Icings in the project area of the Power of Siberia–2 gas pipeline in the Republic of Buryatia

Толық мәтін

Введение

Современный проект магистрального газопровода “Сила Сибири–2”, реализация которого началась в 2020 г., предполагает, что часть его пройдет по территории Республики Бурятия (РБ) с дальнейшим выходом через государственную границу в Монголию. Согласно проекту, трубопровод будет пересекать восточную часть Тункинской впадины, хр. Хамар-Дабан, далее по Джидинской котловине и Селенгинскому среднегорью в сторону г. Кяхта. На большей части протяженности трасса газопровода совпадает с маршрутом старинного Игумновского тракта [2]. Проектно-изыскательские работы на объекте начались. Общая протяженность бурятского участка газопровода составляет 475 км.

Участок газопровода на территории РБ будет строиться в условиях распространения многолетнемерзлых пород (ММП), где активно проявляются опасные для инженерно-технических сооружений криогенные процессы, один из которых — образование наледей.

Опыт изучения проектов и результатов их реализации в Забайкалье показывает, что зачастую в процессе изучения мерзлотно-гидрогеологических условий не учитываются риски наледеобразования. Это происходит в результате использования специалистами мелкомасштабных мерзлотных схем и карт на начальных этапах проектирования либо на стадии полевых работ, когда неверно оцениваются границы наледных полян. Особые подходы должны применяться при изучении территорий, относящихся к южной геокриологической зоне. Так как в теории большинство наледей таких районов формируются по южному варианту [1], то для них характерна ежегодная смена местоположения, динамика площадей и объемов в зависимости от метеорологических параметров среды, прежде всего от количества осадков [14]. Поэтому для точного определения районов формирования наледей вдоль линейных сооружений в южной геокриологической зоне необходимо использовать дистанционные технологии. Лучше всего для этого подходят разновременные космические снимки.

Материалы и методы

Территория исследования относится к Байкальской горной стране. Трасса проектируемого газопровода “Сила Сибири–2” пересекает Тункинскую межгорную котловину байкальского типа (кайнозойская), хр. Большой Хамар-Дабан, далее проходит вдоль отрогов хр. Малый Хамар-Дабан через Боргойскую котловину забайкальского типа (мезозойская) в долину р. Селенга. Рельеф горный, расчлененный. Максимальные абсолютные высоты в пределах рассматриваемой территории достигают отметок 1800 м (хр. Большой Хамар-Дабан), минимальная высота — 700 м (Тункинская котловина). Район характеризуется сложной тектоникой и широким распространением новейших разломов [4].

Подземные воды территории относятся к двум гидрогеологическим складчатым областям, Байкальской и Западно-Забайкальской, в пределах которых выделяются артезианские бассейны, приуроченные к межгорным котловинам (Тункинский, Боргойский и др.) и бассейны трещинных вод. Питание подземных вод в большей степени осуществляется за счет осадков, значительная часть которых (до 80%) выпадает в теплый сезон года [5]. Разгрузка происходит за счет стока вдоль склонов к межгорным котловинам в виде многочисленных ручьев и источников у подножий, в руслах рек.

Резко континентальный климат, отрицательные среднегодовые температуры воздуха, горный рельеф и высотная поясность определяют наличие и широкое распространение сезонной многолетней мерзлоты. Для 60% территории характерно сплошное распространение ММП, для 40 % — прерывистое и островное [15]. Это определяет активность криогенных процессов, в том числе наледеобразования.

В качестве материалов для проведения исследования в работе применялись данные космической съемки Landsat. Для картографирования наледей использованы снимки Landsat 4–5 (36 сцен), Landsat 8 (12 сцен) и Landsat 9 (3 сцены), сделанные аппаратами в период с 30 марта по 30 апреля. Для южной части территории (Нижне-Джидинский геоморфологический район) и Тункинской впадины лучше подходят снимки за период с 30 марта по 10 апреля. В это время снег в долинах рек полностью тает, наледи же теряют лишь небольшой процент площади. Для горных районов хр. Хамар-Дабан, где мощность снежного покрова достигает 1.5–2 м и тает он долго, наилучший результат получается при использовании данных за период с 10 по 30 апреля.

С помощью мультиспектральных космических снимков в ГИС проводился расчет нормализованного снежно-ледового индекса (NDSI). Для установления границ применения NDSI вдоль линии проектируемого газопровода [8] выделен буфер шириной 600 м, включающий полосу обследования и зону отчуждения. Спектральный индекс рассчитан в калькуляторе растра по используемой для этих целей формуле [18] по технологии, описанной в работах [16, 17]. После перевода растровых изображений в векторный формат получены полигоны наледей за период с 1990 по 2023 г.

По векторным данным за 2023 г. установлены современные районы расположения наледей и их основные морфометрические характеристики. Данные за период с 1990 г. по настоящее время сравнивалось методом пересечения для выявления наледей, ежегодно формирующихся в одних и тех же местах, а также тех, что мигрируют вдоль русел водотоков. С целью оценки роли рельефа в формировании наледей применялась цифровая модель рельефа SRTM. Тектонические разломы оцифрованы с геологической карты масштаба 1:200 000 с использование ПО SASPlanet. Общие и детальные сведения об особенностях геологического строения, гидрогеологии и геокриологии, получены из литературных источников и открытых баз данных [3, 6, 7]. Обработка материалов производилась с использованием ПО ESRI ArcGIS Desktop и QGIS.

В процессе оценки особенностей расположения и динамики площадей наледей учитывался опыт полевых экспедиционных исследований, в том числе проводившихся в бассейне р. Джида в период с 2019 по 2024 г., в ходе которых были получены данные о средней мощности наледей в долинах рек Цагатуй, Ичетуй, Гэгэтуй и др. В зависимости от рельефа места формирования наледи и ее площади толщина льда составляет от 0.2 до 1.2 м. Эти данные использовались при расчетах объемов наледей.

Результаты и обсуждение

Вдоль маршрута проектируемого газопровода в настоящее время формируется 34 наледи суммарной площадью около 3.7 км². Из них к средним по [10] (от 1 до 10 тыс. м²) относятся 2, к большим (10–100 тыс. м²) — 22, остальные 10 — очень большие (от 100 до 1000 тыс. м²). Наиболее крупная наледь в начале апреля 2023 г. имела площадь 423 тыс. м². По данным космической съемки образование наледей на территории начинается в середине ноября, таяние заканчивается в первой декаде июня.

На основе составленных по космическим снимкам ретроспективных карт вдоль трассы газопровода выделен 21 участок, где наледи образуются ежегодно, 13 участков — где они формируются периодически, и 9 — где наледи не формируются, но подходящие для этого условия (поток грунтовых вод вдоль тальвега, сезонная и островная многолетняя мерзлота и др.) есть (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема распространения наледей вдоль проектируемого участка трассы газопровода “Сила Сибири–2”, проходящего через территорию РБ: 1 — маршрут газопровода, 2 — разломы (установленные и предполагаемые); наледи: 3 — ежегодно формирующиеся в одних и тех же местах, 4 — меняющие местоположение; 5 — районы возможного формирования наледей.

 

Суммарная протяженность пересекаемых линией газопровода наледей, рассчитанная исходя из средней многолетней ширины каждой наледи составляет 3970 м, с учетом потенциально возможных — 4600 м. Таким образом, около 1% протяженности трассы газопровода в пределах РБ проходит через наледные поляны (в том числе без поверхностных водотоков), где практически ежегодно наблюдаются наледи.

Все наледи, расположенные вдоль линии проектируемого газопровода, относятся к наледям подземных вод. Небольшие по размерам, постоянно меняющие свое местоположение, образуются в результате выхода на поверхность грунтовых вод при увеличении криогенного напора в процессе сезонного промерзания горных пород. Питание за счет грунтовых вод также подтверждается зависимостью их площадей от количества осадков теплого сезона года, предшествующего наледеобразованию [14]. В пределах участка исследования суммарные площади наледей в рассматриваемом хронологическом интервале изменяются от 1.8 км² в маловодные годы до 3.7 км² в многоводные, т.е. более чем в 2 раза. Площади некоторых наледей в многоводные климатические циклы могут быть в 10 раз больше, чем в маловодные. Это позволяет считать 13 из формирующихся в настоящее время наледей наледями подземных вод. В зональном отношении такие наледи образуются по южному варианту [1]. На участке исследования смещение некоторых наледей вдоль русел водотоков составляет 1.5 км.

Из ежегодно формирующихся в одних и тех же местах 21 наледей: 9 в отрогах хр. Малый Хамар-Дабан, 12 в водораздельной части Большого Хамар-Дабана. Стабильность их местоположения может быть связана с геолого-геоморфологическими условиями, определяющими разгрузку грунтовых вод (узкие V-образные лощины, близкое залегание водоупорных горных пород и т.д.), или с питанием наледей от постоянных источников подземных вод глубоких водоносных горизонтов за счет их поступления вдоль зон разломов (чаще всего — в комплексе). Местоположение семи наледей совпадает с линиями разломов (см. рис.1). Также 9 из постоянных наледей имеют значительно большие площади, чем все остальные. Учитывая эти признаки, выявленные на территории наледи по гидрогеологическим условиям наледеобразования [9, 11] разделены на 2 основные группы (табл. 1): I — наледи подземных вод, II — наледи смешанных подземных вод, связанные с гидрогеогенными таликами (родниковые).

На рис. 1 нет разломов, связанных с наледями 20 и 23. Это может объясняться тем, что они не были установлены, или масштаб карты, по которой проводилась оцифровка, не позволяет их обозначить. Некоторые наледи, которые формирующиеся не ежегодно, также условно можно отнести к родниковым. Наледь 2 на рис. 1 не фиксировалась по снимкам несколько лет, но по данным 2000 г. и позднее она имеет площадь более 100 тыс. м². Формирование здесь сквозного талика и увеличение потока подземных вод может быть связано с тектонической активностью. Наледь расположена на разломе (см. рис.1).

Наледи, для которых характерна стабильность расположения, но выраженная изменчивость площадей и объемов, относятся к наледям умеренного типа [1, 12]. Наледи вдоль трассы проектируемого газопровода, развивающиеся в условиях высотной поясности в горах хр. Хамар-Дабана, по определению вполне подходят к этому зональному типу.

 

Таблица 1. Характеристики наледей вдоль участка трассы проектируемого газопровода

№ на схеме	Тип наледи	Значения площадей за период с 1990 по 2023 г., тыс. м2			Средний расчетный объем, тыс. м3
		максимальная	минимальная	средняя
1	II	51.1	19.9	35.5	10
2	I	67	16.6	41.8	12
3	II	154	54.9	104.4	52
4	II	449.5	153	301.2	271
5	II	88	24	56	17
6	I	22.4	14.9	18.6	4
7	II	464.3	91.1	277.7	194
8	II	51.9	25.1	38.5	11
9	II	437.1	309.1	373.1	410
10	I	24.5	11	17	3
11	I	72.1	20	46	13
12	II	569.1	301.8	435.4	522
13	I	27.6	14.6	21.1	4
14	II	204	175	189.5	95
15	I	22.3	11	16.6	3
16	I	94.8	26.6	60.7	24
17	I	10.2	3.6	6.9	1
18	I	66.6	20	43.3	13
19	I	37.8	11	24,4	7
20	II	340.7	79.2	209.9	126
21	I	43.3	21	32.1	9
22	I	41.3	12.3	26.8	5
23	II	469	209.5	339.2	305
24	I	43.9	13	28.4	5
25	I	34.2	23.6	28.9	8
26	I	66.4	24.1	45.2	13
27	I	14.5	3.6	9	2
28	II	72.8	30.2	51.5	15
29	I	56.3	21.6	38.9	11
30	II	402	18.1	210	126
31	I	30.3	16.2	23.2	4
32	II	454.6	423	438.8	526
33	I	61.7	6.7	34.2	10
34	I	36.7	11.3	24	7

 

Более детально определить генезис наледеобразующих вод дистанционными методами невозможно, но полученные данные об особенностях формирования наледей вдоль трассы проектируемого газопровода позволяют определить основные направления их воздействия на объект.

Заключение

Влияние наледей на магистральные газопроводы, которые проходят по районам с развитием ММП, хорошо известно и учитывается при проектировании [13]. Сложности строительства и эксплуатации инженерно-технических сооружений в местах формирования наледей южного типа заключаются в том, что даже незначительные изменения мерзлотно-гидрогеологических условий могут привести к подтоплениям наледями объектов вспомогательной инфраструктуры газопровода, как на стадии строительства, так и в период эксплуатации. В бассейне р. Джида нитка газопровода в большинстве случаев пересекает линии основных водотоков, вдоль которых направлен и подземный сток в днищах падей. Создание искусственных мерзлотных поясов (или таликов) в процессе снятия грунта при укладке газопровода приведет к перераспределению грунтовых вод и формированию наледей в непосредственной близости от объекта, в результате чего потребуется проведение дополнительных мероприятий по обеспечению защиты вспомогательных инженерно-технических сооружений, таких как дороги для обслуживания, линии электропередачи, мосты.

Наибольшие трудности для строительства и эксплуатации проектируемого объекта будут представлять наледи, которые в данной работе отнесены к умеренному типу. Их формирование начинается в ноябре, таяние оканчивается в первой декаде июня. Большую часть года на таких участках лежит лед мощностью более 1 м. Это создает сложности для строительства и эксплуатации объекта, поэтому необходимы дополнительные технические решения для накопления наледей за пределами наледных полян, где они расположены в настоящее время. Необходимы детальные гидрогеологические изыскания для определения источников наледеобразующих вод и возможностей перераспределения их стока на .участки, удаленные от газопровода и вспомогательных сооружений.

Несмотря на указанные трудности строительства бурятского участка газопровода “Сила Сибири–2”, обусловленные развитием наледей, в целом на данной территории работы по реализации проекта будут проводиться в более благоприятных условиях, чем в северных районах со сплошным распространением многолетней мерзлоты.

При выполнении в достаточном объеме всех необходимых инженерно-геологических изысканий негативное влияние наледей на объект можно минимизировать. Проект очень важен для Республики Бурятия, поскольку позволит обеспечить газификацию региона.

Работа выполнена в рамках проекта РНФ № 23-27-00402 “Наледи северной (российской) части бассейна р. Селенга” и при частичной поддержке государственного задания БИП СО РАН (АААА-А21-121011990032-1).

Авторлар туралы

V. Chernykh

Baikal Institute of Nature Management, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: geosibir@yandex.ru
Ресей, Ulan-Ude

A. Ayurzhanaev

Baikal Institute of Nature Management, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: aaayurzhanaev@yandex.ru
Ресей, Ulan-Ude

B. Sodnomov

Baikal Institute of Nature Management, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: sodnomov@binm.ru
Ресей, Ulan-Ude

E. Garmaev

Baikal Institute of Nature Management, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: garend1@yandex.ru
Ресей, Ulan-Ude

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар