Содержание к диссертации
Введение 5
Пространственный анализ геокриологических и эколого-
геокриологических условий. 16
Геосистемный принцип пространственного моделирования геологической среды 18
Пространственный анализ геокриологических условий. 25
Пространственный анализ эколого-геокриологических условий. 40
Инженерно-геокриологическое районирование как основа
пространственного моделирования условий возведения
систем магистральных трубопроводов в различных
геоструктурных регионах. 46
Принципы применения матричного анализа для моделирования инженерно-геокриологических условий 47
Пространственное моделирование инженерно-геокриологических условий возведения систем магистральных трубопроводов в горно-складчатых регионах. (Система атласов электронных тематических карт). 51
2.2.1. Карта инженерно-геокриологического районирования юга
Восточной Сибири и Дальнего Востока масштаба 1:2 500 000 55
Карты инженерно-геологического районирования масштаба 1:1000000. 60
Структурно-геоморфологические карты масштаба 1:200000. 64
2.2.4. Карты инженерно-геокриологического районирования
масштаба 1:200000. 65
2.2.5 Карты инженерно-геокриологического районирования
масштаба 1:25 000. 73
2.3. Пространственное моделирование инженерно-
геокриологических условий возведения систем
магистральных трубопроводов в платформенных регионах. 79
2.3.1 Система атласов электронных тематических карт 79
2 3 2 Специальные и оценочные карты альбома электронных карт. g7 2 4 Крупномасштабное пространственное моделирование
инженерно-геокриологических условий сооружения систем
магистральных трубопроводов. 97
Содержание З
2.5. Мелкомасштабный анализ инженерно-геокриологических
условий Арктического побережья для предварительной
оценки техногенного воздействия при сооружении систем
магистральных трубопроводов. 112
Региональная геоинформационная система - как основа
пространственного моделирования геокриологических
условий. 126
3.1 Структура региональной геоинформационной системы. 126
3 2 Зональные и . региональные закономерности
пространственной изменчивости инженерно-
геокриологических условий Тимано-Печорской
нефтегазовой провинции. (Информационно-описательный
блок региональной ТИС). 132
Краткая характеристика природных условий 132
Геокриологические условия 141
Зональные и региональные факторы, определяющие формирование и развитие многолетнемерзлых толщ 141
Распространение и мощность многолетнемерзлых пород и таликов 143
Средняя годовая температура пород 147
Сезонное протаивание и промерзание грунтов 150
Криогенное строение 151
Засоленность грунтов и криопэги 157
Криогенные процессы и образования 162
3.3 Инженерно-геокриологическое районирование в системе
региональной геоинформационной системы. 165
Блок мелкомасштабного районирования в системе региональной ТИС 168
Блок среднемасштабного районирования в системе региональной ГИС 178
Карта инженерно-геокриологического районирования трассы нефтепровода терминал «Харьяга» - Уса в масштабе 1:25000. 181
Карты инженерно-геокриологического районирования трассы нефтепровода Юж.Шапкинское НМ - терминал «Харьяга» в масштабе 1:25 000 190
Содержание 4
Инженерно-геокриологическое районирование для строительства нефтепроводов в центральной части Тимано-Печорской нефтегазовой провинции. 196
Карта инженерно-геокриологического районирования Трассы Мядсейского НМ - БРП «Варандей» в масштабе 1:
100 000. 198
3.3.3. Блок крупномасштабного районирования в системе
региональной ГИС 206
4. Электронная база данных региональной ГИС 213
4.1 Структура информационно-атрибутивного блока
региональной инженерно-геокриологической ГИС 215
База данных первого уровня. Структура и информационное содержание. 217
База данных второго уровня. Взаимосвязь районирования с электронными базами данных в структуре региональной ГИС. 219
4.2 Система запросов и поиск информации 225
5. Геоинформационное моделирование эколого-
геокриологических условий 235
Пространственное моделирование эколого-геокриологических условий в структуре региональной ГИС. 235
Моделирование эколого-геокриологических условий в системе региональной ГИС. 240
Мелкомасштабное пространственное моделирование эколого-геокриологических условий. 253
Заключение
Литература Приложения
Введение э
Введение к работе
Освоение нефтегазовых месторождений и сооружение трубопроводных магистралей для транзита нефти и газа - важнейшая задача экономического развития России, а рациональное обустройство месторождений полезных ископаемых - приоритетное направление развития топливно-сырьевой базы. Разработка топливно-сырьевых месторождений стала в последние годы важным звеном интенсификации производственной деятельности в северных регионах страны. Это способствует превращению ранее дотационных регионов в динамично развивающиеся. На этой основе активизируется промышленное, гражданское и линейное строительство, происходит совершенствование технологий работы всех отраслей хозяйства и повышение качества жизни людей. В настоящее время это относится, в первую очередь, к Европейскому и Западно-Сибирскому секторам криолитозоны России, Предбайкалью и Забайкалью, Приморью и Сахалину. Инфраструктура этих регионов в значительной степени базируется и развивается на освоении многочисленных месторождений рудных и горючих полезных ископаемых, транзите нефти и газа и их переработке. Успешная реализация экономических проектов в этих регионах зависит от качества и скорости проведения инженерных изысканий, основной частью которых являются инженерно-геокриологические исследования, так как практически все они расположены в криолитозоне.
Актуальность темы определяется тем, что активное освоение различных регионов в области распространения многолетнемерзлых грунтов, особенно строительство гигантских трубопроводных систем, требует исследования геокриологических условий с единых информационных позиций, учитывающих специфику строительного освоения объектов нефтегазового комплекса. В то же время неравномерная степень изученности эколого-геокриологических и инженерно-геокриологических условий сооружения систем магистральных трубопроводов на территории криолитозоны может быть восполнена на основе использования геоинформационных методов моделирования. Совершенствование методов исследования геокриологических условий для целей строительного -"^
Введение 6
освоения на основе ГИС-технологий позволяют сформировать, единое информационное поле предметной области. На этой основе возможен обоснованный выбор проектных решений, прогноз изменения природных условий, оценка экологических последствий строительства и эксплуатации объектов, сравнительная оценка потенциальных природных и техногенных рисков при строительном освоении территорий и эксплуатации инженерных объектов.
Несмотря на разнообразие природных условий северных нефтегазовых регионов России, общим для них является то, что инфраструктура их развития в значительной степени базируется на освоении месторождениях углеводородов, их транзите углеводородного сырья. Все ' это предполагает сооружение и эксплуатацию широкого, но достаточно унифицированного комплекса линейных и площадных объектов (промышленных и гражданских). Поэтому оценка с единых позиций инженерно-геокриологических условий сооружения трубопроводов является необходимым элементом научно-обоснованной нормативной базы инженерно-геокриологических и экологических изысканий для сооружения систем магистральных трубопроводов, прогноза и мониторинга природной среды и воздействия на нее трубопроводных систем. В последнее время актуальность этого направления обусловлена также изменением концептуальной основы использования нормативной базы инженерных изысканий. Рекомендательный статус общероссийских строительных норм и правил повлек за собой возрастание нормативно-методической роли ведомственных норм и специальных технических условий, разрабатываемых на новой научной основе с учетом технологических и информационных возможностей ГИС.
Вторая половина XX века (начиная с 60-х) ознаменовалась проведением целого ряда комплексных исследований в криолитозоне в целом, и в отдельных регионах. Результаты этих исследований нашли свое отражение в многочисленных научных публикациях и монографиях. Были опубликованы крупные обобщающие региональные и тематические инженерно-геологические и геокриологические исследования: «Инженерная геология СССР» под редакцией
2005 ~ 6
Введение 7
Е.М.Сергеева, «Геокриология СССР», «Основы геокриологии», Природные опасности России» под общей редакцией Э.Д.Ершова, над созданием которых трудился большой коллектив исследователей, работавших в научных и производственных организациях во всех регионах страны. Эти работы охватывают практически всю территорию страны. Именно в этих работах были сформулированы основные общие и региональные закономерности инженерно-геокриологических условий.
В последние десятилетия XX века появились региональные работы, основное назначение которых было характеристика инженерно-геокриологических условий с позиций освоения, относительно небольших регионов и отдельных месторождений («Южная Якутия», под редакцией В.А.Кудрявцева; «Инженерно-геологические условия Гыданского полуострова» и «Инженерно-геологические условия п-ва Ямал», под редакцией В.Т. Трофимова; «Геокриологические условия Средней Сибири» подготовленные С.М.Фотиевым, Н.С. Даниловой и Н.С Шевелевой; «Геокриологические условия освоения Бованенковского месторождения» и «Геокриологические условия Харасавэйского и Крузенштерновского ГКМ», под редакцией В.В.Баулина; «Вечная мерзлота и освоение нефтегазоносных районов» под редакцией Е.С.Мельникова и С.Е.Гречищева и многие другие).
Анализ инженерно-геокриологических и эколого-геокриологических условий отдельных регионов применительно к вполне конкретным типам воздействия на геокриологическую среду, технологиям и способам строительства и эксплуатации объектов, требует концентрации информации в первую очередь, в той части, которая будет востребована при освоении данной территории. Это возможно только на основе широкой комплексной организации информации об инженерно-геокриологических условиях данного региона, закономерностях их формирования, тенденциях и динамики их развития применительно к вполне конкретным задачам возведения систем магистральных трубопроводов в области распространения многолетнемерзлых пород.
Введение 8
Важнейший составной частью такого подхода является использование геоинформационных систем (ГИС) при выполнении инженерно-геологических изысканий. Выполнение полевых, камеральных и лабораторных инженерно-геокриологических исследований с использованием современных технологий, в том числе ГИС, позволяет решить комплексно и в существенно более короткие сроки задачи инженерных изысканий. Информационные базы данных, которые лежат в основе ГИС, обеспечивают решение задач инженерных изысканий с учетом региональных закономерностей инженерно-геокриологической обстановки. Кроме того, использование ГИС обеспечивает информационную структуру для геокриологического прогноза и мониторинга природных условий на всех стадиях сооружения объектов и их эксплуатации: в предстроительный период, в период строительства, эксплуатации, ликвидации и санации инженерных сооружений.
Цель работы. Разработать на основе анализа принципов инженерно-геологического и геокриологического районирования и картирования методологию геоинформационного моделирования геокриологических условий, принципы создания атласов электронных тематических карт и построения специализированных ГИС для инженерно-геокриологического и эколого-геокриологического обеспечения сооружения систем магистральных трубопроводов в различных геоструктурных регионах криолитозоны.
Задачи.
Проанализировать принципы пространственного моделирования инженерно-геокриологических и эколого-геокриологических условий с позиций требований информационного обеспечения для возведения магистральных трубопроводов в криолитозоне.
Разработать методику матричных схем районирования в различных геоструктурных условиях, синтезирующих метод и форму анализа инженерно-
Введение 9
геокриологических условий и на этой основе разработать структуру атласов электронных тематических карт.
Создать, на примере Тимано-Печорской нефтегазовой провинции, региональную геоинформационную систему для инженерно-геокриологического обеспечения возведения систем магистральных трубопроводов, разработать ее структуру, функциональные связи и базу данных.
Разработать "сквозную" систему региональных схем инженерно-геокриологического районирования, как основу разномасштабного пространственного моделирования условий возведения систем магистральных трубопроводов.
Разработать методологию использования региональной ГИС для эколого-геокриологической оценки территории при сооружении магистральных трубопроводов в криолитозоне.
Научная новизна.
Создана концепция геоинформационного моделирования условий возведения магистральных трубопроводных систем в криолитозоне.
Разработана методика построения матричных схем инженерно-геокриологического районирования, и создана методика составления атласов электронных тематических карт в различных геоструктурных районах.
Впервые создана структура региональной ГИС и многоуровневая электронная база данных, структура "сквозных" матричных схем инженерно-геокриологического районирования, и разработан альбом мелко- средне- и крупномасштабных карт для моделирования условий возведения магистральных трубопроводов на примере Тимано-Печорской нефтегазовой провинции.
Разработана и реализована система автоматизированного выполнения в системе ГИС эколого-геокриологических оценок на основе карт инженерно-геокриологического районирования.
Введение 10
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на Первой, Второй и Третьей конференциях геокриологов России (Москва 2001, 2003, 2005гг); на ежегодных Советах по Криологии Земли, Пущино, 1992-2003гг; Тюмень, 2004г; на 7th International Permafrost Conference (Yellowknife, 1998); 8th International Permafrost Conference (Zurich, 2003), 1st European Permafrost Conference (Rome, 2001), 1st European Regional IAEG Conference (Liege, 2004), на международных рабочих встречах по динамике арктического побережья (Осло, 2002; С-Петербург, 2003; Монреаль, 2004).
Составлены и прошли государственную экспертизу разномасштабные атласы электронных карт (Рис. В-1):
для разработки обоснования инвестиций и ОВОС в строительство систем нефтепроводов для транспортировки нефти в страны Тихоокеанского региона и Китай суммарной протяженностью более 7000км: Ангарск-Находка; Ангарск-Перевозная; Тайшет - Перевозная; Ангарск- Забайкальск (граница с Китаем) и на территории Монголии;
для разработки обоснования инвестиций и оценки воздействия на окружающую среду Бованенковского и Харасавэйского ГКМ и коридоров коммуникаций для транспорта газа (Бованенковское ГКМ - Байдарацкая КС, Бованенковское ГКМ - Ямбург, коридор коммуникаций между Бованенковским и Харасавэйским ГКМ);
для разработки обоснования инвестиций и ОВОС северного участка Балтийской трубопроводной системы и карт районирования, для разработки Декларации о намерениях проекта трубопровода Сургут - Баренцево море;
для научно-методического и информационного обеспечения всех стадий инженерных изысканий, для сооружения нефтепроводов Тимано-Печорской нефтегазовой провинции.
Введение 1
Рисунок. В-1. Схема информационного обеспечения работы и ее апробации.
Введение 12
Составлен атлас электронных мелкомасштабных карт для разработки Государственной целевой программы по защите берегов России от опасных природных процессов.
На основе результатов работы подготовлен и прочитан курс лекций «Геоинформационное моделирование инженерно-геокриологических условий» для студентов пятого курса и магистрантов кафедры геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и на курсах повышения квалификации при ФГУП «ПНИИИС».
Личный вклад автора. Работа выполнена в Производственном и научно-исследовательском институте по инженерным изысканиям в строительстве (ФГУП «ПНИИИС»). Диссертация базируется на результатах более чем 25-летней деятельности автора по исследованию геокриологических условий трасс магистральных трубопроводов в криолитозоне, геокриологическому районированию и картированию, изучению взаимодействия трубопроводов с мерзлыми грунтами (Рис. В-1). Все материалы получены автором или под его практическим и научно-методическим руководством. Автор непосредственно участвовал в совершенствовании методов районирования и картирования на основе ГИС-технологий, разработке методов полевого крупномасштабного картирования и составлении альбомов электронных карт, разработке региональной ГИС, структуры базы данных и системы запросов, разработке системы функциональных связей между технологическими блоками геоинформационной системы. При его непосредственном участии разработан принцип установления функциональной связи многоуровневых баз данных с разномасштабными схемами инженерно-геокриологического районирования, обеспечивающий создание атласов электронных тематических карт.
Введение Ь
Защищаемые положения.
1. Основным принципом геоинформационного моделирования условий
сооружения систем магистральных трубопроводов является: сочетание
факторов, определяющих как региональные и зональные закономерности
геокриологических условий, так и специфику взаимодействия трубопроводов
с мерзлым грунтами. В соответствии со стадийностью исследований
выделяется система таксонов инженерно-геокриологического
районирования: макрорайон, район, микрорайон.
2. Основным методическим приемом построения атласов электронных
тематических карт для пространственного моделирования условий
сооружения магистральных трубопроводов в различных геоструктурных
районах является разработка матричных схем инженерно-
геокриологического районирования, что позволяет представить
многослойную картографическую модель, содержащую информацию обо
всем спектре инженерно-геокриологических условий, как комплексную.
Матричные схемы районирования являются формой и методом анализа
инженерно-геокриологической информации. Они являются региональными
классификациями инженерно-геокриологических условий, и как элемент ТИС,
определяют структуру электронных картографических моделей. Структура
матричной схемы районирования отображает структуру факторов,
использованных при составлении карты, как структуру ее тематических
электронных слоев. .
3. Установлены принципы построения матричных схем районирования в различных геоструктруных регионах, заключающиеся в следующем:-
в горных регионах принцип построения матричных схем основан на сочетании формационного, структурно-геоморфологического и высотно-поясного принципов районирования;
на равнинах, молодых и древних платформах, -он основан на сочетании широтно-зональных и геолого-генетических факторов.
Введение 14
4. Региональная инженерно-геокриологическая ГИС представляет собой систему атрибутивных, аналитических, картографических и программных информационных блоков, обеспечивающих инженерно-геокриологическую и эколого-геокриологическую оценку территории на всех стадиях исследования. Основным звеном, выполняющим функцию взаимосвязи структурных блоков ГИС, является «сквозная» система матричных схем районирования, обеспечивающая взаимосвязь разномасштабных картографических моделей местности и создание их эколого-геокриологических интерпретаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав , введения и заключения. Общий объем работы составляет ... страниц, в том числе, .... текста, .... иллюстраций, ... таблиц, ... приложений. Список литературы содержит .... наименований.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному консультанту профессору, доктору г-м. наук В.В. Баулину, а также к.г.н. И.И.Шамановой, к.г-м.н Н.В.Ивановой, к.г-м.н И.Л.Кузнецовой за искреннюю всестороннюю поддержку, наставления и помощь.
Особую благодарность автор выражает коллегам ведущим сотрудникам отдела геокриологических исследований ПНИИИС д.г.н В.Л.Познанину, д.г.н М.М.Корейше, к.г-м.н С.Е.Суходольскому, к.г-м.н В.П.Чернядьеву, к.т.н В.И.Аксенову за содействие и советы при подготовке диссертации.
Глубокую признательность автор выражает сотрудникам отдела
геокриологических исследований А.А.Поповой, И.В.Чехиной,
И.С.Пармузину, Н.А.Пахомовой, Ю.В.Власовой, А.Н.Иоспа, Г.И.Клиновой А.М.Фирсову и другим за выполнение комплекса работ по апробации основных методических приемов. Автор благодарен к.ф-м.н. С.Г.Геворкяну,
Введение 15
К.Ю.Борисенко, Ю.А.Попову, В.Б.Сокольской, Ю.П.Соколовой за содействие этой работе.
Автор благодарен сотрудникам ИКЗ СО РАН за их критические замечания и советы на завершающей стадии работы.
