Прогноз развития термоэрозионных процессов в Ямало-Ненецком автономном округе при современных изменениях климата

Богатова Дарья Максимовна ORCID: 0000-0002-5883-7343 кандидат геолого-минералогических наук научный сотрудник, Географический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1 Bogatova Daria Maksimovna PhD in Geology and Mineralogy Senior Researcher; Laboratory of Geoecology of the North, Faculty of Geography; Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, Leninskie Gory str., 1 aleksyutina@gmail.com Другие публикации этого автора     Аляутдинов Али Раисович ORCID: 0000-0003-3653-3039 кандидат географических наук с.н.с, МГУ имени М.В. Ломоносова; Географический факультет; Кафедра картографии и геоинформатики 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. ГСП 1 Alyautdinov Ali Raisovich PhD in Geography Senior Researcher, Department cartography and geoinformatics, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, Leninskie Gory str., 1, of. GSP 1 ali_alia@mail.ru Железнова Ирина Владимировна ORCID: 0000-0002-4495-8742 кандидат географических наук с.н.с, МГУ имени М.В. Ломоносова; Географический факультет; Кафедра метеорологии и климатологии 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. ГСП 1 Zheleznova Irina Vladimirovna PhD in Geography Senior Researcher, Department of Meteorology and Climatology, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, Leninskie Gory str., 1, of. GSP 1 ijeleznova@gmail.com Кислов Александр Викторович ORCID: 0000-0003-0092-0643 доктор географических наук профессор, кафедра Кафедра метеорологии и климатологии, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. ГСП-1 Kislov Aleksandr Viktorovich Doctor of Geography Professor, Department of Meteorology and Climatology, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, Leninskie Gory str., 1, of. GSP-1 avkislov@mail.ru

Шишов Андрей Александрович студент, кафедра Географический факультет, Кафедра гидрологии суши,Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. ГСП 1 Shishov Andrei Aleksandrovich Student, Department of Land Hydrology, Laboratory of Geoecology of the North, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, Leninskie Gory str., 1, of. GSP 1 andrej.shishov2015@yandex.ru

Работа выполнена при поддержке госбюджетной темы НИР лаборатории геоэкологии Севера географического ф-та МГУ, № 121051100167-1 и кафедры метеорологии и климатологии географического ф-та МГУ, № 121051400081-7.

Введение

Эрозионные процессы включают в себя весь комплекс денудационных процессов, связанный с водными потоками. Эрозия – это линейное механическое разрушение грунта и вынос продуктов этого разрушения. В условиях развития многолетнемерзлых пород наиболее опасным процессом является термоэрозия – процесс разрушения мерзлых дисперсных пород за счет одновременного теплового и механического воздействия водных потоков, приводящих к врезанию водного потока в мерзлый массив с образованием борозд, рытвин и промоин ^[8]. В более агрессивной форме этот процесс приводит к формированию оврага и поэтому процесс называют овражной термоэрозией ^[7].

Основные предпосылки для проявления термоэрозионных процессов можно разделить на несколько групп факторов. Во-первых, ключевую роль играет геоморфологическая характеристика территории, а именно длины и уклоны склонов. Во-вторых, литологический и гранулометрический состав пород, а также их льдистость и температура определяют сопротивление грунта к тепловому и механическому воздействиюя текущей воды ^[4]. В-третьих, важным фактором является сумма осадков, в особенности осадки в зимний период и ливневые осадки в летний период. Они способствуют высокой концентрации стока в короткие промежутки времени, что приводит к стремительному разрушениюя пород и выносу больших объемов рыхлого материала ^[2]. Наконец, закрепление верхнего слоя грунтов растениями, в особенности древесными формами (при наличии), можно считать главной причиной, противодействующей развитию термоэрозии.

Термоэрозия приводит к вертикальному расчленению рельефа, нарушению почвенно-растительного покрова и активизации других экзогенных денудационных процессов – оползней, оплывов, солифлюкции, русловой эрозии и других ^[11]. В условиях эксплуатации территорий для добычи полезных ископаемых, сопровождаемых строительством инженерных сооружений, формируются предпосылки для увеличения темпов развития термоэрозии в связи с сокращением площади растительности, задержанием дополнительных масс снега и увеличением глубины сезонного оттаивания при техногенной нагрузке ^[12].

В пределах Ямало-Ненецкого автономного округа термоэрозия проявляется преимущественно в арктической тундре, что связано прежде всего с ландшафтными и климатическими характеристиками данной природной зоны – малым количеством фитомассы и в особенности ее корневой системы, большими запасами воды в снежном покрове и высокими расходами воды при снеготаянии ^[1]. По мере продвижения на юг, в зоны южной тундры и северной тайги, длина термоэрозионных оврагов и их густота резко уменьшаются, несмотря на увеличение перепадов высот и крутизны склонов.

Для территории ЯНАО по результатам климатического моделирования к середине XXI века по данным наиболее «жесткого» сценария изменения климата SSP5-8.5 ожидается повышение средних температур в зимний период до 4,5°С и до 2,5°С в летний период, а также увеличение месячных сумм осадков в зимний период на 10% ^[13]. Увеличение глубины сезонно-талого слоя вкупе с ростом речного стока может приводить к интенсивному росту объемов выноса материала по овражной сети. Деградация многолетнемерзлых пород (ММП) при изменении климата также способствует формированию эрозионных форм в тех районах, где ранее грунты были плотно сцементированы за счет льда-цемента, а также в связи с протаиванием повторно-жильных льдов и развитием овражной термоэрозии по вскрывающимся обнажениям подземного льда в речных и морских береговых уступах.

Территория исследований

Территория исследования расположена в области сплошного распространения многолетнемерзлых пород на севере (полуостров Ямал, Тазовский и Гыдан), в области прерывистого и островного распространения многолетнемерзлых пород в центральной и южной частях ЯНАО ^[3]. Распространение ММП по площади будет определять развитие термоэрозионных процессов, ввиду их чувствительности к изменению климата. С точки зрения ландшафтов с севера на юг они сменяются от тундровых и лесотундровых до таежных ^[9].

Методика исследований

Для выявления областей, подверженных термоэрозионным процессам, и для их прогнозирования при изменении климата использовались геологические карты, литературные данные и фондовые материалы. Предгорный и горный районы Уральских гор не рассматривались в данной работе. На первом этапе в программном пакете ArcGIS (ArcMap 10.4.1) производилась привязка карт по уклону поверхности, расчлененности рельефа, геологическому строению и льдистости пород ^[9]. На следующем этапе проводилось картирование областей распространения термоэрозионных оврагов и повторно-жильных льдов на основе современных космических снимков (Google Earth). Сравнение разновременных снимков позволило уточнить активность и темпы развития термоэрозии на разных участках изучаемой территории. Анализ данных дистанционного зондирования был сопоставлен с привязанными картами для выявления закономерностей протекания термоэрозии при различном наборе геологических и геоморфологических факторов на локальном уровне.

Далее использованы данные современного состояния климата (температуры и осадков по данным реанализа ERA5 [тут можно добавить ссылку на реанализ и, может быть, еще раз на статью в Atmosphere[УзМ1] ]) для построения связей между метеорологическими характеристиками и интенсивностью термоэрозионных процессов. Таким образом, выявлены доминирующие факторы, способствующие термоэрозионному разрушению грунтов, на различных участках территории. Следует понимать, что рост летних температур и сумм осадков, безусловно, ускоряет протекание термоэрозии, однако в определенных районах тяжелый гранулометрический состав отложений (суглинки и глины) и малые уклоны поверхностей препятствуют ее возникновению вне зависимости от климатических условий.

Изменения климата, прогнозируемые к 2050 г. по результатам климатического моделирования ^[13], сопоставлены с имеющимися данными с целью выделения областей, подверженных рискам негативного воздействия термоэрозионных процессов в описанной перспективе. Наиболее опасными признаны те районы, где ожидается устойчивое увеличение температур и осадков при геолого-геоморфологической предрасположенности. Средняя степень риска предполагается на участках с неоднозначным сочетанием ландшафтных условий и климатических изменений, в частности, в областях с прерывистым распространением многолетнемерзлых пород. Низкая вероятность развития термоэрозии ассоциируется с районами, мало затронутыми изменениями климата, а также с таликами в долинах крупных рек и других водных объектов.

Результаты и обсуждение

В настоящее время термоэрозионные процессы на территории ЯНАО развиты повсеместно, но с различной интенсивностью (Рис.1). В пределах Ямальского, Гыданского и Тазовского полуостровов при сильном расчленении рельефа овражная термоэрозия широко распространена ввиду наличия повторно-жильных льдов, вытаивание которых провоцирует быстрый рост оврагов. Активность процесса оврагообразования значительно усиливается при локальном взаимодействии с речной эрозией, которая в определенных местах подготавливает высокие обрывистые коренные берега к поперечному воздействию термоэрозии ^[2]. Кроме того, морские абразионные и термоабразионные клифы также подвержены разрушению в связи с термоэрозией по перпендикулярным направлениям. Значительные части Приуральского, Надымского и Шурышкарского районов также отнесены к областям высокого риска, в первую очередь благодаря сильному расчленению рельефа.

Рис. 1. Интенсивность термоэрозионных процессов в ЯНАО к 2050 г.

Важным фактором развития термоэрозионных процессов является техногенное вмешательство в естественные условия. Исследования в районе Бованенковского нефтегазового месторождения показали, что главным условием возникновения и развития овражной термоэрозии является полное или частичное удаление почвенно-растительного покрова, особенно в виде линейных нарушений. На склонах это приводит к перехвату и концентрации рассредоточенного стока при снеготаянии и выпадении дождей, возникновению временных эродирующих потоков, которые за счет теплового и механического воздействия на мерзлые, особенно песчаные, грунты рассекают многолетнемерзлые массивы дисперсных пород на глубину до 8-10 м. В результате возникновения глубоких термоэрозионных врезов прилегающие участки территории теряют устойчивость на расстоянии, превышающем в 3-4 раза глубину вреза. Такие врезы длиной 100-300 м в течение одного-двух месяцев превращаются в типичные V-образные овраги ^[7]. Таким образом, изменение климата совместно с техногенным фактором может иметь катастрофические последствия для территории вследствие развития термоэрозионных процессов, причем влияние оказывается и на природные ландшафты, и на антропогенную инфраструктуру.

Пуровский, Красноселькупский и южная часть Надымского административных округов расположены в области прерывистого или островного распространения многолетнемерзлых пород, поэтому изменения климата не так сильно будут влиять на термоэрозионные процессы. Однако, поскольку эрозионные врезы являются одним из способов дренирования термокарстовых озер ^[10], а термоэрозионное разрушение перемычки между озером и рекой может привести к быстрому (за 1-2 сезона) спуску озера, нельзя не учитывать возможные негативные последствия локального характера.

Анализ космоснимков показал, что почти все участки всех рек в Ямало-Ненецком Автономном округе имеют меандрирующее русло (рис. 2).

Рис. 2. Меандрирующее русло реки Юрибей, Ямал

Такой вид русла свидетельствует о том, что в нем происходит преимущественно боковая эрозия с переотложением аллювия и с ослабленным локальным углублением. Крупные реки местами имеют разветвленное русло, что говорит о том, что аккумуляция в таких частях преобладает над эрозией. Изменение климата, сопровождающееся увеличением осадков и ростом уровня моря будет способствовать дальнейшей аккумуляции материала и замедлению эрозионной деятельности в долинах рек, а также на ровных участках. Районы с наименьшей интенсивностью термоэрозионных процессов относятся в основном к элементам гидрографической сети территории – рекам Обь, Пур, Таз, Надым и их притокам. Также реки выступают в качестве локального базиса эрозии для временных водотоков, дренирующих их поймы и террасы. Изучение собственно эрозионных и русловых процессов, связанных с транспортом наносов речными потоками, более подробно рассмотрено в других работах ^[5].

Выводы

Потепление климата Арктики является важнейшим фактором, определяющим динамику различных природных процессов в регионе и требующим комплексных оценок при планировании землепользования, строительства объектов инфраструктуры и развития отдельных отраслей экономики. Термоэрозия как один из главных и наиболее стремительных процессов рельефообразования может усиливаться многократно при потере устойчивости грунтов, связанной с деградацией мерзлых пород, и может охватывать значительные площади, угрожая безопасности населения и промышленных объектов. В северной части Ямало-Ненецкого автономного округа по сравнению с настоящим временем активизация термоэрозии может быть обусловлена увеличением температур и оттаиванием грунтов, в южной части – увеличением сумм осадков при уже существующей несплошности многолетнемерзлых пород. Предложенная схема районирования территории по степени рисков является генерализованной и обобщенной, поскольку ее целью было отражение общих особенностей развития данного процесса при наличии обобщенных данных о динамике основных климатических параметров. Более детальная расчетная оценка темпов термоэрозии на репрезентативных участках изучаемой территории должна проводиться по данным натурных наблюдений и основанных на этихим данных методоах расчетов.