Глобальное изменение климата представляет собой вызов для отрасли, занимающейся разработкой минеральных ресурсов в арктических регионах. Гражданские и промышленные здания, спроектированные и построенные без учета факторов потепления, начинают разрушаться из-за изменения структуры вечной мерзлоты. Санкт-Петербургский горный университет разрабатывает технические и технологические решения для строительства удаленных арктических объектов и методологию их проектирования на основе физико-математического прогнозного моделирования. В статье представлены результаты моделирования тепловых режимов вечномерзлых грунтов в условиях теплового влияния свай и предложены мероприятия, позволяющие своевременно реагировать на потерю несущей способности свай. Проектирование свайных оснований в соответствии с предложенной в статье методикой для уменьшения рисков от глобального изменения климата позволит обеспечить устойчивость удаленных арктических объектов, размещаемых в зоне распространения многолетнемерзлых пород.
Борьба с изменением климата является 13 целью Организации Объединенных Наций в области устойчивого развития. По данным входящей в структуру ООН Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), подтверждается более быстрое потепление в Арктике по сравнению с остальным миром, что подчеркивается в каждом из отчетов [1]. Например, сравнение десятилетия 2006–2015 гг. с доиндустриальным базисным периодом (1850–1900 гг.) показывает, что за этот промежуток времени глобальные средние температуры выросли на 0,87 °C. При этом измеренное повышение температуры в Арктике было в два–три раза выше, а также наблюдались значительные различия между районами Арктики. Климатические модели МГЭИК предсказывают, что эта тенденция сохранится: повышение на 2 °C к 2100 году в глобальном масштабе, по прогнозам, приведет к повышению температуры в Арктике на 4–7 °C [3].
Глобальные антропогенные выбросы парниковых газов выросли на 1,7 % в 2017 году и примерно на 2,7 % в 2018 году [2]. Но даже при соблюдении всех текущих национальных обязательств по сокращению выбросов парниковых газов прогнозируется среднее глобальное повышение среднегодовой температуры на 3 °C, что соответствует повышению на 7–11 °C в Арктике [1].
За последние десятилетия глобальное потепление привело к повсеместному сокращению криосферы с потерей массы ледниковых покровов и ледников, сокращением снежного покрова, а также площади и толщины арктического морского льда, кроме того, наблюдается повышение температуры многолетнемерзлых пород [3, 20].
Температура многолетней мерзлоты повысилась до рекордно высоких уровней (с 1980 по настоящее время), включая недавнее повышение на 0,29 °C ± 0,12°C с 2007 по 2016 годы в среднем по полярным и высокогорным регионам мира [21]. Согласно результатам физико-математического моделирования Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), в этом столетии и в последующие годы ожидается с высокой степенью достоверности широко распространенное оттаивание многолетней мерзлоты [1].
Актуальность разработки решений, направленных на обеспечение устойчивости фундаментов объектов, расположенных в зоне распространения многолетнемерзлых пород, в последнее время усиливается в свете глобального изменения климата на планете Земля. Например, к последствиям потери несущей способности фундамента, расположенного в зоне распространения многолетнемерзлых пород, можно отнести аварию на ТЭЦ-3 Норильско-Таймырской энергетической компании, произошедшей 29 мая 2020 г. В результате инцидента разлилось около 21 000 т нефтепродуктов, из них 6000 т попали в грунт, остальное – в реку Амбарную и ее приток Далдыкан, которые впадают в крупное озеро Пясино. Из этого озера вытекает река Пясина, впадающая в Карское море.
Риск увеличения выбросов СО2 по мере таяния многолетнемерзлых пород
Прогнозируется, что таяние вечной мерзлоты в Арктике приведет к выделению в атмосферу «дополнительных» 25–85 млрд т парниковых газов в год (в пересчете на углерод), притом что все человечество выбрасывает около 13 млрд т углерода, пишут климатологи в статье, опубликованной в журнале [27]. В итоге почвы тундры начнут не поглощать, а выделять «лишний» углекислый газ и метан, отмечают исследователи.
На текущий момент тундра и другие области вечной мерзлоты относятся к числу поглотителей парниковых газов – зон, в которых неживая природа, в частности растения, поглощают больше парниковых газов, в том числе СО2 и метана, чем их образуется в этой местности. Большая их доля осаждается в торфе или почве, часть которой находится в состоянии вечной мерзлоты. Потепление климата может вызвать высвобождение большого количества парниковых газов.
Из-за повышения температуры и концентрации СО2 растения смогут поглощать больше углекислого газа – их «производительность» увеличится с 69 до 88 млрд т углерода. С другой стороны, из-за таяния вечной мерзлоты в Западной и Восточной Сибири, как и в северных районах Канады, органические отложения в почве тундры «разморозятся» и начнут гнить, выделяя углекислый газ и метан. Из-за этого эти регионы превратятся из поглотителей углекислого газа в его источники и будут выделять до 150 г углерода на квадратный метр почвы. Кроме того, «производство» метана в заболоченных участках почвы вырастет примерно в два раза – с 34 до 71 млрд т.
К 2100 году, согласно проекциям, приповерхностная (в пределах 3–4 м) площадь многолетней мерзлоты уменьшится на 24 ± 16 % (вероятный диапазон) для РТК2.6 (сценарий с потеплением 1,1–2,0 °C в период 2031–2050 гг. и 0,9–2,4 °C в 2081–2100 гг.) и 69 ± 20 % (вероятный диапазон) для РТК8.5 (1,5–2,4 °C в период 2031–2050 гг. и 3,2–5,4 °C в 2081–2100 гг.), рисунок 1 [1–4].
Риск повышения уровня Мирового океана
Согласно данным Национального управления океанических и атмосферных исследований, в США с 1880 года уровень моря поднялся на 21–24 см [18].
В 2019 году глобальный уровень моря был на 87,61 мм выше среднего показателя 1993 года – самого высокого годового показателя за всю историю спутниковых наблюдений (1993 год – настоящее время).
Темпы повышения уровня моря ускоряются: он более чем удвоился с 1,4 миллиметра в год на протяжении большей части 20 века до 3,6 миллиметра в год с 2006 по 2015 год [19, 22, 23], рисунок 2–3.
Даже если мир пойдет по пути низких выбросов парниковых газов, глобальный уровень моря, вероятно, поднимется по крайней мере на 0,3 метра выше уровня 2000 года к 2100 году [24, 25].
Если мы пойдем по пути с высокими выбросами, то нельзя исключить наихудший сценарий, когда к 2100 году уровень 2000 года превысит 2,5 метра [5, 6].
Материалы и методы
Предлагаемое решение для удаленных арктических нефтегазовых объектов
Около 60 % территории Российской Федерации приходится на криолитозону с основными запасами полезных ископаемых [7]. Одной из важных задач обеспечения устойчивого функционирования объектов в Арктической зоне РФ является недопущение оттаивания и растепления вечной мерзлоты.
Широкое распространение многолетнемерзлых отложений по всему арктическому шельфу и наличие крайне сурового климата представляют собой колоссальные трудности для строительства. Основная часть рассматриваемой территории акватории шельфа – мелководная, с преобладающими глубинами 1–3 м. Лишь в крайней южной части площади глубины моря достигают 5 м и более. Наличие слабого грунтового основания несет в себе опасность, связанную с недостаточной устойчивостью сооружений.
Предлагаемым решением для создания объектов производственной инфраструктуры является свайный фундамент, монтируемый в зимнее время с предварительным упрочнением грунтов, рисунок 4.
Концепция создания модульных свайных оснований, разработанная в Горном университете [8, 9], предполагает оптимальное размещение и круглогодичную эксплуатацию объектов производственной инфраструктуры оборудования на выделенных технологических зонах. Для реализации данных решений могут применяться новые типы свай или традиционные фундаменты, нашедшие широкое распространение при ведении строительных работ в зонах многолетнемерзлых грунтов.
Разрабатывается эскиз генплана объекта с формированием начальных исходных данных для моделирования несущей способности свайного фундамента при учете динамических изменений криолитозоны. Выполняется моделирование и выбор характеристик свайных полей по актуальным данным инженерных изысканий. Далее выполняется моделирование растепления ММП при повышении среднегодовых температур и подбираются мероприятия для сохранения несущей способности свай. На основе проведенного моделирования уточняются характеристики свайных оснований с учетом концентрированных и распределенных нагрузок на свайном фундаменте и разрабатывается перечень мероприятий для обеспечения устойчивости сооружения с круглогодичным мониторингом в течение всего срока его эксплуатации [26]. В научном центре «Арктика» Горного университета разработана проектно-конструкторская документация на модульные свайные основания (рисунок 5) для размещения буровых установок в зонах распространения многолетнемерзлых пород, подверженных сезонному затоплению. В результате проведенной научно-исследовательских работ установлено, что стоимость строительства модульных свайных оснований в среднем на 50 % меньше стоимости обустройства и поддержания песчаных отсыпок.
Предлагаемое решение в области физико-математического моделирования геотехнических решений для размещения арктических нефтегазовых объектов в условиях изменения климата
Для выбора оптимальных технологических решений в первую очередь необходимо понимать, как изменение климата в Арктической зоне сказывается на несущей способности свай. Для этого, согласно статистическим данным, в качестве исходных характеристик для моделирования было разработано три сценария потепления для периода с 2031 по 2050 гг.:
1) позитивный с увеличением температуры на 2,2 °С (0,1 °С в год);
2) нейтральный с увеличением температуры на 3 °С (0,16 °С в год);
3) негативный с увеличением температуры на 4,8 °С (0,24 °С в год);
4) локально негативный с увеличением температуры на 9,6 °С (0,5 °С в год).
