Опыт и перспективы создания региональной автоматизированной сети мониторинга температуры грунтов на территории города Анадыря

Ключевые слова

АННОТАЦИЯ


В статье рассматриваются особенности термометрии грунтов в комплексе исследований геотехнического мониторинга (ГТМ) в нетипичных для Арктической зоны гидрогеологических условиях Анадырской низменности. Оперативный мониторинг температур необходим для предупреждения развития активных экзогенно-криогенных процессов и сохранения свойств многолетнемерзлых грунтов селитебной зоны Анадыря. На данный момент передача термометрических данных осуществляется с шести датчиков при помощи технологии NB-IoT. В дальнейшем планируется увеличение количества датчиков до 25, что позволит охватить регион и моделировать криогенные процессы более подробным образом.
Введение


Освоение Арктической зоны РФ предполагает интенсивное развитие инфраструктуры и увеличение числа объектов капитального строительства, вследствие чего возрастает антропогенное влияние на криолитозону. Кроме этого необходимо учитывать прогнозы климатологов о повышении среднегодовой температуры на 3–4 С° к середине XXI века. Чтобы снизить негативное воздействие человеческой деятельности на многолетнемерзлые грунты (ММГ), необходимо учитывать геокриологические условия региона. Деградация и потеря свойств ММГ ведут к деформации строительных объектов, снижению срока их службы, несоответствию стандартам безопасной эксплуатации. Разрушение уже существующей инфраструктуры помогает предотвратить своевременный геокриологический мониторинг.
В статье рассматриваются опыт создания автоматизированной системы мониторинга грунтов на территории городского округа Анадырь и возможности расширения ее сети. Из-за активных криогенных процессов, происходящих на территории селитебной зоны Анадыря, растет число просадок грунта и бетонных покрытий, расширяются площади природных и техногенных наледей. По данным Доклада об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2023 год, на Чукотке весной и летом прошлого года в сравнении с периодом 1991–2020 годов фиксировались отрицательные температурные аномалии [1]. Тем не менее сложные гидрогеологические условия и тенденция к ежегодному увеличению сезонно-талого слоя
в перспективе ускорят развитие экзогенно-криогенных процессов.


Задачи геотехнического мониторинга в условиях нестандартных гидрогеологических условий


Городской округ Анадырь расположен на южном краю криолитозоны Анадырской низменности. Рельеф низменности включает меандрирующие тундровые речки, старицы и термокарстовые озера. Анадырская низменность практически полностью находится в пределах зоны сплошного распространения многолетнемерзлых пород (ММП) мощностью от 100 до 300 м с преобладающими массивными и линзовидными криогенными текстурами. Температура на глубине нулевых амплитуд сезонных колебаний варьируется от –7,5 до –1 °С [2, с. 144]. На территории Анадыря, в частности ее селитебной зоны, распространены надмерзлотные озерные талики [3]. Сезонноталый слой в зависимости от погодных условий составляет от 45 до 75 см. Региональные карты геокриологического содержания для оценки изменения состояния криолитозоны отсутствуют, имеющиеся материалы не предоставляют актуальной информации. Площадь города составляет 3,45 кв. км, площадь селитебной зоны — 1,4 кв. км. В Анадыре расположены 223 жилых и административных здания, из них 155 пятиэтажных. 19 зданий оснащены термостабилизаторами.

Особенность проведения мероприятий геотехнического мониторинга (далее — ГТМ) в зоне многолетнемерзлых грунтов заключается в необходимости более частого и точного сбора данных. Так, согласно СП 497.1325800.2020, текущий осмотр, в том числе инструментальный, незаглубленных фундаментов сооружений повышенного класса ответственности должен проводиться ежедневно в течение первых трех лет после их ввода в эксплуатацию.

Также нужно определить, в каких целях проводят ГТМ. Он предназначен для обеспечения эксплуатационной надежности и промышленной безопасности инженерных объектов, контроля экологической безопасности окружающей среды и минимизации экологического ущерба от осуществления хозяйственной деятельности, контроля состояния и эффективности мероприятий по инженерной защите, состояния грунтов оснований и фундаментов зданий и сооружений в период их строительства и эксплуатации. Решения по геотехническому мониторингу закладываются на этапе проектирования объекта, исходя из его назначения, конструктивных и объемно-планировочных решений, а также грунтовых условий, в которых он располагается. На основе этих данных разрабатывается наблюдательная сеть, состоящая из термометрических и гидрогеологических скважин, деформационных марок, грунтовых реперов, участков визуальных наблюдений и др.

Выбор автоматизированных решений мониторинга имеет ряд преимуществ перед ручным сбором данных, а именно:

• он оперативно, в нужный момент времени позволяет получить максимально полную информацию о текущем состоянии объекта;
• он исключает влияние человеческого фактора на результаты мониторинга;
• он ликвидирует трудоемкие процедуры сбора и обработки данных;
• он обеспечивает заказчика своевременной, достоверной, актуальной и прозрачной информацией о том, что происходит с грунтом в настоящий момент, а также устанавливает наличие предпосылок к активизации того или иного процесса.

Режимные наблюдения за температурой грунтов оснований зданий являются одной из задач ГТМ.


Алгоритм работы системы автоматизированного мониторинга


Первоначально в объектовом программном обеспечении SmartGTM конструируется цифровая сеть мониторинга: создается объект, наносятся термометрические скважины, к которым по серийным номерам привязываются логгеры. Задаются пороговые значения. Далее логгеры с помощью кабеля подключаются к компьютеру с предустановленным программным обеспечением SmartView, устанавливаются настройки даты и времени, а также дискретность измерений. Затем логгеры с термокосами устанавливаются в соответствующие термометрические скважины. Логгеры работают на автономном источнике питания (встроенной батарее) и в целях энергосбережения постоянно находятся в спящем режиме. В соответствии с заданной дискретностью измерений логгеры выходят из спящего режима, производят опрос термокосы и передают собранную информацию через сотовую сеть стандарта NB-IoT по протоколу MQTT-SN на сервер посредством внутренней локальной сети сотового оператора, декодируются и сохраняются в базу данных MySQL. Затем устройства вновь переходят в спящий режим до следующего включения. Сервер постоянно находится в режиме прослушивания эфира и ожидает идентификатора начала передачи данных от зарегистрированных в сети логгеров. Получив по сотовой сети данные с логгеров, сервер сохраняет их во внутренней базе данных перед отправкой на верхний уровень. Каждый пакет данных формирует в ведомости отдельный цикл измерений с сортировкой по дате и времени замера. Информация о владельце скважины наблюдения, месте положения скважины и типе данных в пакете не содержится. Декодирование поступивших данных, проверка достоверности и целостности происходят на сервере приложения, после чего осуществляется сопоставление со скважиной наблюдения. Так создается динамическая база данных с регулярно поступающей информацией.


Создание автоматизированной системы мониторинга на территории Анадыря в 2023 году


Система производства ООО «РУСГЕОТЕХ» стала частью комплекса ГТМ, разработанного анадырским подразделением Северо-Восточного комплексного научно-исследовательского института им. Н. А. Шило ДВО РАН. Назначение системы ГТМ, представленной научной группой под руководством в.н.с. О. Д. Трегубова, заключается в комплексном геолого-геофизическом обследовании территории города Анадыря и национального села Тавайваам с целью обоснования создания эффективной и актуальной системы мониторинга опасных мерзлотных процессов. Основные цели проекта — создание и функционирование системы наблюдений за динамикой границ таликовых зон в городской черте и активностью опасных криогенных процессов, угрожающих мерзлым основаниям фундаментов зданий
и сооружений. Система геокриологического мониторинга будет распространена на весь городской округ, а не на фундамент каждого проблемного здания в отдельности. Это поможет определять причины и источники формирования таликов, прогнозировать их развитие. Подобные автоматизированные системы успешно работают на территории Салехарда (ЯНАО), частично Якутска.

Принцип работы автоматизированной системы заключается в дистанционном наблюдении за устойчивостью фундаментов зданий и сооружений путем автоматизированных измерений температуры грунтов оснований с заданной дискретностью и последующего программного анализа полученных данных. В рамках создания сети мониторинга криогенных процессов были определены участок исследований и место расположения скважин. Они находятся в непосредственной близости от направлений подземного стока надмерзлотных вод по имеющейся сети надземных коммуникаций (рис. 1).

РИС. 1. СКВАЖИНЫ И ОПАСНЫЕ ЗОНЫ (АВТОРЫ — О. Д. ТРЕГУБОВ, К. К. УЯГАНСКИЙ, М. А. НУТЕВЕКЕТ)
Глубина пробуренных скважин составила 10,5 м. На данный момент в проекте задействовано шесть скважин, в которых установлены термокосы с логгерами. На каждой термокосе расположено четыре датчика, которые измеряют температуру на глубине 1, 3, 5 и 10 м. Погрешность датчиков составляет 0,1 С°. Все скважины защищены антивандальным кожухом. Данные каждые шесть часов отправляются на сервер заказчика. Никто, кроме заказчика, не имеет доступа к информации. Шифрование данных осуществляется по алгоритму AES с размером блока 128 бит — больший размер сокращает срок работы батареи логгера.

РИС. 2, 3. СКВАЖИНЫ, ЗАКРЫТЫЕ АНТИВАНДАЛЬНЫМ КОЖУХОМ (АВТОР — «РУСГЕОТЕХ»)
Первые результаты работы системы мониторинга


На основании результатов, полученных за 10 месяцев работы системы, можно сделать первые выводы. В таликовых зонах глубина сезонного промерзания (оттаивания) достигала максимум 4–4,5 м. Тенденция к повышению температуры грунтов на глубине до 10 м имеет южное направление, что отличается от результатов исследований 1990-х годов: тогда температура увеличивалась по направлению с северо-запада на юго-восток. В фоновых условиях глубина сезонного оттаивания составляет 1,8–2 м. В диапазоне глубин 4–6 м грунты остывают до –2,2°С лишь к концу зимнего периода, затем их температура поднимается до –1,45°С. Самый низкий годовой диапазон температур зафиксирован на северо-западной и северо-восточной окраинах Анадыря. Аномально холодные зоны выявлены в районе расположения техногенных грунтов, андезитов и базальтов.

Корректность выбора критериев опасных таликовых зон подтверждена измерениями, полученными из проверочных и наблюдательных геотермальных скважин. Можно сказать, что геотермические исследования носили рекогносцировочный характер из-за низкой плотности и неравномерного распределения наблюдательных скважин. Наблюдение за опасными таликовыми зонами требует задействования меньшего числа термометрических скважин, чем наблюдение за периметрами 223 фундаментов зданий, расположенных в Анадыре. Этот вывод основан на том, что мониторинг состояния таликовых зон направлен на локализацию негативных криогенных процессов в местах их зарождения.


Перспективы расширения автоматизированной сети мониторинга


Масштабирование системы мониторинга полевого уровня и наращивание наблюдательной сети возможны без остановки работы системы и вывода ее из промышленной эксплуатации. Порядок действий по добавлению новой точки наблюдений следующий: в объектовом программном обеспечении SmartGTM необходимо привязать по серийным номерам новый комплект контрольно-измерительного оборудования и выполнить конфигурирование логгера. Затем логгер с термокосой устанавливается в термометрическую скважину на объекте, и система становится готовой к дальнейшей эксплуатации. Автоматизированная система, созданная ООО «РУСГЕОТЕХ» на территории Анадыря, в перспективе может принимать данные от 50 логгеров. На сегодняшний день существуют 19 дополнительных действующих пригодных скважин, которые могут быть использованы для измерения температуры в случае расширения наблюдательной сети. Они также расположены внутри и на границах участков активных криогенных процессов.

Расширение сети мониторинга необходимо в случае появления новых объектов капитального строительства на территории городского округа Анадырь. Данные, которые сейчас поступают с шести термоскважин, не смогут обеспечить достаточный объем информации, жизненно важный для предотвращения растепления грунтов и сохранения работоспособного состояния зданий, сооружений и инфраструктуры. Предлагаемая сеть наблюдений охватит дороги, коммуникации отопления, электроснабжения и водоснабжения.

В теории автоматизированные системы мониторинга могут быть распространены за пределы города на проектируемый Анадырский полигон. По планам участок расположится в пределах Анадырско-Корякской области Корякско-Курильско-Камчатской физико-географической страны [8].
ЛИТЕРАТУРА
1. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2023 г., Росгидромет. — URL: https://www.meteorf.gov.ru/images/news/20240329/4/DOCK202344.pdf.
2. Трегубов О. Д., Уяганский К. К., Нутевекет М. А. Мониторинг мерзлотно-климатических условий Анадырской низменности // География и природные ресурсы. — 2020. № 2. — С. 143–152.
3. Геокриология СССР. Восточная Сибирь и Дальний Восток / Под ред. Э. Д. Ершова. — М.: Недра, 1989. — 515 с.
4. Чукотка: Природно-экономический очерк / Авт.-сост. А. Н. Котов, В. А. Кононов, Н. П. Отке, А. Н. Пилясов, И. В. Поломошнов, С. В. Соколов, М. И. Тишин, В. Б. Шмакин, А. Г. Шумовский. — М.: Арт-Литэкс, 1995. — 370 с.
5. Прозоров Л. Л. Энциклопедический словарь «Геоэкология». 2-е изд., доп. — М.: Научный мир, 2008. — 468 с.
6. Мажитова Г. Г., Каверин Д. А. Динамика глубины протаивания и осадки поверхности почвы на площадке CALM в 1996–2006 гг. (европейский Северо-Восток) // Вестн. Института биологии Коми науч. центра УрО РАН. — 2007. № 9 (119). — С. 17–20.
7. Брушков А. В., Харрис С. А., Чэн Г. Геокриология. Характеристики и использование вечной мерзлоты. Т. 1 / Под ред. А. В. Брушкова. — М.: Директ-Медиа, 2020. — 437 с.
8. Мониторинг вечной мерзлоты / А. В. Брушков [и др.]. — М.: Академический проект, 2024. — 463 с.
Experience and Perspectives of Creating the Regional Automated Soil Temperature Monitoring Network in the City of Anadyr

KEY WORDS

ABSTRACT


This article discusses the features of soil thermometry in the geotechnical monitoring (GTM) complex studies in hydrogeological conditions of the Anadyr lowlands, atypical for the Arctic zone. Fast temperature monitoring is necessary to prevent the active exogenous-cryogenic processes development and save properties of permafrost soils of the Anadyr residential zone. Now thermometric data is transmitted from 6 sensors using NB-IoT technology. In the future, we’re going to increase the number of sensors to 25. It will cover all region and simulate cryogenic processes in more detail.

DOI: 10.51823/74670_2024_2_71
УДК: 551.34, 536.5, 519.688
Скачать PDF