nznistuНауки о Земле и недропользованиеEarth sciences and subsoil use2686-99932686-7931Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Irkutsk National Research Technical University"10.21285/2686-9993-2022-45-4-408-423nznistu-253Research ArticleГидрогеология и инженерная геологияHydrogeology and Engineering GeologyГидротермические условия почвы южного и северного склонов северо-восточного Дасинъаньлиня, КитайHydrothermal conditions of southern and northern slope soils of northeastern Great Xing'an Mountain, ChinaЮйМяоYuMiao

Юй Мяо – aспирант

г. Якутск

Miao Yu – Postgraduate Student, Mining Institute

Yakutsk

hss_yumiao@126.comhttps://orcid.org/0000-0001-5473-7778ПавловаН. А.PavlovaN. A.

Павлова Надежда Анатольевна – кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории подземных вод и геохимии крилитозоны

г. Якутск

Nadezhda A. Pavlova – Cand. Sci. (Geol. & Mineral.), Leading Researcher of the Laboratory of Permafrost Groundwater and Geochemistry

Yakutsk

pavlova@mpi.ysn.ruДайЧанлэйDaiChanglei

Дай Чанлэй – доктор геолого-минералогических наук, профессор, директор

г. Харбин

Changlei Dai – Dr. Sci. (Geol. & Mineral.), Professor, Director

Harbin

daicahgnlei@126.comСеверо-Восточный федеральный университет им. М. К. АммосоваРоссияAmmosov North-Eastern Federal UniversityRussian FederationИнститут мерзлотоведения им П. И. Мельникова СО РАНРоссияMelnikov Permafrost Institute SB RASRussian FederationХэйлунцзянский университетКитайHeilongjiang UniversityChina202208012023454408423Copyright © Юй М., Павлова Н.А., Дай Ч., 20232023Юй М., Павлова Н.А., Дай Ч.Yu M., Pavlova N.A., Dai C.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nznj.ru/jour/article/view/253

Цель представленного исследования состояла в изучении особенностей влияния полярно ориентированных склонов на приповерхностный энергетический и гидротермический баланс в области сезонной криолитозоны. Авторами был проведен комплекс полевых исследований, включающий наблюдения за температурой воздуха и подстилающей поверхности, влажностью грунтов, солнечной радиацией и скоростью ветра на гидрологических станциях Сунлин (южный склон) и Логухэ (северный склон) в северо-восточной части горной системы Дасинъаньлин (Китай). Анализ полученных материалов позволил установить, что, с одной стороны, долгосрочное влияние составляющих теплового баланса приводит к значительным отличиям структуры грунта и его свойств на разноориентированных склонах. Количество суточных циклов промерзания – оттаивания почвы на южном склоне (100 циклов) значительно превышает их на северном (56 циклов). Почва на южном склоне теплее, чем на северном на 3 °C, а ее влажность в районе станции Сунлин ниже, чем на станции Логухэ. С другой стороны, различия свойств почвы контролируют энергообмен между атмосферой и поверхностью земли, в результате чего поступающая солнечная коротковолновая радиация и тепловой поток в почву на южном склоне больше, чем на северном. Таким образом, ориентация склонов является одним из существенных экологических факторов, влияющих на поступление солнечной энергии, температуру и влажность грунтов северо-восточной части гор Дасинъаньлин, а также играет решающую роль в пространственном распределении и эволюции сезонной мерзлоты в регионе и, соответственно, влияет на устойчивость и безопасность инженерных сооружений. Выполненное исследование имеет важное значение для понимания взаимосвязи климата и мерзлоты в горных районах сезонной криолитозоны и оптимизации граничных условий при моделировании процессов промерзания – протаивания горных пород.

The purpose of the article is to study the influence features of polar-oriented slopes on the near-surface energy and hydrothermal balance in the seasonal cryolithozone. The authors carried out a complex of field observations including measurement of air and underlying surface temperature, soil moisture, solar radiation and wind speed at the hydrological stations of Songling (southern slope) and Luoguhe (northern slope) in the northeast of the Great Xing'an Mountain (China). The analysis of the data obtained allowed to conclude that, on the one hand, the long-term influence of the thermal balance components causes significant differences in the soil structure and properties on differently oriented slopes. The number of daily freeze-thaw soil cycles on the southern slope (100 cycles) significantly exceeds the ones on the northern slope (56 cycles). The soil on the southern soil is 3 °C warmer than that on the northern slope, and its humidity in the area of the Songling hydrological station is lower than that at the Luoguhe station. On the other hand, differences in soil properties control the energy exchange between the atmosphere and the earth's surface, this means that the incoming short-wave solar radiation and heat flux into the soil on the southern slope is greater than on the northern one. Therefore, slope orientation is one of the significant environmental factors affecting the influx of solar energy, temperature and humidity of the soils in the northeastern Great Xing'an Mountain. It also has a decisive role for the spatial distribution and evolution of seasonal permafrost in the region and, accordingly, affects the stability and safety of engineering structures. The performed research is important for understanding the relationship between climate and frozen soil in the mountainous areas with seasonal cryolithozone as well as for optimization of boundary conditions when modeling rock freeze-thaw processes.

экспозиция склонаповерхностные гидротермальные процессырежимные наблюдения и количественный анализсезонная мерзлотаДасинъаньлинslope exposuresurface hydrothermal processesroutine observations and quantitative analysisseasonal frozen earththe Great Xing'an MountainReferencesRan Y., Li X., Cheng G., Zhang T., Wu Q., Jin H., et al. Distribution of permafrost in China: an overview of existing permafrost maps // Permafrost and Periglacial Processes. 2012. Vol. 23. Iss. 4. P. 322–333. https://doi.org/10.1002/ppp.1756.Ran Y., Li X., Cheng G., Zhang T., Wu Q., Jin H., et al. Distribution of permafrost in China: an overview of existing permafrost maps. Permafrost and Periglacial Processes. 2012;23(4):322-333. https://doi.org/10.1002/ppp.1756.Mao Y., Li G., Ma W., Mu Y., Wang F., Miao J., et al. Field observation of permafrost degradation under Mo'he airport, Northeastern China from 2007 to 2016 // Cold Regions Science and Technology. 2019. Vol. 161. P. 43–50. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2019.03.004.Mao Y., Li G., Ma W., Mu Y., Wang F., Miao J., et al. Field observation of permafrost degradation under Mo'he airport, Northeastern China from 2007 to 2016. Cold Regions Science and Technology. 2019;161:43-50. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2019.03.004.Li X., Jin H., Sun L., Wang H., He R., Huang Y., et al. Climate warming over 1961–2019 and impacts on permafrost zonation in Northeast China // Journal of Forestry Research. 2022. Vol. 33. Iss. 3. P. 767–788. https://doi.org/10.1007/s11676-021-01403-y.Li X., Jin H., Sun L., Wang H., He R., Huang Y., et al. Climate warming over 1961–2019 and impacts on permafrost zonation in Northeast China. Journal of Forestry Research. 2022;33(3):767-788. https://doi.org/10.1007/s11676-021-01403-y.Конищев В. Н. Реакция вечной мерзлоты на потепление климата // Вестник Московского университета. Серия. 5. География. 2009. № 4. С. 10–20.Konishchev V. N. Response of permafrost to the climate warming. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 5, Geografiya = Moscow University Bulletin. Series 5, Geography. 2009;4:10-20. (In Russ.).Оберман Н. Г., Лыгин А. М. Прогнозирование деградации многолетнемерзлых пород на примере европейского северо-востока страны // Разведка и охрана недр. 2009. № 7. С. 15–20.Oberman N. G., Lygin A. M. Prognosis of the degradation of permafrost in an example of european north-east of Russia. Razvedka i okhrana nedr = Prospect and protection of mineral resources. 2009;7:15-20. (In Russ.).Romanovsky V. E., Drozdov D. S., Oberman N. G., Malkova G. V., Kholodov A. L., Marchenko S. S., et al. Thermal state of permafrost in Russia // Permafrost and Periglacial Processes. 2010. Vol. 33. Iss. 3. P. 136–155. https://doi.org/10.1002/ppp.683.Romanovsky V. E., Drozdov D. S., Oberman N. G., Malkova G. V., Kholodov A. L., Marchenko S. S., et al. Thermal state of permafrost in Russia. Permafrost and Periglacial Processes. 2010;33(3):136-155. https://doi.org/10.1002/ppp.683.Малкова Г. В., Павлов А. В., Скачков Ю. Б. Оценка устойчивости мерзлых толщ при современных изменениях климата // Криосфера земли. 2011. Т. 15. № 4. С. 33–36.Malkova G. V., Pavlov A. V., Skachkov Yu. B. Estimation of frozen strata stability under modern climate change. Kriosfera zemli. 2011;15(4):33-36. (In Russ.).Ge S., McKenzie J., Voss C., Wu Q. Exchange of groundwater and surface-water mediated by permafrost response to seasonal and longterm air temperature variation // Geophysical Research Letters. 2011. Vol. 38. Iss. 14. P. L14402. https://doi.org/10.1029/2011gl047911.Ge S., McKenzie J., Voss C., Wu Q. Exchange of groundwater and surface‐water mediated by permafrostresponse to seasonal and longterm air temperature variation. Geophysical Research Letters. 2011;38(14):L14402. https://doi.org/10.1029/2011gl047911.Нямдорж С. Мягмаржав М. Батсайхан А. Тамир Ц. Некоторые результаты исследований трещин и полостей, образованных вследствие деградации и исчезновения криолитозоны территории г. Налайха в Монголии // Вестник гражданских инженеров. 2019. № 3. С. 52–62. https://doi.org/10.23968/1999-5571-2019-16-3-52-62.Nyamdorj S., Myagmarjav M., Batsaikhan A., Tamir Ts. Some results of studying cracks and cavities formed due to the degradation and disappearance of permafrost zone of the Nalayh town in Mongolia. Vestnik Grazhdanskikh Inzhenerov = Bulletin of Civil Engineers. 2019;3:52-62. (In Russ.). https://doi.org/10.23968/1999-5571-2019-16-3-52-62.Woo M. Permafrost hydrology. Berlin: Springer Science & Business Media, 2012. 564 p.Woo M. Permafrost hydrology. Berlin: Springer Science & Business Media; 2012. 564 p.Павлов А. В. Теплофизика ландшафтов. Новосибирск: Наука, 1979. 285 с.Pavlov A. V. Thermal physics of landscapes. Novosibirsk: Nauka; 1979. 285 p. (In Russ.).Шепелёв В. В. Надмерзлотные воды криолитозоны. Новосибирск: Гео, 2011. 169 с.Shepelev V. V. Suprapermafrost waters in the cryolithozone. Novosibirsk: Geo; 2011. 169 p. (In Russ.).Железняк М. Н. Геотемпературное поле и криолитозона юго-востока Сибирской платформы. Новосибирск: Наука, 2005. 227 с.Zheleznyak M. N. Geotemperature field and permafrost zone in the southeast of the Siberian platform. Novosibirsk: Nauka; 2005. 227 p. (In Russ.).Liu G., Zou D., Yang B., Du E., Zhou H., Xiao Y., et al. Preliminary results of permafrost investigation on northern and southern slopes of Mt. Geladandong, interior Qinghai-Tibet Plateau // Journal of Glaciology and Geocryology. 2022. Vol. 44. Iss. 1. P. 83–95. https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0021.Liu G., Zou D., Yang B., Du E., Zhou H., Xiao Y., et al. Preliminary results of permafrost investigation on northern and southern slopes of Mt. Geladandong, interior Qinghai-Tibet Plateau. Journal of Glaciology and Geocryology. 2022;44(1):83-95. (In Chinese). https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0021.Luo J., Lin Z., Yin G., Niu F., Liu M., Gao Z., et al. The ground thermal regime and permafrost warming at tow upland, sloping, and undisturbed sites, Kunlun Mountain, Qinghai-Tibet Plateau // Cold Regions Science and Technology. 2019. Vol. 167. P. 102862. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2019.102862.Luo J., Lin Z., Yin G., Niu F., Liu M., Gao Z., et al. The ground thermal regime and permafrost warming at tow upland, sloping, and undisturbed sites, Kunlun Mountain, Qinghai-Tibet Plateau. Cold Regions Science and Technology. 2019;167:102862. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2019.102862.Wu Q., Liu Y., Hu Z. The thermal effect differential solar exposure on embankments along the Qinghai-Tibet Railway // Cold Regions Science and Technology. 2011. Vol. 66. Iss. 1. P. 30–38. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2011.01.001.Wu Q., Liu Y., Hu Z. The thermal effect differential so-lar exposure on embankments along the Qinghai-Tibet Railway. Cold Regions Science and Technology. 2011; 66(1):30-38. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2011.01.001.Chou Y., Sheng Y., Li Y., Wei Z., Zhu Y., Li J. Sunny-shady slope effect on the thermal and deformation stability of the highway embankment in warm permafrost regions // Cold Regions Science and Technology. 2010. Vol. 63. Iss. 1-2. P. 78–86. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2010.05.001.Chou Y., Sheng Y., Li Y., Wei Z., Zhu Y., Li J. Sunnyshady slope effect on the thermal and deformation stability of the highway embankment in warm permafrost regions. Cold Regions Science and Technology. 2010;63(1-2):78-86. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2010.05.001.Ishikawa M., Sharkhuu N., Zhang Y., Kadota T., Ohata T. Ground thermal and moisture conditions at the southern boundary of discontinuous permafrost, Mongolia // Permafrost and Periglacial Processes. 2005. Vol. 16. Iss. 2. P. 209–216. https://doi.org/10.1002/ppp.483.Ishikawa M., Sharkhuu N., Zhang Y., Kadota T., Ohata T. Ground thermal and moisture conditions at the southern boundary of discontinuous permafrost, Mongolia. Permafrost and Periglacial Processes. 2005;16(2):209-216. https://doi.org/10.1002/ppp.483.Baoleerqimuge, Shu C., Ma X., Liu Z., Li C., Zhang Z. Analysis on the spatial-temporal characteristics of accumulated snow in the northern forestry region of greater khingan range from 1975 to 2016 // Journal of Inner Mongolia Agricultural University (Natural Science Edition). 2021. Vol. 42. Iss. 2. P. 27–35. https://doi.org/10.16853/j.cnki.1009-3575.2021.02.006.Baoleerqimuge, Shu C., Ma X., Liu Z., Li C., Zhang Z. Analysis on the spatial-temporal characteristics of accumulated snow in the northern forestry region of greater khingan range from 1975 to 2016. Journal of Inner Mongolia Agricultural University (Natural Science Edition). 2021;42(2):27-35. (In Chinese). https://doi.org/10.16853/j.cnki.1009-3575.2021.02.006.Lu A., Pang D., Ge Y., He Y., Pang H., Yuan L. Effect of landform on seasonal temperature structures across China in the past 52 years // Journal of Mountain Science. 2006. Vol. 3. Iss. 2. P. 158–167. https://doi.org/10.1007/s11629-006-0158-x.Lu A., Pang D., Ge Y., He Y., Pang H., Yuan L. Effect of landform on seasonal temperature structures across China in the past 52 years. Journal of Mountain Science. 2006;3(2):158-167. https://doi.org/10.1007/s11629-006-0158-x.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.