Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Геоинформационные системы и технологии 8
1.1. История появления ГИС 8
1.2. Определение ГИС и современное состояние 10
1.3. ГИС как совокупность систем 13
1.4. Информационные системы с пространственной локализацией данных 18
1.5. ГИС как глобальная информационная система 21
1.6. Цифровые карты и цифровые модели 25
1.7. Использование ГИС при геоэкологических исследованиях и картировании 30
1.8. ГИС технологии при организации данных в вертикально интегрированных нефтяных компаниях 34
Глава 2. Геоэкологическая характеристика территории Жирновского нефтегазодобывающего района 41
2.1. Природный блок 45
2.1.1. Климат 45
2.1.2. Поверхностные и подземные воды 47
2.1.3. Геоморфология, почвы и земельные ресурсы 51
2.1.4. Растительный мир 54
2.1.5. Животный мир 57
2.1.6. Особо охраняемые природные территории 58
2.2. Техногенный блок 60
2.2.1. Промышленные предприятия и состояние атмосферного воздуха 60
2.2.2. Автомобильный транспорт 61
2.2.3. Отходы производства 61
2.3. Социально-экономическая характеристика района 63
Глава 3. Методика построения базы географических данных как основы для геоэкологического картирования 65
3.1. Модель данных 65
3.2. Ключевые особенности базы географических данных 69
3.3. Содержимое базы географических данных 71
3.4. Структура базы географических данных 77
Глава 4. Методика геоэкологического картирования природно-техногенных систем 87
Глава 5. Геоинформационное моделирование природно-техногенных систем 107
5.1. Ландшафтная карта участка проектируемого трубопровода 107
5.2. Анализ аварийной ситуации при транспортировке нефти и газа 124
5.3. Геоэкологический мониторинг компонентов природной среды 140
5.4. Структурно-геоморфологический анализ месторождения на основе ГИС-технологии 144
5.5. Районирование территории по критерию благоприятности размещения полигонов твердых промышленных отходов 157
Заключение 166
- ГИС как совокупность систем
- Поверхностные и подземные воды
- Содержимое базы географических данных
- Анализ аварийной ситуации при транспортировке нефти и газа
Введение к работе
Актуальность проблемы. В Волгоградской области, начиная с конца 50-х годов прошлого века и по настоящее время, было открыто, введено в эксплуатацию и частично законсервировано около ста нефтяных, нефтегазовых и нефтегазоконденсатных месторождений. Поиск новых и разработка ранее открытых, но не использовавшихся месторождений углеводородного сырья продолжается. Работа нефтепромыслов оказывает негативное влияние на компоненты природной среды данного региона. Разработка месторождений началась с конца 50 - начало 60 годов, когда вопросам экологической безопасности уделялось мало внимания, поэтому территории нефтепромыслов ныне загрязнены нефтепродуктами, почвы нарушены и засолены минерализованными пластовыми водами. Месторождения расположены в долинах малых рек, в рекреационных зонах, на городских и сельскохозяйственных землях. В зонах прокладки межпромысловых и магистральных нефтепроводов ежегодно происходят аварии с разливом нефти. Рекультивируются в лучшем случае 50% площади загрязнения. Поэтому весьма актуальным является вопрос комплексного геоэкологического исследования существующих природно-техногенных систем. В качестве инструмента исследования все более целесообразным становится использование современных географических информационных систем и технологий.
В настоящее время из 33 административных районов Волгоградской области 16 имеют на своей территории объекты нефтегазового комплекса. Наибольшую концентрацию данных объектов имеет Жирновский район. Из-за мощной антропогенной нагрузки на окружающую природную среду, связанной с работой нефтегазодобывающего комплекса, интенсивной разработкой твердых полезных ископаемых и т. д., район относится к наиболее экологически напряженным в Волгоградской области.
Цель работы. Совершенствование методов геоэкологического картирования природно-техногенных систем в нефтегазодобывающем комплексе на основе применения географических информационных систем (ГИС).
Для достижения поставленной цели в процессе работы решались следующие задачи:
оценка возможностей ГИС-технологий для решения практических задач взаимодействия природных и техногенных объектов на территории нефтегазодобывающего района;
анализ состояния техногенных систем как источников негативного воздействия на природную среду Жирновского нефтегазодобывающего района;
разработка специализированной ГИС и создание базы географических данных, включающей информацию по компонентам природно-техногенных систем;
разработка методики геоэкологического картирования природно-техногенных систем на основе созданной базы геоданных;
РОС НАЦИОНАЛЫ! « БИБЛИОТЕКА
« »-» А
- решение научных и практических задач геоэкологической направлен
ности нефтегазодобывающей территории на основе созданной ГИС.
Объектами исследования являются основные компоненты природно-техногенных систем на территории исследуемого района: рельеф, поверхностные и подземные воды, почвы и грунты, атмосферный воздух, геологическая среда, растительный и животный мир.
Методы исследований: При выполнении работы использовались методы сравнительного анализа и обобщения, геоинформационного картирования, физико-географического районирования, математического моделирования, дешифрирования космо- и аэросъемки, оценки риска, учитывающие специфику ландшафтных условий района исследования.
Научная новизна: Проведено геоэкологическое исследование природно-техногенных систем Жирновского района, при этом достигнуты следующие научные результаты:
на уровне современных технологий для изучаемого района впервые создана специализированная ГИС геоэкологической направленности для исследования природно-техногенных систем;
разработана методика геоэкологического картирования природно-техногенных систем на основе созданной базы геоданных;
разработана схема информационного обеспечения геоэкологической ГИС при оценке факторов природного риска работы техногенных объектов с учетом ландшафтных особенностей исследуемого района;
построены цифровые картографические модели разрабатываемых месторождений данного района;
построены прогнозные модели аварийных ситуаций: прокола нефтепровода с расчетом объемов излившейся нефти и затопления территории нефтепромысла паводковыми водами;
построена карта районирования территории по критерию благоприятности организации полигонов твердых промышленных отходов.
Практическая ценность и реализация работы: Разработаны подходы к решению практических задач экологического, геологического, технологического характера с использованием современных технологий.
Полученные результаты исследования используются при составлении экологического обоснования текущего состояния разработки месторождений, проведении мониторинга окружающей среды, подсчете запасов углеводородного сырья, проектировании наклонно-направленных, вертикальных скважин и скважин с горизонтальным окончанием, проектировании этапов геоэкологических исследований, выполняющихся в ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть».
Основные положения диссертации использованы на геолого-географическом факультете Ростовского-на-Дону государственного университета при подготовке курса лекций и практических занятий по геоэкологии.
Созданная база географических данных и реализованные на ее основе информационно-аналитические системы могут быть использованы как образец при решении аналогичных задач в других регионах.
Фактический материал и личный вклад автора: При подготовке диссертации использованы результаты личных исследований автора, а также фактический материал производственных организаций нефтяной отрасли. В работе также используются материалы камеральных исследований, проанализированы и обобщены ранее опубликованные работы по данной проблеме.
При непосредственном участии автора обработаны, систематизированы и сведены в единую базу картографические материалы, проведена оцифровка и пространственная привязка природных, техногенных и социальных объектов четырех топографических листов масштаба 1:200000, четырех - масштаба 1:25000, оцифрованы 1500 скважин различного назначения, описаны допустимые значения некоторых атрибутивных характеристик определенных объектов, обработаны и дешифрированы космоснимки разных лет.
На защиту выносятся:
-
Содержание специализированной географической информационной системы как инструмента геоэкологической оценки территории нефтегазодобывающего района.
-
Методика геоэкологического картирования и моделирования природно-техногенных систем на основе базы географических данных.
-
Комплект аналитических карт и цифровых картографических моделей, отображающих структуру и функционирование природно-техногенных систем.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на заседаниях Ученого Совета ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть», на заседании кафедры инженерной геологии и геоэкологии ВолгГАСУ, а также на всероссийских и региональных научно-практических конференциях: «Геологи XXI века» (Саратов, 2003), «Материаловедение, технологии и экология в III тысячелетии» (Томск, 2003), «Экология, охрана среды, строительство» (Волгоград, 2003), «Геоинформатика в нефтегазовой отрасли» (Бугульма, 2003), на Конкурсе молодых ученых и специалистов ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть» (Волгоград, 2004, 2005), где автор занял призовые места.
Публикации. Список опубликованных автором по теме диссертации научных работ включает 9 наименований.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 175 страницах машинописного текста, в том числе 4 табли-цы,4 схемы, 35 рисунков. Список использованных источников включает 100 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю - доктору геолого-минералогических наук, профессору Л. А. Анисимову за направление исследований и поддержку в написании диссертационной работы; искреннюю признательность за научные консультации и конкретную помощь во время работы над диссертацией д.г.-м.н., проф. С.В.Кузнецовой, д.г.-м.н., проф.
А.В.Бочкареву, д.г.-м.н., проф. М.А.Шубину, к.г.-м.н. Г.О.Одолееву, к.г.-м.н. В.А.Бочкареву, к.г.-м.н. А.Н.Степанову, к.т.н. В.Н.Ботвинкину, А.Н.Глазунову, В.И.Самохвалову.
ГИС как совокупность систем
Интеграция ГИС с другими автоматизированными системами порождает многоаспектность ГИС. В ГИС осуществляется комплексная обработка информации - от ее сбора до хранения, обновления и представления, в связи с этим следует рассмотреть ГИС с различных позиций.
Одно из основных назначений ГИС - поддержка принятия решений и управление. Как системы управления ГИС предназначены для обеспечения принятия решений по оптимальному управлению землями и ресурсами, городским хозяйством, по управлению транспортом и розничной торговлей, использованию океанов и других пространственных объектов. При этом для принятия решений в числе других всегда используют картографические данные.
В отличие от автоматизированных систем управления (АСУ) в ГИС появляется множество новых технологий пространственного анализа данных, объединенных с технологиями электронного офиса и оптимизации решений на этой основе. В силу этого ГИС служит мощным средством преобразования и синтеза разнообразных данных для задач управления.
Как автоматизированные информационные системы ГИС объединяют ряд технологий или технологических процессов известных информационных систем типа автоматизированных систем научных исследований (АСНИ), систем автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированных справочно-информационных систем (АСИС) и др. Основу интеграции технологии ГИС составляют технологии САПР. Поскольку технологии САПР достаточно апробированы, это, с одной стороны, обеспечило качественно более высокий уровень развития ГИС, с другой - существенно упростило решение проблемы обмена данными и выбора систем технического обеспечения. Этим самым ГИС стали в один ряд с автоматизированными системами общего назначения типа САПР, АСНИ, АСИС.
Как гео- системы ГИС включает технологии (прежде всего технологии сбора информации) таких систем, как географические информационные системы (ГИС), системы картографической информации (СКИ), автоматизированные системы картографирования (АСК), автоматизированные фотограмметрические системы (АФС), земельные информационные системы (ЗИС), автоматизированные кадастровые системы (АКС) и т.п.
Как системы, использующие базы данных, ГИС характеризуется широким набором данных, собираемых с помощью разных методов и технологии. При этом следует подчеркнуть, что они объединяют в себе как базы данных обычной (цифровой) информации, так и графические базы данных. В связи с большим значением экспертных задач, решаемых при помощи ГИС, возрастает роль экспертных систем, входящих в ГИС.
Как системы моделирования ГИС используют максимальное количество методов и процессов моделирования, применяемых в других автоматизированных системах.
Как системы получения проектных решений ГИС во многом применяет методы автоматизированного проектирования и решает ряд специальных проектных задач, которые в типовом автоматизированном проектировании не встречаются.
Как системы представления информации ГИС являются развитием авторизированных систем документационного обеспечения (АСДО) с использованием современных технологий мультимедиа. Это определяет большую наглядность выходных данных ГИС по сравнению с обычными географическими картами. Технологии вывода данных позволяют оперативно получать визуальное представление картографической информации с различными нагрузками, переходить от одного масштаба к другому, получать атрибутивные данные в табличной или графовой форме.
Как интегрированные системы ГИС являют собой пример объединения различных методов и технологий в единый комплекс, созданный при интеграции технологий на базе технологий САПР и интеграции данных на основе географической информации.
Как прикладные системы ГИС не имеют себе равных по широте применения, так как используются на транспорте, в навигации, геологии, географии, военном деле, топографии, экономике, экологии и т. д. Благодаря широким возможностям ГИС на их основе интенсивно развивается тематическое картографирование.
Как системы массового пользования ГИС позволяют применять картографическую информацию на уровне деловой графики, что делает их доступными любому школьнику или бизнесмену, не только специалисту географу. Именно поэтому при принятии решений на основе ГИС-технологий не всегда создают карты, но всегда используют картографические данные[93].
Основу процессов обработки составляет цифровое моделирование. Оно позволяет осуществлять векторно-топологической моделирование, буферизацию объектов, анализ сетей, построение цифровых моделей местности и т. д.
В инструментальных системах поддерживается набор моделей (цифровых представлений) пространственных данных (векторная, топологическая и нетопологическая модели, квадродерево, растровая модель, линейные сети) для ввода данных, их анализа, моделирования и представления.
ГИС нового поколения отличает ориентация на пользовательские модели данных с учетом предметной области и особенностей приложений. Их модели данных определяются классами объектов, наборами атрибутов, расширенными возможностями реализации запросов и операции над объектами по сравнению с предыдущим поколением. Они позволяют обрабатывать геоинформационные данные по распределенной технологии, что повышает гибкость и производительность систем.
Как правило, модули и приложения образуют единую пользовательскую среду инструментальных ГИС. К ядру подключаются тематически ориентированные модули, дополняемые приложениями для управления моделями данных, построения цифровых моделей, обработки растровых изображений, выполнения расчетов, анализа и проектирования, организации интерфейсов. При этом имеется возможность подключения модулей, разработанных конкретным пользователем. Это повышает универсальность систем и эффективность при решении нетиповых задач.
Возрастает значение модулей для трехмерного (3D) проектирования, генерации планов, автоматического документирования проектов и выбора оптимальных вариантов.
Инструментальные ГИС-системы могут включать набор модулей для формирования и ведения банков земельных данных о состоянии жилого и нежилого фондов, информационного обеспечения администрации города, ведения кадастра недвижимости, анализа, оценки и планирования городских территории, управления коммунальным хозяйством и т. д.
Разнообразие ГИС порождает необходимость их анализа и выбора для решения практических задач в конкретной области (схема 1).
Поверхностные и подземные воды
Поверхностные воды. На территории Жирновского района насчитывается 12 малых рек. Все они относятся к Донскому бассейну. Кроме того, в районе отмечено 148 озер и 85 прудов. В летний период большинство рек пересыхает, образуя изолированные водоемы (рис 3).
Самая крупная в районе река Медведица берет начало на западном склоне Приволжской возвышенности на высоте 300 м у села Бариново Карабулакского района Саратовской области. Общее направление реки юго-западное. Протяженность ее 745 км, в том числе по территории Волгоградской области 400 км и Жирновского района - около 80 км. Долина ее в пределах района имеет крутой и обрывистый правый берег высотой 20-30 м и пологий левый берег с пойменной и двумя надпойменными террасами. Ширина поймы 0,4-3,4 км. Русло р. Медведица сильно меандрирует. Глубина русла колеблется от 0,5-1,0 м на перекатах до 8-10 м на плесах. Скорость течения изменяется от 0,2 м/сек. на плесах до 0,7 м/сек. на перекатах. В период половодья, который длится 1-1,5 месяца (апрель - начало мая), уровень воды в реке поднимается до 4-5 м, она разливается, затопляя пойму.
Медведица имеет в основном снеговое питание, поэтому за весенний период проходит 70-80% всего годового стока, расход воды составляет до 127 м /сек. Среднегодовой расход реки 16 м /сек., в межень до Зм /сек.
Медведица имеет рекреационное значение, является любимым маршрутом туристов-водников и излюбленным местом отдыха жителей Жирновского района.
Источниками водоснабжения района являются поверхностные и подземные воды. Крупные водозаборы поверхностных вод из р. Медведицы имеют АООТ «Консервный завод Линевский» и АООТ «Мясокомбинат Красноярский». Общий объем забора поверхностных и подземных вод в 1998 г. составил 16160 тыс. м /год[96].
Всего в районе сброшено в 1998 г. 8770 тыс. м /год сточных вод в пруды накопители, испарители и на поля фильтрации. В районе 4 предприятия имеют очистные сооружения. Сброс сточных вод в водные объекты в районе не производится.
В 1998 г. в Жирновском районе проводилась экологическая операция, целью которой было выявление фактического состояния водных ресурсов, установление степени влияния хозяйственной деятельности на экологическое состояние водных ресурсов и выработка рекомендаций по их улучшению. В районе выявлен ряд нарушений, основными из которых являются:
- неэффективность работы очистных сооружений;
- проливы нефтепродуктов;
- размещение отходов в водоохранных зонах рек и водоемов; -непроведение обязательных агротехнических мероприятий на полях фильтрации и несоблюдение правил их эксплуатации.
Особо необходимо отметить неблагоприятную экологическую ситуацию на очистных сооружениях в г. Жирновске. Вызвано это превышением сброса сточных вод в 2,5-3 раза по сравнению с нормативной производительностью очистных сооружений, равной 3500 м /сутки. В результате наблюдается обводнение территории и заболачивание местности.
В целом экологическая обстановка в водоохранных зонах водных объектов стабилизируется за счет ликвидации несанкционированных свалок твердых отходов и навоза, обваловки животноводческих объектов.
Подземные воды. В Жирновском районе подземные воды используются для хозяйственно-питьевых и коммунально-бытовых нужд населения, для орошения земель, технических нужд предприятий и организаций, а также для лечебных целей. Объектами эксплуатации являются пресные и слабосолоноватые воды аллювиального, юрского, мелового и верхнекаменноугольного водоносных горизонтов. Всего в Жирновском районе эксплуатируется 146 водозаборных скважин, кроме того, оборудовано 30 скважин для целей орошения. Общий забор из подземных источников в 1999 году в районе составил 7060 тыс. м /год.
Водоснабжение г. Жирновска осуществляется из подземных вод. За 48 лет эксплуатации Жирновского водозабора произошло, более чем вдвое, увеличение минерализации воды и повышение ее жесткости с 6 до 10 мг-экв/л.
В настоящее время осуществляется строительство водозабора подземных вод в районе с. Гречихино.
Кроме того, на территории района выявлено и изучено 14 родников. Родники малодебитные, всего 0,1-0,3 л/с в естественном состоянии, а при устройстве специальных каменных каптажей достигает 1-3 л/с. Минерализация вод обычно не превышает 0,4 г/л. Режим родников прямо взаимосвязан с климатическим фактором, что объясняет исчезновение некоторых из них в засушливые годы. Следует подчеркнуть, что при гидрохимических исследованиях установлено, что некоторые родники в районе Синей Горы содержат воды, аналогичные по своему солевому составу водам курорта Трускавец.
Следует также отметить, что при эксплуатации нефтяных месторождений Жирновским НГДУ за 9 месяцев 1998 года добыто 2126,877 тыс. м3 пластовой воды, которая закачена в глубокие водоносные горизонты, в том числе в поглощающие скважины - 182,852 тыс. м и нагнетательные (для поддержания пластового давления, ППД) - 1944 тыс. м .
Пластовая вода используется в качестве лечебных рассолов в санатории-профилактории Жирновского НГДУ. В г. Жирновске применяется пластовая вода скважины №12 Кленовского месторождения. Само месторождение находится в 22 км на северо-запад от г. Жирновска в долине р. Щелкан. Глубина залегания водоносного горизонта в этом районе 1400-1500 м. Вода сильно минерализована - около 180 г/л хлористо-натриево-кальциево-магниевого состава. Рассолы высокой минерализации разбавляют пресной водой и применяют в виде ванн.
Фонд скважин Жирновского НГДУ составляет:
-нагнетательных (1ШД) на Жирновском и Бахметьевском месторождениях-37 шт.;
- поглощающих на Жирновском месторождении - 6 шт.;
- поглощающих на Кленовском месторождении - 2 шт.
Для оценки влияния закачки пластовых вод в глубокие водоносные горизонты оборудовано 47 контрольных скважин, в том числе на месторождениях:
- Жирновском - 22 шт.;
- Бахметьевском - 21 шт.д;
- Кленовском - 3 шт.;
- Терсинском - 1 шт.
Содержимое базы географических данных
Содержимое базы геоданных представлено на схеме 2.
Сама база геоданных может храниться как локально, так и на сервере, используя в качестве хранилища данных известные коммерческие РСУБД, такие как IBM DB2, Informix, Oracle, SQL Server.
Локальная версия БГД с той же структурой, что и на сервере, может храниться и на настольном компьютере в виде файла Microsoft Access ( .mdb). Но при этом пользователь лишается таких возможностей как многопользовательский доступ к данным. Объекты в БГД хранятся в связанных реляционных таблицах. Некоторые таблицы являются совокупностями объектов, другие отвечают за отношения между этими объектами, а также за правила проверки корректности и домены атрибутов. ArcGIS управляет целостностью таблиц, и с помощью объектов доступа к географическим данным предоставляет пользователям объектно-ориентированную модель данных. Во многих случаях пользователям не нужно знать все тонкости хранения и организации данных. Для этого в ArcGIS есть специальное приложение ArcCatalog, которое позволяет создавать, изменять и настраивать структуру БГД.
Важной особенностью новой модели данных является то, что можно в любое время перейти от стандартного представления данных в ГИС (линий, точек и полигонов) к более интуитивно понятному объектному представлению. И, например, вместо точек использовать опоры, вместо линий - дороги, а вместо полигонов - здания, то есть более реалистично отображать обстановку. Пользователям предоставлены неограниченные возможности по расширению свойств стандартных классов объектов. Используя такое понятие, как наследование, пользователь может создать новый класс объектов, который дополняет возможности родительского класса новым поведением и взаимодействием. Например, используя стандартный класс линейных объектов, можно создать новый класс, где геометрия объекта зависит, к примеру, от его положения и его атрибутивного наполнения. При этом, новые объекты сохраняют ту же производительность и функциональность, что и их родители.
Внутри БГД объекты хранятся в таблицах. Каждый пространственный объект имеет форму, которая хранится в специальном поле, описывающем его геометрию.
В БГД могут храниться следующие типы объектов: точки или мультиточки; полилинии - наборы сегментов, которые могут составлять одну или несколько цепочек; полигоны - кольца или наборы колец, которые могут быть разобщены или вложены друг в друга. Кольцо - это замкнутая цепочка сегментов без самопересечений. Сегменты могут описываться с помощью отрезков прямых, дугами окружностей или эллипсов, кривыми Безье. Каждый из этих типов хранится отдельно в своем классе пространственных объектов, что позволяет более правильно описывать их поведение. Также в БГД могут храниться классы отношений и объектные классы (таблицы). Как видно из схемы 2, эти классы группируются в наборы. В отличие от покрытий, в наборе классов можно хранить сколь угодно много одинаковых по типу классов пространственных объектов. Также наборы классов используются для более правильной организации данных, для логического и физического деления разнородных по содержанию объектов, что в принципе pie мешает использовать и редактировать их совместно.
В наборах классов могут храниться классы, связанные между собой, например, геометрической сетью или общей системой координат и пространственной привязкой, а также классы, объединенные по тематике.
Пространственные объекты имеют пространственную привязку, которая может задаваться на каждый класс пространственных объектов отдельно или же на группу объектов, если они хранятся в наборе классов. Каждый из пространственных объектов может иметь атрибуты, которые хранятся в столбцах таблицы класса пространственного объекта.
Пространственные объекты имеют подтипы. Все пространственные объекты группируются в классы пространственных объектов. Каждый класс пространственных объектов может быть разбит на подтипы. Подтип - это дополнительная классификация объектов в пределах одного класса. Например, различные типы зданий: жилое, нежилое, строящееся. Через подтипы пользователь может более точно управлять такими параметрами, как домены и правила.
Когда полезно применять подтипы? Если необходима четкая классификация данных уже на начальном этапе моделирования БГД, то подтипы необходимы. Например, если требуется создать настроенное поведения для каждой группы объектов внутри одного объектного класса. Если хотим, чтобы разные группы внутри одного и того же объектного класса имели разные наборы атрибутов. Или, например, нужно, чтобы часть групп одного класса пространственных объектов была доступна для редактирования, а другие - нет, плюс хотим «разбросать» эти группы по разным версиям БГД (о них речь пойдет позже) для совместного редактирования данных. Во всех подобных случаях использование подтипов поможет повысить эффективность работы и увеличить скорость работы БГД.
Атрибуты пространственных объектов могут быть ограничены. Часто перед пользователями стоит задача, в которой обязательным условиям является ввод информации в соответствии с некоторыми правилами. Так, при редактировании наборов данных по дорожной сети должны быть соблюдены некоторые правила, например, разные типы дорог должны иметь разные записи в таблице. Причем атрибутивные записи объектов должны точно соответствовать группе, к которой эти объекты принадлежат. Желательно также исключить возможность ошибок при занесении информации о дорогах. Чтобы исключить или хотя бы уменьшить вероятность появления ошибок ввода, в базе геоданных можно заранее определить наборы допустимых значений атрибутов и правила их редактирования. Пользователь может установить их как для каждого поля всего класса пространственного объектов, так и для каждого подтипа в отдельности, то есть настроить ряды или диапазоны допустимых значений, которые называются доменами. Домены кодированных значений, в которых перечисляются конкретные значения атрибута, используются для описания отдельных типов объектов. Домены диапазонов, в которых определяются диапазоны значений, описывают свойства объектов, такие как их диаметр или высота, для которых допустим непрерывный диапазон значений.
Пространственные объекты следуют заранее определенным правилам. Правило связанности задает допустимые сочетания значений атрибутов. Например, можно задать такое правило, что в главную реку впадают только притоки первого порядка, или что шоссе может соединяться с грунтовой дорогой только через специальный переходный элемент.
Правила отношений между объектами ограничивают число объектов, участвующих в отношении, - они позволяют ограничить количество соединительных элементов на трубе, задать правило, что у земельного участка может быть только один владелец, и т.д. Правила разделения пространственных объектов типичны для задач в ряде прикладных областей. Например, при разбиении земельного участка пользователю необходимо, чтобы некоторые параметры этого участка изменялись пропорционально значениям частей, получившихся при его разбиении, другая информация сохранялась, а ряд атрибутов был бы присвоен по умолчанию. В БГД при разделении объектов все эти требования учитываются, и пользователь по своему усмотрению для каждого поля атрибутивной таблицы объекта может задать нужное правило. Правила объединения пространственных объектов. При объединении объектов возможны следующие правила комбинирования значений атрибутов: значение по умолчанию, суммарное значение и среднее взвешенное значение. Правила проверки корректности данных следуют заранее определенным требованиям и обеспечивают целостность на основе правил взаимоотношений и правил связанности, а также доменов.
Пространственные объекты могут иметь топологию. Многие типы пространственных объектов связаны между собой не только обычными отношениями, но и пространственными. Вот самое простое отношение: полигоны земельных участков должны плотно прилегать друг к другу, не должно быть зазоров или перекрытий. Образующийся при этом двумерный граф называется плоской топологией.
В ArcGIS 8 кроме топологии, унаследованной от предыдущих версий этого программного продукта, добавлена измененная сетевая топология, которая описывает не только связанность элементов в сети, но и управляет их поведением в зависимости от ситуации. По сути, это наглядный пример реализации нового объектно-ориентированного подхода.
Пространственные объекты можно наделить новыми качествами. Используя открытость системы, и пользуясь технологией СОМ, пользователь может добавить новую функциональность объектам и приложению, в котором эти объекты используются. Для этого молено использовать стандартные языки программирования Visual Basic, C++, Delphi, Visual Basic for Applications. Написание собственного кода позволяет, например, добавить такое сложное поведение, как реакция при редактировании объектов, нестандартная геометрия или специальные методы отображения объектов. Но в большинстве случаев не придется писать заново многие строки кода, нужно будет только расширить существующие возможности объектной модели[99]. 3.4. Структура базы географических данных
Используя вышеописанные методы, создана персональная БГД для комплексного изучения и моделирования процессов в пределах природно-техногенно-социальной системы Жирновского района Волгоградской области.
В основу положена топографические карты 1:200 000 масштаба (растровая составляющая БГД), а также созданные на их основе цифровые топографические карты (ТЦК) в векторном формате. ТЦК содержит информацию об объектах местности: их местоположение и геометрическую форму (пространственный адрес), количественные и качественные характеристики (атрибутивная информация), а также метаданные[23,26]. Все пространственные объекты ТЦК представляются в виде объектов, объединяемый в единый класс при сходной геометрии (точка, линия или полигон) и наборе атрибутов. Класс пространственных объектов представляет, например, объекты автодорог или населенных пунктов. Классы объектов группируются в логически связанные наборы классов пространственных объектов, которые могут иметь топологические зависимости. Каждый пространственный объект имеет уникальный идентификатор и сопровождается связанными с ним атрибутивными данными. Также каждый объект имеет значение классификатора, отображающего однозначную принадлежность к тому или иному объекту на топографической карте[24]. Классификатор объектов представляет собой систематизированный свод наименований и кодовых обозначений объектов, их признаков и значений признаков. Классификатор основан на принятой системе классификации и кодирования объектов цифровых топографических карт[37]. Для большинства атрибутивных полей классов пространственных объектов определены домены (рис. 6), устанавливающие правила, не разрешающие при редактировании атрибутивных значений заносить данные, выходящие за рамки этих правил. Согласно значению классификатора, разработаны стили условных знаков, служащие для отображения пространственных объектов. Условные знаки соответствуют принятым в топографии условным обозначениям.
Анализ аварийной ситуации при транспортировке нефти и газа
В качестве практического применения теоретических выкладок было произведено моделирование ситуации прокола трубопровода. Участком для исследования был выбран реально существующий отрезок нефтепровода, соединяющий сборный пункт №3 Бахметьевского месторождения и населенный пункт Медведица. На этом участке нефтепровод пересекает водный объект - р. Медведица. Следующие характеристики, а именно: нефтепровод подземный, пересекает водный объект также под землей, в коридоре одна нить, диаметр 300 мм, из какого материала состоит, берутся из атрибутивной таблицы данного пространственного объекта. Из класса точечных объектов «Станции обслуживания трубопроводов» выносятся станции перекачки, линейные задвижки. Далее средствами ГИС все обслуживающие объекты привязываются в линейную систему координат трубопровода, то есть все объекты имеют пространственную привязку относительно начала трубопровода. Данное действие понадобится при построении профиля трубопровода, а также позволяет нам узнать протяженность исследуемого участка - 3,6 км. Теперь, используя вышеперечисленные элементы цифровой карты, хранящиеся в персональной БГД, строится цифровая модель рельефа. По имеющимся данным строится профиль по линии прохождения трубопровода. В нашем случае, горизонтальный профиль трубопровода условно повторяет профиль рельефа (рис. 19). По получившемуся профилю можно увидеть уклоны трубопровода на том или ином отрезке, а также месторасположение линейных задвижек. Затем связываем технические характеристики станции перекачки с пространственно-определенным объектом, а также выясняем информацию о физико-химических свойствах транспортируемой продукции, что необходимо в расчетах по определенной методике количества вылившейся в процессе аварии нефти. Также задаем место аварии.
При разрывах нефтепроводов перекачиваемая жидкость вытекает из нефтепровода. Различают три периода процесса:
- первый период - напорное истечение, происходящее от момента аварии до момента отключения перекачивающей станции;
- второй период - безнапорное истечение после отключения перекачивающей станции до момента перекрытия линейных задвижек, изолирующих поврежденный участок от остальной части трубопровода;
- третий период - безнапорное истечение с момента перекрытия линейных задвижек до момента ликвидации аварии (или полного вытекания жидкости).
Первый период напорного истечения характеризует истечение нефти через образовавшееся отверстие при работающей перекачивающей станции. Как правило, в этот период давление в месте аварии не меняется во времени и количество вытекшей нефти определяется разностью давлений вне и внутри трубопровода в месте аварии, площадью отверстия и продолжительностью этого периода.
В течении второго и третьего периодов нефть вытекает через отверстие под давлением собственного веса. При этом в наивысших точках трубопровода последовательно происходит разрывы сплошности потока и образование в этих местах полостей, наполненных насыщенными парами нефти, где давление равно упругости ее паров.
При движении возникших в трубопроводе свободных поверхностей жидкости к месту аварии целые участки трубопровода могут исключаться из процесса истечения в зависимости от профиля нефтепровода. В эти моменты в вершинах профиля трубопровода, расположенных ближе к месту аварии, будут происходить разрывы сплошности потока, и длина движущегося столба жидкости - уменьшится. Перекрытие линейных задвижек, изолирующих место аварии, также может уменьшить длину движущегося столба жидкости.
Процесс истечения заканчивается либо тогда, когда авария ликвидирована (восстановлена герметичность трубопровода), либо тогда, когда нефть прекращает вытекать из отверстия в нефтепроводе. Это происходит при снижении давления в трубопроводе в месте аварии до уровня ниже атмосферного.
Таким образом, из сказанного видно, что темп истечения нефти из отверстия рельефного трубопровода не будет постоянным. Он зависит от профиля трубопровода, от количества и длины участков спуска и подъема, от расположения секущих задвижек, от величены образовавшегося отверстия. Всю эту информацию можно почерпнуть из персональной базы геоданных и смоделировать данную или другую ситуацию, как на стадии проектирования самого трубопровода, так и на стадии его эксплуатации, для решения таких проблем как: оценка ущерба от потерь нефти, оценка ущерба, наносимого окружающей среде, оценка страховых рисков, оценка страховых возмещений [5 6].
Итак, протяженность участка - 3,6 км., авария произошла на отметке 2,8 км с высотной отметкой -110 м. Данное место расположено в пойменной части реки Медведица, примерно в 300 метрах от уреза воды. Наивысшая отметка профиля трубопровода слева от места аварии имеет высотную отметку 135 м и расположена на 0 км. Наивысшая точка справа - 131 м и расположена на 3,6 км. Диаметр трубопровода - 300 мм., площадь отверстия, образовавшегося в нем -10 см Линейные задвижки, изолирующие место аварии от остальной части трубопровода, находятся на 0,4 км и 3,4 км. Перекачивается нефть с плотностью 824 кг/м (рис. 18, 19).
Рассмотрены семь различных случаев, показывающие основные ситуации, которые могут возникнуть на практике.
Первый из них иллюстрирует истечение нефти из отверстия в трубопроводе при безнапорном режиме, когда нефть вытекает из трубопровода под давлением собственного веса. Линейные задвижки не перекрываются. Процесс истечения происходит до полного вытекания нефти, когда давление в трубопроводе в месте аварии снижается до уровня ниже атмосферного. Расчет показывает, что нефть из трубопровода будет вытекать в течении 2 часов 51 минуты и вытечет 50,05 м3 нефти. Масса вытекшей нефти равна 41,2 т. Площадь загрязненной территории составляет 1001,8 м , что равно 0,1 га(при условии ровной площадки).
Во втором примере расчета нефть также вытекает из трубопровода при безнапорном режиме, и задвижки не перекрываются, но авария ликвидируется за 2 часа, что снижает объем потерянной нефти по сравнению с предыдущим случаем до 45,57 м .
Третий пример иллюстрирует эффект уменьшения объема потерянной нефти за счет своевременного перекрытия правой задвижки (левая задвижка не перекрывается): авария ликвидируется за 2 часа, а правая задвижка перекрывается через 30 минут с момента аварии. При этом к моменту перекрытия задвижки свободная поверхность нефти еще не миновала место ее расположения, и факт перекрытия задвижки привел к уменьшению столба движущейся жидкости, что сказалось на объеме вытекшей нефти: он уменьшился до 39,38 м .
В четвертом примере повторяются данные третьего, с той лишь разницей, что правая задвижка перекрывается через 1 час 30 минут с момента аварии. К этому моменту свободная поверхность нефти уже миновала место ее расположения, и факт перекрытия задвижки не сказался на процессе истечения.
Объем вытекшей нефти будет соответствовать объему из примера 2 — 45,57 м .
Пятый и шестой примеры иллюстрируют эффект (или его отсутствие) перекрытия левой задвижки. Время устранения аварии такое же, как в предыдущих трех примерах: 2 часа. Правая задвижка не закрывается. Левая задвижка находится близко к началу участка нефтепровода. Если ее перекрыть через 1 час с момента аварии, то это не скажется на объеме утерянной нефти, и он будет равным, как в примере 2 - 45,57 м3. Когда задвижка закрывается через 20 минут после обнаружения аварии, объем вытекшей нефти уменьшается и становится равным - 33,98 м .
В последнем, седьмом, примере рассматривается случай, когда процесс истечения продолжается 2 часа, из которых 1 час нефть вытекает из нефтепровода при напорном режиме (давление в начале участка - 55 атм., в конце - 3 атм.)- Суммарный объем нефти равен 160,07 м3, при напорном истечении вытекло 130,37 м Масса вытекшей нефти при максимальных потерях составит 131,9 т. Степень загрязнения атмосферы, вследствие аварийного разлива нефти, определяется массой углеводородов, испарившихся с покрытой жидкостью поверхности земли. Количество испарившихся УВ составляет 11,6 т. Площадь загрязненной территории составит 3204,1 м , что равно 0,3 га (при условии ровной площадки)[53].
Определившись с количеством вытекшей нефти, анализируем состав грунтов в месте аварии. Это нам необходимо для условного определения количества впитавшейся нефти. Для этого подгружается класс пространственных объектов «Грунты» из персональной БГД. В нашем случае это пески, глубина пропитки составляет от 0,3 м и более. Берем минимальное значение. В итоге объем нефтенасыщенного грунта составит 961,2 м Далее, используя цифровую модель рельефа, определяем маршруты стекания жидкости и возможные места ее накопления, если в рельефе имеются ямы или другие отрицательные формы, куда движутся потоки со всех окружающих склонов (рис. 20). Учитывая объем вылившейся жидкости, крутизну склона, скорость изливания, объем впитавшейся нефти, возможно определить площадь загрязнения. Если излившаяся нефть попадает в водоток, то, использую такую характеристику реки как ее скорость, возможно прогнозировать площадь загрязнения водной поверхности, а также выявление населенных пунктов или других социальных объектов для проведения мероприятий по ГО и ЧС[54].
Для решения задачи подсчета затапливаемой площади при подъеме уровня реки на определенный уровень, а также выявления попадающих в зону затопления природных, промышленных или социально-культурных объектов используется цифровая модель рельефа исследуемой области. В качестве примера возьмем территории нефтепромыслов Жирновского и Бахметьевского месторождений. На их территорию построена цифровая модель рельефа с десятиметровым сечение горизонталей, что подразумевает высокую точность проводимых расчетов. Река Медведица в период половодья, который длится 1-1,5 месяца (апрель - начало мая), может подниматься до 4-5 метров. ЦМР показывает нам, что правый берег реки крутой, а левый пологий. При подъеме воды, затапливается, конечно же, левый берег, и определенное количество промышленных объектов, а именно, эксплуатационных скважин, попадают в зону затопления (рис. 21, 22, 23). Количество объектов зависит от уровня подъема воды. В таблице 4 приведены результаты анализа затапливаемой территории Жирновского и Бахметьевского нефтепромыслов.
