Содержание к диссертации
Введение
1 Современные представления о литотехнических системах и проблемы их изучения . 19
1.1 История формирования представлений о литотехнических системах 19
1.2 Современные проблемы в изучении ЛТС . 25
1.2.1 Проблема природного (геологического) характера 27
1.2.2 Проблема классификационного характера 28
1.2.3 Проблема стратегического характера 33
1.2.4 Проблемы методологического и методического характеров 34
1.3 Выводы к главе 1 и постановка задач исследований . 43
2 Инженерно-геологические условия территории белоруссии как фактор создания и эксплуатации литотехнических систем . 46
2.1 Основные черты геологического строения и развития территории Белоруссии 47
2.2 Характеристика основных комплексов и генетических типов пород верхней части разреза платформенного чехла Белоруссии 57
2.3 Особенности строения и пространственного изменения рельефа . 71
2.4 Общие закономерности гидрогеологических условий 80
2.5 Экзогенные геологические процессы и явления, общие закономерности их проявления . 91
2.6. Типизация инженерно-геологических обстановок (систем) 110
2.7 Инженерно-геологическое районирование территории Белоруссии... 131
2.8 Выводы к главе 2 . 140
3 Особенности функционирования литотехнических систем на территории Белоруссии . 143
3.1 История формирования ЛТС на территории Белоруссии . 143
3.2 Типизация литотехнических систем территории Белоруссии 151
3.3 Функционально-территориальная характеристика деятельности ЛТС... 189
3.4 Выводы к главе 3 . 229
4 Теоретико-методологические основы мониторинга литотехнических систем 231
4.1 Современные представления о мониторинге ЛТС, его содержании и структуре . 231
4.2 Информация, моделирование и прогноз в системе мониторинга ЛТС 237
4.3 Особенности использования мониторинга для количественной оценки состояния и режима функционирования ЛТС . 249
4.4 Выводы к главе 4 . 267
5 Концепция организации системы мониторинга литотехнических систем территории Белоруссии . 269
5.1 Структура и содержание концепции мониторинга литотехнических систем 269
5.1.1 Цели и задачи работ по созданию системы мониторинга ЛТС 271
5.1.2 Законодательные, нормативные и регламентирующие документы 272
5.1.3 Международный опыт в создании систем мониторинга ЛТС 273
5.1.4 Основные организационные положения 276
5.1.5 Основные методологические принципы мониторинга ЛТС... 281
5.1.6 Объекты наблюдений 281
5.1.7 Методы и средства наблюдений . 284
5.1.8 Основные требования к аналитической информации 288
5.1.9 Прогнозные задачи мониторинга ЛТС . 288
5.1.10 Основные положения для разработки целевой программы мониторинга ЛТС . 290
5.2 Использование результатов системы мониторинга ЛТС Белоруссии 292
5.3 Выводы к главе 5 . 292
6 Научно-методологические основы управления литотехническими системами . 294
6.1 Современные представления об управлении литотехническими системами . 294
6.2 Методологические подходы к инженерно-геологическому обоснованию управления ЛТС . 299
6.2.1 Системный подход . 301
6.2.2 Ситуационный подход . 302
6.2.3 Динамический подход . 304
6.2.4 Сценарный (поисковый) подход . 305
6.3 Практическая реализация методологии инженерно- геологического обоснования управления ЛТС различного уровня организации и назначения в условиях Белоруссии 307
6.3.1 ЛТС «Административное здание жилищно-эксплуатационной службы» в Минске . 308
6.3.2 ЛТС «Гомельский химзавод» . 322
6.4 Выводы к главе 6 . 343
Заключение . 345
Список использованных источников . 349
Приложение . 387
- Проблема природного (геологического) характера
- Характеристика основных комплексов и генетических типов пород верхней части разреза платформенного чехла Белоруссии
- Типизация литотехнических систем территории Белоруссии
- Информация, моделирование и прогноз в системе мониторинга ЛТС
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Изучение процессов,
происходящих в верхних горизонтах литосферы в связи с инженерной деятельностью человека, традиционно считается одной из главных научных задач инженерной геологии. При этом предметами исследований все чаще выступают литотехнические системы (ЛТС), под которыми понимают
любые комбинации из технических устройств или технических
продуктов их использования и литосферного блока любой размерности,
элементы которых взаимодействуют друг с другом и объединяются
единством выполняемой социально-экономической функции. В
инженерной геологии они изучаются для обеспечения устойчивого
функционирования инженерных сооружений либо инженерно-
хозяйственной деятельности человека в целом (Трофимов, 2006).
В условиях современного обострения экологических проблем, свойственного как Белоруссии, так и другим государствам, одной из важнейших инженерно-геологических задач является реабилитация техногенно нарушенных территорий, на которых состояние ЛТС уже достигло опасного уровня развития. Для решения этой задачи необходима научная разработка инженерно-геологического обоснования управления такими системами.
Имеется ряд научных работ, затрагивающих проблемы управления
ЛТС и его инженерно-геологического обоснования. Это работы
Т.И. Аверкиной, Г.К. Бондарика, И.В. Галицкой, Г.А. Голодковской,
М.В. Графкиной, О.М. Гуман, Р.Э. Дашко, Е.С. Дзекцера, В.Г. Жогло,
А.П. Камышева, Г.А. Колпашникова, В.А. Королева, А.В. Кудельского,
А.В. Матвеева, В.Л. Невечери, А.А. Никифорова, О.С. Овсянниковой,
В.И. Осипова, В.И. Пашкевича, В.В. Пендина, А.Д. Потапова,
В.Т. Трофимова, Р.С. Штенгелова, Н.Л. Шешени, Л.А. Ярг и др. В них рассмотрены многие теоретические и методологические аспекты этих проблем. В то же время эти работы не в полной мере учитывают специфику различных ЛТС: их структуру, состояние, режим работы, от которых во многом будет зависеть выработка геологически обоснованных управленческих решений.
В настоящее время возникла необходимость развить научно-
методологические подходы к исследованию ЛТС как объектов управления
и к формированию общей научной стратегии инженерно-геологического
обоснования управления ЛТС, базирующейся на элементах теорий
системного анализа, инженерной геологии, мониторинга и кибернетики.
Разработка методологии инженерно-геологического обоснования
управления ЛТС выступает как актуальная проблема, имеющая важное инженерно-геологическое значение, отличающаяся принципиальной
новизной и повышенной практической значимостью не только для Белоруссии, но и многих сопредельных государств.
Основная идея работы заключается в том, что оптимальное, не превышающее критического уровня режима, функционирование ЛТС может быть обеспечено за счет эффективного управления различными ее компонентами.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка
теоретических основ и методологии инженерно-геологического
обоснования управления ЛТС локального и регионального уровней организации, базирующихся на элементах теорий системного анализа, мониторинга и геокибернетики. Ее достижение вполне целесообразно реализовать на примере исследования особенностей ЛТС территории Белоруссии, типичных и для многих ЛТС ряда сопредельных государств, включая Россию, Украину и др.
Указанная цель обусловила необходимость постановки и решения следующих задач:
-
Изучить инженерно-геологические условия (ИГУ) территории Белоруссии как главный фактор обеспечения условий создания, геологического обоснования и эксплуатации ЛТС различного назначения и уровня организации.
-
Проанализировать современное состояние функционирования технических систем разного уровня на территории Белоруссии, разработать и обосновать основные принципы их классификации и на основе этого создать региональную инженерно-геологическую типизацию ЛТС. С учетом типизации рассмотреть особенности функционирования ЛТС при различных видах техногенного воздействия на компоненты геосреды.
-
На базе мониторинга разработать методику количественной оценки состояния и режима работы ЛТС разного уровня организации с целью инженерно-геологического обоснования управления ими.
-
Разработать научно-методологическое обоснование концепции организации мониторинга ЛТС территории Белоруссии в составе Национальной системы мониторинга окружающей среды (НСМОС) как основы для прогнозных оценок развития ЛТС и управления ими.
-
Разработать методологию создания системы выработки геологически обоснованных управленческих решений для оптимизации функционирования ЛТС различного уровня организации.
Объектом исследований являлись верхние горизонты земной коры в сфере их взаимодействия с техническими объектами – ЛТС Белоруссии разного назначения, уровня организации и срока эксплуатации, функционирующие в пределах различных инженерно-геологических обстановок. Предмет исследований – выявление функциональных связей геологической и технической подсистем указанных ЛТС с целью инженерно-геологического обоснования управления ими.
Методология и методы проведенного исследования. Работа базируется на общей методологии инженерной геологии, смежных геологических наук, а также на общенаучных методах исследований. Основными методами исследований являлись системный анализ, геокибернетика, функциональный подход, моделирование, а также полевые и лабораторные эксперименты, современные картографические методы накопления, обработки и представления информации.
Научная новизна работы заключается в следующем.
-
На основе новых геологических данных установлены новые закономерности пространственных изменений инженерно-геологических условий территории Белоруссии, выявлены особенности их влияния на условия создания и эксплуатации ЛТС различного назначения и уровня организации, реализованные в виде оригинальных геологических карт, разрезов и других графических материалов.
-
Для целей инженерной геологии предложена принципиально новая региональная типизация ЛТС, отличающаяся от известных типизаций наличием генетического подхода к изучению данных систем, высокой степени детализации их структуры, учетом уровней организации и функционирования, а также информации об управляющих взаимодействиях.
-
Предложен оригинальный методический подход к количественной оценке состояния и режима функционирования ЛТС, основанный на использовании результатов мониторинговых наблюдений за изменениями параметров различных классов воздействий на геологическую подсистему и вводимых новых количественных характеристик ЛТС, отражающих интенсивность этих воздействий, пространственные границы и текущее состояние ЛТС. В отличие от известных, в данном подходе существует возможность устанавливать стадии неустановившегося режима функционирования ЛТС и в соответствии с ними оперативно принимать решения о необходимости выработки инженерно-геологического обоснования управления этой системой.
-
Теоретически обосновано авторское представление о структуре системы мониторинга ЛТС территории Белоруссии в составе НСМОС, предполагающее включение в ее состав основной (наблюдательной), вспомогательной (расчетно-аналитической, исследовательской) и обеспечивающей (организационное, техническое, научно-методическое, нормативное, информационное обеспечение) составляющих.
-
Предложена новая методология организации системы инженерно-геологического обоснования управления ЛТС различного уровня, заключающаяся в последовательном применении на разных этапах ее формирования системного, ситуационного, динамического и сценарного
подходов. Их использование является необходимым и достаточным условием создания подобной системы.
Основные защищаемые положения. На защиту автором выносятся следующие положения, содержащие новые научные результаты в исследовании ЛТС как объектов взаимодействия человека и геологической среды.
-
Инженерно-геологическое районирование территории Белоруссии, выполненное с полным учетом выявленных закономерностей изменений региональных и зональных геологических факторов инженерно-геологических условий как основа инженерно-геологической информации для территориального размещения литотехнических систем различного уровня организации и назначения, а также разработки прогнозов взаимодействия технической и геологической составляющих ЛТС с последующим обоснованием инженерно-геологических мероприятий по управлению этими системами.
-
Новая региональная инженерно-геологическая типизация ЛТС, позволяющая разделять совокупности взаимосвязанных элементов ЛТС разного уровня и оказываемых ими возмущающих воздействий на отдельные составляющие для последующего анализа, оценки, прогноза развития и управления состоянием с целью достижения эффективного функционирования ЛТС в целом.
-
Обоснование и использование нового методического подхода к количественной оценке состояния и режима функционирования литотехнической системы на основе полученной в процессе мониторинга текущей информации об изменениях параметров различных классов воздействий на геологическую подсистему и новых количественных характеристик ЛТС, позволяющего оперативно устанавливать стадии режима работы этой системы и в соответствии с ними принимать решения по инженерно-геологическому обоснованию управления ею.
-
Обоснование концепции организации системы мониторинга литотехнических систем территории Белоруссии в составе НСМОС, обеспечивающей выход на принципиально новый уровень компетентности получения информации о состоянии ЛТС локального и регионального уровней, прогнозных оценок его изменений и разработки инженерно-геологического обоснования управления этими системами.
-
Новая методология организации системы инженерно-геологического обоснования управления литотехническими системами различного уровня, позволяющая на основе системного анализа функционирования ЛТС принимать или корректировать управленческие решения в соответствии со складывающейся ситуацией, априори устанавливать значения целевых показателей и определять структуру и параметры управления этими системами.
Достоверность и обоснованность полученных результатов
подтверждаются многолетними инженерно-геологическими и
геоэкологическими исследованиями автора на территориях различных регионов Белоруссии, результаты которых опубликованы в виде научных статей в ведущих изданиях и монографий.
Диссертационная работа выполнялась в составе Государственной
программы ориентированных фундаментальных исследований «Геохимия
и геодинамика земной коры Беларуси как основа минерагенических
прогнозов и рационального использования недр» (ГПОФИ «Недра
Беларуси», 2006-2010 гг.) по заданию 14 «Изучение закономерностей
пространственной изменчивости инженерно-геологических условий
территории Беларуси и история их формирования» (руководитель задания
А.Н. Галкин), а также Региональной научно-технической программы
Гомельской области (утверждена решением Гомельского облисполкома
от 14.12.1999 г. № 889) по заданию 08 «Оценить состояние и дать прогноз
изменений инженерно-геологических условий территории г. Гомеля под
влиянием техногенной нагрузки» (руководитель задания
Е.Ю. Трацевская) и 7 хозяйственных договоров с Гомельским химическим и Светлогорским целлюлозно-бумажным заводами (научный руководитель В.Г. Жогло), в которых автор настоящего диссертационного исследования выступал в качестве исполнителя.
Практическая значимость результатов работы. Результаты
исследований представляют собой составную часть комплекса
практических мер, направленных на оптимизацию процессов
территориального планирования в размещении, прогнозов развития и управления различного уровня организации ЛТС. Они могут быть использованы администрациями, проектными и изыскательскими организациями городов и районов для принятия проектных решений при возведении объектов различного назначения, областными комитетами природных ресурсов и охраны окружающей среды при создании системы мониторинга геосреды городов и промышленных зон, а также служить информационной базой при обосновании и разработке региональной политики природопользования.
Практическая значимость подтверждается использованием
результатов работы в деятельности Гомельского облкомитета природных
ресурсов и охраны окружающей среды, в производстве инженерных
изысканий РДУПИП «Витебскгипроводхоз», Витебского отдела
УП «Геосервис», а также в учебном процессе ряда вузов Белоруссии, что зафиксировано соответствующими актами.
Апробация. Результаты исследований докладывались на 20 международных научных и научно-практических конференциях (Витебск, 2009, 2010); (Гомель, 1998, 1999); (Екатеринбург, 2005); (Минск, 2004, 2005, 2009); (Могилев, 2012); (Мозырь, 2008); (Москва, 1997, 2001, 2002, 2003,
2004, 2006, 2007, 2009); (Новочеркасск, 2006); (Санкт-Петербург, 2003);
республиканской научно-практической конференции «Природные и
социально-экономические аспекты Белорусского Полесья в
экстремальных условиях» (Гомель, 1992); 1-й научно-практической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения акад. АН БССР Г.В. Богомолова, «Проблемы охраны геологической среды» (Минск, 1995); конференции аспирантов и молодых ученых, посвященной 100-летию со дня рождения С.С. Морозова и 60-летию кафедры инженерной геологии и охраны геологической среды МГУ им. М.В. Ломоносова, «Проблемы инженерной и экологической геологии» (Москва, 1998); Всероссийской конференции с международным участием «Северные территории России: проблемы и перспективы развития» (Архангельск, 2008); юбилейной научно-практической конференции, посвященной 40-летию ГГУ им. Ф.Скорины (Гомель, 2009); республиканской научной конференции «Аналитика Республики Беларусь-2010» (Минск, 2010); ХV (62), ХVI (63) и ХVII (64) региональной научно-практической конференции преподавателей, научных сотрудников и аспирантов (Витебск, 2010, 2011, 2012). Результаты исследований обсуждались на сессиях Научного совета РАН «Сергеевские чтения» (Москва, 2003, 2004, 2007, 2012), научных сессиях преподавателей, научных сотрудников и аспирантов ВГУ им. П.М. Машерова (2002, 2003, 2005, 2007, 2010, 2011, 2012) и научных семинарах кафедры инженерной и экологической геологии МГУ им. М.В. Ломоносова (1998, 2008).
Личный вклад соискателя. Диссертация является многолетним (1990-2014 гг.) итогом научно-исследовательских работ по изучению закономерностей формирования ИГУ Белоруссии, состояния геосреды и геоэкологических обстановок отдельных территорий в условиях высокой техногенной нагрузки, выполненных лично или при непосредственном участии автора в ходе экспериментальных и теоретических исследований в МГУ им. М.В. Ломоносова (научный консультант – д.г.-м.н., профессор В.А. Королев), ГГУ им. Ф. Скорины (научный консультант – д.г.-м.н., доцент В.Г. Жогло) и ВГУ им. П.М. Машерова.
Диссертационные исследования дополнены анализом фондовых материалов РУП «Белгеология», УП «Геосервис», БелНИЦ «Экология», БелНИГРИ, Ин-та геохимии и геофизики НАН Беларуси (ИГиГ НАН Б), ГГУ им. Ф. Скорины и др.
Публикации. По теме диссертационных исследований
опубликовано 85 научных работ, в том числе: 5 монографий, 13 статей в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ, 17 статей в научных изданиях, рекомендованных ВАК РБ, 9 статей в научных сборниках, 3 статьи в научных журналах, 3 статьи в сборниках научных трудов, 35 материалов и тезисов докладов конференций.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному консультанту, д.г.-м.н., член-корр. РАЕН, профессору В.А. Королеву за постановку темы диссертационных исследований и всестороннюю поддержку в их выполнении; д.г.-м.н., доценту В.Г. Жогло за плодотворные консультации при выполнении диссертационных исследований; д.г.-м.н., акад. НАН Беларуси, профессору А.В. Матвееву за консультации и предоставление тематического картографического материала; к.г.-м.н., доценту И.А. Красовской и А.Ф. Акулевичу за оказанную поддержку и советы на всех этапах выполнения работы.
Автор также выражает искреннюю благодарность сотрудникам кафедры географии ВГУ им. П.М. Машерова, геолого-географического факультета ГГУ им. Ф. Скорины и коллективу кафедры инженерной и экологической геологии МГУ им. М.В. Ломоносова за внимание, участие в обсуждении и ценные рекомендации и замечания, которые способствовали завершению работы.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения, включающего акты внедрения результатов исследований, общим объемом 401 страница. Содержит 56 рисунков, 24 таблицы. Список использованной литературы включает 299 наименований.
Проблема природного (геологического) характера
Главная цель, которую преследуют создатели ЛТС (в том числе и инженер-геологи), состоит в том, чтобы обеспечить оптимальный режим ее функционирования, т.е. обеспечить надежную работу технических объектов при минимальных изменениях геологической среды [259]. Эта цель может быть достигнута посредством управления ЛТС, основу которого составляют процессы получения и переработки информации о системе, нахождения управляющих воздействий и обеспечение их реализации. В настоящее время вопросам управления ЛТС посвящено сравнительно большое количество научных работ. Среди авторов этих работ можно отметить Л.В. Бахиреву, И.В. Галицкую, Г.А. Голодковскую, М.В. Графкину, О.М. Гуман, А.Н. Гулькова, Р.Э. Дашко, Е.С. Дзекцера, В.Г. Жогло, Е.Н. Иерусалимскую, М.Ю. Калинина, А.П. Камышева, Г.А. Колпашникова, С.Н. Костарева, Г.Л. Коффа, А.В. Кудельского, М.Б. Куринова, В.Н. Луканина, В.Л. Невечерю, А.А. Никифорова, В.И. Осипова, В.И. Пашкевича, В.В. Пендина, В.Н. Попова, А.Д. Потапова, А.Л. Рагозина, Е.А. Федорову, Л. Чан Мань, М.М. Черепанского, В.М. Шестакова, Н.Л. Шешеню, Р.С. Штенгелова и ряда других [6, 90-93, 96-99, 109, 111, 114, 121, 122, 200, 219, 220 и др.]. В большинстве своем в этих работах затрагиваются вопросы создания систем управления функционированием отдельных типов или видов ЛТС (например, селитебных, рекреационных, горнодобывающих, нефтегазопромысловых, гидротехнических и т.д.). В каждой из них обеспечивается определенная эффективность управления этими системами. Однако, используемые разными авторами методологические подходы к управлению не учитывают всего многообразия типов ЛТС и, как следствие, имеют ограниченное применение и носят частный характер.
Теоретические и методологические основы управления ЛТС в целом наиболее полно отражены в работах Т.И. Аверкиной, Г.К. Бондарика, Е.Н. Иерусалимской, В.А. Королева, В.Т. Трофимова, Л.А. Ярг и др. [1, 10, 11, 15 21, 142, 143, 256-258 и др.]. В этих работах довольно подробно проанализированы функциональная сущность управления ЛТС, существующие его возможности и ограничения, а также ряд научных положений и принципов, определяющих научно обоснованные подходы к управлению ЛТС. В тоже время, в данных работах, несмотря на высокую степень их информативности, не рассмотрена методология организации системы инженерно-геологического обоснования управления ЛТС, слабо раскрыты некоторые особенности ЛТС, составляющие совокупность проблемных вопросов в изучении ЛТС, от решения которых в значительной степени будет зависеть качество инженерно-геологического обоснования управления этими системами с целью оптимизации их функционирования. В этой совокупности в зависимости от характера особенностей ЛТС с некоторой условностью можно выделить ряд проблемных вопросов или проблем. Это проблемы природного, классификационного, стратегического, методологического и методического характеров. Конечно, выделяемые нами проблемы во многом взаимообусловлены и не принадлежат к одному порядку, но совместное их рассмотрение, по нашему мнению, позволит наиболее рационально сформулировать задачи исследований и наметить пути их решения.
Проблема природного (геологического) характера состоит в недостаточном знании или недостаточном учете состояния и свойств сферы взаимодействия литосферы (по Г.К. Бондарику [16, 17], области литосферы, в пределах которой, в результате взаимодействия с сооружением, изменяется ход естественного геологического процесса и развиваются инженерно геологические процессы, оказывающие существенное влияние на сохранность и устойчивость сооружения). Возникновение подобной проблемы в конкретных случаях обусловлено рядом объективных и субъективных причин. К объективным причинам относится сложность и уникальность инженерно-геологических объектов (геологических тел) и невозможность построения моделей, охватывающих все направления и уровни развития процесса, т.е. физическая неразрешимость. На практике это приводит к генерализациям, неполно отражающим физическую сущность объекта исследований. Реальным препятствием в решении этой проблемы, по-видимому, является узко прагматическое толкование целей инженерно-геологических изысканий. Если считать главной целью изысканий разработку прогноза изменений параметров состояния ЛТС, появляется много возможностей формального достижения требуемого результата без глубокого изучения внутренних свойств сферы взаимодействия технической и геологической подсистем ЛТС. Для этого применяются вероятностные методы, аналогии и экспертные оценки. К другим субъективным причинам можно отнести недостаточную техническую вооруженность изысканий, несовершенное нормирование и планирование изыскательских работ, что, безусловно, наносит ущерб системности и снижает глубину изучения факторов формирования инженерно-геологических условий [17]. Кроме того, региональная оценка функционирования ЛТС осуществляется обычно на основе соответствующей инженерно-геологической информации, которая может быть получена лишь при проведении инженерно-геологической съемки различного масштаба. К сожалению, в условиях России и Белоруссии, как и других стран СНГ, об объективности и качестве этой информации не приходится говорить, поскольку предшествующее региональное инженерно-геологическое обследование территорий этих государств проводилось еще в 1980-х годах.
Резюмируя выше сказанное, отметим, что объективные и субъективные причины, как правило, приводят к ошибочным оценкам и прогнозам состояния и свойств грунтов и подземных вод, а также развития инженерно-геологических процессов и явлений в сфере или области взаимодействия литосферы (СВЛ или ОВЛ). В результате проектные или управленческие решения для оптимизации функционирования литотехнических систем будут приобретать недостаточную или излишнюю надежность.
Характеристика основных комплексов и генетических типов пород верхней части разреза платформенного чехла Белоруссии
В Белоруссии горные породы как компонент геологической подсистемы ЛТС активно изучаются с 50-х годов ХХ столетия. Однако надо заметить, что для пород различного возраста и генезиса степень инженерно-геологической изученности неодинакова. Так, например, дочетвертичные породы (AR-PR, PZ, МZ, палеоген-неогеновые) из-за относительно глубокого залегания и ограниченного их хозяйственного использования в плане инженерной геологии изучены слабо. Чаще всего они характеризуются как полезные ископаемые (гранит, доломит, мел, мергель, пески стекольные, строительные и формовочные, глины кирпичные, цементные и др.). Достаточно хорошо в инженерно-геологическом отношении изучены четвертичные породы: моренные супеси, суглинки и глины (И.И. Большедонов, И.А. Бусел, Е.Ф. Винокуров, А.Н. Галкин, И.А. Голубев, Ю.Б. Колоколов, Г.А. Колпашников, Н.И. Кригер, В.А. Кузьмицкий, В.Г. Лободенко, П.Н. Макарук, А.В. Матвеев, М.А. Ситников, М.А. Солодухин и др.), аллювиальные и флювиогляциальные пески (И.А. Бусел, Е.Ф. Винокуров, В.Ф. Вишневский, И.А. Голубев, А.С. Карамышев, М.Ф. Козлов, Г.А. Колпашников, Э.А. Левков, В.Г. Лободенко, Н.И. Марынич, Л.Д. Медведев, Л.К. Морозова, М.А. Ситников, Н.И. Тычина и др.), лессовидные грунты (А.И. Коптев, Г.В. Кузнецова, Н.И. Ловыгин, М.Ф. Макарочкин, В.М. Мотуз и др.), озерно-ледниковые (ленточные) глины (И.А. Бусел, Е.Ф. Винокуров, Ю.П. Еременко, Н.В. Зайцева, В.А. Кузьмицкий, И.Г. Лукинская, М.Ф. Макарочкин, Л.К. Морозова, Ю.А. Соболевский), искусственные (намывные и насыпные) грунты (А.М. Брылев, В.Е. Быховцев, Е.Ф. Винокуров, А.С. Карамышев, Г.А. Колпашников, Ю.А. Соболевский и др.). В качестве естественных оснований зданий и сооружений наиболее широко используются моренные глинистые и различного генезиса песчаные отложения, а на севере страны также и озерно-ледниковые ленточные глины. Кроме того, основаниями сооружений в ряде районов интенсивного строительства на юго-западе г. Минск, Оршанско-Могилевском плато, Мозырской и Копыльской грядах, Гродненской и Новогрудской возвышенностях частично являются лессовидные грунты. Довольно широко распространены на территории страны болотные отложения, но их использование в качестве естественных оснований крайне ограничено (таблица 2.1).
Обобщение и анализ многочисленного опубликованного материала с привлечением результатов собственных исследований [22, 25, 31, 32, 34, 54-57, 60, 64, 72, 74, 79, 113, 152, 158, 161, 162, 183, 185-187, 196, 204, 207, 287 и др.] позволяют с определенной полнотой дать характеристику наиболее значимых комплексов и генетических типов поверхностных отложений региона. Моренные отложения. Наиболее широко развиты, лучше изучены и особенно часто используются в инженерно-геологическом отношении морены припятского (днепровский и сожский подгоризонты) и поозерского горизонтов. Днепровская морена на территории Беларуси имеет региональное распространение. Она отсутствует на отдельных участках севернее гг. Верхнедвинск – Городок, в районе гг. Витебск, Орша, Мстиславль, Краснополье, в долинах рек Припять, Днепр, Березина, Сож, а также на небольших площадях в районах гг. Поставы, Сенно, Толочин, Могилев, Столбцы, Береза, Речица и др. Залегает морена, в основном, на березинско-днепровских флювиогляциальных и более древних четвертичных отложениях, а на севере, в глубоких погребенных ложбинах – часто на дочетвертичных (коренных) породах (рисунок 2.4). На значительной части территории страны, главным образом на юге и в центре, днепровская морена выходит на поверхность, а в местах, перекрытых более поздними (сожскими, поозерскими и голоценовыми) образованиями, вскрывается по берегам рек и оврагов. Мощность морены изменяется в широких пределах – от 1 до 50 м, в отдельных случаях – в пределах возвышенностей Центральной Белоруссии и ледниковых ложбинах – до 90 м и более, но преобладают значения 10-20 м. С геологической деятельностью днепровского ледника на юге республики связано формирование серии конечных морен [25, 72]. Сожская морена распространена повсеместно примерно севернее границы по линии населенных пунктов Каменец – Ивацевичи – Ганцевичи – Любань – Глуск – Бобруйск – Рогачев – Костюковичи – Климовичи (рисунок 2.5). Размыта она в долинах рек Вилия, Неман, Березина, Днепр, Сож и на небольших участках у гг. Поставы, Глубокое, Бешенковичи, Смолевичи, Барановичи, Слуцк и юго-западнее Лиозно. Залегает сожская морена преимущественно на днепровско-сожских, днепровских, березинских образованиях и в редких случаях на коренных породах, перекрывается более молодыми сожско-поозерскими водно-ледниковыми, поозерско-голоценовыми аллювиальными и озерно-аллювиальными отложениями (рисунок 2.4). Мощность морены изменяется от 0,2-0,5 до 80-100 м, в пределах возвышенностей она возрастает до 135 м, преобладающие мощности 10-25 м. С этапами деградации сожского ледника связаны хорошо выраженные в рельефе цепи краевых образований (у гг. Пружаны, Береза, Ивацевичи, Клецк, Любань, Бобруйск, Славгород) и ряд возвышенностей Белорусской гряды [25, 72].
Поозерская морена распространена в северной части Белоруссии и относится к образованиям последней, максимальной стадии поозерского оледенения (рисунок 2.5). Размыты моренные отложения в долинах Вилии, Западной Двины и их притоков, частично в пределах Суражской и Полоцкой низин. Залегает морена на сожско-поозерских, сожских, муравинских отложениях или девонских породах, перекрыта поозерскими водно-ледниковыми комплексами или современными осадками (рисунок 2.4).
Поозерским ледником на различных этапах его деградации были сформированы краевые образования на западе Белоруссии (у н.п. Сопоцкин, Озеры, Острына) и в пределах Поозерья (Свирская и Свенцянские гряды, Ушачская, Витебская, Городокская и Браславская возвышенности и др.). Мощность поозерской морены изменяется от 1,5-2 до 70 м, составляя в среднем 10-15 м. Максимальные мощности приурочены к конечно-моренным возвышенностям и ледниковым ложбинам [25, 72]. Морены описываемых оледенений представлены валунными супесями и суглинками, реже глинами, с гнездами и линзами песка разнозернистого, глинистого, иногда гравийного, песчано-гравийного и гравийно-галечного материала. В моренных супесях и суглинках содержится до 40% гравия, гальки и валунов различной степени окатанности, преобладают местные осадочные породы3 (известняки и доломиты), в меньших количествах представлены изверженные и метаморфические образования (граниты, диориты, габбро, гнейсы, кварциты, амфиболиты) [187]. Для всех морен, особенно для днепровской и сожской, характерно большое количество отторженцев дочетвертичных пород, мощность которых обычно измеряется несколькими десятками метров (до 140 м), некоторые из них разрабатываются как месторождения полезных ископаемых (например, месторождение мела «Рось» в Волковысском районе Гродненской области) [72]. Все морены близки по своим физико-механическим свойствам, обладают низкой и средней сжимаемостью и могут служить вполне надежным основанием для различных инженерных сооружений. Главными осложняющими факторами при строительстве на моренных грунтах являются неоднородность их состава, наличие переменного количества крупнообломочного материала (в том числе крупных и негабаритных валунов, что обусловливает значительную изменчивость физико механических свойств этих грунтов), склонность к размоканию и пучению при промерзании. Последнее, довольно часто является причиной деформаций зданий и сооружений, построенных на этих грунтах [164].
Типизация литотехнических систем территории Белоруссии
В основу построения типизации литотехнических систем территории страны положено совместное рассмотрение технических и геологических объектов (систем) как главных составляющих любой ЛТС. С этой целью на первом этапе разработки типизации нами выполнено классифицирование технических систем (ТС), отличающихся в условиях Белоруссии широким многообразием объектов и различным уровнем развития. При построении данной классификации автор руководствовался следующими базовыми положениями. В качестве таксономической единицы высшего порядка в классификации ТС принята группа (таблица 3.1). В основу ее выделения положен признак прямого или опосредованного воздействия технической системы на геологическую среду при функционировании ЛТС [52]. По этому признаку все многообразие ТС целесообразно разделить на две группы: 1) собственно техническая система и 2) квазитехническая система. Вторая группа ТС выделяется нами впервые. Обоснованность такого подхода вызвана тем, что ЛТС следует рассматривать не только как комбинацию из технических устройств и геологических тел любой размерности, что присуще собственно технической системе, но и как комплекс, который состоит из технических продуктов, создаваемых различными техническими средствами или устройствами, и части взаимодействующей с ними литосферы. В связи с этим квазитехническую систему в структуре ЛТС можно определить как систему, выполняющую функцию связующего звена во взаимодействии технического устройства с геологической средой и морфологически выраженную в виде антропогенных ландшафтов или антропизированных экогеосистем. Под последними, согласно Б.В. Виноградову (1984), понимают порожденные деятельностью человека растительные сообщества, модификации почв, плантации агроценозов и другие антропогенные геосистемы. По структурному (иерархическому) уровню организации «группа ТС» соответствует национальному или региональному уровню.
Следующей таксономической единицей является класс ТС. Состояние технических систем первой группы определяется главным образом их инженерными особенностями (например, промышленная или селитебная ТС), в то время как системы второй группы функционируют преимущественно за счет своей биотической и/или социальной составляющих (например, лесохозяйственная, рекреационная ТС) [52]. Таким образом, по признаку доминирующей роли в функционировании ТС все множество систем в группе «собственно технические системы» составляет класс «инженерно-техническая система», а в группе «квазитехнические системы» – классы «биотехническая система» и «социотехническая система» (таблица 3.1), по уровню организации соответствующие региональному уровню.
Внутри класса обособляются типы ТС, которые выделяются по выполняемым социально-экономическим функциям – горнопромышленные, селитебные, сельскохозяйственные и др. (таблица 3.1). В своем развитии все они подчиняются социально-экономическим законо мерностям [46, 52]. По структурному уровню «тип ТС» может соответствовать как региональному, так и локальному уровню. В зависимости от особенностей хозяйственной деятельности в каждом типе целесообразно выделить виды ТС, различающиеся между собой спецификой функционирования, внутренней структурой или определенным сочетанием элементов ТС, обусловленных либо зональным (географическим) положением территории, либо социально-экономическими и/или социо-культурными предпосылками (например, торфяно-промышленная, лесопарковая ТС) (таблица 3.1). По уровню организации виды ТС соответствуют локальному уровню. В свою очередь, в видах ТС предлагается выделять их разновидност и. За основу обособления разновидностей могут быть приняты прост ранст венное положение технических объектов по отношению к геологической составляющей ЛТС и их функциональная роль в совокупности с признаками, отражающими индивидуальность (например, архитектурно-планировочная организация, однородность внутренней структуры и др.). По пространственному положению технические системы могут быть наземными (А), подземными (Б) и комплексными (В); по функциональной роли – деструктивные, конструктивные, перераспределит ельные, адаптивные и репродуктивные, как в отдельности, так и в сочетании (таблица 3.1). Первые три функции ТС заключаются в извлечении, накоплении и перераспределении вещества и энергии в определенном объеме литосферы или от одного объема к другому. Эти функции присущи всем техническим системам. Адаптивные и репродуктивные же функции характерны лишь для квазитехнических систем и заключаются либо в приспособлении к новому качеству техногенно-преобразованных природных условий, либо в способности в циклическом режиме создавать искусственные антропогенные условия для существования ЛТС [52]. В отличие от видов, разновидности ТС могут соответствовать как локальному, так и элементарному уровню организации. Наряду с выделенными таксономическими единицами в классификации отражены структурные элементы, время «жизни» ТС, а также их вероятные воздействия на геологическую среду и интенсивность (таблица 3.1). Приведенная классификация является наиболее полной и информативной. Она учитывает как генетический подход к изучению ТС, так и высокую степень детализации их структуры, уровни организации и функционирования систем. Кроме того, в процессе своего существования различные ТС воздействуют на геологическую среду, как правило, комплексно. Однако, пользуясь разработанной классификацией, эти воздействия могут быть расчленены на отдельные составляющие для их последующего анализа, оценки и отражения на картографических моделях (рисунок 3.1).В сопоставлении с типами инженерно геологических обстановок (рисунок 2.15, таблица 2.4) классификация ТС (таблица 3.1, рисунок 3.1) позволяет выполнить инженерно-геологическую типизацию литотехнических систем, функционирующих на территории Белоруссии, а также охарактеризовать территориальную инженерно геологическую специфику проявления техногенеза, являющегося следствием сочетания ЛТС (таблица 3.2, рисунок 3.2). Данные типизации ЛТС свидетельствуют о том, что различным инженерно-геологическим структурам свойственно определенное размещение разных по назначению и степени развития литотехнических систем. В тоже время особенности такого распределения ЛТС послужили условиями для крайне неравномерной техногенной трансформации геологической среды. Установлено, что наибольшей преобразованности геологической среды подверглись территории инженерно-геологических областей, где в техническом плане размещены крупные населенные пункты, горнопромышленные и промышленные предприятия, а в геологическом отношении широким распространением пользуются краевые ледниковые образования, участки неглубокого залегания глинистых и карбонатных отложений, пород кристаллического фундамента, подземных вод, долины крупных рек и торфяники (рисунок 3.3). Нередко на таких участках геологическая среда приобрела качественно новые состояние и свойства [46].
Информация, моделирование и прогноз в системе мониторинга ЛТС
Ранее отмечалось, что в основе мониторинга ЛТС, как и любой другой системы, лежат процессы получения информации о системе, ее состоянии и режиме функционирования, а также процессов, происходящих в ней. Информацию, используемую в мониторинге ЛТС, по источнику, степени обобщения и времени ее получения принято разделять на априорную и апостериорную [38, 200]. Априорная информация, или, как еще нередко ее называют, начальная, представляет собой совокупность заранее известных сведений о параметрах литотехнической системы (ее структуре, типе, конструкции, характере взаимодействий, свойствах и состоянии геологической среды), полученных путем обработки архивной и фондовой информации, а также результатов рекогносцировочных инженерно-геологических работ на стадиях планирования и проектирования ЛТС [38].
Особенностью данной информации является то, что в ней изначально закладываются сведения о критериях оптимальности и ограничениях при функционировании ЛТС, выраженные в виде выбора методов воздействий, установления нормативных нагрузок и нормативных показателей параметров компонентов системы.
Использование априорной информации позволяет прогнозировать в ближайшем и отдаленном времени поведение ЛТС, ее структуру, режим и состояние. В тоже время у априорной информации имеется существенный недостаток, заключающийся в том, что, будучи полученной заранее, она затем не только не обновляется (приобретает статичный характер), но вследствие различных случайных изменений, всегда существующих в реальных условиях, теряет свою достоверность.
Данный недостаток априорной информации компенсируется, как правило, получением апостериорной (текущей или оперативной), которая извлекается в результате наблюдений за изменениями состояния и свойств ЛТС и происходящих в ней процессов в различные моменты времени в периоды создания и эксплуатации системы. Использование апостериорной информации о текущем состоянии ЛТС позволяет осуществлять оценку и прогноз его изменения в пространственно-временных границах и тем самым обеспечивать оптимизацию управления этой системой [38].
Среди указанных видов информации в мониторинге ЛТС особое место принадлежит инженерно-геологической, которая в совокупности с информацией технического и технологического характера составляет основу для разработки инженерно-геологических прогнозов взаимодействия технической и геологической составляющих ЛТС с последующей выработкой геологически обоснованных управленческих решений для оптимизации функционирования данных систем. Инженерно-геологическая информация, по Г.К. Бондарику [17], – это сведения о структуре и свойствах геологической среды и процессах ее движения, отбираемые и используемые для оценки ее современного состояния и прогноза взаимодействия с другими средами, в том числе с искусственной средой (сооружения и другие продукты человеческой деятельности). Другими словами, под инженерно-геологической информацией следует понимать сведения о компонентах инженерно-геологических условий и об их изменениях. Эти сведения используются для оценки современного состояния геологической среды и прогноза развития инженерно-геологических процессов (рисунок 4.2).
Инженерно-геологические исследования всегда предназначены для информационного обслуживания процессов, связанных с ЛТС [16, 17]. Вследствие этого инженерно-геологическую информацию можно определить как сведения о геологической среде и ее движении, получаемые при производстве инженерно-геологических работ в целях обеспечения оптимального функционирования ЛТС различного иерархического уровня, вплоть до глобального.
Процесс управления ЛТС требует отвечающего его целям качественного информационного обеспечения. По выражению Г.К. Бондарика [16], используемая информация должна быть обоснованной с точки зрения ее соответствия принятым критериям эффективности функционирования ЛТС. Это определяется тремя показателями: качеством информации, использованной для оценки и разработки прогноза состояния ЛТС и ее компонентов (подсистем), качеством полученных результатов, а также эффективностью примененных способов получения и обработки информации [19]. При этом параметрами (элементами) качества здесь должны выступать полнота, в том числе количество и объем, оптимальность (необходимость и достаточность), точность, актуальность и достоверность информации, а также своевременность и оперативность ее получения (более подробная характеристика элементов качества информации рассматривается в гл. 5).
Информацию требуемого качества можно получить, только располагая научно-обоснованной режимной сетью наблюдений в системе мониторинга. Пространственно-временной объем режимной сети мониторинга при его создании задается структурой ЛТС и инженерно-геологическими условиями, определяющими основные возмущающие воздействия, управление режимом которых обеспечивает требуемое состояние области взаимодействия геологической и технической составляющих ЛТС, т.е. устойчивость ЛТС к этим воздействиям.
Количество режимных сетей зависит от состояния ЛТС. Чем ближе состояние ЛТС будет находиться к границе области ее существования (по Г.К. Бондарику [19], границе области допустимых состояний системы), тем более высокие требования должны предъявляться к созданию данной сети. В этом случае сеть режимных наблюдений надо создавать в наибольшем объеме. Если окажется, что выход управляемых воздействий за допустимые пределы практически исключен, то объем режимных сетей будет минимален.
Пространственно-временной объем однажды созданной режимной сети мониторинга не остается постоянным. В процессе функционирования ЛТС она меняется. При этом изменения направлены в сторону ее оптимизации, т.е. только для обеспечения режимных наблюдений в объеме, необходимом и достаточном для достижения главных целей мониторинга ЛТС – разработки прогнозов изменений состояния и свойств сферы взаимодействия подсистем ЛТС и принятие на их основе рекомендаций и решений по управлению данной литотехнической системой [38, 200].
Если рассматривать мониторинг ЛТС как информационную систему, обеспечивающую контроль за состоянием и свойствами сферы взаимодействия геологической и технической составляющих ЛТС, результаты которого во многом определяют стратегию землепользования, то сама модель контролируемого пространства входит в мониторинг как подсистема. Она выполняет функции прогнозного моделирования и служит формой отражения состояния изучаемой СВЛ или ЛТС в целом, трансформированного в их логическое, картографическое или математическое изображение с целью прогнозирования и управления [143].
Как известно, методы моделирования широко используются в различных разделах инженерной геологии. При этом используется детерминированное, стохастическое (вероятностное) или смешанное моделирование. Все эти группы моделирования применимы в мониторинге ЛТС. Среди них наибольшее распространение получила подгруппа материального лабораторного моделирования: физическое (метод эквивалентных материалов, тензосетки, центробежного моделирования и др.) и математическое (аналоговое, цифровое и др.) [142, 143]. Расширенный доступ к компьютерной базе позволяет в настоящее время при организации мониторинга широко использовать различные виды математического (аналитическое, имитационное и др.) моделирования с помощью компьютеров в форме вероятностного и детерминированного моделирования. Последнее, как правило, осуществляется на базе компьютерных моделей с применением специальных программ. Сегодня существует достаточно большое количество программных продуктов по различным видам математического моделирования, которые могут вполне успешно использоваться в системах мониторинга. При организации моделирования в системе мониторинга важно уметь создать модель ЛТС, объектов СВЛ и других систем или их элементов, которая способна отражать взаимодействие природной и техногенной составляющих [38, 142]. В этих целях необходимым условием является использование теории системного анализа, в которой существующие понятия «входной и выходной эффекты» вполне применимы к геологической подсистеме или ЛТС в целом. Так, в качестве входного эффекта может рассматриваться любой вид техногенного воздействия на геологическую среду или их комплекс, в качестве же выходных эффектов или выходов – изменения (или отклики), которые претерпевает система. При этом входные эффекты представляют собой внешние факторы по отношению к рассматриваемой системе (техногенная компонента), а выходные эффекты могут быть изменениями ее свойств и характеризоваться комплексом параметров (реакция геологической среды или ЛТС).
Отличие использования моделирования в системе мониторинга ЛТС от других направлений исследований в инженерной геологии состоит в том, что созданная модель ЛТС, или ее части, «работает» в системе мониторинга постоянно, а не направлена на решение какой-либо разовой, единовременной задачи. Это – постоянно действующая модель (ПДМ), непрерывно пополняющаяся новой информацией по мере функционирования всей системы мониторинга. Создание и использование ПДМ является пока единственным и наиболее эффективным способом совершенствования системы управления в области рационального использования и охраны геологической среды территорий, решения всевозможных инженерно-геологических проблем [143]. Постоянно действующая модель ЛТС, по определению В.А. Королева [142] – это набор взаимосвязанных, постоянно уточняющихся в ходе мониторинга условий и факторов, отражающих состояние изучаемой ЛТС, модифицированного в его логическое, картографическое или математическое изображение с целью прогноза функционирования и управления данной ЛТС. Основным назначением ПДМ в системе мониторинга является решение инженерно-геологических и других задач, связанных с оценкой изменения (как природного, так и техногенного характера) геологической среды и ее компонентов, а также прогнозом ее развития. Применение ПДМ обеспечивает упорядочение технологии сбора и обработки поступающей инженерно-геологической информации на основе компьютеров. Постоянно действующая модель в системе мониторинга является частью АИС или особой ГИС. Она строится таким образом, чтобы по каналам связи постоянно имелась бы возможность получения для модели новой исходной информации из банка данных АИС о состоянии моделируемой геологической среды и о техногенных воздействиях на нее. Функционирование ПДМ, таким образом, осуществляется циклически: по мере получения в АИС новых исходных данных они загружаются в ПДМ, и на модели «проигрывается» новый вариант развития моделируемой системы, затем при поступлении новых исходных данных цикл повторяется и т.д. Отсюда следует важное свойство и особенность ПДМ: чем дольше функционирует система мониторинга или чем полнее исходная для моделирования информация, тем «точнее» моделирование, тем ближе модель к моделируемому объекту [142]. 244 Для ПДМ в системе мониторинга ЛТС обычно выбирается главный объект системы – это сфера или область взаимодействия литосферы с технической подсистемой ЛТС. Поскольку собственно СВЛ, точнее ее компоненты – грунты, рельеф, подземные воды, современные геодинамические процессы, способны отражать изменения, которые могут происходить при воздействии технических объектов на геологическую составляющую ЛТС [38]. По существу ПДМ должна быть имитационной моделью ЛТС (СВЛ или ее компонентов), показывающей наиболее существенные связи между составляющими ЛТС объектами и работающая в диалоговом режиме. В более сложном варианте для каждого блока модели разрабатывается своя схема причинно-следственных цепей, или диаграмма потока, входы и выходы которой соединяются системой прямых и обратных связей с другими блоками. В идеальном варианте ПДМ должна решать проблему прогнозного моделирования не отдельных геологических и инженерно-геологических процессов, а их парагенетических совокупностей, элементы которых состоят как из процессов трансформации, так и из процессов переноса вещества и энергии [142]. Несмотря на исключительную сложность построения имитационных ПДМ, концепция их как систем постоянно совершенствующихся позволяет организационно преодолевать эту сложность путем влияния не только на постановку и проведение массовых натурных наблюдений и инженерных изысканий, но и на постановку и проведение научных исследований по разработке моделей. Причем приоритетность осуществления тех или иных исследований определяется конкретными особенностями объекта прогнозирования, принадлежащего к той или иной территории, а также интересами развития ее хозяйственного комплекса [143].
