерзания грунта по вытяжным термометрам и мерзлотомерам системы Данилина и Ратомского на оголенной площадке и под естественным покровом. Наблюдения ведутся сотрудниками метеообсерватории фактически, начиная с момента её основания - даты постройки главного здания МГУ, примерно 1953 год. В последнее время также ведутся работы по изучению пространственной и временной неоднородности снежной толщи, а также производится моделирование, позволяющее оценить влияние снежного покрова на глубину промерзания грунта в черте города Москвы и Подмосковье [9-12]. Осенью 2021 года на метеоплощадке была также пройдена термометрическая скважина глубиной 18 метров с полным отбором керна. В скважине предполагается установить термокосу с логгером для наблюдения и записи температуры воздуха, снежного покрова и грунта на разной глубине. Эта система является прототипом системы мониторинга состояния многолетнемерзлых грунтов, применяемой в Арктике и для горных территорий. При бурении скважины для контроля температуры грунта на метеорологической площадке МГУ им. М.В. Ломоносова глубиной 18 м был произведен отбор пробы грунта. Образец грунта был исследован в лаборатории. Результаты приведены в таблице 1. Таблица 1. Скважина 2021 на Метеорологической обсерватории МГУ
Теплопроводность, теплоемкость и температуропроводность образцов грунта керна были определены по всей длине образца с шагом примерно 15-20 см. Распределение измеренных значений теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности грунта по глубине образца показано на графиках на рисунке 1.
Рис. 1. Распределение измеренных значений теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности грунта по глубине керна Видно, что верхние два метра дернины, гумуса и техногенного слоя отличаются довольно низкой теплопроводностью порядка 1,5 Вт/м K. Следующая за ними Морена московская, порода и днепровская морена имеет высокую теплопроводность, порядка 2,5 Вт/м K. Идущий далее слой палеопочвы имеет низкую теплопроводность 1,5-2 Вт/м K. Дальше следует опять днепровская морена с теплопроводностью 2,5 Вт/м K. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Описанные данные вместе с метеорологическими данными, такими как температура воздуха и толщина снега, позволяют рассчитать проникновение волны сезонных колебаний температуры в грунте, используя уравнение Фурье с применением метода эффективной теплоёмкости. Этот метод отличается от упрощённой схемы расчёта глубины промерзания грунта для метеорологической площадки и также для местностей Кавказа и Тянь-Шаня, приведённой в большинстве недавних работах автора [9-18] тем, что там вычисления основывались на задаче теплопроводности трехслойной среды (снег, мерзлый и талый грунт) с фазовым переходом на границе мерзлого и талого грунта. Уравнение теплового баланса включало энергию фазового перехода, приток тепла из талого грунта и отток в мерзлый грунт и при наличии снежного покрова через него в атмосферу. Поток тепла рассчитывался по закону Фурье, как произведение теплопроводности и градиента температуры. Предполагалось, что температура в каждой из сред изменяется линейно (например, [19]). Для снежного покрова и мерзлого грунта использовалась формула теплопроводности двухслойной среды. На рисунке 2 приведено рассчитанное по полной методике и расчётной схеме [20-23] проникновение тепловой волны в толщу грунта под воздействием сезонного изменения температуры воздуха.
Рис. 2. Проникновение волны сезонных колебаний температуры в грунте на метеоплощадке МГУ в 2014-2017 гг. Исходными данными расчёта задавались результаты измерения температуры поверхности грунта. Вычисления проводились посредством полученной на основе метода конечных разностей для уравнения теплопроводности Фурье (в частных производных, второго порядка) явной разностной схеме. Высота образца разбивалась на i=1,n(=250) частей. Создавалась прямоугольная сетка для области вычисления, и записывалось полученное на основе разностной аппроксимации уравнение на расчётной сетке по явному шаблону вычислений. Выбирался шаг по времени и проводились вычисления значений на новом временном слое, используя граничные условия нулевого потока на нижней границе и задания измеренной температуры на верхней границе расчётной области. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, рассмотренные в работе результаты численного моделирования проникновения волны сезонных колебаний температуры в грунте на метеоплощадке МГУ в 2014-2017 в среде MATLAB согласуются с данными термометрии и, следовательно, разработанная расчётная схема показывает достаточно хорошие результаты моделирования. Это делает возможным применение расчётной схемы для оценки термического состояния мёрзлых грунтов и оценки устойчивости фундаментов и располагающихся на них зданий и линейных сооружений в условиях Севера и горных территорий. Следовательно, представленная методика может служить хорошим подспорьем для мониторинга и по предотвращению разрушения исследуемых сооружений в условиях потепления климата при освоении северных территорий и поддержании в надлежащем состоянии данных объектов там. Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой «Опасность и риск природных процессов и явлений» (121051300175-4) и «Эволюция криосферы при изменении климата и антропогенном воздействии» (121051100164-0). Библиография
References
|
Рус
