Якутск: криогенное рельефообразование и его роль в состоянии поверхности и инфраструктуры

Сергей Иванович Сериков, научный сотрудник Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН.

Марк Михайлович Шац, кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН.

В последние десятилетия селитебные центры Севера стали очагами масштабного поражения природной среды. На примере одного из крупнейших городов Севера – Якутска показана специфика селитебной отрасли в экстремальных природных условиях при сплошном развитии многолетнемерзлых пород (ММП). Цель публикации – показать основные причины возникающих проблем и предложить главные пути их решения.

В последние десятилетия в пределах крупных населенных пунктов Севера функционируют масштабные промышленные объекты, часто базирующиеся на устаревших технологиях и обычно не подкрепленные общей культурой природопользования. В результате сложилась современная ситуация, когда именно селитебные центры стали очагами масштабного поражения природной среды. Все вышесказанное в полной мере относится к г. Якутску, расположенному, к тому же, в области развития сплошных многолетнемерзлых пород (ММП). Это еще более усложняет его геоэкологическую ситуацию. В подобных условиях, при воздействии на поверхностные компоненты природной среды (микро- и мезорельеф, верхние горизонты горных пород, почвенно-растительный покров, поверхностные и грунтовые воды и т.д.),  существенно меняются морфология мерзлых толщ горных пород, их свойства и т.д. В результате условия строительства и эксплуатации большинства объектов городской инфраструктуры негативно трансформируются. Поэтому в последние десятилетия для большинства населенных пунктов Севера характерна очевидная тенденция развития природной среды – от сравнительного благополучия на начальных этапах до современного предкризисного, а чаще – кризисного состояния.

Примечательно, что данная ситуация особенно остра  именно в северных городах,  где на фоне сложных природных условий и серьезных ограничений во всех системах жизнеобеспечения, очевидна тенденция недооценки серьезности геотехнической обстановки.

Более подробно специфика природно-технических комплексов (ПТК) селитебного типа освещена ранее [1,2,10,11].

Мерзлотно-ландшафтная обстановка города

Суффозионные просадки
Рис. 1. Суффозионные просадки на улицах г. Якутска.

Якутск является одним из старейших городов в области развития ММП, существует чуть менее 400 лет и представляет особый интерес как в научном, в плане геокриологии, так и практическом отношении. Сотрудники находящегося в городе Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН (ИМЗ) уже несколько десятилетий занимаются различными компонентами природной среды города [1,2,4,5,7-11,14,15,17] с акцентом на проблемы состояния и надежности  его   инфраструктуры.

Особое внимание уделяется специфике экзогенного рельефообразования, в значительной мере обусловливающей особенности перечисленных аспектов.  Судя по материалам  П.А.Соловьева [7], мощность ММП на территории города  колеблется от 100 до 250 м в южной части долины Туймаада и от 250 до 400 м — в северной. На высокой пойме мощность ММП составляет 50–100 м, на островах — 50–100 м, а на низкой пойме — менее 25 м. Относительно экзогенного рельефообразования отмечаются узкие, шириной до 0,6 м, жилы повторно-жильного льда и участки шириной до 600 м, где отмечаются льды аналогичного генезиса   глубиной до 15–20 м, а также площади с буграми пучения сезонно- и многолетних циклов развития.

С.П.Качурин [4]  обращал особое внимание на развитые в пределах Якутска формы рельефа в виде сухих четко ориентированные с СЗ на ЮВ коротких долин шириной 150–300 м с разделяющими их грядами высотой свыше 5 м и шириной до 1000 м. В соответствии с исследованиями [9], образование подобных форм рельефа можно увязать с потоками, захлестнувшими отдельные регионы Средней Сибири в конце позднего неоплейстоцена. Конкретно для местности Туймаада установлено преобладание  отложений позднего неоплейстоцена и голоцена.

Значительное внимание уделялось сотрудниками ИМЗ вопросам связи компонентов природной среды Якутска с элементами его инфраструктуры (здания и сооружения,  дороги, гидротехнические сооружения).  Были показаны причины их ненадлежащего состояния, связанные с рядом природных и геотехнических факторов [1-3,5,11,12].

Подробнее геокриологические условия территории города освещены в следующих специальных работах [1-3, 5,8,12, 14,15].

Экзогенное  рельефообразование на территории города

Рис.2. Формирование полигонального рельефа в результате морозобойного растрескивания грунтов с различным литологическим составом  на территории г. Якутска  (черно/белый аэрофотоснимок  1946 г; космический снимок 29.09.2014 г). Участки: 1 - на неоднородных переслаиваемых глинистых и песчаных грунтах озёрной и речной фаций; 2 - на однородных аллювиальных песках; 3 - на техногенных грунтах (щебень, гравий, галька, песок, погребённый асфальт).
Рис.2. Формирование полигонального рельефа в результате морозобойного растрескивания грунтов с различным литологическим составом на территории г. Якутска (черно/белый аэрофотоснимок 1946 г; космический снимок 29.09.2014 г). Участки: 1 — на неоднородных переслаиваемых глинистых и песчаных грунтах озёрной и речной фаций; 2 — на однородных аллювиальных песках; 3 — на техногенных грунтах (щебень, гравий, галька, песок, погребённый асфальт).

Судя по результатам многолетних исследований сотрудников ИМЗ [4,8,9], наиболее широко в пределах города развиты следующие экзогенные явления: термокарстовые и термосуффозионные просадки, морозобойное растрескивание, локальное и площадное морозное пучение, заболачивание и подтопление, а также техногенное наледеобразование. В последнее время на территории города всё чаще проявляются суффозионные процессы, связанные с техногенным влиянием коммуникаций (подземные теплотрассы и канализационные стоки, лотки ливневой канализации) в деятельном слое (рис.1). Активизация этих процессов неблагоприятно сказывается на функционировании городской инфраструктуры и требует детального изучения этого негативного процесса.  По сути, все выше перечисленные процессы в той или иной степени связаны с техногенным воздействием.

Серьезная проблема городского хозяйства зимой – техногенные наледи, обусловленные аварийными утечками воды из водопроводно-канализационных коммуникаций и являющиеся массовым и непрерывным процессом [2]. Наледный сток на территории города в среднем составляет 50 мм в год, а отдельных  кварталах эта величина достигает более 200 мм, что значительно превышает сумму зимних атмосферных осадков.

Наледи, минерализация льда которых достигает 1,5–2,0 г/л, представляют собой существенный источник загрязнения городской территории, они негативно влияют на качество грунтов и их инженерно-геологических свойства,  способствуют заболачиванию территории, изменяют тепловой баланс и химический состав подстилающих отложений. Наиболее интенсивное развитие криогенных процессов происходит в пределах линейных участков, приуроченных к древним пойменным и старичным понижениям, которые охватывают территорию города густой сетью и наиболее распространены на поверхности первой надпойменной террасы. Эти участки служат ареной наиболее активного развития криогенных процессов и явлений, а древним пойменным грядам свойственна определенная стабильность.

К числу наиболее активных криогенных явлений относятся и сезонное пучение, и просадки грунтов (до 15–20 см/год), термоэрозия, вызванная техногенезом, а также термокарстовые просадки дна новообразованных озер на северо-западе города, составляющие от 15 до 40 см/год [2].

В последние десятилетия отмечается расширение площадей распространения деструктивных криогенных процессов, выражающееся в разрушении дорожных покрытий и коммуникаций, деформациях насыпей, фундаментов сооружений, формировании термоэрозионных рытвин, увеличении зон заболачивания. Масштабность развития подтопления и обводнения территории Якутска обусловливает высокую степень нарушенности и нестабильности мерзлотно-грунтовых условий для оснований зданий, сооружений и коммуникаций, способствующее активизации опасных криогенных процессов [14]. Именно обводнение является одним из наиболее неблагоприятных факторов, приводящих к потерям устойчивости грунтов оснований и несущих конструкций. Причем обводнение происходит как пресными, так и высокоминерализированными подземными водами – криопэгами.

Территория города на протяжении последних пятидесяти лет активно заболачивается, меняется тепловой баланс и химический состав подстилающих отложений. Именно процессы переувлажнения, а чаще и заболачивания городских геосистем, приводят в застроенной части города к интенсивному  обводнению, засолению и оттаиванию  пород, вызывая неравномерные деформации грунтов оснований [2,3,10-14].

Рис.3. Схема расположения морозобойных трещин на территории г. Якутска в районе улиц Чернышевского, Ярославского, пр. Ленина, Орджоникидзе, Кирова и Кулаковского.
Рис.3. Схема расположения морозобойных трещин на территории г. Якутска в районе улиц Чернышевского, Ярославского, пр. Ленина, Орджоникидзе, Кирова и Кулаковского.

В городе не только переувлажняются верхние горизонты пород, но и возникают новые обширные техногенные водоемы-болота. Особенно активизировался этот процесс с шестидесятых годов  прошлого века, вскоре после начала массового строительства каменных благоустроенных зданий, когда в городе резко возрос объем утечек из коммуникаций, систем канализации, септиков и т.д. Технические и бытовые стоки поступали в грунты, повышая уровни и минерализацию грунтовых вод.

В результате локализация надмерзлотных вод и техногенных водоемов приобрела «ячеистый» характер [14]. Каждая «ячейка», т.е. локальное понижение разных размеров и глубины, является местным очагом формирования толщи переувлажненных грунтов, а значит и центром активизации криогенеза. При этом, за счет твердых покрытий дорог, тротуаров, площадок вблизи зданий и под ними, отчетливо сокращающих расходную составляющую водного баланса городской территории, резко уменьшилось испарение надмерзлотных вод. В результате процессы обводнения и подтопления поверхности приобрели катастрофический характер. Наряду с негативным влиянием на здания, обводнение, как это было показано ранее,  аналогично усложняет и эксплуатацию дорог.

Для решения проблемы обводнения города и минимизации его негативных последствий,  был рекомендован комплекс организационных и практических мероприятий [11]. В последнее время сотрудниками ИМЗ представили по данной проблеме несколько полезных разработок [6,16 и др.]. Реализация этих предложений могла бы, хотя бы частично, решить одну из основных геоэкологических проблем города.

Рис.4. Многократное морозобойное растрескивание на перекрёстке улиц пр. Ленина и ул. Петровского и положение этой трещины на космическом снимке.
Рис.4. Многократное морозобойное растрескивание на перекрёстке улиц пр. Ленина и ул. Петровского и положение этой трещины на космическом снимке.

Еще одной причиной ухудшения условий увлажнения поверхности города являются аномальные атмосферные осадки. Приведем данные за последние 10 лет, свидетельствующие насколько значительны бывают здесь объемы активно поступающей на поверхность атмосферной влаги [13]. В 2013 г. в отдельные дни мая и июля выпадало более полуторамесячной нормы осадков. В 2014 г. в некоторые дни июля и августа выпадало также более месячной нормы. При этом, в июле при норме 39 мм выпало 75 мм осадков, т.е. 192%, а в августе соответственно 37 и 43 мм, и 116% от нормы. В 2015 г. за последние два дня мая выпало более половины месячной нормы осадков, а всего за май при обычной норме 20, выпало 31 мм, т.е. больше на 55%, а в июне соответственно 35 и 50 мм и 43%.  Напомним, что именно в этот период 2015 г. или непосредственно после него возникли упомянутые выше провалы на магистральных улицах Якутска. Особую тревогу вызывают последствия обильных осадков, акцентировано обрушившихся на столицу 22 июня 2015 г., когда очередной провал образовался на улице Кальвица уже 23 июня. Подобные явления формировались  и ранее, но несколько в меньших масштабах. Однако наибольшее количество осадков выпало в августе-сентябре 2006 г., когда в августе за несколько дней пролилась четырехмесячная норма, а за 2 дня – двухмесячная. За весь август при норме 36 мм фактически выпало 151 мм, т.е. 419%!!! от неё. В сентябре того же года выпало 54 мм при норме 31мм, т.е. на 74% больше неё.  В результате значительная часть города была затоплена и глубина воды в среднем составляла 0.5 м, а в пониженных местах – площадь Ленина, Залог и т.д., достигала 1.0 м [13]. Ливневая канализация – одна из «слабых» геотехнических систем города, не справлялась, были затоплены первые этажи зданий в понижениях. Очевидно, что значительное количество воды через многочисленные трещины проникли в верхние горизонты грунтов и губительно повлияли на их инженерно-геологические свойства. Это сказалось как в теплое время – возникновение  многочисленных «плывунов», так и в холодный период, когда провело к активизации пучения и особенно морозобойного растрескивания.

Все это губительно сказалось на состоянии элементов городской инфраструктуры, в том числе дорожных систем, и без того находящихся в неудовлетворительном состоянии. Таким образом, проблема из категории чисто геотехнических становится ещё и геоклиматической.

Никаких действенных решений по ликвидации или хотя бы уменьшению масштабов этого негативного процесса пока не выработано. Не проводятся исследования влияния повышенной обводненности на температуру и прочность грунтов оснований инженерных сооружений. И это при участившихся в последние годы случаях деформаций оснований и частичных разрушений зданий. Особенно тревожным является факт возникновения проблем со зданиями не только семидесятых – восьмидесятых годов, но и построенных в последние годы (элитный жилой комплекс «Времена года», торговый центр «Вектор» и т.п.).

Рис. 5. Система морозобойных трещин секущие асфальтовое полотно и захватывающее тротуарную плитку (фото 5а, 5б) бетонный бордюр (фото 5в) и лоток водостока (фото 5г) Рис. 6. Пересечение двух морозобойных трещин на перекрёстке улиц Кирова и Орджоникидзе.
Рис. 5. Система морозобойных трещин секущие асфальтовое полотно и захватывающее тротуарную плитку (фото 5а, 5б) бетонный бордюр (фото 5в) и лоток водостока (фото 5г) Рис. 6. Пересечение двух морозобойных трещин на перекрёстке улиц Кирова и Орджоникидзе.

В частности, к 2006 г. в городе к ранее существовавшим и значительно увеличившимся районам активного подтопления прибавился ряд новых. К ним относятся район оз. Новое на территории областной больницы, район ДСК и т.п.

Систематические или аварийные утечки из внутренних, внешних, внутриквартальных и магистральных сетей водо- и теплоснабжения в грунты около зданий или непосредственно в основания приводят к  локальному протаиванию грунтов  под зданиями, осадке оснований и фундаментов, деформации несущих конструкций и зданий в целом [3]. Возникает капиллярный подсос засоленных вод из грунта сезонноталого слоя в каменную кладку стен построек середины ХХ века и ранее (здания на пл. Орджоникидзе, по ул. Ленина, Хабарова, Бестужева-Марлинского), приводящий  кморозному и химическому разрушению бетона конструкций фундаментов в зоне сезонного протаивания грунтов и  постепенному разрушению несущих стен, а затем и зданий в целом.

Зимой активизируется морозобойное растрескивание грунтов под зданиями и, как следствие, разрушение цокольной части зданий. Всего по г.  Якутску из более чем 500 обследованных капитальных жилых и общественных зданий в разной степени деформировано 182, т.е. 36,4  % целенаправленно учтенного капитального фонда [3]. Подобные негативные тенденции характерны для большинства северных населенных пунктов, отличающихся, подобно Якутску, высокой аварийностью.

В последнее время сотрудниками ИМЗ было проведена оценка основных тенденций пространственно-временной динамики морозобойного растрескивания грунтов  в отдельных районах города. В мерзлотоведении под этим процессом  понимается образование трещин из-за температурного сжатия грунта при его отрицательных температурах.

Однако процесс образования морозобойных трещин зависит не только от самой температуры и скорости её формирования, но и от состава грунтов, влажности и изолирующего влияния снежного покрова. Развитие этого процесса приводит к формированию полигональных форм рельефа с размерами полигонов в поперечнике от 6 до 30 м и образованию в разрезе полигонально-жильных структур вертикальной мощностью от 3-5 до  30 м. Из практики строительства сооружений на Севере известно много случаев деформаций и разрывов зданий и линейных сооружений (дорог, трубопроводов) при пересечении их морозобойными трещинами. Так, например, в Якутске образование морозобойных трещин наблюдается в основании почти 50% зданий с вентилируемыми подпольями [3].

В однородных по литологическому составу породах, на поверхности формируется полигонально-валиковый микрорельеф правильной тетрагональной формы, а в породах разнородных по составу образуются полигонально-валиковый релеф неправильной формы (рис. 2). Полигоналный рельеф неправильной формы в днище долины Туймаады встречается в основном на высоких надпойменных террасах, а правильной формы, на высоких поймах.

Рис. 7. Последствия «ямочного ремонта» по морозобойным трещинам на улице Ойунского.
Рис. 7. Последствия «ямочного ремонта» по морозобойным трещинам на улице Ойунского.

 

В техногенных условиях, когда формируется так называемый «культурный слой» мощностью от 0,5 м до 3,0 — 5,0 м, представленный переслаиванием завезённого грунта различного по составу и физико-механическим свойствам, а сверху перекрытого асфальтом или бетоном, морозобойное растрескивание проявляется на поверхности в виде трещин, пересекающих дорожное полотно перпендикулярно направлению дороги.

На рис 3 показана часть городской территории, на которой выделены морозобойные трещины, секущие асфальтовое дорожное полотно и простирающие на сопредельные участки. Собственно само асфальтовое и бетонное покрытие дорог, и плиточное — тротуаров является хорошим индикатором проявления морозобойного растрескивания на дневной поверхности. Схема дает представление о повсеместности развития морозобойного растрескивания в центре города.

Основной, отличительной характеристикой морозобойных трещин является их проявление в одном и том же месте, с ежегодным повторением  в одно и тоже время — ноябрь – декабрь. Именно в этот период полностью завершается фазовый переход влаги в деятельном слое, происходит смыкание границ промерзающего слоя с кровлей ММП, грунты становятся монолитными, что приводит к их сжатию и последующей деформации, проявляющейся в виде морозобойного растрескивания (рис.4). Температурный градиент в этом незначительном по мощности слое грунта — 1.0 — 3,0 м может достигать 10,0 — 15,0о С/м. Этому явлению на проезжей части улиц и под зданиями способствует незначительное, а чаще полное отсутствие снежного покрова и значительное переувлажнение грунтов.

Морфометрически  трещины  рассекают не только дорожное полотно, но и формируются далеко за её пределы, при этом в одну линию простирания трещины попадают различные коммуникационные сооружения сопутствующее дороге (рис.5) бетонные лотки водостока, бордюры, тротуарная плитка и прочие коммуникации в верхней части разреза.

Морфологически трещины могут пересекаться (рис.6), усугубляя тем самым нарушения дневной поверхности.

Образование морозобойных трещин наносят значительный ущерб коммунальному хозяйству города. Ежегодно на восстановительные работы только дорожного полотна затрачивается сотни миллионов рублей, тратятся огромные средства на так называемый «ямочный» ремонт (рис.7), при этом эффективность от такого ремонта практически нулевая, в этом же году на этом месте снова образуется морозобойная трещина.

Заключение

В целом, повседневное состояние инфраструктуры города, уже много лет находящейся в неудовлетворительном, а часто и катастрофическом состоянии, является самостоятельной, заслуживающей многолетнего изучения и монографического описания проблемой. Проведенный анализ свидетельствует, что основные проблемы устойчивости инженерных сооружений на территории Якутска необходимо связывать не только с изменением климата, как это делалось совсем недавно, а и с непрофессиональным  проектированием, некачественным строительством и безобразной эксплуатацией, вызывающими деградацию мерзлых грунтов в основаниях  зданий и сооружений города. Комплексный анализ результатов проведенных исследований позволяют сформулировать ряд общих рекомендаций, направленных на стабилизацию и улучшение геотехнологической обстановки города.

Первое — восстановление нормальных условий дренажа надмерзлотных вод путем создания специальной системы  искусственных каналов.

Второе – систематический контроль за состоянием магистральных и местных водообеспечивающих, тепловых и канализационных сетей.

Третье — усовершенствование технологий соответствующих производств с целью предотвращения либо уменьшения жидких  сбросов на городскую поверхность.

Все отмеченные выше проблемы вынуждают администрацию г. Якутска ежегодно расходовать огромные средства на укрепительно-восстановительные, ремонтные работы, на усиление конструкций оснований, дорог и т. д. Однако эти меры пока не снижают кризисности  инфраструктуры города. Без принятия кардинальных мер Якутск будет продолжать оставаться в положении, когда дальнейшее его функционирование на существующей территории будет весьма проблематичным.

Библиографический список

1. Алексеева О.И., Балобаев В.Т., Григорьев М.Н., Макаров В.Н., Чжан Р.В., Шац М.М., Шепелев В.В. О проблемах градостроительства в криолитозоне (на примере Якутска).//  Криосфера Земли,  2006, С. 94-98.

2. Григорьев М.Н., Курчатова А.Н., Аносова Л.П. и др. Контроль состояния геотехнической системы Якутска на основе мерзлотно-геоморфологической систематизации // Материалы научно-практической конференции  «Якутск – столица северной республики: глобальные проблемы градосферы и пути их решения». Ч. II. Якутск, ЯНЦ СО РАН, 1997, С. 31–39.

3. Гурьянов И.Е. Анализ градостроительной пригодности территории в зоне вечной мерзлоты // Наука и образование. — 2008. — № 4. — С. 60–63.

4. Качурин С.П. Вечная мерзлота и рельеф на Лено-Вилюйском водоразделе // Иссле-дование вечной мерзлоты в Якутской Республике. — М.: Изд-во АН СССР, 1950. — Вып.2. — С.71–97.

5. Мельников П.И. Вечная мерзлота в районе Якутска // Исследование вечной мерзлоты в Якутской Республике. — М.: Изд-во АН СССР, 1950. — С.53–70.

6. Павлова Н.А., Сериков С.И. Роль техногенных барражей в системе формирования поверхностного стока на территории г.Якутска и их влияние на обводненность. – Научное обеспечение решения ключевых проблем развития г. Якутска. Якутск.,2010,  С. 106-110.

7. Соловьев П.А. О влиянии застройки города Якутска на температуру многолетнемерзлых горных пород // Тр. Северо-Восточного отделения  Ин-та мерзлотоведения. — Якутск, 1958. — Вып. 1. — С. 179–191

8. Соловьев П.А. Опыт характеристики территории г. Якутска в отношении глубины сезонного протаивания и пучинистости грунтов в практических целях // Мерзлотные исследования в осваиваемых районах СССР. — Новосибирск: Наука, 1980. — С.60–63.

9. Спектор В.Б., Спектор В.В. О происхождении высокой Лено-Амгинской перигляциальной равнины // Криосфера Земли. — 2002. — Т.6. — №4. — С.3–12.

10. Шац М.М Геоэкологические проблемы селитебных северных территорий. // Теоретическая и прикладная экология», М.,  2009,  №3, С.46-51.

11. Шац М.М. Современное состояние городской инфраструктуры г. Якутска и пути повышения её надежности. // Геориск, М., 2011, №2, С.40-46.

12. Шац М.М., Сериков С.И. Современное обводнение территории г. Якутска.// Наука и образование.,2009, №4, С.162-171.

13. Шац М.М., Скачков Ю.Б.. Состояние городской инфраструктуры Якутска и его связь с изменением климата \\ Экология урбанизированных территорий, М., Изд. дом «Камертон», 2011,№4, С.18-23.

14. Шепелев В.В., Шац М.М. Геоэкологические проблемы обводнения и подтопления территории г. Якутска // Наука и образование, 2000, № 3, С. 68–71.

15. Шепелев В.В. Надмерзлотные воды криолитосферы и их классификация // География и природные ресурсы. — 2009. — №2. — С.62–67.

16. Шепелев В.В. и др. Мониторинг подземных вод криолитозоны. — Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2002. — 172 с.

17. Makarov V.N. Groundwater modification and its effect on the infrastructure of northerh cities // RMZ, Materials and Geo, environment. Ljubljana, Slovenia, 2003, vol. 50, No. 3,С. 201–204.