Читать статью 'Мониторинг сезонных изменений температуры грунта' в журнале Арктика и Антарктика на сайте nbpublish.com
Рус Eng Cn Перевести страницу на:  
Please select your language to translate the article


You can just close the window to don't translate
Библиотека
ваш профиль

Вернуться к содержанию

Арктика и Антарктика
Правильная ссылка на статью:

Мониторинг сезонных изменений температуры грунта

Фролов Денис Максимович

научный сотрудник, Географический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова

119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 1904Б

Frolov Denis Maksimovich

Scientific Associate, Faculty of Geography, M. V. Lomonosov Moscow State University

119991, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 1904B

denisfrolovm@mail.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Ржаницын Герман Анатольевич

преподаватель, кафедра криолитологии и гляциологии, Московский Государственный университет имени М.В. Ломоносова

119991, Россия, г. Крупской 19 47, ул. Ленинские Горы, 1, оф. Ц-01

Rzhanitsyn German Anatol'evich

Lecturer, Department of Cryolithology and Glaciology, Lomonosov Moscow State University

119991, Russia, Krupskoy 19 47, Leninskie Gory str., 1, of. C-01

german-r@mail.ru
Кошурников Андрей Викторович

кандидат геолого-минералогических наук

ведущий научный сотрудник кафедры геокриологии, Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова

119234, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 205

Koshurnikov Andrei Viktorovich

PhD in Geology and Mineralogy

Leading Scientific Associate, Department of Geocryology, M. V. Lomonosov Moscow State University

119234, Russia, Moscow, Leninskie Gory str., 1, office 205

koshurnikov@msu-geophysics.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Гагарин Владимир Евгеньевич

кандидат геолого-минералогических наук

старший научный сотрудник кафедры геокриологии, Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова

119234, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, ауд. Ц23

Gagarin Vladimir Evgen'evich

PhD in Geology and Mineralogy

Scientific Associate, Department of Geocryology, M. V. Lomonosov Moscow State University

119234, Russia, Moscow, Leninskie Gory str., 1, room C23

gagar88@yandex.ru
Другие публикации этого автора
 

 

DOI:

10.7256/2453-8922.2022.4.39429

EDN:

LNECQT

Дата направления статьи в редакцию:

17-12-2022


Дата публикации:

30-12-2022


Аннотация: 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 исследования

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).

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 research

ВВЕДЕНИЕ

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

Глубина,м

Диагностика

0-0,24

Дернина и гумусовый горизонт

0,24-0,37

гумусовый горизонт с техногенным по нижней границе

0,37-0,52

Техногенный горизонт

0,52-0,63

Техногенный горизонт

0,62-0,83

Техногенный горизонт

0,83-0,99

То же

1,08-1,34

То же

1,49-1,65

То же

2,13-2,23

Московская морена

2,23

Московская морена

2,4-2,61

Московская морена

3,00-3,84

Порода, Московская Днепровская? Морена

Порода, Днепровская морена

7,91-8,03

Порода, Днепровская морена

9,36-9,63

Палеопочва

9,98-10,13

Палеопочва

10,80

Порода, Днепровская морена

11,92-12,04

Порода, Днепровская морена, в пределах капиллярной каймы обводненного горизонта

14,3

Порода, Днепровская морена, обводнена

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
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
References
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.