Литотехнические системы Белоруссии: закономерности функционирования, мониторинг и инженерно-геологическое обоснование управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.08, доктор наук Галкин Александр Николаевич

• Галкин Александр Николаевич
• доктор наук
• 2014

Оглавление диссертации доктор наук Галкин Александр Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ЛИТОТЕХНИЧЕСКИХ

СИСТЕМАХ И ПРОБЛЕМЫ ИХ ИЗУЧЕНИЯ

1. 1 История формирования представлений о литотехнических системах

1.2 Современные проблемы в изучении ЛТС

1.2.1 Проблема природного (геологического) характера

1.2.2 Проблема классификационного характера

1.2.3 Проблема стратегического характера

1.2.4 Проблемы методологического и методического характеров

1.3 Выводы к главе 1 и постановка задач исследований

2 ИНЖЕНЕРНО - ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИИ БЕЛОРУССИИ КАК ФАКТОР СОЗДАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1 Основные черты геологического строения и развития территории Белоруссии

2.2 Характеристика основных комплексов и генетических типов пород верхней части разреза платформенного чехла Белоруссии

2.3 Особенности строения и пространственного изменения рельефа

2.4 Общие закономерности гидрогеологических условий

2.5 Экзогенные геологические процессы и явления, общие закономерности их проявления

2.6. Типизация инженерно-геологических обстановок (систем)

2.7 Инженерно-геологическое районирование территории Белоруссии

2.8 Выводы к главе

3 ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЛИТОТЕХНИЧЕСКИХ

СИСТЕМ НА ТЕРРИТОРИИ БЕЛОРУССИИ

3.1 История формирования ЛТС на территории Белоруссии

3.2 Типизация литотехнических систем территории Белоруссии

3.3 Функционально-территориальная характеристика деятельности ЛТС

3.4 Выводы к главе

4 ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОНИТОРИНГА ЛИТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

4.1 Современные представления о мониторинге ЛТС, его содержании и структуре

4.2 Информация, моделирование и прогноз в системе мониторинга ЛТС

4.3 Особенности использования мониторинга для количественной оценки состояния и режима функционирования ЛТС

4.4 Выводы к главе

5 КОНЦЕПЦИЯ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ЛИТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТЕРРИТОРИИ БЕЛОРУССИИ

5.1 Структура и содержание концепции мониторинга

литотехнических систем

5.1.1 Цели и задачи работ по созданию системы мониторинга ЛТС

5.1.2 Законодательные, нормативные и регламентирующие документы

5.1.3 Международный опыт в создании систем мониторинга ЛТС

5.1.4 Основные организационные положения

5.1.5 Основные методологические принципы мониторинга ЛТС

5.1.6 Объекты наблюдений

5.1.7 Методы и средства наблюдений

5.1.8 Основные требования к аналитической информации

5.1.9 Прогнозные задачи мониторинга ЛТС

5.1.10 Основные положения для разработки целевой программы мониторинга ЛТС

5.2 Использование результатов системы мониторинга ЛТС Белоруссии

5.3 Выводы к главе

6 НАУЧНО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ

ЛИТОТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

6.1 Современные представления об управлении литотехническими системами

6.2 Методологические подходы к инженерно-геологическому обоснованию управления ЛТС

6.2.1 Системный подход

6.2.2 Ситуационный подход

6.2.3 Динамический подход

6.2.4 Сценарный (поисковый) подход

6.3 Практическая реализация методологии инженерно-геологического обоснования управления ЛТС различного уровня организации и назначения в условиях Белоруссии

6.3.1 ЛТС «Административное здание жилищно-эксплуатационной службы» в Минске

6.3.2 ЛТС «Гомельский химзавод»

6.4 Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Литотехнические системы Белоруссии: закономерности функционирования, мониторинг и инженерно-геологическое обоснование управления»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Геологическая среда промышленно развитых регионов - такая же важная составляющая существования человеческого общества, как воздух, поверхностные воды, животный и растительный мир. В тоже время, как показывает практика, в планах развития городов и их инфраструктур, размещения промышленных объектов, полигонов производственных и бытовых отходов, рекреационных зон и др., крайне мало уделяется внимания литогенной основе территорий [151 -157]. Такой подход ни в коей мере не может быть оправдан, поскольку скрытые от прямого наблюдения и проявляющиеся на поверхности процессы изменения литосферы, по выражению Г.А. Голодковской и Ю.Б. Елисеева [90], не менее опасны для жизнедеятельности человека, чем сокращение площади лесов или обмеление рек.

Изучение процессов, происходящих в верхних горизонтах литосферы в связи с инженерной деятельностью человека, традиционно считается одной из главных научных задач инженерной геологии. При этом предметами исследований все чаще выступают литотехнические системы (ЛТС), под которыми понимают любые комбинации из технических устройств и литосферного блока любой размерности, элементы которых взаимодействуют друг с другом и объединяются единством выполняемой социально-экономической функции. В инженерной геологии они изучаются с целью обеспечения устойчивого функционирования инженерных сооружений либо инженерно-хозяйственной деятельности человека в целом [259].

Территория Белоруссии имеет длительную историю инженерно -хозяйственного освоения. За это время ее естественные ландшафты претерпели серьезные антропогенные изменения и в настоящее время, в сущности, являются вторичными, или антропогенными (техногенными).

В Белоруссии практически нет места, где бы ни ощущалось влияние человека на природную, в том числе и геологическую среду. Сегодня это страна с высокоразвитой многоотраслевой индустрией, интенсивным сельскохозяйственным производством и урбанизацией. По существу, ее территорию можно представить как крупную литотехническую полисистему (или ЛТС национального уровня организации), дифференцируемую на системы низшего порядка, различающиеся пространственными и временными границами, структурой, функциями, свойствами и состоянием. Причем каждая из них претерпевает и способна вызывать как обратимые, так и необратимые изменения в геологической среде. Сами ЛТС тем или иным образом видоизменяются, развиваются и эволюционируют, достигая либо позитивного устойчивого, либо негативного неустойчивого состояния, чреватого опасными последствиями. В условиях современного обострения экологических проблем, свойственного как Белоруссии [32, 34, 43, 44, 48-50, 53, 153 и др.], так и другим государствам, одной из важнейших задач является реабилитация (восстановление) техногенно-нарушенных территорий, на которых состояние литотехнических систем уже достигло критического или опасного уровня развития. Для решения этой задачи необходима научная разработка геологического, точнее инженерно-геологического, обоснования управления такими системами.

В настоящее время имеется целый ряд научных работ, рассматривающих проблемы управления ЛТС. В большинстве своем эти работы затрагивают вопросы создания систем управления функционированием отдельных типов и видов ЛТС: селитебной (Л.В. Бахирева, И.В. Галицкая, Г.А. Голодковская, М.В. Графкина, Р.Э. Дашко, Е.С. Дзекцер, Е.Н. Иерусалимская, Г.Л. Кофф, М.Б. Куринов, В.И. Осипов, А.Д. Потапов, А.Л. Рагозин, В.С. Хомич, Л. Чан Мань, Л.А. Ярг и др.), культурно-заповедной (В.Л. Невечеря,

A.А. Никифоров, В.О. Подборская и др.), водохозяйственной (В.С. Аношко,

B.Г. Жогло, М.Ю. Калинин, А.В. Кудельский, В.И. Пашкевич, М.М. Черепанский,

В.М. Шестаков, Р.С. Штенгелов и др.), складской (О.М. Гуман, С.Н. Костарев и др.), горнопромышленной (В.Н. Губин, Г.А. Колпашников, В.Н. Попов, Е.А. Федорова, П.С. Шпаков и др.), нефтегазопромышленной (В.Г. Аковецкий, А.Н. Гульков, Т.П. Дубина, А.В. Никитина, О.С. Овсянникова, В.В. Пендин и др.), транспортно-коммуникационной (А.П. Камышев, В.Н. Луканин, Ю.В. Трофименко и др.) и ряда других. В каждой из них, как показывает анализ, обеспечивается определенная эффективность управления ЛТС. Однако, по нашему мнению, используемые разными авторами методологические подходы к управлению не учитывают всего многообразия типов ЛТС и, как следствие, имеют ограниченное применение и носят частный характер. Поэтому, ни один из этих подходов не может служить основой для формирования научной стратегии инженерно-геологического обоснования управления ЛТС.

Теоретические и методологические аспекты обоснования управления функционированием ЛТС в целом наиболее полно отражены в работах Т.И. Аверкиной, Г.К. Бондарика, В.А. Королева, В.Т. Трофимова, Л.А. Ярг и др. [1, 13, 15-21, 142-146, 256-260 и др.]. В них достаточно подробно рассмотрены функциональная сущность управления ЛТС, существующие возможности и ограничения, а также ряд научных положений и принципов, определяющих научно обоснованные подходы к управлению ЛТС. В тоже время, данные работы, несмотря на высокую степень информативности, не в полной мере учитывают специфику различных ЛТС: их структуру, функциональные особенности (длительность и режим работы), пространственное положение и т.п., от которой в значительной степени будет зависеть выработка геологически обоснованных управленческих решений для оптимизации функционирования этих систем.

Поэтому возникла насущная необходимость развить научно-методологические подходы к исследованию литотехнических систем как объектов управления и к формированию общей научной стратегии управления ЛТС, основывающейся на элементах теорий системного анализа,

инженерной геологии, мониторинга и кибернетики. Разработка методологии инженерно-геологического обоснования управления ЛТС выступает как актуальная научная проблема, имеющая важное инженерно-геологическое значение, отличающаяся принципиальной новизной и повышенной практической значимостью не только для Белоруссии, но и многих сопредельных государств.

Основная идея работы заключается в том, что оптимальное, не превышающее критического уровня режима, функционирование литотехнической системы может быть обеспечено за счет эффективного управления различными компонентами ЛТС.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка теоретических основ и методологии инженерно-геологического обоснования управления ЛТС локального и регионального уровней организации, базирующихся на элементах теорий системного анализа, мониторинга и геокибернетики (по Г.К. Бондарику). Ее достижение вполне целесообразно реализовать на примере исследования особенностей литотехнических систем территории Белоруссии, типичных и для многих ЛТС ряда сопредельных государств, включая Россию, Украину и др.

Указанная цель обусловила необходимость постановки и решения следующих задач:

1. Изучить инженерно-геологические условия территории Белоруссии как главный фактор обеспечения условий создания, геологического обоснования и эксплуатации ЛТС различного назначения и уровня организации.

2. Проанализировать современное состояние функционирования технических систем разного уровня на территории Белоруссии, разработать и обосновать основные принципы их классификации и на основе этого создать региональную инженерно-геологическую типизацию литотехнических систем. С учетом типизации ЛТС рассмотреть особенности их функционирования при различных видах техногенного воздействия на

компоненты геологической среды.

3. На базе мониторинга разработать методику количественной оценки состояния и режима работы ЛТС разного уровня организации с целью инженерно-геологического обоснования управления ими.

4. Разработать научно-методологическое обоснование концепции организации мониторинга литотехнических систем территории Белоруссии в составе Национальной системы мониторинга окружающей среды как основы для прогнозных оценок развития ЛТС и управления ими.

5. Разработать методологию создания системы выработки геологически обоснованных управленческих решений для оптимизации функционирования ЛТС различного уровня организации.

Объектом исследований являлись верхние горизонты земной коры в сфере их взаимодействия с техническими объектами - литотехнические системы территории Белоруссии разного назначения, уровня организации и срока эксплуатации, функционирующие в пределах различных инженерно-геологических обстановок. Предметом исследований являлось выявление функциональных связей геологической и технической подсистем указанных ЛТС с целью инженерно-геологического обоснования управления ими.

Методология и методы проведенного исследования. Выполненная работа базируется на общей методологии инженерной геологии, смежных геологических наук, а также на общенаучных методах исследований. Основными методами исследований являлись системный анализ, геокибернетика и функциональный подход, численное моделирование, а также полевые и лабораторные эксперименты, современные картографические методы накопления, обработки и представления инженерно-геологической информации.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. На основе новых геологических данных установлены новые закономерности пространственных изменений инженерно-геологических условий территории Белоруссии, выявлены особенности их влияния на

условия создания и эксплуатации ЛТС различного назначения и уровня организации, реализованные в виде оригинальных карт глубин залегания и загрязненности грунтовых вод, экзогенных геологических процессов, структурно-геоморфологического и инженерно-геологического районирования, техногенной трансформации геологической среды, геологических разрезов и других графических материалов.

2. Для целей инженерной геологии предложена принципиально новая региональная типизация литотехнических систем, отличающаяся от известных типизаций наличием генетического подхода к изучению ЛТС, высокой степени детализации их структуры, учетом уровней организации и функционирования систем, а также информации об управляющих взаимодействиях.

3. Предложен оригинальный методический подход к количественной оценке состояния и режима функционирования литотехнической системы, основанный на использовании результатов мониторинговых наблюдений за изменениями параметров различных классов воздействий на геологическую подсистему и вводимых новых количественных характеристик ЛТС, отражающих интенсивность этих воздействий, пространственные границы и текущее состояние литотехнической системы. В отличие от известных, в настоящем подходе существует возможность устанавливать стадии режима функционирования ЛТС и в соответствии с ними оперативно принимать решения о необходимости выработки инженерно-геологического обоснования управления этой системой.

4. Теоретически обосновано авторское представление о структуре системы мониторинга литотехнических систем территории Белоруссии в составе Национальной системы мониторинга окружающей среды, предполагающее включение в ее состав основной (наблюдательной), вспомогательной (расчетно-аналитической, исследовательской) и обеспечивающей (организационное, техническое, научно-методическое, нормативное, информационное обеспечение) составляющих.

5. Предложена новая методология организации системы инженерно-геологического обоснования управления ЛТС различного уровня, заключающаяся в последовательном применении на разных этапах ее формирования системного, ситуационного, динамического и сценарного подходов. Их использование является необходимым и достаточным условием создания подобной системы.

Результаты диссертационного исследования взаимосвязаны и образуют методологическую основу инженерно-геологического обоснования управления литотехническими системами (от изучения инженерно-геологических условий территории как главного фактора создания и эксплуатации ЛТС, через анализ особенностей функционирования этих систем, их типизацию, диагностику состояния и прогнозы развития, до конечного звена - управления), которая позволяет повысить эффективность управления развитием ЛТС.

Основные защищаемые положения.

На защиту автором выносятся следующие положения, содержащие новые научные результаты в исследовании литотехнических систем как объектов взаимодействия человека и геологической среды.

1. Инженерно-геологическое районирование территории Белоруссии, выполненное с полным учетом выявленных закономерностей изменений региональных и зональных геологических факторов инженерно-геологических условий как основа инженерно-геологической информации для территориального размещения литотехнических систем различного уровня организации и назначения, а также разработки прогнозов взаимодействия технической и геологической составляющих ЛТС с последующим обоснованием инженерно-геологических мероприятий по управлению этими системами.

2. Новая региональная инженерно-геологическая типизация литотехнических систем, позволяющая разделять совокупности взаимосвязанных элементов ЛТС разного уровня и оказываемых ими

возмущающих воздействий на отдельные составляющие для последующего анализа, оценки, прогноза развития и управления состоянием с целью достижения эффективного функционирования ЛТС в целом.

3. Обоснование и использование нового методического подхода к количественной оценке состояния и режима функционирования литотехнической системы на основе полученной в процессе мониторинга текущей информации об изменениях параметров различных классов воздействий на геологическую подсистему и новых количественных характеристик ЛТС, позволяющего оперативно устанавливать стадии режима работы этой системы и в соответствии с ними принимать решения по инженерно-геологическому обоснованию управления ею.

4. Обоснование концепции организации системы мониторинга литотехнических систем территории Белоруссии в составе Национальной системы мониторинга окружающей среды, обеспечивающей выход на принципиально новый уровень компетентности получения информации о состоянии ЛТС локального и регионального уровней, прогнозных оценок его изменений и разработки инженерно-геологического обоснования управления этими системами.

5. Новая методология организации системы инженерно-геологического обоснования управления литотехническими системами различного уровня, позволяющая на основе системного анализа функционирования ЛТС принимать или корректировать управленческие решения в соответствии со складывающейся ситуацией, априори устанавливать значения целевых показателей и определять структуру и параметры управления этими системами.

Достоверность и обоснованность полученных результатов

подтверждаются многолетними инженерно-геологическими, эколого-геологическими и геоэкологическими исследованиями автора на территориях различных регионов Белоруссии, результаты которых опубликованы в виде

научных статей в ведущих изданиях Российской Федерации и Республики Беларусь и монографий.

Диссертационная работа выполнялась в составе Государственной программы ориентированных фундаментальных исследований «Геохимия и геодинамика земной коры Беларуси как основа минерагенических прогнозов и рационального использования недр» (ГПОФИ «Недра Беларуси», 2006-2010 гг.) по заданию 14 «Изучение закономерностей пространственной изменчивости инженерно-геологических условий территории Беларуси и история их формирования» (руководитель задания А.Н. Галкин - № ГР 20062116), а также Региональной научно-технической программы Гомельской области (утверждена решением Гомельского областного исполнительного комитета от 14.12.99 № 889) по заданию 08 «Оценить состояние и дать прогноз изменений инженерно-геологических условий территории г. Гомеля под влиянием техногенной нагрузки» (договор с Институтом механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси И-12/2000/08 от 05.01.2000 г.; руководитель задания Е.Ю. Трацевская) и 7 хозяйственных договоров с Гомельским химическим и Светлогорским целлюлозно-бумажным заводами (научный руководитель тем В.Г. Жогло - №№ ГР 018867675; 03920006482; 01910024123; 01910006101; 1996964; 19971684), в которых автор настоящего диссертационного исследования выступал в качестве исполнителя.

Тема диссертационных исследований соответствует приоритетным направлениям фундаментальных и прикладных научных исследований Республики Беларусь на 2006-2010 гг. (раздел 8 «Экологическая безопасность, охрана окружающей среды, полезные ископаемые и недра Беларуси, эффективное использование и возобновление природных ресурсов, предупреждение и ликвидация последствий чрезвычайных ситуаций») и 2011-2015 гг. (раздел 10 «Экология, природные ресурсы, ресурсосбережение, рациональное природопользование и защита от чрезвычайных ситуаций»).

Практическая значимость результатов работы. Результаты исследований представляют собой составную часть комплекса практических мер, направленных на оптимизацию процессов территориального планирования в размещении, прогнозов развития и управления различного уровня организации ЛТС. Они могут быть использованы администрациями, проектными и изыскательскими организациями городов и районов для принятия проектных решений при возведении объектов гражданского, промышленного и сельскохозяйственного назначения, областными комитетами природных ресурсов и охраны окружающей среды при создании системы мониторинга геологической среды городов и промышленных зон, а также служить информационной базой при обосновании и разработке региональной политики природопользования.

Практическая значимость подтверждается использованием результатов работы в деятельности Гомельского областного комитета природных ресурсов и охраны окружающей среды, в производстве инженерных изысканий Республиканского дочернего унитарного проектно-изыскательского предприятия «Витебскгипроводхоз», Витебского отдела инженерных изысканий унитарного предприятия «Геосервис», а также в учебном процессе ряда высших учебных заведений Республики Беларусь, что зафиксировано соответствующими актами.

Апробация. Результаты исследований докладывались на республиканской научно-практической конференции «Природные и социально-экономические аспекты Белорусского Полесья в экстремальных условиях» (Гомель, 1992); 1-й научно-практической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения академика АН БССР Г.В. Богомолова, «Проблемы охраны геологической среды» (Минск, 1995); международной научной конференции «Эволюция инженерно-геологических условий Земли в эпоху техногенеза» (Москва, 1997); конференции аспирантов и молодых ученых, посвященной 100-летию со дня рождения С.С. Морозова и 60-летию кафедры инженерной геологии и охраны

геологической среды геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, «Проблемы инженерной и экологической геологии» (Москва, 1998); 1-ой международной научно-практической конференции «Экология и молодежь (Исследования экосистем в условиях радиоактивного и техногенного загрязнения окружающей среды)» (Гомель, 1998); 1 -й международной научно-практической конференции «Экологические проблемы Полесья и сопредельных территорий» (Гомель, 1999); международной научной конференции «Новые типы инженерно-геологических и эколого-геологических карт» (Москва, 2001); международной научной конференции «Петрогенетические, историко-геологические и пространственные вопросы в инженерной геологии» (Москва, 2002); международной научной конференции «Многообразие грунтов: морфология, причины, следствия» (Москва, 2003); международной научной конференции «Экологическая геология и рациональное недропользование (Экогеология - 2003)» (Санкт-Петербург, 2003); международной научной конференции «Инженерная геология массивов лессовых пород» (Москва, 2004); международной научной конференции, посвященной 70-летию географического факультета БГУ, «География в XXI веке: Проблемы и перспективы» (Минск, 2004); международной научно-практической конференции «Экология фундаментальная и прикладная: Проблемы урбанизации» (Екатеринбург, 2005); международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения акад. Г.В. Богомолова, «Проблемы водных ресурсов, геотермии и геоэкологии» (Минск, 2005); международной научной конференции «Проблемы инженерной геодинамики и экологической геодинамики» (Москва, 2006); международной конференции «Гидрогеология в начале XXI века» (Новочеркасск, 2006); международной научной конференции «Мониторинг геологических, литотехнических и эколого-геологических систем» (Москва, 2007); Всероссийской конференции с международным участием «Северные территории России: проблемы и перспективы развития» (Архангельск, 2008); международной научно-практической конференции

«Наука, образование и культура: состояние и перспективы инновационного развития» (Мозырь, 2008); международной научной конференции «Многообразие современных геологических процессов и их инженерно-геологическая оценка» (Москва, 2009); юбилейной научно-практической конференции, посвященной 40-летию Гомельского госуниверситета им. Ф.Скорины (Гомель, 2009); международном молодежном форуме «Вода, изменение климата и здоровье человека» (Минск, 2009); международной научной конференции «Охраняемые природные территории и объекты Белорусского Поозерья: современное состояние, перспективы развития» (Витебск, 2009); республиканской научной конференции с международным участием «Аналитика Республики Беларусь-2010» (Минск, 2010); международной научной конференции «Актуальные проблемы в изучении и преподавании общественно-гуманитарных наук» (Витебск, 2010); XV (62), XVI (63) и XVII (64) региональной научно-практической конференции преподавателей, научных сотрудников и аспирантов (Витебск, 2010, 2011, 2012); II международной научно-практической конференции «Проблемы устойчивого развития регионов Республики Беларусь и сопредельных стран» (Могилев, 2012). Результаты исследований обсуждались на сессиях Научного совета РАН «Сергеевские чтения» (Москва, 2003, 2004, 2007, 2012), научных сессиях преподавателей, научных сотрудников и аспирантов Витебского государственного университета им. П.М. Машерова (2002, 2003, 2005, 2007, 2010, 2011, 2012) и научных семинарах кафедры инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (1998, 2008).

Личный вклад соискателя. Диссертация является многолетним (19902014 гг.) итогом научно-исследовательских работ по изучению закономерностей формирования инженерно-геологических условий территории Белоруссии, состояния геологической среды и геоэкологических обстановок отдельных регионов в условиях высокой техногенной нагрузки, выполненных лично или при непосредственном участии автора в ходе полевых, лабораторных и теоретических исследований в Московском

государственном университете имени М.В. Ломоносова (научный консультант - д.г.-м.н., профессор В.А. Королев), Гомельском государственном университете имени Ф. Скорины (научный консультант -д.г.-м.н., доцент В.Г. Жогло) и Витебском государственном университете имени П.М. Машерова.

Диссертационные исследования дополнены анализом фондовых материалов Республиканского унитарного предприятия «Белгеология», унитарного предприятия «Геосервис», Белорусского научно-исследовательского центра «Экология» (БелНИЦ «Экология»), Белорусского научно-исследовательского геологоразведочного института (БелНИГРИ), Института геохимии и геофизики Национальной академии наук Беларуси (ИГиГ НАН Б), Гомельского госуниверситета им. Ф. Скорины (ГГУ) и др.

Публикации. По теме диссертационных исследований опубликовано 85 научных работ, в том числе: 5 монографий, 13 статей в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ, 17 статей в научных изданиях, рекомендованных ВАК РБ, 9 статей в научных сборниках, 3 статьи в научных журналах, 3 статьи в сборниках научных трудов, 35 материалов и тезисов докладов научных конференций. Опубликованы также 1 учебное пособие с грифом Министерства образования Республики Беларусь, 2 учебных пособия с грифом УМО по естественнонаучному образованию Республики Беларусь и 7 учебно-методических пособий.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному консультанту, доктору геолого-минералогических наук, член-корреспонденту РАЕН, профессору В.А. Королеву за постановку темы диссертационных исследований и всестороннюю поддержку в их выполнении; доктору геолого-минералогических наук, доценту В.Г. Жогло за плодотворные консультации при выполнении диссертационных исследований; доктору геолого-минералогических наук, академику НАН Беларуси, профессору А.В. Матвееву за консультации и предоставление тематического картографического материала; кандидату геолого-

минералогических наук, доценту И.А. Красовской и А.Ф. Акулевичу за оказанную поддержку и советы на всех этапах выполнения работы.

Автор также выражает искреннюю благодарность сотрудникам кафедры географии Витебского госуниверситета имени П.М. Машерова, геолого-географического факультета Гомельского госуниверситета имени Ф. Скорины и коллективу кафедры инженерной и экологической геологии МГУ имени М.В. Ломоносова за внимание, участие в обсуждении и ценные рекомендации и замечания, которые способствовали завершению работы.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Галкин Александр Николаевич, 2014 год

/ / / /

у /-л

* * * *

V А„/16

супесь мэренна^

индекс литотехни-ческой системы;

глина;

песок: п- пыпеватыи.м - мелкий, с - средний, к -крулньй.

М

г- 180

-160

-140

- 120

- 100

I— 80

граница литотехшчесхои систегмы.

Рисунок 4.8 - Профильная схема участка размещения промышленной литотехнической системы

«Мозырский нефтеперерабатывающий завод»

Подземные воды вскрыты на всех стратиграфических уровнях: в техногенных, аллювиальных и надморенных флювиогляциальных отложениях - грунтовые; в моренной толще - воды спорадического распространения; комплекс среднеплейстоценовых березинско-днепровских отложений и палеогеновые породы формируют горизонты межпластовых вод, имеющих тесную гидравлическую связь. Два последних водоносных горизонта активно используются заводом и прилегающими к нему предприятиями и населенными пунктами в качестве основных источников водоснабжения.

Среди инженерно-геологических процессов, наблюдаемых в пределах территории завода, следует отметить подтопление, носящее, в основном, локальный характер [299].

Как технический объект ЛТС нефтеперерабатывающий завод представляет собой комплекс сооружений, включающий в себя комбинированную установку каталитического крекинга, здания и установки топливно-каталитического и нефтехимического производства, товарно-сырьевой базы, отвалы технологических отходов, очистные сооружения, биопруды, шламонакопители, общей площадью около 700 га (рисунок 4.7). Следствием функционирования объектов завода является формирование большого количества отходов, 94% которых составляют строительный мусор (55% от общего количества отходов), промышленно-бытовые отходы (11%), отработанные катализаторы (9,5%), загрязненные нефтепродуктами грунты (7%), активный ил очистных сооружений (6%), древесные отходы (3%), шлам очистки емкостей (2,5%). Несмотря на значительную их переработку, большая часть отходов складируется в отвалах и шламонакопителях, которые наряду с другими техническими объектами являются потенциальными источниками техногенных воздействий на геологическую среду [299].

С 2000 г. на заводе специализированной службой осуществляется локальный мониторинг окружающей среды, включающий в себя мониторинг атмосферного воздуха, земель, поверхностных и подземных вод.

Мониторинг подземных вод ведется по 13-ти наблюдательным скважинам, оборудованным на грунтовый и межпластовый среднеплейстоценовый водоносные горизонты, а также внутриморенные линзы обводненных песков. Скважины размещены по схеме, учитывающей направление движения подземных вод: три скважины, расположенные к северу и северо-востоку от объектов с отходами, являются фоновыми по отношению к объектам с отходами, две скважины характеризуют поток подземных вод с промплощадки завода. Остальные наблюдательные скважины расположены вниз по потоку от технических объектов и отслеживают влияние этих объектов на загрязнение вод. Опробование скважин проводится ежеквартально, пробы воды анализируются на

____л___

содержание макрокомпонентов (Бе (общ.), ^ЫН , С1 , N03 , Б04 , РО4 ), микроэлементов (As, Cd, Со, Сг, Си, Н^, РЬ, 7п) и органических соединений (фенолы, СПАВ, нефтепродукты) [299].

Мониторинг земель осуществляется по сети наблюдательных точек (пробных площадок), охватывающей все объекты производства, с использованием методов почвенно-геохимической съемки. Отбор проб грунта производится 1 раз в год в интервале глубин 0-0,2 м. Пробы анализируются на содержание нефтепродуктов, серы и тяжелых металлов (Сё, Со, Сг, Си, Мп, N1, РЬ, 7п) [289].

Используя результаты мониторинга подземных вод и земель, проводимого службой охраны окружающей среды Мозырского НПЗ в 2010 г. [299], оценим на указанный год режим функционирования рассматриваемой литотехнической системы. С этой целью установим пространственные границы геологической подсистемы ЛТС. За нижнюю границу сферы взаимодействия литосферы примем подошву днепровской моренной толщи, залегающую в среднем на глубине 20 м (совпадает с нижней границей активной зоны оснований), за верхнюю - дневную поверхность в контуре территории завода (рисунок 4.8). В качестве количественного показателя пространственной границы функционирования ЛТС определим объем

геологического пространства Ь , близкого к полусферической форме (рисунок 4.8):

Ь = п к1 (Я-1/3к) = п 0,022 (1,43-0,0067)= 0,0018 км3,

где Я - усредненный радиус территории завода, к - глубина до подошвы моренной толщи.

Затем в заданных границах функционирования ЛТС рассчитаем коэффициент интенсивности техногенных воздействий на геологическую среду ^ЛТС. За основные параметры воздействий примем повышение уровня грунтовых вод, содержание в подземных водах макрокомпонентов (^ЫНД С1-, Шз-, Б042-, РО43-), микроэлементов С^ Со, Сг, Си, Н^ РЬ, 7п) и органических соединений (фенолы, СПАВ, нефтепродукты), содержание в грунтах зоны аэрации нефтепродуктов, серы и тяжелых металлов (Cd, Со, Сг, Си, Мп, N1, РЬ, 7п). Всего 27 параметров. Их фактические величины определим как средние значения по результатам опробования, а критические - как УГВ до начала строительства завода и ПДК загрязняющих веществ. Подставив все заданные параметры в формулу (4.1), получим:

^ЛТС = 1,5 [УГВ] + 0,79 [вода Ш4+, С1-, N03"", Б042-, РО43-] + 2,68 [вода ДБ, Сё, Со, Сг, Си, Н§, РЬ, 7п] + 0,75 [вода фенолы, СПАВ, нефтепродукты ] + + 1,4 [грунт Б, нефтепрод.] + 3,4 [грунт Сё, Со, Сг, Си, Мп, N1, РЬ, 7п] = 10,52.

Далее количественно оценим состояние геологической составляющей литотехнической системы (СВЛ) по формуле (4.3):

ЯЛТС = ^ЛТСхЬ3 = 10,52x0,0018 = 0,019 (км3).

Сопоставив показатель Я^лтс с количеством параметров воздействий (N=27), заданных в пространственных границах системы, определим стадию развития режима функционирования ЛТС: показатель Ялтс =

0,019 (км3)

3 3

меньше ЫхЬ = 0,049 (км ). Следовательно, в 2010 г. литотехническая

система «Мозырский нефтеперерабатывающий завод» работала в нормальной стадии неустановившегося режима.

Предложенный подход оценки режима функционирования литотехнических систем позволяет посредством мониторинговых наблюдений за изменениями параметров различных классов воздействий оперативно определять стадии режима работы ЛТС и намечать при необходимости комплекс мероприятий по снижению влияния технического объекта на состояние геологического компонента системы.

4.4 Выводы к главе 4

1. Применительно к задачам инженерной геологии под мониторингом ЛТС следует понимать систему целенаправленных постоянных наблюдений за сферой взаимодействия литосферы с технической подсистемой ЛТС, оценки ее состояния, прогноза развития и разработки инженерно-геологического обоснования управления для оптимизации функционирования всей литотехнической системы в целом.

Главная цель организации мониторинга ЛТС - обеспечение раннего предупреждения возникновения негативных геологических и инженерно-геологических процессов и явлений в СВЛ и разработка мероприятий по предотвращению их проявления в интересах устойчивого развития ЛТС.

2. Среди всех видов информации, задействованных в мониторинге ЛТС, особое место принадлежит инженерно-геологической, которая в совокупности с информацией технического и технологического характера составляет основу для разработки инженерно-геологических прогнозов взаимодействия технической и геологической составляющих ЛТС с последующей выработкой геологически обоснованных управленческих решений для оптимизации функционирования данных систем.

Информацию необходимого качества можно получить, только располагая научно-обоснованной режимной сетью наблюдений в системе мониторинга.

3. Мониторинг ЛТС следует рассматривать как информационную систему, обеспечивающую контроль за состоянием и свойствами сферы взаимодействия геологической и технической составляющих ЛТС. При этом сама модель контролируемого пространства входит в мониторинг как подсистема. Она выполняет функции прогнозного моделирования и служит формой отражения состояния изучаемой СВЛ или ЛТС в целом.

При участии автора создана АИС ПДМ геологической среды юго-востока Белоруссии, позволяющая методами математического моделирования решать гидрогеологические и инженерно-геологические задачи, связанные с созданием и эксплуатацией ЛТС различного уровня организации и назначения.

4. Мониторинговые наблюдения за состоянием сферы взаимодействия геологической и технической подсистем ЛТС позволяют не только решать прогнозные задачи, но и количественно оценивать состояние и режим работы литотехнической системы.

Предложены и обоснованы новые показатели для количественной характеристики ЛТС, позволяющие посредством мониторинга изменений параметров различных классов воздействий на СВЛ оперативно определять стадии режима функционирования ЛТС и в соответствии с ним оперативно принимать решения о необходимости выработки геологического обоснования управления этой системой.

5 КОНЦЕПЦИЯ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ЛИТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТЕРРИТОРИИ БЕЛОРУССИИ

5.1 Структура и содержание концепции мониторинга литотехнических систем

Опыт показывает, что создание и эксплуатация ЛТС различного назначения и уровня организации часто сопряжены с возникновением новых или активизацией ранее проявивших себя геологических и инженерно -геологических процессов, которые нередко приводят к масштабным техногенным изменениям состава и свойств геологической составляющей этих систем. Территория Белоруссии в этом отношении не является исключением. Примером тому служат исследования автора с привлечением фондовых материалов геологических и изыскательских организаций по условиям создания и функционирования ряда типов литотехнических систем (селитебной, горнопромышленной, промышленной, транспортно-коммуникационной, сельскохозяйственной, сельскохозяйственно-селитебной и др.) [44, 48, 61, 66 и др.]. В частности, проведенная работа по изучению негативного влияния геологических и инженерно-геологических процессов (ГиИГП) на условия строительства и эксплуатации различных технических объектов девяносто шести ЛТС селитебного, сельскохозяйственно -селитебного, горнопромышленного и промышленного типов позволила оценить степень воздействия данных процессов на состояние литотехнических систем и на основе этого выделить соответствующие категории [48]. Так, например, к первой категории нами отнесены ЛТС, полностью подверженные активному площадному воздействию ГиИГП и требующие принятия мер инженерной защиты. Таких ЛТС было выявлено две. Здесь, в результате интенсивной эрозии и сопутствующих ей обвально-осыпных процессов, возникла реальная угроза разрушению жилых и хозяйственных строений, сельхозугодий. Ко второй категории отнесены

ЛТС, находящиеся в зоне вероятного площадного воздействия ГиИГП и требующие принятия конструктивных мер безопасности (перенос, защита). Из общего количества обследованных ЛТС таких выявлено двадцать. Здесь среди комплекса ГиИГП своей масштабностью и интенсивностью обращают внимание эрозионные и гравитационные процессы, переработка берегов, подтопление, суффозия, загрязнение грунтов и подземных вод. Восемнадцать ЛТС из девяносто шести отнесены нами к третьей категории. Это ЛТС, находящиеся в зоне локального воздействия ГиИГП и требующие проведения мероприятий профилактического характера. Среди ГиИГП, оказывающих неблагоприятные воздействия на состояние данных ЛТС, выделяются овражная и речная эрозия, гравитационные процессы, подтопление, загрязнение грунтов и подземных вод, характеризующиеся преимущественно средней степенью проявления и незначительным потенциалом своего развития. Значительную часть исследуемых литотехнических систем (56) составили ЛТС, где для выявления неблагоприятного воздействия ГиИГП на их состояние необходимо проведение детальных инженерно-геологических изысканий. Эти системы отнесены нами к четвертой категории. Здесь возможно проявление всех вышеуказанных процессов, однако, в целом, они будут отличаться слабым своим проявлением и низким потенциалом развития [48].

Следует заметить, что, несмотря на полученные результаты, характер проявления и степень воздействия указанных процессов на состояние ЛТС региона остаются до сих пор слабоизученными. Это объясняется не только отсутствием государственной системы мониторинга литотехнических систем (СМ ЛТС), которая должна производить информацию о геологических и инженерно-геологических процессах как основном показателе взаимодействий, обусловливающих функционирование ЛТС, но и отсутствием в стране вообще каких-либо наблюдений за развитием данных процессов - даже в существующей Национальной системе мониторинга

окружающей среды мониторинг геологических процессов не предусмотрен (п. 1.2).

Только располагая мониторингом можно получить необходимую информацию о процессах, происходящих в сфере или области взаимодействия литосферы (СВЛ или ОВЛ) и технической составляющей литотехнических систем, выполнить на ее основе прогнозную оценку развития этих процессов и, в конечном итоге, разработать геологически обоснованные управленческие решения для оптимизации функционирования ЛТС в целом. В условиях отсутствия СМ ЛТС ее разработка выступает как актуальная научно-практическая задача, имеющая важное инженерно-геологическое значение [36].

Предлагаемая нами концепция определяет цель, задачи, функции, состав, структуру, основные направления работ в области создания, использования и развития системы мониторинга ЛТС на территории Белоруссии. Ее суть полностью отвечает требованиям новых строительных норм и правил в отношении цели и задач инженерно-геологических изысканий. Она должна быть составной частью действующей на территории страны НСМОС и базироваться на единой информационной и методической основе, обеспечивающей сопоставимость результатов наблюдений и совместимость с другими системами мониторинга [36, 236].

5.1.1 Цели и задачи работ по созданию системы мониторинга ЛТС. Целью создания системы мониторинга ЛТС является установление тенденций развития литотехнических систем различного уровня организации и назначения (или их частей) и на основе этого - принятие управляющих решений по оптимизации функционирования этих систем.

Для реализации указанной цели решаются следующие основные задачи: 1) организация наблюдений, получение достоверной и объективной информации о пространственно-временных изменениях состояния и развития ЛТС; 2) оценка и системный анализ получаемой информации, выявление причин, вызывающих изменения в состоянии и развитии ЛТС; 3) разработка

прогнозов развития ЛТС; 4) разработка, анализ эффективности и обеспечение реализации геологически обоснованных управляющих решений по снижению уровня или устранению изменений в состоянии и развитии ЛТС [36].

5.1.2 Законодательные, нормативные и регламентирующие документы. Законодательной и нормативной базой создания СМ ЛТС являются: Закон РБ от 26.11.1992 г. «Об охране окружающей среды» в редакции Закона РБ от 17.07.2002 г.; Кодекс РБ о недрах от 14.07.2008 г. № 406-З в редакциях Законов РБ от 04.01.2010 г. №109-З, от 14.07.2011 г. №293-З; Водный кодекс РБ от 15.07.1998 г. №191-З в редакциях Законов РБ от 10.11.2008 г. №444-З, от 02.072009 г. №Э2-З, от 04.01.2010 г. №109-З, от 17.05.2011 г. №266-З, от 14.07.2011 г. №293-З; постановления Совета Министров (Совмин) РБ от 20.04.1993 г. №247 «О создании Национальной системы мониторинга окружающей среды в Республике Беларусь (НСМОС РБ)», от 28.04.2004 г. №482 «Об утверждении положений о порядке проведения в составе НСМОС РБ мониторинга поверхностных вод, подземных вод, атмосферного воздуха, локального мониторинга окружающей среды и использовании данных этих мониторингов», от 28.03.2007 г. №386 «Об утверждении положения о порядке проведения в составе НСМОС РБ мониторинга земель и использования его данных», от 15.08.2007 г. №1036 «Об утверждении положения о порядке проведения в составе НСМОС РБ мониторинга лесов и использования его данных», от 29.05.2001 г. №784 «О Перечне информационных ресурсов, имеющих государственное значение»; положение о НСМОС РБ, утвержденное постановлением Совмина РБ от 14.07.2003 г. № 949; положение о Министерстве природных ресурсов и охраны окружающей среды (Минприроды) РБ, утвержденное постановлением Совмина РБ от 31.10.2001 г. №1586 «О некоторых вопросах Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь»; положения об информационно-аналитическом центре мониторинга подземных вод НСМОС РБ в редакции постановления Минприроды РБ от 29.04.2008 г. №42, об информационно-аналитическом центре локального мониторинга окружающей

среды НСМОС РБ в редакции постановления Минприроды РБ от 10.07.2008 г. №64; инструкции о порядке проведения мониторинга подземных вод в редакции постановления Минприроды РБ от 29.04.2008 г. №42, о порядке проведения локального мониторинга окружающей среды юридическими лицами, осуществляющими хозяйственную и иную деятельность, которая оказывает вредное воздействие на окружающую среду, в том числе экологически опасную деятельность в редакции постановления Минприроды РБ от 15.12.2011 г. №49, о порядке ведения государственного реестра пунктов наблюдений НСМОС РБ в редакции постановления Минприроды РБ от 17.12.2008 г. №119; СанПиН «2.1.4. Питьевая вода и водоснабжение населенных мест. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Санитарные правила и нормы СанПиН 10-124 РБ 99», утвержденные постановлением Главного государственного санитарного врача РБ от 19.10.1999 г. №46, с изменениями, утвержденными постановлением Глав. гос. санврача РБ от 26.03.2002 г. №16; СанПиН «2.1.4. Питьевая вода и водоснабжение населенных мест. Зоны санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов хозяйственно-питьевого назначения». Санитарные правила и нормы СанПиН-10-113 РБ 99», утвержденные постановлением Глав. гос. санврача РБ от 06.01.1999 г. №1; СТБ 1164.0-99 «Основания и фундаменты зданий и сооружений. Контроль качества и приемка работ. Параметры контроля и состав контролируемых показателей», утвержденные приказом Министерства архитектуры и строительства (Минстройархитектуры) РБ от 29.06.1999 г. №185; СНБ 5.01.01-99 «Основания и фундаменты зданий и сооружений», утвержденные приказом Минстройархитектуры РБ от 21.01.1999 г. №7; СНБ 1.02.01-96 «Инженерные изыскания для строительства», утвержденные приказом Минстройархитектуры РБ от 17.01.1996 г. № 9.

5.1.3 Международный опыт в создании систем мониторинга ЛТС. В большинстве стран мира подобные исследования проводятся, главным образом, в рамках экологического мониторинга. Соответствующие

программы и инициативы, находящиеся на разных стадиях осуществления, реализуются в настоящее время США, Канадой, странами Евросоюза, государствами Южной и Юго-Восточной Азии, Российской Федерацией и другими странами СНГ [129, 280-285]. Активно развиваются как национальные, так и региональные системы экологического мониторинга.

Так, например, в США для контроля за строительством и эксплуатацией технических объектов созданы организации федерального правительства и правительство штата Аляска, в которых геологическая служба (USGS) является главным координатором всех проектов. Основными задачами геологической службы являются разведка полезных ископаемых, изучение геологической активности Земли, мониторинг природных и природно-техногенных процессов и явлений, возникающих при взаимодействии технических объектов с окружающей средой и оказывающих влияние на условия создания и эксплуатации этих объектов [281].

В России с 1994 г. и в Казахстане с 1997 г. функционируют системы государственного мониторинга состояния недр (ГМСН), входящие в состав Единых государственных систем экологического мониторинга [214, 217, 276]. ГМСН представляет собой систему регулярных наблюдений, сбора, накопления, обработки и анализа информации, оценки состояния геологической среды и прогноза ее изменений под влиянием естественных природных факторов, недропользования и других видов хозяйственной деятельности. Его цель состоит в информационном обеспечении управления государственным фондом недр и рационального недропользования в части, вытекающей из задач и функций мониторинга. В качестве объектов изучения в ГМСН выступают природные и природно-техногенные системы. Информационной основой мониторинга служат сведения о геологической среде, полученные при выполнении геологоразведочных, горнодобывающих и всех других видов работ, связанных с государственным геологическим изучением и освоением недр, и данные наблюдательных сетей, включающих государственную опорную, ведомственные, муниципальные и локальные

сети наблюдений. Предметную область ГМСН составляют регулярные наблюдения за состоянием геологической среды, оценку которого проводят по комплексу количественных показателей, устанавливаемых для изучаемых объектов, и протекающих в геологической среде природных и техногенных геологических процессов [276].

Активно развивается в странах Западной Европы, России, США, Японии и других государствах мира геотехнический мониторинг, нацеленный на обнаружение и предотвращение необратимых процессов в грунтовых основаниях, а также деформаций зданий и сооружений. Его основными задачами являются: а) систематическая фиксация изменений контролируемых параметров конструкций сооружений и геологической среды; б) своевременное выявление отклонений контролируемых параметров (в т.ч. их изменений, нарушающих ожидаемые тенденции) конструкций строящегося (реконструируемого) объекта и его основания от заданных проектных значений, параметров грунтового массива и окружающей застройки; в) анализ степени опасности выявленных отклонений контролируемых параметров и установление причин их возникновения; г) разработка инженерных (технических) мероприятий, предупреждающих и устраняющих выявленные негативные процессы [36].

Несмотря на множество положительных эффектов, которые получают при функционировании рассмотренных выше систем мониторинга, сами системы имеют определенные недостатки. Это касается, главным образом, содержательной их части. Все они ориентированы либо на фиксирование изменений параметров взаимодействий геологической среды с техническими объектами, либо на выявление изменений контролируемых параметров технических объектов (конструкций зданий и сооружений) при взаимодействии с геологической средой и выработку инженерных мероприятий по обеспечению сохранности их (объектов) эксплуатационных качеств. В то время как мониторинг ЛТС нацелен, главным образом, на оценку изменений контролируемых параметров области

взаимодействия литосферы с техническими объектами и, как результат, инженерно-геологическое обоснование мероприятий по предотвращению этих изменений в целях оптимизации работы ЛТС в целом.

5.1.4 Основные организационные положения. В организационном аспекте мониторинг ЛТС территории Белоруссии целесообразно осуществлять на двух уровнях: локальном и региональном (как это принято в НСМОС).

Мониторинг ЛТС локального уровня - это система постоянных наблюдений за СВЛ отдельных (крупных) элементарного уровня литотехнических объектов или совокупностей элементарных литотехнических систем, оценки ее состояния, прогноза развития и инженерно-геологического обоснования управления с целью оптимизации функционирования ЛТС.

Мониторинг ЛТС регионального уровня - это система постоянных наблюдений за ОВЛ отдельных региональных литотехнических объектов или совокупностей локальных литотехнических систем, расположенных в пределах какого-либо отдельно взятого региона (административного, инженерно-геологического) или территории всей страны, оценки ее состояния, прогноза развития и инженерно-геологического обоснования управления с целью оптимизации функционирования ЛТС и природопользования в целом.

Порядок организационного и финансового обеспечения работ по ведению СМ ЛТС на региональном уровне должно определять Минприроды РБ при участии его территориальных (областных) подразделений. Ведение локального мониторинга ЛТС осуществляют субъекты хозяйственной деятельности (природопользователи), оказывающие влияние на геологическую среду. При этом локальный мониторинг ЛТС целесообразно проводить не как на региональном уровне - в системе «заказчик-исполнитель», что отражено в нормативно-законодательной базе НСМОС, а в системе «заказчик-исполнитель-эксперт» [269], поскольку не каждый природопользователь способен выполнить мониторинговые исследования необходимого объема и

качества. В данном случае «заказчиком» будет выступать эксплуатирующая или проектная организация (природопользователь), финансирующая работы и принимающая их результаты, «исполнителем» - специализированная производственная геологическая организация, выполняющая работу по устройству мониторинга, а «экспертом» - научная организация (или коллектив научных работников), осуществляющая научно-методическое обоснование работ по мониторингу, включая разработку их программы, проведение прогнозного моделирования и выработку геологически обоснованных управленческих решений для оптимизации функционирования ЛТС, а также выполняющая наблюдения и специализированные научно-исследовательские и опытно-методические работы. При этом вся получаемая информация, с одной стороны, используется природопользователем для собственных целей, а с другой - представляется в территориальные центры локального мониторинга в установленном законодательством порядке.

Данный подход успешно зарекомендовал себя при организации и ведении мониторинга локальной ЛТС «Гомельский химзавод» и региональной ЛТС «Водозаборы подземных вод Гомеля», где в роли «исполнителя» выступали Белорусская гидрогеологическая экспедиция (БГГЭ) РУП «Белгеология» и Белорусский государственный институт инженерных изысканий (ныне - УП «Геосервис»), а в роли «эксперта» -коллектив научных сотрудников лаборатории «Моделирование гидрогеологических процессов» ГГУ им. Ф. Скорины с непосредственным участием автора [36].

Основу мониторинга ЛТС организует сеть наблюдательных участков, тип и структура которых будут определяться, главным образом, инженерно-геологическими условиями в пространственных границах ЛТС (в зависимости от иерархического уровня). При этом основным принципом рационального размещения наблюдательной сети следует считать определение такого количества пунктов наблюдений и их размещения, которое было бы достаточным и необходимым для получения достоверных и репрезентативных

характеристик состояния ОВЛ и не требовало бы открытия чрезмерного количества постов связанного с неоправданными затратами людских и материальных ресурсов.

Учитывая, что СМ ЛТС территории Белоруссии в настоящее время находится в стадии разработки, организацию ее наблюдательной сети следует проводить поэтапно [36].

На первом этапе, по мнению автора, необходимо разработать концептуальную модель наблюдательной сети мониторинга с учетом местоположения и содержательных (технических и инженерно -геологических) особенностей литотехнических систем страны. В основе этой модели могут быть положены разработанные нами инженерно-геологическая типизация литотехнических систем, карты пространственного размещения ЛТС и техногенной трансформации компонентов геологической среды территории Белоруссии.

Эти источники информации позволяют выделить отдельные территории с различной степенью техногенного преобразования геологической среды и ее компонентов и, тем самым, наметить участки локальной режимной сети наблюдений за последующими изменениями этих преобразований.

Второй этап - это создание наблюдательной сети локального мониторинга ЛТС. Как правило, на локальном уровне для каждого объекта мониторинга ЛТС создается своя локальная сеть, в которой количество пунктов наблюдений, схема их расположения, частота и методика наблюдений будут определяться множеством факторов: масштабами ЛТС, характером и степенью воздействия технических объектов на геологическую подсистему ЛТС, инженерно-геологическими условиями участка размещения ЛТС и др., и должны устанавливаться индивидуально в каждом конкретном случае.

С 2000 г. в составе НСМОС Белоруссии осуществляется локальный мониторинг окружающей среды, объектами которого наряду с атмосферным воздухом и поверхностными водами являются подземные воды и почвы [236]. По состоянию на начало 2011 г. в проведение локального мониторинга

окружающей среды было вовлечено более 300 объектов хозяйствования (различные виды горнопромышленной, промышленной, сельскохозяйственной, сельско-лесохозяйственной, селитебной ЛТС), из них на 254 объектах осуществлялся локальный мониторинг подземных вод и на 46 объектах -локальный мониторинг земель (почв) [197]. Организованная для этих видов мониторинга сеть наблюдательных пунктов и ее нормативно-методическое сопровождение, по существу, могут стать основой для создания наблюдательной сети локального мониторинга ЛТС. В тоже время в этой сети на участках размещения локальных ЛТС, при функционировании которых происходят или могут происходить глубокие изменения параметров грунтов (минерального и гранулометрического состава, водопроницаемости, плотности, агрессивности, деформационных показателей и др.) и связанные с ними процессы, следует предусмотреть организацию пунктов (точек) наблюдений за состоянием грунтовых толщ. Такими точками целесообразно снабдить участки размещения шахтно-отвальной, карьерно-отвальной, производственной (химической, металлургической, энергетической, нефтехимической), железнодорожной литотехнических систем, а также всех видов селитебной ЛТС. Кроме того, на всех участках размещения локальных ЛТС, задействованных в мониторинге, необходимо осуществлять наблюдения за проявлениями различных геологических и инженерно-геологических процессов.

На третьем этапе организовываются работы по созданию наблюдательной сети регионального мониторинга ЛТС, включающие в себя обустройство наблюдательных постов и полигонов (опорных, опытно -методических, изыскательских) с соответствующими измерительными и регистрирующими оборудованием и аппаратурой в зависимости от изучаемых процессов и явлений (инженерно-геологических, гидрогеологических, геофизических, геохимических и др.).

В НСМОС Белоруссии с 1993 г. действуют подсистемы мониторинга подземных вод (ПВ) и земельного мониторинга [236], режимные наблюдательные сети которых вполне могут быть задействованы в

О

региональных мониторинговых исследованиях функционирования ЛТС . Их использование в СМ ЛТС позволяет без каких-либо дополнительных материально-финансовых затрат получать информацию о параметрах состояния ПВ и почв, происходящих в этих компонентах геосреды негативных процессах (главным образом загрязнение), оценки и прогнозирования их изменения. В тоже время, для изучения современных ГиИГП, оказывающих влияние на условия создания и эксплуатации ЛТС или возникающих в процессе функционирования этих систем, на территории Белоруссии необходима организация собственной режимной наблюдательной сети. Такую сеть следует выбирать на основе анализа специальных инженерно-геологических карт районирования по условиям развития и интенсивности проявления ГиИГП, созданных по результатам анализа материалов инженерно-геологических съемок с использованием данных дистанционного зондирования Земли [36]. Применение последнего обусловлено тем, что этот метод дает более информативные материалы, характеризующие состояние объекта исследования, или другими словами в результате зондирования получают продукцию, характеризующую количественно без пробелов и разрывов целые обследуемые площади как совокупность множества отдельных точек. В качестве критериев выбора наблюдательных участков здесь должны выступать требования представительности, т.е. отражения наиболее типичных условий развития процессов, их активности или обобщенных комплексных показателей, практической значимости участков с учетом возможности их совмещения с наблюдательными пунктами, оборудованными для проведения других видов мониторинга, размещения действующих и проектируемых ЛТС, а также располагаемых материальных и финансовых ресурсов [142].

8

Сегодня это 156 пунктов наблюдений за состоянием подземных вод (546 наблюдательных скважин, расположенных в районах с естественными и слабонарушенными природными условиями, и 686 наблюдательных скважин, расположенных в районах с нарушенными природными условиями), 182 пункта наблюдений за химическим загрязнением почв на сельскохозяйственных и городских землях и в зоне влияния автомобильных дорог, 20 пунктов наблюдений за дефляционными и эрозионными процессами на сельскохозяйственных угодьях.

В заключение отметим, что при разработке локальной и региональной сетей пунктов наблюдения следует предусмотреть меры по соблюдению оптимального соотношения между видами наблюдательных сетей, включая: наблюдения на стационарных пунктах локальной и региональной сетей, действующих длительное время по определенной относительно неизменной программе; территориальные краткосрочные обследования для выявления пространственных аспектов изменений состояния СВЛ или ОВЛ локальных и региональных ЛТС; интенсивные локальные наблюдения за изменениями состояния ОВЛ в местах с наибольшей вероятностью и опасностью проявления различных процессов при функционировании локальных и региональных ЛТС.

5.1.5 Основные методологические принципы мониторинга ЛТС. В основе создания системы мониторинга ЛТС должны быть положены ранее обоснованные базовые методологические принципы [145], дополненные нами с учетом специфики рассматриваемой системы мониторинга: целенаправленности, системности, комплексности, репрезентативности и экономичности, структурно-организационный, нормативности, временной, сочетания непрерывности и периодичности, рациональности, объективности, оперативности и развития. Содержание этих принципов отражено в таблице 5.1.

5.1.6 Объекты наблюдений. С позиций инженерной геологии СМ ЛТС должна быть нацелена, прежде всего, на комплексную оценку естественных и техногенных изменений состояния инженерно-геологических условий (ИГУ) в пространственных границах ЛТС и управление этими изменениями. Следовательно, в качестве объекта наблюдений в мониторинге ЛТС будут выступать источники изменений состояния ИГУ (или источники воздействий на ИГУ) и компоненты, формирующие эти условия: рельеф, грунты, подземные воды, современные экзогенные и эндогенные геологические и инженерно-геологические процессы, причем не в отдельности, а в совокупности. При этом надо заметить, что рассматриваемая совокупность компонентов ИГУ, по своей сути, есть не что иное, как характеристика геологического тела (литосферного блока любой

Таблица 5.1 - Принципы мониторинга ЛТС (по [36])

Название принципа Содержание

1 2

Целенаправленности Предполагает, что система мониторинга ЛТС должна быть «настроена» на достижение его конечной цели - разработку инженерно-геологического обоснования управления литотехническими системами для оптимизации их функционирования. Следование этому принципу позволит не заниматься сбором и обработкой «случайной» информации, предохранит от ненужной информационной избыточности, создаст предпосылки для создания экономически эффективной системы.

Системности Предусматривает целостное рассмотрение объекта мониторинга -область взаимодействия литосферы с технической подсистемой ЛТС, комплексное и последовательное его изучение. Необходимо исследовать не только отдельно взятые параметры - должны прослеживаться все стороны развития ОВЛ, включая и прогнозирование его хода. Важно определить место каждого свойства (или параметра) в общей структуре ОВЛ, его взаимосвязи со всеми сторонами развития этой области.

Комплексности Требует, чтобы объект мониторинга ЛТС был описан посредством комплекса параметров. Одновременно он требует использования и комплекса способов и методов осуществления мониторинга ЛТС.

Репрезентативности и экономичности Предполагает, что система мониторинга ЛТС должна быть ориентирована на получение статистически значимых для характеристики объекта мониторинга параметров, а также на минимизацию количества и ресурсоемкости мониторинговых наблюдений.

Нормативности Предполагает наличие нормативов (допустимых значений) по ключевым параметрам, используемым в системе мониторинга.

Структурно - организационный (иерархичности) Заключается в том, что а) информация, полученная с нижних уровней мониторинга ЛТС должна соответствовать информации, сведенной на верхних уровнях, б) информация любого уровня мониторинга ЛТС должна соответствовать содержанию ставящихся и решаемых задач. Другими словами, при реализации этого принципа предполагается обеспечить взаимосвязанность информации по системе показателей и по организационной вертикали (по уровням мониторинга).

Временной Частота наблюдений и сбора информации во времени в системе мониторинга полностью определяется динамикой наблюдаемых процессов в ЛТС: режимом развития ГиИГП, временем существования инженерных сооружений, временными особенностями их взаимодействия и влияния на геологическую составляющую ЛТС. На его основе осуществляется разработка методики наблюдений в данной системе мониторинга, проводятся режимные наблюдения, подбирается и создается соответствующая аппаратура для сбора первичной информации с соответствующей периодичностью.

1 2

Сочетания непрерывности и периодичности Предусматривает постоянное и регулярное наблюдение за развитием состояния литотехнических систем и их компонентов, результатами развития, а также оценку и прогноз состояния ЛТС через определенные промежутки времени.

Рациональности Характеризует рациональное сочетание прогнозно-аналитической ценности информации и затрат на ее получение, сбалансированность показателей.

Объективности Заключается в необходимости отражения в формируемой информационной базе мониторинга реальных условий функционирования ЛТС и факторов, определяющих их состояние и прогнозы развития.

Оперативности Предусматривает своевременный сбор и предоставление информации, а также принятие на ее основе решений, способных оптимизировать в реальном масштабе времени условия функционирования ЛТС.

Развития Его суть заключается в необходимости с течением времени совершенствования системы мониторинга (новых теорий развития процессов в области взаимодействия технической и геологической составляющих ЛТС, используемого методического инструментария, технического оснащения, состава параметров с целью обеспечения синхронизации с переменами в объекте исследования и условиях его функционирования и др.). Важно отметить, что изменения не должны усложнять систему мониторинга. При этом, система мониторинга во времени должна непрерывно совершенствоваться и строиться как «самообучающаяся» система. Чем дольше работает мониторинг, тем совершеннее его прогнозы и управление.

размерности), базирующаяся на понятии поля геологических параметров9 (по Г.К. Бондарику, области пространства, для которой существует пространственная или пространственно-временная композиция значений геологических параметров). Таким образом, объектом наблюдений в мониторинге ЛТС следует считать источник(и) воздействий на ОВЛ и поле геологических параметров или геологическое поле в пределах этой области. В соответствии с этим оценку состояния области взаимодействия литосферы и технической составляющей ЛТС необходимо проводить по

9

Под геологическим параметром, согласно Г.К. Бондарику и Л.А. Ярг [17], понимают количественную меру любого качества или набора качеств какого угодно компонента литосферы (ее части - геологического тела), вероятность или меру отношений качеств, характеризующих структуру геологического тела.

комплексу технических и геологических параметров, являющихся также и основой прогноза изменений состояния ОВЛ. К числу таких параметров, которые должны составлять информационный фонд СМ ЛТС, следует отнести: 1) количественные характеристики технических подсистем ЛТС и оказываемых ими воздействий; 2) количественные характеристики геологического, геоморфологического и гидрогеологического строения территории размещения ЛТС; 3) глубину залегания и показатели динамики изменений уровня подземных вод; 4) температуру, показатели химического, микробиологического и газового состава подземных вод; 5) показатели физических, физико-механических и физико-химических свойств грунтов; 6) активность или геодинамический потенциал геологических и инженерно-геологических процессов, оказывающих влияние на условия создания и эксплуатации ЛТС или возникающих в процессе функционирования этих систем [36].

5.1.7 Методы и средства наблюдений. Для получения информации о поле геологических параметров при функционировании ЛТС применяется широкий комплекс дистанционных и наземных методов наблюдений со свойственной им измерительной и регистрирующей аппаратурой. Эти методы могут регламентироваться в зависимости от условий их использования (пространственно-временных, инженерно-геологических, экономических и др.). В связи с этим важной проблемой выступает обоснование оптимального применения дистанционных и наземных методов наблюдений и решение вопроса о целесообразности и масштабах использования автоматизированных средств наблюдений. В первом случае следует решить задачу - сопоставить дистанционные и наземные методы таким образом, что бы при минимальных затратах времени, труда и средств можно было получить максимальный объем информации. При региональных мониторинговых исследованиях приоритет необходимо отдавать дистанционным методам, особенно для наблюдений за функционированием лесохозяйственной, сельско-лесохозяйственной, сельскохозяйственной,

отдельных видов горнопромышленной, транспортно-коммуникационной, водохозяйственной, рекреационной ЛТС, занимающих значительное пространственное положение, а также селитебной ЛТС, где из-за сложной инфраструктуры применение наземных методов весьма ограничено. Дистанционные наблюдения с использованием аэрокосмических методов могут осуществляться как путем проведения различных видов съемок в оптическом режиме и радиодиапазонах, так и путем инструментально-визуальных наблюдений. Они позволяют решать комплекс задач инвентаризационного, оценочного, динамического и прогнозного характера: изучать состояние ЛТС, исследовать техногенные воздействия, развитие различных неблагоприятных процессов, оценивать их интенсивность, изучать динамику изменений, происходящих в области взаимодействия литосферы и технической составляющей ЛТС, составлять прогнозы на базе моделирования, выявлять тенденции, темпы и динамику развития тех или иных геологических и инженерно-геологических процессов. Чтобы обеспечить эффективное функционирование мониторинга ЛТС, нужен комплекс данных дистанционного зондирования Земли, существенно различающихся по пространственному разрешению и спектральным каналам (данные фотосъемки, многозональной, инфракрасной, радиотепловой и других съемок) [142, 143]. При определении объема потребности в аэрокосмической съемочной информации при расчетах нужно учитывать, что одни и те же съемочные материалы могут быть и должны использоваться параллельно для решения задач других видов мониторинга.

В тех случаях, когда при региональных мониторинговых исследованиях аэрокосмические методы не решают проблему получения необходимой информации об изменениях параметров области взаимодействия литосферы с техническими объектами ЛТС или решают частично, они должны дополняться или полностью замещаться наземными наблюдениями и измерениями, в том числе и дистанционными геофизическими. В первую очередь это касается наблюдений за интенсивно

протекающими ГиИГП, изменениями гидрохимических и гидродинамических параметров ПВ, особенно глубоко залегающих водоносных горизонтов, физических, физико-механических и физико-химических свойств грунтов ОВЛ, а также сбора фоновой информации о состоянии верхних горизонтов литосферы не подверженных техногенным воздействиям. Для этого используются различные наземные инженерно -геологические, геодезические, гидрогеологические, геофизические (сейсмоакустические, электроразведочные, радиоизотопные) методы исследований на региональных наблюдательных полигонах, или традиционные инженерно-геологические маршрутные обследования с необходимым комплексом полевых работ (бурение скважин, проходка шурфов, опробование грунтов и подземных вод, статическое и динамическое зондирование и др.) [36].

При ведении локального мониторинга ЛТС приоритет необходимо отдавать наземным методам исследований. Особенно на участках размещения локальных ЛТС, функционирование которых сопряжено с высокой степенью вероятности проявлением таких процессов и явлений, как деформации земной поверхности, химическое и микробиологическое загрязнение элементов ОВЛ, либо относящихся к категориям ответственных и особо опасных объектов (например, АЭС). В этих случаях оборудуются специальные наблюдательные полигоны с экспериментальными площадками, скважинами, реперами и другими точками, где с помощью инженерно -геологических, геодезических, гидрогеологических и геофизических наземных и скважинных методов можно получить значения параметров ОВЛ необходимого качества. Эти значения впоследствии будут определять как объективность прогнозных оценок изменений состояния ОВЛ и связанных с ними процессов, так и качество выработки инженерно-геологического обоснования управления ЛТС с целью оптимизации их функционирования.

Основу технической базы наземных наблюдений в системе мониторинга ЛТС составляет соответствующая метрологически

обеспеченная измерительная и регистрирующая аппаратура. Основными принципами аппаратурного оснащения являются их адаптивность и способность реагировать на изменения состояния элементов ОВЛ, а также обеспечение оперативности передачи информации. При этом следует отметить, что автоматизированные измерения параметров ОВЛ необходимо организовывать на тех участках размещения ЛТС, где элементы области взаимодействия литосферы с техническими объектами могут испытывать частые и наибольшие изменения, а опасные ГиИГП будут характеризоваться высокой степенью вероятности их проявления. Количество автоматизированных постов мониторинга ЛТС следует регулировать посредством применения методов математического моделирования [36].

Отечественный и мировой опыт определяет уровень аппаратурного обеспечения, который достигается созданием систем различной степени автоматизации. В настоящее время к числу современных измерительных средств, адаптированных к технологиям мониторинга подземных вод, ГиИГП, напряженного состояния грунтов, относятся автоматизированные комплексы типа «Логгер», системы «Кедр» и «Земля», в том числе ряд нетрадиционных приборов, таких как вибрационное просвечивание геологической среды, измерительные средства контроля содержания газов радиоактивного ряда (радон, гелий и т.д.). Наиболее приспособленными для решения широкого круга задач мониторинга ЛТС регионального и локального уровней можно считать измерительные комплексы типа «Логгер», которые способны обеспечить качественное и оперативное измерение с необходимой точностью, быстротой и достоверностью таких параметров ОВЛ, как температура, химизм и уровень подземных вод. На базе комплексов «Логгер» возможно также совмещение периферийных датчиковых сетей измерений пластового давления, химического состава подземных вод, напряжений и деформаций грунтов, зданий и сооружений [142]. Технические характеристики и программное обеспечение этих измерительных комплексов вполне удовлетворяют потребности

технологий мониторинга ЛТС, а экономические показатели делают их наиболее привлекательными.

5.1.8 Основные требования к аналитической информации.

Основополагающим условием для объективной оценки состояния ОВЛ и процессов, протекающих в ней, является получение качественной информации. При этом элементами качества здесь должны выступать полнота, оптимальность, точность, актуальность и достоверность информации, а также своевременность и оперативность ее получения (таблица 5.2).

Следует заметить, что первые два параметра качества информации -полнота и оптимальность - целиком определяются на методическом уровне разработки системы мониторинга ЛТС. Остальные параметры обусловливаются в большей степени также на методическом уровне, однако на их величину существенно влияет и характер функционирования ЛТС [38].

Одним из важнейших требований к аналитической информации в мониторинге ЛТС является ее унификация, предусматривающая составление унифицированного перечня качественных и количественных показателей ОВЛ и протекающих в ней процессов, создание системы классификаторов и кодирования информации для ее ввода и вывода, а также разработку стандартных форм входной и выходной документации для всех стадий сбора, хранения, обработки и выдаче информации. При этом формы выходной информации (выходные документы) должны быть максимально близки к традиционному геологическому представлению результатов исследований (таблицы, разрезы, колонки по скважинам и т.д.) [16].

5.1.9 Прогнозные задачи мониторинга ЛТС. К основным прогнозным задачам мониторинга ЛТС относятся: 1) выбор методов прогнозирования и периодов упреждения прогнозов; 2) вероятностное (качественное и количественное) описание возможных изменений параметров области взаимодействия литосферы с технической подсистемой ЛТС и взаимосвязей этих параметров под влиянием различных видов воздействия на ОВЛ, обусловленных существующей или проектируемой

Таблица 5.2 - Элементы качества информации мониторинга ЛТС (по [36])

Название элемента Характеристика элемента

1 2

Полнота Определяется применительно к прогнозным и управленческим функциям мониторинга ЛТС. Информация может быть неполной как по количеству, так и по объему сведений. В любом случае дефицит информации приводит к невозможности выполнения функций прогноза и управления в нужное время в соответствующем виде.

Оптимальность Определяется минимально-нормативным уровнем объема информации (набора параметров и их значений), необходимым и достаточным для выполнения прогнозных и управленческих функций мониторинга ЛТС.

Точность Определяется степенью близости отображаемого информацией значения и истинного значения данного параметра. Другими словами - это степень приближения получаемой в ходе мониторинга информации к реальному состоянию ОВЛ и протекающих в ней процессов.

Актуальность Определяется степенью сохранения ценности информации в момент ее использования и зависит от динамики изменения ее характеристик и от интервала времени, прошедшего с момента получения данной информации. Актуальность чрезвычайно важна в условиях высокой вероятности и опасности проявления различных процессов при функционировании ЛТС.

Достоверность Является вероятностной оценкой точности (безошибочности) информации. Определяет допустимый уровень искажения информации, при которой сохраняется эффективность прогнозных и управленческих функций мониторинга ЛТС.

Своевременность Характеризует временной интервал между возникновением потребности в информации и реализацией этой потребности.

Оперативность Выражает «скорость» получения информации, отражает актуальность информации для выполнения прогнозных и управленческих функций мониторинга ЛТС в изменившихся условиях.

техногенной нагрузкой; 3) определение вероятности возникновения и развития в ОВЛ при существующей или проектируемой техногенной нагрузке современных геологических и инженерно-геологических процессов в определенном месте и в определенное время, а также оценка возможных последствий их проявлений; 4) составление регулярных краткосрочных и долгосрочных прогнозов изменения состояния ОВЛ; 5) разработка вероятностных моделей (сценариев) критических ситуаций в отношении

ОВЛ и оказываемых на нее воздействий различного характера, оценка возможных последствий этих ситуаций; 6) корректировка пространственного размещения и организационно-технического обеспечения пунктов наблюдательной сети мониторинга ЛТС; 7) обоснование инженерно -геологических мероприятий (их комплекса) по предотвращению или снижению уровня негативных изменений состояния ОВЛ и связанных с ними процессов с целью оптимизации функционирования ЛТС [36].

5.1.10 Основные положения для разработки целевой программы мониторинга ЛТС. Назначение мониторинга ЛТС конкретизируется в его целевой программе - основном методологическом и методическом документе, на базе которого проводится практическая организация мониторинга ЛТС. Ее разработка должна основываться на следующих базовых положениях [142, 143].

1. Целевая программа должна базироваться на системном, комплексном, программно-целевом и нормативно-параметрическом подходах, предполагающих: а) полноту учета компонентов ЛТС и существующих между ними связей; б) рассмотрение каждой проблемы изменений состояния компонентов литотехнических систем или возникающих при эксплуатации ЛТС процессов как части более общей, каждого единичного фактора - во взаимосвязи с другими факторами, так или иначе трансформирующими его действие; в) одновременный учет техногенных изменений ОВЛ и наносимого ими социально-экономического ущерба; г) конкретное четкое определение основных целей мониторинга ЛТС, выделение промежуточных и конечных результатов; д) выдачу рекомендаций и управляющих решений на предмет, каким должен быть объект мониторинга ЛТС и какие действия нужно осуществить, чтобы его параметры соответствовали принятой норме.

2. Целевая программа должна содержать ряд важнейших научно-методических обоснований, главными из которых являются: а) обоснование пространственных границ изучения, которая как минимум должна включать

всю зону ожидаемого техногенного воздействия на все компоненты ЛТС; б) обоснование и выбор системы мониторинга, в основе которой лежит анализ и выявление тех компонентов области взаимодействия литосферы с техническими объектами, на которые оказывается или ожидается техногенное воздействие и обеспечение прогнозирования изменений этой области. Это достигается сопряженным учетом компонентов ОВЛ и вида источника техногенного воздействия; в) обоснование расположения наблюдательной сети мониторинга (разбивка СППИНФ); г) обоснование периода наблюдений в системе мониторинга (определяется временем строительства, эксплуатации, а в ряде случаев и временем консервации или рекультивации технических объектов, режимом функционирования ЛТС); д) обоснование режима наблюдений за каждым компонентом ОВЛ или соответствующим геологическим или инженерно-геологическим процессом. Здесь следует использовать в полной мере имеющиеся ведомственные методические разработки, в том числе и по проведению режимных наблюдений.

3. В целевую программу следует включать наблюдения за теми параметрами или элементами ЛТС, которые являются ведущими для данной системы, определяющими ее характерные свойства и функционирование, а также наиболее значимыми в инженерно-геологическом обосновании управления ЛТС.

4. В целевую программу необходимо включать наблюдения не только за техногенными, но и за природными изменениями состояния ОВЛ, прежде всего за изменениями, происходящими в результате тех геологических процессов, временные характеристики которых сопоставимы с периодом жизни данной ЛТС. В программу также должен входить и последующий генетический анализ изменений ОВЛ с целью выделения техногенной и природной компоненты этих изменений, их прогноз и оценка воздействия на состояние ЛТС.

5. Целевые программы организации мониторинга ЛТС разных уровней должны строиться по единой структуре, отражающей их типовой характер.

5.2 Использование результатов системы мониторинга ЛТС Белоруссии

Реализация системы мониторинга ЛТС территории Белоруссии позволит:

1. Оценивать состояние верхних горизонтов литосферы при взаимодействии с различными техническими объектами, контролировать соответствие их параметров нормативным требованиям и результатам ранее выполненных прогнозов.

2. Уточнять инженерно-геологические условия территорий размещения литотехнических систем путем соответствующей обработки данных наблюдений, создания и периодического уточнения (калибровки) постоянно-действующих моделей ЛТС; корректировать региональную инженерно-геологическую типизацию ЛТС.

3. Выполнять регулярное долгосрочное и краткосрочное прогнозирование состояние области взаимодействия геологической и технической подсистем ЛТС, а также режима функционирования литотехнических систем.

4. Обеспечивать построение и ведение информационной базы данных.

5. Управлять функционированием литотехнических систем в рациональном режиме путем решения задач оптимизации инженерно -геологических условий на участках размещения ЛТС.

5.3 Выводы к главе 5

Теоретически обоснована новая концепция системы мониторинга ЛТС территории Белоруссии в составе Национальной системы мониторинга окружающей среды, включающая в себя определение цели и задач работ по созданию СМ ЛТС с учетом потребностей потенциальных пользователей, имеющиеся законодательные, нормативные и регламентирующие документы,

международный опыт в создании систем мониторинга ЛТС, основные организационные положения и методологические принципы мониторинга ЛТС, объекты, методы и средства наблюдений, требования к аналитической информации мониторинга литотехнических систем, прогнозные задачи и основные положения для разработки целевой программы мониторинга ЛТС.

Отмечено, что реализация системы мониторинга ЛТС территории Белоруссии позволит: а) оценивать состояние области (сферы) взаимодействия литосферы с различными техническими объектами, контролировать соответствие их параметров нормативным требованиям и результатам ранее выполненных прогнозов; б) уточнять инженерно-геологические условия территорий размещения ЛТС посредством обработки данных наблюдений, а также создания и периодической калибровки ПДМ ЛТС; в) корректировать созданную региональную инженерно-геологическую типизацию ЛТС; г) осуществлять долгосрочные и краткосрочные прогнозы состояния области взаимодействия геологической и технической подсистем ЛТС; д) обеспечивать функционирование информационной базы данных и, как результат, вырабатывать геологически обоснованные управленческие решения для оптимизации работы всей ЛТС.

6 НАУЧНО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛИТОТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

6.1 Современные представления об управлении литотехническими системами

Ранее отмечалось, что вопросам управления ЛТС посвящено довольно большое количество работ научного и учебно-методического характера. Теоретические и методологические основы управления ЛТС наиболее полно отражены в работах Т.И. Аверкиной, Г.К. Бондарика, Е.Н. Иерусалимской, В.А. Королева, В.Т. Трофимова, Л.А. Ярг и др. [1, 13, 15-21, 142-146, 256260 и др.]. В них весьма детально раскрыты функциональная сущность управления ЛТС, существующие его возможности и ограничения, а также ряд научных положений и принципов, определяющих научно обоснованные подходы к управлению ЛТС. Анализ этих и других работ позволяет изложить собственные представления об управлении ЛТС как одного из способов решения инженерно-геологических задач, нацеленных на оптимизацию функционирования данных систем.

Любые литотехнические системы изначально создаются как управляемые. При этом управление ЛТС представляет собой заключительную цепь функциональных процедур в системе их мониторинга.

В общем виде под управлением понимается процесс организации целенаправленного воздействия на какую-либо систему, обеспечивающий ее переход в требуемое (целевое) состояние, поддержание необходимых режимов ее функционирования, а также сохранение и развитие ее структуры. Иными словами, управление есть функция некоторой системы, направленная либо на сохранение ее основного качества, потеря которого приводит к ее разрушению, либо на выполнение программы, обеспечивающей устойчивость функционирования данной системы и достижение ею заданной цели, либо на ее развитие [38, 39]. Отсюда следует,

что цель любой функциональной системы состоит в обеспечении собственного устойчивого существования [143].

В управлении всегда выделяют субъект управления (чаще всего это сам человек, управляющий чем-либо) и объект управления, состоянием или функционированием которого нужно управлять, а также - цель управления, т.е. желаемое состояние или характер функционирования объекта управления. Субъект управляет объектом с помощью определенного механизма управления (вычислительных, интеллектуальных, технических, технологических, административных, экономических и иных средств, методов и методик управления) [142].

Для надлежащего управления всегда требуется информация как о цели управления, так и о расхождении действительного состояния объекта управления с желаемым. На основании переработки этой информации как раз и вырабатываются соответствующие управляющие воздействия, реализация которых должна перевести объект в надлежащее состояние. Таким образом, процессы получения информации о параметрах объекта, ее переработки, нахождения управляющих воздействий и обеспечение их реализации составляют основу управления. Следовательно, управление - это целенаправленный процесс, связанный с выбором наилучшего действия, способа, метода, тактики и стратегии, ведущих к достижению цели наилучшим образом с точки зрения установленного критерия [143].

Согласно Г.К. Бондарику [15, 16], управление литотехнической системой - это взаимодействие с ней, выбранное на основе соответствующей информации из возможных вариантов взаимодействий, улучшающее в требуемом отношении функционирование ЛТС. Из определения следует, что в основе управления ЛТС лежит решение задачи оптимизации функционирования этой системы, целью которой является установление наилучшего в некотором смысле, оптимального режима поведения ЛТС [16].

Оптимальным, по Г.К. Бондарику и др. [19], следует считать такой режим, при котором траектория (или пространственное смещение состояний) системы никогда не выйдет за границы области допустимых ее состояний. При этом для сравнения и оценки вероятных режимов функционирования системы, для выбора лучшего нужно иметь некоторую меру, которая в теории систем получила название критерия эффективности - показателя, выражающего степень соответствия действительного результата тому, который должен иметь место при всей полноте выполнения системой своей функции. Исходя из характеристики параметров и состояния ЛТС на каждой стадии режима ее работы (см. табл. 4.2), можно сделать вывод, что оптимальным следует считать тот режим, который в своем развитии не достиг критической и/или катастрофической стадий [38].

Управление ЛТС нередко сопровождается наличием ограничений как производственного характера (экономического, административного, технологического, технического и др. - к примеру, ограничений по времени и объему финансирования на реализацию управленческих решений или по объему и качеству необходимой инженерно-геологической информации), так и природного или геологического (например, при управлении зданиями и сооружениями в сейсмических областях или в районах развития многолетнемерзлых толщ). Выявление подобных ограничений является важной задачей в управлении ЛТС, поскольку их несоблюдение служит одной из главных причин принятия заведомо неэффективных, нереальных, а то и просто ошибочных управленческих решений [38, 39].

Вышесказанное позволяет сформулировать следующее определение. Под управлением литотехнической системой будем понимать процесс обеспечения оптимального режима ее функционирования на каждой ступени ее «жизненного цикла» с использованием всех имеющихся ресурсов (информационных, вычислительных, интеллектуальных, технических, технологических, административных, экономических и др.) при соблюдении необходимого множества ограничений. Его цель - при

заданных параметрах состояния ЛТС с учетом их изменений в какой-либо момент времени обеспечивать требуемый режим работы системы при максимальном использовании различных ресурсов и ограничений и минимальных экономических затратах на это. В соответствии с указанной целью, основными задачами управления литотехнической системой (в зависимости от этапов ее существования) являются: 1) сбор и обработка информации об ЛТС; 2) оценка и анализ состояния и функционирования ЛТС;

3) установление и диагностика проблем в состоянии и функционировании ЛТС;

4) выявление ресурсов и ограничений, необходимых для управления ЛТС; 5) выработка и обоснование управленческих решений для оптимизации работы ЛТС; 6) реализация управленческих решений (доведение решений до конкретных исполнителей) [38, 39].

В отношении задач инженерной геологии приведенное выше определение управления ЛТС можно представить следующим образом. Управление литотехнической системой - это процесс достижения такого состояния ее геологической подсистемы (по Г.К. Бондарику, сферы взаимодействий литосферы с технической подсистемой), которое способно обеспечить оптимальный режим работы всей системы в целом на каждом этапе ее существования, с использованием всех имеющихся ресурсов (информационных, вычислительных, интеллектуальных, технических, технологических, административных, экономических и др.) при соблюдении необходимого множества ограничений. При этом в качестве цели управления ЛТС здесь будет выступать минимизация неблагоприятных последствий изменений СВЛ и ее компонентов в какой-либо момент времени при максимальном использовании различных ресурсов и ограничений и минимизации экономических затрат на создание или поддержание ее устойчивых состояний, благоприятных для нормального функционирования ЛТС.

Соответственно, в задачи управления ЛТС будут входить: 1) сбор и обработка информации о СВЛ; 2) оценка и анализ состояния СВЛ;

3) установление и диагностика проблем в состоянии СВЛ; 4) выявление ресурсов и ограничений, необходимых для управления СВЛ; 5) геологическое обоснование управленческих решений для оптимизации работы всей ЛТС [38].

Из последнего определения следует, что управление ЛТС может осуществляться путем регулирования состояния СВЛ (геологической среды в более широком понимании) с учетом прогнозных оценок ее развития (при условии, что техническая система функционирует в проектном технологическом режиме). Реализовать эту задачу способна система методов управления, базирующаяся на использовании следующих механизмов: 1) административно-правовых (законов, стандартов, нормативов, прямых запретов, аудита, экспертизы и др.); 2) экономических (экономической оценки ущерба и др.); 3) научно-технических (инженерно-технологических мероприятий и др.) [142, 260].

Первые две группы механизмов непосредственно применимы лишь к административным органам управления ЛТС. Научно-технические механизмы связаны с разработкой [143]:

профилактических мероприятий, способных предотвратить возможность развития неблагоприятных инженерно-геологических процессов;

компенсационных мероприятий, способных восстанавливать нарушенные участки геологической среды;

инженерно-строительных (конструктивных) мероприятий, направленных на ослабление или видоизменение внешних воздействий на геологическую среду, а также борьбу с проявлениями нежелательных инженерно-геологических процессов и др.;

методов технической мелиорации грунтов, позволяющих целенаправленно улучшать в нужном направлении свойства определенных участков геологической среды или создавать искусственные грунты с требуемыми свойствами, предотвращающими развитие негативных инженерно-геологических процессов.

Важно отметить, что реализация методов каждой из названных групп требует инженерно-геологического обоснования. По выражению В.Т. Трофимова [256], «особенно велика его роль при разработке управляющих решений оптимизации режима функционирования ... систем с использованием научно-технических механизмов. Их осуществление без этого просто невозможно» [256, с. 238].

6.2 Методологические подходы к инженерно-геологическому обоснованию управления ЛТС

Как известно, завершающим этапом работы системы мониторинга литотехнических систем является выработка геологически обоснованных управленческих решений для оптимизации их функционирования [256]. При этом необходимо отметить, что в мониторинге ЛТС речь идет именно о выработке управленческих решений (или об обосновании мероприятий по управлению этими системами), а не об их реализации, которая, по мнению В.А. Королева [142], должна осуществляться независимо.

В самом общем виде выработка решений в процессе управления (обоснование управления) представляет собой набор процедур, объединяемых в отдельные этапы [262]. Таких этапов можно выделить пять [38]:

1) выявление, анализ и диагностика проблемы;

2) формирование целей и задач решения проблемы с учетом ограничений;

3) анализ способов решения проблемы и адекватных им управленческих решений;

4) моделирование вариантов сценариев, оценка результатов и последствий реализации разных вариантов;

5) выбор предпочтительного варианта, обоснование выбора.

Обоснование управления, как правило, инициируется возникновением

проблемы, относящейся прямо или косвенно к объекту управления. Под

проблемой понимают несоответствие между реальным (наблюдаемым) и желаемым (нормативным) состоянием управляемой системы [262]. Специалисты в области управления справедливо отмечают, что своевременно и верно определить проблему - значит наполовину решить ее. Поэтому обнаружение проблем, проникновение в их сущность и их верное толкование - неотъемлемая часть процесса выработки решений.

Для ЛТС с инженерно-геологической точки зрения в качестве такой проблемы выступает изменение состояния сферы взаимодействий литосферы (или геологической среды), которое в случае несоответствия нормативным требованиям приводит к необходимости разработки инженерно -геологического обоснования управления геологической средой и, как следствие, работой всей системы [39].

Следовательно, инженерно-геологическое обоснование управления литотехнической системой можно определить как процедуру инженерно-геологических исследований в системе управления ЛТС, направленную на выбор среди множества альтернативных вариантов мероприятий такого варианта, который в наибольшей степени учитывает современное и прогнозируемое изменение состояния инженерно-геологических условий, и применение которого необходимо и достаточно для обеспечения оптимального режима функционирования ЛТС.

Эффективность и качество выработки управленческих решений определяются прежде всего обоснованностью методологии решения возникающих при функционировании ЛТС проблем - т.е. обоснованностью подходов, принципов, методов и технологий. Без хорошей теории практика малорезультативна. Однако в настоящее время к управлению ЛТС и ее компонентами, прежде всего геологической средой, применяют только некоторые научные подходы и принципы. Это можно объяснить в некотором смысле «узостью» цели управления геологической средой - обеспечения оптимального режима функционирования ЛТС [38, 39].

Анализ теории и практики управления различными природными и природно-техническими системами позволяет установить необходимость применения в процессе выработки геологически обоснованных управленческих решений следующих основополагающих научных подходов: системного, ситуационного, динамического и сценарного [38].

6.2.1 Системный подход предполагает рассмотрение литотехнической системы как совокупности ее взаимосвязанных элементов (геологической и технической подсистем), обладающих благодаря их взаимосвязи качественно новыми характеристиками (причем каждая ЛТС выступает элементом системы более высокого порядка, а любой ее элемент - системой более низкого порядка).

Этот подход дает возможность учесть все необходимые взаимосвязи и взаимодействия в системе управления ЛТС и ее подсистемами, позволяет при постановке целей всесторонне анализировать, взвешивать факторы и направлять механизмы управления на достижение поставленных целей.

Одним из инструментов системного подхода, который, по мнению автора, следует применять при выработке управленческих решений, особенно на региональном уровне, является типизация ЛТС. В ее основу должны быть положены генетический подход, высокая степень детализации структуры, уровня организации и функционирования ЛТС, а также информация об управляющих взаимодействиях. Все эти сведения можно получить в процессе выполнения мониторинговых исследований ЛТС различного уровня.

Подобные типизации, которые, по существу, отражают системную природу ЛТС разного порядка и их элементов, способны создавать реальные предпосылки для эффективного управления этими системами.

Методологически системный подход следует применять на всех этапах обоснования управления ЛТС (рисунок 6.1), поскольку выполнение каждого из них вне системы просто невозможно [38, 39].

Рисунок 6.1 - Реализация методологических подходов на разных этапах выработки геологически обоснованных управленческих решений для оптимизации функционирования ЛТС

6.2.2 Ситуационный подход сосредоточивается на том, что обоснование различных методов управления ЛТС и ее компонентами, главным образом геологической средой, определяется конкретной

ситуацией - совокупностью условий, возникающих под влиянием внутренних и внешних воздействий в некоторый момент времени.

Основанием применения данного подхода в управлении ЛТС является «поведение» режима ее функционирования. Это обусловлено тем, что происходящие изменения параметров состояния литотехнической системы (или развитие инженерно-геологических процессов) на разных этапах ее существования могут быть как значительными, так и малозначимыми, иногда даже не поддающимися прогнозу. Последние, несмотря на свое «слабое» проявление, впоследствии способны оказать существенное влияние как на отдельные подсистемы ЛТС и их элементы, так и на всю систему в целом [38].

Подтверждением этому служат неизученные закономерности в функционировании локальных и региональных ЛТС, установленные автором с сотрудниками ранее [71, 73, 241-245 и др.], заключающиеся в том, что в литотехнических системах, длительное время находящихся в критическом режиме работы, когда геологическая подсистема или ее отдельные компоненты подвержены значительному, но не превышающему технологического уровня воздействию со стороны технических объектов, возникают и активизируются новые инженерно-геологические процессы, ведущие к снижению этого воздействия.

Кроме того, существует довольно большое количество факторов, которыми можно управлять в системе мониторинга ЛТС. Среди них выделяют, например, граничные условия геологической среды (факторы, воздействующие на исследуемую часть геологической среды по ее внешним границам), начальные условия (факторы, рассредоточенные во внутренних точках геологической среды и действующие до начала развития процесса) и свойства геологической среды (характеристики геосреды, динамика которых изменяет назначаемые характеристики и определяет интенсивность развития инженерно-геологических процессов) [142].

Такое многообразие факторов, как правило, определяет отсутствие какого-либо единого с точки зрения эффективности способа управления состоянием ЛТС и ее элементов. Самым эффективным в каждой конкретной ситуации следует считать тот метод управления (или комплекс методов), который будет максимально адаптирован к данной ситуации, причем как в научно-техническом, так и в административно-экономическом отношении.

Ситуационный подход - это методология выработки управленческих решений, в соответствии с которой принимаемое решение формируется на основе как обработки располагаемой апостериорной (текущей) информации, так и накопленных ранее знаний и опыта путем выявления ограничений, переориентации целей, перераспределения ресурсов, пересмотра алгоритмов и структуры литотехнической системы [38, 39].

Данный подход ориентирует инженера-геолога на правильный анализ ситуаций и на эффективное использование своих возможностей исходя из накопленных опыта и знаний. При этом текущее состояние геологической среды рассматривается как некоторая ситуация, которую требуется распознать и правильно сориентировать в ней работу всей ЛТС.

Применение ситуационного подхода в общей схеме выработки управленческих решений возможно в том случае, когда будут установлены (продиагностированы) природа возникшей проблемы, ее содержание, степень настоятельности, связь с другими проблемами, виды и масштабы обусловленных данной проблемой опасностей (рисунок 6.1), т.е. будет определена конкретная проблемная ситуация со всеми вытекающими последствиями. Это позволяет грамотно сформулировать цели и задачи решения проблемы и на основе различных ограничений обозначить область допустимых решений, в пределах которой следует производить поиск вариантов, рассматриваемых на последующих этапах процесса принятия решений [39].

6.2.3 Динамический подход применяется в дополнение к ситуационному. При его применении геологическая среда, как компонент

ЛТС, рассматривается в ее диалектическом развитии, причинно-следственных связях и соподчиненности. Для этого проводятся ретроспективный анализ состояния геологической среды за определенный промежуток времени и прогнозная оценка ее дальнейшего развития [38].

6.2.4 Сценарный (поисковый) подход позволяет проводить многовариантный ситуационный анализ применения разнообразных методов управления (или мероприятий по управлению) ЛТС и ее компонентами с учетом возможностей и ограничений (рисков) каждого из них для обеспечения оптимального режима на всех этапах развития системы [38, 39].

По существу, сценарий выступает в роли качественной и количественной оценки вероятного развития различных геологических и инженерно-геологических процессов, которые возникли или могут возникнуть в будущем при создании, эксплуатации или ликвидации ЛТС, и их влияния на состояние компонентов системы (прежде всего геологической среды) в случае использования какого-либо специального мероприятия или комплекса мероприятий.

Среди разнообразных инструментов, применяемых в сценарном подходе, важное место занимает имитационное моделирование, которое широко используется в создании математических постоянно действующих моделей (ПДМ) геологической среды - частей автоматизированных информационных систем (АИС) или особых геоинформационных систем (ГИС) - для прогнозирования и анализа ее состояния (рисунок 6.2). Использование подобных ПДМ наряду с основным их предназначением (решением инженерно-геологических и других задач, связанных с оценкой как природных, так и техногенных изменений геологической среды и ее компонентов, а также с прогнозом ее развития) позволяет создавать эффективные системы выработки геологически обоснованных управленческих решений, предназначенных для выполнения следующих задач: 1) прогнозирования и анализа последствий управленческих решений;

Рисунок 6.2 - Процесс имитационного исследования геологической среды

2) исследования эффективности и сравнения принимаемых мер (альтернатив); 3) выбора оптимального решения [38].

Как уже отмечалось, важным свойством ПДМ является циклический или перманентный характер ее функционирования. Это свойство ПДМ в системе выработки геологически обоснованных управленческих решений позволяет более эффективно, без существенных затрат времени и ресурсов, осуществлять поиск и формирование набора альтернативных решений рассматриваемой проблемы, соответствующих им управляющих воздействий и в результате производить выбор оптимального решения.

Следовательно, преимущество сценарного подхода будет заключаться в возможности заблаговременного выявления неэффективных с точки зрения последствий управленческих решений, разработки множества вариантов развития ситуаций и прогнозирования состояния геологической среды в каждой из них [39].

Методологически сценарный подход в общей схеме выработки управленческих решений используется на последних ее этапах (рисунок 6.1), когда необходимо осуществлять поиск и формирование набора вариантных решений (альтернатив), отбор критериев выбора оптимального решения и, в результате, выбор и принятие наилучшего решения [38].

В заключение отметим, что рассмотренные в работе методологические подходы тесно связаны между собой и образуют единую систему, которую, по мнению автора, следует рассматривать как общую методологическую основу для выработки геологически обоснованных управленческих решений по оптимизации функционирования ЛТС любого уровня организации. Их применение совместно с созданной АИС ПДМ геологической среды юго-востока Белоруссии позволило автору с сотрудниками успешно реализовать ряд задач по инженерно-геологическому обоснованию управления ЛТС различного уровня организации и назначения.

6.3 Практическая реализация методологии инженерно-геологического обоснования управления ЛТС различного уровня организации и назначения в условиях Белоруссии

При создании ЛТС и последующем их функционировании инженерно -геологические условия оцениваются главным образом на основе данных изыскательских работ, предшествующих строительству. В ряде случаев принятые на основе данных об естественных свойствах массивов проектные решения не соответствуют условиям, которые формируются в процессе эксплуатации, что нередко становится причиной возникновения аварийных ситуаций в работе ЛТС. Это, в свою очередь, вызывает необходимость разработки инженерно-геологического обоснования управления сферой взаимодействия литосферы с технической подсистемой ЛТС и, как результат, работой всей системы.

Показательным примером в этом отношении является авторский опыт инженерно-геологического обоснования управления литотехническими системами элементарного и локального уровней: ЛТС «Административное здание жилищно-эксплуатационной службы» в Минске и ЛТС «Гомельский химзавод»10 [70, 115].

6.3.1 ЛТС «Административное здание жилищно-эксплуатационной службы» в Минске. До начала строительства участок проектируемого здания ЖЭС размещался на склоне холма (западная часть здания) и в замкнутом понижении, в котором располагался зарастающий водоем (восточная часть здания). Уклон поверхности и поверхностный сток были направлены к востоку, в сторону водоема. Согласно инженерно-геологическим изысканиям, проведенным в 2005 г. унитарным предприятием «Геосервис», площадка застройки сложена:

1) палево-желтыми, желто-серыми лессовидными (III pz) супесями и суглинками мощностью 1,0-5,8 м с тонкими прослойками пылеватого песка;

2) межледниковыми озерно-болотными (III тг) супесями и суглинками мощностью 4,9-11,3 м с многочисленными песчаными линзами и прослойками, в нижней части разреза с примесью органического вещества (до 7%), изредка с прослойками заторфованных грунтов и торфа;

3) конечно-моренными (II sz) песками различной крупности - от среднезернистых до гравелистых, и супесчано-суглинистыми разностями с гравием и галькой. Отложения полностью не пройдены, максимальная вскрытая мощность составила 7,9 м.

В процессе изысканий на участке были встречены воды спорадического распространения в тонких (до 5 см) прослойках песков в глинистых лессовидных и озерно-болотных отложениях. Уровни фиксировались на глубинах 0,8-7,0 м (абс. отм. 239,08-243,72 м) [70].

10 Работы по инженерно-геологическому обоснованию управления литотехническими системами проводились совместно с А.В. Ковалевой под руководством и при участии В.Г. Жогло.

Исходя из инженерно-геологических условий, было принято решение площадку строительства спланировать до абсолютных отметок 246,23247,52 м, а под фундаментами здания организовать устройство песчаной уплотненной подушки, толщиной 3,0 м.

По завершении строительства, в начальный период эксплуатации здания ЖЭС в грунтах песчаной подушки (пески от среднезернистых до гравелистых) сформировался техногенный горизонт грунтовых вод, что послужило причиной подтопления подвальных помещений.

В результате были организованы дополнительные инженерно -геологические изыскания. Выполненные исследования позволили установить следующее:

на период изысканий статический уровень зафиксирован на глубинах 1,5-2,6 м (абс. отм. 244,62-245,02 м.);

в расположенных вблизи котлованах и траншеях уровень грунтовых вод (УГВ) отмечается на этих же абсолютных отметках (1,0-2,0 м от поверхности земли);

мощность водовмещающих пород по данным бурения скважин достигает 5,1 м;

питание грунтового горизонта осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков через «пазухи» и бокового дренирования вод спорадического распространения. Разгрузка происходит за счет перетока через слабопроницаемые глинистые отложения (конечно-моренные супеси и суглинки) в нижележащие горизонты.

Данные обстоятельства привели к выбору оптимального управленческого решения, заключающегося в устройстве коллектора для возможного «сброса» вод техногенного горизонта. В качестве коллектора предлагалось использовать залегающие в верхней части разреза конечно-

-5

моренной толщи маловлажные пески объемом 9000 м , кровля которых погружается в южном и восточном направлениях от здания ЖЭС на глубину более 18 м [70].

Для этого было рекомендовано оборудовать систему дренажных скважин с установкой фильтров в песчаной подушке и маловлажных песках.

С этой целью нами была проведена серия модельных экспериментов по обоснованию конструкции, оптимального количества и схемы размещения на местности дренажных скважин на основе численного геофильтрационного моделирования с использованием системы программного обеспечения О''^ [7], являющейся составной частью созданной при участии автора АИС ПДМ геологической среды юго-востока Белоруссии.

На начальном этапе создания геофильтрационной модели по результатам инженерно-геологических изысканий была выполнена схематизация гидрогеологического разреза исследуемого участка (рисунок 6.3).

В расчетной фильтрационной схеме в качестве верхнего водопроницаемого слоя (1ВС) приняты обводненные линзы песка в насыпной песчано-глинистой толще, сформированной при планировке участка строительства, средней мощностью 1,0 м и коэффициентом фильтрации 0,39 м/сут.

Вторым от поверхности водопроницаемым слоем (2ВС) послужила песчаная подушка в основании фундамента здания мощностью 3,0 м и коэффициентом фильтрации 2,7 м/сут (за пределами здания ЖЭС, где подушка замещена насыпными песчано-глинистыми породами, величина коэффициента фильтрации принята равной 0,39 м/сут).

Третий водопроницаемый слой (3ВС) включает сожские конечно-моренные пески от средних до гравелистых средней мощностью 5,0 м и коэффициентом фильтрации 10,4 м/сут.

Четвертый водоносный слой (4ВС) расчетной схемы представлен днепровско-сожскими водноледниковыми песчаными образованиями. На исследуемом объекте этот слой не был вскрыт. Однако по данным региональных гидрогеологических съемочных работ установлено, что он является напорным и согласно карте гидроизопьез абсолютная отметка уровня воды непосредственно на участке изысканий составляет 211 м.

Рисунок 6.3 - Расчетная фильтрационная схема в разрезе

В качестве разделяющих водоносные слои горизонтов приняты слабопроницаемые глинистые разности насыпной толщи мощностью 2 м (1СПС), поозерские лессовидные и муравинские межледниковые озерно-болотные супеси и суглинки средней мощностью 5 м (2СПС), и сожская морена (3СПС), характеризующиеся довольно низкими фильтрационными свойствами.

Условия стационарности гидродинамического режима обеспечены заданием на нижней границе фильтрационной схемы, соответствующей пьезометрическому уровню днепровско-сожского (припятского) водоносного горизонта, условия 1-го рода (Н=сош^. Начальный напор в 1-ми 2-м водоносных слоях принимается равным 245 м. Боковые стенки и основание подвальной части здания ЖЭС считаются непроницаемыми (граничное условие II рода с Q=0) [70].

Вид граничного условия на дренажных скважинах может меняться в зависимости от постановки задачи и характера процесса фильтрации, поэтому эти условия следует рассматривать при выполнении каждого конкретного расчета.

Расчетные фильтрационные параметры нами приняты по результатам проведенных инженерно-геологических изысканий и фондовым материалам. Интенсивность техногенной инфильтрации W задана в соответствии с натурными наблюдениями величиной 200 мм/год по всей расчетной области за исключением территории, занятой зданием ЖЭС. Здесь W=0.

При обосновании модели учитывалось, чтобы размеры моделируемой области в плане были больше радиуса влияния инженерного сооружения. Поскольку, например, озеро, расположенное в 300 м северо-восточнее здания ЖЭС, вполне способно выполнять роль зоны разгрузки дренажных вод (уровень воды под зданием ЖЭС после дренирования должен быть на отметке не более 243,0-243,5 м при отметке воды в озере 240,0 м).

Учитывая данный фактор, а также длину и ширину здания ЖЭС (45^35 м) размеры расчетной области в плане приняты равными 638x628 м. В тоже время, принимая во внимание специфику исследуемого объекта и решаемые задачи, разбивка расчетной области на блоки в плане выполнена таким образом, чтобы дренируемая площадка под зданием ЖЭС находилась в центре сеточной области. При этом размеры блоков модели на самой площадке дренажа составили 2x2 м, а на внешних границах 20x20 м (таблица 6.1).

При моделировании в качестве альтернативных нами рассматривались три варианта конструкции дренажных скважин [70]:

• скважина диаметром 630 мм с установкой фильтра D=168 мм и гравийной обсыпкой (по рекомендации УП «Геосервис»);

• ствол скважины диаметром 168 мм, заполненный фильтрующим материалом с коэффициентом фильтрации не менее 100 м/сут (мелкий гравий);

• ствол скважины диаметром 530 мм, заполненный фильтрующим материалом с коэффициентом фильтрации не менее 100 м/сут.

Ось X Ось Y

Размер Колич. Общее расстояние Размер Колич. Общее расстояние

блока, м блоков от начала координат, блока, м блоков от начала координат,

м м

20,0 10 200 20,0 10 200

10,0 5 250 10,0 5 250

5,0 5 275 5,0 5 275

3,0 5 290 3,0 5 290

2,0 29 348 2,0 24 338

3,0 5 363 3,0 5 353

5,0 5 388 5,0 5 378

10,0 5 438 10,0 5 428

20,0 10 638 20,0 10 628

Вариант № 1. Модельные эксперименты по подбору оптимальной схемы дренажа начаты с численной проверки рекомендации УП «Геосервис». Последним для «сброса» подземных вод техногенной верховодки в нижележащие маловлажные пески рекомендовано оборудовать дренажную скважину диаметром 630 мм с установкой фильтров в песчаной подушке и маловлажных песках (поглощающем песчаном коллекторе). Верхний и нижний фильтры крепятся на колонне труб диаметром 168 мм. Даже без гидравлического расчета является очевидным, что пропускная способность трубы намного выше реального притока воды из песчаной подушки к фильтру скважины. Из этого следует, что при рассматриваемой конструкции скважины она будет работать как внутренняя граница I рода с напором на ней, равным абсолютной отметке подошвы песчаной подушки (в нашем случае Н=241 м).

В рассматриваемой постановке задачи на модели задаются два верхних водоносных слоя (1ВС и 2ВС) и разделяющий их слабопроницаемый слой (рисунок 6.3). Дренажная скважина (скв. 1) размещается согласно рекомендации УП «Геосервис» на северо-западном углу здания ЖЭС (рисунок 6.4). Исходный уровень воды в обоих водоносных слоях находится на абсолютной отметке 245 м (оптимальными для эксплуатации здания являются абсолютные отметки грунтовых вод не более 243,0-243,5 м).

Дренажная скважина

330

320

310

300

290

310 320 | 1330 340 350, метры Контуры дренируемой площадки Контуры песчаной подушки

Рисунок 6.4 - Схема расположения в плане дренируемой площадки, песчаной подушки и проектируемых дренажных скважин

Расчеты выполнены на 9 моментов времени t = 0,5; 1,0; 3,0; 5,0; 7,0; 10,0; 15,0; 20,0; 30,0 сут, начало работы дренажной скважины соответствует начальному моменту времени 1=0. Анализ дренажного эффекта скважины (величина понижения уровня грунтовых вод в песчаной подушке) оценивается по центральной точке дренируемой площадки, а также по точке, находящейся в самых неблагоприятных условиях, т.е. наиболее удаленной от дренажной скважины. Такой точкой является противоположный юго-восточный угол здания ЖЭС. Анализируется также приток (расход) воды к дренажным скважинам. Результаты расчетов приведены в таблице 6.2.

Расчетный момент времени, сут Расчетная абсолютная отметка УГВ, м Приток воды к дренажным скважинам, м3/сут

северо-западный угол здания центральная часть здания юго-восточный угол здания

0,5 244,45 245,00 245,00 44,4

1,0 244,08 245,00 245,00 37,4

3,0 243,53 244,97 245,00 29,4

5,0 243,30 244,91 244,99 26,6

7,0 243,20 244,84 244,96 25,1

10,0 243,07 244,73 244,89 24,7

15,0 242,95 244,59 244,79 23,6

20,0 242,86 244,46 244,61 22,2

30,0 242,74 244,25 244,37 21,2

Как видно из таблицы 6.2, понизить уровень грунтовых вод под зданием ЖЭС до нужных отметок одной скважиной в течение месяца невозможно. Прилегающая к дренажным скважинам часть площадки дренируется до заданной отметки УГВ (243 м) лишь через 10-15 суток. Юго-восточная часть площадки не дренируется вообще. Здесь на углу здания ЖЭС лишь на 7-е сутки уровень воды понижается на 0,04 м, а через 30 сут - на 0,39 м. Очевидно, что для дренирования изучаемой территории необходима система скважин, расположенных равномерно по периметру здания ЖЭС.

Вариант № 2. Учитывая высокую стоимость скважины, использованной в предыдущем варианте, оценим дренирующую эффективность наиболее экономичной дрены - открытый ствол скважины 0 168 мм, заполненный фильтрующим материалом. В таком варианте отток дренажной воды будет идти по фильтрующему материалу в стволе скважины. Фактически дренирующий эффект системы будет определяться сопротивлением (проводимостью) фильтрующего материала. Его коэффициент фильтрации нами принят равным 100 м/сут.

Полагая, что при фильтрации воды по стволу скважины соблюдается закон Дарси, справедливым является следующее равенство

С)=ксхсосх1 = ктхютх1, (6.1)

где кс - коэффициент фильтрации гравийной засыпки; сос - площадь поперечного

сечения скважины (при (^=0,168 м юс = 0,0222 м ; I - напорный градиент; кт-коэффициент фильтрации гравийной засыпки на модели. Так как на модели скважина задается целым расчетным блоком площадью сос, то кт. Учитывая, что на площадке дренажа шаг сеточной области составляет 2,0 м, сот=4,0 м2

Отсюда кт = ксХсос/сот = 100 х 0,0222/4 = 0,555 м/сут. Вертикальная проводимость f гравийной засыпки (фильтрующего материала) обратно пропорционально длине пути фильтрации воды 1с:

f = кт/ 1с, (6.2)

При условии, что дренажная вода движется от центра песчаной подушки до центра поглощающего коллектора, имеем 1с =0,5-тпп+тспс+0,5-тпк (тпп=3,0 м - мощность слоя песчаной подушки; тспс - мощность слабопроницаемого слоя между песчаной подушкой и поглощающим коллектором (на северо-западе участка изысканий тспс=5,0 м);-Шпк=5,0 м -среднее значение мощности поглощающего коллектора). Для принятых условий f =0,555/9=0,06 сут-1.

При заданной конструкции скважины она будет работать как внутренняя граница I рода с напором на ней, равным абсолютной отметке середины поглощающего коллектора (Н=233,5 м). Результаты расчетов в изложенной постановке приведены в таблице 6.3.

Таблица 6.3 - Результаты расчетов по варианту № 2

Расчетный момент времени, сут Расчетная абсолютная отметка УГВ, м Приток воды к дренажным скважинам, м3/сут

северо-западный угол здания центральная часть здания юго-восточный угол здания

0,5 244,99 245,00 245,00 2,72

1,0 244,97 245,00 245,00 2,71

3,0 244,93 245,00 245,00 2,70

5,0 244,91 245,00 245,01 2,69

7,0 244,90 245,00 245,01 2,69

10,0 244,88 245,00 245,01 2,68

15,0 244,87 245,00 245,02 2,68

20,0 244,86 245,00 245,03 2,68

30,0 244,85 245,00 245,04 2,68

Из таблицы 6.3 видно, что рассмотренная конструкция дренажной скважины практически неприемлема. Она дренирует лишь прилегающую к скважине территорию. На противоположном углу здания отмечается даже незначительный подъем уровня воды, обусловленный наличием техногенного инфильтрационного питания (на модели задано 200 мм/год). Повысить пропускную способность скважины можно за счет увеличения ее диаметра.

Вариант № 3. Определим дренирующую эффективность открытого ствола скважины диаметром 530 мм, заполненного фильтрующим материалом. Площадь поперечного сечения такой скважины сос = 0,221 м2, модельный коэффициент фильтрации гравийной засыпки кт = 5,5 м/сут, а вертикальная проводимость фильтрующего материала f = 5,5/9 = 0,6 сут-1. Таким образом, фильтрационное сопротивление скважины с d=530 мм в 10 раз меньше, чем скважины с d=168 мм. Граничное условие на стенке скважины не изменяется (внутренняя граница I рода с Н=233,5 м). Результаты расчетов в изложенной постановке приведены в таблице 6.4

Таблица 6.4 - Результаты расчетов по варианту № 3

Расчетный момент времени, сут Расчетная абсолютная отметка УГВ, м Приток воды к дренажным скважинам, м3/сут

северо-западный угол здания центральная часть здания юго-восточный угол здания

0,5 244,86 245,00 245,00 23,8

1,0 244,72 245,00 245,00 23,3

3,0 244,38 244,99 245,00 22,3

5,0 244,20 244,97 245,00 21,9

7,0 244,07 244,94 245,00 21,6

10,0 243,93 244,90 245,00 21,3

15,0 243,77 244,83 244,99 20,9

20,0 243,66 244,76 244,97 20,7

30,0 243,50 244,65 244,91 20,4

Основной интерес представляет сравнение результатов расчетов по вариантам №№ 1 и 3 (таблицы 6.2, 6.4). Как видно, эффективность рассматриваемой конструкции скважины ниже, чем в варианте № 1. Обусловлено это фильтрационным сопротивлением гравийной засыпки

ствола скважины. Однако эти различия не очень велики. Учитывая, что конструкция дренажной скважины, принятая в варианте № 3, весьма проста, а стоимость ее значительно ниже за счет отказа от металлической колонны труб и фильтров, для дальнейших расчетов принимается дренажная скважина в виде открытого ствола 0 530 мм, заполненного фильтрующим материалом с коэффициентом фильтрации 100 м/сут.

Вариант № 4. Результаты предыдущего расчета показывают, что для дренирования площадки под зданием ЖЭС требуется несколько дренажных скважин. С учетом технических возможностей (технология бурения, наличие подземных коммуникаций, геолого-гидрогеологические условия) на модели задаем еще две дренажные скважины (скв. 2 и 3), расположенные вдоль северного контура здания ЖЭС (рисунок 6.4). При такой схеме хорошо дренируется северная часть площадки, однако южная часть остается полностью подтопленной (таблица 6.5).

Таблица 6.5 - Результаты расчетов по варианту № 4

Расчетный момент времени, сут Расчетная абсолютная отметка УГВ, м Приток воды к дренажным скважинам, м3/сут

северо-западный угол здания центральная часть здания юго-восточный угол здания

0,5 244,85 245,00 245,00 60,3

1,0 244,69 245,00 245,00 59,1

3,0 244,24 244,94 245,00 56,6

5,0 243,94 244,84 245,00 55,1

7,0 243,72 244,74 244,98 54,0

10,0 243,46 244,59 244,95 52,7

15,0 243,15 244,38 244,86 51,1

20,0 242,92 244,19 244,75 50,0

30,0 242,59 243,88 244,53 48,2

Вариант № 5. На модели дополнительно задаются еще три дренажные скважины (скв. 4, 5 и 6) вдоль западного контура здания ЖЭС (рисунок 6.3). Шесть скважин дренируют большую часть площадки в течение 10-15 суток. На 30-е сутки работы дренажа остается подтопленным лишь юго-восточный угол здания ЖЭС, наиболее удаленный от точек заложения скважин (таблица 6.6).

Расчетный момент времени, сут Расчетная абсолютная отметка УГВ, м Приток воды к дренажным скважинам, м3/сут

северо-западный угол здания центральная часть здания юго-восточный угол здания

0,5 244,24 245,00 245,00 135,0

1,0 243,86 245,00 245,00 131,3

3,0 242,94 244,87 245,00 122,7

5,0 242,39 244,65 244,99 117,3

7,0 241,99 244,43 244,95 113,1

10,0 241,54 244,11 244,87 108,2

15,0 241,03 243,66 244,68 102,3

20,0 240,66 243,28 244,46 97,8

30,0 240,15 242,69 244,03 91,3

Вариант № 6. Так как оборудовать дренажные скважины вдоль юго-восточной части здания ЖЭС невозможно по техническим причинам (наличие инженерных сетей), еще две дренажные скважины закладываются между скважинами 2 и 3 (скв. 7) и 1 и 2 (скв. 8) (рисунок 6.4).

Сравнение результатов моделирования, приведенных в таблицах 6.6 и 6.7, показывает, что дополнительные скважины улучшают ситуацию. Некоторое снижение уровней грунтовых вод на юго-западном участке имеет место (напор грунтовых вод на 30-е сутки дренирования снижается с 244,03 до 243,78 м). Однако небольшая часть юго-западного угла дренируемой площадки не осушается до проектной отметки (рисунок 6.5).

До принятия решения о целесообразности создания дополнительных скважин, нами предварительно оцениваются гидрогеологические условия работы дренажа на более длительный период.

Вариант № 7. В предыдущих вариантах расчета предполагалось, что емкость поглощающего коллектора маловлажных песков является неограниченно большой, поэтому при расчетах он задавался как граничное условие I рода с Н=233,5 м (рисунок 6.3). В варианте № 7 на модели воспроизводится днепровско-сожский водоносный горизонт. Теперь он принимается в качестве ГУ-1. Это означает, что он может поглотить любое количество воды. Учитывая незначительный объем дренажной воды, это

Расчетный момент времени, сут Расчетная абсолютная отметка УГВ, м Приток воды к дренажной скважине, м3/сут

северо-западный угол здания центральная часть здания юго-восточный угол здания

0,5 244,20 245,00 245,00 176,6

1,0 243,75 244,99 245,00 170,2

3,0 242,61 244,83 244,98 155,6

5,0 241,92 244,55 244,95 146,5

7,0 241,42 244,27 244,94 139,7

10,0 240,83 243,88 244,83 132,0

15,0 240,28 243,33 244,59 122,9

20,0 239,87 242,89 244,32 116,3

30,0 239,30 242,20 243,78 107,0

условие практически полностью соответствует природной обстановке. Результаты моделирования приведены в таблице 6.8.

Рисунок 6.5 - Схема абсолютных отметок уровня грунтовых вод после дренирования песчаной подушки 8-ю скважинами в течение 30 суток

Расчетный момент времени, сут Расчетная абсолютная отметка УГВ, м Приток воды к дренажной скважине, м3/сут

северо-западный угол здания центральная часть здания юго-восточный угол здания

0,5 244,23 245,00 245,00 178,8

1,0 243,80 244,99 245,00 171,3

3,0 242,74 244,84 245,00 154,5

5,0 242,09 244,58 244,98 144,7

7,0 241,63 244,31 244,94 137,7

10,0 241,13 243,94 244,84 130,0

15,0 240,56 243,41 244,60 121,2

20,0 240,15 242,98 244,33 115,0

30,0 239,57 242,29 243,80 106,5

Сравнение результатов экспериментов в таблицах 6.7 и 6.8 показывает, что условия работы системы дренажа практически не изменились. По крайней мере, значимого ухудшения в величинах понижений напоров подземных вод не наблюдается. Для контроля, рассматриваемая задача решена нами в стационарной постановке, т.е. на неограниченный период работы дренажа. Эксперимент показал, что уровни грунтовых вод по сравнению с приведенными в таблице 6.8 в песчаной подушке понижаются.

Вариант № 8. Делается проверка влияния инфильтрационного питания на уровенный режим подземных вод песчаной подушки. Моделируется сценарий резкого усиления инфильтрационно-техногенного питания грунтовых вод на исследуемом участке в 2 раза - с 200 до 400 мм/год, после оборудования дренажных скважин и их функционирования в течение 60 суток. Результаты эксперимента даны в таблице 6.9.

Следует обратить внимание на два важных аспекта полученных результатов:

1. Уровни грунтовых вод на осушаемой площадке продолжают снижаться в течение всего расчетного времени. На 60-е сутки и даже ранее достигается необходимая глубина залегания уровней на всей дренируемой территории.

Расчетный момент времени, сут Расчетная абсолютная отметка УГВ, м Приток воды к дренажной скважине, м3/сут

северо-западный угол здания центральная часть здания юго-восточный угол здания

3,0 242,74 244,84 245,00 154,5

7,0 241,63 244,31 244,94 137,7

15,0 240,56 243,41 244,60 121,2

30,0 239,57 242,29 243,80 106,5

60,0 238,55 240,39 242,57 93,5

62,0 238,50 240,92 242,51 93,1

64,0 238,46 240,86 242,45 92,3

67,0 238,39 240,77 242,36 91,9