Оценка рисков опасных явлений для инфраструктуры Магаданской области, вызванных климатически- и антропогенно-обусловленной трансформацией многолетнемерзлых пород

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-17-20011

НазваниеОценка рисков опасных явлений для инфраструктуры Магаданской области, вызванных климатически- и антропогенно-обусловленной трансформацией многолетнемерзлых пород

Руководитель Макарьева Ольга Михайловна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Восточный государственный университет" , Магаданская обл

Конкурс №77 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-306 - Геокриология

Ключевые слова многолетнемерзлые грунты, сезонно-талый слой, температура грунта, опасные явления, изменения климата, природные и техногенные риски, устойчивость инфраструктуры, математическое моделирование, мониторинг, антропогенные нарушения, наледи, катастрофические паводки, адаптация, Магаданская область

Код ГРНТИ38.65.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Значительная часть территорий Магаданской области, в том числе, районы перспективного горнопромышленного освоения, расположены в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов и характеризуются как труднодоступные, малонаселенные и неизученные. В 90-е гг. в связи с тяжелой экономической ситуацией в регионе произошло катастрофическое сокращение сети мониторинга за природными процессами и опасными явлениями. Практически отсутствует информация о современном состоянии мерзлоты, изменении характеристик гидрологического режима, состоянии нарушенных территорий. Основной целью проекта является исследование современного состояния криолитозоны Магаданской области, процессов формирования опасных явлений, связанных с трансформацией ее характеристик, и прогноз их динамики в будущем с учетом климатических изменений и антропогенного воздействия. На основе синтеза данных мониторинга и результатов комплексных полевых исследований, анализа материалов дистанционного зондирования, региональных климатических проекций, объединенных методами математического моделирования, будет получена количественная оценка изменений характеристик многолетнемерзлых грунтов, вызванных потеплением климата, и их влияния на устойчивость зданий и сооружений. Ожидаемые научные результаты проекта будут состоят в следующем. 1. Действующая региональная сеть мониторинга многолетнемерзлых грунтов Магаданской области. 2. Количественная оценка изменений характеристик ММГ, используемых в инженерных расчетах, в современный период по сравнению с историческими данными активного освоения территории в 50-70-е гг. прошлого века, а также прогноз их трансформации в будущем на основе методов моделирования и региональных климатических проекций. 3. База данных характеристик ММГ Магаданской области, содержащая исторические данные, регулярно обновляемые актуальные данные мониторинга и прогноза на будущее. 4. Количественная оценка геокриологических рисков возникновения нарушений устойчивости зданий и сооружений в связи с прогнозируемой деградацией ММГ в Магаданской области. 5. Результаты исследования процессов формирования опасных наледных явлений природного и техногенного характера в населенных пунктах Магаданской области, прогноз их развития в будущем. 6. Количественная оценка влияния добычи драгоценных металлов на русловые процессы и формирование катастрофических паводков на реках Магаданской области. 7. Рекомендации по снижению геокриологических рисков, в том числе, связанных с опасными наледными явлениями. 8. Рекомендации по снижению гидрологических рисков, связанных с формированием катастрофических паводков в бассейнах рек, нарушенных в результате горнодобывающей деятельности. На их основе будут разработаны меры адаптации региона к негативным последствиям изменения климата и деградации многолетней мерзлоты, минимизации природных и техногенных рисков и обеспечения устойчивого развития, что позволит повысить экономический рост и социальное развитие регионов Дальнего Востока. Результаты проекта будут использоваться для решения практических задач региона, таких как, планирование мер для недопущения аварийных ситуаций, связанных с деформацией задний и сооружений; обеспечение эффективной и безопасной эксплуатации региональной дорожной инфраструктуры, в том числе ее реконструкции и развития; проектирование железной дороги «Нижний Бестях – Магадан»; прогноз и адаптация населенных пунктов к опасным геокриологическим и гидрологическим явлениям. Такая комплексная работа будет выполняться для Магаданской области впервые.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Землянскова А.А., Макарьева О.М., Шихов А.Н., Алексеев В.Р., Нестерова Н.В., Осташов А.А. The impact of climate change on seasonal glaciation in the mountainous permafrost of North-Eastern Eurasia by the example of the giant Anmangynda aufeis Catena, Catena 233 (2023) 107530 (год публикации - 2023)
10.1016/j.catena.2023.107530

2. Оленченко В.В., Землянскова А.А., Макарьева О.М., Потапов В.В. Geocryological Structure of a Giant Spring Aufeis Glade at the Anmangynda River (Northeastern Russia) Geosciences, Geosciences 2023, 13(11), 328 (год публикации - 2023)
10.3390/geosciences13110328

3. Макарьева О.М., Шихов А.Н., Землянскова А.А., Алексеев В.Р., Нестерова Н.В., Осташов А.А. ГИГАНТСКИЕ НАЛЕДИ-ТАРЫНЫ СЕВЕРО-ВОСТОКА РОССИИ ПО ДАННЫМ КАДАСТРА (1958 г.) И КОСМИЧЕСКИМ СНИМКАМ 1973-2021 гг. Криосфера Земли, 2023, т. XXVII, № 6, с. 27–39 (год публикации - 2023)
10.15372/KZ20230603

4. Макарьева О.М., Абрамов Д.А., Землянскова А.А., Осташов А.А., Нестерова Н.В. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД ВЕРХНЕКОЛЫМСКОГО НАГОРЬЯ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ Криосфера Земли, Макарьева О.М., Землянскова А.А., Абрамов Д.А., Нестерова Н.В., Осташов А.А. Температура многолетнемерзлых пород Верхнеколымского нагорья по данным термометрических скважин за 2021-2022 годы // Криосфера Земли. – 2024. – Т. 28, № 3. – С. 19-32. – DOI 10.15372/KZ20240302. (год публикации - 2024)
Идентификатор 10.15372/KZ20240302

5. Макарьева О.М., Землянскова А.А., Абрамов Д.А., Нестерова Н.В., Осташов А.А. Температура многолетнемерзлых пород Верхнеколымского нагорья по данным термометрических скважин за 2021-2022 годы Криосфера Земли, Макарьева О.М., Землянскова А.А., Абрамов Д.А., Нестерова Н.В., Осташов А.А. Температура многолетнемерзлых пород Верхнеколымского нагорья по данным термометрических скважин за 2021-2022 годы // Криосфера Земли. – 2024. – Т. 28, № 3. – С. 19-32. – DOI 10.15372/KZ20240302. (год публикации - 2024)
10.15372/KZ20240302

6. Землянскова А.А., Макарьева О.М. Моделирование процессов формирования стока рек горной криолитозоны северо-востока России с наледным питанием на примере р. Анмангында Арктика и Антарктика, Землянскова А.А., Макарьева О.М. Моделирование процессов формирования стока рек горной криолитозоны северо-востока России с наледным питанием на примере р. Анмангында // Арктика и Антарктика. 2024. № 2. С. 1-20. DOI: 10.7256/2453-8922.2024.2.69780 EDN: EAMLTK URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=69780 (год публикации - 2024)
10.7256/2453-8922.2024.2.69780

7. Макарьева О.М., Землянскова А.А., Абрамов Д.А., Нестерова Н.В., Осташов А.А. Geocryological Conditions of Small Mountain Catchment in the Upper Kolyma Highland (Northeastern Asia) Geosciences (Switzerland), Makarieva O., Zemlianskova A., Abramov D., Nesterova N., Ostashov A. Geocryological Conditions of Small Mountain Catchment in the Upper Kolyma Highland (Northeastern Asia) // Geosciences (Switzerland). – 2024. – Vol. 14, No. 4. – P. 88. – DOI 10.3390/geosciences14040088. (год публикации - 2024)
10.3390/geosciences14040088

8. Землянскова А.А., Нестерова Н.В., Макарьева О.М. Изменение ледового режима рек Северо-Востока России Арктика и Антарктика, Землянскова А.А., Нестерова Н.В., Макарьева О.М. Изменение ледового режима рек Северо-Востока России // Арктика и Антарктика. – 2024. – № 1. – С. 20-33. – DOI 10.7256/2453-8922.2024.1.69791. (год публикации - 2024)
10.7256/2453-8922.2024.1.69791

9. Никитина П.А., Шихов А.Н., Макарьева О.М., Землянскова А.А. Процессы формирования стока рек криолитозоны в условиях горнодобывающей деятельности в речных долинах (на примере добычи золота в бассейне Р. Сусуман, Магаданская область) Гидросфера. Опасные процессы и явления, Никитина П.А., Шихов А.Н., Макарьева О.М., Землянскова А.А. Процессы формирования стока рек криолитозоны в условиях горнодобывающей деятельности в речных долинах (на примере добычи золота в бассейне Р. Сусуман, Магаданская область) // Гидросфера. Опасные процессы и явления. – 2023. – Т. 5, № 3. – С. 244-255. – DOI 10.34753/HS.2023.5.3.244. (год публикации - 2024)
10.34753/HS.2023.5.3.244

10. Абрамов Д.А., Михайлова А.А., Землянскова А.А., Макарьева О.М., Осташов А.А., Никитина П.А. Закономерности сезонного оттаивания пород на площадках CALM в Верхнеколымском нагорье Арктика и Антарктика, Абрамов Д.А., Михайлова А.А., Землянскова А.А., Макарьева О.М., Осташов А.А., Никитина П.А. Закономерности сезонного оттаивания пород на площадках CALM в Верхнеколымском нагорье // Арктика и Антарктика. 2025. № 4. С. 124-140. DOI: 10.7256/2453-8922.2025.4.76412 EDN: FUWZKU URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=76412 (год публикации - 2025)
10.7256/2453-8922.2025.4.76412

11. Землянскова А.А., Оленченко В.В., Макарьева О.М. ОСОБЕННОСТИ СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ ПОРОД НАЛЕДНОЙ ПОЛЯНЫ В ДОЛИНЕ Р. АНМАНГЫНДА (МАГАДАНСКАЯ ОБЛАСТЬ) Криосфера Земли (год публикации - 2026)

12. Шихов А.Н., Землянскова А.А., Никитина П.А., Макарьева О.М. Оценка применимости моделей проекта CMIP6 для прогноза изменений климата на тер-ритории Магаданской области Метеорология и гидрология (год публикации - 2026)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Основной целью проекта является комплексное исследование современного состояния криолитозоны Магаданской области, выявление причин формирования опасных явлений, оценку трансформации характеристик многолетнемерзлых пород, прогноз их динамики в будущем с учетом климатических изменений и антропогенного воздействия. Для достижения цели используются исторические данные, результаты комплексных полевых исследований, материалы дистанционного зондирования Земли, региональные климатические проекции, методы нейронного обучения и математическое моделирование. Приоритетной задачей в 2024 г. стало расширение и поддержание ранее созданной (2020-2023 гг.) сети мониторинга природных процессов в горной криолитозоне Магаданской области. К концу 2024 г. она состоит из 22 термометрических скважин глубиной от 5 до 30 м, комплексного научного стационара в бассейне р. Анмангынды, двух площадок CALM и двух пунктов мониторинга развития техногенных наледных процессов. Основными результатами проекта в 2024 г. стали: Оборудовано 8 новых термометрических скважин для наблюдения за температурой горных пород на различной широте и высоте вдоль Колымской и Тенькинской трасс глубинами от 5 до 15 м. Описаны ландшафтные и мерзлотно-геологические условия пунктов наблюдений, в том числе на основе данных геофизических исследований. Для образцов, отобранных из двух скважин, получена информация о физических характеристиках пород – естественной влажности и плотности, коэффициенте теплопроводности. По данным геокриологической сети для региона выявлено понижение температуры пород с юга на север с градиентом приблизительно 1°С/1°с.ш. Рассчитана мощность талика в пос. Усть-Омчуг, которая по предварительным оценкам составляет около 120 м. На площадках CALM выделяются два основных типа грунта – торф и глина, которые существенно различаются по своим физическим свойствам и, что наиболее важно, определяют глубину сезонного оттаивания. В мочажинах с глиной глубина сезонного оттаивания составляет около 60 см, в то время как на мохово-лишайниковых поверхностях с торфом она колеблется в пределах 30-40 см. Температура начала замерзания также отличается у разных грунтов: у глин – -0.1 °С, у торфов – -0.2 °С, исключением является слаборазложившийся торф (-0.1°С), что объясняется малой плотностью сложения. Полученные результаты подтверждают, что даже в пределах площади 100х100 м значение микроландшафта и состава отложений существенно влияет на пространственную изменчивость глубины сезонного оттаивания. В целях актуализации данных о состоянии многолетнемерзлых пород в Магаданской разработана база данных, которая включает в себя информацию о геокриологических условиях Магаданской области в 22 пунктах наблюдений, оборудованных за период 2021–2024 гг. Оформлена и зарегистрирована база данных среднемесячной температуры пород до глубины 3.2 м для 12 метеорологических станций, расположенных в Магаданской области, за исторический период с 1964 по 2018 гг. На основе серии космических снимков наледей вблизи поселков Магаданской области Мадаун и Атка за период 2013–2023 гг. проведена ретроспективная оценка динамики площади наледей, сформирована база данных в виде shp-файлов с границами наледного льда. Проведен расчет объема наледей. Анализ материалов показал, что площадь наледей достигает 1-2 км2, они разрушаются полностью к концу августа и июля соответственно. Полевые исследования наледей на руч. Михалыч и руч. Потерянный показали, что используемые в регионе меры по сдерживанию наледных процессов не эффективны. Ограда, установленная дорожными службами с целью предотвращения образования наледи под мостом, создала еще большую угрозу для разрушения моста. Так как до ограды и после нее сформировались разные условия для дальнейшего движения наледных вод и накопления снежного покрова. В результате чего ограда под давлением льда была разрушена. С помощью георадара были измерены толщина льда наледи, глубина сезонного промерзания пород наледной поляны р. Анмангында. В апреле 2024 г. средняя толщина наледи составляла 1.4 м при максимальных значениях 6.7 м, что ниже, чем результаты измерений 2021 г. Средняя глубина промерзания пород в верхней части наледной поляны составила 4.0 м. Объем наледного льда 5.79 млн м3 при площади 3.97 км2. Проведен анализ динамики толщины льда на реках Северо-Востока страны на основе разработанной базы данных за период 1940–2018 гг. За последние пятьдесят лет произошло значимое смещение дат формирования толщины льда, для 60 см — в среднем на 24 дня ( 12—36 дней) на 13 из 30 гидрологических постов, для 90 см — на 38 дней (17—64 дней) на 9 постах. Более раннее становление льда 90 см наблюдается на 2 постах (на 14 и на 49 дней), что также связано с образованием наледей, которые являются фактором, осложняющим функционирование зимних ледовых трасс. Проведено исследование процессов формирования дождевых паводков в бассейне р Берелех, характеризующемся значительным распространением нарушенных ландшафтов. На основе гидрологической модели Гидрограф и данных климатического реанализа ERA5 проведено моделирование исторических паводков 1995, 2016 и 2019 гг. Результаты показали, что существующая гидрометеорологическая сеть не позволяет обеспечить г. Сусуман надежными прогнозами опасных гидрологических явлений. Выполнена верификация данных региональных 5 климатических моделей с разной расчетной сеткой – от 0.5 до 2.0°, охватывающая территорию Магаданской области. Сравнение с данными наблюдений и климатического реанализа ERA5 показало, что все модели завышают количество осадков в 1.1-1.5 раз. Также установлено, что модели завышают температуру воздуха на 2-8.6℃ в разные месяцы. Опубликованы 5 статей в научных журналах, в том числе, одна статья в журнале Q2. Зарегистрирована 1 база данных. Результаты исследований представлены в 13 докладах на 7 научных мероприятиях. Защищена кандидатская диссертация по теме проекта. Результаты проекта были представлены в сети интернет в Telegram https://t.me/hotnortheast, а также на сайте авторов http://coolhydro.ru/permafrost.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проект посвящен исследованиям современного состояния криолитозоны Магаданской области, не проводившихся в регионе более трех десятилетий. Современная трансформация характеристик многолетнемерзлых пород (ММП) под воздействием климатических изменений и антропогенного воздействия может приводить к опасным геокриологическим и гидрологическим явлениям. Их своевременный прогноз и планирование мер адаптации хозяйственной деятельности необходимы для минимизации природных и техногенных рисков и обеспечения экономического и социального развития регионов Дальнего Востока. В рамках проекта оборудована и круглогодично действует региональная сеть мониторинга многолетнемерзлых грунтов Магаданской области, состоящая из 26 скважин глубиной от 5 до 30 м и двух площадок CALM. Скважины находятся на высотах от 162 до 1232 м, охватывают все типы ландшафтов, характерные для региона, 5 скважин находятся в зоне талика. В зимнее время все пункты оснащены системой наблюдения за снежным покровом, круглогодично ведется мониторинг температуры воздуха. Для исследования процессов взаимодействия мерзлоты, подземных и поверхностных вод создан и круглогодично действует научный стационар «Анмангындинская наледь». Одна термометрическая и две гидрогеологические скважины оборудованы на наледной поляне гигантской Анмангындинской наледи. На основе собственных полевых и опубликованных материалов разработана база данных характеристик ММП Магаданской области, которая содержит как исторические, так и актуальные данные мониторинга региональной сети, метеорологических станций и осадкомеров, а также данных наблюдений за снежным покровом (2021-2025 гг.). Определены основные характеристики ММП, такие как среднегодовая температура пород, глубина и сроки сезонного оттаивания/промерзания, глубина нулевых годовых амплитуд и другие. На стационаре «Анмангындинская наледь» получены данные высокого временного разрешения: ежедневная высота снега на 7 пунктах; 4-часовые данные о температуре пород на разных глубинах на 7 скважинах; 4-часовые данные о глубине и температуре подземных вод на трех гидрогеологических скважинах, расположенных в зоне наледеобразования; 30-минутные метеорологические данные; данные о жидких осадках и температуре воздуха на пунктах мониторинга в теплый период; 4-часовые данные о поверхностной скорости течения, уровне и температуре воды и измеренных расходах воды на 4 гидрологических постах; данные о глубине протаивания и высоте снега на площадке CALM. На основе данных CALM (2022-2025) рассчитаны региональные коэффициенты для расчета глубины оттаивания в условиях распространённого верхнеколымского ландшафта – заболоченного лиственничного редколесья. Глубина оттаивания описывается уравнением у=0.23х+3.69, где у – глубина оттаивания, х – корень из суммы положительных градусочасов. На основе данных комплексных исследований, включая геофизические съемки, в пределах наледной поляны гигантской Анмангындинской наледи (репрезентативной для Северо-Востока) установлены закономерности соотношения геокриологических факторов и морфометрических характеристик наледи. При наименьшей глубине промерзания и небольшой толщине льда площадь наледи достигает наибольших значений, при обратных условиях – большая глубина промерзания и толщина льда способствуют формированию наледи с небольшой площадью. Установлена линейная связь глубины сезонного промерзания отложений наледной поляны с толщиной наледи, при этом до толщины льда 2.0–2.5 м наблюдается прямая зависимость, а свыше этих значений – обратная. Обоснованы расчетные зависимости глубины оттаивания от мощности льда для различных типов поверхности наледной поляны (русловая сеть, зона аллювия, зона кустарничков). По данным пунктов мониторинга наледных процессов на инженерных сооружениях вдоль трассы Колыма установлено, что в 2025 г. отмечалась высокая активность наледеобразования, приведшая к серьёзному подтоплению территорий населенных пунктов и угрозе разрушения инженерных конструкций, включая трубопроводы и мостовые опоры. Такие явления вызваны сочетанием неблагоприятных климатических условий, нарушением гидрогеологических условий долин рек в результате строительства инженерных сооружений и отсутствием эффективных профилактических мер по борьбе с наледями. Выполнен прогноз изменения характеристик мерзлоты до 2040 г. для двух пунктов вдоль Тенькинской трассы Магаданской области на основе геокриологической модели GIPL2.0. Построены прогностические карты глубины сезонного оттаивания для основных ландшафтов Верхнеколымского нагорья на основе гидрологической модели Гидрограф и климатической модели CNRM-CM6-1-HR с высоким пространственным разрешением (15*15 км) на периоды до 2099 года. Геокриологический прогноз показывает, что к 2040 г. температура пород может повысится в приповерхностном слое до глубины 1 м на 2-3 °C, а глубина сезонного оттаивания превысит 2 м, что приведет к отступанию верхней границы мерзлоты. К концу XXI века увеличение глубины сезонного оттаивания прогнозируется для всех ландшафтов, однако оно происходит крайне неравномерно. Наиболее интенсивная динамика прогнозируется для заболоченных лиственничных редколесий, которые характеризуются наличием в вертикальном профиле высокольдистой торфяной залежи. К концу XXI века глубина оттаивания увеличится с текущих средних значений 0.4 м до 2.2 м. Построенная на основе прогнозных значений карта изменения индекса оценки геокриологических рисков показала, что в зону риска уже сейчас попадает пос. Омчак, где ведется активная добыча золота, а также г. Сусуман и пос. Оротукан. Вблизи пос. Усть-Омчуг и Ягодное прогнозируется изменение мерзлотных условий, которые будут способствовать развитию опасных криогенных процессов. В районе расположения Колымской ГЭС в 2050-2075 гг. прогнозируется активизация криогенных процессов. К 2050 г. бОльшая часть автодорог региона окажется в зоне развития опасных криогенных процессов, что приведет к экономическому ущербу. Разработаны и направлены региональным и муниципальным органам власти рекомендации по разработке мер адаптации населенных пунктов Магаданской области для минимизации природных и техногенных рисков и обеспечения устойчивого развития в условиях неблагоприятных изменений климата.

Публикации