Природные опасности на участках магистрального водовода в Центральной Якутии вызванные термокарстовыми проявлениями

Сальва Андрей Михайлович кандидат геолого-минералогических наук доцент, кафедра «Землеустройство и ландшафтная архитектура», Арктический государственный агротехнологический университет 677007, Россия, республика Республика Саха (якутия), г. Якутск, ул. Шоссе Сергеляхское 3, 3, каб. 1.416 Sal'va Andrei Mikhailovich PhD in Geology and Mineralogy Docent, the department of Land Management and Landscape Architecture, Arctic State Agrotechnological University 677007, Russia, respublika Respublika Sakha (yakutiya), g. Yakutsk, ul. Shosse Sergelyakhskoe 3, 3, kab. 1.416 salvaam@mail.ru Другие публикации этого автора

Введение

На тему изучения воздействия мерзлотных процессов и явлений на геологическую среду посвящено большое количество публикаций, как отечественных, так и зарубежных ученых ^[1-18]. Однако, исследовательских работ по взаимодействию криогенных процессов и линейных водохозяйственных сооружений было немного. Автор решил восполнить этот пробел.

При строительстве и эксплуатации объектов магистрального водоснабжения в Центральной Якутии основными мерзлотными геологическими процессами, которые могут представлять большую опасность и причинить ущерб сооружению, являются термокарстовые проявления. Они были исследованы автором и вошли в ряд научных публикаций ^[19-22]. К термокарстовым проявлениям на территории исследования относятся (рис. 1): развитие структур-полигонов (А); морозобойное трещинообразование (Б); формирование повторно-жильных льдов (В); иногда развитие бугров пучения – булгунняхов (Г), а также собственно термокарст (Д) и термоэрозия (Е). В геоморфологическом отношении их можно разделить на положительные (полигональный бугристый микрорельеф, бугры пучения) и отрицательные (термокарст, термоэрозия) формы рельефа.

В данной публикации автор продолжает обследование участков магистрального водовода "Лена - Туора Кюель - Татта" которые ранее были изучены в других работах ^{[20, 22]}.

Цель работы – выявить природно-техногенные опасности являющиеся причинами износа труб на участках магистрального водовода, а также изучить их с помощью фото и космических снимков.

Рис. 1. Термокарстовые проявления на территории Центральной Якутии (Фото А. М. Сальва): полигональный микрорельеф – полигоны (Фото А, вдхр. Мундуллах, 2015 г.); морозобойные трещины (Фото Б, участок водовода Нижний Бестях - Майя, 2019 г.); повторно-жильные льды на склоне термоэрозии (Фото В, участок водовода Сырдах - Борогонцы, 2018 г.); многолетний бугор пучения – булгуннях (Фото Г, участок водовода Табага - Бютейдях, 2016 г.), термокарст с озером (Фото Д, участок водовода Бедемя - Тюнгюлю, 2017 г.) и термоэрозия (Фото Е, участок водовода Сырдах - Ботогонцы, 2018 г.)

Методы исследования

Одним из способов решения проблемы взаимодействия с магистральным водоводом является установление опасных мест активизации термокарстовых проявлений на основе полевых наблюдений – натурного мониторинга. Для выявления и раскрытия причин природных опасностей на трассе магистрального водовода, которые привели к его смещениям, деформациям и разрывам, были использованы маршрутные наблюдения, фотосъемка, а также обработана геологическая информация и архивно-фондовый материал. Представлена методика площадного районирования территории по развитию термокарстовых проявлений - полигонального микрорельефа и морозобойного растрескивания, которая проведена на основе визуального дешифрирования космических снимков находящиеся в открытом доступе интернет-сайта https//www.yandex.ru/maps/ и https//www.google.com/maps/^[22-25].

Результаты исследования

Морозобойные трещины формируются в результате роста повторно-жильного льда ^[26-29], когда в трещины попадает вода. В итоге увеличения ледяной жилы в отложениях, возникает распрямление слоев вверх, при этом кровля повторно-жильных льдов залегающая рядом с сезонно-талым слоем направлена наружу, так происходит выпучивание. Выпучивание оказывает влияние на трубопровод. При возникновении нагрузок на магистральные трубопроводы, в следствии воздействия термокарстовых проявлений возникают дополнительные механические напряжения – это усиливает влияние различных дефектов в конструкции магистрального трубопровода, что хорошо видно на фотографиях (см. рисунки 2 – 4). Нагрузки, воздействующие в период эксплуатации, приводят к быстрому износу трубопровода. Самыми распространенными и опасными являются нагрузки, которые невозможно учесть при проектировании и строительстве. Выявлять действие таких нагрузок возможно только на стадии эксплуатации путем расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода на участках ^[30].

На участке трубопровода «Бютейдях – Санньылы» (рис. 2) представлены фотографические изображения смещений, разрывов и разломов труб в результате термокарстовых проявлений. На участке водовода «Табага – Бютейдях» (рис. 3) возле водоема «Эппэкээн» (п. Елечей) показаны опасности термокарстовых проявлений: А – смещение и разрыв трубопровода, Б и В – разрыв и разлом двутавровой балки, Г – выпучивание опор. На следующем рисунке (рис. 4) сопоставлены космические и фотографические снимки трассы магистрального водовода на участке «Табага – Бетюйдях».

В 2018 году водовода "Сырдах - Борогонцы" образовалось три проявления термокарстово-термоэрозионной опасности, вызванной техногенной деятельностью человека. Основными факторами этого процесса являлись не только снятие в 1996 году почвенно-растительного слоя, во время строительства обслуживающей автодороги, но и последующего оттаивания, образования избыточной влаги и термокарстовых озер. Первое проявление (рис. 5) - термоэрозионный овраг, образовавшийся в 2011 году, который создал провисание трубопровода, тем самым опасную ситуацию. Второе проявление (рис. 6) - термокарстовый провал, образовавшийся в 2014 году, привел к разлому трубопровода. И третье проявление (рис. 1, фото 3 и 6) - собственно термоэрозия ^[20].

Рис. 2. Опасности на участках магистрального водовода «Бютейдях–Санньылы» вызванные термокарстовыми проявлениями: А, Б, В – смещение и разрыв трубопровода в результате термокарстовых провалов и ям, пунктирной линией – изначальное место установки трубопровода. Фото А. М. Сальва, 2018 г.

Рис. 3. Опасности, которые возникают в результате термокарстовых проявлений, на участке магистрального водовода «Табага – Бетюйдях» возле водоема «Эппэкээн» (п. Елечей): А – смещение и разрыв трубопровода, Б и В – разрыв и разлом двутавровой балки, Г – выпучивание опор. Фото А. М. Сальва, 2017 г.

Рис. 4. Опасности на участке трассы магистрального водовода «Табага – Бютейдях», вызванные термокарстовыми проявлениями и заболачиванием: А – космоснимок и Б – фотоснимок погружения трубопровода в воду небольшого озера; В – смещение трубопровода в результате термокарстовых провалов и ям (на снимке видны только опоры), Г – космический снимок участка водовода, красными кружками обозначены места смещения водовода и погружения его в воду. Фото А. М. Сальва, 2018 г.

Рис. 5. Провисание трубопровода по причине термоэрозионного оврага. Фото А. М. Сальва, 2018 г.

Рис. 6. Разлом трубопровода из-за термокарстового провала. Фото А. М. Сальва, 2018 г.

Выявление криогенных проявлений по космическим снимкам

Кроме полигонального микрорельефа и морозобойного растрескивания на полосе трасс магистральных водоводов, часто бывают термоэрозии ^[31-35] и заболачивания.

Овражная эрозия и термоэрозия – овраги, развивающиеся вследствие поверхностного выноса рыхлого грунта водотоками. Термоэрозия отличается резкостью (несбалансированностью) продольного профиля оврага и часто приуроченностью к заторфованным грунтам.

Заболачивание – повышенное увлажнение поверхности, обусловленное подъемом уровня грунтовых вод. Проявляется, как правило, синхронно в полосе землеотвода и в зоне ее влияния. Примерно соответствует контуру болот на топографической карте.

Исследование закономерностей развития заболачивания и термоэрозии было сосредоточено на космическом снимке участка магистрального водовода «Табага – Бютейдях» (рис. 7). На этом снимке вся трасса была разделена на 12 укрупненных участков. Для примера на рисунке приведены изображения двух укрупненных участков 10 и 11 по материалам космической съемки (рис. 8). Участок 10 – место переходов через речки Суола и Куоллара происходит активизация термоэрозии (отмечено красной звездочкой), все это происходит в теплое время года, когда идет процесс оттаивания грунтов. Участок 11 – место, где наблюдаются процессы заболачивания (отмечено желтым значком).

Рис. 7. Схема расположения 12 укрупненных участков на трассе магистрального водовода «Табага – Бютейдях»

Рис. 8. Космические снимки 10 и 11 участков с признаками активизации термоэрозии (отмечено красной звездочкой) и заболачивания (отмечено желтым значком)

На следующем космическом снимке обследован район распространения полигональных структур (полигонов) на участке трассы магистрального водовода «Лена – Туора Кюель» в районе водохранилища «Мундулаах» (с. Майя). При исследовании трассы водовода были выделены зоны активизации полигонального микрорельефа. На космическом снимке (рис. 9) показан район водохранилища «Мундуллах» в поселке Майя, с фрагментами укрупненных участков, желтыми пунктирными линиями показаны зоны развития полигонального микрорельефа или начальной стадии термокарста так называемого «былара» – якутское слово (Соловьев П.А) ^[10].

Рис. 9. Космический снимок в районе водохранилища "Мундуллах" в поселке Майя с зонами активизации полигонального микрорельефа.

Надо сказать, что в последнее время опубликовано несколько диссертационных работ на тему влияния термокарстовых явлений на магистральные системы с использованием космических снимков. Например, Макарычева Е. М. в своей диссертации для районирования магистрального нефтепровода применила не только результаты инженерно-геологических разрезов, но и данные космических и фотоснимков ^[24]. На рисунке 10 изображен космический снимок термокарстовых озер и просматривается полигональный рельеф - полигоны.

Рис. 10. Эталон дешифрирования термокарста по группам ландшафтов с повторно-жильными льдами (космоснимок из диссертации Е. М. Макарычевой)

В работе Родионовой Т. В. разработана методика исследования динамики термокарстовых озер по аэрокосмическим снимкам (рис. 11), в том числе, на территории Центральной Якутии ^[25].

Рис. 11. Фрагменты космических снимков территории эталонного участка № 3, Амга (из диссертации Т. В. Родионовой)

В диссертации Веремеевой А. А. (рис. 12) было проведено исследование современной динамики озерно-термокарстового рельефа тундровой зоны Колымской низменности по результатам данных космической съемки ^[36].

Рис. 12. Изменение площади термокарстовых озер за 1965 и 2014 годы. Космоснимок Landsat 8 (из диссертации А. А. Веремеевой)

Капралова В. Н. в своем диссертационном материале, для изучения закономерностей развития термокарстовых процессов в пределах озерно-термокарстовых равнин (рис. 13), с помощью дистанционного исследования по космическим снимкам, разделила северные территории Канады, Аляски (США) и России на участки и обследовала их ^[37].

Рис. 13. Схема расположения участков в пределах территории России (из диссертации В. Н. Капраловой).

Все эти диссертации защищены в начале нового тысячелетия с применением дистанционных методов космической съемки разного разрешения. Хотелось бы надеяться, что в будущем методика космической съемки будет широко использоваться, не только при мониторинге термокарстовых проявлений, но и других опасных природных процессов и явлений.

Выводы

1. Термокарстовые проявления в виде морозобойного растрескивания создают подвижность поверхности Земли, что в свою очередь приводит к напряженно-деформированному состояния трубопровода на участках магистрального водовода, создавая смещения, провисания, разрывы и разломы.

2. В результате исследования дистанционным методом по космическим снимкам участка «Табага – Бютейдях» выявлены, на некоторых участках процессы заболачивания – образование полигонального микрорельефа, а на местах мостовых переходов через небольшие речки – процессы термоэрозии, также на участке водохранилища «Мундулах» (п. Майя) были обнаружены места и зоны активизации полигонального микрорельефа.

3. Проведя обзор диссертационных исследований на термокарстовые процессы и явления, с помощью космической съемки, надо сказать, что многое будет зависеть от развития и доступности спутниковых технологий.