ПРОБЛЕМЫ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА В КРИОЛИТОЗОНЕ: ОСОБЕННОСТИ, КРИОГЕННЫе ПРОЦЕССы, МОНИТОРИНГ, ПРОГНОЗИРОВАНИЕ

(отчет о результатах научных исследований)

Ответственный исполнитель, ведущий научн. сотр., д.г.н.

С.О. Разумов

Якутск 2009

Реферат

Отчет 29 страниц, 11 рисунков, 2 таблицы, список литературы (32 наименования).

Ключевые слова: криолитозона, многолетнемерзлые породы, геокриологические условия, экзогенные криогенные процессы, льдистость грунта, гидротехническое строительство, водохранилище, оттаивание мерзлых пород, прогнозирование, техногенное воздействие, риски природопользования.

На основе проведенного анализа литературных и собственных данных рассмотрена специфика строительства ГЭС в криолитозоне, закономерности развития экзогенных криогенных процессов (комплекс склоновых явлений, разрушение берегов, протаивание мерзлоты) в связи с созданием крупных водохранилищ.

Приводится информация о темпах разрушения криогенных берегов водохранилищ. Затрагивается вопрос о геокриологическом мониторинге в связи с гидротехническим строительством. Оценивается предполагаемая активность термоабразии берегов при создании водохранилищ в различных мерзлотно-геологических условиях. Даются обобщенные прогнозные оценки развития протаивания мерзлоты под дном водохранилища в условиях относительно высоких отрицательных температур многолетнемерзлых пород и разных среднегодовых температур дна.

Обосновывается принципы функционирования природно-техногенных криогенных систем, возникающих при гидротехническом строительстве в криолитозоне. Оценивается возможная интенсивность развития экзогенных криогенных процессов в условиях изменения климата и воздействий на поверхность мерзлоты техногенных факторов. Оцениваются риски природопользования в криолитозоне в переменных климатических условиях. Даны рекомендации по минимизации этих рисков.

Рассмотрены последствия воздействий гидротехнического строительства на речные бассейны. В частности, ввиду зарегулирования стока рек мала вероятность летнего подтопления прилегающих территорий, а интенсивность эрозионной составляющей русловых и береговых процессов снижается по сравнению с естественными условиями. Изменения термического режима и естественного хода уровня могут отразиться в сокращении срока ледостава на реках и в формировании современных мерзлых пород в пределах пойменных участков нижнего бьефа.

Организация-исполнитель проекта: Учреждение Российской Академии наук Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН. Адрес, банковские реквизиты: 677010, г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36, ИНН 1435017643; КПП 143501001 Банковские реквизиты: УФК по РС(Я) (ИМЗ им. П.И. Мельникова СО РАН л/счет 06401101780), р/с 40503810000001000065 в ГРКЦ НБ Респ. Саха (Якутия) банка России г. Якутск, БИК 049805001

Директор Института доктор технических наук Чжан Рудольф Владимирович

Контактные телефоны и E-mail: (4112)334-476 (факс), [email protected].

Исполнители проекта: Зав. лаборатории криогенных процессов, д.г.н. М.Н. Григорьев, зав. лаборатории региональной геокриологии, д.г.н. В.В. Куницкий, старший научн. сотр., д.г.н. С.О. Разумов, (411)334-897, [email protected].

Содержание

		Стр.
1.	Особенности гидротехнического строительства в криолитозоне …………..	4
2.	Развитие береговых криогенных процессов и оттаивание мерзлоты под ложем водохранилищ …………………………………………………………..	5
3.	О геокриологическом мониторинге активности экзогенных геологических процессов, спровоцированных созданием водохранилища ……………….....	11
4.	Прогнозные оценки и основные рекомендации по минимизации воздействия ………………………………………………………………………	13
4.1.	О проблемах и достижениях в прогнозировании динамики берегов водохранилищ криолитозоны и протаивания мерзлоты под их ложем …...	13
4.2.	Прогнозные оценки скорости переформирования берегов и протаивания мерзлоты ………………………………………………………………………….	16
4.3.	Прогнозирование реакции многолетнемерзлых пород на природные и техногенные воздействия (развитие экзогенных криогенных процессов в природно-техногенных системах) ………………………………………………	18
4.4.	Рекомендации по минимизации техногенных воздействий …………………..	25
5.	Влияние гидротехнического строительства на реки (речные бассейны) в зонах распространения многолетнемерзлых пород ……………………………	26
	Список литературы ………………………………………………………………	27

1. Особенности гидротехнического строительства в криолитозоне

Гидротехническое строительство ГЭС в криолитозоне всегда выполняется в уникально сложных инженерно-геокриологических условиях. Определяющим фактором инженерно-геокриологических условий являются наличие в основаниях сооружений гидроузла и боковых примыканиях плотины слабопрочных пород, нарушенных оползневыми процессами, мерзлых в бортах долины и талых под руслом. Эти породы в различной степени засолены и подстилаются мощной толщей образований, насыщенных минерализованными водами, криопэгами, гидравлически связанными с уровнем перекрываемой плотиной реки. Достижение границы оттаивания пород оползневых зон скольжения может приводить к обрушению от нескольких до десятков тысяч кубометров неустойчивых масс.

Оползневые структуры могут прослеживаться на десятки километров от створа плотины и до 1-3 км вглубь склонов.

В оползневых телах обычно отмечаются многочисленные трещины, среди которых особую группу представляют гравитационные трещины отрыва, трещины отседания, которые формируются в мерзлом массиве предположительно и в наше время. Трещины могут сообщаться между собой. При этом поднятие уровня водохранилища сопровождается оттаиванием и выносом заполнителя из крупных трещин с возможной сосредоточенной фильтрацией вод в обход сооружений.

Повышение напора при создании водохранилища в некоторых случаях может привести к внедрению рассолов в вышележащие массивы по ослабленным участкам, растворению природного льда и, соответственно, деградации мерзлых толщ, активизации оползневых процессов, водообмена между подземными водами и водохранилищем. Эти процессы могут носить катастрофический характер. Достаточно сказать, что коэффициенты фильтрации оползневых блоков при их оттаивании оцениваются Ленгидропроектом в 50-100 м/сутки, а коэффициент фильтрации пород с зияющими трещинами в тысячи метров. В других случаях напор водной массы водохранилища может полностью или в большей части подавить разгрузку в акваторию минерализованных подземных вод, изменяя, таким образом, гидрохимическую составляющую экологических условий в позитивную сторону.

Процессы формирования чаши водохранилищ вне криолитозоны изучены достаточно удовлетворительно. С. Л. Вендров [1979] выделяет несколько основных факторов, определяющих своеобразие водохранилища: резкое несоответствие рельефа территории будущего водохрани­лища его гидрологическому режиму; изменения свойств горных пород вследствие обводне­ния; стоковые течения; сезонные и многолетние изменения уров­ня воды. Первый из перечисленных факторов является причиной по­вышенной активности береговых процессов в начале существования водохранилища. Колебания уровня воды увели­чивают ширину береговой зоны и время достижения стадии динамического равновесия.

Изложенные особенности в полной мере прояв­ляются, когда ложе водохранилища сложено мерзлыми породами. Но обводнение горных пород при создании водо­хранилищ в криолитозоне происходит совсем не так, как за ее пределами. Как правило, многолетнемерзлые породы (ММП) водонепроницаемы. Поэтому дно водохранилищ, создаваемых в области сплошного распростра­нения ММП, в начальный период обычно является водоупором. После наполнения водохранилища в зоне постоянного затопле­ния начинается протаивание ММП, которое под большими водо­хранилищами заканчивается полной деградацией мерзлой толщи.

Под влиянием водохранилища развиваются береговые криогенные процессы, активизируются оползни, многолетнемерзлые породы в затапливаемых бортах долины деградируют. Главная проблема стабильного и безопасного функционирования гидроэлектростанции – устойчивость динамической криогенной системы, как основания гидротехнических сооружений, в изменяющихся природно-климатических и инженерно-геокриологических условиях. Активизация береговых криогенных процессов существенно влияет на эти условия, изменяет температурный и влажностный режимы массива мерзлых пород, способствует разрушению верхнего трещиноватого слоя скальных пород. При нарушении естественного мерзлотного состояния они становятся неустойчивыми и легко разрушаются. Еще одно негативное следствие развития криогенных процессов – активное формирование провалов и трещин отседания, обусловленное деградацией мерзлоты в береговой зоне водохранилища.

Глубокое сезонное промерзание грунтов (до 4-5 м) в зоне островного распространения многолетнемерзлых пород, а также сплошное их развитие восточнее этой зоны накладывают определенный отпечаток на условия разрушения берегов. Длительное сохранение сезонно-мерзлого слоя является сдерживающим фактором размыва берегов в начальный период после вскрытия ото льда водохра­нилища, а также в осенний период до замерзания водохрани­лища, когда поверхностные слои грунта промерзают на 0.5-1 м и образуются забереги.

Таким образом, при изучении районов криолитозоны, проектируемых под водохранилища, оценка мерзлотных условий и активности экзогенных процессов на прибрежных территориях приобретает самостоятельное значение в комплек­се инженерно-геологических изысканий.

2. Развитие береговых криогенных процессов и оттаивание мерзлоты под ложем водохранилищ

В этом разделе рассматриваются наиболее опасные экзогенные криогенные процессы, развитие которых в связи с изменениями климата и строительством ГЭС может существенно повлиять на геокриологическую обстановку прибрежной суши и ложа водохранилища, а также в основании строящихся инженерных сооружений. Кроме того, в 4 разделе отчета приводятся уже разработанные Институтом мерзлотоведения СО РАН количественные оценки последствий воздействия на многолетнемерзлые породы природно-техногенных факторов и оценки рисков природопользования в криолитозоне.

Изменения климатических условий в сторону относительного потепления (например, прогноз Главной Геофизической обсерватории [Meleshko et al, 2006]) вызывает активизацию таких экзогенных криогенных процессов, как тепловые просадки, термокарст, суффозионно-термоэрозионные и заболачивания особенно в пределах участка развития мерзлых дисперсных пород с массивными льдами. Возрастает интенсивность оползневых (солифлюкционных) процессов и боковой термоэрозии в льдистых склоновых отложениях. Потепление обусловливает развитие процессов преобразования сильно трещиноватых скальных пород. Здесь активизируется процесс формирования трещин и борозд отседания, а также оползневые процессы.

При наполнении водохранилищ криолитозоны к развивающимся в естественных условиях экзогенным (в том числе криогенным) процессам добавится такой мощный фактор переработки берегов, как термоабразия, которая, в свою очередь, вызывает усиление активности развития комплекса склоновых процессов (оползней, отседаний склонов, солифлюкция) и термокарста. В пределах распространения льдистых рыхлых отложений, кроме тепловых деструктивных процессов, будут активно развиваться такие процессы как криосолифлюкция, протаивание и осадка затапливаемых рыхлых мерзлых отложений, оттаивание многолетнемерзлых пород в бортах водохранилища и соответствующее распространение талика за пределы его акватории.

До недавнего времени на территории с ММП не было значи­тельных по размерам искусственных водоемов. Наблюдения за развитием берегов существующих водохранилищ проводятся в недостаточном объеме. Поэтому фактических данных о темпе и характере разрушения термоабразионных берегов водохранилищ очень мало. Береговые склоны, сложенные рыхлыми мерзлыми отложениями и имеющие крутизну более 5°, будут подвергаться термоабразии, интенсивность которой определяется целым комплексом факторов. При этом важную роль кроме известных факторов (разгон волны, направление и скорость господствующих ветров) играют многолетнемерзлые породы, слагающие берега, а также наличие в их составе подземных льдов. Развитие берегов водохранилищ в значительной степени обусловлено зависимостью колебаний уровня от режима эксплуатации. Факторами, сдерживающими абра­зионное разрушение берегов, яв­ляются наличие полузатопленного леса, особенно плав­ника, и малая продолжительность безледного периода [Newbury et al, 1978].

На берегах водохранилищ, кроме известных абазии и термоабразии, проявляется ряд других различных береговых процессов. Это формирование подводного профиля динамического равновесия, спрямление берегов, формирование баров, поглощение вдольберегового пото­ка наносов подводными депрессиями и т.д. Количественные исследования развития таких процессов, прямо воздействующих на динамику береговой зоны, до сих пор не проводилась. Вероятно, при гидротехническом строительстве в криолитозоне развитие могут получить процессы формирования оврагов на прибрежной суше. Наблюдения в таежной зоне Ангарских водохранилищ показывают, что возникновение и рост оврагов начинается в первые годы после вырубки леса на склонах, сложенных песчаными и пылеватыми отложениями.

На участках с карбонатными породами широко раз­вивается карстовый процесс. Из всех форм проявления карста осо­бенно многочисленны воронки, распространенные в пределах террасированных склонов речных долин. Обычно карстовые провалы имеют округлую форму с диаметром до 5, а в отдельных случаях до 15 м при глубине 1-12 м. Много провалов формируется на площадях, где карстующиеся породы залегают на значительной глубине, а сверху перекрыты достаточно мощ­ной толщей рыхлых мерзлых отложений. Влияние карстового процесса на формирование мерзлых абразион­ных берегов весьма значительно. Обнажающиеся при размывах карбонатные породы находятся в сильно раз­дробленном состоянии. Размеры обломков различны, но в об­щей массе преобладают мелкие легко переносимые фракции. При образовании уступов разрушение пород в над­водной части берега происходит в виде обвалов и осыпей, по­ставляющих в приурезовую часть мелкообломочный материал.

Как уже упоминалось, начало переработки берегов водохранилища обусловит активизацию склоновых (в том числе криогенных) процессов, интенсивность которых зависит от высоты и крутизны речных берегов, а также от льдистости мерзлых пород. Эти процессы являются следствием увлажнения и переработки почвогрунтов в волноприбойной зоне. На береговых склонах выше этой зоны будут развиваться главным образом криогенные отседания и оползания поверх­ностного слоя пород мощностью до нескольких метров, что наиболее активно проявится на участках развития карбонатных пород.

При оползании почвогрунтов обнажаются наиболее льдис­тые верхние горизонты многолетнемерзлых пород, которые ин­тенсивно оттаивают, способствуя развитию другого процесса - быстрого солифлюкционного оплывания грунтов. О масштабах развития процесса можно судить по данным наблюдений И.П. Константинова (Институт мерзлотоведения СО РАН) на берегу Вилюйского водохранилища. За три теплых сезона был обнажен до коренных карбонатных пород склон высотой 10-15 м и длиной около 200 м. Мощность переместившегося вниз покровного слоя и наиболее выветрелой части подстилаю­щих пород составляла до 1.5 м. В последующем на подоб­ных участках развиваются курумы и осыпи.

При заполнении водохранилища предполагается развитие значительного количества новых провалов, часть которых будет приурочена к днищам старых воронок, но наибольшее количество сформируется на площадях, где ранее не отмечалось каких-либо поверхностных карстовых форм (как, например, на Братском водохранилище). Рассмотрим с чем это связано. Часто на берегах водохранилищ криолитозоны встречаются своеобразные формы рельефа в виде деформаций поверхности, пред­ставляющие рвы глубиной до 10-12 м, шириной 1-8 м при длине не более 50 м. Их дно занято рыхлым грубообломочным и мелкозернистым материалом, под которым сохраняется трещинный подземный лед с взвешенным в нем обломочным материалом. Подобные формы рельефа, встречающиеся в районе Вилюйского водохранилища, Усть-Илимской ГЭС, описаны Ю.Б. Тржцинским с соавторами [1969] как оползневые рвы. Однако по данным И.П. Константинова, никаких явных признаков оползаний на этих формах не проявляется. Эти формы рельефа он относит ко рвам отседания, характерным для склонов и присклоновых участков плато. Они формируются в результате некоторого обособления крупных блоков траппов от основного его массива по вертикальным тектониче­ским трещинам. Подстилающие эти блоки относительно пластичные породы расплю­щиваются. Тектонические трещины в связи с этим расширяются и заполняются продуктами выветривания. Рвы отседания инициализируют процессы оползания или обваливания и осыпания. В отдельных случаях (например, на берегах Братского водохранилища) отмечалось отседание прибрежных участков суши в береговой полосе шириной до 100 м. Такие участки отделяются трещи­нами, по которым происходит смещение значительных площадей суши.

Процесс отседания развивается довольно медленно, но опасность его заключается в том, что на участках с доста­точно мощным почвенным покровом этот процесс ничем себя не обнаруживает. Рассматриваемые формы рельефа проявляются достаточно активно лишь при заполнении водо­хранилища, что способствует вытаиванию трещинных льдов. Непосредственной причиной их образования можно считать, следовательно, термокарст, развитию которого предшествует образование трещин, оседание и замерзание поступающей в них воды (рис. 2.1). Таким образом, эти формы рельефа в целом имеют смешанный генезис. Их образование будет весьма благоприятствовать абразионному разрушению берегов, сложенных трещиноватыми скальными породами даже при сравнительно слабом волнении.

Рис. 2.1. Термокарстовый провал по трещине оседания (фото И.П. Константинова)

Итак, создание водохранилищ в криолитозоне инициирует целый комплекс экзогенных процессов, среди которых, по-видимому, наиболее активно будут развиваться, наряду с термоабразией, крупные оползни. Следует отметить, что характер и направленность речной эрозии оказывает главное влияние на общее развитие оползневого про­цесса в осадочных породах. Так, донная эрозия создает благоприятные условия для сдвиговых смещений, а боковая эрозия обусловливает глубинную ползучесть склонов. Вместе с тем динамичность оползневых склонов определяется положе­нием кровли рыхлых пород по отношению к урезу реки. В случае значительной приподнятости кровли рыхлых отло­жений большинство оползневых склонов стабиль­но (до заполнения водохранилищ). Особенно отчетливо это прослеживается на участках долин рек, где быстрый эрозионный врез привел к затуханию оползневого процесса.

Общей особенностью оползней в осадочных породах является возможность их образования на склонах крутизной более 16° и высотой более 20 м. В зависимости от высоты и соотношения разных пород в слагающем их разрезе выделяют­ся одно-, двух- и даже трехъярусные оползневые склоны. Одно­ярусные оползни развиты на склонах высотой от 20 до 80 м, они имеют однотипное строение: нижняя часть сложена глини­стыми отложениями, верхняя - траппами, песчаниками, карбонатами. Здесь могут развиваться как пластические, так и сдвиговые деформации. Двух- и трехъярусные оползни отмечаются на склонах вы­сотой до 200-300 м. Их геологическое строение характеризует­ся неоднократным переслаиванием жестких и слабых пород.

В приводораздельных частях долин, как правило, развиты де­формации, обусловленные глубинной ползучестью. Они пред­ставлены блоками, разделенными между собой рядами рвов глубиной от 3 до 40 м. Подобные деформации встречаются, например, среди всех региональных типов оползней Сибирской платформы. В процессе формирования рельефа и эрозионного вскрытия глинистых отложений в основаниях речных откосов происходит изменение характера напряженного состояния массива, возра­стает влияние касательных напряжений, направленных в сторо­ну склона. На некоторых глубинах, зависящих от высоты и крутизны склонов и свойств слагающих их пород, соотношение между касательными напряжениями и прочностью связей ока­зывается таковым, что появляется зона течения, т. е. такая зона, в которой глинистые породы разупрочняются, де­формируются и начинают течь и выдавливаться в основаниях эрозионных уступов. Вот такое медленное течение грунтов на глу­бине названо Г. И. Тер-Степаняном [1968] глубинной пол­зучестью склонов. В подобном состоянии многие оползневые склоны Братского и Усть-Илимского водохранилищ находятся на протяжении всего антропогена. Это является весьма необычным для нор­мального, как правило, многостадийного хода развития ополз­ней. Такие деформации поражают и грандиозностью своих раз­меров (рис. 2.2, 2.3) В смещениях участвуют отдельные блоки, объем которых достигает нескольких миллионов кубических метров.

Наиболее часто такие явления наблюдаются в интрузивных траппах, где пластовые залежи перекрывают пасчано-глини­стые отложения. Трапповые массивы, вовлеченные в гравита­ционное смещение иногда до местных водоразделов, создают своеобразный грядовый рельеф. В областях развития пла­стовых трапповых тел на Сибирской платформе такие ополз­ни - явление обычное. Особенно широко подобные явления развиты и в областях рас­пространения моноклинально залегающих осадочных образо­ваний, представляющих собой чередование глинистых и карбонатно-песчаниковых отложений.

При благоприятных условиях глубинная ползучесть при­водит не только к деформациям склонов речных долин, но и способствует расползанию местных водоразделов. Такие явле­ния особенно часто наблюдаются на водоразделах Средней Сибири (Ангара - Илим и Илим - Лена) и характерны для нешироких, относительно ровных междуречных пространств, ограниченных с двух или трех сторон глубоко врезанной эрозионной сетью. В этом случае в средних частях водоразделов наблюдается несколько рядов трещин-рвов, ориентированных по простиранию водораздела. Рвы располагаются в виде цепочек (прерывистых прямых разломов земной поверхности), при этом наблюдаются отчетливые пере­ходы от узких рвов - «ущелий» шириной 4-6 и длиной до 40 м - к неглубоким широким пологонаклонным западинам. Общая протяженность таких деформированных зон 1-1.5 км. Возникновение рвов, рассека­ющих водоразделы, обусловлено расползанием склонов, выз­ванным медленным пластическим течением глинистых пород.

Рис. 2.2. Оползневые смещения на берегах Братского водохранилища (Ю.Б. Тржцинский, Н.И. Демьянович)

Рис. 2.3. Оползание глыбового материала на берегах Усть-Илимского водохранилища (Ю.Б. Тржцинский, Н.И. Демьянович)

При небольшой мощности глинистого слоя исклю­чаются катастрофические смещения оползающих блоков по­род. Наряду с деформациями склонов, вызванными медленным пластическим течением глинистых пород основания, в пределах Сибирской платформы широко развита и другая группа ополз­ней, возникающих в результате быстрого смещения - соскаль­зывания массивов пород, обусловленного сдвиговыми деформа­циями. Такие оползни возникают в том случае, когда глинистые породы основания имеют значительную мощность. В результате смены пластических деформаций сдвиговыми перекрывающие блоки консолидированных пород в моменты их резкого смещения в сторону русла образуют оползневые ступени с ти­пичной бугристой поверхностью. Они запрокинуты в глубь склона под углом 25-30°. Располагаясь кулисообразно, смещен­ные блоки образуют оползневые амфитеатры протяжен­ностью до 2 км, ширина зоны деформаций изменяется от 50 до 600 м.

Одновременно с перемещением глыб происходит интенсивное выдавливание подстилающих рыхлых пород. В нижних ча­стях склонов, на пляжах рек образуются валы выдавливания, а в руслах рек возникают перекаты. В момент сдвига происходит смещение отдельных частей блоков и жест­кого кроющего массива, что подтверждает наличие оползневых зеркал скольжения.

Современные оползни характеризуются большим разнооб­разием морфологического строения. В пределах проектируемых в криолитозоне водохранилищ предположительно будут развиты блоковые, глыбовые и сложные оползни, формирующиеся в скальных и полускальных породах, и оползни-сплывы в рыхлых четвертичных образованиях. В карбонатных породах образование ополз­ней связано с процессами карста, активно протекающими на отметках уровня воды и ослабляющими несущую способность горных пород. В песчаниково-глинистых отложениях процесс оползания определяется пластическими свойствами глинистых пород, а поверхности скольжения приурочены к плоскостям наслоения этих пород и трещинам различного генезиса.

Антропогенное изменение природной обстановки вносит су­щественные коррективы в развитие оползневых процессов, которые существенно активизируются, как и трещины отседания, при заполнении водохранилища. Об этом свидетельствуют данные исследований этих процессов на берегах ангарских и вилюйских водохранилищ. Оползни на участках их распространения значительно ос­ложняют формирование береговой зоны. Например, на крутых и высоких оползневых склонах в результате подвижек вероятны деформации склонов, захватывающие значитель­ную ширину береговой зоны. Медленное смещение отдельных блоков пород может проявляться на поверхности в виде провальных воронок и рвов с выдавливанием глинистого материала и обра­зованием валов выпирания, как в подводной, так и в надводной части берегового склона.

Специфика формирования чаши водохранилища в криолитозоне такова, что обводнение горных пород под его дном развивается по мере их оттаивания, которое может продол­жаться десятки и сотни лет. В зоне периодического затопления в зависимости от климатических условий ММП мо­гут оттаивать или сохраняться неограниченно долго. За пределы уреза воды, соответствующего наиболее высокому ее уровню, протаивание ММП обычно не распространяется и, следовательно, прилегающая к водохранилищу суша не обводняется. Однако районы с достаточно крутыми береговыми скло­нами, сложенными в основном грубообломочным материалом с малым содержанием пылеватых и глинистых фракций является исключением из этого правила. Такие породы после протаивания приобретают большую водопроницаемость и насыщаются водой. При этом в талой зоне на склоне вступает в действие естественный своеобразный тепловой механизм, который вызывает оттаивание ММП и соответствующее распространение талика за пределы акватории водохранилища.

Механизм этого процесса детально описан Ф.Э. Арэ (1985). Суть его заключается в следующем. Вода, находящаяся в порах оттаявшей породы вблизи фронта протаивания, охлаждается и вследствие этого становится более тяжелой, чем вода в водохранилище. Возникает конвективный тепломассообмен, в процессе которого охлажденная вода фильтруется вдоль границы протаивания вниз по склону и выходит в акваторию водохранилища, а вместо нее в талую породу поступает более теплая поверхностная вода из во­дохранилища. При охлаждении воды в водохранилище ниже 8 °C система конвекции усложняется, а ниже 4 °C начинается дви­жение воды в обратном направлении, то есть вверх по склону. Очевидно, что под действием теплой воды, заполняющей поры оттаявшей породы на склоне, развивается также протаивание пород, находящихся выше уровня воды в водохранилище. Обра­зующаяся при этом талая вода стекает вниз, а поры над зеркалом воды заполняются воздухом. В этих порах возникает второй цикл конвективного тепломассообмена под действием разности, темпе­ратур поверхности воды и ММП. Более легкий воздух, нагрев­шийся у поверхности воды, поднимается вверх, а более холодный от границы ММП опускается вниз.

Вследствие описанных процессов теплообмена протаивание пород, слагающих ложе водохранилища, может распространиться за пределы акватории и выше уровня воды. В трещиноватых скальных породах граница талика может прони­кать на десятки метров за пределы акватории водохранилища. На участках по­верхности склона с сохранившимся почвенно-растительным покровом или слоем глинистых отложений с малым коэффициентом фильтрации, процессы тепломассообмена не развиваются, и талик за пределы акватории водохранилища не распространяется. Однако эти условия маловероятны при активном развитии термоабразии берегов и вызванных ею склоновых процессов.

Мало­льдистые крупнозернистые породы обла­дают хорошей водопроницаемостью даже в мерзлом состоянии и, оказавшись в зоне затопления, насыщаются водой. В процессе насыщения, несмотря на отрицательную температуру пород, вода не только не замерзает, но, наоборот, растепляет по­роды. Это объясняется тем, что их «запас холода» недостаточен для замораживания воды. В насытившихся водой породах развивается опи­санный выше конвективный тепломассообмен, вызывающий оттаивание ММП за пределами акватории водохранилища. При се­зонных или других изменениях уровня воды в водохранилище возможно попеременное дренирование и водонасыщение расматриваемых пород, залегающих в гипсометрических пределах ко­лебаний уровня. Эти процессы могут инициировать развитие межмерз­лотных таликовых зон за пределами акватории водохранилища. Описанные тепломассообменные процессы наблюдались в трещино­ватых скальных породах, слагающих берега Вилюйского водохранилища.

В случае распространения силь­но льдистых отложений (с массивными льдами), дающих осадку при оттаивании, со­зданное водохранилище будет углубляться. При этом увеличение его емкости мо­жет быть заметным. Углубление водохранилища приведет к увеличению энергии вол­нения и, следовательно, темпов пере­работки берегов.

3. О геокриологическом мониторинге активности экзогенных геологических процессов, спровоцированных созданием водохранилища

В России мониторинг развития береговых процессов на водохранилищах криолитозоны (Вилюйская ГЭС в Якутии, Синегорье в Магаданской области) не проводился, имеются лишь данные эпизодических наблюдений на берегах Вилюйского водохранилища. Данными о мониторинге развития берегов водохранилищ криолитозоны на территории других государств мы не располагаем.

Результаты наблюдений в районе Вилюйского водохранилища показы­вают, что в период заполнения водохранилища переработка берегов происходит наиболее интенсивно. Отмели носят преимущественно абразионный характер, и их очертания, по су­ществу, повторяют очертания самих склонов.

В пределах развития склоновых отложений величины размывов оказываются в основном неболь­шими. Термоабразия берегов Вилюйского водохранилища, сложенных слабосцементированными песчаниками (рис. 3.1), характеризуется скоростями 2-3 м/год. Аналогичные темпы разрушения берегов отмечаются, например, на Братском водохранилище. Здесь после 8 лет эксплуатации размывы на склонах, сложенных покров­ными отложениями и выветренными палеозойскими порода­ми, по участкам наиболее интенсивного волнения достигли 20-25 м, а в большинстве случаев размывы не превышают 10 м. При вскрытии абразией менее выветрелых толщ ежегод­ный размыв резко сокращается. Так, размыв берегов, сложенных плотными юрскими песчаниками и алев­ролитами, составил 5-7 м за 17 лет. Причем в последние годы этого периода ежегодный размыв таких берегов не пре­вышает 0.1-0.2 м.

Рис. 3.1. Термоабразионный берег, сложенный слабосцементированными песчаниками (Вилюйское водохранилище, фото И.П. Константинова)

Переработка берегов, сложенных магматическими порода­ми (например, долеритами) трапповой формации про­исходит несколько активнее по сравнению с аналогичными бе­регами за пределами области распространения мерзлых пород. Этому способствует интенсивное морозное выветривание в усло­виях всегда увлажненной береговой полосы. По обобщенной оценке опубликованных данных, отступание берегов, сложенных образовавшимся в результате морозного выветривания грубообломочным материалом протекает со скоростью от 2 до 5 м/год. На участках рыхлых отложений с льдистостью до 40% разрушение берегов в процессе термоабразии наиболее активное (4-6 м/год и более).

Стандартная система контроля, регламентируемая средними нормами СНиП, не охватывает ряда проблем, определяющих устойчивость гидротехнических сооружений в криолитозоне и сохранность природного комплекса. В этой связи необходимы дополнительные проекты комплексной системы натурных исследований влияния строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений на инженерно-геокриологические и экологические условия с тем, чтобы поэтапно прогнозировать и контролировать динамику этих взаимодействий.

Ленгидропроект и Институт мерзлотоведения СО РАН совместно разработали такую программу натурных исследований в периоды строительства и эксплуатации Вилюйской ГЭС. В основу программы заложены решения задач по изучению состояния и строения береговых массивов и динамики физических свойств слагающих их пород до заполнения водохранилища под воздействием естественных природно-климатических факторов и строительных мероприятий. Это позволит впоследствии контролировать и прогнозировать физические процессы, определяющие устойчивость сооружений и экологическую обстановку участка работ (оттаивание и засоление мерзлоты, термоабразия, оползневые процессы, обходная фильтрация, возможное влияние криопэгов на состав поверхностных вод и др.).

Однако, в связи с проблемами финансирования строительства Вилюйской ГЭС, практические работы по этой программе проводились в сокращенном объеме и касались в основном методических геофизических и лабораторных исследований по определению положения талых горизонтов в изучаемых массивах, режимных измерений в скважинах, лабораторных определений температур фазовых переходов в породах береговых массивов. Тем не менее, в результате этих исследований опробован ряд геофизических наземных, скважинных и лабораторных методов, что позволило выявить основной комплекс наблюдений, необходимый для подготовки и ввода в действие системы мониторинга состояния мерзлоты и экзогенных криогенных процессов в районе гидротехнического строительства, а также расширить возможности основного комплекса наблюдений. Хотя неполный объем работ по программе обусловил резкое уменьшение информативности проводимых исследований, удалось кое-что выяснить.

Учитывая чрезвычайную сложность инженерно-геокриологических условий гидротехнического строительства, существующие стандарты технической оснащенности геолого-геофизического мониторинга морально устарели и не соответствуют современным техническим требованиям. Без применения современных технических средств измерений и без совершенствования современной интерпретационной базы и средств обработки немыслимо получение исчерпывающей объективной информации о состоянии оснований гидротехнических сооружений и ложа водохранилища, особенно в предпусковой период, когда требуются срочные решения по обнаружению и ликвидации неблагоприятных ситуаций. Поэтому необходимо оснащение сети мониторинга современной скважинной и наземной геофизической аппаратурой с автоматизированной регистрацией измеряемых параметров и необходимым программным обеспечением (например, для решения задач по контролю динамики экзогенных криогенных процессов, мерзлотных и гидрогеологических границ, пространственному положению водоносных горизонтов и зон фильтрации, выявлению трещиноватых зон, зон дислокации и др.).

Создание долговременной системы натурных наблюдений для оперативного контроля и прогноза состояния и динамики массивов мерзлых горных пород в примыканиях и приплотинной части водохранилища, по нашему мнению, является крайне важным в предпусковой период для обеспечения сохранности сооружений и их дальнейшей безопасной эксплуатации.

Комплексная система наблюдений и контроля в зонах активного взаимодействия основных сооружений гидроузла с природным комплексом создается путем объединения требуемой контрольно-наблюдательной сети на ключевых участках с контрольно-наблюдательной сетью стандартной системы измерений, что повышает ее информативность в целом за счет комплексного многоцелевого использования наблюдательных скважин и участков.

4. Прогнозные оценки и основные рекомендации по минимизации воздействия

4.1. О проблемах и достижениях в прогнозировании динамики берегов водохранилищ криолитозоны и протаивания мерзлоты под их ложем

Применять знания о взаимодействии береговой криолитозоны с природными факторами для решения прогностических задач начали сравнительно недавно. Достижения в области моделирования и прогноза развития берегов водохранилищ криолитозоны, связанные с именами Ф.Э. Арэ, С.В. Томирдиаро, Г.А. Сафьянова, Е.С. Гоголева, А.И. Ермолаева, и других, были очень значительными. Хотя центральную проблему - нели­нейных взаимодействий между природными факторами и динамикой берегов до сих пор еще нельзя считать ре­шенной. Тем не менее, было понято многое нужное и полезное для критического рассмотрения существующих методов прогнозирования.

Конкретные предложения по методам прогнозирования разрушения берегов водохранилищ в криолитозоне, изложенные в публикациях [Томирдиаро и др., 1969; Томирдиаро, Рябчун, 1970, 1974; Молкин, 1972; Сафьянов, 1973; Го­голев, 1975, 1979; Ермолаев, 1980], проанализировал Ф.Э. Арэ [1985], сделав ряд важных критических замечаний. Он справедливо ограничивает применимость формулы Ньютона, предложенной С.В. Томирдиаро с соавторами для расчета величины отступания берегов с подводным обнажением поверхности мерзлых пород, отмечая, что такие берега не имеют широкого распространения. Их можно наблюдать на некоторых озерах Анадырской тундры.

Методика С.В. Томирдиаро и В.К. Ряб­чуна, а также аналогичное предложение Г.С. Молкина не рекомендуются им для использова­ния в практике прогнозирования, так как не учитывают основные факторы, определяющие развитие термоабразии во времени: размываемость пород, слагающих берега, и гидрологический режим водоема. Предложения А. И. Ермолаева о построении волнового профиля прибрежной отмели с учетом осадки оттаивающих пород и компенсации ее размываемым материалом при прогнозировании термоабразионного процесса - по существу, подтверждение опубликованных ранее разработок Е.С. Гоголева и Ф.Э. Арэ [1979а].

С подходом Е. С. Го­голева, в основу которого положен расчет температурного поля береговой зоны с учетом волнения через величину коэффи­циента теплоотдачи от воды к грунту, Ф.Э. Арэ не соглашается, поскольку на водоемах с большой энергией волнения скорость разрушения берегов определяется размывом оттаявших пород, а не тепловыми процессами. Кроме того, методика определения коэффициента теплоотдачи не разработана.

Институт мерзлотоведения СО РАН системно изучает разрушение мерзлых берегов с начала 1960-х [Григорьев, 1962, 1963, 1964; Арэ, 1964а, б]. Разработка вопросов прогноза термоабразионного процесса была начата лишь в 1970 г. [Арэ, 1974]. Сначала предложения, так же как разработки С.В. Томирдиаро, В.К. Рябчуна и Г.С. Молкина, основывались на том, что положение береговой линии и профиль береговой зоны на конечную стадию разрушения берега должны определяться с учетом понижения поверхности дна водоема вследствие тепловой осадки мерзлых пород. Тогда же выяснилось, что для создания универсаль­ной методики прогнозирования изученность термоабразионного процесса совершенно недостаточна. Поэтому в дальнейшем много внимания было уделено натурным исследованиям закономерно­стей и особенностей развития термоабразионных берегов различ­ных водоемов и водотоков. Это позволило разработать общие принципы прогнозирования термоабразионного процесса для водоемов и водотоков всех типов [Арэ, 1979б].

Тем не менее, объем фактических данных о переработке мерзлых берегов водохранилищ остается до сих пор крайне малым. В связи с этим актуальность прогнозирования переформирований берегов водохранилищ в криолитозоне, диктует необходимость поисков приближенных решений. В этом контексте была поставлена задача - выяснить возможности примене­ния методов прогнозирования динамики обычных берегов к берегам, сложенным мерзлыми породами. Надо отметить, что основные современные методы прогноза переработки немерзлых берегов водохранилищ имеют, по существу, экспериментальное обоснование, но, тем не менее, являются приближенными и нуждаются в дальнейшем усовершенствовании.

Известен вариант адаптации натурного моделирования Л.Б. Розовского (разновидность методов аналогий) к развитию берегов водохранилищ в условиях криолитозоны [Гуревич, 1984], в котором по атрибутивным критериям геологического подобия, морфологическим и динамическим типам берегов предварительно выбирается аналог, а дальнейшее уточнение производится с помощью количественных критериев подобия. В рамках этого метода невозможно решить задачу количественного описания совместного воздействия многолетних изменений циркуляционных и термических составляющих климата на темп термоабразии конкретного участка берега. На наш взгляд, для моделирования и прогноза развития льдистых берегов водохранилищ эти факторы играют существенную роль. Как уже упоминалось, изученность термоабразионных берегов водохранилищ слабая. Морфология и темпы разрушения их чрезвычайно изменчивы, а динамическая типизация еще не разработана. Указанные причины не допускают применение методов аналогий к прогнозированию динамики мерзлых берегов.

Результаты изучения развития берегов морей, озер, водохранилищ и рек криолитозоны позволили сделать ряд важных выводов, использованных для обоснования и разработки универсальной методики прогнозирования термоабразии берегов водохранилищ. Сформулированные принципы прогнозирования термоабразионного процесса связаны с влиянием мерзлого состояния отложений на его развитие, которое особенно проявляется, когда льдистость превышает пористость в талом состоянии, и определяют выбор методики прогноза в зависимости от величины осадки при оттаивании пород, слагающих берега. В частности, для берегов, сложенных избыточно льдистыми породами, рекомендуется учитывать уменьшение объема этих пород при размыве и углублении водоема вследствие протаивания и осадки дна.

В связи с этим надо подчеркнуть вытекающие отсюда важнейшие аспекты. Во-первых, уменьшается доля энергии волн, затрачиваемая на работу по размыву и транспортировке наносов в береговой зоне, поскольку объем поступающего в море минерального вещества меньше объема разрушения льдистого берега. Во-вторых, протаивание избыточно льдистых пород, слагающих дно, приводит к их просадке и углублению водоема, а, следовательно, к увеличению энергии волнения. Поэтому при прочих равных условиях с увеличением льдистости пород возрастает скорость термоабразии и предельная величина отступания берега, а если льдистость пород больше некоторого критического значения, разрушение берега приобретает незатухающий характер.

Методика прогноза термоабразии берегов больших водохранилищ, где ведущую роль в береговых процессах играет волнение, разработана наиболее детально [Арэ, 1979а, 1985]. Суть ее заключается в совместном применении метода Е.Г. Качугина [1959] и теплофизических расчетов оттаивания и просадки мерзлых пород с помощью уравнений В.Т. Балобаева [Арэ и др., 1974]. Предлагаемая методика прогнозирования позволяет рассчитать положение льдистых берегов больших водохранилищ на любой срок. Она пока не применялась для прогноза разрушения берегов реальных водохранилищ. Тем не менее, надежность широко используемого в практике метода Е.Г. Качугина и формул В.Т. Балобаева, а также подробное описание операций прогноза на примере проектируемого объекта позволяют рассматривать модель Ф.Э. Арэ как наиболее удачную основу для дальнейшего совершенствования методов прогнозирования динамики льдистых берегов водохранилищ. Вместе с тем, эта методика позволяет решить проблему прогнозирования в первом приближении и требует дополнительного теоретического обоснования и тестирования на независимом фактическом материале. Например, при прогнозировании на один год расчет потока энергии волн выполняется по среднемноголетним характеристикам ветра, т.е. межгодовые изменения энергии волн зависят только от величины предполагаемой просадки дна. При такой постановке задачи невозможно учитывать влияние многолетних изменений климата на динамику берегов.

Прогнозирование протаивания мерзлых пород под ложем водохранилища обычно выполняется методом решения одномерных нелинейных задач нестационарной теплопроводности. Теплофизические расчеты протаивания также проводятся с использованием уравнений чл.-корр. РАН В.Т. Балобаева (Институт мерзлотоведения СО РАН), адаптированных им для инженерных расчетов [Арэ и др., 1974; Арэ, 1985]. Методика учитывает:

- влияние на темп протаивания формирующегося на поверхности грунтов талого теплоизолирующего слоя, который поступательно увеличивается по мере продвижения фронта протаивания;

- литологические свойства (рыхлые, скальные) и температуру пород;

- мерзлотные характеристики пород (льдистость, мощность слоя сезонного оттаивания и т.д);

- тепловую просадку льдистых грунтов, если таковые имеют место;

- температуру поверхности протаивающего массива мерзлоты, в данном случае среднегодовую температуру дна (придонного слоя воды) водохранилища, которая изменяется по глубине.

4.2. Прогнозные оценки скорости переформирования берегов и протаивания мерзлоты

Переформирование берегов. Основные характеристики состояния многолетнемерзлых пород: механический состав, температура и льдистостью весьма значительно изменяются в пространстве. В этой связи можно ожидать, что скорости переработки берегов водохранилищ, планируемых в разных районах криолитозоны, также будут существенно варьировать.

Оценки скоростей отступания берегов водохранилищ, сложенных ледовым комплексом (дисперсные отложения с большим содержанием льда, в том числе массивных подземных льдов, суммарная льдистость пород более 50%), с использованием уже упомянутой методики прогнозирования показали, что они одного порядка со скоростями отступания аналогичных берегов естественных водоемов [Арэ, 1985]. Предполагается, что в течение 20 лет эксплуатации водохранилища в области распространения ледового комплекса скорость разрушения берегов со временем не только не затухает, но увеличивается от 4-5 до 10-12 м/год. Это вызвано в основном усилением тепловой просадки подводного склона с течением времени и, как следствие, постепенным возрастанием энергии воздействующего на берега волнения.

Прогнозные оценки времени и скорости переформирования мерзлых берегов, например, проектируемого Эвенкийского водохранилища на реке Нижняя Тунгуска, выполненные Институтом мерзлотоведения СО РАН в текущем году по этой же методике с использованием литературных данных [Арэ, 1985; Качугин, 1959, 1975; Константинов, Суходровский, 1977; Руководство …, 1968], показывают существенно менее активное развитие береговых криогенных процессов. Это связано с преобладанием здесь в основном значительно менее льдистых и более грубых по механическому составу непросадочных маломощных рыхлых пород. Термоабразионные берега представлены двумя типами и носят локальный характер распространения по периметру водохранилища. Берега первого типа сложены мерзлыми песками, супесями, суглинками с относительно небольшим содержанием грубообломочного материала и со средней льдистостью 30%. Отложения второго типа термоабразионных берегов включают мерзлые пески и супеси с гравийно-галечным, щебнисто-дресвяным и валунным материалом. Средняя льдистость пород 10-15%. Наиболее распространенной разновидностью будут абразионно-денудационные берега, сложенные щебнисто-дресвяными, галечно-гравийными и валунными грунтами с песком, суглинком. Льдистость пород в среднем 7%. Скальные породы представлены в основном песчаниками, туфами, алевролитами, долеритами и базальтами.

Прогнозируемая продолжительность переформирования термоабразионных берегов от начала эксплуатации составит от 30 до 90 лет в зависимости от состава, льдистости размываемых пород и первичного наклона поверхности. В течение первых 10 лет от начала эксплуатации подножия берегов отступят на 20-40 м со средней скоростью термоабразии 2-4 м/год. Конечная стадия переформирования берегов, сложенных крупнообломочными породами, характеризуется среднемноголетней скоростью термоабразии 1.5-2 м/год. При этом береговые уступы сместятся на 70-100 м. В мелкодисперсных мерзлых породах с относительно небольшим содержанием грубого материала величина отступания подножий берегов достигнет 100-200 м при среднемноголетней скорости термоабразии 2.2-3.6 м/год.

Продолжительность переформирования абразионно-денудационных берегов составит от 20 до 90 лет с начала эксплуатации в зависимости от начального наклона поверхности бортов водохранилища и энергии волн. В течение первых 10 лет эксплуатации водохранилища подножья берегов отступят на 14-21 м. В конечной стадии переформирования абразионно-денудационные берега отступят на 20-60 м. Средняя многолетняя скорость абразии не превысит 0.6-1 м/год.

Скорость протаивания мерзлоты под ложем водохранилища зависит в основном от среднегодовой температуры дна (придонного слоя воды), температуры пород, мощности слоя сезонного протаивания, льдистости (величины тепловой осадки), плотности, величины теплофизических характеристик мерзлых и талых пород: коэффициента теплопроводности и теплоемкости. Кроме того, она зависит от количества тепла, необходимого для оттаивания единицы объема мерзлых пород. Этот параметр определяется по теплоте плавления, температуре и плотности пород, весовой влажности пород и весовому содержанию незамерзшей воды.

Например, выполненный Институтом мерзлотоведения СО РАН прогноз теплового состояния для условий проектируемого Эвенкийского водохранилища показал, что даже при относительно высокой температуре мерзлых пород (-1C) их оттаивание происходит достаточно медленно (рис. 4.1), время формирования сквозного талика существенно превышает амортизационный период.

Рис.4.1. Пример изменения во времени глубины многолетнего протаивания ММП (Z(t), м) под ложем водохранилища при температуре дна в полосе изобат: a – 6 °C, 2-5 м; b – 5.3 °C, 5-10 м; d – 4.7 °C, 10-20 м; g - 4 °C, >20 м. Средняя температура ММП минус 1 °C.

Предполагается, что за 50 лет протаивает покров рыхлых ММП мощностью 15-18 м. Таким образом, средняя скорость протаивания всей толщи рыхлых мерзлых пород со средней температурой -1 °C составит 30-36 см/год. В течение первых 10 лет протаивание проходит заметно активнее, со средней скоростью 66-82 см/год. Согласно нашим расчетам, мерзлые породы мощностью 40-50 м с температурой -1…-3 °C протаивают в течение приблизительно 500 лет. При понижении температуры многолетнемерзлых пород (например, в связи с широтной зональностью) и прочих равных условиях скорость оттаивания уменьшается.

4.3. Прогнозирование реакции многолетнемерзлых пород на природные и техногенные воздействия (развитие экзогенных криогенных процессов в природно-техногенных системах)

Значительный объем информации по состоянию природно-техногенных систем и их динамике в изменяющихся инженерно-геокриологических условиях, оценки устойчивости природного криогенного комплекса к внешним воздействиям можно получить с помощью математического моделирования.

Устойчивость природных криогенных систем к техногенным воздействиям зависит от многих факторов: мерзлотно-геологического строения и морфологии района, льдистости и плотности пород основания плотины, их температуры и влажности, содержания жидкой фазы воды и растворимых солей, активности оползневых процессов разного генезиса и береговых криогенных процессов. Большинство перечисленных факторов и их изменчивость в пространстве и времени можно в первом приближении охарактеризовать по уже имеющимся фактическим геофизическим и геологическим данным. Активность экзогенных криогенных процессов в изменяющихся природно-техногенных условиях оценивается путем моделирования с использованием данных натурных наблюдений.

При моделировании состояния криогенной системы необходимо кроме упомянутых факторов учитывать ее термодинамические характеристики и изменения климатических (микроклиматических) условий. В качестве основного параметра динамики рассматриваемых систем можно предложить, например, скорость деградации подземных льдов и льдонасыщенных толщ. Этот параметр функционально связан с термическими и мерзлотно-геологическими характеристиками системы. Главными контролирующими факторами, в этом случае, будут температура и льдистость пород в слое годовых колебаний, а также некоторые характеристики, получаемые геофизическими наземными и сважинными (например, плотностным каротажем) методами.

Важной компонентой формирования новых геокриологических условий и, в частности, динамики экзогенных процессов на осваиваемой территории является, на наш взгляд, техногенное воздействие на окружающую среду строящегося инженерно-технического комплекса гидроэлектростанции. Вообще говоря, проектируемые в криолитозоне гидроузлы будут представлять собой сложные природно-техногенные криогенные системы с присущими им принципами функционирования: неустойчивости, неравновесности, нестационарности и ритмичности, нелинейности и эмерджентности, синергетичности.

Комплексное взаимодействие множества природно-техногенных факторов с криолитозоной в экстремальных климатических условиях направлено на активизацию деструктивных экзогенных криогенных процессов. Под воздействием техногенных факторов происходит развитие тех же криогенных процессов (в смысле генезиса), что и при изменении естественных условий. Мы полагаем, что эффективность техногенного воздействия на криолитозону, кроме всего прочего, функционально связана с изменениями естественных условий развития данной территории. Например, при активном хозяйственном освоении криолитозоны техногенные воздействия усиливаются, однако их деструктивная эффективность может быть в какой-то степени скомпенсирована затуханием природных морфодинамических процессов, например, при похолодании климатических условий. Расчеты показывают: при поражении 50% изолирующего слоя промышленно осваиваемого участка площади в северной таежной зоне и при понижении средних летних температур воздуха примерно на 2 °C относительно «нормы» скорость локальных деструктивных криогенных деформаций поверхности не будет превышать 3 м/год.

В случае сопряженной активизации техногенных и естественных факторов в условиях потепления климата (средние летние температуры воздуха могут превысить “норму” на 2-3 °C) деструктивные криогенные процессы в районе инженерно-технических сооружений будут развиваться катастрофически (рис. 4.2, 4.3), особенно при механическом поражении изолирующего слоя на 50% и более [Разумов, 2006]. Скорость криогенных деформаций может в этом случае достигать 10-20 м/год и более в зависимости от макрольдистости отложений.

Рис. 4.2. Пример активного развития криогенных процессов под воздействием тепловыделяющих объектов на поверхности надпойменной террасы р. Колымы:

1 – бровка берега в 1990 (пунктирная линия) и 1998 гг.; 2 - термоденудационные и термоэрозионные образования; 3 – локальные термопросадки; 4 – поверхность надпойменной террасы 15-25 м; 5 – высокая пойма; 6 – инженерно-технические сооружения; 7 – трубопроводы; 8 – источники термического загрязнения; 9 – реперная сеть (Масштаб 1:1500).

Рис. 4.3. Динамика деструктивных экзогенных криогенных процессов на террасе р. Колымы:

1-3 - темпы разрушения мерзлых пород: 1 - в естественных условиях (ue); 2 - под воздействием комплекса природных и техногенных факторов (ue+m); 3 - обусловленные только техногенной составляющей (um); 4 - изменения средней летней температуры воздуха (Т).

Как видно, после кульминации относительного потепления сначала наметилась тенденция к снижению активности криогенных процессов. Однако в связи с усилением техногенного влияния интенсивность разрушения мерзлых пород вновь повысилась. Эрозионные канавы и термокарстовые провалы начинают здесь активно расширяться под воздействием техногенных факторов (например, бесконтрольно сбрасываемых на поверхность вод и наледей). Средняя скорость эрозии бортов этих деструктивных образований и примыкающих к ним участков берегового уступа в конце 1990-х гг. достигла более 3 м/год. Заметная активизация деструктивных криогенных процессов в дельте на фоне относительного похолодания обусловлена исключительно усилением техногенного воздействия на поверхность криолитозоны.

Не смотря на усиление техногенного влияния, приведенные величины в 1.5-2 раза меньше темпов криогенных процессов начала 1990-х, по-видимому, вследствие относительного повышения устойчивости природно-техногенного криогенного комплекса при относительном похолодании. Кроме того, техногенные воздействия отражаются не только в аномальной активности деструктивных криогенных процессов, но и в ходе сезонного протаивания. Мерзлые породы начинают протаивать на 8-10 дней ранее, а глубина протаивания приблизительно в 2 раза больше, чем в естественных условиях [Разумов, 2002].

Описанные последствия техногенного воздействия вполне вероятны в районах гидротехнического строительства, особенно на участках распространения рыхлых льдистых пород. Поэтому важно, хотя бы в первом приближении количественно оценить последствия локальных воздействий на криолитозону инженерных сооружений, что будет полезно при их проектировании и строительстве, а также определении рисков природопользования.

Функциональная структура природно-техногенной криогенной системы. Для формализации техногенных воздействий на криогенные отложения территории Эвенкийского гидроузла предлагается параметр, условно названный нами индексом техногенной активности , который можно представить в виде линейной комбинации [Разумов, 2006]:

, ,

где k – вес k-того техногенного фактора, воздействующего на поверхность мерзлых пород, Smk – доля площади, пораженной действием k-того техногенного фактора на данном ограниченном в пространстве участке, на котором оценивается активность деструктивных криогенных процессов. SПk - пораженная площадь, Sg - площадь всего участка, оцениваемого на предмет активности криогенных процессов. Веса техногенных факторов характеризуют их потенциальную деструктивную энергию, т.е. способность данного фактора понижать устойчивость массива мерзлых пород к воздействию природных факторов, например, посредством повреждения изолирующего слоя или разрушать их прямым воздействием искусственно выделяемого тепла. Многолетние натурные наблюдения ИМЗ СО РАН на многих участках криолитозоны, подверженных техногенному воздействию, позволяют приблизительно количественно оценить эти веса: 0.6 - механическое повреждение изолирующего поверхностного слоя; 0.4 - воздействие тепловыделяющих объектов и повторяющийся сброс вод на поверхность, а также загрязнение поверхности строительным или бытовым мусором [Разумов, 2006]. Индекс техногенной активности аналогичен параметру интенсивности воздействия техногенных факторов, введенному С.В. Васильевым [1998]. Однако влияние на процессы механического поражения защитного растительного слоя в криолитозоне с помощью этого параметра учесть нельзя.

Скорость локальных деструктивных экзогенных криогенных деформаций верхнего слоя многолетнемерзлых пород (u) является функцией от трех независимых переменных: средней летней температуры воздуха (Т), льдистости пород (L) и индекса техногенной активности. Она складывается из естественной ue и техногенной um составляющих. Под скоростью локальных экзогенных криогенных деформаций (термопросадки, эрозионные рытвины и канавы с активным развитием термоденудации бортов, термоэрозионно-суффозионные и термокарстовые образования) следует понимать темп увеличения линейных размеров деструктивных экзогенных криогенных образований в плане. В результате преобразования полного дифференциала скорости деструктивных криогенных деформаций получено уравнение активности указанных процессов в зависимости от мерзлотно-климатических и техногенных условий [Разумов, 2006]:

. (1)

Индекс L означает, что пространственные изменения льдистости отложений вызывают вариации скорости деструктивных криогенных деформаций поверхности, - среднемноголетняя величина летней температуры воздуха базового периода. Параметр связан с мерзлотно-геологическими условиями (льдистостью, глубиной залегания мерзлоты от поверхности, механическим составом вмещающих пород), устойчивостью массива мерзлых пород к естественным внешним воздействиям. По нашим расчетам, в северных районах Сибири его величина для мерзлых дисперсных отложений с льдистостью 10-40% не превышает 0.5-0.7. Выражение параметра неустойчивости через среднюю летнюю температуру воздуха и льдистость пород получено в результате аналитического решения уравнения состояния криогенных систем [Григорьев и др., 2006]:

, (2)

где - параметр неустойчивости пород с нулевой макрольдистостью при «нормальной» средней летней температуре воздуха (по нашим расчетам, для северной таежной области России. его величина составляет 15-16).

Эмпирический коэффициент широтно-зональной эффективности природно-техногенных воздействий k зависит от широты исследуемого района и в области распространения криолитозоны возрастает с юга на север (рис. 4.4). Физический смысл его в том, что он усиливает по указанному направлению динамическую реакцию мерзлых пород на воздействия техногенных факторов в связи с широтной зональностью мерзлотных условий. Оценка k проведена на основе данных по температурам воздуха и грунтов, темпам деструктивных криогенных процессов, мерзлотно-геологическим, геоморфологическим и гидродинамическим условиям на различных широтах [Разумов, 2006].

Рис.4.4. Изменения в пространстве коэффициента зональной эффективности природно-техногенных воздействий.

Начальная скорость криогенных процессов при «нормальной» средней летней температуре воздуха (u0) зависит от мерзлотно-геологических условий. Для районов с льдистостью рыхлых пород 10-40% ее величина, по нашим оценкам, варьирует от 0.2 до 0.6 м/год.

В уравнении (1) не учитывается влияние техногенной нагрузки на параметр неустойчивости, который здесь зависит только от температуры и льдистости пород. Для более полного представления о динамике криогенных процессов в изменяющихся природно-техногенных условиях изучено влияние пространственно-временных вариаций индекса техногенной активности (Jm) на устойчивость мерзлых пород. Техногенные воздействия вызывают изменения устойчивости мерзлых пород и, как следствие, скорости деструктивных криогенных процессов. В результате решения этой задачи сформулировано уравнение, связывающее скорость локальных экзогенных криогенных деформаций поверхности с природно-техногенными факторами и учитывающее техногенное воздействие на устойчивость мерзлоты [Разумов, 2006]:

. (3)

am – коэффициент техногенной деградации мерзлых пород, равный изменению их устойчивости в данных мерзлотно-климатических условиях при возрастании индекса техногенной активности от 0 до 1. По нашим расчетам, при льдистости пород от 10 до 40% его величина изменяется от 53 до 80 в зависимости от параметра неустойчивости.

Из уравнения (1) следует комбинация:

, (4)

которая может быть использована для прогнозирования рисков природопользования в криолитозоне в переменных мерзлотно-климатических условиях.

При 100 %-ном поражении поверхности многолетнемерзлых пород данного участка многофакторным техногенным воздействием (Jm возрастает от 0 до 1) скорость деформаций рельефа возрастет прямо пропорционально параметру неустойчивости в данных мерзлотно-климатических условиях. При похолодании параметр неустойчивости уменьшается, т.е. повышается устойчивость мерзлых пород к природно-техногенным воздействиям.

Неустойчивость мерзлых толщ к внешним природно-техногенным воздействиям возрастает по направлению с юга на север (рис. 4.5). Причем в таежной зоне она изменяется по широте не так значительно, но при переходе в арктическую область резко возрастает (и наиболее существенно для пород, содержащих массивные льды) [Разумов, 2006].

Рис. 4.5. Пространственные изменения параметра неустойчивости криогенных систем, приведенного к широтным зонам, () для рыхлых мерзлых отложений, содержащих 20-40% льда, при «нормальной» средней летней температуре воздуха.

Оценка темпов деструктивных экзогенных криогенных деформаций в изменяющихся климатических условиях с учетом техногенных воздействий предполагает наличие более или менее правдоподобного предсказания средней температуры воздуха сезона протаивания мерзлоты. Среднемноголетняя величина летней температуры воздуха в рассматриваемом районе рассчитана по данным наблюдений на местных метеостанциях. Прогностический сценарий изменений температуры приземного воздуха выполнен Главной Геофизической Обсерватории (ГГО, С.-Петербург) (рис.4.6).

При весьма значительных техногенных нагрузках в условиях повышения средней летней температуры воздуха, согласно прогнозам ГГО, на 1.2 °C в 2011-2030 гг. и на 2 °C в 2041-2060 гг. темп локальных разрушений мерзлых дисперсных толщ со средней льдистостью 30% (u) может достигать катастрофических масштабов (рис. 4.7). Даже в “нормальных” климатических условиях (при среднемноголетней величине Т) значительные техногенные воздействия способны вызвать резкое возрастание активности деструктивных явлений.

Рис. 4.6. Прогноз изменения летней температуры воздуха (C) в приземном слое на 2011-2030 гг. (вверху) и 2041-2060 гг. (внизу) относительно температуры базового периода (1980-1999) по данным Главной Геофизической Обсерватории (С.-Петербург) [Meleshko et al, 2006]

Рис. 4.7. Предполагаемая динамика локальных деструктивных экзогенных криогенных процессов на территории строительства Эвенкийского гидроузла в изменяющихся техногенных условиях: 1 – при среднемноголетних характеристиках климата; 2-3 – при потеплении климатических условий сезона протаивания; 2 - на 1.2 °C;.3 – на 2 °C.

Эффективность влияния техногенной составляющей активности экзогенных криогенных процессов (иными словами, риск природопользования ) при повышении средней летней температуры воздуха может возрасти в 1.5-2 раза по сравнению с «нормой» климатических условий (табл. 4.1).

Таблица 4.1.

Оценка активности экзогенных криогенных деформаций поверхности в изменяющихся техногенных и климатических условиях при льдистости рыхлых пород 20-40%

Jm	Т = 0 °C		Т = 1.2 °C		Т = 2 °C
	u(Т,L,J), м/год	, м/год	u(Т,L,J), м/год	, м/год	u(Т,L,J), м/год	, м/год
0	0.6	0	1.4	0	2.4	0
0,1	1.3	0.6	2.9	0.8	4.9	0.9
0.2	2.0	1.2	4.1	1.5	7.0	1.8
0.3	2.8	1.8	5.5	2.3	9.0	2.7
0.4	3.7	2.4	6.8	3.0	10.9	3.5
0.5	4.8	3.0	8.3	3.8	12.9	4.4
0.6	6.0	3.6	9.8	4.6	14.8	5.3
0.7	7.3	4.2	11.4	5.3	16.9	6.2
0.8	8.8	4.8	13.1	6.0	19.0	7.1
0.9	10.4	5.4	15.0	6.8	21.2	8.0
1	12.1	5.9	17.0	7.6	23.5	8.9

На территории с преобладающей льдистостью рыхлых пород 5-15% экзогенные криогенные процессы будут развиваться под воздействием техногенных факторов существенно менее активно по сравнению с более льдистыми породами (табл. 4.2): при «норме» средней летней температуры воздуха - в 2-3 раза, а в условиях потеплении сезона протаивания на 1-2 °C - в 3-5 раз. Соответственно, и риск природопользования в указанных мерзлотных условиях существенно (в 2-3 раза) ниже.

При малых и средних техногенных нагрузках (Jm = 0.1 …0.6) на криолитозону как в «нормальных» климатических условиях, так и в условиях потепления техногенные факторы не оказывают существенного влияния на устойчивость малольдистых (льдистость в среднем 10% и менее) пород (um – 0…0.2). Этим, в частности, обусловлены сравнительно небольшие риски природопользования на малольдистых грунтах при умеренных техногенных воздействиях и использовании мероприятий по их минимизации.

Таблица 4.2.

Оценка активности экзогенных криогенных деформаций поверхности в изменяющихся техногенных и климатических условиях при льдистости рыхлых пород 5-15%

Jm	Т = 0 °C		Т = 1.2 °C		Т = 2 °C
	u(Т,L,J), м/год	, м/год	u(Т,L,J), м/год	, м/год	u(Т,L,J), м/год	, м/год
0	0.2	0	0.4	0	0.5	0
0,1	0.4	0.2	0.7	0.3	1.0	0.5
0.2	0.7	0.5	1.0	0.6	1.4	0.9
0.3	1.0	0.8	1.5	1.1	2.0	1.5
0.4	1.5	1.3	2.0	1.6	2.6	2.1
0.5	2.1	1.9	2.6	2.2	3.2	2.7
0.6	2.8	2.4	3.4	3.0	4.0	3.5
0.7	3.5	2.8	4.2	3.5	4.9	4.2
0.8	4.4	3.2	5,1	4.0	5.9	4.8
0.9	5.4	3.6	6.1	4.5	6.9	5.4
1	6.5	4.0	7.3	5.1	8.1	6.0