Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние изученности вопроса 6
1.1 Современное потепление климата 6
1.2 Сценарии и модели предстоящих климатических изменений 13
1.3 Влияние изменений климата на многолетнемерзлые породы 17
Глава 2 Характеристика природных условий республики Саха Якутия ... 24
2.1 Орогидрография 24
2.2 Климат 28
2.3 Растительный покров 32
2.4 Геологическое строение 35
2.5 Гидрогеологические условия 40
2.6 Геокриологические условия , 43
Глава 3 Авторетроспективный анализ данных многолетних наблюдений за температурой воздуха 53
3.1 Методика авторетроспективного анализа 54
3.2 Прогноз изменения среднегодовой температуры воздуха на территории республики Саха-Якутия в первой трети XXI века 58
Глава 4 Прогноз термического режима многолетнемерзлых пород на территории республики Саха-Якутия в связи с возможными изменениями температуры воздуха 72
4.1 Постановка задачи 72
4.2 Выбор исходных данных 76
4.3 Результаты прогноза термического режима многолетнемерзлых пород на территории республики Саха-Якутия в первой трети XXI века 91
Глава 5 Оценка надежности геотехнических систем в условиях изменения термического режима многолетнемерзлых пород 103
5.1 Методика оценки надежности оснований инженерных сооружений 103
5.2 Прогноз изменения надежности оснований инженерных сооружений на территории республики Саха-Якутия в первой трети XXI века ПО
5.3 Возможные пути управления надежностью многолетнемерзлых оснований в условиях потепления климата 115
Заключение 125
Список использованной литературы
- Сценарии и модели предстоящих климатических изменений
- Гидрогеологические условия
- Прогноз изменения среднегодовой температуры воздуха на территории республики Саха-Якутия в первой трети XXI века
- Результаты прогноза термического режима многолетнемерзлых пород на территории республики Саха-Якутия в первой трети XXI века
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы пристальное внимание научной общественности всего мира привлекают вопросы, связанные с глобальными климатическими изменениями. С конца 60-х начала 70-х годов прошлого века, по наблюдениям на многочисленных метеостанциях, расположенных как в России, так и за рубежом, фиксируется неуклонный рост среднегодовой температуры воздуха, продолжающийся и в настоящее время.
По оценкам ряда исследователей (Антропогенные... 1987; Борисенков, 1990; Haigh, Pyle, 1982: Manabi, Wetherald, 1980; и др.) к середине XXI столетия повышение среднегодовой температуры воздуха может составить 1,5 - 7,0 С и стать основной причиной изменений в природной среде.
Несомненно, особое значение проблема глобального потепления имеет для районов распространения многолетнемерзлых пород (ММП), так как природная среда высоких широт крайне чувствительна к изменениям климата. Повышение температуры воздуха может вызвать повсеместную деградацию ММП, занимающих около 2/3 территории России, и интенсификацию опасных для хозяйственной деятельности человека мерзлот-но-геологических процессов, таких как термоэрозия, солифлюкция. термокарст и т.д (Израэль и др. 1999. 2002; Павлов 1997; Гречищев 1997; и др ). Кроме того, при повышении температуры значительно изменяются прочностные свойства мерзлых пород, что может привести к массовым деформациям инженерных сооружений, построенных в криолитозоне, и как следствие - к значительному материальному ущербу (Хрусталев. Пустовойт 1993; Мельников и др. 1993, Хрусталев и др. 2002. 2003; и др.).
Все это свидетельствует о том, что на сегодняшний день прогноз реакции многолетнемерзлых толщ на климатические изменения, а также оценка надежности оснований инженерных сооружений в условиях глобального потепления климата актуальна и имеет большое научное и практическое значение.
Цель и задачи исследований Основной целью работы являлась оценка влияния потепления климата на термический режим многолетнемерзлых пород и устойчивость инженерных сооружений на территории республики Саха -Якутия.
В соответствие с поставленной целью решались следующие задачи:
1 Используя разработанный на кафедре геокриологии геологического факультета
МГУ метод авторетроспективною анализа, оценить современные изменения среднегодовой температуры воздуха в различных районах республики Саха-Якутия и выполнить их прогноз на ближайшие 30 лет
-
С учетом установленных закономерностей изменения среднегодовой температуры воздуха произвести прогноз термического режима многолетнемерзлых пород на исследуемой территории в первой трети XXI века.
-
Оценить изменения надежности оснований инженерных сооружений.
4 Рассмотреть возможные пути управления надежностью геотехнических систем в
условиях потепления климата.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана методика комплексной оценки изменений среднегодовой температуры воздуха и реакции многолетнемерзлых пород оснований инженерных сооружений на эти изменения, в результате чего:
Получены прогнозные формулы для определения среднегодовой температуры воздуха в различных районах республики Саха-Якутия.
Составлен прогноз изменения термического режима ММП на территории республики Саха-Якутия в первой трети XXI века и выделены районы, характеризующиеся различной реакцией ММП на возможное повышение среднегодовой температуры воздуха.
Произведена прогнозная оценка надежности многолетнемерзлых оснований и оценено количество деформированных зданий при прогнозируемом изменении термического режима многолетнемерзлых пород.
Определены коэффициенты надежности (запаса), которые необходимо задавать при строительстве зданий в различных районах Якутии, для того чтобы обеспечить их безаварийную эксплуатацию в условиях прогнозируемого потепления климата. На защиту выносятся следующие положения:
1 Повышение среднегодовой температуры воздуха, начавшееся в конце 60-х - начале
70-х годов прошлого века, фиксируется на сегодняшний момент на всей территории республики Саха-Якутия, и будет продолжаться в первой трети XXI века с интенсивностью от 0,011 до 0,088 С/год.
2. Повышение среднегодовой температуры воздуха вызовет деградацию ММП на
территории республики Саха-Якутия, которая выразится в повышении их средне
годовой температуры и увеличении глубины сезонного оттаивания, кроме того, в
южных районах республики приведет к трансформации сезонного оттаивания в
многолетнее.
3. Деградация ММП на территории республики Саха-Якутия приведет к снижению
надежности оснований и деформациям зданий, которые к 2030 году составят 0,1-
0,3% в северных районах республики и 80-90% в южных, от числа построенных в
2000 г.
Практическая значимость работы. Результаты исследований могут быть использованы при планировании мероприятий по обеспечению устойчивости инженерных сооружений в условиях потепления климата и охране геологической среды.
Личный вклад автора. Диссертационная работа является частью коллективных исследований в рамках федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники", и проекта Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 02-05-64331 "Реакция многолет-
немерзлых фунтов на вариации современного климата и техногенез". Лично автором было проведено изучение и обобщение имеющихся на сегодняшний день представлений о динамики климата и реакции многолетне мерзлых пород на возможные климатические изменения. Систематизирован обширный литературный и фондовый материал, касающийся исследуемой территории Используя авторетроспективный анализ, были обработаны ряды метеорологических наблюдений по 40 метеостанциям, расположенным в разных районах республики Саха-Якутия и определены тренды повышения среднегодовой температуры воздуха. Для районов расположения 12 опорных метеостанций были произведены прогнозные геокриологические расчеты, позволившие установить изменения термического режима ММП в первой трети XXI века. Произведена оценка изменения надежности оснований зданий, возводимых в этих районах, и рассмотрены пути управления надежностью многолетнемерзлых оснований в условиях потепления климата.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международной конференции "Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения" (г. Пущино, 2003). нашли отражение в 5 научных публикациях (3 статьях и 2 тезисах) и использовались при написании ряда научно-технических отчетов. В 2003 году, по теме исследований, в рамках проекта Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 02-05-64331, автором был получен фант МАС (Молодые Аспиранты и Студенты).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 2 приложений. Содержит 135страниц машинописного текста, включающих 20 таблиц, 29 рисунков и список использованной литературы из ПО наименований.
Сценарии и модели предстоящих климатических изменений
Самым заметным потепление было в районе Гренландии, с удалением от нее к югу и востоку степень потепления уменьшалась. По различным оценкам, повышение среднегодовой температуры воздуха в период "потепления Арктики", в высоких широтах составило порядка 2 С (Павлов, 1997).
Современное потепление протекает более интенсивно, по сравнению с потеплением 30-х годов, и происходит во всех широтных зонах. Кроме того, более заметное повышение температуры воздуха наблюдается в зимний период, а в летний оно менее значительно (табл. 1.1.2).
Изучение современных данных (Анисимов и др. 1999) показало, что тенденции изменения температуры воздуха с начала 1970-х гг. во многих регионах достаточно устойчивы. Значительное потепление происходит на Аляске и в Центральной Канаде. Незначительные повышения температуры отмечены на западном побережье США, центральной и восточной частях континента. Продолжает развиваться потепление в центральной части Западной Атлантики. Небольшое потепление, отмеченное для 1976—1985 гг. в центральной части Восточной Атлантики и западной части Европы, в последующий период распространилось на север и северо-восток.
Современное повышение температуры воздуха отмечается так же в Центральной Азии (Каримов, Гайнутдинова, 1996) и во многих высокогорных районах (King et al. 1992).
На территории России заметное повышение температуры воздуха фиксируется в основном в северных регионах и повсеместно отмечается с середины 60-х годов до настоящего времени (Израэль и др. 2002), хотя наряду с этим имеются данные, свидетельствующие о современном потеплении климат, например, в Юго-Восточном и Центральном Забайкалье (Обязов, 1999; Шестернев, 2001).
За 1970-1999 гг., по данным ряда метеостанций, среднегодовая температура воздуха на Европейском Севере России повысилась на 0,2 - 0,8 С. Общее возрастание сумм положительной температуры воздуха за 1970—1995 гг. (по отношению к норме) в среднем для региона составило 1,07 (Павлов и др. 2002). На севере Западной Сибири за тот же период времени, повышение температуры воздуха составило 0,6-1,4 С. Здесь же отмечено и наибольшее региональное повьппение средней температуры воздуха за летний сезон (0,9 С) (Израэль и др. 1999,2002) (табл. 1.1.3).
Особо стоит отметить современные изменения климата на территории Якутии. Проведенные исследования, (Скачков, 2001) указывают на два периода современного потепления в этом регионе. Первый период потепления (1966— 1989 гг.), проходивший относительно плавно, характеризовался практически зональным распределением прироста температуры воздуха. Причем наибольшие Таблица 1.1.3 Характеристики температуры воздуха на севере России за три последних десятилетия (Израэль и др. 1999)
С начала 90-х годов и по сегодняшний момент (второй период) процесс потепления климата проявляется более резко. Повышение температуры воздуха отмечается на всей территории Якутии, причем с заметной пространственной неоднородностью: южнее 64 с.ш, прирост температуры воздуха составляет 1,5 -2 С и более, а на северо-западе и северо-востоке - 0,5 - 1 С.
На данный момент в Центральной и Южной Якутии фиксируется наибольшее, по сравнению с другими северными регионами России, потепление современного климата. Повышение среднегодовой температуры воздуха за 1965 - 1999 гг. оценивается здесь в 2 - 2,5 С. Для региона характерно и наибольшее региональное повышение средней температуры воздуха за зимний период (3,6С) (Павлов и др., 2002; Израэль и др. 1999, 2002 и др.)
Современные изменения количества атмосферных осадков и высоты снежного покрова изучены в меньшей мере, чем изменения температуры воздуха. В целом можно сказать, что за последние 50 лет XX века отмечается тенденция уменьшения годовых и летних сумм осадков на всей территории России. Наиболее заметно уменьшение осадков на северо-востоке страны (табл. 1Л.4). Напротив, суммы осадков за зимний период в целом по России и по ее восточным регионам имеют статистически значимый тренд роста (Израэль и др. 1999; Ранькова, Груза 1998).
Региональные особенности современных вековых изменений снежного покрова в России изучались по данным 50 метеостанций, расположенных в различных регионах (Кренке и др. 1997) По оценкам авторов, снежный покров увеличивался на равнинах Восточной Европы и Западной Сибири и уменьшался в Восточной Сибирн и на Дальнем Востоке.
Тенденции многолетних изменений высоты снежного покрова по данным 6 метеостанций на севере Западной Сибири представлены в табл. 1.1.5. В среднем по рассматриваемому региону наиболее снежным было десятилетие 1975—1984 гг., когда высота снежного покрова превышала норму на 5—7%. Отмечается разная направленность в современных трендах изменений снегоотложении. Так, для Марре-Сале, Тадебяяхи и Надыма характерно увеличение снегоотложении (на 7—15% за 20—25 лет), тогда как в Салехарде и Ханты-Мансийске с 1970-х годов началось уменьшение высоты снежного покрова.
Гидрогеологические условия
На сегодняшний день в различных естественно-исторических науках накоплен огромный фактический материал о существовании большого числа природных ритмов или колебаний различного генезиса. Периоды, фазы и интенсивность этих ритмов далеко не всегда коррелируют между собой, что обусловлено сложными причинно-следственными связями между ними. Тем не менее, можно сказать, что в основе цикличности (особенно климатической) лежат процессы космо-астрономической (внешние), геологической (внутренние) и биогеохимической (поверхностно-земные) природы (Ершов и др., 1996).
Существование в природе ряда разнопериодных температурных колебаний (ритмов) различного происхождения, накладывающихся друг на друга и характеризующихся определенными периодами (т), амплитудами (А) и сдвигами фаз (ср), обуславливают ход температуры воздуха в том или ином регионе. Нахождение параметров (А и ср) таких элементарных колебаний можно осуществить на основе методов гармонического анализа, используя заранее выбранные периоды этих гармоник. Последующее суммирование найденных гармоник позволяет построить с известной погрешностью непрерывную кривую изменения температуры воздуха на исследуемом интервале времени, а также, в соответствии с возможностями метода гармонического анализа, произвести прогноз на 1/3 этого интервала (Ершов и др., 1994, 1996; Шсндер и др., 1999).
На основе гармонического анализа данных многолетних наблюдений за температурой воздуха на метеостанциях на кафедре геокриологии МГУ разработан метод авторетроспективного анализа (авторы Л.Н. Хрусталев, А.В. Медведев, Г. П. Пустовойт). Этот метод позволяет аппроксимировать изменчивость среднегодовой температуры воздуха некоторой функциональной зависимостью, состоящей из суммы гармонических колебаний, линейного тренда и случайной составляющей, определяющей возможные отклонения температуры от аналитической кривой (Хрусталев и др., 2000, 2002, 2003; Кауркин и др., 2003). Данный метод был использован при коллективных исследованиях проведенных с непосредственным участием автора, результаты которых послужили основой для написания настоящей работы. В настоящее время метод авторетроспективного анализа реализован двумя компьютерными программами. Первая программа (Программа I) разработана в институте Физики Земли для определения числа гармонических колебаний и их периодов, слагающих сложные периодические процессы (в нашем случае таковым является процесс изменения среднегодовой температуры воздуха). Вторая программа (Программа II), разработанная на кафедре геокриологии (автор А.В. Медведев), дает возможность определять амплитуды и фазы гармонических колебаний, выявленных первой программой. Кроме того, она позволяет установить год начала линейного тренда температуры воздуха (если тренд присутствует) и его величину, а так же случайную составляющую разложения.
Исходными данными для первой программы являются среднегодовые температуры воздуха, выходными данными - число гармонических колебаний и их периоды. В расчет второй программы закладываются те же среднегодовые температуры воздуха и установленные первой программой число и периоды гармоник. В результате получаем амплитуды и фазы гармоник, а так же величину линейного тренда, год его начала и случайную составляющую.
Так как обработка рядов наблюдений за температурой воздуха по Программе II является главной составной частью рассматриваемого метода, то следует более подробно остановиться на принципах ее действия.
Точность разложения определяется по остатку между фактическими значениями температуры воздуха и ее гармоническим разложением. Этот ряд называется рядом флуктуации п. Флуктуации т должны представлять собой последовательность некоррелированных случайных величин с конечной дисперсией D0,C , средним значением По=0,0,С и подчиняться нормальному закону распределения. Такая последовательность в статистике называется "белым шумом". Если она не является белым шумом, то в составе ряда присутствует неучтенная аппроксимацией периодическая составляющая, которая должна быть выявлена и добавлена в формулу. При этом нужно иметь в виду, что бы периоды выделенных гармоник соответствовали известным природным циклам (2-8 лет, 11 лет, 17-22 года, 35-40 лет и др. (Гриб, Поляк, 1976; Дроздов, Григорьева, 1971; Дроздов и др., 1989; Максимова, 1983; Полозова, 1970)).
Считается, что полученное разложение аппроксимирует природные колебания температуры на всем интервале времени (как на базовом, так и текущем). Однако на текущем интервале к ним добавляется еще и линейный тренд (q).
Для выявления тренда текущий интервал разбивается на отрезки времени, определяющие частные выборки температуры. Эти выборки, с одной стороны должны быть достаточно большими (представительными) для оценки генеральной совокупности, а с другой - достаточно короткими для оценки момента начала устойчивого повышения температуры. Этим условиям отвечают выборки объемом 7 лет (скользящие семилетия). Для каждой частной выборки определяется ряд флуктуации (остаток между фактическими значениями температуры воздуха на конкретном семилетнем интервале разбиения, и ее гармоническим разложением, найденном на базовом интервале), который статистически сравнивается с рядом флуктуации на базовом интервале. Если ряды относятся к одной генеральной совокупности, то считается, что в текущем семилетии происходят только природные изменения температуры и тренд отсутствует. В противном случае первый год семилетия принимается за год начало тренда (рубежный год). Величина тренда определяются подбором, исходя из условия, чтобы ряды флуктуации на семилетнем и базовом интервале были статистически равны между собой, т.е. должны быть статистически равны между собой средние рядов и их дисперсии. Проверка нулевой гипотезы о равенстве средних осуществляется по критерию Стьюдента, о равенстве дисперсий - по критерию х2 ("хи-квадрат"). Для каждой семилетней выборки рассчитываются две величины:
Случайные величины S и Н имеют, соответственно, распределения Стьюдента и х2 с числом степеней свободы га = п - 1. При проверке гипотезы о равенстве средних значений ( п = г) ) альтернативная гипотеза состоит в том, что т л (ищем тренд повышения температуры), и значит, критическая область является односторонней; для дисперсий альтернативная гипотеза: D Ф D0, то есть критическая область двусторонняя. Отсюда следует, что нулевая гипотеза принимается, если выполняются неравенства:
Прогноз изменения среднегодовой температуры воздуха на территории республики Саха-Якутия в первой трети XXI века
В связи с этим, для коэффициента теплообмена задавались только его сезонные изменения в виде среднемесячных значений, которые назначались по климатическим справочникам. Численные значения верхних граничных условий, использованных при прогнозных расчетах, приведены в приложении 2.
На нижней границе расчетной области задавалось граничное условие Н-го рода с постоянным во времени значением теплопотока, соответствующим теплопотоку из недр Земли в географической точке расположения метеостанции, задаваемый по имеющимся литературным данным (рис.4.2.7).
Методика назначения начальных условий для всех 12 районов была одинакова. Она предусматривала постановку специальной задачи, которая предшествовала прогнозной задаче и отличалась от нее только верхними граничными условиями. Последние, принимались в виде постоянных значений среднемесячных температур наружного воздуха, осреднентшх за ближайшие 30 лет, предшествующих рубежному году. Процесс моделирования продолжался до установления квазистационарного температурного режима, и совпадения температуры и мощности ММП с их значениями, указанными на геокриологической карте (см, гл. 2, рис 2.6). Для этого варьировалось значение коэффициента теплообмена поверхности. Распределение температуры по глубине грунтового разреза на момент максимальной мощности сезонноталого слоя принималось за начальное распределение, а полученные из решения специальной задачи значения коэффициента теплообмена и величины теплопотока входили в граничные условия прогнозной задача.
Верификация модели было осуществлена на данных наблюдений за температурой грунтов на геокриологическом стационаре в районе г. Якутска. Для этого было проведено сравнение расчетной температуры грунтов, полученной математическим моделированием, с данными натурных наблюдений за период с 1987 по 2001 г (рис. 4.2.8
Это говорит о высокой точности предложенной математической модели и дает основания полагать, что результаты прогнозных расчетов так же хорошо будут коррелировать с данными натурных наблюдений в будущем.
Еще одним вопросом, на который стоит обратить внимание является изменение среднемесячных температур воздуха в течение годового периода при потеплении климата. Как уже отмечалось, в предлагаемой расчетной модели поправка на потепление прибавляется к среднемесячным температурам, исходя из разности среднегодовых температур воздуха расчетного и рубежного года. Таким образом, положительные и отрицательные температуры воздуха повышаются на одну и туже величину. В тоже время во многих публикациях приводятся данные о том, что повьппение среднегодовой температуры воздуха происходит в большей степени за счет зимних температур воздуха, чем за счет летних. В частности в работе Ю.А. Израэля, А.В. Павлова и Ю.А. Анохина (1999) на основе анализа температурного режима воздуха за три последних десятилетия показано, что на территории Европейского Севера, севера Западной Сибири, Якутии, Северо-востоке России повышение среднезимних температур на 0,1 - 1,7 С больше чем среднелетних.
Неравномерное повьппение летних и зимних температур воздуха должно сказаться на результатах прогноза динамики температурного режима многолетнемерзлых пород. Для оценки роли этого эффекта для района г. Якутск было проведено сравнение результатов прогноза среднегодовых температур ММП при равномерном в течение расчетного периода и неравномерном повышении летних и зимних температур.
В расчетах, предусматривающих неравномерное повышение среднемесячных температур воздуха в течение года, предполагалось, что повышаются среднемесячные температуры холодного периода (месяцы со средней температурой ниже О С), а среднемесячные температуры теплого периода остаются неизменными (табл. 4.2.2).
Используя эти два подхода при назначении верхних граничных условий (см. приложение 2), для района г. Якутск был осуществлен прогноз изменения среднегодовой температуры ММП (рис.4.2.9). При этом все остальные исходные данные (значение тепло потока на нижней границе расчетной области, теплофизические характеристики грунтов и начальное распределение температуры по глубине грунтового разреза) не изменялись и соответствовали табл. 4.2.1. т г
Как видно из рис. 4.2.9 к 2030 г. расхождения в значениях среднегодовой температуры грунтов составляет около 0,3 С. Причем расчет с использованием равномерного в течение расчетного периода повышения летних и зимних температур дает большее повышение среднегодовой температура грунтов. Таким образом, при выбранном нами сценарии равномерного повышения среднемесячных температур воздуха в годовом цикле следует ожидать больших изменений температурного режима ММП, что будет рассматриваться как "наихудший" вариант при оценках надежности оснований инженерных сооружений
Результаты прогноза термического режима многолетнемерзлых пород на территории республики Саха-Якутия в первой трети XXI века
Для прогнозной оценки изменения надежности оснований было выбрано некоторое здание - представитель, построенное по первому принципу на столбчатом фундаменте в различных районах Якутии, для которых был сделан прогноз мерзлотных условий (см. гл. 4, табл. 4.3). Считалось, что здание возводится в 2000 г. В качестве исходных данных принималось: глубина заложения фундамента z = 3 м, от подошвы слоя сезонного оттаивания коэффициент запаса (надежности) кн = 1,4, ширина здания В = 12 м, расчетная температура под зданием Т назначалась в зависимости от Т0 - температуры грунта за его контуром, которая изменялась в соответствии с данными табл. 4.3. По мерс повышения Т0 увеличивался модуль вентиляции, и температура Т 0 понижалась, о чем мы писали выше. При этом соотношение между Т и Т0 всегда соответствовало данным табл. 5.1. Все необходимые теплофизические характеристики грунтов задавались в соответствие с табл. 4.2.1. Корректировка температур производилась каждые 10 лет. Данные по температурам грунта под зданием и вне его приведены в таблице 5.2.1.
Дополнение функции надежности до единицы есть вероятность отказа за период от начала эксплуатации здания до текущего момента. Если эту вероятность выразить в процентах, то она покажет число деформированных зданий от общего числа построенных на интересующий момент времени. В табл. 5.2.3 приведены прогнозные данные о количестве возможных деформаций зданий, построенных в 2000 году в разных районах республики Саха-Якутии.
Из рассмотрения рис. 5.2 и табл. 5.2.2 и 5.2.3 следует, что интенсивность снижения надежности в связи с потеплением климата и как следствие рост деформаций зданий, в разных районах республики будут протекать не одинаково. В арктических районах (Тикси, Чокурдах, Саскылах) следует ожидать наименьших изменений надежности оснований и количества деформируемых зданий (менее 0,5%). Это напрямую связано с минимальными трендами повышения температуры воздуха и устойчивым термическим состоянием криолитозоны в этом регионе в ближайшем будущем. В субарктических районах Восточной Якутии (Верхоянск, Оймякон), повышение среднегодовой температуры воздуха также несущественно отразится на изменении надежности оснований. К 2030 г число деформированных зданий от введенных в эксплуатацию в 2000 г, может составить здесь 1,3-1,5 %.
Потенциально опасными можно считать районы Центральной, Юго-Западной и Южной Якутии. Так в районах Жиганска более 30 %, а в районах Мирного, Туой-Хая, Усть-Маи, Якугска, Витима и Чульмана более 50 % зданий к концу периода прогноза выработают свою надежность, что может повлечь за собой их массовую деформацию и последующее разрушение. В таких условиях серьезной задачей инженерного мерзлотоведения является обеспечение надежной эксплуатации и увеличения срока службы зданий и сооружений.
Особое внимание, при проектировании и строительстве инженерных сооружений в Центральной и Южной Якутии, стоит обратить на районы, где в естественных условиях прогнозируется отрыв сезонного промерзания от многолетнемерзлой толщи, так как с образование не сливающейся мерзлоты резко снижается несущая способность оснований и значительно сокращается срок безаварийной эксплуатации сооружения.
Выполненная прогнозная оценка надежности оснований инженерных сооружений свидетельствует о то, что в большинстве районов Якутии возможное повышение температуры воздуха может негативно сказаться на функционировании возводимой инфраструктуры. В этих условиях очевидно нужны совершенно новые строительные технологии, в основу которых будет положен принцип управления тепловым и механическим взаимодействием зданий с их основаниями в процессе эксплуатации.
Реальность выполненных теоретических оценок, подтверждается и фактическими наблюдениями. Так по данным Я.А. Кроника (2001), к 1992 г. в г. Якутск из 376 обследованных зданий в неудовлетворительном состоянии находились 183 (48,4%), в том числе 32 здания (8,5%) были в аварийном, непригодном для проживания состоянии. Число аварийных зданий в крупнейших поселках и городах Севера составляло от 22% в поселке Тикси до 80% в г. Воркута, в том числе в городах: Магадан - 55%, Чита - 60%, Дудинка -35%, Норильск - 10%, Певек - 50%; в поселках: Амдерма - 50%, Диксон - 35%. За последнее десятилетие аварийность зданий возросла: в г. Норильск до 42%, в г. Якутск до 61%, в пос. Амдерма до 90%. Сразу стоит отметить, что причиной деформаций является не только потепление климата, но и ряд других факторов, и в первую очередь некачественное строительство и плохая эксплуатация. К сожалению, выделить эти причины в массовых примерах деформаций очень трудно. Проведенный Я.А. Кроником анализ причин деформаций по прмышленно-гражданским комплексам показал, что в среднем 22% деформаций происходит по вине проектировщиков, 33% - по вине строителей и 45% - по вине эксплуатационных служб. Поскольку ни в одном проекте не учитывалось потепление климата, можно предположить, что в 22% случаев деформаций, происшедших по вине проектировщиков, большую часть составляет именно деформации связанные с устойчивым повышением температуры воздуха.
В условиях современного повышения температуры воздуха и связанного с этим изменением термического состояния многолетнемсрзлых пород, серьезной задачей инженерного мерзлотоведения является обеспечение надежной эксплуатации и увеличения срока службы зданий и сооружений.
Одним из возможных путей решения этой проблемы, для вновь возводимых сооружений, является увеличение коэффициента запаса (надежности) к,,, что предполагает увеличение площади опорной поверхности фундамента. Из структуры формулы (5.1.9) следует, что с увеличением коэффициент запаса кн увеличивается надежность P(t). Таким образом, за счет повышения к„ можно компенсировать потерю несущей способности основания в результате многолетних изменений температуры воздуха.
Очевидно, что кн повышается с увеличением срока службы здания. Кроме того, он будет зависеть от климата и интенсивности его потепления в данном районе, а также от состава грунтов основания и типа фундамента. Результаты расчета коэффициента запаса для различных районов республики Саха-Якутия применительно к сводным разрезам и зданию представителю приведены в табл. в табл. 5.3.1 и на рис. 5.3.1.
