УДК [630*31+625.711.84]
ВЫБОР МЕТОДА И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ЛЕСНЫХ ДОРОГ
SELECTION OF METHOD AND MEANS OF MONITORING THE SOIL TEMPERATURE OF FOREST ROAD BASES
Шарова Т. М., Меньшиков А. М., Осин Д. С.
(Северный (Арктический) федеральный университет им. М. В. Ломоносова, г. Архангельск, РФ)
Sharova T.M., Menshikov A.M., Osin D.S.
(Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov)
Рассмотрены наиболее распространенные методы и средства контроля температуры грунтов и почв в периоды промерзания-оттаивания.
The most common methods and means of monitoring the temperature of soils and soils during freezing-thawing periods are considered.
Ключевые слова: лесные дороги, мониторинг температуры воздуха, температура грунта, термометрическая скважина, термокоса
Key words: forest roads, air temperature monitoring, soil temperature, thermometric well, thermosock
В настоящее время ведутся работы по созданию актуальной методики обоснования сроков ограничения движения на дорогах лесопромышленного комплекса Архангельской области в периоды межсезонья [1]. В рамках этой работы, для реализации дифференцированного подхода к назначению дат и продолжительности ограничений движения, требуется корректное определение сроков промерзания-оттаивания грунтов на достаточно большой территории региона протяженностью более 600 км с севера на юг. Как показывает анализ состояния вопроса исследования, температура грунта наряду с интенсивностью влагонакопления является ключевым параметром в динамике промерзания-оттаивания грунтов оснований дорог в различных природно-климатических условиях. Поэтому для однотипных грунтов предлагается непосредственно измерять ее в нескольких контрольных точках, а на других территориях определять через сдвиги температуры воздуха, тесно коррелируемой с температурой грунта или почвы в подповерхностном слое [2,3].
Задачу мониторинга температурных показателей и накопления данных можно решать различными статическими и динамическими методами.
Статические методы реализуют непосредственное измерение температуры и влажности грунта или почвы в подповерхностном слое на специально оборудованных площадках. Динамические методы не требуют привязки к конкретному месту измерений и осуществляются с помощью передвижных дорожных лабораторий, созданных на базе автомобилей.
Наиболее ценный опыт непосредственных измерений климатических показателей накоплен Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (далее – РОСГИДРОМЕТ). Наблюдения осуществляются многие десятилетия на развернутой сети метеорологических станций, по единым методикам, на оборудованных метеорологических площадках (рисунок 1).
Рисунок 1 – Оборудование специализированной метеоплощадки
При измерениях температуры грунтов термометрами РОСГИДРОМЕТ руководствуется методиками, утвержденными Министерством природных ресурсов и экологии РФ. Термометры устанавливаются на участке размером 4×6 м, освобожденном от растительности. В отдельных случаях, когда на станции ведутся наблюдения только за поверхностной температурой почвы, достаточно участка размером 3×4 м.
В большинстве случаев поверхностные температуры измеряются термометрами типа ТМ-3 или ТМ-10. Под естественным покровом температура почвы и грунта измеряется на глубинах 0,02; 0,05; 0,10; 0,15; 0,20; 0,40; 0,80; 1,20; 1,60 и 3,20 м с помощью дистанционных электрических термометров типа М-54-1, АМ-34А (рисунок 2) с точностью до 0,1 0С [4].
В агропромышленном комплексе также используют свои утвержденные методики измерения температур почвы в пахотном слое и на глубине залегания узлов кущения. В частности, для измерения весной температуры пахотного слоя почвы на глубинах 0,05 и 0,1м согласно РД 52.33.632-2002 используется термометр электронно-цифровой АМТ-2 ИЛАН.416314.003. В комплект термометра входят стационарный датчик температуры почвы и датчик типа «щуп», преобразующие температуру почвы в пропорциональное ей значение электрического сопротивления [5].
Рисунок 2 – Схема установки термометра АМ-34А в почву
Порядок измерений температур в промышленности и строительстве в полевых условиях четко регламентирован действующим законодательством. Начиная с 2020 года, действует межгосударственный стандарт ГОСТ 25358-2020 «Грунты. Метод полевого определения температуры». Он предписывает использовать для измерения температуры инженерно-геологические скважины и целевые термометрические скважины. Для проведения термометрического мониторинга грунтов на различных глубинах рекомендуются переносные или стационарные термоизмерительные комплекты, представляющие собой так называемые «термометрические косы» (далее – термокоса) с соответствующей измерительной аппаратурой, устройствами для накопления информации (логгерами) в автоматическом режиме и для дистанционной передачи данных (рисунок 3). Термокосы могут быть объединены в единую сеть информационно-регистрирующего комплекса для мониторинга температурного режима определенной территории.
Рисунок 3 – Термокоса. Датчики температуры многозонные цифровые МЦДТ 0922 во взрывозащищённом исполнении
На опытных площадках допускается установка отдельных датчиков температуры или термометров непосредственно в грунт.
Известны так же различные технические решения, основанные на принципах термокосы, охраняемые патентами Российской Федерации. Например, патент на изобретение RU 2 597 339 C1 [6] предполагает обустройство термометрической скважины с обсадной трубой из различных по теплопроводности материалов. При использовании подобного устройства исследователи могут получить контактным способом температуру именно окружающего грунта, а не температуру воздуха в скважине.
За рубежом современный способ специализированного мониторинга температурно-влажностного режима автомобильных дорог реализует комплекс Aurora 2 Percostation (рисунок 4), разработанный компанией Roadscanners Ltd, Finland конкретно для контроля за состоянием земляного полотна автодорог в периоды замерзания-оттаивания грунтов [7].
Рисунок 4 – Данные мониторинга Aurora 2 Percostation за период с середины марта по конец ноября 2018 года
Рассмотренные выше способы мониторинга, несомненно, дают достаточно точную и надежную информацию о температурах грунтов в местах установки измерительного оборудования, однако с их помощью невозможно составить достоверную термометрическую картину для обширных площадей с широко разветвленной сетью дорог лесопромышленного комплекса Архангельской области. Поэтому использование прямых статических стационарно-точечных методов контроля не представляется рациональным решением для мониторинга температуры грунтов оснований дорог в регионе в виду большой трудоемкости обустройства и обслуживания нужного количества измерительных площадок.
Косвенный контроль и мониторинг динамики промерзания-оттаивания грунта земляного полотна, как уже упоминалось выше, можно осуществлять с применением передвижных дорожных лабораторий, оснащенных современным высокотехнологичным оборудованием, в частности, ультразвуковыми датчиками, оборудованием для лазерного сканирования дорожной поверхности, термографическими камерами (тепловизорами), приборами подповерхностного георадиолокационного зондирования (георадарами) и др.
В качестве примера реализации этого метода можно представить отрабатываемую в настоящее время компанией Roadscanners Ltd технологию контроля за температурой грунта дорожного полотна, основанную на методах термографического сканирования [7]. В результате прохода автомобиля, оснащенного лазерным сканером и двумя термографическими камерами, получают наглядную модель температурного состояния участка (рисунок 5).
Рисунок 5 – 3D модель температурного состояния дороги, полученная на основе термографического сканирования
Динамические способы мониторинга обеспечивают получение большого объема информации и высокую степень ее объективности, но эти данные получают косвенным путем, с присущими ему методическими погрешностями и неточностями. Кроме того, затраты на закупку и обслуживание передвижных дорожных лабораторий несоизмеримы с финансовыми возможностями лесопромышленных предприятий.
Таким образом, известные прямые и косвенные способы процессов промерзания-оттаивания грунтов не могут обеспечить по различным причинам необходимого охвата мониторингом лесных дорог на обширной территории Архангельской области. Вследствие этого, ситуация понуждает сделать выбор в пользу метода, основанного на определении температуры воздуха в приземном слое и корректном переходе к температуре грунта земляного полотна или подповерхностного слоя основания лесной дороги.
Список использованных источников
1. Меньшиков А.М., Шарова Т.М. Применение спектрального анализа данных метеонаблюдений при обосновании сроков ограничения движения на лесных дорогах // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2021. № 59. С.255-258.
2. Пугачев И.Н. Обоснование сроков ограничения нагрузки на автомобильные дороги в период весенней распутицы в зависимости от природно-климатических условий (на примере южной части Дальнего Востока): дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. Хабаровск: ХабГТУ, 2001. 185 с.
3. Тюрин Н.А. Повышение работоспособности грунтовых усов лесовозных автомобильных дорог путем совершенствования их эксплуатационных режимов: дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. Л.: ЛТА им. С.М. Кирова, 1982. 272 с.
4. РД 52.33.760-2011 Руководящий документ. Температура почвы сельскохозяйственных угодий. Обнинск: ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД», 2011. 24 с. http://elib.rshu.ru/files_books/pdf/img-9694.pdf
5. РД 52.33.632-2002 Руководящий документ. Температура почвы в пахотном слое, на глубине залегания узла кущения озимых зерновых культур и корневой шейки многолетних трав. СПб.: Гидрометеоиздат, 2001.
6. Патент RU2597339C1 Способ измерения температуры грунта / Н. П. Сигачев, Е. В. Непомнящих, Я. В. Клочков. Заявл. 08.04.2015. Опубл.10.09.2016.
7. Сааренкето Т., Ахо С. Управление несущей способностью в период весенней распутицы на дорогах с низкой интенсивностью движения [Электронный ресурс]. Отчет ROADEX II, 2005. www.roadex.org, https://ador.ru/data/files/static/kolarctic-3-10.pdf