Содержание к диссертации
\
Введение Глава 1
Глава 2
Совремешшй уровень изучения и картографирования состояний природно-технических систем с использованием аэрокосмических технологий (состояние проблемы). 1.1 Природно-технические системы (понятия, методология изучения)
1.2. Безопасность природно-технических систем
Существующие подходы к оценке природных воздействий на устойчивость сооружений
Оценка природной опасности и риска
Оценка устойчивости и инженерная защита сооружений
Опыт применения аэрокосмических технологий для оценки геотехнического состояния природно-технических систем
Опыт применения ГИС-технологий для оценки геотехнического состояния природно-технических систем
GPS-технологии и лазерное сканирование и как перспективные элементы комплекса аэрокосмического зондирования геотехнических систем
Опыт картографирования геотехнического состояния природно-технических систем с использованием материалов аэрокосмического зондирования
Выводы по главе 1
Методика оценки геотехнического состояния равнинных железных дорог в условиях интенсивного развития овражной эрозии с применением материалов аэрокосмического зондирования и ГИС технологий
2.1. Аэрокосмические съемки
Применяемые масштабные и спектральные диапазоны
Интерактивтый и автоматизированный анализ дэдшых аэрокосмического зондирования
2.2. Оценка эрозионной опасности
2.2.1. Оценка потенциальной эрозионной опасности с
использованием материалов космических съёмок
2.2.2. Оценка фактической опасности на основе комплексирования
наземных исследований и материалов крупномасштабных
аэросъёмок
2.3. Картографирование статики и динамики геотехнического
состояния природно-технических систем в условиях равнин юга
Сибири с развитием овражной эрозии
2.3.1. Методика картографирования
2.3.2. Карта оценки геотехнического состояния природно-
технической системы
2.3.3. Карта оценки устойчивости приро дно-технической системы
2.3.4. Карта прогноза критических ситуаций в состоянии
природно-технической системы и инженерной защиты
Выводы по главе 2
стр.
Глава 3. Локальная геоинформационная система предупреждения природно- 105
техногенных аварий природно-технической системы дистанции пути
Барнаул-Бийск как элемент структуры многоцелевого космического
мониторинга
Структура системы многоцелевого космического мониторинга 105
Технологические принципы формирования базы данных 111
Формирование локальной ГИС 11 б Выводы по главе 3 120
Глава 4. Обоснование рациональной инженерной защиты природно-технической 121
системы железной дороги Барнаул-Бийск на участках эрозионной
опасности
Анализ функционирования действующей системы инженерной 121 защиты
Рекомендации по совершенствованию инженерной защиты 126 Выводы по главе 4 130
Заключение 131
Литература 132
КАРТОГРАФИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ:
Карта-схема оценки геотехнического состояния природно-технической системы. Масштаб 1:100000
Карта-схема оценки устойчивости природно-технической системы. Масштаб 1:25000
Карта-схема прогноза критических ситуаций в состоянии природно-технической системы и инженерной защиты. Масштаб 1:2500
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ АКЗ - аэрокосмическое зондирование АФС - аэрофотоснимок ГИС - геоинформационная система ГТС - геотехническая система ГЗЗ - глубинное зондирование Земли ДЗЗ - дистанционное зондирование Земли КС - космоснимок КФС - космофотоснимок ЛКО - ландшафтно-картографическая основа ПЗЗ - поверхностное зондирование Земли ПТС - природно-техническая система ПТК - природно-территориальный комплекс СКММ - система космического многоцелевого мониторинга СНиП - строительные нормы и правила ЭГП - экзогенные геологические процессы
Введение к работе
Актуальность. Развитие транспортной инфраструктуры России играет важную роль для ее устойчивого развития и органичного вхождения в международную систему хозяйства. Увеличенная нагрузка на существующие железнодорожные линии и строительство новых магистралей для обеспечения транзитных перевозок и потребностей освоения отдаленных регионов существенно повышает геоэкологический и геотехнический риск, связанный с системным взаимодействием техногенных и природных факторов. Надежность работы инженерных коммуникаций во многом зависит от своевременной и достоверной оценки пространственно-временных параметров природно-техногенных условий и процессов, как современных, так и потенциальных. В то же время геоинформационная обеспеченность всех уровней управления приро дно-техническим и системами - от регионального до локального, в настоящий момент недостаточна. Это связано с тем, что несмотря на достаточно развитые теоретические основы природно-технического, геосистемного подходов, практически они чаще всего реализуются при строительстве новых сооружений для обоснования их рационального размещеїшя, применения специальных конструктивных решений, оценке воздействия на окружающую среду. Эксплуатация инженерного сооружения осуществляется за редким исключением, как технического объекта, а комплексные оценки или природпо-техногенный мониторинг производятся в условиях очевидных угроз или наносимого ущерба природной среде или сооружениям. Такая обстановка особенно ярко проявляется для инженерных сооружений, возведенных 50-100 лет назад. С одной стороны, нормы проектирования и нагрузок, средства получения информации и её качество значительно отличались от современных, а с другой стороны - природно-техногенные условия, в которых функционирует сооружение, также изменились кардинально. Возникают критические ситуации, последствия которых и ликвидация ущерба от них имеют экстремальный характер и неоправданно большую стоимость, чего можно было бы избежать при своевременной оценке системных взаимодействий природной и техногенной составляющих.
Наиболее рациональным, экономически эффективным способом получения информации является аэрокосмическое зондирование, а её анализа и представления -специализироваїшая геоинформационная система. При этом необходим регулярный мониторинг природно-техногенных условий на разных уровнях обобщения данных и их представления для управляющих органов разного ранга. В соответствии с современными представлениями о природно-технических системах исследования взаимодействия
природных факторов и инженерных сооружений на всех стадиях их создания и эксплуатации должно обеспечиваться путем сочетания геоэкологического и геотехнического анализов, данные которых формируют информационную основу для разработки мероприятий по экологической и технической безопасности природы и общества и рационализацию природопользования.
В целях охраны окружающей среды и рационального природопользования Российской академией наук совместно с Роскосмосом, Роскартографией, Росгидрометом разрабатывается система многоцелевого космического мониторинга, опирающаяся на геосистемный (ландшафтный) подход и многоярусное картографическое моделирование, отражающее природно-техногенные условия территории России. Одним из специальных применений этой системы является геотехническая безопасность и инженерная защита территорий и сооружений. Представляется весьма актуальной задача разработки геоинформационного обеспечения с оценкой состояния и динамики ПТС, прогнозом критических ситуаций и рекомендациями по инженерной защите транспортных сооружений как составной части системы комплексного мониторинга. При этом информационные потоки на разных иерархических уровнях должны соответствовать уровням технического управления.
Другой аспект состоит в том, что, несмотря на достаточно развитые методы и принципы оценки овражной эрозии, последней, в комплексе опасных природных процессов, не уделяется должного внимания как разрушительному процессу, развитие которого может привести к аварийным ситуациям при эксплуатации инженерных сооружений. Такая ситуация фиксируется действующими нормативными документами по инженерным изысканиям в строительстве и проектированию инженерной защиты. Однако, распространенность овражной эрозии и обусловленность её активизации, во многом, нерациональным техногенезом, обусловливает её достаточно важное место в ряду опасных природных процессов. В связи с этим, возникает актуальная необходимость анализа причинно-следственных связей инженерных сооружений и оврагообразования в типичных для России равнинных условиях применительно к транспортной ПТС.
Цель и задачи исследований
Основной целью диссертации является разработка методики оценки состояния железнодорожной природно-технической системы в условиях эрозионной опасности с использованием материалов аэрокосмического зондирования.
Задачами, вытекающими из основной цели, являются:
определение общей структуры оценки и картографического отображения состояния ПТС;
разработка методов оценки овражной опасности, применительно к оценке состояния ПТС;
разработка структуры и содержания базы данных и специализированной геоинформационной системы;
оценка состояния, динамики ПТС, прогноз устойчивости и выработка рекомендаций по инженерной защите ПТС от угрозы оврагообразования с использованием разработанных методов и картографических моделей.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования является природно-техническая система дистанции пути Барнаул-Бийск Алтайского отделения Западно-Сибирской железной дороги.
Предметом исследования является разработка методики оценки состояния ПТС дистанции пути Барнаул-Бийск в условиях интенсивного оврагообразования.
Методы исследования
Для достижения поставленной цели исследования применены следующие методы:
Анализ и обобщение производственных материалов и научно-технической литературы по теории и практике аэрокосмического зондирования, ландшафтного, геоэкологического, геотехнического картографирования , оценке природной опасности и риска, структуре и функционировании ПТС, устойчивости и инженерной защите сооружений, геоинформационным технологиям.
Сбор, обработка и анализ данных аэрокосмического зондирования, в том числе фото- и сканерных космических изображений, многозональных и топографических крупномасштабных аэрофотоснимков с применением методов визуального и автоматизированного дешифрирования и ретроспективной оценки;
Проведение наземных обследований состояния ПТС и обработка их результатов;
Экспертно-статистический анализ факторов оврагообразования, эмпирические расчеты пространственных и динамических параметров эрозионных форм для оценки потенциальной и фактической опасности;
5. Картографическое моделирование состояния, динамики ПТС и прогноза её
устойчивости с разработкой принципов и схем инженерной защиты.
Ыаучная новизна исследований
Научная новизна исследований состоит в разработке комплексной методики оценки состояния ПТС дистанции пути железной дороги в условиях интенсивного оврагообразования в сопряжении со структурой и методами космического многоцелевого мониторинга с применением геоинформационных технологий и специальных технологических решений. В том числе:
Разработана структура и содержание картографического обеспечения оценки геотехнического состояния ПТС в условиях интенсивного оврагообразования равнинного Алтая;
Разработана структура и содержание базы данных и специализированной ГИС предупреждения природно-техногенных аварий;
Разработана методика оценки опасности оврагообразования на базе экспертно-статистических оценок;
Выполнена комплексная оценка состояния ПТС дистанции пути Барнаул-Бийск и разработаны рекомендации и схемы инженерной защиты от угрозы оврагообразования.
Практическое значение работы
Практическое значение работы определяется тем, что разработанные в ней методы, подходы, практические решения могут быть использованы при оценке состояния ПТС в условиях интенсивного оврагообразования и проектировании инженерной защиты, а также для создания локальных систем природно-техногенного мониторинга, структурно сопряженных с космическим многоцелевым мониторингом России.
Апробация работы
Результаты проведенных исследований по проблемам геоэкологической и геотехнической опасности, картографированию состояния ПТС, геоинформационного обеспечения многоцелевого космического мониторинга докладывались и обсуждались на ряде научных и научно-практических конференций и совещаний всероссийского межгосударственного и международного уровня: Всесоюзное совещание «Новые методы и технологии в геоморфологии для решения геоэкологических задач» (XXI Пленум
Геоморфологической Комиссии АН СССР), Ленинград, 26-28 февраля 1991 г.; Расширенное заседание Научного совета по криологии Земли РАН, 20-24 апреля 1993 г.; «Геоморфологический риск» (Иркутский геоморфологический семинар, вторые научные чтения памяти Н.А.Флоренсова), Иркутск, 16-19 ноября 1993 г.; Научно-практическая конференция «Экологическая безопасность транспортных магистралей и ее правовое регулирование», Москва, МИИТ, 3-4 декабря 1996; Второе всероссийское совещание «Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве». Москва, Россия, 18-19 ноября 1998 г.; 27th International Symposium on Remote Sensing of Environment, 8-12 June 1998; «Геодинамика и геоэкология», Международная конференция, Архангельск, Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 1999; Межгосударственное совещание XXV плеігума Геоморфологической комиссии РАН Белгород, 18-22 сентября 2000 г.; «Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения» Международная конференция, Архангельск, Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 2002; «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов" -Материалы научно-технической конференции, Москва, МИИТ, 7-9 октября 2003 г.; Александр фон Гумбольдт и проблемы устойчивого развития Урало-Сибирского региона. Материалы российско-германской конференции - Тюмень, Тобольск, 20-22 сентября 2004 г.; Пятая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов» -Материалы, МИИТ, 18-19 ноября 2004 г.; Вторая Открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, ИКИ РАН, 16-18 ноября 2004 г.; 31st International Symposium on Remote Sensing of Environment (ISRSE), 20-24 June 2005, Saint Petersburg.
Внедрение
Результаты работ соискателя по теме диссертации внедрены в практике работ Новосибирского научно-исследовательского института транспортного строительства (ЗАО СибЦНИИС), выполнившего по заказу Управления Западно-Сибирской железной дороги комплекс работ по инженерной защите железнодорожных сооружений по линии Барнаул-Бийск.
Результаты исследований по теме диссертации использованы также при разработке проектной документации строительства железной дороги «Карпогоры-Вендинга» ОАО «Белкомур» (проект транспортного коридора «Белое море-Коми-Урал»).
На защиту выносятся следующие научные результаты
Методика оценки состояния природно-технической системы железной дороги в условиях интенсивного оврагообразования с использованием данных аэрокосмического зондирования;
Способ оценки потенциальной опасности природных процессов с использованием экспертного анализа факторов со статистическим обоснованием на основе рангового коэффициента корреляции;
Структура и содержание базы данных локальной геоинформационной системы предупреждения аварий ПТС в равнинных условиях с активным оврагообразованием как блока космического многоцелевого мониторинга.
Публикации
По результатам исследований опубликовано 17 печатных работ
Структура и объем работы
Диссертационная работа включает введение, 4 главы, заключение, список используемой литературы и картографическое приложение. Основной текст изложен на 146 страницах машинописного текста, включая 25 таблиц, 32 рисунка. Список литературы включает 191 наименование. К диссертации прилагается справка о внедрении результатов исследований в ЗАО СибЦНИИС.
