Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський Національний університет

імені Тараса Шевченка

УДК 502.58.001.57:622.691.004.14(477+571.1)

Моделювання впливу небезпечних геологічних процесів на функціонування транспортних природно-техногенних систем

04.00.05 - геологічна інформатика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора геологічних наук

Іванік Олена Михайлівна

Київ 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

Науковий консультант доктор геолого-мінералогічних наук, професор Шевчук Віктор Васильович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, кафедра загальної та історичної геології, завідувач кафедри

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор геологічних наук, старший науковий співробітник Пономаренко Олександр Миколайович, Інститут геохімії, мінералогії та рудоутворення ім. М. П. Семененка НАН України, директор

доктор геолого-мінералогічних наук, професор Кузьменко Едуард Дмитрович, Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу Міністерства освіти і науки України, кафедра геотехногенної безпеки та геоінформатики, завідувач кафедри

доктор геолого-мінералогічних наук, професор Хрущов Дмитро Павлович, Інститут геологічних наук НАН України, відділ інженерної геології, головний науковий співробітник

Захист відбудеться “8” жовтня 2010 р. о 9³⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.42 у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 01022 м. Київ, вул. Васильківська, 90.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 64.

Автореферат розісланий “3” вересня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат геологічних наук І. В. Віршило

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми роботи. На території України існує щільна мережа лінійних транспортних мереж (газо- та нафтопроводів, автомобільних шляхів, залізниць, кабельних мереж тощо), які забезпечують функціонування соціального та господарського секторів держави. Вони є елементами природно-техногенних систем (ПТС), технічні і природні порушення яких призводять до аварійних і катастрофічних ситуацій з великими фінансово-ресурсними збитками і негативними соціальними та екологічними наслідками. У механізмі розвитку цих порушень визначальну роль відіграють геологічні чинники. Проте у наявних методологічних і методичних розробках щодо забезпечення безпеки діяльності транспортних ПТС відмічаються проблеми недостатнього врахування глибинних змін геологічного середовища та обмеженої результативності методів інформаційного моделювання стану цих систем з адекватним відображенням геологічних чинників. Сучасні вимоги науково-технічного прогресу в галузі розвитку транспортних мереж зумовлюють необхідність створення ефективних інформаційно-аналітичних засобів та експертних систем безпечного функціонування транспортних ПТС з оцінкою впливу небезпечних геологічних процесів, включаючи завдання моніторингу, прогнозування, попередження і ліквідації наслідків. Методологічне обґрунтування і методичне розв'язання цих завдань становить мету даної роботи. Впровадження цієї наукової розробки спрямоване на забезпечення ефективного і безпечного функціонування транспортних ПТС, зниження технічних, фінансово-ресурсних і соціальних ризиків, що визначає її актуальність.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у рамках державних бюджетних прикладних наукових тем, в яких автор брала участь як відповідальний виконавець: “Розробка системи моніторингу та методичних засад комплексної оцінки стану геологічного середовища для створення моделей функціонування природно-техногенних систем” (2005-2007 рр., держ. реєстр. № 0105U001528), “Моніторинг та прогнозна оцінка стану природних систем та природно-техногенних комплексів на основі моделювання геологічних процесів” (2008-2010 рр., держ. реєстр. № 0108U010311), госпрозрахункової теми “Оцінка стійкості схилів долини річки Черемош та розробка рекомендацій по протизсувним заходам на автомобільній дорозі “Ільці-Буркут” (2008 р., держ. реєстр. № 0108U009655), наукової теми “Розробка методики геоморфологічного картографування та створення карт четвертинних відкладів на території Асинт (північно-західна Шотландія)” (за грантом Королівського Товариства Великобританії, 2005 р.).

Мета і завдання досліджень. Головна мета досліджень - моделювання впливу геологічного середовища та небезпечних геологічних процесів на функціонування транспортних ПТС у різних ландшафтно-кліматичних зонах.

Досягнення цієї мети здійснювалось шляхом вирішення таких завдань:

- встановлення закономірностей впливу геологічного середовища на функціонування транспортних ПТС на основі поглибленого аналізу його стану та комплексна оцінка впливу небезпечних геологічних процесів на транспортні споруди у різних ландшафтно-кліматичних зонах;

- формалізація багатофакторних впливів геологічного середовища на функціонування транспортних ПТС та створення геологічних і фізико-геологічних моделей геологічного середовища;

- розробка науково-методологічних засад моделювання стану геологічного середовища та транспортних ПТС в умовах впливу небезпечних геологічних процесів;

- створення прогнозно-еталонних моделей, встановлення переліку критеріїв і ознак небезпечних геологічних процесів та інтегрований аналіз факторів їх виникнення (на основі ГІС);

- розробка алгоритмів кількісної оцінки впливу небезпечних геологічних процесів на інженерні комплекси з метою створення розрахунково-аналітичних засобів їх кількісної оцінки;

- розробка розрахунково-аналітичних модулів та оцінка геологічних і техногенних чинників впливу на стійкість транспортних ПТС.

Об'єкт досліджень - транспортні ПТС та небезпечні геологічні процеси. геологічний природний техногенний транспортний

Предмет дослідження - моделі впливу небезпечних геологічних процесів на функціонування транспортних ПТС.

Методи дослідження. Використано методи - ландшафтно-кліматичний, геоморфологічний, літолого-фаціальний, структурний, тектонофізичний та дистанційного зондування Землі. Виконано детальні польові геолого-геоморфологічні дослідження та геолого-структурне картування. Визначення напружено-деформованого стану (НДС) ПТС виконано на засадах головних законів механіки суцільних середовищ з фізико-геологічним та математичним моделюванням. Для кількісної оцінки силового впливу небезпечних геологічних процесів та їх прогнозу застосовано методи статистичного аналізу, математичного і картографічного моделювання з використанням ГІС-технологій.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розроблено нову методологію комплексного аналізу стану геологічного середовища та кількісної оцінки впливу небезпечних геологічних процесів на функціонування транспортних ПТС у різних ландшафтно-кліматичних і тектонічних зонах, яка полягає у створенні та чисельному аналізі комплексу взаємопов'язаних геологічних, фізико-геологічних та математичних моделей складних ПТС, в основу яких покладено базові рівняння механіки суцільного середовища, гідромеханіки, гідродинаміки, картографічне моделювання (ГІС-аналіз) з урахуванням інформативного набору параметрів породних комплексів, морфоструктур та процесів.

2. Розроблено методику моделювання впливу кріогенних явищ на трубопровідні системи. Визначено чинники впливу на НДС у системі “геологічне середовище - трубопровід” у кріолітозоні та здійснено їх кількісну оцінку із застосуванням створеного розрахунково-аналітичного модуля.

3. Удосконалено методику чисельного моделювання впливу потоків в'язких, в'язко-пластичних та пластичних середовищ на трубопровідні системи. Вперше визначено головні принципи типізації різних типів потоків з позицій їх впливу на транспортні ПТС. Здійснено кількісну оцінку впливу різних типів потоків на функціонування інженерних споруд на основі розрахунково-аналітичного модуля “FORCE” з визначення гідродинамічних навантажень на трубопровід.

4. Вперше проведено комп'ютерне моделювання впливу селевих потоків на інженерні споруди в Карпатському регіоні та виконано якісну і кількісну оцінку селенебезпеки на підставі розробленого розрахунково-аналітичного модуля “Mudflows”.

5. Дістали подальший розвиток розробка та наповнення спеціалізованих ГІС для оцінки стану геологічного середовища та небезпечних геологічних процесів у межах Карпатського модельного полігону з використанням сучасних інструментальних засобів просторового аналізу. Обґрунтовано концептуальну модель території із організацією бази геоданих щодо пріоритетних чинників формування зсувів. Розроблено методику ранжування факторів зсувоутворення, створено прогнозно-еталонні просторові моделі цих процесів. Визначено перелік критеріїв та ознак їх формування.

6. Створено нову класифікацію структурних зсувів з урахуванням умов їх формування з визначальним впливом деструктивних зон на основі поглибленого геологічного аналізу водно-гравітаційних процесів у регіонах із складною гетерогенною геологічною будовою. Удосконалено методи кількісної оцінки зсувної небезпеки на підставі визначення НДС порід схилу з врахуванням пружно-пластичної поведінки неоднорідного за розподілом температури та вологості масиву.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Достовірність результатів досліджень ґрунтується на великому обсязі фактичних даних, що характеризують численні конкретні об'єкти (зсувні, водні, селеві, кріогенні тощо), геомеханічні властивості геологічного середовища, динаміку небезпечних геологічних процесів у ПТС, їх вплив на транспортні мережі і, нарешті, результати експлуатаційної діагностики техногенних об'єктів. Ці дані є основою аналітичних розрахунків і моделювання силового впливу небезпечних геологічних процесів на транспортні споруди у різних ландшафтно-кліматичних зонах з використанням розроблених розрахунково-аналітичних модулів, причому результати моделювання підтверджені дослідженнями цих процесів на модельних полігонах.

Наукове значення роботи. Розроблено методологію цільового комплексного аналізу геологічного середовища та кількісної оцінки впливу небезпечних геологічних процесів на функціонування транспортних ПТС з метою оцінки стійкості складних ПТС та прогнозу їх поведінки на новому інформаційному рівні. Досліджено природу та механізми геологічних процесів, що здійснюють найбільш руйнівний силовий вплив на транспортні ПТС у різних ландшафтно-кліматичних та тектонічних зонах континентальних та морських умов. Виконано структурну та функціональну типізацію впливів геологічного середовища та небезпечних геологічних процесів на транспортні споруди. Застосовано нові методичні підходи на основі комп'ютерного моделювання для визначення силового впливу небезпечних геологічних процесів на техногенні об'єкти. Основні теоретичні положення методики аналізу стану геологічного середовища та моделювання його впливу на функціонування ПТС використовуються при виконанні наукових робіт з держбюджетної прикладної розробки Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Практичне значення отриманих результатів. Запропонована методологія комплексного цільового аналізу стану геологічного середовища та кількісної оцінки впливу небезпечних геологічних процесів на функціонування транспортних ПТС визначає нові методичні підходи до вирішення прикладних завдань попередження надзвичайних ситуацій на транспортних об'єктах та мінімізації економічних збитків, що підтверджено використанням моделювання на практиці у виробничих організаціях. Розроблені розрахунково-аналітичні модулі з оцінки силового впливу різних типів потоків на техногенні споруди призначені для кількісного визначення впливу цих процесів на інженерні об'єкти у різних за фізико-географічними умовами регіонах. Інтегральний аналіз факторів зсувоутворення у межах Свалявського та Воловецького районів Закарпатської області, створена прогнозно-еталонна модель формування водно-гравітаційних явищ та методика визначення НДС породного масиву слугують основою для просторового прогнозування зсувів на регіональному та локальному рівнях. Комп'ютерне моделювання впливу кріогенних процесів на трубопровідні комплекси забезпечує прогноз небезпечних ситуацій, виділення та прогнозування проблемних ділянок у межах трубопроводів з метою організації попереджувальних заходів з їх безпечної експлуатації, що апробовано на системі магістральних газопроводів Уренгой-Сургут-Челябінськ та ПРТО (Північні райони Тюменської області)-Омськ. Моделі, алгоритми та методики досліджень впроваджено у програмних модулях інформаційно-аналітичної системи діагностики та моніторингу технічного стану лінійної частини магістральних газопроводів “ITT-PIMS“, що промислово експлуатується на газопроводах підприємства АТ “Інтергаз Центральна Азія” (Казахстан), розрахункових модулях в Геоінформаційній системі магістральних трубопроводів ТОВ “Газпром трансгаз Сургут” (Росія). Результати досліджень застосовано ВАТ “ВНІПІТРАНСГАЗ” при інженерних вишукуваннях та проектуванні магістрального газопроводу Богородчани-Ужгород. Методики аналізу зсувної небезпеки використано при дослідженнях проблемних ділянок автомобільних шляхів у Карпатському регіоні. Принципи застосування розрахунково-аналітичних модулів по оцінці впливу небезпечних геологічних процесів на ПТС, а також авторських концептуальних моделей на підставі ГІС-аналізу включені до навчальних програм при викладанні курсів “Моделювання геологічних процесів і структур”, “ГІС в геології”.

Фактичний матеріал та особистий внесок здобувача. В основу дисертації покладено матеріали, зібрані автором під час експедиційних робіт у межах Київської, Черкаської, Закарпатської, Івано-Франківської областей, АР Крим та Західного Сибіру впродовж 2000-2009 рр. Визначено характеристики понад 200 зсувів та селевих басейнів, опрацьовано численні фондові та літературні джерела з тематики дисертаційної роботи, матеріали науково-дослідних, геологознімальних та проектувальних робіт, використано дані експлуатаційної діагностики трас трубопроводів.

Теоретичні і методичні положення дисертації розроблені особисто автором.

У складі міжвідомчої групи з математичного моделювання геологічних процесів і структур під керівництвом проф. В.В. Шевчука дисертант безпосередньо брала участь у постановці задач, розробці алгоритмів та математичному моделюванні. Виконувала комп'ютерне моделювання стану геологічного середовища на основі застосування розроблених групою програмних продуктів та спеціалізованого програмного забезпечення, на підставі чого було встановлено чинники впливу на стійкість ПТС.

Особистий внесок здобувача в опублікованих разом із співавторами роботах полягає у визначенні методичних підходів застосування геоінформаційних технологій для вирішення геологічних завдань [1, 2, 6, 26, 28, 31, 34, 36, 43, 48, 52], аналізі стану геологічного середовища та ПТС у різних ландшафтно-кліматичних зонах [40], дослідженні впливу небезпечних геологічних процесів на транспортні споруди та визначенні чинників їх формування [3, 9, 11, 16, 29, 32, 33, 35, 38, 50], встановленні геолого-геоморфологічних умов формування донних відкладів та обґрунтуванні регіональних стратиграфічних схем [5, 17, 47, 51], створенні геологічних, фізико-геологічних моделей геологічного середовища і небезпечних геологічних процесів та постановці задач якісної та кількісної оцінки впливу небезпечних геологічних процесів на транспортні споруди [24, 27, 37, 39, 55], розробці алгоритмів кількісної оцінки силового впливу небезпечних геологічних процесів на техногенні об'єкти [13-15, 22, 41, 44, 46, 53, 54].

Апробація результатів дисертації. Методологічні і теоретичні положення виконаних досліджень, а також результати прикладних розробок доповідались та обговорювались на таких конференціях і симпозіумах: Міжнародному симпозіумі “Застосування математичних методів і комп'ютерних технологій при вирішенні задач геохімії та охорони навколишнього середовища” (Київ, 1998 р.), “ГІС-форумі” (Київ, 1999, 2000, 2001 рр.), Міжнародній науково-практичній конференції „Роль природно-заповідних територій у підтриманні біорізноманіття” (Канів, 2003 р.), IV, V, VII, VIIІ Міжнародних наукових конференціях „Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища” (Київ, 2003, 2004, 2006, 2007 рр.), Другій міжнародній конференції “ГИС в геологии” (Москва, 2004 р.), ІV, V, VI, VII, VIII, IX Міжнародних конференціях “Геоінформатика: теоретичні і прикладні аспекти” (Київ, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010 рр.), VІI Міжнародній конференції “Новые идеи в науках о Земле” (Москва, 2005 р.), Третій міжнародній конференції “GIS in geology” (Москва, 2006 р.), Всеукраїнській науковій конференції “Від геології до біосферології” (Київ, 2007 р.), XXXIII Міжнародному геологічному конгресі (Осло, 2008 р.), Міжнародній науковій конференції “Міцність та надійність магістральних трубопроводів” (Київ, 2008 р.), П'ятій міжнародній науково-практичній конференції “Вплив руйнівних повеней, паводків, небезпечних геологічних процесів на функціонування інженерних мереж та безпеку життєдіяльності” (Яремче, 2009 р.), 71-й Міжнародній конференції Європейської асоціації геовчених та інженерів (Амстердам, 2009 р.), XIV Міжнародному науково-технічному симпозіумі “Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища: GPS і GIS - технології” (Алушта, 2009 р.), IX Міжнародній конференції “Моніторинг геологічних процесів” (Київ, 2009 р.), ІІ Міжнародному симпозіумі з геології Чорноморського регіону (Анкара, 2009 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 55 робіт, з них 25 статей у фахових наукових виданнях (11 одноосібних), 24 - у збірниках наукових праць і матеріалах конференцій, 6 - тези доповідей.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Викладена на 362 сторінках друкованого тексту (основний текст дисертації налічує 359 сторінок, додатки - 3 сторінки). Наведено 106 рисунків, 18 таблиць, список використаних джерел включає 324 найменування.

Автор висловлює глибоку подяку науковому консультанту роботи, д. г.-м. н., проф. Віктору Васильовичу Шевчуку за цінні консультації, допомогу та всебічну підтримку у проведенні досліджень та написанні роботи. Автор щиро вдячна к. ф.-м. н., доц. В.І. Лавренюку, к. ф.-м. н. М.В. Лавренюку та к. ф.-м. н. В.М. Горбаню, з якими було проведено сумісні дослідження з розробки розрахунково-аналітичних засобів оцінки впливу небезпечних геологічних процесів. Велика подяка висловлюється співробітникам кафедри загальної та історичної геології за підтримку та допомогу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У першому розділі “Історія, сучасні уявлення про проблеми моделювання стану геологічного середовища та дослідження природно-техногенних систем” визначено особливості транспортних ПТС та характер взаємозв'язків у їх межах, виконано типізацію ПТС. Проаналізовано головні тенденції дослідження стану геологічного середовища як складової ПТС. Розглянуто основні аспекти розвитку напрямів моделювання геологічних процесів і структур та стану ПТС у сучасних умовах.

ПТС - це комбіновані складні системи, формування та функціонування яких є важливим аспектом регіонального природокористування, що характеризується процесами взаємодії техногенних об'єктів і природного середовища, одним з компонентів якого є геологічне середовище. Досліджуються лінійні транспортні ПТС, що являють собою комунікативні системи, техногенною складовою в яких виступають нафтопроводи, газопроводи, етиленпроводи, автомобільні шляхи, залізниці та кабельні системи на суходолі та в морському середовищі. Вони відрізняються від локальних та об'єктних промислових, сільськогосподарських, селітебних і рекреаційних ПТС за умовами прокладання, значною протяжністю та відповідно особливостями геологічного середовища і впливу небезпечних геологічних процесів. Визначальною складовою ПТС є геологічне середовище, яке за більшістю тверджень визначається як складова біосфери, що зазнає техногенного впливу. У даній роботі, зважаючи на поставлену мету і завдання, аналізуються перш за все такі характеристики стану геологічного середовища як речовинний склад, тектонічна структура, фізико-механічні характеристики породних комплексів, НДС та флюїдні режими. Взаємодія техногенних і природних підсистем проявляється в особливостях перебігу геологічних процесів, які є характерними для даного типу ПТС.

Фундаментальні розробки з комплексного впливу геологічних процесів на транспортні магістралі висвітлюються у роботах Г.М. Шахунянца (1969), М.Г. Демчишина (1985, 1994), Ф. Белла (1987), Г.С. Золотарьова (1987), Г.П. Локшина та І.В. Чеснокової (1992), Е.Д. Кузьменка із співавторами (2003), Є.О. Яковлєва (2007, 2010) та ін. В цих працях наведено поглиблений аналіз впливів геологічного середовища на транспортні мережі та запропоновано методи якісної і кількісної оцінки та прогнозу цього впливу.

Значну кількість публікацій присвячено теоретичним та методичним питанням дослідження окремих груп екзогенних процесів, які розглядаються в даній роботі. Так, головні закономірності формування та поширення кріогенних геологічних процесів, класифікаційні ознаки та їх динаміку у зв'язку із антропогенними впливами викладено у працях В.Р. Алексєєва (1987), Л.І. Вейсмана (1978), В.Т. Балобаєва та В.Т. Павлова (1983), В.В. Бауліна (1985), Ю.К. Васильчука (1981, 1983, 1986), Л.С. Гарагулі із співавторами (1996, 1997), Е.Д. Єршова (1989, 1990, 1991, 1995), В.Л. Невечері (1999), Г.Ф. Гравіс та Л.А. Конченка (2002) та ін. Впливи геокріологічних процесів на транспортні магістралі висвітлюються у роботах В.А. Давидова (1979), П. Вільямса (1986), Г.П. Локшина та І.В. Чеснокової (1992), В.Є. Афанасенка із співавторами (1995), А.А. Цернанта (1995), Є.С. Мельникова із співавторами (2002) та ін.

Загальну характеристику водно-ерозійних та водно-акумулятивних процесів, дію різних типів потоків викладено у працях Н.І. Маккавеєва (1955), Н.І. Маккавеєва та Р.С. Чалова (1986), М.А. Мосткова (1959), І.Ф. Карасьова (1978), К.М. Берковича та Б.Н. Власова (1982) та ін. Моделювання процесів водної ерозії висвітлено Дж. Кіркбі (1984) та В.Н. Замишляєвим (1983). Окремий аспект досліджень складають гідрогеомеханічні закони та процеси, загальну характеристику яких надано у роботах В.А. Мироненка, В.М. Шестакова (1974) та багатьох інших.

За аналізом вивченості гравітаційних процесів проблема формування зсувних явищ та оцінка їх взаємодії з інженерними спорудами є найбільш розробленою. Цьому питанню присвячено значну кількість наукових публікацій, загальний огляд яких наведено у роботах Є.П. Ємельянової (1962) та М.Г. Демчишина (1992). Теоретичному обґрунтуванню прогнозу зсувних явищ на основі різних методичних підходів присвячено публікації Г.С. Золотарьова (1983), Г.І. Тер-Степаняна (1978), Е.П. Ємельянової (1971), В.В. Кюнтцеля (1980), К.Л. Гулакяна із співавторами (1978), М.Г. Демчишина (1992) та ін. Що ж стосується аналізу впливу зсувних явищ на транспортні магістралі та їх взаємодії із лінійними спорудами, то окремо слід відмітити наукові праці Г.М. Шахунянца (1969), А.М. Драннікова із співавторами (1972), С.А Трескінського (1984), М.Г. Демчишина (1985), М.Д. Круцика із співавторами (2003), Є.І. Крижанівського із співавторами (2004), Е.Д. Кузьменка із співавторами (2004, 2006, 2009), В.П. Рудка (2005) та ін.

Проблема катастрофічних впливів небезпечних геологічних процесів у межах України розглядається багатьма вченими - О.О. Адаменком, І.Д. Багрієм, С.А. Вижвою, П.Ф. Гожиком, М.Г. Демчишиним, Е.Д. Кузьменком, Г.В. Лисиченком, Г.І. Рудьком, В.М. Шестопаловим, Є.Ф. Шнюковим, Є.О. Яковлєвим та ін. Зокрема, у рамках української комплексної програми протизсувних заходів на 2005-2014 рр. проводиться вивчення поширення і динаміки зсувонебезпечних процесів, виконується моніторинг та прогнозування стану природного середовища. Здійснюються спеціальні геологічні дослідження, спрямовані на вивчення і прогнозування небезпечних явищ, організується система спостережень за станом небезпечних районів тощо. Важливе значення надається комплексу геофізичних методів для аналізу та моніторингу небезпечних геологічних процесів (С.А. Вижва, І.М. Корчагін, Е.Д. Кузьменко, С.П. Левашов, Г.Т. Продайвода, М.А. Якимчук та ін.)

Окремим напрямом досліджень є вивчення селевих процесів у різних ландшафтних зонах та аналіз їх катастрофічного впливу на техногенні об'єкти (І.Д. Багрій із співавторами (2004), В.Д. Ломтадзе (1977), С.М. Флейшман 1978, І.І. Херхеулідзе (1967, 1969), S. Cannon (2006)). Н.Е. Долговим, М.М. Протод'яконовим, М.Ф. Срібним, Д.Л. Соколовським, І.І. Херхеулідзе, М.С. Дюрнбаумом, П.В. Покровським запропоновано розрахунки визначення динамічних характеристик водних та селевих потоків. Розроблено моделі імовірнісної оцінки виникнення селів на основі розрахункових параметрів, що характеризують речовинний склад потенційних селевих відкладів, басейнових параметрів та кліматичних показників. Однак жодна з існуючих методик прогнозу селенебезпеки не може вважатись універсальною, однаково прийнятною для регіонів з різними геолого-геоморфологічними та кліматичними характеристиками. У зв'язку з цим актуальним залишається завдання розробки адекватних методів та засобів прогнозування селів, що враховують специфіку геологічної будови регіону, режим новітніх і сучасних тектонічних рухів, умови формування та особливості розвитку селів.

Проблеми впливу небезпечних геологічних процесів на транспортні споруди висвітлено у численних публікаціях, більшість з яких спрямовано на якісну оцінку цих явищ. Але цілісна методологія оцінки впливу небезпечних геологічних процесів на інженерні комплекси з використанням методів кількісного аналізу силового впливу процесів на функціонування транспортних ПТС із створенням адекватних фізико-геологічних та математичних моделей, чисельних алгоритмів та відповідних програмних комплексів по суті ще не створена.

Важливим аспектом геомеханічних досліджень стану геологічного середовища та ПТС є визначення НДС масивів порід, яке зазвичай здійснюється для інженерно-геологічних цілей. У цьому напрямі розроблено математичні моделі, що описують поведінку гірських порід з різними характеристиками навантажуючих впливів (Дж. Ферхуген із співавторами (1974), А.Г. Протосеня (1979), Г.І. Чорний (1979), А.Н. Ставрогін, А.Г. Протосеня (1979), М.О. Цитович (1983), Л.В. Єршов, Л.К. Ліберман, І.Б. Нейман (1987), В.В. Соколовський (1990), Ф.П. Глушихін (1991), М.В. Малишев, Г.Г. Болдирев (2000), В.В. Шевчук (2002) та ін.).

Сучасні комплексні методики моделювання ПТС значною мірою стосуються трубопровідних систем. При моделюванні їх стану головна увага приділяється техногенній складовій цих систем, зокрема оцінці міцності трубопровідних систем, виявленні трубних дефектів, визначенні причин руйнування трубопроводів тощо. На сьогодні проводиться розрахунок НДС трубопроводу з оцінкою його тривимірного положення, заглиблення, навантаження на основі як традиційних методик розрахункової оцінки НДС, що базуються на методах опору матеріалів та будівельної механіки (Е.Л. Аксельрад, В.П. Ільїн (1972), Д.Л. Костовецький (1973), А.Б. Айнбіндер, А.Г. Камерштейн (1982), П.П. Бородавкін (1984), В.П. Рудко (2005)), так і на підставі новітніх підходів до аналізу конструкцій складних систем (В.Є. Селезньов із співавторами, 2005). Методики та технології чисельного моделювання трубопровідних систем, що ґрунтуються на базових математичних моделях механіки суцільних середовищ та математичного програмування, наводяться у роботах І.П. Шацького (1984), М.С. Захарова (1985, 1987, 1989), Л.С. Шлапака (1998), В.Є. Селезньова, В.В. Альошина, Г.С. Клішина (2000, 2001, 2005), Н.Н. Хрєнова (2001, 2003) та ін. Але завдання забезпечення надійності діючих ПТС потребують комплексної оцінки всіх їх підсистем (у тому числі геологічного середовища), розробки інформаційно-аналітичних управляючих систем (у закордонній практиці відомих як PIMS - Pipeline Integrity Management System), що обов'язково повинні містити також модулі оцінки стану геологічного середовища та його впливу на трубопровід. Значні перспективи у цьому напрямі пов'язані із розробкою постійно діючих моделей ПТС на прикладі окремих масивів, геологічних районів, полігонів, що передбачає реалізацію комплексного підходу до дослідження ПТС та отримання необхідних параметрів для моделювання.

У другому розділі “Системний аналіз стану геологічного середовища у різних ландшафтно-кліматичних та структурно-тектонічних зонах” аргументовано вибір модельних полігонів для відпрацювання інформаційно-аналітичних методик моделювання ПТС. Проведено поглиблений аналіз стану геологічного середовища з метою встановлення провідних чинників формування та активізації небезпечних геологічних процесів, визначення їх класифікаційних ознак та створення адекватних геологічних і фізико-геологічних моделей.

Відпрацювання аналітичних та інформаційно-аналітичних комп'ютерних засобів кількісної оцінки стану та прогнозу поведінки ПТС потребує не лише складного математичного апарату та програмних можливостей, а перш за все поглибленого аналізу природних процесів, узагальнення значної кількості природних ситуацій та подій, які б дозволили після відповідної формалізації отримати адекватні і типові геологічні моделі, що можуть бути покладені в основу математичного та інформаційного моделювання. Більш того, робота з математичного моделювання та програмування вимагає аналітичної кореляції з реальними геологічними об'єктами не лише для оцінки адекватності математичних та комп'ютерних моделей, а і для вибору та отримання розрахункових параметрів. З цією метою обрано й охарактеризовано модельні полігони з найбільш вираженою дією небезпечних геологічних процесів та відповідним їх впливом на транспортні споруди. Досліджувались ПТС суходолу - в гірських, рівнинних, у тому числі кріолітозонах, та в морському середовищі. В цьому аспекті розробка геологічних та фізико-геологічних моделей окремих процесів та їх груп базувалась на дослідженні геологічного середовища та аналізі геологічних процесів у межах Карпатського модельного полігону, який обрано базовим районом досліджень. Крім того, для виявлення класифікаційних ознак окремих явищ та процесів (зокрема, гравітаційних), а також для перевірки адекватності розроблених моделей обрано полігони Гірського Криму та Середнього Придніпров'я. Враховуючи високу перспективність проведення інтенсивних пошуково-розвідувальних, експлуатаційних робіт у Чорноморському басейні та функціонування і проектування трубопровідних та кабельних мереж на морському дні, для регіональних геологічних досліджень використано шельф та континентальний схил українського сектора Чорного моря. Оцінка впливу кріогенних процесів на транспортні комплекси здійснювалась на прикладі Західносибірського регіону, але вплив мерзлотно-геологічних процесів на транспортні об'єкти також позначається і в деяких ландшафтно-кліматичних зонах України. Спільним для всіх досліджуваних регіонів є їх сприятливе економіко-географічне положення, розвинена мережа залізниць і шосейних шляхів, наявність розгалуженої системи трубопроводів, проте розвиток небезпечних геологічних процесів залежить від особливостей геологічної будови та фізико-географічних умов.

Карпатський полігон. Територія полігону в адміністративному відношенні займає частину Свалявського та Воловецького районів Закарпатської області. Тут спостерігається високий ступінь техногенного навантаження на геологічне середовище, що створює передумови для інтенсифікації небезпечних геологічних процесів та динамічного розвитку ПТС. Це зумовлено високою концентрацією наземних та підземних комунікацій, найбільшими з яких є магістральна нитка Південно-Західної залізниці, магістральні автомобільні шляхи, автомобільні дороги місцевого значення, мережа магістральних газо- та нафтопроводів (магістральні газопроводи “Братерство”, “Союз”, “Прогрес”, Уренгой-Помари-Ужгород, транзитний нафтопровід “Дружба”), що характеризуються складними умовами прокладання та проблемним характером експлуатації, періодичним виникненням катастрофічних ситуацій та аварій, зумовлених саме природними чинниками. Окрім того, досліджуваний полігон привабливий з рекреаційної точки зору через наявність великої кількості джерел мінеральних вод. Полігон характеризується активним розвитком та особливими умовами формування різноманітних екзогенних процесів, серед яких найбільший вплив на функціонування транспортних та інших інфраструктурних комплексів мають водно-ерозійні та водно-акумулятивні процеси, сейсмічні явища, а також процеси гравітаційного генезису, серед яких вирізняються обвальні та зсувні явища, а також селеві потоки. У межах досліджуваного регіону зафіксовано понад 200 сучасних і давніх зсувів, у результаті дії яких було пошкоджено та частково зруйновано будинки, господарські будівлі, автошляхи, мости, трубопроводи.

Проблемам прояву небезпечних явищ у Карпатському регіоні присвячено низку наукових публікацій О.М. Адаменка, І.Д. Багрія, П.В. Блінова, П.Ф. Гожика, Є.Л. Горди, С.В. Гошовського, М.Г. Демчишина, В.П. Кожем'якіна, Е.Д. Кузьменка, С.М. Перехреста, Г.І. Рудька, В.М. Шестопалова та ін., у яких характеризуються різні типи процесів, причини їх формування, а також особливості механізмів та наслідків. Але фактори їх формування залишаються проблемою із невирішеними остаточно питаннями як теоретичного, так і прикладного напряму.

Територія, що вивчалася, входить до складу Східних (Українських) Карпат та Закарпатської западини. Полігон включає Кросненську, Дуклянську, Магурську та Поркулецьку структурно-фаціальні зони (Зовнішні Карпати), а також Пенінську зону (Внутрішні Карпати), що є одиницями-покривами регіонального простеження з мінливою конфігурацією та різними амплітудами насуву. У геологічній будові території беруть участь утворення двох структурних поверхів. Нижній поверх формують Складчасті Карпати, складені карбонатно-теригенними та теригенними мезозой-кайнозойськими формаціями (переважно флішевою) з відповідним структурно-фаціальним районуванням. Основними параметрами літолого-фаціальних відмінностей є речовинний склад порід, ритмічність, вапнистість, кременистість, слюдистість, структурно-текстурні особливості, потужності. Саме ці характеристики флішевих утворень є визначальними при виникненні різноманітних екзогенних процесів, оскільки різні типи флішу мають значні відмінності фізико-механічних властивостей порід і відповідно різний ступінь реагування на деструктивні процеси. Флішеві товщі представлені відкладами перечинської, приборжавської та свалявської світ юри та крейди; свалявської, яловичорської, чорноголовської, поркулецької світи крейдяної системи; товщею зеленого і строкатого флішу палеоцену-еоцену; сольської світи еоцену; дусинської, турицької та маловиженської світи олігоцену. Верхній структурний поверх складений неоген-четвертинними осадовими, вулканогенними та вулканоміктовими утвореннями, що залягають переважно горизонтально.

Проведені польові дослідження в різних структурно-фаціальних зонах підтвердили домінуючий вплив тектонічного фактора на формування небезпечних геологічних явищ. Найбільш складну тектонічну будову у межах полігону має Дуклянська структурно-фаціальна зона, де характерними є численні поздовжні і поперечні розривні порушення та різнотипові складчасті деформації їх фрагментів як складових окремих лусок. Обстеження сучасних та давніх стабілізованих зсувів у пластиноподібній лусці Воловця з шипотським флішем, у тектонічному останці на р. Абранка, а також обмеженої крутими розривами луски Лютянка, що виклинюється у с. Верхня Грабівниця, довело вагому роль у їх утворенні деструктивних тектонічних процесів, значення яких дискутується при визначенні закономірностей структурно-тектонічної позиції ділянок активізації небезпечних геологічних явищ. На досліджуваній території розвинуті складно розгалужені розривні системи тривалого розвитку (багатоетапного поновлення), структурні парагенезиси яких включають різнопорядкові розривні структури, що розчленовують флішеві товщі на серію фрагментів, які у певних геоморфологічних ситуаціях виявляються небезпечними з огляду на розвиток водно-гравітаційних явищ. Комплексний аналіз літолого-стратиграфічної будови досліджуваного району та структурно-тектонічних особливостей робить можливим проведення контролю розвитку небезпечних геологічних явищ у відповідних формаційних комплексах та оцінку визначальних параметрів для розрахунково-аналітичного модуля з аналізу впливу гравітаційних процесів на техногенні комплекси.

Головними геоморфологічними чинниками, що впливають на розвиток небезпечних геологічних процесів, є крутість та висота схилів. Для їх визначення засобами ArcGIS проведено оцифрування рельєфу досліджуваних регіонів і визначено їх основні морфометричні показники. Створено карти тривимірного зображення рельєфу, кутів нахилу земної поверхні та експозиції схилів.

Район досліджень належить до зони перервно-безперервних диференційованих підняттів і горизонтальних рухів земної кори (з підзоною складчасто-брилових рухів в умовах інтенсивного горизонтального стиснення і спряжених інтенсивних підняттів), а також до зони коливальних рухів (знакозмінних рухів з підзоною вулканотектонічних процесів і спряжених з ними рухів). Найактивніші неотектонічні підняття і горизонтальні рухи земної кори фіксуються у першій зоні. Середні градієнти швидкостей неотектонічних рухів у межах першої зони становлять
(2·10^-4) - (7·10^-4) см/км/рік (В.Ю. Максимчук із співавторами, 2005).

Сучасні підняття в Карпатах супроводжуються формуванням вузьких
V-подібних долин гірських річок зі скелястим ложем, висячими долинами приток. Геоморфологічні ознаки сучасних тектонічних підняттів підтверджуються GPS-спостереженнями перманентних станцій Європейського блока мережі ITRF. Швидкості вертикальних рухів у межах вивченої території сягають +5 мм/рік. Постійна активізація тектонічних рухів спричиняє формування потенційної енергії виникнення водних, гравітаційних та водно-гравітаційних процесів, що в поєднанні з літологічними та геоморфологічними факторами призводить до інтенсифікації зсувних, обвальних, осипних та ерозійних процесів.

Досліджувана територія входить до складу гідрогеологічного басейну Карпатської складчастої області та Закарпатського артезіанського басейну. На формування ерозійних, зсувних та селевих явищ найбільш впливає водоносний горизонт у неоплейстоценових - сучасних алювіальних відкладах заплав, низьких та середніх терас р. Латориця та її приток. При незначній потужності четвертинного покриву активний вплив на водний режим території мають водоносні горизонти палеогенових флішевих комплексів, тріщинно-грунтові води, приурочені до малопотужних прошарків пісковиків піщано-глинистого флішу та до масивних пісковиків з прошарками гравелітів.

Комплексний аналіз сейсмічності за історичний період (1797-2003 рр.) та час інструментальних досліджень (1961-2003 рр.) свідчить, що підзонам підвищеної сейсмічності відповідають ділянки опускань земної поверхні та зони контрастних вертикальних рухів. Найбільш інтенсивні землетруси тут приурочені переважно до зони Закарпатського глибинного розлому, яка характеризується інтенсивними і диференційованими опусканнями та горизонтальним розтягуванням.

На формування небезпечних геологічних явищ впливають також ландшафтно-кліматичні умови, визначаючи за сприятливих геолого-геоморфологічних умов значну швидкість інфільтрації та високу водонасиченість порід. Безумовним негативним чинником інтенсифікації водних, водно-гравітаційних та гравітаційно-водних процесів є неконтрольована вирубка ялинових, букових і дубових лісів.

Кримський регіон. Загальна характеристика Кримського полігону наводиться з метою визначення факторів зсувоутворення у межах Гірського Криму, а також для деталізації та обґрунтування класифікації гравітаційних процесів. Прояв цих процесів на Кримському півострові, що мають значний вплив на функціонування транспортних магістралей, визначається геологічною будовою, геоморфологічними особливостями, тектонічними процесами та ландшафтно-кліматичними умовами. Оскільки для процесів гравітаційної природи структурно-тектонічний та геодинамічний фактори є одними із визначальних, слід брати до уваги як насувні переміщення латерального характеру, так і прояв вертикальних блокових рухів земної кори, хоча ролі і взаємодія цих процесів оцінюються неоднозначно.

На формування зсувних явищ наклали відбиток наявність Головного пасма Кримських гір з високим скелястим обривом у південній частині та порівняно плоскою поверхнею вершин, а також особливості геологічної будови Внутрішнього і Зовнішнього пасом. Відміни літофаціального складу відкладів зумовили різну інтенсивність денудаційних процесів та розвиток ерозійно-денудаційного рельєфу з короткими гостровершинними або згладженими хребтами і міжгірськими улоговинами ерозійно-тектонічного походження. Тектонічна обстановка, що характеризувалась склепінневими диференційованими підняттями Головного пасма та опусканням Чорноморської западини, сприяла розвитку на південному схилі ерозійних і гравітаційних процесів, що визначили своєрідний ерозійно-зсувний рельєф, формування якого продовжується і донині. Характерною ознакою цього рельєфу є численні зсуви - як давні, стабілізовані, так і сучасні.

Розвиток зсувних процесів спостерігається в юрських та крейдяних породних комплексах, зокрема у відкладах таврійської серії (Т₃-J₁tv), верхнього байосу, келовею-верхньої юри-беріасу, валанжину-нижнього готеріву, верхнього готеріву-нижнього барему, верхнього барему-апту, апту. Відклади літологічно строкаті, що спричиняє утворення зсувів різних механізмів та структури.

Вагомий вплив на розвиток небезпечних геологічних процесів у Гірському Криму мають гідрогеологічні чинники, зокрема характер обводнення порід. Тріщинні і тріщинно-карстові води згідно з тектонічною структурою регіону мають пластово-блоковий характер. Зони максимальної обводненості пов'язані із зонами підвищеної тріщинуватості, проникності та розущільнення.

Чорноморський басейн. Особливості будови геологічного середовища Чорноморського басейну наводяться з метою оцінки взаємозв'язку екзогенних геологічних процесів з геоморфологічними, тектонічними, неотектонічними і літологічними чинниками та виявлення їх впливу на функціонування транспортних систем у межах морського дна, зокрема морських трубопроводів та підводних кабелів. За структурно-тектонічним районуванням виокремлюються райони, які мають відмінні риси геологічної будови та літолого-стратиграфічних особливостей, і відповідно прояву небезпечних геологічних процесів: північно-західний шельф, континентальний схил Західно-Чорноморської западини; Кримсько-Південнобережна зона, прикерченський шельф, континентальний схил Східно-Чорноморської западини. Детальна стратифікація четвертинних відкладів, порівняльний аналіз сучасної складної морфологічної структури з дочетвертинною засвідчує успадкованість неотектонічних рухів та визначальну роль розломно-блокової тектоніки шельфу, континентального схилу та глибоководної западини в розподілі циклічних формаційних комплексів, потужностей і фацій як четвертинних відкладів, так і всього осадового чохла западини. Такі морфологічні елементи морського дна як шельф, материковий схил та абісальна улоговина контролюють умови формування, особливості залягання осадових утворень та прояв екзогенних геологічних процесів.

Прокладання трубопроводів і підводних кабелів проводиться на різних глибинах (до глибини 2000 м), в різних морфоструктурних зонах. Головний вплив як на вибір трас, так і на функціонування трубопровідних і кабельних мереж у межах Чорноморського басейну мають гідрогенні процеси (вітрове хвилювання, придонні та вздовжберегові течії тощо), сейсмічні явища, гравітаційні процеси - обвали, підводні зсуви, суспензійні потоки та ін.

Середнє Придніпров'я. Згідно із сучасними уявленнями, у Середньому Придніпров'ї виділяються два райони - Київський та Канівський, які відрізняються за геологічною будовою, неотектонічним режимом, а процеси гравітаційної природи мають значні відмінності. В Київському районі у неотектонічному плані найактивнішими є регіональні структури з різницею показників сумарних амплітуд рухів до 60 м. Показники середніх градієнтів швидкостей неотектонічних рухів становлять понад 0,01 (см/км)/тис. років. Наявність у розрізі мергелів київської, алевритів обухівської, пісків межигірської та берекської світ палеогену, пісків новопетрівської світи, строкатих, бурих, червоно-бурих глин неогену та четвертинних лесоподібних суглинків створює передумови для формування структурних зсувів у неоднорідному середовищі багатоярусної будови. На схилах, де спостерігається відсутність у розрізі верств бурих і строкатих глин, а також піщаних палеоген-неогенових відкладів, формуються консеквентні зсуви. Канівський район належить до Канівського тектонічного блока-горсту. У межах Канівських дислокацій розвинуті складки-підкиди, зібрані в серії лусок, що зумовлює значне розчленування рельєфу та розвиток денудаційних процесів. Зсувні процеси пов'язані з юрськими глинами, що мають високе гіпсометричне положення і в умовах значної обводненості є поверхнею ковзання консеквентних та інсеквентних зсувів.

Західний Сибір. Детальні дослідження проведено на території Західно-Сибірської плити. Тут знаходиться мережа магістральних трубопроводів загальної довжини 7,5 тис. км, що включає конденсатопроводи Ямбург-Уренгой, Уренгой-Сургут, магістральний газопровід Уренгой-Сургут-Челябінськ, газопровід Заполярне-Уренгой, ПРТО-Омськ та продуктопровід ШФЛВ (широка фракція легких вуглеводнів).

Територія являє собою рівнину, у рельєфі якої виокремлюються плато, нахилені рівнини, височини та низовини із субмеридіональним та субширотним орієнтуванням. Аналіз рельєфу, проведений засобами програмного забезпечення ArcGIS, дав змогу визначити, що величини його вертикального розчленування змінюються від 5-10 до 100 м, густота горизонтального розчленування закономірно зростає від південних районів плити до північних і від меридіональних осьових частин до західних та східних. Кути нахилу схилів - 0,5-6°. Комплекс порід за умовами залягання, речовинним складом та ступенем метаморфізму поділяється на три структурних поверхи. Сучасні транспортні системи прокладені переважно у межах гірських порід третього структурного поверху, представленого потужною товщею платформних осадових, здебільшого теригенних відкладів пермської, крейдяної, палеогенової, неогенової та четвертинної систем. Потужність платформного чохла закономірно збільшується від перших десятків і сотень метрів у безпосередній близькості до бортів плити до 2-3 км у центральній частині та 4-5 км у північних районах.

Переважна частина транспортних мереж Західного Сибіру проходить у межах кріолітозони, що тісно пов'язана з горизонтами підземних вод, складає верхню частину геологічного середовища і є геологічною підсистемою ПТС. Функціональними складовими цієї зони є багаторічно- та сезонномерзлі породи різного літофаціального складу зі значними потужностями, характерними деформаційними та міцнісними властивостями, льодовитістю, природною вологістю, середньорічними температурами та характерними умовами промерзання і відтаювання. У межах континентальної частини Західно-Сибірської плити виокремлюються три субширотні області, які різняться за характером поширення та співвідношення мерзлих порід. На півночі регіону знаходиться зона практично суцільного розвитку багаторічномерзлих порід, на південь - зона сумісного поширення багаторічно- та сезонномерзлих порід, а на південь від широтної течії Обі - зони сезонномерзлих порід.

У третьому розділі “Характер впливів небезпечних геологічних процесів на функціонування транспортних мереж у різних ландшафтно-кліматичних та структурно-тектонічних зонах” визначено структурну та функціональну типізацію впливів геологічного середовища та небезпечних геологічних процесів на транспортні ПТС. Проаналізовано закономірності і головні механізми, встановлено чинники формування та класифікаційні ознаки кріогенних геологічних процесів, водних потоків і гравітаційних процесів у межах модельних полігонів.

У відповідності до природи впливу геологічного середовища на ПТС та механізму дії геологічних процесів виділяються такі типи впливів.