Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Теоретические и методологические основы организации мониторинга литотехнической системы "городская агломерация"

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Чан Мань Льеу, Москва

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Московская государственная геологоразведочная академия

Кафедра инженерной геологии

На правах рукописи УДК 624.131.1

Чан Мань Лъеу

Теоретические и методологические основы организации мониторинга литотехнической

Научные консультанты:

Заслуженный деятель науки России доктор геолого-минералогических наук профессор Г. К. Бондарик.

Доктор геолого-минералогических наук профессор Л.А. Ярг.

Москва 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 7 ЧАСТЬ I.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОРГАНИЗАЦИИ

МОНИТОРИНГА ЛИТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГОРОДОВ. 14

1. Современные проблемы изучения геологической среды городов. 14

1.1. Общие тенденции воздействия человека на геологическую среду при развитии

современных городов. 14

1.2. Современные геологические процессы и проблемы градостроительства. 16

1.3. Геологическая среда города - составная часть окружающей среды (среды обитания человека). 18

1.4. Взаимодействие человека с геологической средой современных городов и их изучение. 22

2. Концепция природно-технической и литотехнической систем города. 24

2.1. Система и ее значения для изучения объекта. 24

2.2. Определение, граница, структура и свойства ПТС и J1TC города. 27

2.3. Взаимодействия JITC города с другими системами. 37

2.4. Взаимодействие подсистемы "сооружение" JITC города с ее областью литосферы. 42

2.5. Подсистема "область взаимодействия литосферы" JITC города. 51

3. Функционирование JITC города. 67

3.1. Инженерно-геологические и техноплагенно-геологические процессы, развивающиеся

в области взаимодействия литосферы. 69

3.2. Геолого-инженерные и техногенно-инженерные процессы, развивающиеся

в подсистеме «сооружение» JITC города. 141

3.3. Болезни городского населения, обусловленные загрязнением окружающей среды. 144

4. Устойчивость JITC города и ее управление. 151

4.1. Состояние JITC города. 154

4.2. Области допустимых состояний. Критическая техногенная нагрузка и критерии устойчивости JITC города. 162

4.3. Управление функционированием JITC города и его информационное обеспечение. 171

4.3.1. Цели, задачи и формы управления. 171

4.3.2. Свойства инженерно-геологической информации, используемой для управления ЛТС города. 179

4.3.3. Мониторинг ЛТС - как эффективное средство информационного обеспечения управления ЛТС города.

5. Мониторинг литотехнической системы города. 187

5.1. Цель и задачи моноторинга ЛТС города. 187

5.2. Структура мониторинга литотехнической системы города. 188

5.2.1. Функциональная структура мониторинга ЛТС города. 188

5.2.2. Содержательная структура мониторинга ЛТС города. 193

5.2.3. Основные аксиомы организации мониторинга JITC города. 197

5.3. Многомерный корреляционный анализ и интегральный показатель состояния ЛТС города, их значения при организации мониторинга. 198

5.4. Концепция поля геологического параметра. 203

ЧАСТЬ И.

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ МОНИТОРИНГА ЛИТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГОРОДА- 208

6. Общие положения. 208

7. Качественная оценка распространения геологических процессов и районирование территории города по видам техногенных взаимодействий и условиям развития процессов. 212

7.1. Выявление и качественная оценка распространения природных и техногенных

геологических процессов ( действующих и потенциальных). 212

7.2. Районирование территории ЛТС города по видам техногенных взаимодействий. 214

7.3. Районирование территории по условиям отдельных природных и техногенных

геологических процессов. 216

8. Количественная оценка и районирование территории города по интенсивности развития отдельных природных и техногенных геологических процессов. 219

8.1. Общие положения. 219

8.2. Особенности районирования территории ЛТС города по интенсивности развития

отдельных природных и техногенных геологических процессов. 226

9. Определение структуры, объёма и параметров систем пунктов получения информации (СППИНФ). 263

ЧАСТЬ III.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ. ОРГАНИЗАЦИЯ МОНИТОРИНГА ЛТС ГОРОДОВ ХАНОЯ И ХОШИМИНА, РЕСПУБЛИКА ВЬЕТНАМ. 271

10. Организация мониторинга литотехнической системы города Хошимина. 273

- з -

10.1. Краткая социально-экономическая характеристика города. 273

10.2. Подсистема ОВЛ ЛТС города. 276

10.2.1. Орографические особенности территории. 276

10.2.2. История геологического развития района. 278

10.2.3. Геологическое строение района. 280

10.2.4. Тектоническое строение района. 287

10.2.5. Геоморфологическое строение и рельеф. 290

10.2.6. Свойства фунтов сферы взаимодействия литосферы. 294

10.2.7. Гидрогеологические условия. 298

10.3. Подсистема "сооружение" ЛТС города. 305

10.3.1. Статические нагрузки от веса зданий и сооружений. - 307

10.3.2. Статическое взаимодействие от понижения уровня подземных вод

при их откачке. 310

10.3.3. Динамическое взаимодействие от системы транспорта города. 310

10.3.4. Фильтрационное взаимодействие от утечки из системы водопроводов города. 311

10.3.5. Электрическое взаимодействие от линий электропередачи высокого напряжения и систем трамвая. 311

10.3.6. Химическое и биологическое взаимодействия от промышленных предприятий, кладбищ, складов, свалок, сети канализации и транспорта. 313

10.4. Подсистемы внешних сред взаимодействия. 315

10.4.1. Атмосфера. 315

10.4.2. Поверхностная гидросфера. 316

10.4.3. Глубинная область литосферы. 317

10.5. Движение ЛТС города (экзогенно-геологические, инженерно-геологические процессы). 317

10.5.1. Овражная эрозия и плоскостной смыв на склонах. 318

10.5.2. Речная эрозия. 319

10.5.3. Морская абразия. 321

10.5.4. Приливно-отливная эрозия. 321

10.5.5. Заиливание русел и устьев рек. 322

10.5.6. Подтопление территории. 324

10.5.7. Динамическое уплотнение грунтов основания дорог наземным транспортом. 324

10.5.8. Статическое уплотнение грунтов основании зданий и оседание поверхности земли в зоне застройки города. 325

10.5.9. Химическое, биологическое загрязнение компонентов ПТС города. 326

10.5.10. Коррозионное нарушение сплошности трубопроводов и элементов сооружений города. 327

10.5.11. Агрессивное взаимодействие подземных вод на сооружения. 328

10.6. Специальные районирования территории города по интенсивности экзогенных геологических и инженерно-геологических процессов. 329

10.6.1. Районирование территории города по интенсивности развития процессов овражной эрозий, плоскостного смыва на склонах. 329

10.6.2. Районирование территорий города по интенсивности процесса речной эрозии. 335

10.6.3. Районирование территории города по интенсивности процесса приливно-отливной эрозии. 340

10.6.4. Районирование территории города по интенсивности процесса заиливания

русел и устьев рек. 342

10.6.5. Районирование территории по интенсивности процесса подтопления. 343

10.6.6. Районирование территории города по интенсивности процесса динамического уплотнения грунтов основания дорог от наземного транспорта. 347

10.6.7. Районирование территории города по интенсивности процесса статического уплотнения фунтов основания зданий и оседания поверхности земли от

веса зданий в зоне застройки. 348

10.6.8. Районирование территории города по интенсивности процесса химического и биологического загрязнения компонентов ПТС города. 352

10.6.9. Районирование территории города по коррозионной активности грунтов к металлам. 355

10.6.10. Районирование территории города по интенсивности агрессивного воздействия подземных вод на сооружения. 359

10.6.11. Районирование территории города по интенсивности процесса морской абразии. 359

10.7. Объемы, параметры и размещение СППИНФов о геологических процессах.

Методика наблюдения. 360

10.7.1. Система наблюдении за атмосферными осадками, влажностью и температурой воздуха, направлением и силой ветров. 365

10.7.2. Система гидрологических наблюдений. 366

10.7.3. Система наблюдения за скоростью разрушения склона овражной эрозией и плоскостным смывом в районах Кучи и Тхудык. 366

10.7.4. Система наблюдения за процессом речной эрозии. 368

10.7.5. Системы наблюдения за скоростью разрушения поверхности земли, вызванного приливно-отливной эрозией в районе Зуенхай. 369

10.7.6. Системы наблюдения за скоростью заиливания русел и устьев рек. 369

10.7.7. Наблюдения за скоростью разрушения берега морской абразией. 370

10.7.8. Система наблюдений за оседанием земной поверхности, вызванным застройкой города. 370

10.7.9. Наблюдения за деформациями и повреждениями зданий. 373

10.7.10. Наблюдения за уровнем подземных вод, влажностью и деформационно-прочностными свойствами грунтов в подтопленных районах и районах потенциального подтопления территории застройки города. 373

10.7.11. Наблюдение за интенсивностью транспортного движения и деформацией и повреждением дорог. 374

10.7.12. Система наблюдения за напряженностью электрического поля, удельным электрическим сопротивлением грунтов и скоростью коррозии металлов в зоне застройки города. 375

10.7.13. Наблюдения за скоростью растворения извести бетона и изменением РН подземных вод. 376

10.7.14. Система наблюдения за загрязнением почв, почво-грунтов и атмосферы в

зоне влияния источников загрязнения. 376

10.7.15. Наблюдение за загрязнением поверхностных вод и донных отложений. 380

10.7.16. Режимные наблюдения за загрязнением подземных вод. 380

10.7.17. Система наблюдения за фоновым загрязнением атмосферы, почвы, почвогрунтов, за фоновой температурой пород территории застройки (центрального района) города. 381

11. Организация мониторинга ЛТС города Ханоя. 386

11.1. Социально-экономические особенности территории города. 386

11.2. Инженерно-геологические условия города. 390

11.2.1. Орогвдрография. 390

11.2.2. История развития района. 391

11.2.3. Геологическое строение района 393

11.2.4. Тектоническое строение района. 402

11.2.5. Геоморфологические условия города. 405

11.2.6. Свойства горных пород. 408

11.2.7. Гидрогеологические условия района. 411

11.3. Техногенные, техноплагенные, возмущающие взаимодействия на территории города. 413

11.3.1. Статические нагрузки от веса наземных сооружений. 414

11.3.2. Статическое воздействие от системы водозаборов. 414

11.3.3. Гидродинамические воздействия от поверхностных вод рек системы

Красной реки. 415

11.3.4. Гидродинамическое воздействие подземных вод в основании и в нижнем

бьефе дамб во время паводка. 419

11.3.5. Динамическое воздействие системы глубинных разломов.

419

11.4. Экзогенные геологические процессы и проявления эндогенных геологических процессов. 419

11.4.1. Прорыв дамб. 420

11.4.2. Уплотнение грунтов основания зданий и оседание поверхности земли за счет застройки города. 423

11.4.3. Оседание поверхности земли города, вызванное откачкой подземных вод. 424

11.4.4. Речная эрозия. 425

11.4.5. Трещинообразование на поверхности земли города и геодинамические -геопатогенные зоны. 425

11.5. Специальные районирования территории города по интенсивности геологических процессов. 427

11.5.1. Районирование территории города по степени осадки земной поверхности

за счет веса зданий и сооружений. 427

11.5.2. Районирование территории города по степени устойчивости дамб от фильтрационных нарушений потоками подземных вод. 431

11.5.3. Районирование территории города по степени устойчивости дамб по отношению к возможной осадке и проявлению трещин в дамбе. 438

11.5.4. Районирование территории города по степени оседания поверхности земли

за счет откачек подземных вод. 442

11.5.5. Районирование территории города по степени устойчивости берегов рек к речной эрозии. 444

11.5.5. Районирование территории города по степени проявления геодинамических,

геопатогенных зон на поверхности земли. 447

11.6. Объемы, параметры и размещение СППИНФов о геологических процессах. Методика наблюдений. 448

11.6.1. Система наблюдений за уровнем подземных вод и поверхностных вод

в реках вдоль дамб при подпоре. 450

11.6.2. Система пунктов получения информации о проявлениях трещин в дамбе. 452

11.6.3. Система режимных наблюдений за проявлением фильтрационного процесса

в основании и на склонах дамб. 453

11.6.4. Система наблюдений за режимом осадки дамб. 454

11.6.5. Система наблюдения за крутизной, высотой склона и скоростью обрушения берегов рек (за речной эрозией). 455

11.6.6. Система наблюдений за режимом уровня подземных вод при откачке. 456

11.6.7. Наблюдения за деформацией и повреждением зданий и сооружений. 457

11.6.8. Наблюдения за проявлением геодинамических- геопатогенных зон. 457

11.6.9. Система наблюдений за оседанием земной поверхности, вызванным

откачкой подземных вод и застройкой города. 459

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 467

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 470

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность работы. Среди природно-технических систем (ПТС) литотехническая система (ЛТС) "городская агломерация" является большой и сложнейшей*. В ее пределах, на сравнительно небольшой площади, сконцентрированы различные, изменяющиеся по интенсивности и времени, пересекающиеся по пространственному распространению источники взаимодействия между компонентами-подсистемами ПТС и другими звеньями экосистем. Эти взаимодействия вызывают в соответствующих подсистемах ПТС новые и активизируют существующие природные, техногенные и техноплагенные геологические, геолого-инженерные, а также техноплагенные инженерные процессы, последствия которых приносят в настоящее время и будут приносить городам огромные потери и ущерб не только в экономическом, но и в экологическом, социальном и других отношениях. В следствие этого оптимальное управление функционированием ПТС "городская агломерация" является новым и чрезвычайно актуальным вопросом, требующим теоретических и методологических проработок, на которых должны базироваться методы и способы оптимального управления.

С позиции управления, ПТС города характеризуется особенностями: уникальностью, которая заключается в том, что каждая точка ПТС города обладает собственным набором взаимодействий и реакций соответствующих ее подсистем-компонентов; слабой предсказуемостью поведения ПТС, обусловленной неопределенностью многих существенных взаимодействий; динамичностью ПТС, т.е. изменением во времени ее структуры, свойств и характера функционирования ПТС в целом и ее подсистем-компонентов и другими особенностя-

Под большой системой понимается множество подсистем-компонентов, значимость взаимосвязей и взаимообусловленности между которыми наиболее высокие, и общесистемные ситуации в системе поддаются анализу без упрощения или разложения ее на составные части. Под сложной системой понимается большая система, в которой поведение хотя бы одного из подсистем-элементов находится под управлением (словарь по кибернетике 1979; философский словарь 1981).

ми. Вследствие этого управление функционированием ПТС города должно осуществляться при строгом выполнении последовательности следующих операций: оценка текущего состояния ПТС города; наблюдение за поведением ПТС города и ее подсистем-компонентов; прогнозирование состояний ПТС на заданный момент будущего времени; разработка на основе диагноза и прогноза рекомендаций по управлению ПТС города; реализация управляющих мероприятий; оценка эффективности управляющих взаимодействий. Даже перечисленный выше набор последовательных операций свидетельствует о сложности и актуальности проблемы оптимизации управления функционированием природно-технической и литотехнической систем (ПТС и JITC) города. Эта проблема может быть реализована путем создания мониторинга.

Цель работы. Главная цель работы заключалась в разработке теоретических и методологических положений, а также методики организации мониторинга литотехнической системы крупных городских агломераций.

Задачи исследования. Основные задачи заключаются в следующем:

1. Разработка концепции ПТС и JITC города на основе теории систем и кибернетики.

2. Анализ функционирования JITC города при различных техногенных взаимодействиях.

3. Обоснование параметров состояния и движения JITC города.

4. Разработка методики районирования JITC города по видам техногенных взаимодействий, условиям проявления и развития природных и техногенных геологических процессов.

5. Разработка корректной методики количественной оценки и районирования территории JITC города по интенсивности развития различных природных и техногенных геологических процессов.

6. Обоснование структуры, объема, параметров систем пунктов получения информации мониторинга JITC "городская агломерация".

7. Эксперементальное подтверждение разработанных теоретических и методических положений на основе их реализации для организации систем мониторинга городов Вьетнама.

Научная новизна работы заключается в том, что ПТС и ЛТС города рассмотрены с позиций теории систем и управления. Вследствие этого выполненные исследования позволяют на новом качественном уровне подойти к корректному решению проблемы организации мониторинга, который является составной частью общей системы управления ЛТС и ПТС города в целом.

В процессе разработки и реализации теоретических и методологических положений получены основные научные результаты:

1. Рассмотрены экологический, социальный, экономический аспекты проблемы