Способы мониторинга температуры в вечномерзлых грунтах

Сегодня общепринятым фактом является общее потепление нашей планеты. Средняя годовая температура увеличиваются на несколько градусов по сравнению с серединой 20 века. Это связано как с естественными геологическими процессами земли, так и с деятельностью человека. От этих изменений в России особенно страдают такие хрупкие экосистемы, как Арктика.

Не секрет, что освоение приполярных территорий весь 20 век шло без всякого учёта возможных климатических изменений, аксиомой считалось, что мерзлота – «вечная». Однако оказалось, что это не так. Средняя температура воздуха в районах с мерзлотой повысилась на 0,2 – 2,5 градуса, а температура верхних слоев грунтов до глубины 60-80 м повысилась примерно на 1,0 – 1,5 градуса, и по мнению некоторых ученых это не предел, к 2050 года прогнозируется повышение температуры воздуха в Арктике на 3-4 градуса.

Такая динамика увеличения нагрева зоны многолетней мерзлоты создает немалые опасности и трудности как в процессе эксплуатации уже имеющихся объектов (включая промышленные, жилые и инфраструктурные здания и сооружения), так и вновь создающиеся в рамках государственного проекта развития северных территорий РФ.

Не стоит забывать, что неправильная эксплуатация или неожиданный природный катаклизм может привести к техногенной катастрофе (как произошло в Норильске), которая может в итоге разрушить хрупкое природное равновесие и повлечь за собой экологическую катастрофу еще большего масштаба.

Метод измерения температуры многолетнемерзлых пород в 20 веке подразумевал погружение гирлянды ртутных «заленивленных» термометров, закрепленных на несущем шнуре, в термометрические скважины. По достижению температуры грунта термометры извлекались для снятия показаний и записи вручную.

Позже, с развитием электроники, появились гирлянды аналоговых термопреобразователей температуры с возможностью считывания данных прибором без извлечения из термометрической скважины.

Аналоговые гирлянды отличались низкой точностью датчиков (в сравнении с цифровыми), ограничением количества датчиков в термокосе, громоздким исполнением, ввиду особенности технологии (от каждого датчика к разъёму термокосы подводятся свои провода). Также не представлялось организовать автоматизированную систему сбора передачи-данных.

Сегодня проблемы организации системы мониторинга нет, более того, существуют различные технологии передачи данных от термокос до центра обработки данных температурного мониторинга в непрерывном режиме 24/7.

Наиболее актуальными вариантами измерения температуры в слоях «вечной мерзлоты» «являются следующие варианты:

оперативные замеры;
автономные замеры;
непрерывный мониторинг.

Оперативные замеры

Оперативные замеры применяются для решения неотложных задач измерения температуры грунта непосредственно вблизи критически важных зданий и сооружений, часто в преддверии критических ситуаций.

Для этих измерений компания РУСГЕОТЕХ использует термокосы собственного изготовления РГТ-ИТМ2 различной длины с цифровыми термометрами на необходимом расстоянии друг от друга и считыватель температуры РГТ-СТ, который позволяет сохранять данные с каждого датчика термометрической косы в своей памяти.

Оперативные замеры позволяют быстро (не более получаса) собрать данные температуры глубоких слоев грунта с близко расположенных (около важного объекта) термометрических скважин.

Автономные замеры

Автономные замеры применяются на удаленных и труднодоступных объектов, когда нет возможности постоянно вручную снимать данные с помощью считывателя. В этом варианте так же используется термокоса, но в дополнение к ней идет контроллер (логгер), который устанавливается в термометрической скважине. Логгер РГТ-ЛС-00 выполненный в защитном (герметичном, ударопрочном) корпусе, работает автономно в течение необходимого времени (до 10 лет), при этом все данные, получаемые с датчиков термокосы, записываются в его память. Она рассчитана на сохранение 45000 измерений.

Сбор данных с логгера производится в ручном режиме путём подключения к нему персонального компьютера по интерфейсу USB и копированию файла с замерами.

Непрерывный мониторинг

Для осуществления непрерывного мониторинга температуры грунтов и оповещения о достижении критических значений применяются автоматические системы удалённого сбора данных с точек наблюдений, их оценки и построения моделей поведения исследуемых температурных полей.

Они состоят из термокосы РГТ-ИТМ2, логгеров с беспроводной и проводной передачей данных и цифровой платформы SmartGTM, обеспечивающей работу с данными температуры.

Логгеры обеспечивают передачу данных по различным технологиям:

РГТ-ЛС-02 – проводная передача данных по промышленным сетям RS-485;
РГТ-ЛС-03 – беспроводная передача данных по радиосетям свободного пользования NB-Fi и LoRaWAN;
РГТ-ЛС-04 – беспроводная передача данных по сетям сотовой связи NB-IoT, LTE/pLTE, а также по спутниковым сетям связи оператора Iridium.

Дальность передачи данных от логгера до базовой станции в зависимости от типа беспроводной связи, плотности застройки и сложности рельефа достигает 3 – 10 км.

В ходе работы программно-аппаратного комплекса от РУСГЕОТЕХ происходит регистрация контролируемого параметра в автоматизированном режиме по заданному алгоритму. Выгрузка данных из прибора на сервер и далее в ПО SmartGTM осуществляется по проводным и беспроводным каналам связи.

Такое решение позволяет собирать данные со всех логгеров по проводным и беспроводным технологиям через определённые временные интервалы на единый сервер, где они обрабатываются, систематизируются и заносятся в базу данных. Доступ к этой базе данных через ПО от РУСГЕОТЕХ получают только зарегистрированные пользователи.

Функционал измерительно-аналитического комплекса

Функционал данного измерительно-аналитического комплекса позволяет:

регистрировать изменение температуры грунта в основании зданий и сооружений повышенной ответственности;
обеспечивать сбор и хранение полученных данных без ограничений по длительности мониторинга и объёму данных.

Интерфейс ПО Smart GTM предлагает удобную визуализацию информации в виде как графического отображения динамики изменения температуры слоёв грунта в зоне многолетней мерзлоты, так и построения карт динамики температурного поля, а также сигнализирует о приближении к критическому порогу значений температуры.

Аппаратно-программный комплекс РУСГЕОТЕХ осуществляет автоматизированный круглосуточный мониторинг, а работа устройств полевого уровня возможна и в случае отсутствия связи и электроснабжения.