Техноприродные криогенные процессы в зоне влияния магистрального канала Туора Кюель-Таата (Центральная Якутия)

Сальва, Андрей Михайлович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Техноприродные криогенные процессы в зоне влияния магистрального канала Туора Кюель-Таата (Центральная Якутия)
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Техноприродные криогенные процессы в зоне влияния магистрального канала Туора Кюель-Таата (Центральная Якутия)"

Сальва Андрей Михайлович

ТЕХНОПРИРОДНЫЕ КРИОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО КАНАЛА ТУ OPA KIOEJIb - ТААТА (ЦЕНТРАЛЬНАЯ ЯКУТИЯ)

Специальность: 25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Дубна-2011

2 h 013

4856278

Работа выполнена ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К.Аммосова» (г. Якутск)

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

профессор [Юрий Болеславович Тржцинский

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Дроздов Дмитрий Степанович

доктор геолого-минералогических наук профессор Короновский Николай Владимирович

Ведущая организация: ОАО Территориальный проектно-изыскательский

институт «Сахапроект» (г. Якутск)

Защита состоится «18» февраля 2011 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 800.017.01 при ГОУ ВПО МО Международный университет природы, общества и человека «Дубна» по адресу: 141980, Московская область, г. Дубна, ул. Университетская, д. 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МО Международный университет природы, общества и человека «Дубна»

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 141980, Московская область, г. Дубна, ул. Университетская, д. 19, ученому секретарю совета, электронная почта: kamanina@uni-dubna.ru. те л.8-(49621)-22655

Автореферат разослан « 14 » января 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, И.З.Каманина

Кандидат биологических наук, доцент ' (

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В начале 90-х годов в заречной группе районов (Мегино-Кангаласский, Чурапчинский, Усть-Алданский, Таттинский, Амгинский) Центральной Якутии с целью обеспечения населения качественной питьевой водой, началось строительство системы магистрального водоснабжения, которая состояла из насосных станций, трубопроводов, водохранилищ и каналов. Было предусмотрено строительство трех ветвей водоводов.

Самый протяженный из них - магистральный водовод «Лена - Туора-Кюель - Татта» расположен в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых горных пород (ММП) и на всем своем протяжении (150 км) встречает участки более или менее интенсивного развития криогенных геологических процессов и явлений. При эксплуатации системы водоснабжения техногенные нагрузки приводят к существенным изменениям геокриологической среды (ГКС). В результате активизации данных процессов осложняются геокриологические и геоэкологические условия трассы водовода.

Самотечный канал «Туора Кюель - Татта» - это заключительный 17-километровый участок магистрального водовода «Лена - Татта», являющегося одновременно руслом ручья Синниэгэс. Он расположен в наиболее сложных инженерно-геокриологических условиях, а при эксплуатации большое значение имеет изучение криогенных процессов и связанных с ними явлений, вызванных воздействием водного потока на ГКС. При этом, необходимо вести постоянный контроль за этими проявлениями, так как они оказывают негативное воздействие на среду канала, вплоть до возникновения опасных и даже чрезвычайных ситуаций.

Районы, прилегающие к зоне действия магистрального канала расположены в черте небольших населенных пунктов (поселков и сел) со своей инфраструктурой (автодороги, жилые и хозяйственные постройки, мелиоративные и водохозяйственные системы, агропромышленные комплексы), которые интенсивно используются и подвержены техногенным изменениям различной степени. Взаимодействие инженерных сооружений, в том, числе и магистрального канала с криогенными процессами в этом районе ранее не исследовано, и может вызвать экологическое нарушение техногенного характера. В связи с этим изучение криогенных процессов и явлений в зоне влияния магистрального канала, и их воздействия на ГКС является актуальной научной задачей.

Цель исследований. Выявление закономерностей активизации и распространения современных криогенных процессов в зоне влияния магистрального канала «Туора-Кюель - Татта» в Центральной Якутии и выполнение геокриоэкологической оценки воздействия этих процессов на ГКС канала.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи: \

1. Провести описание и изучить магистральное водоснабжение в Центральной Якутии как единой природно-технической системы насосных станций, трубопроводов, водохранилищ и каналов.

2. Изучить инженерно-геокриологические условия, в том числе характеристику мерзлых грунтов и выделить роль криогенных процессов районе исследования.

3. Выявить и изучить особенности развития криогенных процессов и явлений, в том числе современных, при проведении инженерных изысканий в заречных районах Центральной Якутии.

4. Выделить водный поток как основной фактор техногенного воздействия на ГКС магистрального канала, а процессы термоэрозии и термокарста как его последствия.

5. На основе анализа полученной информации составить картосхему активизации и распространения криогенных процессов, а также выполнить геокриоэкологическую оценку воздействия современных криогенных процессов на ГКС канала.

Объектом исследования является геокриологическая среда трассы магистрального канала в Центральной Якутии, подверженная воздействиям современных криогенных процессов и их проявлениям.

Предмет исследования - природные и техногенные факторы, влияющие на активизацию криогенных процессов (термоэрозии, термокарста) в данном районе.

Научная новизна работы:

- исследованы особенности развития и активизации современных криогенных процессов и явлений в зоне влияния магистрального водовода и канала «Лена - Туора-Кюель - Татта» в заречных районах Центральной Якутии;

- оценка скорости течения водного потока в канале выполнена двумя методами;

- составлена картосхема активизации и распространения криогенных процессов на трассе канала:

- выполнена геокриоэкологическое оценка воздействия современных криогенных процессов на ГКС магистрального канала;

- разработаны рекомендации, в случае эксплуатации по предотвращению активизации и распространению криогенных процессов и их последствий на магистральном канале.

Защищаемые положения:

1. Установлено взаимодействие современных криогенных процессов и водотока магистрального канала, выражающееся в образовании бугристо-аласного ландшафта и возникновения неблагоприятной геоэкологической обстановки для населенных пунктов.

2. Опасные места и участки активизации современных криогенных процессов, зависят от длительности и скорости воздействия водного потока, а также от гранулометрического состава, физических свойств и криогенного строения мерзлых грунтов.

3. Доказано, что основное геоэкологическое влияние на геокриологическую среду в зоне магистрального канала оказывают два современных процесса - термоэрозия (в виде промоин) и термокарст (в виде просадок и ям).

Исходный материал и методы исследования. В основу диссертационной работы положены материалы, полученные при непосредственном участии автора в инженерно-геологических исследованиях (полевых, лабораторных, камеральных) в составе геолого-почвенного отдела Института по проектированию водохозяйственного и мелиоративного строительства «Гипроводхоз» в рамках Республиканской программы «Заречье» по водоснабжению заречных районов Центральной Якутии, в реализации которой в 1992-1998 годах автор принимал участие. В период 1998-2010 годы, по теме диссертации, автором проводились самостоятельные исследования (ландшафтные описания криогенных процессов, бурение, фотосъемка и др).

Теоретической и методологической основой работы являются разнообразные подходы к изучению, оценке и прогнозе развития и активизации криогенных процессов в результате техногенных воздействий, базирующийся на результатах исследований ученых Института мерзлотоведения (г. Якутск), Московского госуниверситета, Института криосферы земли (г. Тюмень), Института земной коры (г. Иркутск) и других. Методика исследований включала: сбор и обработка материалов прошлых лет, рекогносцировочные маршрутные наблюдения (ландшафтные исследования рельефа и криогенных процессов), бурение скважин, полевые исследования мерзлых грунтов, лабораторные исследования грунтов, а также обработка и анализ информации. В качестве способов исследования были использованы методы, базирующиеся на основных требованиях нормативных документов по инженерно-геологическим изысканиям в районах распространения многолетнемерзлых пород СП - 11-105-97 и в соответствии с требованиями СНиП- 11-02-96

Практическое значение работы. Результаты проведенных исследований были включены в материалы отчетов рабочих проектов инженерно-геологических изысканий в рамках Республиканской программы «Заречье». Также результаты представляют практический интерес для специалистов, занимающихся в области водохозяйственного и мелиоративного строительства на территории Республики Саха (Якутия) и других регионах Российской Федерации, где существует влияние многолетней мерзлоты, а также при проектировании, строительстве и эксплуатации линейных и гидротехнических сооружений. Кроме этого, результаты могут быть использованы при усовершенствовании методов районирования, картографических методов исследования ГКС и криогенных ландшафтов, составлении схем и карт техногенного воздействия.

Апробация. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на: Конференции молодых ученых «Шаг в будущее» (Якутск, 1997); научно-практической конференции «Криопедология» (Сыктывкар,

1997); VII International Conference on Permafrost (Yellowknife, Canada, 1998); VIII Congress of the International Association of Engineering Geology and Environment (Vancouver, Canada, 1998); XV всероссийской конференции с международным участием «Геологические опасности» (Архангельск, 2009). Автор участвовал и освещал научно-практические конференции «Проектирование и строительство транспортных объектов в условиях Республики Саха (Якутия) (Якутск, 2003) и «Мегапроекты; экономика, инвестиции, строительство» (Якутск, 2008).

Публикации. По результатам исследований автором лично опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи в ведущих научных журналах из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 107 наименований. Работа изложена на 115 страницах, содержит 22 рисунков и 10 таблиц.

В первой главе рассмотрен теоретический аспект и методы исследований. Во второй главе описана система магистрального водоснабжения заречных районов Центральной Якутии. В третьей дана инженерно-геокриологическая характеристика района исследований. Четвертая заключительная глава посвящена описанию особенностей криогенных процессов и явлений заречных районов Центральной Якутии при проведении изысканий для строительства объектов водохозяйственного строительства, а также выполнена геокриоэкологическая оценка воздействия современных процессов на среду исследуемого канала.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.г,-м.н., профессору [Ю.Б. Тржцинскому (Институт земной коры СО РАН) за постановку темы и формирование научных взглядов и навсегда сохранит о нем светлую память.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Система магистрального водоснабжения в заречных районах Центральной Якутии состоит из трех водоводов (рис.1): 1 - река Лена — поселок Туора Кюель и 4 - канал п. Туора Кюель - река Татта общей длиной 150 км, 2 - водохранилище поселка Бедеме - озеро поселка Тюнгюлю и 3 -река Лена - озеро Мюрю (с. Борогонцы).

По трассе водовода «Лена -Туора-Кюель - Татта» у населенных пунктов Нижний Вестях, Майя, Табага созданы водохранилища - соответственно Диринг, Мундулах, Теппэ. Около пос.Бютейдях создается

Куоларинское регулирующее водохранилище. Из него вода подается по р.Суола в расположенные ниже по течению населенные пункты. С этой целью около каждого из них создаются накопительные водоемы. Из них вода насосными станциями подается в очистные сооружения, далее в резервуар чистой воды и насосной станцией II подъема в разводящую сеть. Водоснабжение населенных пунктов, расположенных по р.Татта рассчитано по такой же схеме.

Магистральный канал Туора Кюель - Татта» проходит по долине ручья Синниэгэс и представляет собой естественный самотечный канал в русле ручья.

По климатическим условиям район является одним из резкоконтинентальных регионов земного шара, это проявляется в больших годовых колебаниях температуры (перепад температур более 100°С) и относительно малом количестве выпадающих осадков (250-300 мм в год.). Среднегодовая температура воздуха в районе п.Чурапча (ближайший метеостанции от района исследования) -11,7°С, абсолютный максимум наблюдения +37°С, абсолютный минимум -66°С. Количество осадков в районе (в период наблюдений за 34 года) - 259 мм.

В физико-географическом отношении рассматриваемый район расположен в юго-восточной части Центрально-Якутской низменности на Лено-Амгинском междуречье и представляет собой Абалахскую

1 1 |!| > ^Л^Г \ 1 * * Бо"> огон№1 | ) гайтск Д I»™» ■::| / ».Ц/л \г

\ <71 \ ЪР огасме 7Т ---Т- [й^Г—___-¡Гупра КгабВГ -') | Л Я! /и у' С ^^ Vг

Рис. 1.

Обзорная карта территории

аллювиальную террасированную равнину. Абсолютные отметки высот непосредственно в районе канала составляют 185,0-201,0 м.

Река Татта (левый приток реки Алдан) - основная водная артерия территории, протекает с юго-запада на северо-восток. Верховья р. Татта и большинство ее притоков, включая, исследуемый ручей Синниэгэс полностью пересыхают в летний период.

Озера распространены широко. Большая часть их имеет термокарстовое происхождение. Качество воды в озерах различное. В процессе усыхания минерализация озерной воды повышается, и вода становится непригодной для питьевых нужд. Наиболее крупные озера Кетит-Кюель и Арылах были выбраны в качестве действующих водохранилищ.

В геологическом строении района принимают участие юрские, неогеновые и четвертичные отложения. Юрские и неогеновые отложения перекрыты толщей четвертичных отложений. До изученной глубины (10 м) участок сложен верхнечетвертичными озерно-аллювиальными отложениями (рис.2), представлены суглинками, супесями легкой, средней, тяжелой разности, песками разной крупности, отнесенными к современным озерно-аллювиальным отложениям.

Геокриологические условия участка магистрального канала характеризуются развитием сплошной вечной мерзлоты сливающегося типа. Мощность многолетнемерзлой толщи (ММП) в районе исследований от 300 до 500 метров. Сезонное протаивание пород в районе исследования начинается в начале мая и достигает 1,4-2,8 м. в конце сентября. Промерзание сезонноталого слоя (СТС) начинается в октябре и происходит и сверху, и снизу. Температура грунтов на глубине (Юм) изменялась от от -3,3 до -6,2 °С.

Современные криогенные процессы и связанные с ними явления широко развиты по трассе магистрального канала и в непосредственной близости. Наиболее распространен процесс термокарста и термоэрозии. Встречаются такие явления как полигонально-жильные формы, выражающиеся в развитии полигонов, морозобойных трещин и повторно-жильных льдов. На склонах аласов (термокарстовые котловины) южной экспозиции и аласных долин наблюдаются байджерахи (термокарстовые останцы) чешуеобразной формы, развивающиеся в результате вытаивания повторно-жильных льдов и льдонасыщенных грунтов. В межаласьях развиты сезонные бугры пучения (мелкобугристый рельеф), а на аласах - многолетние бугры пучения (булгунняхи). Высота отдельных булгунняхов достигает 3-7 м, а диаметр составляет 30-35 м по подножию. В долине ручья развита заболоченность.

Природно-техногенные изменения проявляются в виде промоин (процесс термоэрозии) по колее и обочине местных грунтовых дорог, а также в виде провалов, ям (процесс термокарста) на местах разработок грунта, нарушений почвенно-растительного покрова на местах заброшенных жилых и хозяйственных построек, просек, ЛЭП и небольших каналов между озерами.

Особенность района исследования - повышенная льдистость грунтов и многочисленные фрагменты повторно-жильных льдов.

юз

оз. Юрюнг-Кюсль

1 10000

оризон!

Масштаб

вертикальный { 100

Рис. 2. Инженерно-геокриологический разрез трассы магистрального канала

A) начало трассы от скв. 5 до скв. 19

B) продолжение от скв. 19 до скв. 45

Торф

Супссь

Условные обозначения:

Лед, пусюты

Песок (пылсватый, мелкий средний, крупный)

ИГЭ и ею номер

Граница между сезонно-мерзлым слоем (CMC) и многолетнемерзлыми породами (ММП)

СМС

ММП

Сезоино-мерзлый слой (CMC) Многолетнемерзлые породы (ММП) Зоны талых грунтов (т)

При обработке проб разреза магистрального канала были выявлены: суглинки (70 %), супеси (14%), пески (11%), глины (1%), торф (1%) и заторфованные суглинки (1%), а также лед подземный (1%) и лед поверхностных вод (1%).

Глинистые грунты большей частью имеют (при оттаивании) текучую консистенцию, песчаные грунты по степени влажности - влажные, по составу преобладают в ССО - крупнозернистые, в ММП - среднезернистые фракции. Криогенная текстура глинистых грунтов в основном слоистая, песчаных грунтов - массивная. Грунты незасоленные, с примесью органических веществ, местами заторфованные.

В результате исследования в разрезе (рис.2) выделены 10 инженерно-геологических элементов (Табл. 1).

Таблица 1. Инженерно-геологические элементы.

№ ИГЭ (Тип грунта) Средняя суммарная влажность wl01 (д. ед.) Средняя пластичность JP (д. ед.) Средняя степень заторф. 1 от (д. ед.) Среднее содержание солей (D sal ) (%)

СЛОЙ СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ-ОТТАИВАНИЯ (ДЕЯТЕЛЬНЫЙ СЛОЙ)

ИГЭ-1 (Суглинок твердый) 0,18 0,10 0,03 0,08

ИГЭ-2 (Суглинок текучий) 0,39 0,08 0,03 0,07

ИГЭ-3 (Суглинок с примесью органических веществ) 0,30 0,13 0,09 0,09

ИГЭ-4 (Песок крупный) 0,25

МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛАЯ ТОЛЩА

ИГЭ-5 (Суглинок) 0,30 0,09 0,03 0,06

ИГЭ-6 (Суглинок льдистый) 0,49 0,09 0,04 0,07

ИГЭ-7 (Суглинок с примесью органических веществ) 0,36 0,13 0,07 0,06

ИГЭ-8 (Песок пылеватый) 0,22

ИГЭ-9 (Песок средней крупности) 0,24 0,02 0,05

ИГЭ-10 (Супесь) 0,29 0,06 0,03 0,06

При хозяйственном освоении Центральной Якутии и реализации рабочих проектов были выявлены ряд современных криогенных процессов и их проявлений характерных для исследуемой территории (таблица 2) — это развитие структур-полигонов (д), формирование подземных повторно-жильных льдов, разрушение берегов озёр в связи с оттаиванием подземных льдов, термоэрозионное оврагообразование, наличие таликовых зон, термокарстовые образования - аласы (а,б), морозобойное трещинообразование (г), термопросадочные ямы и провалы, бугры пучение -булгунняхи (в). В результате таких процессов всё чаще имеют место случаи угрозы жилому сектору (е).

Подземные льды. При проведении инженерно-геологических работ по профилю трассы проектируемого магистрального водовода на участке Сырдах-Борогонцы в 1995 году, изыскатели столкнулись с проблемой очень широкого распространения подземных льдов. Во время бурения скважин было решено, что при условии превышения (более 0,2 м) мощности подземных льдов или сильнольдистых грунтов, изменить расположения скважин и направления профиля трассы на сколько это возможно. Использовался следующий метод; (рис.3 а) в начале работ при появлении в первой скважине (скв. 10,11) подземного льда или сильнольдистого грунта более 20 см., бурение прекращалось и следующая скважина бурилась прямо по профилю трассы в нескольких метрах от первой и так до тех пор, пока не удавалось пробурить скважину без наличия в грунтах подземного льда (допускалась незначительная прослойка льда не более 10-20 сантиметров). Бурение по профилю велось методом произвольного выбора места скважины с учетом визуальных наблюдений полигонального рельефа. Выбор места заложения скважин осуществлялся минуя «желоба» полигонов. Местоположения скважин были тщательно привязаны к местности и задокументированы. Повторно-жильный лед и сильнольдистый грунт на участке Сырдах-Борогонцы в 5 и 10 - метровых скважинах встречался очень часто, на различных глубинах, начиная с глубины фактической сезонной оттайки грунтов и до забоя скважин. Это свидетельствовало о широком распространении повторно-жильных льдов на этом участке. Довольно часто использовался метод оконтуривания повторно-жильных льдов для прогноза направления распространения и мощности подземных льдов.

Ярким примером существующей связи одних проявлений криогенных процессов с другими служит исследование, проведенное в 1994 году по укреплению берегов термокарстового озера в пос. Чурапча. Протаивание повторно-жильных льдов привели к переработке и обрушению берегов озера, сопровождающегося оврагообразованием и увеличением объема термокарстовой котловины. Наиболее сильному протаиванию и обрушению подвергся склон берега южной экспозиции. Рельеф местности ярковыраженный полигональный с множеством морозобойных трещин и провалов. При бурении десятиметровыми скважинами (рис.3 б) на верхней бровке склона, клинья повторно-жильного льда начинались с глубины сезонного протаивания фунтов от 1,6-2,4 метров и доходил до 10 и более метров. Бурение по краям днища озера трехметровыми скважинами выявило сезонноталый грунт, мерзлый грунт подсечен не был, лишь в единичных случаях наблюдался слабомерзлый грунт почти на забое скважины, что говорит о значительном протаивании.

В данном районе распространены проявления, связанные с растеплением многолетнемерзлых пород (ММП) на значительную глубину, приводящие к формированию таликовых зон. Талики представляют собой горную породу в толще ММП, имеющую положительную температуру или отрицательную с криопегами. Особенно часто встречаются гидрогенные (подозерные, подрусловые, прирусловые) и техногенные талики.

(а)

Гк

(б)

Условные обозначения

| , ('-1 | - местоположение скважин и ее номер —т - граница между СТС и ММГ1

- клинья повторно-жильного льда

Рис.3.

Участки трассы магистрального водовода:

а) трассы водовода Сырдах-Борогонцы (пос. Сырдах, июль, 1995 г.), б) термокарстовой котловины (пос. Чурапча, сентябрь, 1994 г.), в) склона северной экспозиции и днища термокарстовой котловины, (пос. Тюнгюлю, январь. 1995 г.)

При буровых работах на урочище Тюнгюлю был вскрыт подозерный талик (рис.3, в) в интервале глубин 8,7-14,8 метров. Мощность таликов бывает от нескольких единиц метров до десятков метров. На малых аласах мощность таликов небольшая, на крупных аласах и урочищах они могут быт сквозными. При бурении пятиметровыми скважинами на некрупных алласах талики небольшой мощности встречались на глубинах 2,5-5,0 м., с интервалами 2,8-3,7 м.; 3,0-3,5; 3,6-4,9 и т. д

Основными термокарстовыми образованиями встречающимися в заречных районах Центральной Якутии являются аласы. Алас - это крупная котловина, образовавшаяся в результате постепенной прогайки и просадки грунтов. Встречаются аласы площадью от нескольких десятков квадратных метров до нескольких десятков квадратных километров. Аласы бывают различных размеров и форм; округлые, овальные, продолговатлые и другие. На начальной стадии образования алас небольшой глубины с почти пологими склонами (табл. 2 а).

Таблица 2

Криогенные процессы и их проявления в Центральной Якутии

Процесс

а)

Термокарст (начальная стадия)и заболачивание

б)

Термокарст (зрелая стадия) с останцами-байджерахами

в)

Морозное пучение многолетний бугор пучения -булгуннях

Процесс

г)

Морозобойное растрескивание

Д)

Полигональные

образования (полигональный рельеф)

е)

Активизация термокарста и развитие других криопроцессов

Фотоснимки

Последующие стадии обусловлены значительно большей глубиной и достаточно крутыми склонами. Микрорельеф склонов апасов и близлежащей местности, как правило, ярковыраженный полигональный, часто здесь встречаются байджерахи (табл.2 б) и такой процесс как солифлюкция. На аласах часто образуются озера, а на глубине встречаются талики. Иногда, обычно в центральной части аласа, формируются такие явления как булгунняхи (табл.2 в).

Морозобойное растрескивание имеет распространение на данной территории. На поверхности деятельного слоя оно проявляется в виде трещин (табл.2 г), а также провалов и ям. Образования трещин возникает вследствие напряженного состояния мерзлых грунтов, вызываемое температурными изменениями и изменениями яитологического состава.

Ширина трещин составляет от единиц до первых десятков сантиметров, длина - до нескольких единиц и десятков метров. Встречаются прерывистые, сплошные, прямые, и косые трещины.

В результате проведенных исследований в данном районе Центральной Якутии обнаруживаются закономерности формирования и особенности распространения современных криогенных процессов и явлений, что позволяет при проектировании, строительстве и эксплуатации вести их учет. Из перечисленных криогенных процессов наиболее активным и опасным является термокарст, связанный с наличием подземных льдов, их вытаиванием под влиянием изменений климатических условий и техногенным воздействием (снятие почвенного покрова, выжиганием лесов, выпасами скота и др).

Поэтому первоочередными задачами являются их учет, углубленное исследование, оценка воздействий на сооружения, составление качественного и количественного мерзлотного прогноза и управление ими.

Таким образом, инженерно-геокриологические условия магистрального канала являются очень сложными, а современные криогенные процессы и явления играют большую роль в формировании мерзлотного бугристо-аласного ландшафта.

На наш взгляд, из множества классификаций техногенных воздействий на ГС, заслуживают внимания классификации В.Т. Трофимова, Д.Г. Зилинга, и В.А. Королева. Особенно хотелось бы выделить совместный труд ученых МГУ «Геоэкология Севера» под редакцией В. И. Соломатина, где изучались и систематизировались техногенных воздействий на мерзлотные геосистемы, такие как термокарст, термоэрозия, солифлюкция и другие проявления.

В.П. Марахтанов и Г.А.Крючкова в этой работе выделяют следующие классификационные признаки техногенных воздействий: вещественно-энергетические (отражены в общепринятом делении на механические, тепловые, химические и другие), функциональные (учитывают степень нарушения, изменения и трансформации структуры криогеосистем - к первой группе относится полная трансформация, ко второй группе сильная трансформация, к третьей группе слабая трансформация и четвертой группе фактически неизменная) хронологические (импульсные, эпизодически повторяющиеся, периодически повторяющиеся и постоянные), стадийные (изыскательские, строительные и эксплутационные).

Как сказано выше, основной фактор техногенного воздействия - это водный поток; техногенное нарушение - размыв (размываемость) грунтов и процесс - термоэрозия. Возможные последствия - растепление грунтов, увеличение глубины сезонного оттаивания, развития и активизация термокарстовых процессов и процессов пучения, а также изменение физико-механических свойств и криогенного строения.

Обзор предыдущих исследований процесса термоэрозии показал, что особенно следует обратить внимание на тип размыва, температуру, интенсивность и длительность воздействия водного потока, а также на состав (литологический и гранулометрический), сложение и криогенное строение грунтов вовлеченных в сферу воздействия водного потока.

Влияния интенсивности водного потока. Интенсивность водного потока в магистральном канале зависит от скорости потока. Чем выше скорость потока, тем больше интенсивность потока, следовательно, сильнее размыв грунтов. Канал является естественным руслом ручья Синниэгэс, поэтому скорость потока в нем зависит от рельефа местности, и в частности от её продольного уклона. От створа плотины (201 м) до сопряжения с р.Татта (185 м) наблюдается общее понижение абсолютных высот рельефа в северо-восточном направлении, однако есть участки, где абсолютные высоты повышаются.

Скорость потока в канале измерялась 2 способами - методом расчетов по формуле Шези и простым методом «поплавка».

Расчет скорости водного потока выполнен с учетом следующих положений:

- для определения мест и участков канала подверженных различной степени размываемости (термоэрозии), рассчитываем скорость потока всех участках (по расположенным скважинам);

- для расчета скоростей водного потока различных участков канала используем формулу Шези:

V = С Vhcp I (1)

где hcp - средняя глубина русла, С - коэффициент Шези, I - продольный уклон Средняя глубина магистрального канала (hcp) - 0,4 м, Коэффициент Шези (С) - 41,5 (по формуле Павловского), Коэффициент шероховатости русла (п) - 0,02 (по М.Ф. Срибному).

В результате формула (1) приобретает следующий вид:

V = 41,5 V 0,4 I

- для расчета продольных уклонов (1р ) используем отметки абсолютных высот (h) по расположенным скважинам и расстояниям (L) между ними (таблица 3).

1р = (Н,- H2)/L = ДН/L (2)

где ДН - разность отметок абсолютных высот скважин, от первой (Hi) до следующей (Нг),

L - длина участков между скважинами (в метрах), I - продольный уклон (д.ед. или %о)

Таблица 3.

Продольные уклоны (1р) и предполагаемая скорость (у) водного потока на участках магистрального канала.

Участки канала Н,(м) Н2(м) ДН(м) Цм) 1р(д.ед) °/оо у(м/с)

От скв.8 до скв.9 200,48 200,13 0,35 470 0,00074 0,74 0,71

От скв.9 до скв. 10 200,13 199,93 0,20 415 0,00048 0,48 0,57

От скв. 10 до скв. 11 199,93 199,46 0,47 535 0,00087 0,87 0,77

От скв.11 до скв.1 199,46 199,20 0,26 270 0,00096 0,96 0,81

От скв.1 до скв. 12 199,20 198,90 0,30 314 0,00095 0,95 0,80

От скв.12 до скв.2 198,90 198,69 0,21 264 0,00079 0,79 0,73

От скв.2 до скв. 13 198,69 198,40 0,29 184 0,00157 1,57 1,04

От скв. 13 до скв. 14 198,40 197,58 0,82 2350 0,00034 0,34 0,48

От скв. 14 до скв. 15 197,58 197,27 0,31 290 0,00106 1,06 0,85

От скв. 15 до скв.З 197,27 197,15 0,12 400 0,00030 0,30 0,46

От скв.З до скв. 16 197,15 196,84 0,31 250 0,00124 1,24 0,93

От скв.16 до скв. 17 196,84 196,77 0,07 392 0,00017 0,17 0,27

От скв.!7 до скв. 18 196,77 196,72 0,05 600 0,00008 0.08 0,23

От скв. 18 до скв. 19 196,72 196,64 0,08 520 0,00015 0,15 0,26

От скв. 19 до скв.20 196,64 196,18 0,46 384 0,00119 1,19 0,92

От скв.20 до скв.21 196,18 195,85 0,33 460 0,00071 0,71 0,69

От скв.21 до скв.22 195,85 195,42 0,43 326 0,00131 1,31 0,96

От скв.22 до скв.23 195,42 194,58 0,84 424 0,00198 1,98 1,17

От скв.23 до скв.24 194,58 194,30 0,28 296 0,00094 0,94 ь 0,80

От скв.24 до скв.25 194,30 193,99 0,31 378 0,00082 0,82 0,75

От скв.25 до скв.26 193,99 193,68 0,31 376 0,00082 0,82 0,75

От скв.26 до скв.27 193,68 192,40 1,28 440 0,00291 2,91 1,41

Ог скв.27 до скв.28 192,40 191,85 0,55 410 0,00134 1,34 0,97

От скв.28 до скв.29 191,85 191,56 0,29 266 0,00109 1,09 0,87

От скв.29 до скв.30 191,56 190,80 0,76 494 0,00153 1,53 1,06

От скв.30 до скв.З 1 190,80 189,84 0,96 504 0,00190 1,90 1,13

От скв.З 1 до скв.32 189,84 189,41 0,43 268 0,00160 1,60 1,05

От скв.32 до скв.33 189,41 189,04 0,37 226 0,00163 1,63 1,07

От скв.ЗЗ до скв.34 189,04 188,45 0,59 358 0,00164 1,64 1,06

От скв.34 до скв.35 188,45 187,84 0,61 754 0,00081 0,81 0,75

От скв.35 до скв.36 187,84 187,65 0,19 480 0,00039 0,39 0,50

От скв.36 до скв.37 187,65 187,16 0,49 334 0,00146 1,46 1,00

От скв.37 до скв.38 187,16 186.89 0,27 464 0,00058 0,58 0,61

От скв.38 до скв.39 186,89 186,81 0,08 376 0,00021 0,21 0,38

От скв.39 до скв.4 186,81 186,75 0,06 394 0,00015 0,15 0,32

От скв.4 до скв.40 186,75 186,70 0,05 378 0,00013 0,13 0,30

От скв.40 до скв.44 186,70 185,61 1.09 2450 0,00044 0,44 0,55

Жирным шрифтом- превышение максимально допустимой скорости воды в канале (по Зайдельману)

В таблице 3 даны результаты проведенных расчетов. Установлено, что почти на всех участках магистрального канала возможны высокие размывающие скорости водного потока.

Второй метод измерения скорости течения потока - простой, но более достоверный - метод «поплавка». Поплавок был изготовлен из березовой древесины и представляет собой отпиленный цилиндр диаметром 12 см и высотой 4 см.

Принцип измерения скорости потока «поплавками» вытекает из ее формулы, т.е. расстояние, пройденное за единицу времени:

V = Ь/1 (3)

где Ь - длина произвольно выбранных участков канала (в метрах), I - затраченное время на их прохождения (в секундах).

Измерения проводились во время водовыпуска из водохранилища на трех участках магистрального канала (в начале трассы между скв.8 и 9, в середине между скв.25 и 26, в конце трассы между скв. 38 и 39), в двух точках на расстоянии 50 метров друг от друга.

Исследования показали следующие результаты: в начале трассы скорость потока (у) составляла - 1,4 м/с, середине трассы - 0,9 м/с и конце -0,6 м/с.

В результате данных расчетов и измерений нужно учесть следующее:

1) Результаты измерения скорости потока «поплавками» считать более достоверными,

2) Последние годы водовыпуск из водохранилища осуществляется эпизодически, раз в 2-3 года.

Влияния направления водного потока. Как было сказано выше, магистральный канал в целом имеет северо-восточное направления, однако существуют участки, где трасса канала меняет свое направление. На участке в районе расположения скважины № 8 канал поворачивает на восток, в районе скважины № 3 - на север, в районе скважины № 18 магистральный канал вновь тянется в своем северо-восточном направлении и в районе скважины № 40 поворачивает на восток.

Влияние гранулометрического состава, криогенного строения на размываемость грунтов. Анализ обзора предыдущих исследований процесса термоэрозии показал, что этому процессу более подвержены песчаные грунты, чем глинистые. По мнению Э.Д. Ершова «пески особенно мелкозернистые и среднезернистые, имеют наибольшую (катастрофическую) размываемость, и соответственно глины, суглинки и супеси наименьшую слабую размываемость. Но при этом важно учитывать криогенную текстуру и льдистость грунтов».

Для оценки динамики криогенных процессов (термокарста и термоэрозии) трассы магистрального канала проведено сопоставление

описаний ландшафтных условий во время изысканий 1995 г. и во время эксплуатации 2005 г. (рис. 4).

Описание ландшафтных условий (2005 г). В этот год проводился пеший маршрут с описанием современных криогенных процессов (в основном термокарста и термоэрозии непосредственно на полосе трассы), а также проводились измерения скорости водного потока. Особое внимание уделялось местам и участкам, где были выявлены (во время описаний 1995 г) проявления термокарста и термоэрозии.

Движение водного потока начинается у места водосброса из водохранилища, где была развита термоэрозия в виде промоины длиной до 5 м. и глубиной до 1,5 м., поэтому на дно в качестве защиты был положен стальной лист (см. рис. 4.(1)). Затем водный поток устремляется на северо-восток по руслу ручья Синниэгес. В районе небольшого озера он поворачивает на восток (на участке поворота на левом берегу наблюдается боковая эрозия - расширение русла (2)), протекая через проселочную дорогу и мостовые переходы №№ 1, 2. На мостовом № 2 наблюдается развитие термокарстых провалов глубиной до 0,5м. (3). Затем поток попадает в озеро Юрюнг-Кюель, на левом берегу, которого расположен одноименный поселок. На окраине поселка расположена площадка пилорамы и маслоцех возле, которых канал проходит в непосредственной близости. С этого места и до мостового перехода № 3 наблюдается интенсивное развитие т^рмокарстовых и термоэрозионных процессов (ям, просадок, промоин, провалов (4)). По сравнению с описанием 1995 г. данные процессы, подверглись довольно существенной активизации. Глубина термокарстовых провалов и ям доходила до 2 м., протяженность термоэрозионных промоин вместе с термокарстовыми провалами составляла до 40 м. Следующий участок, подвергшийся техногенному влиянию - искусственный канал в районе скв 20 и 21 (5). Термокарстовые провалы до 1,5 м и термоэрозионные ложбинки глубиной до 0,7 м распространенны по обе стороны канала, протяженностью около 50 м. На участке скв. 34, 35 по полосе трассы наблюдаются термокарстовые провалы до 2 м (6). Затем поток снова устремляется в северо-восточном направлении, до мостового перехода 4 (7), где также происходит развитие термокарстых провалов глубиной до 0,5 м, здесь направление меняется на восточное, до впадения в р. Татта.

Практически канал проходит по территориям населенных пунктов или их захватывает, он пересекает насыпные дороги несколько раз, мостовые переходы и ЛЭП. Удаление почвенно-растительного слоя резко активизирует процесс термокарста. В районе полосы трассы канала такие участки; у водовыпуска из водохранилища, на пересечении дорог, вблизи п.Туора Кюель, Дириг, возле пилорамы, маслоцеха, дамбы, искусственного канала и мостовых переходах №№1,2,3,4.

Рис. 4. Картосхема распространения современных криогенных процессов на трассе магистрального канал в 1995 и 2005 гг (составил A.M. Сальва)

1 - Места и участки активизации и распространения современных криогенных процессов; 2 - Русло рч. Синниэгес (магистральный канал), аласы с озерами и межаласья, 3 - номер и место расположения скважин; 4 - населенные пункты, отдельные строения; 5 - грунтовые автодороги, 6 - исскуственные сооружениям) дамба, б) канал; 7 - 9 - развитие криог енных процессов: 7 - байджерахи, 8 - бугор пучения (булгуннях), 9 - термокарст (провалы, ямы) и термоэрозия (в виде промоин).

Первая эксплуатация канала прошла осенью 2001 г, когда было заполнено водохранилище Туора-Кюель. После заполнения был произведен первый водовыпуск и подача в магистральный канал Туора Кюель - Татта небольшими попусками. В последующие годы (2002-2004 гг) канал эксплуатировался эпизодически в зависимости от необходимости, которая прекратилась (в период 2005-2008 гг) в связи с небывалым за последние 50 лет полноводием малых рек и ручьев. Водовыпуск из водохранилища почти прекратился.

Пересыхающая р.Татта, в которую впадал рч.Синниэгес, полностью заполнялась при таянии снега и при обильных дождях.

Таким образом, за 10 лет эпизодического воздействия потока образовались опасные места и участки активизации современных криогенных процессов, зависящих от длительности и скорости воздействия водного потока, а также от гранулометрического состава, физических свойств и криогенного строения мерзлых грунтов. Расчеты скоростей водного потока в магистральном канале показали, что размывающая скорость потока будет в начале и возможно в середине трассы канала, и только в случае постоянной эксплуатации.

Исходя из вышеизложенного, под геокриоэкологической оценкой воздействия криогенного процесса на произвольную территорию или инженерные сооружения, автором понимается выявление качественных и количественных изменений геокриологической среды в результате развития и активизации мерзлотного процесса под влияния техногенного фактора.

Под качественной геокриоэкологической оценкой понимается выявление особенностей, закономерностей развития криогенного процесса, характеристики геокриологической среды, условия и факторы активизации. Под количественной геокриоэкологической оценкой понимается числовые показатели, отражающие динамику развития криогенного процесса и характеризующие его воздействия на среду инженерного сооружения.

По существу в районе исследования изучаются два процесса -термоэрозии и термокарст, которые являются последствием размыва (размываемости) мерзлых грунтов. Эти процессы проявляются в виде просадок, ям, провалов и промоин.

Для оценки воздействия криогенных процессов на магистральный канал были выбраны следующие параметры:

- морфометрические характеристики, такие как диаметр, протяженность и глубина термокарста и термоэрозии,

- места, участки развития и активизации термокарста и термоэрозии,

Подводя итог, в ходе исследований установлены следующие результаты оценки:

Для выявления закономерностей активизации и распространения термокарстовых и термоэрозионных проявлений на полосе трассы магистрального канала Туора Кюель - Татта был изучен инженерно-геокриологический разрез, а также гранулометрический состав, физические свойства, криогенное строение и состояние мерзлых грунтов. По нашему мнению, активизация и распространение термоэрозионных и термокарстовых процессов приурочено к местам и участкам со следующими особенностями и закономерностями:

— грунтовых условий (наличием на подстилающей поверхности грунтовых пустот, торфов и льда поверхностных вод, а также легких супесей и песков различной крупности),

— антропогенной деятельности (разработкой грунта, нарушением почвенно-растительного слоя, по колее и обочине местных грунтовых автодорог и мостовых переходов, возведением дамб и небольших каналов),

— изменением направления трассы канала,

-размывающей скорости водного потока.

Основным фактором активизации или активизатором термокарстовых и термоэрозионных проявлений (просадок, ям и промоин) в зоне влияния магистрального канала является водный поток, который устремляется при водовыпуске из водохранилища. Однако с 2005 г. из-за полноводья р. Татта водовыпуск практически приостановился и интенсивная активизация термокарста и термоэрозии прекратилась.

Основными проявлениями на полосе трассы магистрального канала являются термокарстовые просадки и термоэрозионные промоины. В результате периодического и эпизодического воздействия водного потока в 2001-2004 гг. произошла активизация данных проявлений и увеличение их размеров, площади распространения. По сравнению с 1995 г увеличилась глубина просадки термокарста и протяженность термоэрозионных промоин и термокарстовых провалов. Максимальная глубина термокарстовых просадок (скв. 3, 14, 15, 34, 35) - составляла 2 м, при диаметре 1-3 м, протяженность процессов - до 40 м, с постоянными прерываниями от 0,5 до 2 м. В районе искусственного канала (скв. 20,21) протяженность термоэрозионных промоин и термокарстовых провалов составляла до 50 м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенных исследований позволили сделать следующие выводы и предложить рекомендации.

1. Рассматриваемая территория Центральной Якутии характеризуется сплошным распространением многолетнемерзлых пород и широким развитием криогенных процессов и явлений, которые активизируются и распространяются по мере техногенного воздействия. Основной техногенный фактор, действующий на среду канала - это водный поток, эпизодически

выпускаемый из водохранилища. В результате воздействия, которого создаются условия для активизации процессов термоэрозии и термокарста. Природные факторы - климат, рельеф, геологическое строение и другие оказывают влияния на развитие криогенных процессов, но не на их активизацию.

2. Термоэрозия и термокарст зависят от скорости потока, которая в начале трассы - размывающая, и конце неразмывающая; длительности потока - эпизодическая, также от гранулометрического состава, криогенного строения и физических свойств мерзлых грунтов, вовлеченных в сферу воздействия потока - т.е. песчаных и льдистых суглинистых грунтов.

3. В пределах участка магистрального канала на основе анализа инженерно-геокриологических условий и выявления закономерностей активизации процессов построена картосхема распространения современных криогенных процессов, выделены места и участки активизации термоэрозии и термокарста.

4. Проведена геокриоэкологическая оценка воздействия современных криогенных процессов на ГКС магистрального канала и определены качественные и количественные параметры, характеризующие воздействие процессов на среду.

5. Исходя, из выше изложенного предлагаются следующие меры и рекомендации (особенно в случае периодической эксплуатации):

• В районе водовыпуска из водохранилища, в качестве инженерной защиты, где в результате воздействия потока образовалось эрозионное углубление, был установлен металлический настил и применена насыпь из бутового камня. Также, в качестве защиты, на других участках канала перед заморозками должны быть проведены работы по дренажу канала и производству отсыпки крупнообломочными грунтами и бутовым камнем в зоне интенсивного воздействия водного потока, и где наблюдается отсутствие почвенно-растительного слоя.

■ Рекомендуется искусственное углубление некоторых участков канала (по причине небольшой глубины русла ручья, а на некоторых участках практически его отсутствия), кроме этого выпуск объемов воды из водохранилища осуществлять планомерно.

• В состав природоохранных мероприятий предусмотреть меры, направленные на восстановление нарушенных в процессе строительства и эксплуатации природных условий, в том числе рекультивация и восстановление почвенно-растительного слоя, а также предупреждение развития термоэрозионных и термокарстовых процессов.

■ Во избежание риска дальнейшего развития и активизации современных криогенных процессов и явлений в зоне влияния магистрального канала и водовода в целом, рекомендуется проведение постоянного мониторинга с использованием мерзлотной геоэкологической оценки проведенной в данной работе и составлением новых прогнозно-оценочных схем и карт.

Список основных публикаций по теме диссертации

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных перечнем ВАК:

Salva A.M. Cryogenic features and forms of relief under execution engineering works in the eastern part of central Yakutia // Balkema. Rotterdam.2000 - S. 4661-4667.

. Сальва A.M. Система магистрального водоснабжения в Центральной Якутии // Мелиорация и водное хозяйство. 2006. № 1. - С. 37-40. Сальва A.M. Инженерно-геокриологические условия района строительства магистрального канала в Центральной Якутии // Криосфера Земли. 2006. Т.Х, № 4. - С. 14-18. . Сальва A.M. Природные мерзлые грунты магистрального канала в Центральной Якутии // Отечественная геология. 2006. № 6. - С. 98-101.

В других изданиях:

. Сальва A.M. Криогенные процессы и явления при проведении инженерно-геологических исследований в заречных улусах Центральной Якутии // Тезисы докладов. Конференция молодых ученых «Шаг в будущее». Якутск. 1997. - С. 24. . Сальва A.M. Учет криогенных процессов при решении задач по водообеспечению и водоснабжению пос. Чурапча. Под ред. И. В. Забоева // Тезисы докладов. Научно-практическая конференция «Криопедология 97» Сыктывкар. 1997. - С. 181.

Salva A.M. Consideration of cryogenic processes on solving problems of water supply in riverside regions Central Yakutia // VII International Conference in Permafrost. Yellowknife. Canada. Abstract. - S. 123-124. Сальва A.M. Современные криогенные процессы трассы магистрального канала в Центральной Якутии: метод ландшафтного описания / A.M. Сальва // Геологические опасности: материалы XV всероссийской конференции с международным участием / Отв.ред.чн.-корр. РАН Ф.Н. Юдахин. - Архангельск, Институт экологических проблем Севера АНЦ УрО РАН, 2009. - С. 392-396.

Подписано в печать 11.01.2011. Формат 60x84/16. Гарнитура «Тайме». Печать офсетная. Печ.л. 1,5. Уч.-изд. 1,85. Тираж 100 экз. Заказ

Издательско-полиграфический комплекс Северо-Восточного федерального университета, 677891, г. Якутск, ул. Кулаковского, 42

Информация о работе

Сальва, Андрей Михайлович
кандидата геолого-минералогических наук
Дубна, 2011
ВАК 25.00.36

Автореферат

Похожие работы