Tracking of areas of thermokarst occurrences from satellite images (on the example of the main water pipeline route in Central Yakutia)

Введение. Термокарст – это явление проседания и провала почвы и подстилающих ее грунтов в результате оттаивания подземного льда. Основная причина появления и развития термокарста: изменение термического режима поверхности, увеличение мощности деятельного слоя. Главное условие – большая льдонасыщенность пород. Формы рельефа при термокарсте, так называемые отрицательные – озерные котловины (аласы), провалы, западины, ниши, ложбины, термоцирки, байджарахи.

Кроме этого к термокарстовым проявлениям относятся: развитие структур-полигонов: морозобойое трещинообразование; формирование подземных повторно-жильных льдов; иногда развитие бугров пучения (булгуннях), а также собственно термокарст (в виде ям, провалов, котловин) и термоэрозия ^[1-6].

П. А. Соловьев в 1962 г. выделил ^[7] следующие стадии начальных форм развития термокарста на едоме (рис. 1):

а – зачаточный былар, представляющий собой плоскую поверхность, деформированную замкнутыми просадочными воронками и ложбинками;

б – былар, характеризующийся формированием полигонов и бугристого микрорельефа в результате увеличения и соединения просадочных ложбин;

в – иё, выраженная в виде западины с бугристым микрорельефом без четких границ в плане;

г, д – дюёдя, представляющая собой котловину, часто наполненную водой, с выраженными бортами с бугристым микрорельефом склонов и плоского дна.

е – тымпы, котловина которого часто вмещает озеро, имеет плоское или слабовогнутое дно с резко выраженными бортами ^[7].

Рис. 1. Схема строения (поперечный профиль и план) термокарстовых форм рельефа, соответствующих начальным стадиям их развития, по П.А. Соловьеву ^[7]

Едома (едомный комплекс) - термин применялся для районов криолитозоны, возник в конце XIX века и начал широко употреблятся учеными, примерно в 50-х годах XX века. По началу, он означал территории сложенные четверичными отложениями с ископаемыми льдами и мелкобугристой поверхностью, позднее стали входить все территории с широким распространением криогенных процессов и явлений.

При изучении данного вопроса автор воспользовался публикациями, как прошлых лет ^[8-14], так и современными ^[15-26], а также публикациями зарубежных ученых ^[27-30].

Цель исследования – выявление активизаций термокарстовых проявлений на территории прохождения магистрального водовода в Центральной Якутии с помощью космических и простых фотографических снимков, а также предложение методики их площадного районирования.

Материалы и методы. В начале 90-х годов прошлого века в сельских районах Центральной Якутии с целью обеспечения населения питьевой и технической водой, началось строительство системы магистрального водоснабжения, которая состояла из насосных станций, трубопроводов, водохранилищ и каналов. В то время было предусмотрено строительство трех ветвей водоводов. Самый протяженный из них – это магистральный водовод «Лена – Туора-Кюель – Татта». Он был расположен на территории сплошного распространения многолетнемерзлых горных пород и на всем своем протяжении встречал участки более или менее интенсивного развития мерзлотных геологических процессов и явлений. При эксплуатации системы водоснабжения техногенные нагрузки стали приводить к существенным изменениям мерзлотной среды и прилегающих ландшафтов. В результате активизации криогенных процессов осложнились геокриологические условия трассы водовода. Трасса водовода проходила через населенный пункт Майя (рис. 2).

Рис. 2. Территория исследования (красная точка – поселок Майя, на космическом снимке участки конкретных исследований – участок 1, участок 2 и участок 3)

Для исследования некоторых участков магистральных водоводов были использованы дистанционные методы по спутниковым снимкам высокого и сверхвысокого разрешения, находящиеся в открытом доступе на интернет сайте https://yandex.ru/maps/ и https://google.com/maps/, а также методы обработки инженерно-геологической информации.

Так обследования полигональных структур на участке трассы магистрального водовода «Лена – Туора Кюель» в районе водохранилища «Мундулаах» (с. Майя) были проведены на основе визуального дешифрирования космоснимков. При исследовании трассы водоводов были выделены зоны активизации термокарстовых процессов, эти площади были выделены с помощью интернет сайтов находящиеся в свободном доступе. Изучение региональных особенностей криогенного микрорельефа стало возможным в связи с большей доступностью космических снимков, находящиеся в открытом доступе (Google, Yandex). Их разрешающая способность является достаточной для площадного районирования криогенных микроформ рельефа и характеристики их морфометрических параметров (площади, размеров, форм). Однако «читаемость» этих микроформ в значительной степени определяются условиями съемки, а также на космоснимках, сделанных зимой, осенью, весной и летом. Например, по зимним космическим снимкам (см. рисунки 3 и 4) гораздо более отчетливо просматриваются морфометрические параметры полигонального микрорельефа.

Наряду с дешифрированием космических снимков (КС) была проведена работа с различными картографическими источниками, литературным и фондовым материалом ^[15-30].

Результаты и обсуждение. В результате исследования на участке водохранилища «Мундуллах» (п. Майя) были выявлены места и зоны активизации полигонального микрорельефа, рассчитаны их площади. Площадь полигонального микрорельефа рассчитывается по простой методике (из геометрии), всю площадь микрорельефа можно определить в виде неправильной фигуры. Эту фигуру разбиваем на прямоугольники, четырехугольники или трехугольники, рассчитываем их площади и суммируем.

Из рисунка 2 на космическом снимке находим участок 1 и сравниваем зимний и летний космоснимки (рис. 3).

Рис. 3. Сравнение зимнего и летнего космоснимков

Например, на рисунке 3 получаем неправильную фигуру, которую разбиваем на два треугольников и два прямоугольника, и измеряем их площадь, по формулам:

S = 1/2 aha, где; a – основание, ha – высота, для треугольников

S = ab, где; ab – стороны прямоугольника

Получаем следующее действие: (40˟130)=5200 м², (25˟60)=1500 м², ½(25˟40)=500 м², ½(40˟30)=600 м². Получаем, площадь полигонального микрорельефа, выделенного на зимнем рисунке 98 составляет 7800 м².

Из рис. 2 на космическом снимке находим участок 2 и аналогично, сравниваем космоснимки (рис. 4). Получаем неправильную фигуру, которую разбиваем на пять треугольников, затем измеряем их площадь, по формуле:

S = 1/2 aha,

где: S – площадь треугольника, a – основание, ha – высота

Рис. 4. Сравнение зимнего и летнего космоснимков

Таким образом, получаем следующее действие: ½(40˟15)=300 м², ½(30˟25)=375 м², ½(35˟30)=525 м², ½(40˟35)=700 м², ½(30˟35)=525 м². Суммируем площади всех треугольников получаем 2425 м2. Это площадь выделенного красной линией криогенного полигонального микрорельефа. Также можно выделять все участки с зимними полигонами.

Так можно определить все участки с распространением полигонального микрорельефа на полосе трассы магистрального водовода. Данная методика очень простая, она позволяет провести площадное районирование территории по активизации полигонального микрорельефа как термокарстовых проявлений.

На космическом снимке рисунка 2 находим участок 3. На этом участке можно измерить полигоны: как их размеры, так и их формы.

Полигональный микрорельеф (полигоны) на трассе «Лена – Туора Кюель – Татта», возле водохранилища «Мундулах» (рис. 5) в п. Майя, угрожающий магистральному водоводу, находиться буквально в нескольких метрах. Ярко – выраженные четырех и пятиугольные полигоны, размером примерно 5 – 10 м в длину, 3 – 6 м. в ширину и высотой до 0,8 м. Площадью распространения до 200 м2.

Рис. 5. Полигональный микрорельеф на трассе магистрального водовода «Лена – Туора Кюель – Татта» (п. Майя, вдхр. Мундуллах). Фото А. М. Сальва, 2016 г.

Морозобойное растрескивание в условиях вечной мерзлоты сопровождается ростом ледяных трещин. Повторно-жильные льды растут в результате проникновения в трещины и замерзания поверхностной или грунтовой воды. Зарождаются они в виде ледяных жилок, по которым происходит повторное растрескивание ^[11]. В результате разрастания повторно-ледяной жилы в окружающих ее отложениях часто возникает отгибание слоев вверх. Если верхняя граница повторно-жильных льдов залегает близко к поверхности, примерно до нижней границы деятельного слоя, то возможно выпучивание (рис. 6), передвижение и разрыв дневной поверхности земли. На рисунках показан участок трубопровода магистрального водовода «Лена – Туора Куель – Чурапча» в районе водохранилища «Мундуллах» (п. Майя), где выявлен ярковыраженный полигональный микрорельеф с морозобойным растрескиванием (рис. 7), в результате которого происходит смешение и разрыв трубопровода (рис. 8).

Рис. 6. Выпучивание опор магистрального водовода. Фото А. М. Сальва, 2018 г.

Рис. 7. Морозобойные трещины на трассе водовода. Фото А. М. Сальва, 2018 г.

Рис. 8. Смещение водовода и разрыв двутавровых перегородок, Фото А. М. Сальва, 2018 г.

Выводы. Таким о6разом, на основе дистанционных данных космических снимков предложена простая методика площадного районирования полигонального микрорельефа и их морфометрических параметров (площади, размеров, форм). В дальнейшем результаты исследований площадного районирования распространения криогенных процессов могут быть использованы при технико-экономическом обосновании выбора трасс линейных и других сооружений. Что касается влияния термокарстовых проявлений на магистральный водовод, то по мере их активизации воздействие на водовод будет только усиливаться.