Оценка оптимальной нормы предзимнего полива для создания защитного слоя в условиях распространения ледового комплекса

В районах распространения ледового комплекса деградация защитного слоя приводит к активизации криогенных процессов, что сопровождается нарушением поверхности, изменением водно-теплового режима грунтов и утратой устойчивости мерзлотных ландшафтов. Особенно уязвимы нарушенные участки с неглубоким залеганием полигонально-жильных льдов. Предзимний полив рассматривается как способ управляемого изменения тепло- и влагопереноса в верхней части сильнольдистых отложений ледового комплекса Центральной Якутии с целью ускоренного формирования переходного (защитного) слоя на нарушенных термокарстом участках. Цель работы – на основе сопряженного моделирования тепло- и влагопереноса оценить оптимальную норму предзимнего увлажнения, при которой создаются условия для накопления льда в нижней части сезонно-талого слоя без его переувлажнения. Материалами послужили метеорологические данные со станции Амга и данные термовлажностного мониторинга на экспериментальных участках в долине р. Амга. Модель реализована в программе COMSOL Multiphysics и включает уравнение теплопереноса с учетом фазового перехода методом кажущейся теплоемкости и уравнение Ричардса для переменно-насыщенной фильтрации. Выполнены расчеты серии сценариев предзимнего полива (0–500 мм) с контролем выхода на квазистационарный режим. Установлено, что для рассматриваемых условий оптимальная норма предзимнего полива, обеспечивающая формирование льдонасыщенного защитного слоя, составляет не более W = 300 мм и зависит от начальной влажности сезонно-талого слоя. При других сценариях либо фронт инфильтрации не достигает нижней части сезонно-талого слоя (W= 100, 200 мм), либо начинает увеличиваться количество незамерзшей воды и повышается температура подстилающих многолетнемерзлых пород (W= 400, 500 мм). Полученные результаты могут быть использованы при планировании мерзлотно-мелиоративных мероприятий в районах распространения ледового комплекса и при выборе режимов предзимнего увлажнения.

1. Biskaborn B.K., Smith S.L., Noetzli J., et al. Permafrost is warming at a global scale. Nat. Commun. 2019;10:264. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08240-4 EDN: HTZKKV

2. Smith S.L., O’Neill H.B., Isaksen K., et al. The changing thermal state of permafrost. Nat. Rev. Earth Environ. 2022;(3): 10–23. https://doi.org/10.1038/s43017-021-00240-1 EDN: JEAJAX

3. Jorgenson M.T., Romanovsky V., Harden J., et al. Resilience and vulnerability in response to climate warming. Can. J. For. Res. 2010;40(7):1219–1236. https://doi.org/10.1139/X10-060

4. Strauss J., Schirrmeister L., Grosse G., et al. Deep Yedoma permafrost: A synthesis of depositional characteristics and carbon vulnerability. Earth-Science Reviews. 2017;(172):75–86. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2017.07.007 EDN: XOFQPD

5. Kokelj S.V., Jorgenson M.T. Advances in thermokarst research. Permafrost & Periglacial. 2013;(24):108–119. https://doi.org/10.1002/ppp.1779 EDN: RIJVVN

6. Jorgenson M.T., Shur Y.L., Pullman E.R. Abrupt increase in permafrost degradation in Arctic Alaska. Geophysical Research Letters. 2006;(33):2005GL024960. https://doi.org/10.1029/2005GL024960 EDN: MAUSDB

7. Hjort J., Karjalainen O., Aalto J., et al. Degrading permafrost puts Arctic infrastructure at risk by mid-century. Nat. Commun. 2018;(9):5147. https://doi.org/10.1038/s41467-018-07557-4 EDN: ANNAYC

8. Streletskiy D.A., Suter L.J., Shiklomanov N.I., et al. Assessment of climate change impacts on buildings, structures and infrastructure in the Russian regions on permafrost. Environ. Res. Lett. 2019;14(2):025003. https://doi.org/10.1088/1748-9326/aaf5e6 EDN: AHATIK

9. Desyatkin R., Filippov N., Desyatkin A., et al. Degradation of arable soils in Central Yakutia: Negative consequences of global warming for Yedoma landscapes. Front Earth Sci. 2021;9:683730. https://doi.org/10.3389/feart.2021.683730 EDN: IVTCUA

10. Porfiriev B.N., Eliseev D.O., Streletskiy D.A. Economic assessment of permafrost degradation effects on the housing sector in the Russian Arctic. Her. Russ. Acad. Sci. 2021;91:17–25. https://doi.org/10.1134/S1019331621010068 EDN: OSTUWV

11. Shur Y., Hinkel K.M., Nelson F.E. The transient layer: implications for geocryology and climate‐change science. Permafrost & Periglacial. 2005;16:5–17. https://doi.org/10.1002/ppp.518

12. Zhirkov A., Sivtsev M., Lytkin V., et al. An Assessment of the possibility of restoration and protection of territories disturbed by thermokarst in Central Yakutia, Eastern Siberia. Land. 2023;12(1):197. https://doi.org/10.3390/land12010197 EDN: CSHWRO

13. Соловьев П.А. Криолитозона северной части Лено-Амгинского междуречья. М.: Изд-во Акад. наук СССР; 1959. 141 с.

14. Desyatkin A., Fedorov P., Filippov N., et al. Climate change and its influence on the active layer depth in Central Yakutia. Land. 2020;10(1):3. https://doi.org/10.3390/land10010003 EDN: BXIECU

15. Varlamov S.P., Skachkov Y.B., Skryabin P.N. Influence of climate change on the thermal condition of Yakutia’s permafrost landscapes (Chabyda Station). Land. 2020;99(5):132. https://doi.org/10.3390/land9050132 EDN: ESSUDQ

16. Fedorov A.N., Konstantinov P.Y., Vasilyev N.F., et al. The influence of boreal forest dynamics on the current state of permafrost in Central Yakutia. Polar Science. 2019;22:100483. https://doi.org/10.1016/j.polar.2019.100483 EDN: LXAZDK

17. Fedorov A.N., Vasilyev N.F., Torgovkin Y.I., et al. Permafrost-landscape map of the Republic of Sakha (Yakutia) on a Scale 1:1,500,000. Geosciences. 2018;8(12):465. https://doi.org/10.3390/geosciences8120465 EDN: WUVMKM

18. Ulrich M., Jongejans L.L., Grosse G., et al. Geochemistry and weathering indices of Yedoma and Alas deposits beneath thermokarst lakes in Central Yakutia. Front. Earth Sci. 2021;9:704141. https://doi.org/10.3389/feart.2021.704141 EDN: KEYGXZ

19. Варламов С.П., Жирков А.Ф., Находкин Д.А. Температурный режим почвогрунтов при нарушении покровов в современных климатических условиях Центральной Якутии. Наука и образование. 2017;(4):65–71. EDN: YUYWZM

20. Павлов А.В. Теплообмен почвы с атмосферой в северных и умеренных широтах территории СССР. Якутск: Якутское кн. изд-во; 1975.

21. Гаврильев П.П., Мандаров А.А. Лиманное орошение лугов в Центральной Якутии. Новосибирск: Наука; 1976. 165 с.

22. Угаров И.С., Мандаров А.А. Орошение дождеванием кормовых культур в Центральной Якутии. Якутск: ИМЗ СО РАН; 2000. 128 с.

23. Саввинов Д.Д., Саввинов Г.Н., Макаров В.С. и др. Влияние осенних влагозарядковых поливов на расход почвенной влаги и урожайность овса в долине р. Лена. Наука и образование; 2016;(4);140–143. EDN: XYFZLV

24. Макаров В.С., Саввинов Д.Д., Саввинов Г.Н. Влияние влагозарядкового полива на теплофизические свойства мерзлотной лугово-черноземной почвы в долине р. Лена. Наука и образование. 2017;(3):107–110. EDN: ZPDREZ

25. Shur Y.L., Jorgenson M.T. Patterns of permafrost formation and degradation in relation to climate and ecosystems. Permafrost & Periglacial. 2007;18(1):7–19. https://doi.org/10.1002/ppp.582 EDN: XUQXVQ

26. Жирков А.Ф., Железняк М.Н., Пермяков П.П. и др. Влияние инфильтрации жидких атмосферных осадков на формирование температурного режима мерзлых грунтов. Вестник Забайкальского государственного университета; 2018;24(6):4–14. EDN: USZCTH

27. Архив погоды в Амге. Режим доступа: https://rp5.ru/Архив_погоды_в_Амге (дата обращения: 20.02.2026)

28. Справочник по климату СССР. Якутская АССР. Вып. 24. Л.: Гидрометеоиздат; 1989.

29. Сивцев М.А., Жирков А.Ф. Особенности динамики температуры грунтов на участке восстановления нарушенных термокарстом территорий. В кн.: Актуальные вопросы теплофизики, энергетики и гидрогазодинамики в арктических и субарктических территориях (Тэгуа-2023): Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки РСФСР и ЯАССР, д.т.н., профессора Н.С. Иванова, г. Якутск, 06– 09 декабря 2023 г. Якутск: Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова; 2023. С. 120–122. EDN: SCJCOH

30. Harlan R.L. Analysis of coupled heat‐fluid transport in partially frozen soil. Water Resources Research. 1973;9:1314– 1323. https://doi.org/10.1029/WR009i005p01314.

31. Dall’Amico M., Endrizzi S., Gruber S., et al. A robust and energy-conserving model of freezing variably-saturated soil. The Cryosphere. 2011;5:469–484. https://doi.org/10.5194/tc-5-469-2011 EDN: OLODKH

32. COMSOL AB. COMSOL Multiphysics v. 6.3: Subsurface Flow Module User’s Guide; Heat Transfer Module User’s Guide. Stockholm, Sweden; 2024

33. Richards L.A. Capillary conduction of liquids through porous mediums. Physics. 1931;1:318–333. https://doi.org/10.1063/1.1745010.

34. Van Genuchten M.Th. A closed‐form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Soc. of Amer. J. 1980;44:892–898. https://doi.org/10.2136/sssaj1980.03615995004400050002x.

35. Mualem Y. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media. Water Resources Research. 1976;12:513–522. https://doi.org/10.1029/WR012i003p00513.

36. Schaap M.G., Leij F.J., Van Genuchten M.Th. rosetta : a computer program for estimating soil hydraulic parameters with hierarchical pedotransfer functions. Journal of Hydrology. 2001;251(3-4):163–176. https://doi.org/10.1016/S0022-1694(01)00466-8 EDN: ARBJNJ

37. ROSETTA model: documentation and reference information. USDA-ARS 2026. Available at: https://www.ars.usda.gov/pacific-west-area/riverside-ca/agricultural-water-efficiency-and-salinity-research-unit/docs/model/rosetta-model/. (accessed: 20.02.2026)

38. Шендер Н.И. Рекомендации по прогнозу температурного режима грунтов: на примере центрального и восточного участков зоны БАМа. Якутск: ИМЗ СО АН СССР; 1986. 58 с.