Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние железных дорог России 26
1.1. Понятие безопасность природно-технических комплексов 27
1.2. Анализ аварий и аварийных ситуаций 32
1.3. Причины аварийности 35
Глава 2. Теоретические основы информационного обеспечения системы предупреждения природно-техногенных аварий 48
2.1. Природно-технические системы (становление и развитие концепци...49
2.2. Природно-техногенные процессы как фактор аварийности 56
2.3. Природно-техногенные процессы как фактор дестабилизации экологического состояния окружающей среды 72
Глава 3. Аэрокосмическое зондирование природно-технических систем 89
3.1. Аэрокосмическое зондирование как направление в системе обеспечения безопасности природно-технических систем 90
3.2. Система методов наземного обоснования данных аэрокосмического зондирования 118
3.3. Дистанционный анализ критических ситуаций при железнодорожном строительстве на севере Западной Сибири 131
Глава 4. Геоинформационные технологии в системе предупреждения природно-техногенных аварий железных дорог в районах нефтегазодобычи в криолитозоне 166
4.1. Общие представления о ГИС- технологиях 167
4.2. Структура и информационные ресурсы ГИС 181
4.3. Компьютерная обработка информационных ресурсов при создании электронных карт 189
Глава 5. Анализ риска природных и техногенных опасностей 201
Глава 6. Геотехнический анализ 221
Глава 7. Геоэкологический анализ 238
Глава 8. Организация информационного обеспечения системы предупреждения природных и природно-техногенных аварий 265
Основные выводы и результаты диссертационных исследований 278
Список литературы 293
Обоснование технико-экономической эффективности внедрения диссертационных разработок 316
Справки о внедрении 319
- Анализ аварий и аварийных ситуаций
- Природно-техногенные процессы как фактор аварийности
- Система методов наземного обоснования данных аэрокосмического зондирования
- Структура и информационные ресурсы ГИС
Введение к работе
Актуальность работы
Тревожное состояние многих инженерных сооружений России поставило перед обществом проблему предупреждения аварий и катастроф и их негативного воздействия на окружающую среду. Особенно актуальна эта проблема в северных районах России, где уровень техногенного воздействия на природную среду, в связи с чрезвычайно высокими объемами нефтегазового и транспортного строительства достиг такой фазы, когда дальнейшее освоение этих районов, без проведения специальных исследований по паспортизации устаревших сооружений и конструкций, оценке их остаточного ресурса и степени опасности их дальнейшей эксплуатации для природы и общества чревато возникновением аварий и катастроф.
Железные дороги являются стержневой основой транспортной инфраструктуры месторождений нефти и газа, без которой невозможно решение экономических, производственно-технических и социальных проблем, связанных с освоением месторождений, в том числе и технических параметров линейных коммуникаций, формирующих инфраструктуру нефтегазовых месторождений, включающую в себя автомобильные дороги, трубопроводы и ЛЭП.
В настоящее время на территории Тюменского Севера - основной производственной базы нефтегазового комплекса России, функционирует более
1000 км. железных и 10 000 км автомобильных дорог. Анализ условий их эксплуатации показал, что далеко не всегда их строительство осуществлялось с учетом реальных природных закономерностей криолитозоны. В ряде случаев, в связи с недостатком информации о природных условиях местности, требуемой для обоснования проектных решений, допускались ошибки в размещении сооружений и в выборе конструкций, в результате чего возникали и продолжают возникать аварии, ликвидация которых сопряжена со значительными затратами.
В условиях севера Западной Сибири значительная часть аварий при строительстве и эксплуатации железных дорог (равно как и других линейных сооружений) происходит в результате техногенного нарушения теплообмена в ландшафтах, последствиями нарушения чего является резкое изменение условий поверхностного и подземного стока, свойств грунтов, вызывающих просадки оснований и подтопление сооружений, ползучесть оттаявших грунтовых масс, приводящих к деформациям верхнего строения пути и насыпей, водопропускных труб, опор притрассовых ЛЭП и транспортных зданий. При возникновении аварий подвижного состава и трубопроводов (как правило, прокладываемых в единых коммуникационных коридорах с железными и автомобильными дорогами) нередко происходит химическое загрязнение ландшафтов и как результат всего этого, снижение их ресурсного потенциала. Поэтому главной задачей в области обеспечения безопасности при строи-
тельстве и эксплуатации железных дорог является предупреждение развития этих опасных процессов с целью предотвращения аварий.
Однако решение этой задачи в условиях протяженных трасс железных дорог, построенных и эксплуатируемых в суровых и труднодоступных ланд-шафтно-климатических условиях может быть эффективным только при использовании новых современных технологий, позволяющих обеспечить в минимальные сроки максимально полные и достоверные данные о состоянии взаимодействия инженерных сооружений с компонентами природной среды и информационно обосновать эффективные проектные решения по инженерной защите железнодорожных сооружений и окружающей среды.
Актуальность темы диссертации определяется необходимостью принятия кардинальных мер по блокированию дальнейшего нарастания аварий и катастроф при строительстве и эксплуатации железных дорог.
Цель и задачи диссертационной работы
Эффективность блокирования дальнейшего нарастания аварий и катастроф в сфере строительства и эксплуатации железных дорог в значительной степени зависит от полноты, достоверности, оперативности и своевременности информационного обеспечения проектировщиков, строителей и эксплуатационников о состоянии взаимодействия железнодорожных сооружений и природной среды на всем протяжении трассы железной дороги.
В настоящее время, в связи с большим протяжением железнодорожных трасс в криолитозоне России, суровыми природно-климатическими условиями в которых осуществляется их строительство и эксплуатация, недостатком финансовых средств и оттоком кадров из северных районов, решение этой проблемы на основе традиционных технологий не может обеспечить требуемой эффективности в системе предупреждения аварий.
Необходимо создание и скорейшее внедрение в практику прогрессивных методов и технологий, способных обеспечить должный современный уровень информационного обоснования системы безопасности на всех стадиях создания и функционирования железных дорог.
Целью диссертационной работы является создание научных основ нового подхода к информационному обоснованию предупреждения природно-техногенных аварий и катастроф при строительстве и эксплуатации железных дорог в криолитозоне, базирующегося на применении аэрокосмических и геоинформационных технологий, способных обеспечить требуемые для блокирования нарастания аварий и катастроф полноту, точность, достоверность, оперативность и своевременность получения данных о состоянии взаимодействия инженерных сооружений и природной среды на всем протяжении железнодорожных трасс.
В соответствии с поставленной целью предстояло решить ряд следующих задач, в том числе:
проанализировать состояние проблемы, дать оценку уровня ее решения в трудах отечественных и зарубежных исследователей и определить нерешенные задачи;
определить роль природно-техногенных процессов в системе аварий и катастроф на железных дорогах и дать их типизацию с учетом факторов их возникновения, форм проявления, интенсивности воздействия на инженерные сооружения, масштабов причиняемого ущерба и возможности использования для их фиксации, классифицирования, оценки опасности и предупреждения вызываемых ими аварий методов аэрокосмического зондирования.
разработать:
теоретические положения в области предупреждения природно-техногенных аварий, определяемые возможностями применения методов аэрокосмического зондирования;
технологию применения методов аэрокосмического зондирования в системе предупреждения природно-техногенных аварий;
принципы создания и структуру базы данных в системе предупреждения природно-техногенных аварий на основе геоинформационных технологий;
методологию информационного обеспечения предупреждения природно-техногенных аварий на разных стадиях создания и функционирования железных дорог;
- организационную структуру информационного обеспечения системы предупреждения природно-техногенных аварий с применением аэрокосмического зондирования, наземных методов обследования состояний взаимодействия инженерных сооружений и природной среды и последующим созданием геоинформационных систем.
Исходный материал
Диссертация написана по материалам работ, проведенных автором с 1988 по 2000 г. в ДАО «ВНИПИГАЗДОБЫЧА» ОАО «ГАЗПРОМ» (до 1992г. - «ВНИПИГАЗДОБЫЧА») и ЗАО «Научно-производственный центр «Экология, Мониторинг, Окружающая среда (НПЦ ЭМОС) » при разработке геокриологического и геоэкологического обоснования проектов транспортной инфраструктуры в системе обустройства ряда газоконденсатных (ГКМ) и га-зонефтеконденсатных (ГНКМ) месторождений Тюменской области, главным образом на территории Надым-Пур-Тазовского междуречья и на п-ове Ямал.
В составе этих работ лабораторией аэрокосмических методов изысканий ЦНИИС (с 1991 г - НПЦ «Аэроизыскания») по Техническим заданиям, разработка которых осуществлялась с участием соискателя выполнялось комплексное аэрокосмическое зондирование по трассам проектируемых, строящихся и эксплуатируемых коридоров коммуникаций (железных и авто-мобильных дорог, трубопроводных систем) в зонах освоения ГНКМ, а также наземные изыскательские полевые работы, проводимые под руководством и при личном участии соискателя. Обработка всех материалов осуществлялась
соискателем совместно с сотрудниками ЦНИИС. Автоматизированная обработка данных осуществлялась соискателем на аппаратурной базе информационно-вычислительного центра «ВНИПИГАЗДОБЫЧА» и ЗАО НПЦ «ЭМОС».
В качестве базовых объектов, на которых проводились экспериментальные работы, были определены различные участки железных дорог «Ягельная-Ямбург», «Коротчаево-Пангоды-Надым» (на разных стадиях их создания и эксплуатации), пролегающих в зоне эксплуатации Уренгойского, Ямбургского, Юбилейного, Медвежьего ГНКМ.
Наряду с этими объектами, исследования выполнялись по намечаемым коридорам транспортной инфраструктуры зон освоения ряда перспективных месторождений, в структуре которых предполагается строительство железнодорожных сооружений. В частности, исследовались намечаемый транспортный коридор в зоне предполагаемого освоения крупного ГКМ «Заполярное», зона активного освоения Западно-Тарко- Салинского ГКМ, в пределах которого идет строительство подъездных железнодорожных путей и автомобильных дорог, а также зоны транспортного освоения ряда других месторождений, находящихся в стадии проектирования объектов инфраструктуры (Береговое, Северо-Часельское и др.). Автор руководил геоэкологическим и геокриологическим разделами проектов обустройства Бованенковского ГКМ на п-ове Ямал в инфраструктуре которого осуществлялось строительство железной дороги Обская-Бованенково (на участке «Обская-Паюта»), (рис.1).
Месторождения
ставшие объектами исследований
Малыгинское Сядорское
шеутеиское
Нерстинское Нейгинское
ІКПІЧЄСКОЄ
:кое
Нурминское
Тасиїіское
Средне-Ямальское
Малоямальское
Нюлюмуяхинское
Новопортовское
Южио-Гьщанское Адерпаютинские
Тишинское
Парусовое
Харвутинскої
Ныдкнское
деряоинское фшгодское Озерное
Список газовых месторождений
Надымское
Верхненадымское
К 74.1 75,1 76. Г 77.(
Верхнепурпейное
Суторминское
Нижнехетинское
Хальмерпаютинское
;рно-1арасовское зское
Юрхаровское
3. Еты-Пурское
ккое
Тагринское
Варьеганское
Западно-91
Охтеурьевское
Ввдное
Пинторовское
Тутлымское
Самбургское Южно-Самбургское
Непонятное Восточно-Уренгойчкое
59.
63. 64.
97. Таняунинское
Усть-Часельское Верхнечасельское
Харампуровское
'Быстринское )0. Северно-Казымское
Южно-Харампурское
Ево-Яхинское
)Ы транспортных коммуникаций
- СРТО - Урал
- Ямбург - Центр
-Уренгой-Помары
-Мессояха-Норильск
-Ямал-Центр
Рис, 1. Схема объектов исследований
В распоряжении соискателя были разнообразные материалы аэрокосмического зондирования, в том числе многозональные и тепловые инфракрасные аэроснимки, выполненные по ряду объектов повторно, с интервалом 4-5 лет (линии «Ягельная-Ямбург», «Обская-Бованенково»). Материалы разных лет позволили оценить динамику взаимодействия железнодорожных сооружений и природной среды под влиянием строительства и эксплуатации, обосновать прогнозные данные и рекомендовать мероприятия по предупреждению аварий. Для сравнительного анализа возможностей АКЗ в работе применялись также аэрокосмические снимки других районов криолитозоны России, в частности Якутии, северного Прибайкалья и Забайкалья, где автор принимал участие в проектно-изыскательских работах по обустройству ряда нефтегазовых и рудных месторождений.
В период с 1998 по 2002 гг. соискатель занимался разработкой геоинформационной системы состояния взаимодействия инженерных сооружений и природной среды районов нефтегазодобычи Тюменской области, в которой железные дороги являются неотъемлемым элементом. Все перечисленные выше материалы и данные послужили основой для написания диссертационной работы.
Предмет защиты
В диссертации разработана научная концепция информационного обеспечения предупреждения природно-техногенных аварий в состоянии строящихся и эксплуатируемых железных дорог севера Западной Сибири.
Разработанная научная концепция базируется на теоретических представлениях о природно-технических системах (ПТС) и представляет собой совокупность научных положений в области теории, технологии, методологии и организации информационного обеспечения предупреждения природ-но-техногенных аварий в состоянии ПТС.
Теоретические положения защищаемой концепции связаны с обоснованием понятия критические ситуации в состоянии ПТС и структуры информационного обеспечения их предупреждения.
В основу технологических положений этой концепции положено аэрокосмическое зондирование (АКЗ) в сочетании с наземными экспресс-методами оценки взаимодействия инженерных сооружений и окружающей среды с последующим созданием специализированной геоинформационной системы, направленной на предупреждение природно-техногенных аварий. Методологически разработанная концепция реализуется в системе проведения:
анализа риска природных и техногенных опасностей на стадиях пред-проектных и проектных разработок;
геотехнического анализа на стадиях строительства и эксплуатации сооружений;
геоэкологического анализа на всех стадиях создания и функционирования сооружений;
- организация информационного обеспечения предупреждения природ-
но-техногенных аварий обеспечивается проведением комплексного
^ (геотехнического и экологического) мониторинга ПТС на всех стадиях
их создания и функционирования.
Защищаемые положения и их научная новизна
В теории
1. Обосновано понятие «критические ситуации в состоянии ПТС» под
которыми предложено понимать совокупность всех видов и стадий наруше
ния устойчивости состояний ПТС, приводящих (способных привести) к на
рушению их нормального функционирования.
2. В системе критических ситуаций предложена и экспериментально
* исследована новая категория - предаварийные ситуации под которыми соис
катель понимает такие состояния ПТС, при которых природная их состав
ляющая стремится нарушить устойчивость технической составляющей, од
нако никаких признаков такого нарушения в техническом состоянии соору
жений на момент фиксации данной ситуации не имеется.
В качестве их индикаторов служат начальные формы проявления опасных природно-техногенных процессов, которые на протяженных трассах железных дорог криолитозоны могут выявляться только с помощью методов АКЗ. Выявление предаварийных ситуаций делает предупреждение аварий реальным.
3. Обосновано, что информационное обеспечение предупреждения
критических ситуаций в состоянии ПТС на различных стадиях создания и
функционирования железных дорог:
имеет иерархическую структуру, определяемую стадийностью критических ситуаций, рациональными технологиями и методами выявления, мероприятиями по предотвращению перерастания в последующий вид или стадию критической ситуации и мерами по предотвращению ущерба;
базируется на широком применении аэрокосмических и геоинформационных технологий, в сочетании с наземными обследованиями состояния ПТС, что позволяет своевременно выявлять предаварийные и аварийные ситуации и тем самым, предотвращать их дальнейшее перерастание в природ-но-техногенные аварии;
определяется возможностями своевременного выявления признаков и показателей, устанавливающих возможность перехода предаварийных ситуаций в аварийные и аварийных ситуаций в аварии. (Установлены пространственно-временные закономерности и индентификационные признаки возникновения предаварийных и аварийных ситуаций).
В технологии
4. Технология выполнения АКЗ варьирует в зависимости от стадийно
сти строительного цикла и решаемых задач. Апробированы вариации АКЗ,
выполняемого в широких электромагнитном и высотном диапазонах на раз-
ных стадиях создания и эксплуатации железных дорог в условиях северной части криолитозоны России.
Структура локальной ГИС предупреждения природно-техногенных аварий железных дорог предусматривает три взаимосвязанных блока, формирующих базу данных: входящая информация - электронные карты -формирование оценок и прогнозов. База данных имеет многоуровневый характер формирования, обеспечивающий анализ динамики и обоснование прогнозов состояния ПТС в процессе строительства и эксплуатации сооружений.
Основу базы данных ГИС составляет автоматизированная картографическая система, формируемая на всех стадиях создания и эксплуатации ПТС, включающая в себя комплекс специализированных цифровых карт, содержащих прогнозно-оценочную информацию о динамике ее состояния за период строительства и эксплуатации и рекомендации по инженерной защите.
В методологии
7. Информационное обеспечение предупреждения приро дно-
техногенных аварий реализуется посредством:
- оценки социально-экологического риска природных и природно-техногенных опасностей, выполняемая на предпроектных и проектных стадиях;
геотехнического анализа состояния строящихся и эксплуатируемых железных дорог;
геоэкологического анализа, выполняемого на всех стадиях создания и функционирования железных дорог.
Проведение этих исследований базируется на широком использовании данных АКЗ и наземных обследований. Результаты оценочных исследований представляются в виде специализированных разномасштабных карт, составляемых в автоматизированном режиме, являющихся одним из основных компонентов базы данных ГИС.
В организации системы предупреждения природно-техногенных аварий 8. Организация информационного обеспечения имеет иерархическую структуру, определяемую стадийностью критических ситуаций, рациональными технологиями и методами вьювления, мероприятиями по предотвращению перерастания в последующий вид или стадию критической ситуации и мерами по предотвращению ущерба.
Предложенные и обоснованные научные положения применительно к строительству и эксплуатации железных дорог и других линейных сооружений в криолитозоне являются новыми.
Практическая значимость и внедрение результатов
Разработки соискателя представляют собой научную основу выполнения специальных исследований, которые необходимы на трассах проекти-
руемых, строящихся и эксплуатируемых железных дорог криолитозоны России.
На проектируемых железнодорожных линиях эти исследования должны быть направлены на обоснование проектных решений по обеспечению безопасности создаваемой ПТС, что реализуется при многовариантных проработках, оптимизации трассирования и размещении инженерных сооружений на местности.
На строящихся и эксплуатируемых линиях эти исследования должны быть связаны с паспортизацией и оценкой состояния железнодорожных ПТС, выявлением предаварийных и аварийных ситуаций, определением природно-техногенных и техногенных факторов их формирования, обоснованием мер и инженерных решений по предотвращению их перерастания в аварии.
В настоящее время при полном отсутствии методических руководств и пособий по организации и проведению таких исследований, выполняемых с широким применением аэрокосмических и геоинформационных технологий, научные разработки, выполненные в диссертации заполняют своеобразный вакуум и обеспечивают возможность выполнения широкомасштабных исследований.
Разработки автора положены в основу создания ГИС предупреждения природно-техногенных аварий в рамках региональной программы экологической безопасности объектов нефтегазодобычи на территории Тюменской области. В инфраструктуре этих объектов соискатель всесторонне исследовал
состояние ПТС железных дорог «Ягельная-Ямбург», «Коротчаево-Пангоды»,
«Обская-Бованенково» ( на участке «Обская-Паюта»), а также магистральных
ft и внутрипромысловых автомобильных дорог, трубопроводов и притрассовых
ЛЭП, являющихся составными элементами коммуникационных коридоров (проектирующихся, строящихся и функционируемых) в системе объектов обустройства ГКМ: Заполярное, Уренгойское, Бованенковское, Западно-Тарко-Салинское, Юбилейное, Южно-Русское, Береговое, Северо-Часельское.
Генеральными заказчиками этих работ и потребителями разработок соискателя являлись Управления строительства и реконструкции железных, автомобильных дорог и ЛЭП Производственных объединений «Уренгойгаз-пром», «Сургутгазпром», «Надымгазпром», «Ямбурггаздобыча», «Нефтегаз-технология».
В диссертации приведены соответствующие документы, подтверждающие внедрение разработок соискателя (стр. 319-346).
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:
- Российско-Американском симпозиуме по нормированию в транспорте и распределении газа в г. Саратове, в 1995 г.;
Научно-техническом совете РАО «ГАЗПРОМ» по проблемам рекультивации земель на объектах газовой промышленности в г. Саратове, в 1995г.;
Научно-практической конференции «Охрана окружающей среды в районах Тюменского севера», в г. Тюмени, в 1996 г.;
4-ой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», в г. Санкт-Петербурге, в 1999 г.;
Межведомственной научной конференции «Геологические науки-99» в г. Саратове, в 1999 г.;
2-ой Всероссийской научно-практической конференции «Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях» в г. Нижневартовске, в 1999 г.
Международной научно-практической конференции «Охрана атмосферного воздуха: Системы мониторинга и защиты» в г. Пензе в 1999г.;
7-ой международной конференции «Проблемы научно-технического обеспечения нефтеперерабатывающего и нефтехимического комплекса» в г. Уфе в 1999 г.;
4-ой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», в г. Санкт-Петербурге, в 1999 г.;
- Международном экологическом конгрессе в рамках IV экономического
форума в г. Санкт-Петербурге, в 2000 г.;
Общероссийской конференции «Оценка и управление природными рисками (Риск- 2000)», в г. Москве, в 2000 г.;
Научно-технической конференции «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов» в г. Москве, в 2003 г.;
Заседаниях секций строительства железных дорог и Комплексных транспортных проблем Ученого совета ОАО ЦНИИС в 1997,1998 и 2003 гг.
Личный вклад автора в решение проблемы
Автор являлся руководителем и ответственным исполнителем научно-исследовательских и проектно-изыскательских работ на всех рассмотренных в диссертации объектах разработки и внедрения. Эти исследования он выполнял, работая в должностях старшего научного сотрудника, главного эколога, заведующего научно-исследовательской лабораторией мониторинга природно-технических систем объектов газодобычи института «ВНИПИ-Г A3 ДОБЫЧА», главного инженера проектов обустройства газоконденсатных месторождений ОАО «ГАЗПРОМ».
Публикации
Основные положения диссертации изложены в 35 публикациях, в том числе в 2-х монографиях, 4-х брошюрах, 29 статьях и докладах.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех частей, разбитых на 8 глав и 15 параграфов, заключения, списка литературы, приложений. Содержит 370 стр., в том числе: текста 318 стр., рисунков 37, таблиц 17, список литературы включает 175 наименований. В конце диссертации приведены документы, обосновывающие и подтверждающие внедрение разработок соискателя и полученный при этом технико-экономический эффект. Папка приложений включает в себя аннотированные материалы АКЗ по объектам, рассмотренным в диссертации и фрагменты цифровых прогнозно-оценочных карт состояния исследуемых объектов в системе ГИС.
ЧАСТЬ I. ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ КРИОЛИТОЗОНЫ
Анализ аварий и аварийных ситуаций
Динамика аварий и катастроф в состоянии инженерных сооружений России за последнее десятилетие проанализирована в работе А.Б. Эпова (1994). Автор этой работы пришел к выводу, что в России аварии происходят каждый день, три раза в день утром, днем и вечером. Согласно статистическим данным, только вследствие техногенных аварий и катастроф ежегодно в стране получают увечья свыше 250 тыс. чел., погибают свыше 50 тыс. чел., материальный ущерб достигает 15% национального дохода.
По данным Госгортехнадзора России ежегодно в стране происходит от 350 до 400 аварий, суммарный ущерб, от которых составляет десятки миллионов рублей. В частности, например, в 1993 г. произошло 398 аварий, материальный ущерб, от которых превысил 15 млрд. неденоминированных рублей, а в 1999 г по данным этой же организации - 360 аварий (Васильчук 1994). При этом наиболее тяжкие по последствиям аварии происходят на предприятиях химической промышленности, объектах энергетики, в системе обустройства и эксплуатации нефтегазовых месторождений, в том числе на трубопроводах и на железнодорожном транспорте.
Поскольку соискатель предметом своего исследования определил сооружения железнодорожного комплекса, то данные об аварийности в состоянии железных дорог будут превалировать в настоящей работе, как в качестве иллюстраций, так и фактического материала, обосновывающего научные разработки. Тем не менее, для сравнения будут привлекаться и данные о состоянии других линейных сооружений криолитозоны, поскольку в большинстве случаев их строительство осуществляется в комплексе путем создания транспортных (коммуникационных) коридоров, включающих в себя железные и автомобильные дороги, трубопроводы и линии электропередач. Поэтому весьма часто критические ситуации, возникающие в состоянии, например трубопровода, в равной степени характерны и для других сооружений коммуникационного коридора. Но начнем анализ аварийности все же с железных дорог. Обратимся к официальной статистике.
В частности, например в 1993 г. при железнодорожных перевозках грузов произошло 20 крушений и аварий поездов и более 3-х тысяч других инцидентов, в том числе с утечками углеводородных фракций, нефтепродуктов и химических веществ. МПС России в 1999 г. опубликовало данные о состоянии железных дорог. Из 125 тыс. км развернутой длины магистральных трасс 18,9 тыс.км выработали свой ресурс. Требует замены 26,7 млн. шпал. Более четверти вагонного парка также выработало свой ресурс. Около 30% мостов находятся в эксплуатации с превышением нормативных сроков службы. Поэтому вполне закономерно то, что с 1990 по 1999 гг. число железнодорожных аварий и катастроф увеличилось в 3,5 раза. В условиях севера Западной Сибири источником повышенной аварийной опасности часто являются газо - и нефтепроводы, часто пересекающиеся с железнодорожными и автодорожными линиями или же следующие с ними в едином коммуникационном коридоре. По данным соискателя, только на территории Надым-Пур-Тазовского междуречья в пределах Тюменской области насчитывается 75 подобных пересечений, многие из которых находятся в предаварийном состоянии, поскольку построены при недостаточном учете сложных природных условий, а в ряде случаев, с нарушением геотехнологических норм. Эти случаи достаточно широко рассмотрены в литературе, в том числе и в работах соискателя (Ревзон, 1989,1992,1996 ; Камышев, 1999 а,б, в; 2000 а).
Состояние магистральных трубопроводов на Севере России весьма плачевное, что отмечается в публикациях специалистов нефтегазовой отрасли. По опубликованным данным в настоящее время более 40% газопроводов находится в эксплуатации 20 лет и более. Установленный ресурс 33 года выработали 17% газопроводов (по протяженности), 18% газопроводов работает при ограничениях по рабочим давлениям из-за коррозионного повреждения труб. При этом остро стоит проблема массовой гидроизоляции газопроводов полимерной лентой. В ближайшие 5-Ю лет следует ожидать роста аварийности газопроводов, которая может достичь 40-45 аварий в год. Для сравнения отметим, что в последние годы средний показатель аварийности на трубопроводах составляет 7-9 аварий в год (Ракитина, 1998).
По причинам возникновения аварии до недавнего времени подразделялись на техногенные и природные. Техногенные аварии происходят в результате конструктивных недостатков оборудования, нарушений персоналом технологии строительства и эксплуатации сооружений и оборудования или же несоответствия предельных психофизиологических возможностей персонала мощности и сложности технической системы. Применительно к строительству определено, что наиболее массовые причины отказов технических систем (сооружений) определяются качеством: - стройматериалов; - проектных решений; - строительства; - эксплуатации; - диагностики состояния конструкций с оценкой исходного промежуточного и остаточного ресурса; - систем оповещения и ограничения последствий при авариях. Природные факторы возникновения аварий связываются с воздействием на технические системы (сооружения) опасных природных процессов (климатических, гидрологических, геологических), развивающихся стихийно, без участия человека и его производственной деятельности. К ним относятся землетрясения, лавины, наводнения, ураганы, снегопады, оползни, обвалы, сели и др. Большая часть этих процессов характеризуется высокими скоростями и большими масштабами разрушений, нередко сопровождающимися человеческими жертвами.
Вместе с тем, среди опасных природных процессов, вызывающих критические ситуации в состоянии сооружений и окружающей среды существует группа процессов, развитие которых не всегда отличается высокими скоростями и быстротечностью характерной, например, для селей или лавин. Они развиваются медленно, столетиями накапливая напряжение тектонически ослабленных горных пород. Это способствует проникновению через многочисленные системы тектонических трещин флюидов из глубоких горизонтов, нарушая прочностную структуру поверхностных горных пород, подготавливая их к возможным деформациям, смещениям и изменению теплового режима и обводненности. Это часто является причиной возникновения или интенсификации природных процессов, развитие которых связано с гравита-циоными силами и изменчивостью физико-механических и водно-физических свойств горных пород. К ним относятся наледи, заболачивание и ряд других процессов.
Природно-техногенные процессы как фактор аварийности
От того, какое влияние будет испытывать инженерное сооружение со стороны внешних воздействий и насколько это сооружение способно противостоять им, зависит устойчивость ПТС, определяемая с одной стороны динамичностью ее природной составляющей, а с другой уязвимостью технических элементов этой системы. Решение проблемы устойчивости ПТС находится в поле зрения изыскателей, проектировщиков, строителей и эксплуатационников уже не одно десятилетие. И, тем не менее, они до сих пор остаются в числе наиболее актуальных проблем.
Во многом это связано с состоянием изученности опасных процессов, протекающих в ПТС, то есть в сфере взаимодействия инженерных сооружений и компонентов природы - земной коре, гидросфере, биосфере и атмосфере или в ландшафтах Земли как природно-территориальных комплексах, возникающих в результате взаимодействия процессов, развивающихся в этих сферах.
Несмотря на достаточно широкий спектр законченных исследований в данном направлении, охватывающий вопросы классификации этих процессов, механизмов их развития и активизации, методов изучения, оценки и прогнозирования, количество аварий и катастроф и тяжесть их последствий для инженерных сооружений и окружающей среды не уменьшаются. Об этом свидетельствуют проводимые различными исследователями и упомянутые нами в главе 1 данные об ущербе, связанном с влиянием на инженерные сооружения опасных природных процессов, а также с ошибками проектировщиков, строителей и эксплуатационников.
Среди большой группы неблагоприятных для строительства и функционирования инженерных сооружений процессов, развивающихся (затухающих, стабилизировавшихся, активизировавшихся) в ландшафтах, в настоящее время, большинство исследователей выделяет три группы: природные, техногенные и природно-техногенные (здесь мы отказываемся от деления опасных природных процессов на геологические, гидрогеологические, метеорологические и др., полагая, что в ряде случаев их невозможно разграничить). При этом необходимо проанализировать смысл, вкладываемый в эти понятия.
Если в трактовке понятий природные и техногенные процессы среди специалистов уже несколько десятилетий не существует разногласий, то термин природно-техногенные процессы не является общепринятым. Существуют различные синонимы (антропогенные, антропогенно-природные, тех-ноприродные), которые все же имеют некоторые нюансы, позволяющие отличать их толкования друг от друга. В основе имеющегося общего понимания между этими терминами лежит концепция техногенеза, истоки которой связываются с работами В.И Вернадского и А.Е Ферсмана, впоследствии развитой в трудах российских географов и геологов (Котлов, 1978; Мильков, 1978; Молодкин, 1995; Рагозин, 1993 а,б,в; Сварическая, Лутовинов, 1981; Сидоренко, 1967). Различаясь по терминологии, специалисты, занимавшиеся этой проблемой, к концу XX века пришли к единому пониманию ее концептуальной сути, позволившей к настоящему времени определить следующие, теперь уже разделяемые многими учеными и практиками, позиции, а именно: 1. Природные процессы происходят без вмешательства человека. 2. Техногенные процессы развиваются только после вмешательства человека в природную среду . 3. Далеко не всегда удается разграничить эти процессы, поэтому введена категория природно-техногенных процессов для обозначения группы разнообразных геологических, гидрологических и метеорологических процессов, обусловленных деятельностью человека, то есть техногенных процессов, имеющих природные аналоги (Сваричевская, Лутовинов, 1981).
Деятельность человека здесь выступает в качестве причины, возбуждающей процесс, иногда сознательно направляющей, чаще же развивающейся стихийно. Поэтому природно-техногенные процессы целесообразно разделять на управляемые и стихийные (Сваричевская З.А., Лутовинов И.Л., 1981).
Управляемые природно-техногенные процессы (или регулируемые) полностью прогнозируемы человеком при соблюдении технологии создания и эксплуатации объектов хозяйственной деятельности и применении информационных и технических способов управления. Например, процессы подто пления сооружений в криолитозоне в значительной части связаны с их неправильным размещением, ошибками проектирования мероприятий и средств инженерной защиты сооружений и нарушениями строительных технологий.
Стихийные (неуправляемые) природно-техногенные процессы выражаются в оседании поверхности при откачках воды, нефти и газа, подземном строительстве, термопросадках оттаявших грунтов и т.п. Подобное разделение природно-техногенных процессов необходимо учитывать при проведении хозяйственной деятельности, что осуществляется весьма редко, чем наносится серьезный ущерб состоянию природно-технических систем. Среди них весьма опасны мерзлотные процессы, резко активизирующиеся под влиянием техногенного воздействия на ландшафты криолитозоны в том числе: термокарст, пучение грунтов, термоэрозия, заболачивание с последующим подтоплением сооружений, наледообразование, солифлюкция. В табл.3 обобщены современные представления о природно-техногенных процессах криолитозоны России по данным публикаций В.В. Баулина (1985), Л.С. Гара-гули и др., 1997, Ф. С. Канаева (1994), В.Г Кондратьева (1998), В.О. Орлова и др., (1977), А.Л. Ревзона (1992), В. Т. Трофимова (1986, 1998), Ю.Л. Шура (1985), и результатам исследований последних лет, обобщенных в монографиях соискателя.
Система методов наземного обоснования данных аэрокосмического зондирования
Рассматривая АКЗ, как комплекс методов дистанционного получения контурной информации, мы связываем с наземными методами возможность получения качественных и количественных характеристик, детализирующих внутреннюю структуру контуров, выделяемых по данным дешифрирования материалов АКЗ.
При проведении наземных исследований упор делается на выполнение специальных экспресс-анализов природных компонентов ПТС, с целью получения конкретных цифровых характеристик состояния атмосферы, растительности, почв, грунтов, рельефа, поверхностных и подземных вод. Специальные наземные исследования включают в себя ландшафтные, геохимические и, в случае необходимости (для обоснования ТИКАС), геотермические работы, то есть те, которые не всегда или не в полном объеме выполняются в системе традиционных инженерных изысканий. Остальные данные получают в процессе проведения комплексных инженерных изысканий и привлекаются для обоснования результатов дешифрирования материалов АКЗ. Организационных трудностей решение этой задачи не вызывает в связи с тем, что специальные исследования, выполняемые в качестве наземного обоснования данных дистанционного анализа реализуются в системе инженерно-экологических, инженерно-геологических, инженерно-геодезических, гидрометеорологических изысканий и являются на первых этапах своего выполнения (при применении в системе инженерных изысканий АКЗ) составной частью комплексных изыскательских работ.
Поэтому результаты проведения всех видов изыскательских работ также используются для обоснования результатов дешифрирования материалов АКЗ. Так, например, при оценке достоверности дешифрирования геокриологических условий и детализации данных дешифрирования материалов АКЗ в обязательном порядке привлекаются данные наземных геокриологических и геофизических исследований, выполняемых в процессе инженерно-геологических изысканий.
Одновременно, при выполнении геокриологических исследований, используются данные дешифрирования материалов АКЗ и т.п. Наряду с этим, опережающее проведение АКЗ позволяет более рационально определить необходимые виды и объемы наземных работ и разместить их по площади исследований с учетом специфики объектов строительства, природных условий и решаемых задач.
Основной объем специальных наземных исследований (то есть -дополнительно к основным объемам традиционных инженерных изысканий) должен быть локализован на обосновании критериев оценки состояния ПТС в частности, основных параметров, определяющих устойчивость ПТС к техногенному воздействию, а именно: ландшафтно-геохимическим, инженерно-геологическим, геокриологическим, гидрогеологическим, ресурсным.
Рассмотрим несколько подробнее, с учетом специфики природных условий криолитозоны, научные позиции, которые, реализуются при проведении дополнительных специальных наземных исследований.
Ландшафтные исследования являются определяющей основой комплекса методов наземного обоснования данных АКЗ. Это определяется тем, что дешифрирование материалов АКЗ осуществляется посредством анализа ландшафтной структуры объектов дистанционных съемок. При этом в условиях криолитозоны ландшафтный анализ является базовой основой оценки региональной изменчивости геокриологических и инженерно-геологических параметров, определяемых ими комплексных природных условий местности.
Именно по этой причине в основу региональных инженерно-геологических и геокриологических исследований на Севере Западной Сибири и в других регионах криолитозоны России был положен ландшафтно-индикационный анализ (Ландшафты криолитозоны Западно-Сибирской газоносной провинции, 1983; Геокриологические условия Западно-Сибирской газоносной провинции, 1983).
Ландшафтно-индикационный анализ перспективен также при оценке изменений состояния ландшафтов в результате техногенного воздействия на них. Попробуем обосновать это на примерах.
Общеизвестно, что в ландшафтах тундры даже малейшее повреждение и без того скудного растительного покрова является источником серьезных последствий в теплообмене мерзлых толщ, приводящих к деградации мерзлоты и, в конечном итоге, к изменению микроклимата. Исследованиями ландшафтоведов установлено, что мощность слоя сезонного протаивания определяется по внешнему облику растительного покрова и рельефа тундровых ландшафтов. В частности, в тундрах, сформированных на морских равнинах, кустарничково-лишайниковые растительные сообщества индицируют мощность слоя протаивания и промерзания 0,3 - 0,5 м; кустарничково-моховые сообщества на равнинах, ивняки и травяно-моховая растительность ложбин и понижений обозначает средние величины этого слоя (0,7- 0,8 м), а прибровочные, краевые участки водоразделов, с развеянными песками характеризуются максимальным протаиванием и промерзанием (1-1,5м).
Сейчас уже известно, что ландшафтные индикаторы позволяют обнаружить на фоне многолетнемерзлых пород «талики», в том числе и сквозные. На фоне тундровых ландшафтов они выглядят оазисами. Анализ растительного покрова и особенностей рельефа ландшафтов тундр является одним из наиболее эффективных, за счет своей низкой трудоемкости, средств индикации почв, состава и свойств грунтов, глубины залегания, минерализации и химизма подземных вод. По этой причине в структуре специальных карт ландшафтных условий находят отражение не только качественные характеристики структуры ландшафтных комплексов и описание ландшафтных индикаторов, но и количественные параметры объектов ландшафтно-индикационного анализа - свойств трудно наблюдаемых компонентов ландшафта. Иначе говоря, легенды карт строятся по принципам ландшафтно-индикационных таблиц, в которых в левой части дана характеристика ландшафтных индикаторов, а в правой - параметры объектов индикации: состав, строение и свойства грунтов, подземных вод и проявления природных процессов.
Структура и информационные ресурсы ГИС
В условиях все более возрастающих объемов техногенного воздействия на ПТС криолитозоны России (с одной стороны, объемов нефтегазодобычи и транспортировки углеводородного сырья и, как следствие этого объемов грузоперевозок, а с другой- проявлений обратной негативной реакции эксплуатируемых сооружений на это воздействие, проявляющееся в прогрессирующем износе, массовых деформациях и размывах насыпей, траншей, фундаментов, водопропускных труб, коррозии и деформациях трубопроводов, просадках оснований сооружений, снижении качества ресурсного потенциала и устойчивости прилегающих к ним ландшафтов и геомассивов), возникает необходимость оперативного и постоянного мониторинга состояний ПТС с целью геоинформационного обоснования управленческих решений по обеспечению их надежности и безопасности.
Учитывая, что объекты исследований такой направленности характеризуются чрезвычайно большими по площади территориями и протяженными линейными коммуникациями, эффективное решение этих задач без создания специальных ГИС практически невозможно.
Обеспечивая при создании ГИС получение исходной информации на трех уровнях, в соответствии с рис. 30, мы получаем возможность решения задач, связанных с оценкой состояния транспортных ПТС на всех стадиях их жизненного цикла. Применение в качестве исходных материалов данных комплексных изысканий и мониторинга ПТС создает возможность формирования баз данных, позволяющих фиксировать, оценивать и прогнозировать динамику параметров природной и технической составляющих ПТС под влиянием внешних и внутренних факторов, определяющих их функционирование. Данные о динамике состояния ПТС являются основой для разработки прогнозов их устойчивости и, как следствия этого - предупреждения критических ситуаций как в строительстве, так и в эксплуатации сооружений.
Поэтому, при определении перечня задач, решаемых в системе предупреждения природно-техногенных аварий, определяемых последовательной схемой: кадастр —мониторинг —шрогноз — предупреждение аварий и катастроф. Специальная инженерная защита, создаваемая ГИС изначально ориентируется на: - локальный характер; - предупреждение природно-техногенных аварий и катастроф в сфере строительства и эксплуатации сооружений коммуникационных коридоров инфраструктуры ГНКМ и ГКМ криолитозоны; - обоснование управленческих решений по обеспечению технической и экологической безопасности ПТС в зонах их влияния на окружающую среду; - создание регионально-отраслевого банка данных для обоснования проектных решений при строительстве линейных сооружений в районах с аналогичными природными условиями. ГИС в системе предупреждения природно-техногенных аварий железных дорог (равно как и других линейных сооружений, входящих в коммуникационные коридоры инфраструктуры НГКМ (в дальнейшем ГИС ЖД ПТС) предназначены для сбора, систематизации, хранения, обработки комплексной информации о состоянии ПТС для организации и реализации контроля за ее состоянием и управления ее качеством с целью предупреждения критических ситуаций в природном, техническом и социально-экологическом аспектах.
ГИС ЖД ПТС должна быть направлена на создание, поддержание на уровне современности и ведение цифрового кадастра состояния ПТС, оперативную выдачу инженерно-техническому персоналу, обеспечивающему контроль ПТС необходимой информацией о состоянии технической и природной составляющих, видах и степени их нарушенности в интересах обеспечения равновесного состояния ПТС и окружающей среды.
Информационное обеспечение ГИС ЖД ПТС базируется на комплексном использовании различных массивов информации (информационных ресурсов) о состоянии ПТС на единой топографо-геодезической основе и интеграцию аэрокосмической и других видов информации в едином банке данных для подготовки вариантов решений управленческих задач.
Информационное обеспечение составляют внемашинные и внутрима-шинные базы данных.
Основу для формирования информационных ресурсов внемашинной базы данных составляют материалы АКЗ и результаты их дешифрирования, а также данные полевых изыскательских работ и специальных мониторинговых исследований. При этом определяющей специфической особенностью ГИС является то, что основу внемашинной базы данных составляют не только и не столько исходные материалы в виде существовавших до начала изыскательских работ базовых региональных карт, аэро- и космических фотоснимков и табличных данных полевых изысканий, сколько результаты их специальной тематической обработки. К ним относятся схемы, дешифрирования материалов АКЗ, данные полевых изысканий, инженерно-геологические, геоэкологические разрезы, профили, графики и другие материалы, по направленности и содержанию являющиеся оценочными, то есть содержащими в структуре качественные и количественные оценочные показатели. Эти данные являются наиболее объективной информационной основой для разработки управляющих решений.
Вместе с тем, в состав исходной информации включаются и материалы АКЗ, но в ограниченном объеме с целью ландшафтного эталонирования типичных участков потенциальных критических ситуаций. Кроме этого в состав внемашинной базы данных включаются материалы крупномасштабных АФС (МАФС, ТИКАС) по объектам индивидуального проектирования (компрессорных станций, кустов скважин, перерабатывающих заводов, мест размещения мостовых переходов, водопропускных сооружений, железнодорожных станций и узлов, шахт, поселков и т.п.).
