Подземный городской остров тепла Екатеринбурга

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Объект исследования. Подземное тепловое поле Екатеринбурга (подземный городской остров тепла).  Цель исследования. Определить критерии аномальности среднегодовых температур горных пород в Екатеринбурге, выявить закономерности пространственного распределения подземных температур, на основе математического моделирования количественно оценить ключевые факторы формирования городского острова тепла и изменение теплосодержания горных пород. Материалы и методы. Основной экспериментальный материал получен авторами в ходе годового цикла геотермических исследований в наблюдательных скважинах Екатеринбурга (22 скважины) и фоновых участков (Дегтярского, Верх-Сысертского, Гагарского – 10 скважин). При интерпретации полученных материалов использованы статистические методы анализа и математические модели, описывающие влияния климата, локальных поверхностных аномалий температуры, фильтрации подземных вод на подземное тепловое поле. Результаты. Аномальными на глубине 20 м следует считать среднегодовые температуры, выходящие за пределы интервала 5°C < Тср < 6°C. Максимальная интенсивность городского острова тепла Екатеринбурга приурочена к плотно застроенным центральным районам города. Наиболее высокие температуры (Тср > 10°C) на глубине 20 м наблюдаются в скважинах, расположенных вблизи зданий или непосредственно в них. Для них характерно быстрое уменьшение температуры с глубиной. Умеренные аномалии (6°C < Тср < 10°C) наблюдаются вдали от зданий. Удаленность от центральных районов, по-видимому, играет более важную роль в формировании температурных аномалий, чем характер городских покрытий (асфальт, бетон, газоны). Фоновые (Тср < 6°C) температуры отмечены в скважинах, расположенных за пределами Объездной автодороги. Анализ характера затухания с глубиной годовых температурных колебаний позволил выявить в районе Городского пруда участок с интенсивной вертикальной фильтрацией – до 24 м/г. Наиболее значительные изменения теплосодержания в интервале 10–50 м связаны с утечками тепла из подвалов зданий (23–46) × 107 Дж/м2. Вместе с тем это тепло в количественном сопоставлении с общим расходом энергии, затраченной на отопление, составляет лишь сотые доли процента.  Выводы. Впервые представлена характеристика подземного городского острова тепла крупного российского города. Полученные результаты могут найти применение при выработке стратегии развития мегаполисов в условиях меняющегося климата.

Об авторах

Д. Ю. Демежко

Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича УрО РАН

Email: ddem54@inbox.ru

А. А. Горностаева

Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича УрО РАН

Б. Д. Хацкевич

Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича УрО РАН

А. Г. Вдовин

Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича УрО РАН

Н. Р. Факаева

Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича УрО РАН

Список литературы

  1. Белан Б.Д. (1996) К вопросу о формировании “шапки” загрязнений над промышленными центрами. Оптика атмосферы и океана, 9(4), 460-463.
  2. Голованова И.В. (2005) Тепловое поле Южного Урала. М.: Наука, 189 с.
  3. Горностаева А.А., Демежко Д.Ю., Хацкевич Б.Д. (2023) Временная изменчивость городского острова тепла Екатеринбурга. Изв. Иркутского гос. ун-та. Сер.: Науки о Земле, 43, 3-18. https://doi.org/10.26516/2073-3402.2023.43.3
  4. Демежко Д.Ю. (2001) Геотермический метод реконструкции палеоклимата (на примере Урала). Екатеринбург: УрО РАН, 144 с.
  5. Демежко Д.Ю., Рывкин Д.Г., Голованова И.В. (2006) О совместном влиянии фильтрации подземных вод и палеоклимата на тепловое поле верхней части земной коры. Урал. геофиз. вестн., (1), 16-26.
  6. Демежко Д.Ю., Горностаева А.А., Хацкевич Б.Д., Вдовин А.Г., Факаева Н.Р. (2022) Новая модель формирования суточного цикла интенсивности городского острова тепла. Мониторинг, наука и технологии, 4(54), 26-31. https://doi.org/10.25714/MNT.2022.54.004
  7. Карслоу Г., Егер Д. (1964) Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 488 c.
  8. Половников В.Ю. (2018) Тепловые режимы и тепловые потери подземных трубопроводов с учетом реальных условий теплообмена на внешнем контуре взаимодействия. Изв. Томского политехн. ун-та. Инжиниринг георесурсов, 329(1), 124-131.
  9. Bayer P., Rivera J.A., Schweizer D., Schärli U., Blum P., Rybach L. (2016) Extracting past atmospheric warming and urban heating effects from borehole temperature profiles. Geothermics, 64, 289-299. https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2016.06.011
  10. Bayer P., Attard G., Blum P., Menberg K. (2019) The geothermal potential of cities Renew. Sustain. Energy Rev., 106, 17-30. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.02.019
  11. Beck A., Garven G., Stegena L. (1990) Hydrogeological Regimes and Their Subsurface Thermal Effects. Eos, Trans. Am. Geophys. Union, 71(36), 1070-1071.
  12. Benz S.A., Bayer P., Menberg K., Jung S., Blum P. (2015) Spatial resolution of anthropogenic heat fluxes into urban aquifers. Sci. Total Environment, 524, 427-439. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.04.003
  13. Chandler T.J. (1970) Selected bibliography on urban climate. Tech. Note no. 155, WMO no. 276, World Met. Organiz. Geneva, 383 p.
  14. Cuesta-Valero F.J., García-García A., Beltrami H., González-Rouco J.F., García-Bustamante E. (2021) Long-term global ground heat flux and continental heat storage from geothermal data. Clim. Past, 17, 451-468. https://doi.org/10.5194/cp-17-451-2021
  15. Dědeček P., Šafanda J., Rajver D. (2012) Detection and quantification of local anthropogenic and regional climatic transient signals in temperature logs from Czechia and Slovenia. Clim. Change, 113, 787-801. https://doi.org/10.1007/s10584-011-0373-5
  16. Demezhko D.Yu., Gornostaeva A.A. (2015) Late Pleistocene–Holocene ground surface heat flux changes reconstructed from borehole temperature data (the Urals, Russia). Clim. Past, 11, 647-652. https://doi.org/10.5194/cp11-647-2015
  17. Demezhko D.Yu., Gornostaeva A.A., Khatskevich B.D. (2022) The Evaluation of the Thermal Field under Urban Heat Island Based on Borehole Temperature Measurements (Evidence from Yekaterinburg, Russia). Int. J. Terrestrial Heat Flow and Appl. Geotherm., 5(1), 45-50. https://doi.org/10.31214/ijthfa.v5i1.84
  18. Ferguson G., Woodbury A.D. (2004) Subsurface heat flow in an urban environment. J. Geophys. Res., 109, B02402. https://doi.org/10.1029/2003JB002715
  19. Hemmerle H., Ferguson G., Blum P., Bayer P. (2022) The evolution of the geothermal potential of a subsurface urban heat island. Environmental Res. Lett., 17(8), 084018. https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac7e60
  20. Huang S. (2006) 1851–2004 annual heat budget of the continental landmasses. Geophys. Res. Lett., 33(4), L04707. https://doi.org/10.1029/2005GL025300
  21. Kim S.W., Brown R.D. (2021) Urban heat island (UHI) intensity and magnitude estimations: A systematic literature review. Sci. Total Environment, 779, 146389. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146389
  22. Kukkonen I.T., Golovanova I.V., Khachay Y.V., Druzhinin V.S., Kosarev A.M., Schapov V.A. (1997) Low geothermal heat flow of the Urals fold belt–implication of low heat production, fluid circulation or palaeoclimate? Tectonophysics, 276(1-4), 63-85. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(97)00048-6
  23. Lapham W.W. (1989) Use of temperature profiles beneath streams to determine rates of vertical ground-water flow and vertical hydraulic conductivity. US Geol. Survey Water-Supply Paper 2337, 35 p. Lokoshchenko M.A. (2014) Urban ‘heat island’ in Moscow. Urban Climate, 10, 550-562. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2014.01.008
  24. Luo Z., Asproudi C. (2015) Subsurface urban heat island and its effects on horizontal ground-source heat pump potential under climate change. App. Therm. Eng., 90, 530-537. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.07.025
  25. Majumder R.K., Shimada J., Taniguchi M. (2013) Groundwater flow systems in the Bengal Delta, Bangladesh, inferred from subsurface temperature readings. Songklanakarin J. Sci. Technol., 35(1), 99-106.
  26. Mohajerani A., Bakaric J., Jeffrey-Bailey T. (2017) The urban heat island effect, its causes, and mitigation, with reference to the thermal properties of asphalt concrete. J. Environ. Manage, 197, 522-538. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.03.095
  27. Oke T.R. (1967) City size and the urban heat island. Atm. Environ., 7(8), 769-779.
  28. Oke T.R. (1979) Review of urban climatology, 1973-1976. Tech. Note no. 169, WMO no. 539, World Met. Organiz., Geneva, 100 p.
  29. Schuckmann K. von, Minière A., Gues F., Cuesta-Valero F.J., Kirchengast G., Adusumilli S., Straneo F., Ablain M., Allan R.P., Barker P.M., Beltrami H. (2023) Heat stored in the Earth system 1960–2020: Where does the energy go? Earth System Sci. Data, 15(4), 1675- 1709. https://doi.org/10.5194/essd-15-1675-2023
  30. Schweighofer J.A., Wehrl M., Baumgärtel S., Rohn J. (2021) Detecting groundwater temperature shifts of a subsurface urban heat island in SE Germany. Water, 13(10), 1417. https://doi.org/10.3390/w13101417
  31. Stewart I.D., Krayenhoff E.S., Voogt J.A., Lachapelle J.A., Allen M.A., Broadbent A.M. (2021) Time evolution of the surface urban heat island. Earth’s Future, 9(10), https://doi.org/10.1029/2021EF002178
  32. Stonestrom D.A., Constantz J. (2003) Heat as a tool for studying the movement of ground water near streams. USGS Circular, 1260. https://doi.org/10.3133/cir1260
  33. Takebayashi H., Moriyama M. (2009) Study on the urban heat island mitigation effect achieved by converting to grass-covered parking. Solar Energy, 83(8), 1211-1223. https://doi.org/10.1016/j.solener.2009.01.019
  34. Taniguchi M. (1993) Evaluation of vertical groundwater fluxes and thermal properties of aquifers based on transient temperature‐depth profiles. Water Res. Res., 29(7), 2021-2026.
  35. Tzavali A., Paravantis J.P., Mihalakakou G., Fotiadi A., Stigka E. (2015) Urban heat island intensity: A literature review. Fresenius Envir. Bull., 24(12b), 4537-4554.
  36. Varentsov M., Fenner D., Meier F., Samsonov T., Demuzere M. (2021) Quantifying local and mesoscale drivers of the urban heat island of Moscow with reference and crowdsourced observations. Front. Environ. Sci., 9, 716968. https://doi.org/10.3389/fenvs.2021.716968
  37. Wang C., Wang Z.H., Kaloush K.E., Shacat J. (2021) Cool pavements for urban heat island mitigation: A synthetic review. Renewable Sustainable Energy Rev., 146, 111171. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111171
  38. Westaway R., Scotney P.M., Younger P.L., Boyce A.J. (2015) Subsurface absorption of anthropogenic warming of the land surface: The case of the world’s largest brickworks (Stewartby, Bedfordshire, UK). Sci. Total Envir., 508, 585-603. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.09.109
  39. Yoshino M.M. (1975) Climate in a small area: an introduction to local meteorology. Tokyo: University of Tokyo Press, 549 p.
  40. Zhu K., Blum P., Ferguson G., Balke K.-D., Bayer P. (2010) The geothermal potential of urban heat islands. Environ. Res. Lett., 5, 044002. https://doi.org/10.1088/1748-9326/5/4/044002

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Демежко Д.Ю., Горностаева А.А., Хацкевич Б.Д., Вдовин А.Г., Факаева Н.Р., 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».