Геосубсиденция в селитебной зоне Арктических городов: Причины и последствия

Aligyushad Kerimov
9 сент.
4 мин. чтения

Обновлено: 12 сент.

В настоящей публикации вводится и обосновывается новый термин "геосубсиденция" для обозначения комплексных процессов оседания и деформации поверхности в селитебных зонах арктических городов, построенных на многолетнемерзлых грунтах. Анализируются причины этих явлений, обусловленные техногенным воздействием и активными геокриологическими процессами, а также их последствия для инфраструктуры и безопасности. На основе картографирования Центрального района Норильска в сотрудничестве с кафедрой криолитологии и гляциологии МГУ имени М.В. Ломоносова предлагается система мониторинга и классификации геосубсиденции. Разработанные подходы позволяют оценить риски и разработать компенсирующие меры для минимизации ущерба.

Ключевые слова: геосубсиденция, многолетнемерзлые грунты, Арктика, Норильск, мониторинг, деградация мерзлоты.

Арктические города, такие как Норильск, Якутск и другие, расположены в зонах сплошного или островного распространения многолетнемерзлых грунтов (вечной мерзлоты). Эти грунты, содержащие значительное количество льда, служат естественным фундаментом для строительных объектов, обеспечивая их устойчивость за счет криогенного цементирования. Однако в условиях глобального потепления климата и интенсивной техногенной нагрузки (строительство, промышленная деятельность, транспортная инфраструктура) наблюдается ускоренная деградация мерзлоты. Это приводит к просадкам грунтов, оседанию поверхности, трещинообразованию, провалам и другим деформационным процессам.

Для описания этих специфических явлений в селитебных зонах предлагается ввести термин геосубсиденция — от лат. "geo" (земля) и "subsidentia" (оседание). Геосубсиденция представляет собой многогранный процесс, включающий не только вертикальное оседание, но и горизонтальные деформации, связанные с таянием криогенного льда, изменением гидрологического режима и антропогенным воздействием. В отличие от классической субсиденции (например, в карстовых или осушительных районах), геосубсиденция в арктических условиях носит криогенный характер и усиливается климатическими изменениями.

Целью является анализ причин и последствий геосубсиденции, а также демонстрация методологии мониторинга на примере Норильска. Исследование опирается на данные картографирования Центрального района города, проведенного в рамках взаимодействия с кафедрой криолитологии и гляциологии Географического факультета МГУ. Это позволяет не только оценить текущую ситуацию, но и разработать классификацию для прогнозирования и предотвращения рисков.

Причины геосубсиденции

Геосубсиденция в арктических городах обусловлена комбинацией природных и антропогенных факторов, взаимодействующих в криолитозоне. Основные причины можно разделить на климатические, геокриологические и техногенные.

Климатические и геокриологические факторы.

Глобальное потепление приводит к повышению среднегодовой температуры воздуха в Арктике на 2–4°C за последние десятилетия, что вызывает деградацию вечной мерзлоты. Температура мерзлых грунтов повышается, лед тает, и грунт теряет несущую способность. В Норильске, это проявляется в поверхностном растеплении, особенно в зонах с высоким содержанием льда (ледяные линзы до 50–70% объема).

Дополнительным фактором является изменение снежного покрова. Зимние сугробы, накапливающиеся в селитебной зоне, выступают как "одеяло", замедляющее охлаждение грунта и способствующее его оттаиванию весной. Исследования студентов и аспирантов МГУ в Норильске показали, что неравномерное распределение снега усиливает локальные просадки на 10–20 см за сезон. Поверхностный водоприток (таяние снега, осадки) проникает в оттаивающие слои, вызывая гидратацию и дальнейшую потерю прочности.

Техногенные факторы.

Антропогенное воздействие доминирует в урбанизированных районах. Строительство на насыпных грунтах (толщиной до 5–10 м) нарушает естественный тепловой баланс: тепло от зданий, трубопроводов и дорог передается в мерзлоту, ускоряя ее таяние. В Норильске подземные коммуникации (канализационные и тепловые сети) часто проходят в непроходных или проходных каналах, где утечки воды провоцируют локальные провалы.

Грунтовые воды, активизированные техногенными сбросами, и поверхностный сток от очистки снега от загрязнений усугубляют процесс. Места снегонакопления зимой и зоны расчистки снега становятся "горячими точками" геосубсиденции.

Последствия геосубсиденции.

Геосубсиденция оказывает разрушительное влияние на инфраструктуру арктических городов, приводя к экономическим потерям, рискам для населения и экологическим проблемам.

Деформации инфраструктуры.

Оседание поверхности на 5–30 см за 5–10 лет вызывает трещинообразование в фундаментах зданий, деформацию дорог и тротуаров. Дворовые участки и газонные зоны проседают неравномерно, что приводит к разрывам коммуникаций и авариям.

Социально-экономические и экологические последствия.

Повреждения зданий требуют капитального ремонта, стоимость которого в арктических условиях возрастает в 2–3 раза из-за логистики. Риски для населения включают обрушения и провалы, особенно вблизи автодорог и жилых домов.

В долгосрочной перспективе без мер адаптации города вроде Норильска могут войти в зону полной деградации поверхностной мерзлоты к 2050 году, что сделает их непригодными для проживания без радикальной реконструкции.

Мониторинг и картографирование геосубсиденции.

Для индикативного и научного анализа геосубсиденции необходим системный мониторинг.

В рамках сотрудничества с кафедрой криолитологии и гляциологии МГУ Центральный район Норильска был закартирован с использованием GPS-измерений и дронов. Оседания поверхности (до 15–20 см в локальных зонах) нанесены на цифровую модель рельефа (ЦМР) на базе GIS-систем. Анализ выявил корреляцию между сугробами и просадками: зоны снегонакопления демонстрируют оседание в 1,5–2 раза выше среднего.

Методология мониторинга включает:

Ежегодные геодезические съемки для фиксации деформаций.
Сенсорные сети для контроля теплового режима.
Моделирование с использованием ПО для прогноза таяния.
Такие данные служат основой для разработки компенсирующих мероприятий.

Классификация геосубсиденции.

Предлагается классификация геосубсиденции по многокритериальной системе, учитывающей локальные особенности селитебной зоны. Это позволит типизировать зоны риска и приоритизировать меры.

Основные критерии классификации.

По генезису и интенсивности:

Слабая (оседание <5 см/год): преимущественно климатическая деградация.
Средняя (5–15 см/год): комбинация с техногенными факторами (насыпные грунты толщиной >3 м).
Сильная (>15 см/год): провалы из-за таяния в зонах подземных каналов.

По гидрологическому режиму:

С участием грунтовых вод: зоны с высоким водопритоком (близ водоемов или утечек).
С поверхностным водопритоком: районы таяния снега и осадков.
Сухие зоны: минимальные деформации, но риск при техногенном нагреве.
По локации относительно инфраструктуры:
Под жилыми домами: приоритетный мониторинг фундаментов.
Под тротуарами и автодорогами: риск трещин и обрушений.
Дворовые и газонные зоны: эстетические и дренажные проблемы.
Места снегонакопления зимой: усиленное таяние (класс "высокий риск").
Зоны расчистки снега: быстрая деградация из-за обнажения грунта.

По наличию насыпных и подземных элементов:

С мощными насыпями (>5 м): дифференциальное оседание.
С проходными/непроходными каналами: локальные провалы от утечек.
Без насыпей: естественная деградация мерзлоты.

Классификация реализована в GIS-картах Норильска, где зоны окрашены по уровням риска (зеленый — низкий, красный — высокий).