27

На правах рукописи

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В УСЛОВИЯХ ЭРОЗИОННОЙ ОПАСНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность 25.00.36 - геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Развитие транспортной инфраструктуры России играет важную роль для ее устойчивого развития и органичного вхождения в международную систему хозяйства. Надежность работы инженерных коммуникаций во многом зависит от своевременной и достоверной оценки пространственно-временных параметров природно-техногенных условий и процессов, как современных, так и потенциальных. В то же время геоинформационная обеспеченность всех уровней управления природно-техническими системами - от регионального до локального, в настоящий момент недостаточна. Возникают критические ситуации, ликвидация ущерба от последствий которых имеет экстремальный характер и неоправданно большую стоимость, чего можно было бы избежать при своевременной системной оценке взаимодействия природных и техногенных факторов.

Наиболее эффективным способом получения информации является аэрокосмическое зондирование, а её анализа и представления - специализированная геоинформационная система. При этом необходим регулярный мониторинг природно-технических систем (ПТС) на разных уровнях обобщения данных для управляющих органов разного ранга.

В соответствии с современными представлениями о ПТС, исследование взаимодействия природных факторов и инженерных сооружений на всех стадиях их создания и эксплуатации, должно обеспечиваться сочетанием геоэкологического и геотехнического анализов, формирующих информационную основу разработки мероприятий по экологической и технической безопасности природы и общества и оптимизации природопользования.

В целях охраны окружающей среды и рационального природопользования, Российской академией наук совместно с Роскосмосом, Роскартографией, Росгидрометом разрабатывается система многоцелевого космического мониторинга, опирающаяся на геосистемный (ландшафтный) подход и многоярусное картографическое моделирование. Одним из направлений применения этой системы является комплексная экологическая и геотехническая безопасность, а также инженерная защита территорий и сооружений. Представляется весьма актуальной задача разработки структуры и содержания специального геоинформационного обеспечения для управления ПТС с оценкой её состояния и динамики, прогнозом критических ситуаций и рекомендациями по инженерной защите как составной части системы комплексного экологического и геотехнического мониторинга.

Кроме общих вопросов оценки состояния ПТС, представляется актуальным изучение овражной эрозии, как её составляющей. Несмотря на достаточно развитые методы и принципы оценки овражной эрозии, последней не уделяется должного внимания как опасному процессу, развитие которого может привести к аварийным ситуациям при эксплуатации инженерных сооружений. Однако, распространенность овражной эрозии и обусловленность её, во многом, нерациональным техногенезом, обусловливает её достаточно важное место в ряду опасных природных процессов. В связи с этим, возникает актуальная необходимость анализа причинно-следственных связей инженерных сооружений и оврагообразования для транспортной ПТС в типичных для России равнинных условиях.

Цель и задачи исследований. Основной целью диссертации является разработка методики оценки состояния железнодорожной природно-технической системы в условиях эрозионной опасности с использованием материалов аэрокосмического зондирования.

Задачи исследования:

- определение общей структуры оценки и картографического отображения состояния ПТС;

- разработка методов оценки овражной опасности, применительно к оценке состояния ПТС;

- разработка структуры и содержания базы данных специализированной геоинформационной системы;

- оценка состояния, динамики ПТС, прогноз устойчивости и выработка рекомендаций по инженерной защите ПТС от угрозы оврагообразования с использованием разработанных методов и картографических моделей.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является природно-техническая система дистанции пути Барнаул-Бийск Алтайского отделения Западно-Сибирской железной дороги.

Предметом исследования является разработка методики оценки состояния ПТС дистанции пути Барнаул-Бийск в условиях интенсивного оврагообразования.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели исследования применены научно-технические методы:

1. Анализ и обобщение материалов по теории и практике аэрокосмического зондирования, ландшафтного, геоэкологического, геотехнического картографирования, оценке природной опасности и риска, структуре и функционированию ПТС, устойчивости и инженерной защите сооружений, геоинформационным технологиям.

2. Сбор, обработка и анализ данных аэрокосмического зондирования, в том числе фото- и сканерных космических изображений, многозональных и крупномасштабных аэрофотоснимков с применением методов визуального и автоматизированного дешифрирования и ретроспективной оценки и данных специальных наземных обследований дистанции пути Барнаул-Бийск.

3. Экспертно-статистический анализ факторов оврагообразования, эмпирические расчеты пространственных и динамических параметров эрозионных форм для оценки потенциальной и фактической опасности;

4. Картографирование состояния, динамики ПТС и прогноза её устойчивости с рекомендациями по совершенствованию инженерной защиты.

Научная новизна исследований. Состоит в разработке комплексной методики оценки состояния ПТС дистанции пути железной дороги в условиях интенсивного оврагообразования в сопряжении со структурой и методами космического многоцелевого мониторинга с применением аэрокосмических материалов, геоинформационных технологий и специальных технологических решений. В том числе разработаны (выполнены):

1. Структура и содержание картографического обеспечения оценки геотехнического состояния ПТС в условиях интенсивного оврагообразования;

2. Структура и содержание базы данных специализированной ГИС предупреждения природно-техногенных аварий в условиях равнинного Алтая;

3. Методика оценки опасности оврагообразования на базе экспертно-статистических оценок;

4. Комплексная оценка состояния ПТС дистанции пути Барнаул-Бийск, рекомендации и схемы инженерной защиты от угрозы оврагообразования.

Практическое значение работы. Разработанные методы, подходы, практические решения могут быть использованы при оценке состояния ПТС и проектировании инженерной защиты в равнинных условиях России с активным развитием овражной эрозии, а также для создания локальных систем комплексного экологического и геотехнического мониторинга, структурно сопряженных с системой космического многоцелевого мониторинга России.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований по проблемам экологической и технической опасности, картографированию состояния ПТС, геоинформационного обеспечения многоцелевого космического мониторинга докладывались и обсуждались на ряде научных и научно-практических конференций и совещаний всероссийского, межгосударственного и международного уровней: Всесоюзное совещание «Новые методы и технологии в геоморфологии для решения геоэкологических задач» (XXI Пленум Геоморфологической Комиссии АН СССР), Ленинград, 26-28 февраля 1991 г.; Расширенное заседание Научного совета по криологии Земли РАН, 20-24 апреля 1993 г.; «Геоморфологический риск» (Иркутский геоморфологический семинар, вторые научные чтения памяти Н.А.Флоренсова), Иркутск, 16-19 ноября 1993 г.; Научно-практическая конференция «Экологическая безопасность транспортных магистралей и ее правовое регулирование», Москва, МИИТ, 3-4 декабря 1996; Второе всероссийское совещание «Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве». Москва, Россия, 18-19 ноября 1998 г.; 27^th International Symposium on Remote Sensing of Environment, 8-12 June 1998; «Геодинамика и геоэкология», Международная конференция, Архангельск, Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 1999; Межгосударственное совещание XXV пленума Геоморфологической комиссии РАН Белгород, 18-22 сентября 2000 г.; «Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения» Международная конференция, Архангельск, Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 2002; «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов” - Материалы научно-технической конференции, Москва, МИИТ, 7-9 октября 2003 г.; Александр фон Гумбольдт и проблемы устойчивого развития Урало-Сибирского региона. Материалы российско-германской конференции - Тюмень, Тобольск, 20-22 сентября 2004 г.; Пятая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов» - Материалы, МИИТ, 18-19 ноября 2004 г.; Вторая Открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, ИКИ РАН, 16-18 ноября 2004 г.; 31^st International Symposium on Remote Sensing of Environment (ISRSE), 20-24 June 2005, Saint Petersburg.

Внедрение. Результаты работ соискателя по теме диссертации внедрены в практике работ Новосибирского научно-исследовательского института транспортного строительства (ЗАО СибЦНИИС), выполнившего по заказу Управления Западно-Сибирской железной дороги комплекс работ по инженерной защите железнодорожных сооружений по линии Барнаул-Бийск.

Результаты исследований по теме диссертации использованы также при разработке проектной документации строительства железной дороги «Карпогоры-Вендинга» ОАО «Белкомур» (проект транспортного коридора «Белое море-Коми-Урал»).

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Методика оценки состояния природно-технической системы железной дороги в условиях интенсивного оврагообразования с использованием данных аэрокосмического зондирования;

2. Способ оценки потенциальной опасности природных процессов с использованием экспертного анализа факторов со статистическим обоснованием на основе рангового коэффициента корреляции;

3. Структура и содержание базы данных локальной геоинформационной системы предупреждения аварий ПТС в равнинных условиях с активным оврагообразованием (как блока космического многоцелевого мониторинга).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 17 печатных работ

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, 4 главы, заключение, список используемой литературы и картографическое приложение. Основной текст изложен на 142 страницах машинописного текста, включая 25 таблиц, 32 рисунка. Список литературы включает 183 наименования. К диссертации прилагается справка о внедрении результатов исследований в ЗАО СибЦНИИС.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель и задачи работы, её научное и практическое значение. Представлены этапы исследования и структура работы.

Глава 1 Современный уровень изучения и картографирования состояний природно-технических систем с использованием аэрокосмических технологий (состояние проблемы)

Содержит анализ существующих теоретических и методических основ оценки состояния природно-технических систем. В том числе: методологические подходы к понятию природно-техническая система (ПТС), анализ структурных компонентов и типов ПТС. Основы обеспечения безопасности ПТС: анализ природных воздействий и устойчивости природной среды, определение опасности и риска, оценка уязвимости и инженерной защиты территорий и сооружений. Рассматривается опыт применения аэрокосмических и ГИС-технологий для оценки геотехнического состояния ПТС, GPS и лазерного сканирования как перспективных направлений. Оценивается современный уровень картографирования состояний ПТС.

Развитие методологии изучения ПТС связано с работами Института географии РАН, кафедр инженерной геологии МГРИ и МГУ, Института геоэкологии РАН, Института литосферы РАН, ЦНИИС и ПНИИИС.

В настоящее время общепризнанным является положение, что обеспечение комплексной безопасности строительства и эксплуатации инженерных сооружений базируется на своевременном и всестороннем изучении прямых и обратных связей во взаимодействии природных компонентов и инженерных сооружений на всех стадиях и этапах их создания и эксплуатации. Картографирование, применяющееся в качестве основного метода оценки состояний ПТС в системе обоснования проектных решений крупных и протяженных сооружений и мониторинговых исследований, определяется интеграцией двух подходов - геоэкологического и геотехнического.

Этот принцип, на основе широкого применения методов аэрокосмического зондирования, в последнее десятилетие реализуется усилиями ЦНИИС, МИИГАиК, Института проблем нефти и газа РАН, Института геоэкологии РАН, Географического факультета МГУ, НИЦ ЭБ РАН, Госцентра «Природа», НПЦ ЭМОС. Наиболее последовательно в данном направлении работает ЦНИИС, осуществляя комплекс работ в различных природно-климатических зонах и на разных типах ПТС.

Одним из актуальных остающихся вопросов является создание конкретных методик применения аэрокосмического зондирования и ГИС-технологий для картографирования при оценке геотехнического состояния ПТС, в том числе в равнинных условиях России с интенсивным развитием оврагообразования, просадочности грунтов и оползневых процессов.

Глава 2 Методика оценки геотехнического состояния равнинных железных дорог в условиях интенсивного развития овражной эрозии с применением материалов аэрокосмического зондирования и ГИС технологий

В общем виде система контроля геотехнического состояния ПТС железной дороги, опирается на иерархическую информационно-картографическую систему, уровни которой сопряжены со структурными управленческими подразделениями железной дороги. Соответственно этим уровням (управление дороги, отделение дороги, дистанция пути, участок) определяется картографический ряд (1:1000000 (межрегиональный); 1:100000 (региональный); 1:25000 (локальный); 1:2500 (детальный)). Картографирование осуществляется с использованием дистанционных данных, включающих космические съемки (управление дороги - дистанция пути) и аэросъемки (дистанция пути - участок).

Объект исследования - ПТС дистанции пути Барнаул-Бийск Западно-Сибирской железной дороги расположена на юге Западной Сибири в пределах Предалтайских равнин. Железная дорога, построенная в 1911 г. как ответвление транссибирской магистрали и сооруженная без специальной инженерной защиты, устойчиво работала до середины 50-х гг. XX века, когда в непосредственной близости от транспортных сооружений были обнаружены активные овраги. Предпринятые разнообразные меры противодействия не решили вопрос, так как и через десятки лет овражная опасность сохраняется, а защитные сооружения регулярно разрушаются.

С целью комплексной оценки сложившейся ситуации и выработки обоснованных решений по инженерной защите использованы разномасштабные аэрокосмические материалы и применены разнообразные методы их обработки и анализа для выполнения задач: 1) идентификации ландшафтно-неотектонических и техногенных условий как факторов развития опасных процессов; 2) определения пространственно-временных параметров опасных процессов; 3)определения взаимосвязей природных и технических компонентов в ПТС

Выполнение поставленных требований обеспечивалось использованием многозональных космических фотоснимков (КФС) МК-4 с разрешением 6-12 м, многозональных и панхроматических космических сканерных снимков Landsat ETM+ с разрешением 15-30 м, а также специальных аэрофотосъемок синхронно многозональной аэрофотокамерой МСК-4 и топографическим аэрофотоаппаратом АФА ТЭ-200, выполненных НПЦ «Аэроизыскания» ЦНИИС.

Для тематической интерпретации аэро- и космических снимков применены интерактивный и автоматизированный методы с использованием известных алгоритмов автоматического распознавания мультиспектрального изображения.

На первом этапе анализа состояния ПТС и выработки рекомендаций по обеспечению устойчивости оценивается потенциальная опасность оврагообразования, под которой понимается пространственная вероятность развития оврагов. При оценке потенциальной опасности распространенным способом является полуколичественное прогнозирование. Достоинства балльного метода, заключающиеся в возможности формального сравнения и суммирования разнородных факторов при относительной простоте расчета и использовании широкого спектра информативных источников, обычно снижаются за счет субъективности в оценке «весовых» соотношений факторов. Для усовершенствования метода предложено применение рангового корреляционного анализа для статистическоrо обоснования весовых коэффициентов. Методика расчета потенциальной опасности с использованием рангового корреляционного анализа включает 4 этапа: 1) оценка проявлений процесса на территории исследований (или территории - аналоге) в пределах некоторых пространственных выделов (в ранжированных показателях пораженности, интенсивности и др.); 2) оценка факторов развития процессов с выбором значимых показателей и их ранжированием в пределах тех же выделов;3) определение индивидуальных значений коэффициентов корреляции показателей факторов и показателей развития процесса; установление «веса» 1 балла показателя каждого фактора, равного квадрату коэффициента корреляции (коэффициенту детерминации); 4) расчет потенциальной опасности путем суммирования «взвешенных» показателей факторов - произведений балльных величин (рангов) показателей и коэффициентов детерминации.

Критический анализ, как общих зависимостей, так и данных о местных условиях, позволил сделать выбор значимых показателей факторов овражной эрозии и их градаций с определением баллов. Ранговая корреляция рассчитывается для пяти факторов (климат, рельеф, литология, почвенно-растительный покров, тектоника), выраженных в шести показателях (слой стока талых вод, уклон поверхности, тип грунта, почвенно-растительная ассоциация, суммарная амплитуда голоценовых движений, удельное количество активныx дизъюнктивов). Показатели факторов оценены по четырехбалльной шкале. Их корреляция проведена с ранжированным показателем пораженности территории овражной эрозией.

Коэффициенты ранговой корреляции вычислены по формуле Спирмена:

где n - число наблюдений; d - ранговые разности; ?d² - сумма квадратов ранговых разностей для каждой из коррелируемых пар.

Рис. 1 Оценка факторов оврагообразования и потенциальной опасности эрозии

Значимые корреляционные отношения установлены между пораженностью и климатическим, морфологическим и тектоническим факторами. Интегральная оценка потенциальной опасности произведена путем суммирования взвешенных баллов четырех показателей трех факторов. Суммы баллов для выбранных элементарных пространственных ячеек изменяются от 0 до 2. Районирование по степени потенциальной опасности осуществлено с выделением четырех зон: 1) безопасной (сумма баллов < 0,5),2) слабоопасной (0,6-1,0), 3) опасной (1,1-1,5); 4) чрезвычайно опасной (> 1,5). Пространственная вероятность развития оврагов в этих зонах соответственно составляет: 1) 0%; 2) 1-10%; 3) 11-25; 4) более 25 % (Рис. 1).

Проведенный корреляционный анализ выявил общие тенденции, аппроксимированные на обширные прилегающие территории. При этом использовались усредненные показатели факторов по площади, полученные с использованием дистанционных изображений и генерализованных карт. Такой способ соответствует 1-ому информационному уровню в структуре геотехнического контроля состояния железных дорог (масштаб 1:1000000) и применим для управления в масштабах отделения железной дороги.

Переход на 2-й информационный уровень (масштаб 1:100000), требует более детальной информации. Однако, отсутствие достаточного количества данных натурных измерений факторов динамики, определяет, в качестве оптимального способа, применение геосистемного подхода и установление корреляционных зависимостей в границах ПТК, опираясь на ландшафтно-индикационный анализ. Каждый выделенный ПТК характеризовался четырьмя группами ландшафтных условий: 1) Литология; 2) Рельеф; 3) Подземные воды; 4) Растительный покров, представленные шкалой, увязанной с 5-балльной экспертной оценкой. Проведенный расчет ранговых коэффициентов корреляции выявил отсутствие корреляции между пораженностью и растительным покровом и наличие её в отношении уклонов поверхности (0,76), глубиной грунтовых вод (0,71) и литологическим составом (0,46).

Вторым этапом анализа оврагообразования является оценка фактической опасности - современное состояние и прогноз развития существующих овражных форм на основе морфологического метода. По комплексу признаков выделены стадии, а по стадиям - активность и параметры роста. Фактическая опасность оврагообразования, кроме скорости роста, определяется предельной длиной оврага. Для расчета максимальной длины оврага (L) использована формула Е.Ф.Зориной (1979). Заменяя переменные известными эмпирическими параметрами, получаем соотношения для расчета предельной длины оврагов в основных литологических разностях территории. Учитывая то обстоятельство, что оврагообразование в регионе обусловлено преимущественно весенним паводковым стоком, применяется методику расчета максимального расхода воды весеннего половодья (СНиП 2.01.14-83). При этом расход определяется через площадь водосбора с учетом слоя стока и коэффициента дружности половодья. Заменяя слой стока и коэффициент дружности половодья коэффициентом , отражающим количество осадков и фильтрационные свойства грунтов и подставляя полученное выражение в формулу расчета предельной длины оврага, получаем предельную длину оврага через параметры площади водосбора и местного базиса эрозии, определяемые картографическим методом. Эмпирический коэффициент определяется путем решения обратной задачи путем сопоставления измеренных величин Н (глубина базиса эрозии) и F (площадь водосбора) для стабилизировавшихся оврагов на ключевой площади в пределах распространения лессовидных суглинков.

При этом получена средняя величина  =0,003, которую можно использовать для местных расчетов потенциальной длины растущего оврага.

Изученные особенности и закономерности развития природных процессов, формы их проявления, факторы динамики, обеспечивают возможность комплексного прогнозно-оценочного картографирования, которое в системе геотехнического контроля состояния ПТС основывается на принципе последовательного приближения и включает иерархический ряд, характеризующий состояние ПТС, и увязанный с организационно-управленческими уровнями, определяющими функционирование железной дороги. Для оценки состояния ПТС дистанции пути Барнаул-Бийск картографический ряд включает три уровня (Табл.1)

Технологическая схема включает: на информационном уровне отделения дороги - определение потенциальной опасности территории (дифференцированное - по отдельным процессам и интегральное - по комплексу процессов); на уровне дистанции пути - определение фактической опасности (интенсивность и тенденции развития современных процессов), или степень реализации потенциала; на уровне участка пути - определение взаимосвязей процессов с инженерными сооружениями (техно-природные причины и следствия реализации потенциала процессов). В качестве основных инструментов применяются: на первом уровне экспертно-статистические методы (балльное сравнение факторов процессов со статистическим обоснованием весовых характеристик); на втором уровне - экспертно-расчетные методы, на третьем - экспертно-инструментальные методы.

Таблица 1. Структура геотехнического контроля состояния ПТС дистанции пути Барнаул-Бийск

Картографирование состояния ПТС определяется её двухкомпонентностью. С одной стороны, необходимо отразить воздействие природного окружения на инженерные объекты, с другой стороны - воздействие инженерных сооружений на окружающую среду. Для решения этой задачи, данные, полученные в результате дешифрирования, натурных исследований и расчетов, положены в основу для составления серии карт, имеющих единую форму отображения информации, представленную двумя блоками. Первый блок отражает природно-техногенные характеристики территории и представлен в традиционной двумерной манере, а второй выполнен в виде линейной диаграммы вдоль трассы железной дороги. Содержательная часть всех карт опирается на комплексный ландшафтно-геоэкологический подход, позволяющий интегрально анализировать природно-техногенные условия и процессы. Однако, задача оценки состояния ПТС с анализом, в первую очередь, воздействия природно-техногенных процессов, а среди них - овражной эрозии, на инженерные сооружения, определяет предпочтение для экзогеодинамической составляющей в индицируемых свойствах ландшафта. Таким образом, для создания карт применен принцип дифференциации территории по ведущему экзогенному геологическому процессу с переносом акцентов с потенциальной экзогеодинамичности (1:100000) на современную (фактическую) (1:25000 - 1:2500).

Рис. 2 Фрагмент карты-схемы оценки состояния ПТС

В качестве контурной основы карты оценки состояния ПТС выделены территории, обладающие определенным сочетанием состава приповерхностных горизонтов горных пород и облекающих их форм рельефа (стабилизирующий компонент ландшафта), обеспечивающие потенциальную динамику экзогенных геологических процессов. Реализация природного потенциала определяется состоянием верхних ярусов ландшафта - почвенно-растительного покрова, а при тотальной техногенной нарушенности территории - хозяйственным освоением.

На основе анализа карты состояния ПТС выделены относительно опасные и опасные участки ПТС. Критериями выделения явились типовые инженерно-геодинамические ситуации, при которых в первом случае развитие процессов может способствовать критическим ситуациям, а во втором - приводит к ним.

При составлении карты устойчивости ПТС, территория дифференцирована по реализованному потенциалу каждого из ведущих процессов с оценкой интенсивности протекания процесса по площадным показателям, полученным на основании физиономических ландшафтных признаков, и по дискретным показателям, определенным в результате сравнительного анализа разновременных дистанционных и картографических материалов. Отдельные проявления природно-техногенных процессов отражены специальными знаками. При этом особое внимание уделено развитию овражной эрозии, как процесса, лимитирующего функционирование ПТС. Формы овражной эрозии подразделены по стадиям развития, для растущих оврагов показаны границы регрессивной эрозии на основании расчетных данных по максимальному линейному приращению с учетом естественных ограничений в виде зон отсутствия стока. Укрупнение масштабов и «приближение» к инженерным сооружениям ПТС изменяет информационную нагрузку карт от преимущественно природной к природно-техногенной и техногенной.

В соответствии с этим принципом, карта прогноза критических ситуаций отражает фактическое и прогнозируемое состояние природных и технических компонентов ПТС в их взаимосвязи. Отличием данной карты от предыдущей является то, что в структуре её легенды находит отражение прогноз возможных критических ситуаций в состоянии ПТС (возможные деформации сооружений и их масштаб) и рекомендации по инженерной защите ПТС с использованием количественных характеристик (время взозможной деформации, протяженность деформируемого участка и др.).

Глава 3. Локальная геоинформационная система предупреждения природно-техногенных аварий ПТС дистанции пути Барнаул-Бийск как элемент структуры многоцелевого космического мониторинга

Специализированная база данных (СБД) локальной геоинформационной системы (ГИС) предупреждения природно-техногенных аварий ПТС дистанции пути Барнаул-Бийск структурно и тематически взаимосвязана с разрабатываемой межведомственной системой космического многоцелевого мониторинга (СКММ).

Методологической базой системы космического многоцелевого мониторинга является ландшафтно-картографическая основа (ЛКО), как совокупность карт, интегрированных в геоинформационную систему.

Содержание ЛКО определяют дифференцированный (компонентный) и комплексный (синтетический) принципы изучения геосистем: составляющие структуры ландшафта отражены в аналитических компонентных картографических моделях территории (картах): 1) геолого-геоморфологического строения; 2) почвенно-растительного покрова; 3) техногенных и природно-техногенных объектов; а интегральная оценка представлена в комплексной синтетической 4) ландшафтной карте (карте ландшафтного строения).

Многоцелевой характер мониторинга и большое количество потенциальных специализированных пользователей СКММ определяет дифференциацию ЛКО на две основных части: унифицированную базовую (регулярно обновляемую) и специализированную (формируемую по мере необходимости). Базовая часть ЛКО состоит из упомянутых выше четырех картографических моделей. На основе и в сопряжении с базовой частью ЛКО формируется специализированная часть ЛКО в зависимости от конкретных целей и задач космического мониторинга.

ЛКО включает картографические модели регионального (1:1000000-1:500000): локального (1:200000-1:100000) и детального (1:50000-1:25000) уровней. Структура СКММ определяет место специализированной базы данных и локальной ГИС предупреждения природно-техногенных аварий ж.д. Барнаул-Бийск как составляющей специального блока ЛКО в сопряжении с локальным и детальным информационными уровнями СКММ.

В основу формирования СБД положена реляционная модель. Информация, представляемая в базе, структурирована по тематическим, пространственно-временным и иерархическим признакам и подразделена на четыре группы: 1) Исходные (архивные) данные; 2) Пространственно-временные параметры; 3) Тематическое содержание; 4) Моделируемые (оперативные) данные (Рис. 6).

Рис. 6. Структура базы данных

На основе базы данных формируются картографические модели в виде набора информационных слоев, содержащих графические примитивы и объекты точечного, линейного или площадного характера, к которым приурочена атрибутивная информация о типах и параметрах объектов. техногенных аварий

Глава 4. Обоснование рациональной инженерной защиты геотехнической системы железной дороги Барнаул-Бийск на участках эрозионной опасности

Детальное изучение геотехнической обстановки на критических участках показало, что во всех случаях причинами активизации оврагов явились непосредственные воздействия сооружений железной дороги - водопропускных труб и водоотводных канав. Материалы аэрокосмических съемок отчетливо отражают причинно-следственные связи в системе процесс-сооружение и этапы мероприятий по инженерной защите. Стратегия защиты подразумевала использование двух направлений - отвод стока непосредственно от вершины угрожающего вреза и совершенствование водоприемных конструкций в его пределах. В результате работ выяснено, что защитные сооружения оказывали как положительное, так и побочное отрицательное воздействие. При этом все применяемые методы можно свести к двум категориям по целям и последствиям: А - диссипирующие сооружения; Б - перераспределяющие сооружения.

Эффективность сооружений, перераспределяющих водные потоки, снижается за счет того, что, приостанавливая рост одних овражных врезов они стимулируют развитие других. Эффективность устройств, рассеивающих энергию, снижается за счет собственного неустойчивого состояния: кольматации дренирующих грунтов, деформации и разрушения защитных конструкций. Наблюдается прямая зависимость состояния защитного сооружения от объема избыточного стока. Неустойчивость защитных сооружений связана с не устраненной первоначальной причиной оврагообразования под влиянием железной дороги - превышение допустимых величин стока для равновесного состояния в эрозионных системах. Основной причиной разрушения защитных конструкций являются вертикальные деформации, связанные с продолжающимся глубинным врезом оврагов. Используя формулу равновесного продольного профиля (Маккавеев, 1971) и характеристики наибольшей глубины оврага (Зорина, 1979), устанавливается необходимая глубина заложения оснований быстротоков и водобойных колодцев для обеспечения устойчивого состояния (с применением эмпирической формулы для расчета предельной длины оврага).

Оврагообразование, угрожающее функционированию железной дороги Барнаул-Бийск представляет собой частный случай взаимодействия опасных природных процессов и инженерных сооружений. Комплексность и иерархичность предложенного подхода обеспечивает объективность оценок, опирающуюся как на установление общих причин и закономерностей опасных процессов, так и конкретных источников опасности. Это в свою очередь, дает возможность обеспечения взаимоувязанных решений на всех уровнях управления геотехнической системой и в целом территориального планирования.

Заключение. Представленная работа содержит результаты исследований и разработок автора, направленных на решение научно-практической проблемы предупреждения природно-техногенных аварий при эксплуатации железных дорог в равнинных условиях с интенсивным оврагообразованием. В результате проведенных исследований разработаны: 1) Методика оценки и картографирования геотехнического состояния железных дорог в условиях эрозионной опасности по данным аэрокосмического зондирования с использованием материалов аэрокосмического зондирования, базирующаяся на: а) составлении разномасштабного комплекса карт оценки состояния, динамики и прогноза критических ситуаций с рекомендациями по инженерной защите ПТС; б) оценке потенциальной и фактической природной опасности применительно к разноуровневому геотехническому картографированию; 2) Структура и состав специализированной базы данных локальной ГИС предупреждения аварийных ситуаций в системе управления функционированием железной дороги. Проведены комплексные обследования ПТС дистанции пути Барнаул-Бийск Алтайского отделения Западно-Сибирской железной дороги, определены опасные участки, проанализированы причинно-следственные связи, выработаны рекомендации по рациональной инженерной защите от овражной опасности и схемы инженерной защиты конкретных участков.

Перспективы использования разработанной методики определяются с одной стороны потребностями эффективного управления ПТС, а с другой - включением её как специальной части в СКММ. При этом, использование новых технических средств позволит перейти к виртуальным трехмерным динамическим моделям, структурированным на основе представленной тематической интерпретации состояния ПТС.

Список работ,

опубликованных по теме диссертации:

В том числе в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Шварев С.В. Инженерные аспекты морфоструктурно-неотектонического анализа юга Средней Сибири // География и природные ресурсы, 1992, №2, с. 161-164

2. Шварев С.В. Развитие мерзлотных и карстовых процессов на трассе Усть-Кут - Киренск - Непа // Транспортное строительство, 1993, №4, с. 7-10.

3. Шварев С.В. Овраги на трассе Барнаул - Бийск.// Путь и путевое хозяйство, 1994, №1, с. 14-16.

4. Шварев С.В. Оценка потенциальной овражной опасности с использованием рангового корреляционного анализа // География и природные ресурсы, 1999, №1,с. 123-127

5. Шварев С.В. Оценка и картографирование потенциальной экзогеодинамической опасности территории при планировании линейных сооружений (на примере магистрального газопровода в Западной Сибири) - География и природные ресурсы, 2003, №3, с. 151-155

6. Ревзон А.Л., Шварев С.В. ГИС-технологии в системе предупреждения аварий на железных дорогах в условиях интенсивной эрозионной опасности // Экология и промышленность России, 2005, №12, с. 27-31

В других изданиях:

7. Носарев А.В., Рогаткина А.В., Шварев С.В. Предложения по унификации картографического обеспечения космического мониторинга зоны геотехнического риска, экологического влияния и социально-экономического воздействия магистральных железных дорог.//Научно-практическая конференция «Экологическая безопасность транспортных магистралей и ее правовое регулирование», Москва, МИИТ, 3-4 декабря 1996, тезисы докладов, М., МИИТ, 1996, с. 5

8. Асмус В.В., Григорьева О.Н., Кровотынцев В.А., Шварев С.В. Космический мониторинг зоны влияния проектируемой железной дороги на севере России: фрагмент ландшафтно-картографической основы.//Второе всероссийское совещание «Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве». Москва, Россия, 18-19 ноября 1998 г., тезисы докладов, М., 1998, с.51-56

9. Asmus V.V., Grigorieva O.N., Krovotyntsev V.A., Shvarev S.V. The «Landscape-cartography base» fragment for space monitoring of Oulu-Archangelsk-Komi perspective transportal direction.//Proceeding 27^th International Symposium on Remote Sensing of Environment, 8-12 June 1998, Scandic Hotel, Tromso, Norway, 488-491

10. Шварев С.В. Экзогенная геодинамика Енисей-Путоранского региона: картографирование по дистанционным данным и анализ закономерностей.// «Геодинамика и геоэкология», Материалы международной конференции, Архангельск, Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 1999, с. 408-410

11. Суворов В.Б., Шварев С.В. Комплексный геосистемный принцип и специальное применение космического мониторинга для геотехнических и природоохранных целей // Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения. Материалы международной конференции. - Архангельск, Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 2002, с. 800-803.

12. Шварев С.В. Рангово-корреляционная оценка потенциальной опасности экзогенных геологических процессов для газопровода Заполярное - Уренгой.// Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения. Материалы международной конференции. - Архангельск, Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 2002, с. 118-121.

13. Беляев А.В., Галкина Г.С., Глазовский Н.Ф., Дражнюк А.А., Григорьева О.Н., Милехин О.Н., Печенкин И.Г., Рогожин Е.А., Шварев С.В. Перспективы создания ландшафтно-картографической основы (ЛКО) системы космического мониторинга северных регионов (СКМ «Север»): основные положения создания, рабочий образец и проект карты-схемы методических объектов ЛКО //Александр фон Гумбольдт и проблемы устойчивого развития Урало-Сибирского региона. Материалы российско-германской конференции, Тюмень, Тобольск, 20-22 сентября 2004 г., Тюмень, 2004, с. 12-13.

14. Асмус В.В., Беляев А.В., Вылеток А.В., Галкина Г.С., Долгих Н.А., Конюхов А.П., Лаженцев В.Н., Носарев А.В., Потапова О.А., Спиридонов Э.С., Хованский Б.Н., Шварев С.В. Научно-методические принципы, инновационная технология, пример и первоочередные объекты создания и использования ландшафтно-картографической основы (ЛКО) Единой системы космического мониторинга северных регионов (СКМ «Север») в целях решения актуальных проблем геоэкологической и геотехнической безопасности северных железных дорог. // Пятая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов» - Материалы, МИИТ, 18-19 ноября 2004 г., с. 40-41

15. Шварев С.В. Принципы и первый опыт создания геолого-геоморфологического каркаса ландшафтно-картографической основы Системы космического мониторинга северных регионов (СКМ «Север») // Вторая Открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, ИКИ РАН, 16-18 ноября 2004 г.

16. Shvarev S. Landscape-Cartography Basis for the Polygon “Kenozero” of the Geosystem Satellite Monitoring // PROCEEDINGS of the 31st International Symposium on Remote Sensing of Environment (ISRSE), 20-24 June 2005, Saint Petersburg

17. Асмус В.В., Глазовский Н.Ф., Григорьева О.Н., Кровотынцев В.А., Кузнецов О.Л., Носарев А.В., Суворов В.Б., Фролов К.В., Шварев В.В., Шварев С.В. Первые научно-практические результаты ландшафтного подхода к созданию системы космического мониторинга северных регионов (СКМ «Север») // Вопросы обработки и интерпретации данных дистанционного зондирования Земли. СПб, Гидрометеоиздат, 2005, с. 158-165