Подземный городской остров тепла Екатеринбурга

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 < Т_ср < 6°C. Максимальная интенсивность городского острова тепла Екатеринбурга приурочена к плотно застроенным центральным районам города. Наиболее высокие температуры (Т_ср > 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 < Т_ср < 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 (Т_ср < 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.

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