Стохастическое прогнозирование состояния грунта с учетом радиационного теплообмена

Abstract

The current active development of natural and energy resources of the Arctic zone is closely connected with the construction of roads on soil grounds of the permafrost zone. It is accompanied by an active change in the natural thermal regime of permafrost. To prevent road deformation, the authors have developed a calculation method that allows predicting temperature changes in soils with sufficient accuracy when designing objects located in permafrost conditions. Previously, the authors solved Stefan’s problem taking into account random changes in meteorological characteristics, such as wind speed, atmosphere temperature, and snow cover height. In this paper, stochastic forecasting is used to simulate the ground state under the embankment of a roadway, taking into account the stochasticity of such parameters of the problem as solar and infrared radiation of the Earth’s surface and the atmosphere. The authors consider 48 variants of the development of events throughout the year, each of which is generated using the Monte Carlo method based on the distribution of meteorological characteristics: wind speed, atmospheric temperature, and snow cover height, obtained by averaging the archival data of the Igarka meteorological station. Solar radiation and infrared radiation of the Earth’s surface and atmosphere were obtained by averaging the NASA data. For each version of the situation in the future, the temperature fields in the calculated area under the road were calculated. The probability of finding ground in the thawed state at arbitrary points of the calculated region is calculated.

В настоящее время активное освоение природных и энергетических ресурсов Арктической зоны тесно связано со строительством дорог на грунтовых основаниях криолитозоны и сопровождается активным изменением естественного теплового режима многолетнемерзлых пород. Для предотвращения деформации дорог авторами разработана методика расчета теплофизических свойств грунтов, которая может быть использована при проектировании. Ранее авторами была решена задача Стефана с учетом случайных изменений граничных условий на верхней границе расчетной области. В данной работе методом стохастического прогнозирования проводится моделирование состояния грунта под насыпью автодорожного полотна, учитывающее дополнительно стохастичность таких параметров задачи, как солнечная радиация, инфракрасное излучение Земной поверхности и атмосферы. Рассматриваются 48 случайных траекторий таких величин, как скорость ветра, температура атмосферы, высота снежного покрова, полученных путем усреднения архивных данных метеостанции «Игарка». Солнечная радиация и инфракрасное излучение Земной поверхности и атмосферы были получены путем усреднения данных NASA. Для каждой случайной траектории были вычислены температурные поля в расчетной области под дорогой и определена вероятность нахождения грунта в талом состоянии.