Геоинформационная система литомониторинга газотранспортного комплекса

Старцев, Юрий Павлович

Автореферат диссертации по теме "Геоинформационная система литомониторинга газотранспортного комплекса"

Старцев Юрий Павлович

ГЕ0ИНФ0РМАЦИ01ШАЯ СИСТЕМА ЛИТОМОНИТОРИНГА ГАЗОТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА

Специальность: 25.00.28 - Инженерная геология, мерзлотоведение и

грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

Волгоград-2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Шубин Михаил Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Трофимов Виктор Титович

доктор геолого-минералогических наук, профессор Анисимов Леонид Алексеевич

Ведущая организация Федеральное государственное унитарное

предприятие «НИИ ВОДГЕО», г. Москва

Защита состоится « 6 » июня 2006г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.02 при Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1.

Факс (8442) 44-09-33, e-mail: postmaster@vgasa.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан « 4_ » мая 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета/УхА?*'/ С.И. Махова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Строительство и эксплуатация газотранспортных комплексов, обеспечивающих растущие потребности населения и предприятий в природном газе как в России, так и за рубежом, в свете современной геополитический и экономической ситуации имеет чрезвычайно важное значение для народного хозяйства. Устойчивая тенденция к развитию этого вида хозяйственной деятельности определяет актуальность исследований, направленных на всестороннюю оценку влияния строительства и эксплуатации сооружений газотранспортного комплекса на окружающую природную среду. В частности, это касается инженерно-геологических условий территорий, находящихся в сфере воздействия данных сооружений: газопроводов, компрессорных станций, сопутствующих объектов инфраструктуры.

Результаты проведенных исследований показывают, что строительство и последующая эксплуатация газотранспортных сооружений оказывают заметное влияние на развитие инженерно-геологических процессов и требуют организации системы мониторинга для наблюдений, прогнозов и управления динамикой их развития.

Следует отметить, что наиболее эффективный современный аппарат создания и функционирования системы мониторинга основан на применении геоинформационных систем или ГИС-технологий, обеспечивающих сбор, хранение, преобразование, отображение и распространение информации с целью оптимального управления природно-техническими системами.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является научно-методическое обоснование и разработка геоинформационной системы мониторинга инженерно-геологических процессов при строительстве газотранспортного комплекса.

Основные задачи исследований включают: - изучение инженерно-геологических условий территорий, находящихся в

сфере воздействия газотранспортных сооружений; РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

БИБЛИОТЕКА С.-Петербург ОЭ 200^Ькт УЧЦ

- анализ и оценку применимости ГИС - технологий к разработке системы литомониторинга;

- разработку методики составления цифровых инженерно-геологических карт объекта;

- разработку структуры и содержания базы данных по развитию инженерно-геологических процессов в сфере воздействия объекта;

- методическое обоснование создания и функционирования геоинформационной системы литомониторинга газотранспортного комплекса.

Объект и предмет исследований. В качестве объекта исследований рассматривается участок газопровода Починки-Изобильное-Северо-Ставропольское ПХГ в пределах территории Волгоградской и Саратовской областей протяженностью свыше 300 км, включая две крупные компрессорные станции: Жирновскую и Новопетровскую.

Предметом исследований является инженерно-геологическая информация, формируемая методами ГИС-технологий в систему литомониторинга газотранспортного комплекса. Научная новизна.

1. Выполнен анализ инженерно-геологических условий объекта в свете концептуальных положений теории литомониторинга.

2. Обосновано применение методологических средств ГИС - технологий для решения инженерно-геологических задач при строительстве и эксплуатации исследуемого объекта.

3. Разработана методика составления цифровых инженерно-геологических карт.

4. Обоснованы структура и содержание базы данных для инженерно-геологического блока ГИС.

5. Разработана и введена в эксплуатацию геоинформационная система литомониторинга газотранспортного комплекса.

Практическая значимость и реализация результатов диссертации.

Выполненные исследования и разработки имеют существенное практическое значение для предприятий и организаций, занимающихся проблемами литомониторинга в газотранспортной сфере. Они позволяют, в частности:

- обосновать программу мониторинга инженерно-геологических процессов для проектируемых и строящихся объектов газотранспортного комплекса;

- разработать и реализовать базу инженерно-геологических данных изучаемого объекта с учётом дальнейшего расширения, включая возможности создания новых карт, атрибутов, словарей, а также добавления новых объектов;

- обеспечить проектные решения по созданию геоинформационных систем мониторинга широкого комплекса природных и техногенных процессов для обеспечения геоэкологической безопасности объектов газотранспортного комплекса.

Основные результаты диссертационной работы используются предприятиями ОАО «Газпром»: ЗАО «ЯмалГазИнвест», ООО «ПитерГАЗ», ЗАО «Инженерно-экологический центр «Эконефтегаз» при строительстве и эксплуатации крупных магистральных газопроводов: Северные районы Тюменской области (СРТО) - Торжок; Северо-Европейского (СЕГ), Починки-Изобильное-Северо-Ставропольское ПХГ для организации системы мониторинга природной, в частности, геологической среды.

Для этих объектов при непосредственном участии автора был проведён комплекс инженерно-геологических изысканий и разработаны специализированные базы данных в геоинформационной системе, а по газопроводу Починки-Изобильное выполнены мониторинговые исследования на основе ГИС-технологий в 2003-2005 гг.

Разработанные методики могут бьггь использованы при решении, помимо инженерно-геологических, широкого круга геоэкологических задач, связанных с эксплуатацией нефтегазодобывающих и транспортирующих сооружений. Основные защищаемые положения. На защиту выносятся:

1. Обоснование возможности использования ГИС-технологий для разработки системы мониторинга инженерно-геологических процессов.

2. Методика создания цифровых инженерно-геолопических карт в системе литомониторинга.

3. Разработка структуры и содержания базы инженерно-геологических данных в геоинформационной системе.

4. Методическое обоснование и результаты функционирования системы литомониторинга газотранспортного комплекса, основанной на использовании ГИС-технологий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается обработкой обширного материала инженерно-геологических изысканий и мониторинговых исследований на крупных объектах газотранспортного комплекса, реализацией аттестованных методик при построении и функционировании действующих геоинформационных систем.

Личный вклад автора определяется непосредственным участием в проведении изысканий и обработке материалов исследований, теоретическом и методическом обосновании поставленных задач и их решении, в реализации методических разработок в практике создания и функционирования геоинформационных систем литомониторинга объектов газотранспортной инфраструктуры в Волгоградской, Саратовской, Ярославской, Вологодской и других областях РФ.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на Конференциях молодых ученых и специалистов «Надымгазпром», Надым, 1996; Москва, 2000; Ш Всероссийской конференции молодых учёных и специалистов по проблемам газовой промышленности России, Москва 1999;

Третьей Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука -региону», Вологда, 2005; Ежегодных чтениях Волгоградского отделения Российской экологической академии, Волгоград, 2005. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объём работ. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 135 наименований; содержит 171 стр. текста, 54 таблицы, 49 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Проблеме рационального использования ресурсов земной коры и ее защите посвящены исследования многих российских и зарубежных ученых. Уже в середине прошлого столетия изучение влияния техногенеза на литосферу стало новым направлением геологической науки, которое разрабатывалось нашими ведущими учеными В.И.Вернадским, И.В. Поповым, Н.В. Коломенским, Е.М. Сергеевым. Проблеме изучения изменений геологической среды посвящены фундаментальные труды Г.К. Бондарика, Г.А. Голодковской, И.С. Комарова, Ф.В. Котлова, Н.И. Кригера, В.Д. Ломтадзе, В.И. Осипова, В.Т. Трофимова. Крупные методологические работы в этом направлении выполнены А.Я. Гаевым, В.В. Дмитриевым, Э.В.Калининым, B.C. Круподеровым, В.В. Пендиным, А.Д. Потаповым, А.И. Шеко и другими учеными.

Проблему контроля и управления техногенными изменениями геологической среды решает введение в эксплуатацию системы литомониторинга. Научные исследования и разработки, практически реализующие эту идею, достаточно редки. К ним, в частности, относятся основные принципы инженерно-геологаческой оценки территорий для обоснования литомониторинга объектов газовой промышленности, разрабатываемые В.В. Пендиным л В.Л. Невечерей, а также работы Л.А.Анисимова и Ю.В.Ванылина по Нижнему Поволжью.

Концепция литомониторинга (В.К.Епишин, В.Т. Трофимов, 1985, М.А. Шубин, 1988, 2005) решает вопросы теоретической и практической разработки

проблемы на основе перехода от оценки и прогнозирования изменений геологической среды под влиянием инженерно-хозяйственной деятельности к программированию системы контроля и управления изменениями её состояния.

При этом, однако, дальнейшего развития в литомониторинге требует разработка новых средств и методов накопления, обработки и выдачи информации, основанных на принципах геоинформационных систем (ТИС).

Сложившееся в науках о Земле понятие ГИС обычно трактуется как географическая информационная система - интерактивная информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, доступ, отображение пространственно-организованных данных и ориентированная на возможность принятия научно-обоснованных управленческих решений (Т.А.Трифонова).

Целью создания ГИС является оценка, прогнозирование и управление изменениями окружающей среды, что вполне соответствует целям мониторинга в принятой нами концепции. Все этапы разработки ГИС - от сбора, хранения, преобразования информации до моделирования и принятия решений в совокупности с программно-технологическими средствами объединяются под общим названием - геоинформационные технологии (ГИС - технологии).

Первые ГИС были разработаны в Канаде и Швеции на базе ЭВМ и пакетной системы обработки данных, преимущественно по землепользованию, в 1960-х гг. (Т. Германссен, О. Саломонссон, I. Crain). Они позволяли значительно усовершенствовать процессы инвентаризации и анализа карт, хранения большого количества информации. Затем были созданы программные продукты для систем автоматизированного проектирования, с помощью которых появилась возможность создавать системы послойного представления изображений. Этот период характерен весьма динамичным развитием ГИС, число которых в мире составило от 500 до 2000 (A.M. Берлянт, И.В. Гарлиз, A.B. Кошкарев, B.C. Тикунов, К. Claree, G. Nagy, R. Tomlinson).

В начале 1990-х гг. начался новый этап в развитии ГИС как автоматизированной интегрированной информационной системы (М. Jackson). Немалый вклад принадлежит в этом процессе российским учёным и

специалистам (Л.М. Бугаевский, В.Е. Гершегоон, В.Г. Линник, С.Н. Сербенюк, Т.А. Трифонова, Е.Е. Ширяев и др.).

В последние годы ГИС-технологии, основанные на современных мощных и многофункциональных программных средствах (МарМЬ, АгсУ1е\у и др.), широко используются для целей экологического мониторинга крупными предприятиями топливно-энергетического комплекса в зонах строительства и эксплуатации газо- и нефтепроводов. Наиболее серьезные исследования в данном направлении проводятся «Научным центром по проблемам окружающей среды «Альянс-Экотерра»» (МГУ) и лабораторией урбоэкологии географического факультета СГУ под руководством д.г.н., профессора В.З. Макарова.

В то же время, с нашей точки зрения, недостаточное внимание уделяется проблемам литомониториига, в частности, инженерно-геологических процессов, активно развивающихся по трассам газопроводов. Масштаб проблем требует проведения специальных исследований и разработок для создания ГИС литомониторинга газотранспортного комплекса, которые рассматриваются в диссертации на примере газопровода Починки-Изобильное-Северо-Ставропольское ПХГ.

Глава 1. Общая характеристика инженерно-геологических условий

территории

Газопровод Починки-Изобильное-ССПХГ предназначен для подачи газа в газопровод «Голубой поток» и обеспечения надежного газоснабжения Северо-Кавказского региона. Газопровод имеет протяженность 305 км по территории Саратовской и Волгоградской областей, включает линейную часть и компрессорные станции Новопетровская, Ольховская и Жирновская. Инженерно-геологические условия территории обусловлены особенностями климата, геологического строения, геоморфологии и гидрогеологии участков прохождения трассы газопровода.

В соответствии с районированием, выполненным В.Н. Синяковым и С.В.Кузнецовой, здесь выделены шесть типов инженерно-геологических

районов, охватывающие территории с относительно однородным геологическим разрезом, мощностью и петрографическим составом пород в пределах одного стратиграфо-генетического комплекса.

Наиболее сложными инженерно-геологическими условиями обладают районы распространения слабопроницаемых глинистых и лессовидных пород. Здесь при строительстве и других видах инженерно-хозяйственного освоения возникают неблагоприятные геологические процессы, связанные с нарушением природного водного баланса: повышение уровня фунтовых вод, образование верховодки, подтопление, заболачивание и вторичное засоление грунтов. Изменение влажности приводит к просадкам лессовидных пород, набуханию глин, уменьшению прочности пород, эрозии. Все, вместе взятое, оказывает негативное воздействие на инженерные сооружения.

В районах распространения аллювиальных отложений наблюдается интенсивная речная эрозия, подмыв и обрушение речных берегов, подтопление, оползни, суффозия. В карбонатных породах отмечены проявления карста. Интенсивность инженерно-геологических процессов в районах трассы газопровода определяется рядом природных и антропогенных факторов: расположением на стыке (в зонах перехода) различных морфоструктур, неоднородным литологическим составом, различным геологическим прошлым отдельных участков трассы, субаридным климатом с малоснежной зимой, быстрым таянием снегов и летними ливнями, а, кроме того, значительной антропогенной нагрузкой.

Наибольшее развитие получили денудационные процессы, что объясняется неустойчивостью пород к размыву (суглинки, пески, глины), тектоническим подъемом ряда морфоструктур, ливневым характером выпадения осадков.

Плоскостной смыв проявляется на склонах водораздельных пространств при наклоне поверхности 3-4° во время снеготаяния и сильных ливней. Процессами плоскостного смыва охвачено до 70-75% пахотных земель, а смыв составляет до 100 т/га. В зоне пересечения трассой отмечены участки активного

плоскостного смыва на южных склонах рек Бурлук, Малая Казанка вблизи г, Котово и др.

Дефляция ("ветровая эрозия) наблюдается на ограниченном пространстве в районе распространения нижне-среднечетвертичных песков и супесей в долинах крупных рек (долина р. Медведицы вблизи с. Линево и р. Иловли в районе сел Ольховка, Зензеватка). Проявляется дефляция обычно при скоростях ветра более 15 м/сек, а ее воздействие сходно с плоскостным смывом. Кроме отмеченных районов, проявление дефляции можно ожидать на севере Жирновского района (водоразделы между селами Медведица и Песковка).

Линейная (овражная эрозия) - наиболее характерное явление для зоны трассы. Для степных равнин и плато эрозионные процессы - типичное зональное явление и важнейший фактор нарушенное™ земель. За последние 200 лет естественный ход эрозионных процессов был усилен воздействием человека, что увеличило густоту овражно-балочной сети до 3-4 км/км2. Густота и интенсивность овражной эрозии связана с конкретными природными условиями: на скорость оврагообразования оказывают влияние характер грунтов, интенсивность выпадения осадков, уровень базиса эрозии, величина антропогенной нагрузки.

Наиболее интенсивное оврагообразование в пределах трассы наблюдается в делювиальных лессовидных суглинках, где скорость размыва может достигать нескольких десятков метров в год при значительной ширине долин. Более глубокие и узкие овраги характерны для глинистых толщ. Густота овражной сети здесь обычно составляет 2-2,5 км/км2, а средняя скорость прироста 1,5-4 м/год. Самые устойчивые к размыву породы в пределах трассы -опоковые песчаники и опоки, где средняя скорость роста оврагов редко превышает 1 м в год (Жирновский район).

Оползневые процессы занимают локальные участки. В пределах рассматриваемой территории они встречаются в верховьях крупных балок в Котовском и Лысогорском районах. Образование оползней связано с наличием разрушающихся при выветривании толщ, содержащих прослои

водопроницаемых песков; развитием высокорасположенных водоносных горизонтов, обусловливающих суффозионные процессы и ослабляющих сцепление грунтов, значительной крутизной и высотой склонов балок и оврагов; антропогенной деятельностью.

Своего максимума оползневая активность достигает весной, что связано как с увлажнением грунтов, так и с резким колебанием уровней воды в реках (С.М.Мусаелян) и подрезкой склонов. Хотя распространение оползней и незначительно, их возможная активизация при строительстве газопровода диктует необходимость постоянного контроля за состоянием оползневых участков.

Суффозионно-карстовые и просадочные процессы наблюдаются в основном локально и встречаются на плоских водоразделах, сложенных лессовидными покровными суглинками, перекрывающими карбонатные породы мела. Формирование просадочных блюдец, реже воронок на рассматриваемой территории связано преимущественно с хозяйственной деятельностью и активизировалось в 60-70-е годы. Причиной их возникновения стало подтопление территории в результате сооружения многочисленных прудов в верховьях балок, расчленяющих плоские водоразделы (уменьшение дренированности территории). Проявления карста отмечаются на водоразделах в окрестностях с. Крячки и на отдельных участках в Саратовской области.

Подтопление, заболачивание, засоление земель - составные части единого процесса подъема фунтовых вод. Этот процесс получил развитие в связи с созданием оросительных систем и многочисленных мелких водохранилищ и прудов. В настоящее время на многих оросительных системах полив не осуществляется в силу различных причин, тем не менее, процессы заболачивания и вторичного засоления проявляются вблизи внутрихозяйственных каналов и прудов.

Все перечисленные процессы, безусловно, требуют детального изучения в системе литомониторинга газотранспортного комплекса, включающей в соответствии с принятой концепцией, наблюдения, оценки и прогнозы развития

процессов с целью разработки управляющих мероприятий для снижения их негативного воздействия на сооружения газопровода

Не исключая применения традиционных инженерно-геологических методов для наблюдений за динамикой процессов, в том числе использования аэрокосмоснимков, следует отметить необходимость применения современных ГНС-технологий для обработки данных наблюдений, их хранения и использования. В первую очередь, это касается картирования распространения и активности инженерно-геологических процессов с использованием методики создания цифровых карт, а также создания картографического банка данных на основе разработанной методики составления, структуры и содержания инженерно-геологических карт.

Глава 2. Методика составления, структура и содержание карт для картографического банка данных

Карпмрафическое обеспечение создает научно-методическую и информационную основу для формирования баз данных и банков геологической информации О состоянии природной среды для создания геоинформационных систем литомониторинга и принятия управленческих и проектных решений

Серия карт, необходимая для оценки инженерно-1еологического состояния территории и ведения мониторинга, должна обеспечивать:

- максимально полное и детальное отображение фактической инженерно-геологической информации;

- полноту характеристик физико-механических свойств грунтов;

- территориально-дифференцированный показ динамических параметров процессов, рекомендаций по защите территорий и объектов;

- своевременность информации и возможность ее обновления;

- максимальную наглядность карт, их доступность для широкого круга пользователей.

Создание цифровой картографической основы является первым этапом составления любой тематической карты. Не останавливаясь на описании способов создания цифровых карт, отметим лишь, что после создания скорректированных изображений осуществляется их привязка в системе Maplnfo. По полученным растрам выделенные контуры цифруются либо вручную в программе Maplnfo, либо автоматически с использованием векторизаторов EasyTrace или MapEdit. На этапе цифрования контуров создается минимальная база данных, включающая в себя поля: ГО -индивидуальный идентификационный номер объекта (первичный ключ), CLASS - идентификационный номер класса, которому принадлежит данный объект и NAME - краткое наименование объекта или примечание.

После привязки растра создаются слои (таблицы) Maplnfo. Каждый из слоев должен содержать как минимум один слой тематической информации. Когда тематическая карта проверена на наличие ошибок и отредактирована, следует сохранить ее в файле Рабочего набора (*.WOR) в котором будут описаны не только таблицы (слои) Maplnfo, но и все элементы оформления карты.

Картографический банк данных (КБД) для оценки состояния геологической среды в районах газопроводов включает следующие основные блоки (табл. 1).

Таблица 1

Структура КБД

No. Название карты Масштаб

1 Карта проектных решений объектов строительства для всей трассы трубопровода 1:25000

2. Карты проектных решений по отдельным техническим площадкам 1:5000

3. Карта морфоструктурных элементов рельефа 1.25000

4. Карта четвертичных отложений 1:25000

5. Гидрогеологическая карта 1:25000

6 Инженерно-геологическая карта 1:25000

7. Карта инженерно-геологического районирования 1:100000

8. Карта экзогенных геологических процессов в районе трассы трубопровода 1:25000

9 Карты свойств грунтов но трассе трубопровода 1.25000

10 Почвенная карта в районе трассы трубопровода 1:25000

Инженерно-геологическая карта должна включать следующие слои (табл.2):

Таблица 2

Описание содержания рабочего набора (карты Maplnfo)

№ Имя таблицы Maplnfo (слоя карты) Описание Характер локализации

1 OAS \ Трубопроводный коллектор (собственно трасса) Линии и полигоны

2 BUFFER 1 Граница земельного отвода. Полигоны

3 GiDRO Гидрографическая сеть Линии и полигоны

4 GEOLOG Стратиграфо-гене гичсские комплексы поверхностных отложений Полигоны

5 GIDROGEOL Гидрогеологические условия Линии

4 GEOLDISTRICTS Инженерно-геологические участки Полигоны

Карта инженерно-геологического районирования детализирует и уточняет границы и характеристики таксономических единиц. Структура базы данных слоя «Инженерно-геологические участки» должна содержать обоснование и характеристику выделенных таксонов.

Карта инженерно-геологических процессов (ИГП), помимо прочих, содержит слои ЬХООЕТчМ (Экзогенные процессы площадные) и ЕХОСЕЫ_2 (Экзогенные процессы линейные).

Характеристика экзогенных процессов включает описание типов, распространенности (масштаба) и интенсивности проявления и строится отдельно для каждой группы процессов: оползневых, эрозионных, эоловых, суффозионно-карстовых, заболачивания и подтопления (табл. 3).

Таблица 3

Описание таблиц «Словарей» для карты ИГП

№ Имя таблицы (Словаря) Описание

1 OBJCODE Список объектов

2 TYPE Список типов процессов или явлений

3 LOKALIZATION Список характеров распространения

4 GENESIS Происхождение природное или техногенное

5 INTENSITY Интенсивность проявления

Разработанная методика составления карт, структура и содержание карт для картографического банка инженерно-геологических данных является основой для создания системы литомониторинга газотранспортного комплекса Починки-Изобильное-Северо-Ставропольское ПХГ.

Глава 3. Обоснование системы литомониторинга газотранспортного

комплекса

Мониторинг инженерно-геологических процессов (ИГЛ) осуществляется для контроля их динамики в результате строительства и эксплуатации газопровода, принятия обоснованных решений по предупреждению или снижению негативного влияния на окружающую природную среду.

В процессе изучения материалов инженерно-геологических изысканий, дешифрирования космических снимков высокого разрешения были установлены характер и ареалы распространения ИГЛ, выявлены зоны с наиболее активным их проявлением, на которых оборудованы ключевые мониторинговые участки.

На этих участках был изучен комплекс основных факторов развития ИГЛ (рельеф, гидрология, почвы и подстилающие породы, глубина залегания Фунтовых вод, хозяйственное использование территории). В частности были выполнены следующие работы:

1. Определение местоположения, координатная привязка ключевых мониторинговых участков с помощью вРЯ-приемника.

2. Полевые маршрутные обследования переходов через водотоки по трассе строительства магистрального газопровода для выявления очагов проявления русловой эрозии и других видов опасных экзогенных процессов.

3. Детальные исследования на ключевых участках, в результате которых установлены границы распространения, факторы и механизм развития ИГЛ.

4. Создание базы данных об исходных условиях развития ИГП, оценка степени влияния строительства трассы на инженерно-геологические условия территории для составления прогноза развития процессов и разработки защитных мероприятий.

5. Составление в электронном виде планово-картографических материалов (топографические планы, картограммы эрозионной опасности) в масштабе 1:1000 или 1:2000 в зависимости от площади ключевого участка.

Изучение параметров рельефа, процессов плоскостного смыва, линейной эрозии детально проведено на ключевых участках, расположенных в различных инженерно-геологических условиях. Процессы дефляции изучаются на двух участках, оползневые явления на трех ключевых участках. Отдельно стоит вопрос изучения карстовых процессов. В соответствии с материалами изысканий в исследуемом районе карстуются мел и мергели меловой системы. Непосредственно в пределах трассы карстовые проявления отсутствуют, однако благоприятные условия для развития карста существуют в районе участков №8 и 9, а также в районе участка №18 (212 км трассы), где отмечаются проявления суффозионно-карстовых процессов.

Процессы подтопления, развитые практически повсеместно, детально исследуются на ключевом участке №12. В зоне предполагаемой аккумуляции поверхностного стока, вызванного строительством трассы и изменением гидрологического режима территории, заложены 3 скважины для изучения режима грунтовых вод.

В результате мониторинга ИГП на предстроительной стадии и в процессе строительства на ключевых участках по трассе газопровода установлено:

- строительство газопровода в осенне-зимний и весенний период приводит к усилению эрозионных процессов на крутых склонах рек с легкими по гранулометрическому составу грунтами, заилению водотоков продуктами

эрозии, а также подтоплению и заболачиванию пойм (р. Мокрая, Бурлук, Большая Казанка);

наибольшую опасность в эрозионном отношении (плоскостной смыв и линейная эрозия) представляют участки №2 ,7, 14 и 18; выявлены участки (№3, 10, 15) с небольшими по площади (от 8,1 до 30 м2> оползневыми деформациями, которые могут активизироваться при изменении гидрологического режима территории за счет дополнительного поступления поверхностного стока по полосе трассы; активному развитию дефляции подвержена территория междуречья рек Малая и Большая Копенка (ключевой участок №11) и правого берега р. Бурлук (ключевой участок №17), где на открытой поверхности преобладают супесчаные, песчаные почвы и слабо закрепленные пески; при строительстве в зоне передвижения транспорта и строительной техники происходит уплотнение грунтов на глубину до 0,5 м. Его интенсивность зависит от исходной плотности грунтов и периода выполнения работ При строительстве в холодный период уплотнение составило 0,1 -0.15 г/смЗ и носило локальный характер только по полосам передвижения техники;

активное развитие процессов подтопления отмечается на участках №1,6, 12, 17, 18. Небольшие объёмы дополнительного поверхностного стока или изменения гидрологического режима могут привести к дальнейшему подъёму уровня грунтовых вод из-за крайне слабой естественной дренированности этих участков. Уже в настоящее время глубина залегания грунтовых вод здесь варьирует от 0,5 до 2,7 м; карстовые процессы непосредственно в пределах трассы газопровода не обнаружены. Тем не менее, на отдельных участках, прилегающих к трассе, установлено наличие карстовых воронок и впадин, следовательно, не исключена возможная активизация карста в процессе строительства и эксплуатации газопровода.

Для оптимизации исследований динамики инженерно-геологических процессов по трассе газопровода необходима разработка геоинформационной системы мониторинга, которая обеспечит пространственную привязку данных, создание цифровых карт распространения и активности ИГТ1, накопление и обработку данных наблюдений на мониторинговых площадках, оперативное отражение динамики процессов и создание интегральных карт по различным параметрам.

Глава 4. Разработка геоинформационной системы литомониюринга

Основой разработанной базы геоинформационной системы литомониторинга для газопровода Починки-Изобильное-ССПХГ является цифровая векторная топографическая картосхема масштаба 1:25000.

В соответствии с программой работ по данным инженерно-геологических изысканий были сформированы тематические цифровые карты открытого использования масштабов 1:25000 - 1-100000, построенные в векторном формате в соответствии с требованиями к структуре картографического банка данных. Карты созданы в программной оболочке Mapinfo Professional 7.0, которая позволяет работать с базами фактических данных о динамике ИГП, представляя их в виде карт, графиков, таблиц и диаграмм по любому требуемому участку трассы; автоматизированно редактировать тематические карты по мере поступления новой информации в процессе мониторинга; прогнозировать развитие ИГП на основе пространственного и статистического анализа факторов динамики процессов.

Учитывая ежегодную периодичность выполнения мониторинговых исследований, проводимых путем маршрутных обследований и инструментальных наблюдений, для пополнения базы данных в структуре Картографического банка данных разработан новый тип карты «Карта фактического материала», для которой предварительно были созданы новые слои и поля. При этом необходимо отметать, что помимо полевых исследований в 2005 году были проведены работы по актуализации содержания

карт на основе данных дистанционного зондирования земли, в качестве которых использовались космические снимки высокого разрешения.

На основе данных дешифрирования космической съемки была наполнена карта фактического материала 2005 года, при работе с которой возможно использование слоев актуализированной топографической картосхемы, космической съемки и результатов мониторинговых исследований, а также разработаны новые тематические карты, в частности карта опасных

инженерно-геологических процессов (табл. 4).

Таблица 4

Описание структуры карты опасных ИГЛ

№ Имя поля Описание Тип данных

1 CODESAMPLE Номер мониторинговой площадки Символьное

2 DATE Дата описания Символьное

3 STATIONING Пикетаж / КМ по трассе Символьное

4 COORD Координаты базового репера (широта / долгота) / WGS-84 Символьное

5 ALTITUDE Высота базового репера над уровнем моря Вещественное

6 RELIEF Характер рельефа (уклон) Вещественное

7 GROUNDWATER Уровень грунтовых вод Вещественное

8 POROD1 Почвообразующая порода Символьное

9 SOIL Тип почв Символьное

10 EXOGEN Основные экзогенные процессы Символьное

11 EROSION Овражная сеть (% от территории площадки) Вещественное

12 LANDSLIDES Оползнеопасные территории (%) Вещественное

13 SWAMPING Заболачивание территории (%) Вещественное

14 SOLIDITY Уплотнение грунтов Вещественное

15 NOTE Примечание Символьное

Полученные в процессе ежегодных исследований данные по каждому из слоев формируются в систему литомониторинга газотранспортного комплекса.

Таким образом, проведенные исследования по мониторингу инженерно-геологических процессов позволили выполнить анализ факторов и динамики развития этих процессов в зоне газопровода Починки-Изобильное-Северо-Ставропольское ПХГ. Такой анализ потребовал обработки значительного объема статистической и картографической информации, которая была бы невозможна без современных информационных технологий. Важно отметить,

что применение ГИС-технологии литомониторинга позволило не только хранить и визуализировать данные наблюдений, но и устанавливать связи между факторами и процессами, выявлять закономерности и тенденции их развития, давать прогнозные оценки и принимать управляющие решения.

В результате этой работы, в зависимости от запроса пользователя, можно получить картографическую и статистическую информацию о динамике инженерно-геологических процессов по конкретному году или средние данные за анализируемый период, о природных и техногенных факторах развития процессов, которые могут быть использованы для инженерно-геологических оценок воздействия объекта на окружающую природную среду с целью обоснования защитных мероприятий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Результаты проведенных исследований показывают, что строительство и последующая эксплуатация газотранспортных сооружений оказывают заметное влияние на развитие инженерно-геологических процессов и требуют организации системы литомониторинга для наблюдений, прогнозов и управления динамикой их развития.

2. Наиболее эффективный современный аппарат создания и функционирования системы литомониторинга основан на применении геоинформационных систем или ГИС - технологий, обеспечивающих сбор, хранение, преобразование, отображение и распространение информации с целью оптимального управления природно-техническими системами.

3 Основой для создания системы литомониторинга газотранспортного комплекса Починки-Изобильное-Северо-Ставропольское Г1ХГ является разработанная методика составления карт, структура и содержание карт для картографического банка инженерно-геологических данных.

4. В результате проведенного мониторинга инженерно-геологических процессов на ключевых участках по трассе газопровода установлено:

- максимальная интенсивность эрозионных процессов отмечается на участках №2 (пересечение р. Мокрая), №7 (пос. Карякино), №14 (пересечение балки Поруба, пос. Линево), №18 (пересечение балки Волчья, пос. Крячки);

- выявлены участки (№3,10,15) с небольшими по площади оползневыми деформациями, которые могут активизироваться при изменении гидрологического режима территории за счет дополнительного поступления поверхностного стока по полосе трассы;

- наиболее опасна в отношении дефляции территория междуречья рек Малая и Большая Копенка (ключевой участок №11) и правого берега р. Бурлук (ключевой участок №17), где на открытой поверхности преобладают супесчаные, песчаные почвы и слабо закреплённые пески;

- засоление грунтов отмечается в районе междуречья рек Малая и Большая Казанка и урочища Провал (ключевой участок №12);

- проявление процессов подтопления широко распространено на участках с крайне слабой естественной дренированностью (№№ 1,6 и др.), где выделяются массивы с сильным увлажнением грунтов, а глубина залегания фунтовых вод колеблется от 0,5 до 2,7 м;

- карстовые процессы непосредственно в пределах трассы газопровода не обнаружены, однако на отдельных участках, прилегающих к трассе, установлено наличие карстовых воронок и впадин, следовательно, не исключена возможная активизация карста в процессе строительства и эксплуатации газопровода;

- при строительстве в зоне передвижения транспорта и строительной техники происходит уплотнение фунтов на глубину до 0,5 м, в холодный период уплотнение составило 0,1-0,15 г/смЗ.

5. Разработка геоинформационной системы литомониторинга газотранспортного комплекса обеспечивает пространственную привязку данных, создание цифровых карт распространения и активности инженерно-геологических процессов, накопление, обработку и выдачу данных наблюдений

на мониторинговых площадках, а также оперативное отражение динамики

процессов для оценки воздействия объекта на природную среду и обоснования

защитных мероприятий.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Старцев, Ю. П. Оценка геохимического состояния ландшафтов Бованенковского газоконденсатного месторождения. / Ю. П. Старцев, Г. И. Грива, Е. М. Константинова II Тр. молодых ученых и специалистов, посвященные 25-летию ДП «Надымгазпром»: сборник. - Надым, 1996. - С. 21-26.

2. Старцев, Ю. П. Проблемы прогноза криогенных процессов при освоении природных ресурсов полуострова Ямал. / Ю. П. Старцев, Г. И. Грива У/ Тр. молодых ученых и специалистов, посвященные 25-летию ДП «Надымгазпром». - Надым, 1996. - С. 47-50.

3. Старцев, Ю. П. Инженсрно-геологический мониторинг насыпей автодорог и промплощадок Бованенковского газоконденсатного месторождения / Ю. П. Старцев [ и др. ] // Тез. докл. Ill Всерос. конф. молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой пром-ти России / ОАО «Газпром» ; РГУ нефти и газа им. Губкина. - М., 1999. - С. 38-43.

4. Старцев, Ю.П. Применение аэровидеосъемки для оценки состояния инженерных сооружений и крупномасштабного картирования экзогенных процессов / Ю. П. Старцев, Д. В. Подгорный // Сб. науч. тр. молодых ученых и специалистов ООО «Надымгазпром» / ОАО «Газпром» ; ООО «Надымгазпром». - М., 2000. - С. 98-102.

5. Старцев, Ю. П. Опыт экологического сопровождения проектирования и строительства магистральных газопроводов IЮ. П. Старцев [ и др. ] // Вузовская наука - региону : сб. материалов третьей Всерос. науч.-техн. конф. - Вологда, 2005.- С.6-8.

6. Старцев, Ю. П. Производственный экологический мониторинг и контроль строительства магистрального газопровода « СРТО - Торжок»

/ Ю. П. Старцев [ и др. ] // Вузовская наука - региону : сб. материалов третьей Всерос. науч.-техн. конф. - Вологда, 2005.- С.212-214.

7. Старцев, Ю. П. Разработка геоинформационной системы литомониторинга газотранспортного комплекса / Ю. П. Старцев, М. А. Шубин // Вузовская наука - региону : сб. материалов третьей Всерос. науч.-техн. конф. - Вологда, 2005.- С.90-91.

8. Старцев, Ю. П. Организация производственного экологического мониторинга и контроля при строительстве магистральных газопроводов / Ю. П. Старцев [ и др. ] // Безопасность жизнедеятельности. - 2005.- N 10.-С.34-39.

9. Старцев, Ю. П. Инженерно-геологические условия трассы газопровода Починки-Изобильное в Волгоградской области / Ю. П. Старцев, М. А. Шубин // Поволжский экологический вестник. - Волгоград, 2005. - N 11,-С. 110-115.

10. Старцев, Ю. П. Разработка и апробация методики экологического сопровождения строительства магистральных газопроводов / Ю. П. Старцев [ и др. ] // Геоэкология. - 2006.- N 1.- С.1-11.

СТАРЦЕВ ЮРИЙ ПАВЛОВИЧ

ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ЛИТОМОНИТОРИНГА ГАЗОТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА

Автореферат диссертации на соискание учетной степени кандидата геолого-минералогических наук

Подписано в печать 13.02.06 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 095

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет Сектор оперативной полиграфии ЦИТ 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1

M

ft

I

'I

¿oaSA

»110 9 4

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Старцев, Юрий Павлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ■L УСЛОВИЙ ТЕРРИТОРИИ.

1.1. Климат и гидрография.

1.2. Геологическое строение.

1.3. Геоморфологические условия.

1.4. Гидрогеологические условия.

1.5. Инженерно-геологические условия.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ, СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ КАРТ ДЛЯ КАРТОГРАФИЧЕСКОГО БАНКА ДАННЫХ.

2.1. Методика составления цифровых карт.

2.1.1. Требования к картографическому обеспечению.

Ф 2.1.2. Способы создания картографических основ.

2.1.3. Средства и способы ввода данных.

2.1.4. Методика дешифрирования синтезированных многозональных космических снимков по трассам трубопроводов.

2.1.5. Методика проведения автоматизированного картографирования.

2.2. Состав картографического банка данных.

ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЛИТОМОНИТОРИНГА ГАЗОТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА.

3.1. Выбор участков и методика наблюдений.

3.2. Мониторинг ИГЛ на стадии строительства.

3.2.1. Описание ключевых мониторинговых участков.

3.2.2. Результаты мониторинга на участках развития инженерно

Ф геологических процессов.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ЛИТОМОНИТОРИНГА.

4.1. Структура программного обеспечения литомониторинга.

4.2. Структура и содержание карт в ГИС литомониторинга.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геоинформационная система литомониторинга газотранспортного комплекса"

Актуальность проблемы. Строительство и эксплуатация газотранспортных комплексов, обеспечивающих растущие потребности населения и предприятий в природном газе как в России, так и за рубежом, в свете современной геополитический и экономической ситуации имеет чрезвычайно важное значение для народного хозяйства. Устойчивая тенденция к развитию этого вида хозяйственной деятельности определяет актуальность исследований, направленных на всестороннюю оценку влияния строительства и эксплуатации сооружений газотранспортного комплекса на окружающую природную среду. В частности, это касается инженерно-геологических условий территорий, находящихся в сфере воздействия данных сооружений: газопроводов, компрессорных станций, сопутствующих объектов инфраструктуры.

Результаты проведенных исследований показывают, что строительство и последующая эксплуатация газотранспортных сооружений оказывают заметное влияние на развитие инженерно-геологических процессов и требуют организации системы мониторинга для наблюдений, прогнозов и управления динамикой их развития.

Следует отметить, что наиболее эффективный современный аппарат создания и функционирования системы мониторинга основан на применении геоинформационных систем (ГИС) или ГИС - технологий, обеспечивающих сбор, хранение, преобразование, отображение и распространение информации с целью оптимального управления природно-техническими системами.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является научно-методическое обоснование и разработка геоинформационной системы мониторинга инженерно-геологических процессов при строительстве газотранспортного комплекса.

Основные задачи исследований включают: - изучение инженерно-геологических условий территорий, находящихся в сфере воздействия газотранспортных сооружений;