Методология оценки состояния и прогнозирования геодинамической устойчивости объектов строительства при геотехническом мониторинге тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Дорофеев, Николай Викторович

• Дорофеев, Николай Викторович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Дорофеев, Николай Викторович

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................5

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ И ПОДХОДОВ РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕДКРИЗИСНЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ СИТУАЦИЙ В СИСТЕМАХ ГЕОТЕХНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА...............................23

1.1 Общие вопросы организации геотехнического мониторинга состояния

компонентов природно-технических систем....................................................23

1.2 Функционирование геотехнических систем в современный: условиях . 36

1.2.1 Динамика и устойчивость геотехнических систем..................................36

1.2.2 Особенности техногенеза в геотехнических системах...........................37

1.2.3 Роль геодинамических процессов в геотехнических системах................40

1.2 Анализ принципов и подходов раннего обнаружения деструктивные:

геодинамических процессов при геотехническом мониторинге..................51

1.2.1 Выявление опасностей и прогнозирование рисков негативного развития геодинамических процессов в геотехнических системах..................................51

1.2.2 Эффективность применяемых методов анализа и прогнозирования геодинамической устойчивости геотехнических систем.................................60

1.4 Аспекты применения информационно-аналитических систем геодинамического контроля.................................................................................63

1.4.1 Регистрация информативных параметров геодинамического контроля ..................................................................................................................................65

1.4.2 Организация обработки информации при геодинамическом контроле в системах геотехнического мониторинга............................................................69

1.4.3 Применение и особенности геодинамического моделирования объектов и процессов при геотехническом мониторинге.....................................................75

1.4.4 Задача и роль геодинамического прогнозирования в геотехнических системах.................................................................................................................. 76

Выводы и постановка задач исследования.......................................................79

ГЛАВА 2 МОДУЛЬНЫЙ ПОДХОД К ОРГАНИЗАЦИИ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ В ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ........................................................................82

2.1 Обобщенная структура проблемно-ориентированной системы информационной обработки данны1х геотехнического мониторинга..........82

2.2 Модульный подход при организации геодинамического контроля и прогнозирования в геотехнических системах..................................................87

2.2.1 Оценка геодинамической устойчивости геотехнических систем на основе модульного подхода...................................................................................87

2.2.2 Идентификация параметров унитарного модуля на базе настраиваемой модели......................................................................................................................92

2.3 Математическая модель геотехнических систем на базе модульного подхода......................................................................................................................95

2.3.1 Модельное взаимодействия модульных компонентов..............................95

2.3.2 Геодинамическая адаптация модели..........................................................98

2.4 Структура обработки геодинамической информации на основе

модульного подхода описания геотехнических систем..............................101

Выводы.....................................................................................................................105

ГЛАВА 3 ВЫДЕЛЕНИЕ КЛЮЧЕВЫХ ЗОН КОНТРОЛЯ

ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

.......................................................................................................................................107

3. 1 Геокибернетический подход при диагностике и прогнозировании состояния геотехнических систем.................................................................... 107

3.2 Оценка геодинамической устойчивости геотехнических систем.......112

3.3 Методические особенности сбора и пространственно-временной обработки данных геотехнического мониторинга......................................... 119

3.4 Метод выделения ключевых геодинамических зон на основе прогнозных пространственно-временных функций геотехнического мониторинга...........................................................................................................133

3.5 Качественные показатели оценки и управления геодинамической

устойчивостью геотехнических систем...........................................................138

Выводы.....................................................................................................................145

ГЛАВА 4 ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОБРАБОТКИ РАЗНОРОДНЫХ ДАННЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ В ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ..........................148

4.1 Сервис-ориентированная архитектура сбора и обработки разнородных данных геодинамического контроля................................................................148

4.2 Иерархическая информационная модель функционирования

информационно-аналитической системы анализа и управления геодинамической устойчивостью геотехнических систем.........................162

4.3 Пространственно-временная обработка разнородных данных геодинамического контроля...............................................................................169

4.4 Локализация источников геодинамических возмущений на основе пространственно-распределенной обработки электромагнитных сигналов

....................................................................................................................................174

4.5 Формирование прогнозной оценки развития деструктивных

геодинамических процессов...............................................................................203

Выводы.....................................................................................................................223

ГЛАВА 5 ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕСТНЫХ СИСТЕМ СБОРА ДАННЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ.........226

5.1 Геодинамический контроль на местном уровне с применение геоэлектрических методов..................................................................................226

5.2 Локальное геоэлектрическое моделирование геодинамических

процессов.................................................................................................................242

5.3 Алгоритмы работы геоэлектрической системы местного геодинамического контроля...............................................................................255

5.4 Особенности гидрологического контроля с применением геоэлектрических методов..................................................................................258

5.5 Прогнозирование деструктивного развития геодинамических процессов

в условиях городской застройки........................................................................270

Выводы.....................................................................................................................276

ГЛАВА 6 ГЕОДИНАМИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

НЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ РИСКА НАРУШЕНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА КАРСТОВЫХ ТЕРРИТОРИЯХ.........................................................................................................279

6.1 Особенности геотехнического мониторинга нецентрализованного

водоснабжения России на карстовых территориях........................................283

6.2 Методика организации гидрогеологических наблюдений в составе систем геотехнического мониторинга.............................................................287

6.3 Территория и условия проведения экспериментальных исследований 291

6.4 Проведение экспериментальных работ по выделению ключевых зон на

объектах нецентрализованного водоснабжения............................................297

Выводы.....................................................................................................................303

ГЛАВА 7 ПРАКТИЧЕСКАЯ ПРОВЕРКА РАЗРАБОТАННЫХ ПОЛОЖЕНИЙ РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ АКТИВИЗАЦИИ ДЕСТРУКТИВНЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ РЕЖИМНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ТЕРРИТОРИИ КАРСТОВЫХ ОЗЕР.........304

7.1 Идентификация ключевых зон гидрологического контроля на основе оценки влияния карстовых процессов..............................................................306

7.2 Методика проведения экспериментальных исследований....................308

7.3 Результаты экспериментальных исследований........................................311

Выводы.....................................................................................................................314

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................316

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.....................................................................................320

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ...........................................................................................321

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................................323

ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ .......................................................................................................................................392

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность совершенствования и разработки новых подходов к организации геотехнического мониторинга обусловлена повышающимися требованиями к безопасности объектов современного строительства. В соответствии с [301, 302, 430] задачей геотехнического мониторинга в области строительства и обслуживания зданий и сооружений является своевременное выявление и предотвращения аварийных ситуаций, а также оценка надежности и правильности прогнозов и принятых проектных решений в течении всего жизненного цикла жизнеобеспечивающих и технических объектов в составе природно-технических систем (ПТС). В настоящее время современные геотехнические процессы характеризуются увеличением техногенной нагрузки на геологическую среду, высокой скоростью трансформации и усилением взаимосвязей природной и технической составляющей ПТС. В результате высоких темпов преобразования природной среды начинают проявляться скрытые, ранее не изученные взаимосвязи, активизируются опасные процессы, которые приводят к множеству аварий и катастроф на технических объектах [118, 351, 568]. При этом, статистические данные показывают рост количества аварий и катастроф, вызванных процессами в геологической среде, как на местном, так и на региональном уровне. Все это указывает на недостаточный уровень контроля опасных геодинамических процессов и низкий уровень защиты техносферы от них.

Скрытность и непредсказуемость опасных природных процессов, масштабность и стихийность возникающих катастроф заставляет развивать мониторинговые службы, специализированные измерительные сети, системы и комплексы для изучения и контроля внутренних связей в ПТС [86, 138, 156, 264, 466, 513, 550]. Возникает необходимость мониторинга взаимодействия геологической среды с инженерно-техническими объектами [80] - необходимость мониторинга геотехнических систем (ГТС). В качестве дополнительных исследований в рамках геотехнического мониторинга включается оценка

опасностей и рисков от природных и техногенных процессов, в частности контроль геолого-гидрологической среды [302]. Для обеспечения геоэкологической безопасности развиваются информационно-аналитические системы (ИАС) регулирования и управления геотехнической составляющей природно-технических систем (ИАС управления ГТС) [86, 551], вводится понятие экологического менеджмента ПТС [121, 136].

Системы геодинамического контроля занимают особое место в системах геотехнического мониторинга и управления объектами строительства ПТС. В большинстве случаев нарушение равновесия геотехнической системы связано с процессами, протекающими в геологической среде, инженерно-технических объектах, и с взаимным влиянием геологической и технической компоненты ПТС. Заблаговременное выявление и прогнозирование начальной фазы развития опасных геодинамических процессов в геотехнических системах становится актуальной задачей при строительстве объектов и дальнейшей их эксплуатации.

Степень разработанности темы. Значительный вклад в исследование и моделирование процессов происходящих в природно-технических системах, их классификацию, и построение систем геотехнического мониторинга и геоэкологической безопасности внесли научные коллективы научных, научно-исследовательских и учебных заведений, а так же известные ученые Израэль Ю.А., Королев В.А., Трофимов В.Т., Бондарик Г.К., Музалевский А.А., Федоров М.П., Гамбурцев А.Г., Уставич Г.А., Епишин В.К., Бердичевский М.Н., Четаев Д.Н., Шаманин С.В., Хмелевской В.К., Саргсян А.Е., Графкина М.В., Шилин М.Б., Кашеварова Г.Г., Кузичкин О.Р., Марченко П.Е., Герман С.Г., Мазур И.И., Р. Уильямс, Э.Дж. Хенли, Гринин А.С., Дайман С.Ю., Черпа О.М., Чартер М., ДеСимон Л.Д., Брудер М., Малинников В.А. и др. В области выявления и предсказания геодинамических процессов, анализа и прогнозирования рисков и ущербов в геотехнических системах, выделяются работы Осипова В.И., Кутепова В.М., Акимова В.А., Минаева В.А., Магницкого В.А., Фаддеева А.О., Гуляева Ю.П., Карпенко В.А., Скибина Г.М., Панкрушина В.К., Боргуманна Х., Милева Г., Есикова Н.П., Гохберга М.Б., Морозова В.Н. и др.

Современные системы мониторинга устойчивости геотехнических систем основываются на принципах и подходах оценивания состояния (деформаций сооружений, грунтов основания, гидрологического режима прилегающей территории и т.д.) инженерно-технических объектов во времени (работы Гуляева Ю.П., Тамразяна А.Г., Вознесенского Е.А. и других ученых), получения прогнозных оценок развития неблагоприятных геодинамических процессов и рисков нарушения геотехнической устойчивости (работы Осипова В.И., Есикова Н.П., Мондруса В. Л., Радаева Н.Н. и других ученых). Недостатком применяемых в системах мониторинга состояния инженерно-технических объектов методов является запоздалое выявление негативных изменений геологической среды, проявляющиеся в изменении параметров контролируемого объекта. Область контроля систем подобного класса за исключением контроля опасных объектов, для которых осуществляют мониторинг локального и регионального уровня, ограничивается местным уровнем контроля, что снижает достоверность получаемых прогнозов в случае размещения объектов на территориях с активными геодинамическими процессами. Особая роль геодинамического контроля обусловлена тем, что в большинстве случаев запроектных аварийных ситуаций их причиной являлись непрогнозируемые и иногда внезапные геодинамические изменения в геологической среде.

Несмотря на имеющуюся нормативную базу, например: [78, 80, 81, 83, 328], в области геотехнического мониторинга и геодинамического контроля, научные наработки и технические реализации применение в ИАС и измерительных сетях различного уровня, по-прежнему остается много пробелов в понимании процессов происходящих в геотехнических системах [87, 104, 121, 136, 153, 419, 466, 551]. Отсутствие единого информационно-аналитического пространства (разрозненность ИАС), единой классификации ПТС и соответственно ГТС, и их параметров, воздействий, рисков, критериев оптимальности принимаемых управленческих решений, устойчивости ГТС и многие другие причины снижают эффективность ИАС и вырабатываемых управленческих решений и как следствие [118, 466, 550], не достигается желаемое геотехническое равновесие ПТС. Для

устранения или уменьшения заявленных недостатков необходимы новые подходы к построению информационно-аналитического обеспечения геодинамического контроля [121, 136, 430]. Именно поэтому тема диссертационного исследования является актуальной не только с теоретической, но и с практической точки зрения.

Объект исследования: системы получения, обработки и анализа геодинамической информации при геотехническом мониторинге на всем жизненном цикле строительных объектов.

Предмет исследования: методы и средства, модели и алгоритмы сбора, обработки и анализа геодинамической информации и системные связи процессов и объектов в геотехнических системах, а так же подходы и алгоритмы выявления начальной фазы и прогнозирование неблагоприятного развития геодинамических ситуаций.

Цель работы: повышение эффективности принятия управленческих решений в геотехнических системах для обеспечения экологической и техногенной безопасности за счет раннего обнаружения деструктивных геодинамических процессов при геотехническом мониторинге, проводимого в соответствии с предлагаемой методологией.

Задачи исследования:

1. Анализ принципов и подходов к решению проблемы раннего обнаружения деструктивных геодинамических процессов при геотехническом мониторинге на строительных объектах ПТС на основе применения специализированных информационно-аналитических систем геодинамического контроля, а также проведение оценки эффективности современных методов анализа и прогнозирования геодинамической устойчивости ГТС.

2. Исследование и разработка структуры проблемно-ориентированной системы информационной обработки данных геотехнического мониторинга и управления повышением геодинамической устойчивостью ГТС, на основе построения усовершенствованной модели ГТС, учитывающей сложный

взаимозависимый характер геодинамического и техногенного влияния на эксплуатационную устойчивость объектов ГТС.

3. Разработка модульной математической модели ГТС с выделением отдельных геодинамических процессов и объектов на разных уровнях геодинамического контроля и возможностью выделения предвестников деструктивных процессов на основе оценки устойчивости отдельных звеньев системы и групповой устойчивости выделенной области контролируемых звеньев, а также оценка устойчивости в целом.

4. Разработка метода выделения ключевых зон на основе разработанной модульной модели ГТС и алгоритмов выделения скрытых предвестников нарушения геодинамической устойчивости ГТС с использованием построенных по разнородным данным прогнозных функций геотехнического мониторинга.

5. Исследование и разработка иерархической информационной модели функционирования информационно-аналитической системы обработки разнородных данных геодинамического контроля и управления геодинамической устойчивостью ГТС.

6. Разработка алгоритмов пространственно-временной обработки разнородных данных геодинамического контроля с оптимизацией информационных потоков в единой информационно-аналитической системе контроля и управления повышением геодинамической устойчивостью ГТС с адаптацией местных систем сбора данных под задачу выделения предвестников деструктивных геодинамических процессов на основе электромагнитных методов геодинамического контроля.

7. Практическая проверка разработанной методологии в зонах со сложными геотехническими условиями: на территориях с активным проявлением карстово-суффозионных процессов.

Методы исследования: методы теории вероятностей, теории принятия решений, математической статистики, вычислительной математики, регрессионного и спектрального анализа, автоматического управления, математического, имитационного и компьютерного моделирования.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования обеспечивается применением строгого математического аппарата, соответствием данных имитационного и компьютерного моделирования результатам экспериментальных исследований, практическим внедрением и применением результатов диссертационного исследования.

Научная новизна заключается в разработанной методологии включающей:

1. Новый подход к решению задач раннего обнаружения деструктивных геодинамических процессов на строительных объектах ПТС, основанный на контроле геодинамических вариаций в зонах влияния ПТС и их анализе в связи с другими геотехническими параметрами при организации геотехнического мониторинга и применении специализированных информационно-аналитических систем геодинамического контроля для прогнозирования геодинамической устойчивости ГТС.

2. Новую структуру проблемно-ориентированной системы информационной обработки данных геотехнического мониторинга и управления повышением геодинамической устойчивостью ГТС, отличающаяся учетом взаимозависимого характера геодинамического и техногенного влияния на геодинамическую устойчивость ГТС.

3. Математическую модель ГТС с модульным выделением отдельных геодинамических процессов и объектов на разных уровнях геотехнического контроля, отличающаяся возможностью оценки устойчивости отдельных звеньев системы и групповой устойчивости выделенной области контролируемых звеньев, а также оценка устойчивости в целом.

4. Метод выделения ключевых зон на основе разработанной модульной модели ГТС и алгоритмов выделения скрытых предвестников нарушения геодинамической устойчивости ГТС, отличающийся использованием построенных по разнородным данным прогнозных функций геотехнического мониторинга.

5. Информационную модель функционирования единой информационно-аналитической системы обработки и управления геодинамической устойчивость

ГТС, отличающаяся выделением скрытых предвестников деструктивных процессов на основе прогнозного анализа разнородных данных геодинамического контроля.

6. Алгоритмы пространственно-временной обработки разнородных данных геодинамического контроля, отличающиеся оптимизацией информационных потоков в единой информационно-аналитической системе контроля и управления повышением геодинамической устойчивости ГТС и адаптацией местных систем сбора данных под задачу выделения предвестников деструктивных геодинамических процессов на основе электромагнитных методов геодинамического контроля.

Практическая ценность результатов диссертационного исследования заключается:

- в разработанном в соответствии с данной методологией специализированном программно-аппаратным обеспечении для систем геодинамического контроля (защищено свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ и патентом на полезную модель);

- в применении разработанных методов и алгоритмов в специализированных системах геодинамического и экологического мониторинга ГТС с активными карстово-суффозионными и оползневыми процессами;

- в применении разработанного подхода в специализированных системах экологического мониторинга нецентрализованного водоснабжения;

- в разработанном программном обеспечении пространственно-временной обработки электромагнитных сигналов в специализированных системах геодинамического контроля при геотехническом мониторинге;

- в результатах выделения ключевых зон гидрогеодинамического контроля и начальной фазы развития карстовых геодинамических процессов, полученных в ходе исследования с применением разработанной методологии на территории с. Чудь и озера Святое Нижегородской области.

Результаты диссертационной работы внедрены:

1. В систему сбора и регистрации электромагнитных сигналов при геодинамическом контроле карстовых процессов на геодинамическом полигоне МИ ВлГУ в Нижегородской области (район оз. Свято) в рамках научного договора о сотрудничестве с ИФЗ РАН.

2. В специализированную систему геодинамического и экологического мониторинга ГТС с активными карстово-суффозионными и оползневыми процессами в рамках работ с АО «Центр карстоведения и инженерной геофизики - СТРОЙКАРСТ» г. Дзержинск Нижегородской обл., а так же в АО «НПП «Звукотехника», г. Муром.

3. При проведении работ по исследованию геодинамической устойчивости зоны предполагаемого строительства Нижегородской АЭС.

4. В учебный процесс по направлению подготовки бакалавров и магистров «Приборостроение» в МИ ВлГУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новый подход к решению задач раннего обнаружения деструктивных процессов на объектах ПТС.

2. Новая структура проблемно-ориентированной системы информационной обработки данных геотехнического мониторинга и управления повышением геодинамической устойчивостью ГТС.

3. Математическая модель ГТС с модульным принципом организации.

4. Метод выделения ключевых зон на основе разработанной модульной модели ГТС и алгоритмов выделения скрытых предвестников нарушения геодинамической устойчивости ГТС.

5. Информационная модель функционирования единой информационно-аналитической системы обработки разнородных данных геодинамического контроля и управления геодинамической устойчивость ГТС.

6. Алгоритмы пространственно-временной обработки разнородных данных геодинамического контроля.

7. Результаты выделения ключевых зон гидрогеодинамического контроля и начальной фазы развития карстовых геодинамических процессов, полученных в ходе исследования с применением разработанной методологии и программно-аппаратного обеспечения на территории с. Чудь и озера Святое Нижегородской области.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.13.01 -Системный анализ, управление и обработки информации (строительство и ЖКХ) по областям исследования: «4. Разработка методов и алгоритмов решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», «5. Разработка специального математического и алгоритмического обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», «9. Разработка проблемно-ориентированных систем управления, принятия решений и оптимизации технических объектов», «11. Методы и алгоритмы прогнозирования и оценки эффективности, качества и надежности сложных систем».

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методология оценки состояния и прогнозирования геодинамической устойчивости объектов строительства при геотехническом мониторинге»

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на Международных и Всероссийских конференциях и опубликованы в материалах и трудах: Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета (2007 - 2018 гг.); на международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» - г. Москва (2007 - 2008 г.); на всероссийской НТКС - г. Рязань (2007, 2008, 2012 г.); на Туполевских чтениях - г. Казань (2007 г.); на 2-й международной научной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» - Ростов-на-Дону (2007 г.); «Математические и информационные технологии» - МГТ'2011 (Сербия - 2011 г.), МГТ'2016 (Черногория - 2016 г.); на конференции «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» -ЭкоГидроМет.'2012 (г.Санкт-Петербург-2012г.), ЭкоГидроМет'2013 (г. Саратов -2013 г.), ЭкоГидроМет'2015 (г. Саратов - 2015 г.); на Международной

конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» -CriMiCo'2012, CriMiCo'2016 (г. Севастополь - 2012, 2016 гг.); «IEEE International Conference on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems» -IDAACS'2013 (Берлин (Германия) - 2013 г.), IDAACS'2015 (Варшава (Польша) -2015 г.), IDAACS'2017 (Бухарест (Румыния) - 2017 г.); «International Siberian Conference on Control and Communications SIBCON» - г. Омск (2015 г.); «International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management» - SGEM'2015, SGEM'2016, SGEM'2017, SGEM'2018 (Альбена (Болгария) - 2015 - 2018 гг.).

Диссертационные исследования выполнялись в рамках госбюджетных и научно-исследовательских работ совместно с Институтом Физики Земли РАН: ГБ НИР «Анализ и синтез электронных систем с применением компьютерных технологий» (Инв. № 02.2007.03232, № гос.рег. 01.200.108484); Гранта РФФИ «Разработка системы геомониторинга для обеспечения безопасности эксплуатации промышленных объектов на закарстованных территориях с использованием геоинформационных технологий» (№ 08-07-99032); Гранта Президента РФ МК-3485.2012.8 «Исследование приповерхностных геодинамических процессов и разработка автоматизированной системы геодинамического контроля на базе многополюсной электролокационной установки»; ХД НИР МИВлГУ ДУ156/10; «Выполнение комплекса работ по научно-методическому сопровождению оценок пораженности площади АЭС и разработка концепции организации карстологического мониторинга на нижегородской АЭС с использованием геофизических методов контроля геологических сред»; ХД НИР МИВлГУ ДУ 188/11 «Выполнение комплекса работ по исследованию и разработке системы геодинамического контроля на базе многополюсной электроустановки»; ХД НИР МИ ВлГУ ДУ166 «Выполнение комплекса работ по георадиолокационному исследованию зон расположению знергоблоков Нижегородской АЭС»; Гранта РФФИ 11-08-97516-р_центр_а «Разработка научных и инженерных основ обеспечения геоэкологической безопасности в зоне влияния АЭС в условиях техногенной активизации

экзогенных процессов»; Гранта РФФИ 13-05-97506 р_центр_а. «Анализ и разработка методики сейсмоэлектрического контроля природно-технических систем»; Гранта РФФИ 12-08-31177-мол_а «Исследование наземных полей геомагнитных пульсаций и разработка системы магнитотеллурического геодинамического мониторинга»; Гранта РФФИ «Участие в международной конференции «Математические и информационные технологии, М1Т-2011»; Гранта РФФИ «Научный проект для представления на научном мероприятии «22 международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»; Гранта РФФИ «Научный проект для представления на научном мероприятии «шестая международная конференция «экогидромет 2012» экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон»; Гранта РФФИ 12-08-97564-р_центр_а «Исследование и разработка системы экологического мониторинга подземных вод на базе методов геоэлектрического контроля»; ХД НИОКР Фонд содействия малому предпринимательству «Система геодинамического контроля на базе многополюсной электролокационной установки»; ХД НИОКР Фонд содействия малому предпринимательству «Разработка системы геодинамического контроля приповерхностных земных слоев с применением алгоритма адаптации к помехообразующим факторам»; ХД НИР МИВлГУ «Научно-методическое сопровождение комплекса работ по районированию территории радиусом 10 км от энергоблоков по степени карстовой опасности с оценкой пораженности АЭС и прилегающей территории карстовыми процессами»; Гранта Администрации Владимирской области «Программно-аппаратный комплекс для экологического мониторинга поверхностных и подземных вод на базе методов геоэлектрического контроля»; Гранта РФФИ 14-08-31570-мол_а «Исследование и разработка информационно-аналитической системы локального геодинамического мониторинга на территориях с зонами развития карстовых процессов»; Гранта Президента РФ МК-7406.2015.8 «Исследование предвестников развития геодинамических процессов и повышение эффективности систем геодинамического прогнозирования»; Государственного задания 5.3606.2018/ПЧ

«Разработка технологии раннего обнаружения и прогнозирования чрезвычайных ситуаций в природно-технических системах на основе автоматизированной совместной обработки разнородных данных геодинамического и геотехнического мониторинга локального и местного уровней», Гранта РФФИ 18-48-310025-р_а «Исследование и разработка методики автоматизированного комплексного геотехнического мониторинга в зонах активного проявления экзогенных процессов на основе применения фазометрических инклинометрических систем»

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликована 141 работа, в том числе 98 статей - из них 11 в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК,

5 в научно-технической реферативной базе Web of Science, 24 в научно-технической реферативной базе SCOPUS и 58 статей в научно-технической реферативной базе РИНЦ; 1 монография, 35 публикаций в трудах конференций и тезисах докладов. Получен 1 патент Российской Федерации на полезную модель и

6 свидетельств о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 7-ми глав с выводами, заключения, списка используемых источников (581 наименование) и приложения. Изложена на 395 страницах, включая 133 рисунка, 17 таблиц.

Личный вклад соискателя. Все основные научные результаты исследования получены автором самостоятельно.

Благодарность. Автор выражает благодарность д.т.н. профессору, заведующему кафедрой «Информационная безопасность» ФГБОУ ВО «ОГУ имени И.С. Тургенева» Владимиру Тарасовичу Еременко за ценные консультации в области повышения надежности и эффективности распределенных автоматизированных систем сбора и обработки информации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель работы и основные защищаемые положения, отмечается

научная новизна и дается краткая характеристика диссертации. Приводятся сведения о публикации, апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе анализируются принципы и подходы к решению проблемы раннего обнаружения деструктивных геодинамических процессов при геотехническом мониторинге на строительных объектах ПТС на основе применения специализированных информационно-аналитических систем. Проводится анализ эффективности современных методов анализа и прогнозирования геодинамической устойчивости ГТС и выделяются аспекты применения специализированных информационно-аналитических систем геодинамического контроля.

Определено, что основная проблема возникновения аварийных ситуаций на технических и жизнеобеспечивающих объектах связана с пропуском неожиданных геодинамических изменений в зоне влияния объектов ПТС и несвоевременного реагирования систем контроля на них (87,6 % анализируемых доступных данных).

Выяснено, что при прогнозировании устойчивости ГТС применяются методы обработки данных контроля с низким уровнем адаптации информационной модели ГТС под геодинамические изменения, происходящие в ГТС, возникающие вследствие рассогласованности местных, локальных и региональных уровней геодинамического контроля. Данный недостаток не позволяет заблаговременно выявлять начальные стадии развития негативных геодинамических процессов, которые приводят к нарушению геотехнического равновесия ГТС.

На основании проведенного анализа обосновано применение модели влияния внешних факторов на устойчивость ГТС и соответственно определена структура влияния эндогенных и экзогенных процессов при геодинамическом контроле.

Доказано, что для прогнозирования развития геодинамических процессов, геодинамической устойчивости ГТС, принятия управленческих решений необходимо привлекать дополнительную информацию, источником которой

могут выступать зоны наиболее чувствительные к скрытым, протекающим в геологической среде и ГТС процессам. Таким образом, возникает необходимость разработки метода выделения ключевых зон для выявления скрытых предвестников нарушения геодинамической устойчивости ГТС.

Так же определено, что низкая административная масштабируемость систем геотехнического мониторинга создает дополнительные трудности для привлечения информации из различных дополнительных источников, в том числе и административных. Таким образом, возникает необходимость в разработке единого информационно-аналитического пространства для объединения различных измерительных систем, обработки разнородных и распределенных данных, а так же повышения функциональности и гибкости архитектуры системы геодинамического контроля в структуре геотехнического мониторинга ГТС.

Во второй главе на основе проведенного анализа влияния различных процессов и факторов на устойчивость ГТС разработана усовершенствованная модель ГТС с учетом взаимного абиотического влияния природной среды и техносферы. Соответственно определена структура проблемно-ориентированной системы информационной обработки данных геотехнического мониторинга и управления повышением геодинамической устойчивостью ГТС, отличающаяся учетом взаимозависимого характера геодинамического и техногенного влияния на геодинамическую устойчивость ГТС.

На основании рассмотренных особенностей выделения и слежение за скрытыми геотехническими и геодинамическими процессами предложена математическая модель ГТС с модульным принципом организации и возможностью выделения отдельных геодинамических процессов и объектов на разных уровнях геодинамического контроля. При этом она позволяет проводить оценку устойчивости отдельных звеньев системы и групповой устойчивости выделенной области контролируемых звеньев на основе модульного выделения отдельных геодинамических процессов и объектов на разных уровнях геотехнического контроля в рамках единых показателей геодинамической устойчивости ГТС.

Предлагаемый модульный подход при описании разработанной математической модели ГТС позволяет достигнуть универсальности и перейти к единым критериям оптимальности принимаемых решений и геотехнической устойчивости природно-технических систем, позволит использовать готовые специализированные пакеты для моделирования, проводить тестирование вновь разрабатываемых моделей и алгоритмов обработки информации о состоянии ГТС, анализировать и выявлять новые связи, прогнозировать развитие ГТС, выявлять скрытые предвестники развития неблагоприятных процессов, выявлять ключевые взаимосвязи и формировать управляющие воздействия на основе имеющейся информации.

Для оценки разрабатываемой модели ГТС предлагается подход к идентификации параметров унитарных модулей на базе настраиваемой модели. Разработан алгоритм адаптации модели геотехнической системы под особенности геологической среды, позволяющий на основе базовой модульной математической модели для одного класса геотехнических систем формировать индивидуальную модель конкретной геотехнической системы из данного класса. На основании этого получена обобщенная структурная схема обработки геодинамической информации на основе модульного подхода описания геотехнических систем, построенная на базе адаптивной индивидуальной модели геотехнической системы, прогнозных технологий оценки опасностей и рисков негативных геодинамических изменений.

В третьей главе разработан метод выделения ключевых зон контроля геодинамической устойчивости ГТС на основе предложенной модели геотехнической системы и алгоритмов модульного выделения скрытых предвестников нарушения геодинамической устойчивости ГТС на основе прогнозных функций.

В главе так же разрабатывается алгоритм оценки и управления геодинамической устойчивости геотехнических систем, основанный на разработанном модульном подходе описания геотехнических систем.

Применение разрабатываемых алгоритмов на практике позволит спрогнозировать техногенную чрезвычайную ситуацию, отразить вероятность её проявления и развития в пространстве возможных исходов на основе анализа состояния зоны влияния на сооружение в прошлом и настоящем.

В четвертой главе разработана сервис-ориентированная архитектура информационно-аналитической системы (ИАС) управления геодинамической устойчивостью геотехнических систем, отличающаяся применением активно-адаптивных сетевых технологий, административной масштабируемостью, увеличенной функциональностью и повышенной надежностью.

Предложена и обоснована иерархическая информационная модель функционирования информационно-аналитической системы управления геодинамической устойчивость геотехнических систем, отличающаяся применением модульного и сервис-ориентированного подхода и позволяющая обрабатывать разнородные данные.

Разработан алгоритм пространственно-временной обработки разнородных данных геодинамического контроля по критерию оптимизации информационных потоков в информационно-аналитической системе контроля и управления геодинамической устойчивостью геотехнических систем. Разработана структура пространственно-временной обработки данных, позволяющая снизить информационные потоки и время их обработки в информационно-аналитической системе управления геодинамической устойчивостью геотехнических системам за счет согласования передачи информационных потоков на различных уровнях.

На основе вышеизложенных положений предложен метод локализации источников геодинамических возмущений на основе пространственно-распределенной обработки электромагнитных сигналов в геологической среде с применением вейвлет фильтрации, байесовского обнаружителя и регрессионного анализа.

В качестве примера анализируется пространственная точность локализации мест возникновения электромагнитных возмущений на основе разработанного модульного подхода к обработке возмущений на распределенной сети станций.

Так же в главе описывается подход к формированию прогнозной оценки развития деструктивных геодинамических процессов на основе данных местных систем сбора, определяется структура обработки распределенных параметров прогнозной функции изменения гидрологической среды.

В пятой главе описываются особенности программно-технической реализация местных систем сбора данных геодинамического контроля с применением геоэлектрических методов направленных на снижение влияния дестабилизирующих факторов на результаты геотехнического мониторинга. Раскрываются вопросы моделирования геодинамических процессов, алгоритмы работы геоэлектрической системы местного геодинамического контроля, а так же особенности их применения при контроле параметров гидрологической среды. Проводится практическая проверка алгоритмов прогнозирования деструктивных геодинамических процессов с оптимизацией информационных потоков на примере заблаговременно выявления неблагоприятного развития карсто-суффозионных процессов в условиях городской застройки.

Комплексный подход с формированием гибкого графика мониторинговых работ позволил сократить затраты на проведение мониторинговых работ и повысить точность прогнозных оценок (результатов моделирования).

В шестой главе приводится практическая проверка разработанного метода выделения ключевых зон с применением разработанной модульной модели ГТС и алгоритмов выделения скрытых предвестников нарушения геодинамической устойчивости ГТС с использованием построенных по разнородным данным прогнозных функций геотехнического мониторинга объектов нецентрализованного водоснабжения.

В результате исследования на территории с. Чудь были выделены три основные зоны водопользования. Определены ключевые точки гидрогеологического контроля территории с разделением карстующегося массива на область инфильтрации и инфлюации атмосферных осадков и поверхностных вод, область подземного стока и область разгрузки или выхода карстовых вод за пределы карстующихся пород.

В седьмой главе приводятся результаты практической проверки разработанных теоретических положений в зонах со сложными геотехническими условиями: на территориях с активными карсто-суффозионными процессами. Практическая проверка разработанного подхода раннего обнаружения деструктивных процессов при геотехническом мониторинге с применением специализированных информационно-аналитических систем геодинамического контроля проводилась на территории карстового озера Святое Нижегородской области. В результате проведенного анализа были выделены две точки контроля в прибрежной зоне озера.

Исследования с применением разработанного подхода показали, что карст является активным регулятором стока и оказывает существенное влияние на водообмен, и соответственно на хозяйственные объекты, расположенные на данной территории.

Таким образом, в результате практической проверки предлагаемых подходов и методов проведена оценка состояния и развития карстово-суффозионных процессов, определены особенности водообмена на территории Нижегородской области в районе с. Чудь и оз. Святое. Использование ключевых точек и применение модульного подхода позволяет спрогнозировать развитие неблагоприятных геодинамических процессов. Исследования подтвердили гипотезу о том, что карстовые озера оказывают значительное влияние на развитие деструктивных карстово-суффозионных процессов, как в локальном, так и в региональном масштабе. На региональном уровне возможна организация режимного карстологического мониторинга развития и прогноза активизации деструктивных карстовых процессов с использованием системы наблюдений на территории карстовых озер.

В заключении сформулированы основные результаты работы, даны рекомендации к дальнейшему использованию результатов диссертационного исследования и указаны перспективы дальнейшей разработки темы.

Приложение включает акты о внедрении результатов диссертационных исследований.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ И ПОДХОДОВ РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕДКРИЗИСНЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ СИТУАЦИЙ В СИСТЕМАХ ГЕОТЕХНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

1.1 Общие вопросы организации геотехнического мониторинга состояния компонентов природно-технических систем

В процессе жизнедеятельности человека происходит его взаимодействие с природной средой, в результате чего образуются природно-антропогенные и антропогенные объекты. При этом природная среда выступает как «подложка» для размещения и как источник ресурсов для создания новых объектов. Это приводит к изменению старых и образованию новых связей между различными объектами - происходит «перерождение» природной системы в природно-техническую систему.

В соответствии с [57] «система природно-техническая - образование пространственно-временной региональной физико-географической размерности, у которой природные и технические части взаимосвязаны и функционируют как единое целое». Однако, в зависимости от разновидности ПТС [61, 95, 436, 491, 495] по своей размерности они могут быть не только региональными, но и местными (элементарными, детальными), локальными и глобальными [121, 205, 246, 490]. Поэтому, под природно-техническими системами будем понимать «особые целостные системы, упорядоченные в пространственно-временном отношении совокупностью взаимодействующих компонентов, включающих орудия, продукты и средства труда, естественные и искусственно измененные природные тела, а также естественные и искусственные информационно-энергетические поля» [40, 377, 490].

На рисунке 1.1. представлена схема взаимодействия основных оболочек Земли: литосферы, гидросферы, атмосферы. Возможные пересечения этих оболочек показывают возможные компоненты биосферы. Создаваемая человеком техногенная среда (техносфера, техническая система) затрагивает возможные сочетания основных оболочек Земли и вступая с ними во взаимодействие

образует природно-техническую систему. При этом, зона ПТС определяется зоной влияния (воздействия) технической системы на окружающую её среду [246, 399].

Рисунок 1.1 - ПТС

Как и в природной системе в ПТС имеются взаимосвязи между различными её компонентами. Все компоненты ПТС могут влиять друг на друга прямым (по прямым связям) или косвенным способом (косвенные связи). Различное сочетание прямых и косвенных существенно усложняет понимание процессов протекающих в ПТС. При расширении границ технической системы появляются новые связи компонент технической системы с компонентами природной системы, что приводит к расширению границ и повышению сложности ПТС. Из-за малой изученности процессов протекающих в ПТС отдельные её компоненты и взаимосвязи, а так же в некоторых случаях вся ПТС может не контролироваться и не управляться человеком, вследствие чего состояние ПТС и отдельных её частей может перейти в предкризисное состояние и повлечь за собой возникновение различных аварий и катастроф.

Контроль, наблюдение и прогноз изменений, происходящих под воздействием антропогенных и природных факторов, в окружающей среде происходит с помощью систем мониторинга окружающей среды [82] (рисунок 1.2). При этом в соответствии с Федеральным законом 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» под окружающей средой понимается «совокупность компонентов природной среды, природных и природно-антропогенных объектов, а так же антропогенных объектов. А под компонентами природной среды понимается земля, недра, почвы, поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух, растительный, животный мир и иные организмы» [330], а так же «озоновый слой атмосферы и околоземное космическое пространство, обеспечивающее в совокупности благоприятные условия для существования жизни на Земле» [330, 377].

Окружающая среда

ПТС

Техническая система

Гидросфера

Б йота

Внешняя среда для ПТС

Б йота

Система мониторинга окружающей среды

Рисунок 1.2 - Мониторинг окружающей среды На рисунке 1.2 окружающая среда представлена двумя взаимодействующими подсистемами: ПТС и внешней по отношения к ПТС средой. Деление окружающей среды на подсистемы показывает необходимость оценки и контроля изменения границ и состояния ПТС, как отдельной подсистемы окружающей среды и последующей оценки взаимного влияния этих подсистем, как в настоящем, так и в будущем времени (прогнозирование) [82, 427]. Системы мониторинга окружающей среды осуществляют измерение и контроль

параметров (состояний) объектов и связей между каждой из подсистем, а так же измерение и контроль состояния связей между подсистемами. Таким образом, мониторинг природно-технических систем является частью мониторинга окружающей среды.

Целью мониторинга природно-технических систем является наблюдение за состоянием компонентов природно-технических систем, происходящими в ПТС процессами, их взаимным влиянием и влиянием на внешнюю по отношению к ПТС среду, информирование, предупреждение и прогнозирование состояния ПТС.

Задачами мониторинга ПТС являются:

- определение границ ПТС;

- организация наблюдений за состоянием природных, технических и природно-технических объектов (компонентов) природно-технических систем, и протекающих в них процессах, во время строительства, эксплуатации технических и природно-технических объектов, а так же после их ликвидации;

- обнаружение причин изменения состояния компонентов природно-технических систем и протекающих в них процессов;

- оценка изменений, происходящих в природно-технических системах;

- повышение точности и достоверности прогнозных оценок состояния ПТС;

- «выработка рекомендаций по нормализации экологической обстановки и инженерной защите»[427] технических и природно-технических объектов [427].

В свою очередь, геоэкологический мониторинг природно-технических систем направлен на выявление, предсказание и предупреждение негативных изменений геосферных оболочек земли, принадлежащих природно-технической системе, и приводящих к негативным экологическим последствиям. Следует отметить, что впервые понятие геоэкологии как направления экологии было введено в географической науке Карлом Троллем в 1939 году [451, 453], затем его брат профессор ботаники Вильгельм Тролль ввел термин геоэкология в область биологии [420, 440]. В 1988 году после выступления Е.А. Козловского на Международном геологическом конгрессе термин геоэкология перешел в

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дорофеев, Николай Викторович, 2018 год

Источник

11

Зона0 <='<0

аэрации

о о

о \ о- " - -а _ "о--. о

Регистратор

"7—7—^^—7~

Датчик поля

О о

N

7-^^—7-

Токовые

"7-Т-

Piei

h

/'1 [ /1

:■ /' -

'б U О 0

.. о ■■ о

Водоносный горизонт

о

Р2е2

о

о О о

¿2

Рзез

Рисунок 5.36 - Схема геоэлектрического контроля подземных вод

Рисунок 5.37 - Зависимость эффективности работы системы от количества

датчиков и стоимости оборудования

n < 8, ® E i

E = Jn > 8,® Соб I,S I,E = const , (5.13)

n = 8, ® E Т при n ® min

где Сп - стоимость одного датчика; Соб - стоимость всей системы; п - количество датчиков, Е - эффективность.

Исходя из принципов построения систем геоэлектрического контроля подземных вод эффективность работы системы зависит от расположения излучающих электродов и датчиков (рисунок 5.38).

Эффективность работы системы достигается при нулевых значениях, что по расчетам соответствует расстоянию между датчиками равным 30 метрам. В случае сближения при установке датчиков происходит перекрытие зон, контролируемых датчиками. В случае увеличения расстояния между датчиками в контролируемой территории появляются «слепые» зоны, что требует привлечения дополнительных алгоритмов локализации аномалий электрического поля [143].

Рисунок 5.38 - Зависимость (в нормированных значениях) эффективности работы системы от расстояния между датчиками Удельная электропроводность воды зависит от концентрации солей, в частности от сульфат-ионов, хлоридов и гидрокарбонатов, зависимости от них представлены рисунке 5.39 [340].

Для автоматизации контроля химического состава воды необходимо аппроксимировать полученные зависимости. При аппроксимации необходимо учесть получаемые ошибки от порядка аппроксимирующего полинома (рисунок 5.40).

Несмотря на кажущуюся линейность зависимостей удельной электропроводности вот от содержания солей, аппроксимация этих зависимостей полиномом первого порядка дает погрешность до 10% при нормированной шкале. Из полученных расчетов было определено, что среднеквадратическая ошибка аппроксимации становится минимальной и постоянной для всех трех зависимостей при 5 порядке полинома. Тогда, оценка уровня содержания солей в растворе по электропроводности может быть получена как [340]:

С (к) = а5к5 + а4 к4 + а3к3 + а2 к2 + а1к1 + а0, (5.14)

где а1 - коэффициенты полинома, указанные в таблице 5.3. 60

50

■а «

I 30

|20 10 о

О 5 10 15 20 25 30

Содержание селей, мг/дм.куб

Зависимость удельной электропроводности от содержания солай в растворе

I

С1 ЕО

\

Рисунок 5.39 - Графики зависимостей удельной электропроводности воды от

содержания солей в пробе

Зависимость среднеквадратической ошибки от порядка пошинсма

Порядок степенного полинома

Рисунок 5.40 - Зависимость среднеквадратической ошибки аппроксимации от

степени полинома

Таблица 5.3 - Коэффициенты полиномов и среднеквадратические ошибки

А5 а4 аз а2 а1 а0 Е

С[НСО] 6.9-10-8 -5.8-10-6 9.910-5 4.310-3 0.6214 -0.0388 0.1826

С[С1] 1.510-10 1.110-7 -1.9510-5 1.7-10-3 0.4646 -0.0237 0.0788

С[БО] -2.64-10-8 3.610-6 -2.110-4 9.4-10-3 0.4859 -0.0621 0.1456

Регистрируемая электропроводность контролируемого водного объекта является сложной функцией нескольких переменных:

к (г) = / (С, т, к, г), (5.15)

где к (г) - динамика регистрируемой электропроводности; С - содержание солей в контролируемом объекте (полезная информация); т - температура контролируемого водного объекта, к - уровень вод (грунтовых либо поверхностных) в контролируемом объекте.

Интегральный критерий химического состава воды Q определяется как [365]:

й = {АИ,1, С, М, О}, (5.16)

где АИ - отклонение передаточной функции контролируемого объекта от

начального установочного значения; 1 - электропроводность раствора воды в объекте; С - содержание загрязняющих химических веществ в растворе; М = 80 • С(ИСО) + 55 • С(С1) + 67 • С(БО) - общая минерализация раствора в

контролируемом объекте; О = 2 • /л • 103 - (2 • М + С(БО)) - жёсткость раствора в контролируемом объекте.

Для устранения помехообразующих факторов применяются регрессионные алгоритмы, основанные на совместной обработке временных рядов электропроводности, температуры и уровня вод, которые описаны в трудах Кузичкина О.Р., Цаплева А.В., Романова Р.В. и др. [217, 403, 467, 543] и заключаются в следующем:

Базисные передаточные функции ^ = Кп 2 , р = К х\ , где п - номер слоя

1 + *в2 1 + *в2

контролируемой среды, формируют соответствующий геологической среде коэффициента передачи. С учетом влияния температуры их можно записать в следующем виде:

Р (Т) = Р (То) Р (Т) = р (То)

( ( х2 Л Л

1 + « -Гп - 2-+Ч;(Ьп + Гп) Т

1 + х

у У п У У (5.17)

( ( х2 Л Л

1 +

«п +Ьп - 2 -^Г (Ьп + Гп )

Т

V V 1 + хп У У

где ап,Ьп,Уп - константы, характеризующие температурную зависимость параметров слоя среды.

Температурный параметр Т, указанный в выражении (5.17), описывает среднее отклонение температуры среды начального значения Т0 и определяется на основе выражения:

т (г) = Т

Тх (Р, г)

7

1 7т

I

е 12 Т7 (г, г)йг,

т 0

аТв (р)

(5.18)

2 '

1 + ръ'

где а,т,Л - параметры распространения температуры в среде; 7т - глубина проникновения температуры в геологическую среду; Тв - температура на поверхности геологической среды в настоящий момент времени, Т7 -температура геологической среды на глубине 2.

Данные выражения сведем к уравнению линейной регрессии:

ь ь

£ТБе-рг =(1 + ръ2 XТге-рг,

а

(5.19)

г=1

г=1

где Ь - длина анализируемых данных.

Распространение температуры в геологической среде возможно поисать через статистические моменты в уравнении регрессии, опираясь на результаты обработки температурных рядов:

2—2 --

х - х ху - X у

а = -— = -=,

2 — 2 —

х у - хху х у - хху

(5.20)

Г Ь

7 2 Ь

где х = —т X р1'

ь 1=1

у 4 Ь

— 2 7 ' 2

х 4 "

Ь 1=1

X р),

1 Ь

у=Ь X

Ь 1=1

X Тв'

-рг

г =1

X Тг,'

рг

V г=1

■2 Ь

- 7 V

ху=~т X

Ь 1=1

XТв

рг

г=1

1 Ь

X Т7

рг

V г=1

Аналогичным способов устраняется влияние помех, вызванных изменением уровня вод. Далее на основе регрессионных выражений (5.14) оценивается концентрация растворимых солей.

5.5 Прогнозирование деструктивного развития геодинамических процессов в условиях городской застройки

В условиях городской среды причинами развития суффозионных процессов являются не только естественные гидрологические условия местности, но и аварии на сетях водоснабжения и канализации, откачка подземных вод, а так же застройка с нарушением строительных норм. Подземные коммуникации, проходящие под зданиями и транспортной инфраструктурой, могут приводить к образованию полостей, которые обнаруживаются только после их развития или обрушения существенного для устойчивости инженерно-технического объекта [532]. Следует отметить, что в городских условиях скорость развития суффозионных процессов значительна даже при отсутствии мощной зоны разгрузки и различной степени растворения (вымывания) грунтов [504]. Отметим так же, что устойчивость песчаного свода (засыпка котлованов и трасс коммуникаций производится песчаной смесью) мала, а при воздействии на них вибрационной нагрузки (постоянной или кратковременной) устойчивость свода еще больше снижается (за счет слабого сопротивления несвязанных грунтов растягивающему напряжению), что для территорий городского типа является важным показателем.

Моделирование полости будем осуществлять сферой, а последующее её изменение вследствие первичного обрушения нижних пород свода полусферой, что согласуется с работами других авторов [16, 569]. В свою очередь провалы появляются в случае достижения областью разуплотнения (полостью) высоты h и описывается прямой зависимостью, указанной в работе Ковалева Т.Г. [237]. Процесс активизации суффозии при моделировании будем производить в периоды интенсивного снеготаяния и выпадения осадков, а так же в аварийные моменты. Для этого в модельных параметрах устанавливается поступление воды с поверхности или на глубине от 2 до 6 метров в соответствии с планом коммуникаций.

Оценку риска появления ущерба в случае развития суффозионных процессов в общем виде можно представить следующим выражением:

R=KEW (5.21)

где R - риск, K=/(RK, L, О, V, RC) - риск развития суффозионных процессов на контролируемой территории, / - оператор оценки риска развития суффозионных процессов, RK=ЛKS/N - риск поражения анализируемой территории, 1=М(БА) -интенсивность провалов, N - количество провалов, Б - площадь, А1 - промежуток времени, КБ=ЕБ/Б - пораженность территории суффозионными процессами, ЕБ -суммарная площадь суффозионных процессов на площади Б, L - коэффициент удаленности территории от основного направления развития суффозионных процессов на роз-диаграмме, о - коэффициент учитывающий геологические и гидрологические условия местности (по категории карстоопасности), V - средняя площадь воронок, RC=ASC/S - степень техногенного воздействия на геологическую среду, А - уровень вибрационного воздействия, ЕС - суммарная площадь водных коммуникаций со сроком эксплуатации более Т лет, E=v(EW, EL) - экономическая уязвимость территории, EW - экономическая уязвимость инженерно-технического объекта, EL - экономический показатель учитывающий травмы и гибель людей, а так же иного материального имущества , W - стоимость объекта до развития суффозионных процессов.

Очевидно, что затраты на организацию полноценного мониторинга развития суффозионных процессов на инженерно-технических объектах должны быть ниже затрат на возмещение ущерба при реализации негативного сценария. В противном случае проводить полноценный мониторинг развития суффозионных процессов экономически не целесообразно.

В настоящее время нормативные документы для строительства и эксплуатации зданий и сооружений регламентируют регулярное проведение инженерно-изыскательных работ, включая карстологический мониторинг с целью получения краткосрочных (от нескольких месяцев до года) и оперативных (от нескольких часов, до дней) прогнозов оценки карстоопасности [456]. Однако на практике постоянное проведение таких работ для всех зданий приносит большие издержки и часто игнорируется. В связи с этим, была проведена практическая

проверка разработанных алгоритмов пространственно-временной обработки разнородных данных с оптимизацией информационных потоков для получения более гибкого инструмента регулярного контроля и выявление опасных предкризисных ситуаций. Вместо полноценных геофизических изысканий контроль развития суффозионных процессов по осуществлялся по гибкому графику на основе алгоритмов оптимизации информационных потоков с применением фазометрической системы геодинамического контроля. Алгоритм проведения контроля заключается в следующем:

Составляется карта рисков появления ущербов.

Оптимизируется сбор данных с учетом места наиболее подверженные риску.

Проводится моделирование отобранных участков и прогнозирование развития суффозионных процессов

Определяется период Т проведения мониторинговых работ в соответствии с выражением:

Т=г^, M, 7), (5.22)

где, г - оператор определения периода Т проведения мониторинговых работ, R -риск появления ущерба, М - прогнозная оценка времени негативного развития суффозионных процессов на анализируемом участке, 7 - стоимость мониторинговых работ.

Проведение мониторинговых работ и коррекция параметров прогнозной модели.

Определение участков геологической среды, значения параметров которых отклонились от первоначальных, и последующей коррекции модели геологического разреза по регистрируемым значениям фазы, выполняется на базе геоэлектрических схем замещения. Суффозионные процессы при моделировании характеризуются уменьшением величин комплексных сопротивлений на участке геоэлектрической модели, соответствующему месту их протекания.

Практическая проверка предлагаемых подходов проводилась на месте возможного развития суффозионных процессов техногенного происхождения.

Для анализа территории на основании выражения (5.21) была составлена карта рисков (рисунок 5.41).

Канализация -- Водопровод

Рисунок 5.41 - Карта оценки рисков Моделирование геологического разреза проводилось на основании георадарных данных (георадар ОКО-2) [520, 549]. В дальнейшем место предполагаемой суффозии (выделено областью зеленого цвета) было определено в результате работы фазометрической системы геодинамического контроля [540] по резкому отклонению фазы (рисунок 5.42). За время работы системы мониторинга с августа по ноябрь 2017 года было зарегистрирована резкое изменение фазы. Резкое изменение фазы сигнала совпало с периодом выпадения обильных осадков.

В результате были скорректированы входные параметры модели геологического разреза, а так же на основании выражения (5.22) было определено время дальнейшего проведения мониторинговых работ. В ходе моделирования было проведено еще две коррекции на основании георадарных данных. Результаты первого георадарного (рисунок 5.43) зондирования показали развитие суффозионного процесса и нарушение целостности приповерхностных слоев, о

чём так же указывала небольшая просадка дорожного полотна. Оцененный размер суффозии составлял в диаметре 4 метра (со второго по шестой метр профиля георадарограммы).

Рисунок 5.42 - Результаты работы фазометрической системы контроля

Рисунок 5.43 - Георадарограмма места предположительной суффозии. Тип

георадарного блока: ОКО-2, 90 МГц Второе прохождение этого участка георадаром показало существенное развитие суффозионных процессов с образованием полости заполненной водой

(рисунок 5.44). Дальнейшее развитие суффозионных процессов привело к образованию полости диаметром более 4 метра, последующим обрушением свода грунтов и образованием провала (рисунок 5.45).

Рисунок 5.44 - Георадарограмма, отражающая образование полости

Рисунок 5.45 - Провал на месте протекания суффозионных процессов Результаты полученных прогнозных оценок на модельных данных приведены на рисунке 5.46. Как видно из графика своевременное проведение

мониторинговых работ по гибкому графику позволило заблаговременно скорректировать параметры модели и предсказать появление провала.

Коррекция Коррекция Прогнозное Образование Прогнозное

модепи модели время провала провала время провала

МаРт Апрель Май

----Моделирование без коррекции — — Событие

Рисунок 5.46 - Прогнозирование риска по данным моделирования

Несовпадение прогнозной оценки с реальной ситуацией свидетельствует о применении неточной модели геологического разреза, оценки развития суффозии и обрушению свода полости.

В свою очередь, комплексный подход с формированием гибкого графика мониторинговых работ позволил сократить затраты, повысить точность прогнозных оценок (результатов моделирования), что позволило заблаговременно спрогнозировать дальнейшее развитие негативных приповерхностных геодинамических процессов. Такой подход хорошо согласуется с задачами и целями геотехнического мониторинга в области анализа результатов наблюдения за параметрами сооружений, грунтовых оснований и зоны влияния, и оценки адекватности принятой модели участка ГТС на этапе проектирования и реконструкции сооружения [77, 429, 430].

Выводы

1. Определены особенности информационно-аналитического обеспечения специализированных систем сбора и обработки данных геодинамического контроля, на основе геоэлектрических методов, направленные на снижение влияния дестабилизирующих факторов на результаты геотехнического мониторинга.

2. Установлено, что применение бесконтактных трансформаторных датчиков повышает среднее время наработки геоэлектрической системы контроля геологической среды до отказа в 2,25 раза с вероятностью 0,9 и составляет 6.75 лет.

3. При автоматизированном мониторинге геологической среды с применением геоэлектрическим методов контроля температура и влажность оказывают влияние на электромагнитные свойства грунта и соответсвенно на результаты измерения.

4. Разработана структурная схема влияния температурных и гидрологических факторов на электрические и магнитные свойства грунтов.

5. Разработаны элементарные геоэлектрические модели и эквивалентные схемы замещения геологической среды, определены их передаточные функции и амплитудно-частотные характеристики.

6. Разработан алгоритм автоматизированной оценки передаточной функции геологической среды.

7. Разработан алгоритм работы системы геодинамического контроля, позволяющий уменьшить ошибки регулирования при балансировке системы.

8. Определена эффективность работы системы гидрологического контроля от размещения датчиков. Оптимальное расстоянием между датчиками составляет 30 метров.

9. Проведена практическая проверка алгоритмов прогнозирования деструктивных геодинамических процессов с оптимизацией информационных потоков на примере заблаговременно выявления неблагоприятного развития карсто-суффозионных процессов в условиях городской застройки.

10. Комплексный подход с формированием гибкого графика мониторинговых работ позволил сократить затраты, повысить точность прогнозных оценок (результатов моделирования), что позволило заблаговременно спрогнозировать дальнейшее развитие негативных приповерхностных геодинамических процессов. Такой подход хорошо согласуется с задачами и целями геотехнического мониторинга в области анализа результатов наблюдения

за параметрами сооружений, грунтовых оснований и зоны влияния, и оценки адекватности принятой модели участка ГТС на этапе проектирования и реконструкции сооружения.

ГЛАВА 6 ГЕОДИНАМИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ НЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ РИСКА НАРУШЕНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА КАРСТОВЫХ

ТЕРРИТОРИЯХ

В настоящее время водоснабжение территории, удаленной от крупных населенных пунктов, строится на использовании гидрологических ресурсов посредством систем нецентрализованного водоснабжения (родники, колодцы, скважины). Причем использование нецентрализованного водоснабжения в удаленных населенных пунктах во многих случаях является единственным возможным. Надежное обеспечение населения таких территорий качественным водоснабжением является актуальной задачей, особенно в условиях наличия активных карстовых процессов. В этих случаях задача осложнена непростыми гидрогеологическими условиями территории расположения населенных пунктов и высокой уязвимостью ресурсов карстовых подземных вод к загрязнению, из-за их уникальной гидрогеологической структуры [246, 379].

Карстовые водообменные системы отличаются от аналогичных систем в нерастворимых породах рядом особых свойств, определяющих высокую природную и антропогенную уязвимость ресурсов подземных вод, их крайне низкую способность к самоочищению и рассеиванию загрязняющих веществ. Распределение пустотности в геологической среде обычно принимается хаотичным, параметры пустотности и проницаемости усредняются в пределах некоего опробованного объема пласта на основе экспериментальных данных (скважинных, геофизических и лабораторных) и расчетов [233]. Гидрогеология закарстованных территорий имеет ярко выраженную специфику [178, 232, 529], делает эти допущения неприменимыми для большинства практических задач. Главным отличием карстовых коллекторов от коллекторов в некарстующихся породах является то, что их емкостные и фильтрационные свойства отличаются высокой пространственной неоднородностью и анизотропией. Несмотря на небольшую долю карстовых каналов в общем объеме пустотности растворимых

пород (обычно в пределах 0,05 - 3 %), они проводят 94 - 99% подземного стока [577]. Скорости движения подземных вод в карстовых каналах на 3-7 порядков выше, чем в некарстовых водоносных системах зоны интенсивного водообмена, обычно составляют сотни и тысячи метров в сутки.

Также следует отметить сложную специфику проблемы охраны источников подземного питьевого водоснабжения в районах развития карстовых процессов. В системах нецентрализованного водоснабжения для контроля и предупреждения ухудшения качества воды и охраны водопроводных систем определяются зоны санитарной охраны на которых вводится особый санитарно -эпидемиологический режим [50]. В России проект зоны санитарной охраны источников водоснабжения и централизованной системы питьевого водоснабжения согласовывается с территориальным подразделением федерального органа исполнительной власти в сфере обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения и защиты прав потребителей, и утверждается исполнительными органами государственной власти субъектов Российской Федерации или органами местного самоуправления [431]. Граница первого охранного пояса в нецентрализованных системах водоснабжения устанавливается на расстоянии не менее 30 м (для защищенных подземных вод) и не менее 50 м (для недостаточно защищенных подземных вод) от подземных водозаборов. Защищенными подземными водами являются напорные и безнапорные межпластовые воды, т.е. воды которые не имеют подпитки из вышележащих водоносных горизонтов, которые недостаточно защищенны. Недостаточно защищенными подземными водами являются грунтовые и межпластовые воды, которые получают подпидку через гидравлические связи (водотоки и водоемы) из вышележащих выдоносных горизонтов, которые недостаточно защищены [410]. Следует отметить, что территории с активными карстовыми процессами всегда имеют гидравлические связи меджу водоносными горизонтами, поэтому установка границы первого пояса до 50 м не повышает защищенность нецентрализованных систем водоснабжения. В случае использования нецентрализованного водоснабжения обеспечения защиты

источников носит больше рекомендательный характер и возлагается на собственников, которым вменяется разрабатывать и исполнять программу контроля, включающую мероприятия по повышению безопасности водопользования.

В большинстве стран, имеющих значительную долю закарстованных территорий, в нормативные документы введена дифференциация подходов к охране подземных вод и водозаборов в коллекторах карстового типа, а к трещинным коллекторам применяется тот из них, который наиболее соответствует их индивидуальным гидродинамическим особенностям (степени выраженности свойств сплошной или дискретной сред). Для карстовых коллекторов, нормативные документы многих стран ЕС предписывают особый подход к установлению охранных зон водозаборов, учитывающий особенности гидрогеологии карста. Примером служат законодательные нормы Словении, в которой примерно 95 % питьевого водоснабжения базируется на подземных источниках [509].

В результате европейской программы COST Action 620 был разработан Европейский подход к оценке уязвимости подземных вод в условиях карста в определенных регионах [581]. Применяемые методы основаны на специальной (адаптированной к условиям карста) методологии оценки уязвимости подземных вод. Наиболее известными являются используемый в качестве основы для европейского подхода метод КС и метод PI [530]. Метод КС [575] предназначен для оценки уязвимости ресурсов по картографическим данным. Метод PI в качестве основы использует параметры защитной функции слоев над насыщенной зоной и условия инфильтрации, ранжируя территорию по пяти классам уязвимости. Условия инфильтрации учитывает структуру верхнего слоя почвы, подпочву, а также зону, сложенную не карстовыми отложениями, и ненасыщенную зону карстовой породы [516]. Защищенность водоносного горизонта рассчитывается на основе статистической оценки по гидрогеологическим параметрам распределения трещиноватости и пространственного распределения карстующихся пород и их толщины, а также

средней годовой подпитки и артезианского давления в водоносном горизонте [565].

Для оценки уязвимости источников нецентрализованного водоснабжения интересен метод EPIK, построенный на концепции картирования уязвимостей с использованием мультиатрибутного метода [517]. Метод EPIK был разработан для оценки внутренней уязвимости подземных вод к поверхностному загрязнению и для определения зон защиты на закарстованных территориях для гидрогеологического прогнозирования. Метод основан на картировании уязвимых территорий, где обеспечивается водоснабжение населения скважинами или колодцами. В методе использована геоинформационная система (ГИС) которая упрощает построение карты уязвимости. Используя анализ цифровой топографической модели, ГИС позволяет автоматически определять классы условий инфильтрации. Рассматриваются четыре атрибута карстового водоносного горизонта: Epikarst, Protective cover, Infiltration conditions, Karst network development. Каждый из этих четырех атрибутов подразделяется на классы, которые отображаются по всей исследуемой территории. Атрибуты и их классы затем взвешиваются. Карты атрибутов накладываются для получения окончательной карты уязвимостей. На карте уязвимости точно определяются зоны и вырабатываются рекомендации по охране подземных вод.

Однако данный подход имеет существенные недостатки для территорий с агрессивным гидрогеологическим проявлением карстовых процессов и высоким уровнем техногенеза в условиях риска нарушения гидрогеологического режима [550]. В этом случае метод EPIK не учитывает возможную агрессивную динамику карстовых процессов, которая может мгновенно изменить прогнозные гидрогеологические условия на территории, как в случае непредсказуемости карстовых провалов в условиях покрытого карста [535]. Вследствие этого применение расчетных детерминированных моделей водоснабжения в условия риска нарушения режима подземных вод является неэффективным. В промежутках между расчетными моментами могут произойти значительные количественные, и даже качественные изменения гидрогеологической

обстановки, недоучет которых в прогностических расчетных схемах чреват серьезными геоэкологическими проблемами.

6.1 Особенности геотехнического мониторинга нецентрализованного водоснабжения России на карстовых территориях

Примерно 35 % населения России является потребителем вод из природных пресных источников для питьевых и хозяйственных нужд [102, 331]. На основе регламентированных норм и правил, в системах нецентрализованного водоснабжения можно использовать лишь воды первого водоносного горизонта. Использование второго водоносного горизонта (насыщенного известняковыми породами) является законным для систем централизованного водоснабжения, при этом несанкционированное использование и добыча гидрологического ресурса второго водоносного горизонта является нарушением закона [329, 384, 391]. Контроль за водоснабжением в этом случае является актуальной и достаточно сложной задачей, особенно в условиях наличия активных карстовых процессов и при сложных гидрогеологических условиях на территории расположения населенных пунктов. Таким образом, выбор в качестве объекта контроля нецентрализованного водоснабжения связан с его сложностью, динамичностью и необходимостью автоматизированного контроля качества питьевой воды [411, 427] и формирования прогнозных оценок для выработки управленческих решений по водоснабжению населения.

На строительных объектах, где применяется нецентрализованное водоснабжение, устанавливают системы мониторинга параметров качества грунтовых вод и определяют районы с различным гидрогеологическим режимом подземных вод. Данные системы построены с учетом наличия наблюдательных пунктов (скважины, колодцы), анализ состояния воды из которых позволяет системам подобного класса контролировать параметры загрязнения водных ресурсов и динамику уровня водоносного горизонта [425]. Организация мониторинга регламентируется органами ведомственного контроля водных ресурсов [493]. Наибольшие запасы пресных вод расположены в пределах зоны со

свободным водообменом. При этом, на территориях с наличием карстовых процессов, данная зона является геодинамически нестабильной, что обусловлено структурными параметрами проницаемости грунта и большим количеством зон аэрации [1]. Контроль за качеством воды источников водоснабжения в этом случае является актуальной и достаточно сложной задачей, особенно в условиях наличия активных карстовых процессов и при сложных гидрогеологических условиях на территории расположения населенных пунктов. Известны случаи, когда происходили аномальные локальные и региональные изменения гидрогеологического режима на таких территориях - пропадала вода в колодцах и скважинах, исчезали целые озера, или наоборот происходило неожиданное затопление участков карстовых депрессий (Территория поокского карста Нижегородская область Россия) [446].

Мониторинг гидрогеологического режима подразумевает контроль набора параметров:

- гидрологические тренды (пространственно-временные вариации уровня подземных вод);

- динамика изменения температуры подземных вод;

- электро-химические показатели грунтовых вод [73, 428, 442].

Дополнительной задачей мониторинговых систем гидрологических

параметров локального уровня является сбор данных и отражение их в бюллетенях, содержащих информацию о годичной динамике состояния геологической среды на территории, принадлежащей конкретному региональному центу России [15, 283].

Законами рационального использования гидрологических ресурсов на объектах нецентрализованного водоснабжения регламентируются основные правила водопользования, за исключением описания требований периодичности контроля и проверок.

Так как Федеральным законом «О недрах» не запрещается организация добычи подземных вод посредством частных объектов бурения (скважин, колодцев), основной проблемой в таких случаях выступает трудность контроля

глубины бурения. Бывали случаи, что несоблюдение инженерных требований по установке скважных объектов приводило к непроизвольному и несанкционированному потреблению вод глубинных артезианских источников, законными потребителями которых являются системы централизованного водоснабжения. Нарушение норм эксплуатации ведет к пагубному воздействию на водоносный горизонт второго уровня, обеспечивающий питьевой водой крупные региональные центры.

Законом [391] установлено, что объем водных ресурсов, которые пользователь может добывать на своем земельном участке в рамках локальной системы нецентрализованного водоснабжения, составляет 100 л /сут. Регистрация и слежение за соблюдениями норм, в таких случаях, подразумевает постоянный контроль уровня водоносного горизонта, что является труднореализуемым процессом, из-за отсутствия систем слежения, функционирующих в режиме реального времени.

При организации нецентрализованного водоснабжения в качестве объекта предпринимательской деятельности, снабжающего питьевой водой население на локальном уровне, согласно правилам [75], ответственное лицо (предприниматель) должен вести постоянный контроль качества воды до поступления её в источники водоснабжения. Для этого предусмотрено составление рабочих программ, при согласовании с представителями санитарно-эпидемиологического надзора, а также органов местного самоуправления. Как это часто происходит, нормы и правила контроля качества воды соблюдаются не в полной мере, а оформление и подписание отчетной документации является формальным процессом. Это обусловлено труднодоступностью средств контроля качества воды по ценовым или эксплуатационным параметрам (бурение скважин, оснащение лабораторий химического анализа, и т.д.). Как было отмечено ранее, отсутствие регламента на установленную периодичность водозаборов для контроля качества воды, делает этот процесс добровольным, носящим индивидуальный непериодический, а в некоторых случаях отсутствующий характер.

Следует отметить также проблему, характерную для населенных пунктов сельской местности - это несанкционированный выброс мусора на окраину населенных пунктов. И как показывает практика, свалки образуются в естественных понижениях - оврагах, руслах высохших рек и т.п., а в случае наличия карстовых воронок в них. На рисунке 6.1 приведен пример стихийно образованных мусорных свалок, расположенных в карстовых воронках, в населенных пунктах с нецентрализованным водоснабжением (с. Чудь Нижегородской области). В некоторых случаях эти карстообразования имеют непосредственные каналы, связывающие их с водоносными слоями, из которых осуществляется водоснабжение.

Рисунок 6.1 - Пример мусорных свалок в карстовых воронках на территории

населенных пунктов Как отмечено выше, в условиях возможной активизации карстовых процессов на территории, кроме регламентных процедур по забору и анализу воды из нецентрализованных источников необходима организация геоэкологического контроля в предварительно выделенных точках на основе текущих и прогнозных гидрогеологических данных. Причем в определенные периоды времени необходим постоянный контроль за гидрогеологическими параметрами на локальном уровне с привлечением данных региональных мониторинговых сетей. Предлагаемый подход организации геоэкологического мониторинга нецентрализованного водоснабжения в населенных пунктах,

расположенных на карстовых территориях, предполагает решение следующих задач [358]:

- выделение ключевых гидрогеологических процессов на контролируемой территории требующих гидрологического и геодинамического контроля в геологической среде на основе анализа условий протекания карстовых процессов;

- обоснованный выбор методов регистрации и оценки контролируемых параметров;

- выявление факторов, оказывающих негативное влияние на точность результатов, и разработка алгоритмов обнаружения гидрогеодинамики;

- оценка и анализ обнаруженных аномалий;

- прогнозирование возможности необратимых катастрофических изменений гидрогеологических условий эксплуатации нецентрализованного водоснабжения.

6.2 Методика организации гидрогеологических наблюдений в составе систем геотехнического мониторинга

Результаты обработки данных мониторинга за параметрами ключевых геодинамических зон на локальном уровне позволяют оценивать и формировать прогнозы развития неблагоприятных геодинамическихп процессов. На этом принципе строятся автоматизированные системы гидрогеологического контроля [519]. Следует отметить, что отдельные объемы геологической среды обладют собственными природными ритмами. Геодинамика таких зон определяется индивидуальными для данной местности природными режимами в условиях техногенеза [568]. Присущая таким зонам индивидуальность позвоялет рассматривать их как отдельно выделенный гидрогеодинамический объект, который описывается моделью определенного класса. Таким образом, рассматривая гидрогеологическую среду как набор отдельных объектов, возможно разделить её на отдельные гидрогеодинамические объекты, которые определяются тем или иным процессом. Такой подход позволяет контролировать локальные геодинамических возмущения для формирования обобщенных

прогнозных оценок изменения гидрогеологической среды и проявления негативных сценариев.

Поскольку интенсивность суммарных вариаций гидрогеологическаой среды меньше интенсивности изменений отдельных гидрогеологических объектов [274], то предсказать деструктивные геодинамические процессы, наблюдая за отдельными гидрогеодинамическими объектами возможно, возможно раньше чем при мониторинге всей гидрогеологической среды. Контроль геодинамических объектов проводился на базе геоэлектрических методов [119].

Принципиальной возможностью использования геоэлектрических методов при создании системы гидрогеологического контроля является факт зависимости удельной проводимости воды от ее минерализации и соответственно получения данных о гидрогеологической структуре исследуемой среды. Кроме того, в государственном стандарте [74] отражено, что регистрация удельной электропроводности на объектах гидрогеологического мониторинга является частью обязательной рабочей программы контроля качества воды.

Естественные природные воды за счет содержания растворенных солей и различной их концентрации обладают сильными и слабыми электрическими свойствами. Поверхностные воды, в отличие от вод водоносных горизонтов, имеют преобладающее количество неорганических соединений в своем составе. Следует также отметить, что некоторые ионы (например, железа и алюминия) из-за малой концентрации, не оказывают существенного влияния на показатели электропроводности воды [408]. Сложный химический состав воды поверхносных и глубинных гидрологических объектов затрудняет оценивать параметры минерализации воды по удельной электропроводности, что связано с пересечением диапазонов уровней минерализации различных сульфат-ионов при определении этих диапазонов по удельной электропроводности [408]. Для компенсации этого недостатка и определения степени общей минерализации используем метод последовательного приближения: к рассчитанному значению количества сульфатов необходимо добавить значения количества гидрокарбонатов и хлоридов, полученные опытным путем (таблица 6.1).

Таблица 6.1 - «Соответствие средним групповым значениям эквивалентной электропроводности количеству растворенных солей в воде при температуре воды равной 18°С»[119]

Электропроводность, См/см2 Колич Электропроводность, См/см2 Количе

Сульфаты Гидрокар Сульфа ество Сульфат Гидрокар Хлориды ство

бонаты ты солей, ы бонаты солей,

мг/дм3 мг/дм3

103.80 81.90 108.80 1.0 85.52 73.58 102.44 8.6

99.20 80.10 107.30 2.0 83.90 72.70 101.80 10.0

95.70 78.80 106.20 3.0 82.90 72.10 101.40 11.0

93.00 77.70 105.30 4.0 82.10 71.50 100.90 12.0

91.00 76.50 104.50 5.0 81.20 71.10 100.60 13.0

89.20 75.70 103.80 6.0 80.50 70.30 100.20 14.0

87.60 74.80 103.30 7.0 79.70 70.10 99.80 15.0

80.30 74.00 102.80 8.0 76.30 68.20 98.30 20.0

«Концентрация неорганических соединений в подземных водах является преобладающей, основными ионами при этом являются ионы: натрия, кальция, калий, марганца, хлора, а так же сульфаты, карбонаты, гидрокарбонаты» [119, 405, 443]. Отметим, что электропроводность воды изменяется пропорционально температуре из-за изменения вязкости и степени диссоциации воды. Поэтому, на практике при оценке минерализации по удельной электропроводности воды необходимо учитывать температурную помеху и осуществлять дополнительный анализ проб воды [119].

«Информационная обработка геоэлектрических данных при геодинамическом контроле на основе разработанного алгоритма пространственно-временной обработки, модульного подхода и метода выделения ключевых зон заключается в следующем» [119, 403, 405, 524]. «Для контролируемой зоны гидрогеологической среды на этапе инициализации системы на основе базы геодинамических моделей М ^ и базы данных ГИС М ^

формируется вектор модельных параметров М ^, определяемый по

геологоразведочным данным» [119, 405, 410]:

М 5 = Рт МВ •Ма >. (бЛ)

«Далее определяются ключевые зоны контроля 0{ и выделяются модельные параметры зон контроля Миз вектора модельных параметров М^ (6.2) и

вырабатываются управляющие сигналы для позиционирования и балансировки измерительных комплексов (6.3)» [119, 403, 405].

М5 ®(м М52,...,М^ ), (6.2)

где N - число ключевых зон (объектов) контроля [402, 404].

и, (г0) = ^ (М я, и\г 0)), (6.3)

где и * - вектор управляющих сигналов; г0 - начальный момент времени; ^ -оператор формирования управляющих сигналов на основе модельных параметров и требований по начальному позиционированию и балансировке системы [403, 405].

На этом этап инициализации завершается, и мониторинг гидрогеологической среды осуществляется в режим полуавтоматического контроля [403, 405]:

и, (г) = и;(г0) + Ли(М ж, Да,) + ^ (ДМ я, и *(г)), (6.4)

где Аи(М , Ла1) - вектор управляющих сигналов на основе данных о динамике гидрогеологической среды Ла1; ДМ я - вектор коррекции модельных параметров [403, 405].

Обработка информации в ключевых точках контроля осуществляется на основании методов врешения обратной задачи [119, 403, 405]:

(М,Да ,Е.) = А-1(Б ), (6.5)

где Б, - регистрируемые в точках контроля данные; Е,. =¥(и, (г),М) - набор

параметров зондирования гидрогеологической среды в соответствии с

модельными параметрами; А 1 - оператор решения обратной задачи гидрогеологического контроля [403, 405].

Поскольку измерения кроме полезного зондирующего сигнала содержат шумы и помехи, то для повышения достоверности результатов решения обратной задачи и прогозов изменения гидрогеологической среды Б модельные параметры

объектов контроля Мя определяются с учетом гидрогеодинамики Да. [403, 405]:

D. = A (Mst, Aa),

D. -D.

= A. ® min , (6.6)

L2 1

где A - оператор решения прямой задачи гидрогеологического контроля [403, 405].

Синхронизация измерений и передачи регистрируемые данных S * = ((A., Aa) i = 1, N) на центральный пункт обработки DPS осуществляется

виртуальным мультиплексором (MX S, DMX0) [403, 405].

Применении описанной методики гидрологического наблюдения с применением специализированной системы контроля позволяет проводить одновременную регистрацию как электропроводности водоносного горизонта, так и его уровеня относительно расположения измерительных датчиков.

На рисунке 6.2а приведены результаты оценки параметров электропроводности в образцах проб воды, взятых из источников нецентрализованного водоснабжения, р. Оки и ее притоков на территории контроля. Результаты скважных измерений и измерений системы гидрогеологического контроля на основе многополюсной электролокационной установки для водозаборов контролируемой территории показаны на рисунке 6.2б [119, 403].

Анализ результатов измерений показывает погрешность оценки уровня водоносного горизонта относительно прямых скважных измерений не более 12% [403].

6.3 Территория и условия проведения экспериментальных исследований

Инженерно-геологические условия развития карста карстовых процессов

Исследуемая территория Нижегородской области характеризуется наличием на глубинах до 75 м южнее реки Волги (например, такие города как Дзержинск, Нижний-Новгород и районы Павловский, Арзамасский и др.) карстовых пород карбонатно-сульфатного типа [456]. При этом юг Нижегородской области, включая Первомайский, Вознесенский, Дивеевский районы имеет карстующиеся породы преимущественно карбонатного типа. Наиболее редко встречаются

карстующиеся породы гипсового типа, которые обнаруживаются в таких городах

как Дзержинск и Павлово.

а)

б)

Рисунок 6.2 - Уровень водоносного горизонта и концентрация солей по

результатам измерений В целом около 27% общей площади Нижегородской области находится на закарстованных территориях, а около 17% территории Нижегородской области имеет карстовы проявления в виде провалов, воронок, озер и т.д, которые как

правило встречаются в долинах и низменностях рек: Волги (правый берег), Ока, Сережа, Теша, Алатыря и др. По берегам рек и в небольшом удалении от них распологается сеть населенных пунктов, которые характеризуются низкой численностью и использованием нецентрализованного водоснабжения [456, 496]. Развитие карста подразделяют на типы в соответсвии с типами геологического разреза. Для Нижегородской области выделюят следующие типии карста: Дзержинско-Нижегородский, Выксунско-Первомайский и Арзамасско-Павловский. Территория проводимых исследований относится к Арзамаско-Павловскому геологическому разрезу [22, 456] (рисунок 6.3).

Карстующиеся породы Арзамасско-Павловского геологического разреза залегают у земной поверхности редко доходя до глубин 60 м. К этим породом относятся известняки, доломиты, гипсы и ангидриты, которые, как правило, перекрыты глинистыми грунтами образованных в четвертичном и пермском периоде. В долинах рек карстующиеся породы залегают под аллювиальными отложениями четвертичного период. Иногда карстующиеся породы в долинах рек выходят на поверхность. Аллювиальные песчано-глинистые отложения, элювиально-делювиальные глинистые грунты, флювиогляциальные, лессовидные суглинки относятся к четвертичному периоду, мощность которых изменяется от 0 до 30 м. Ниже четвертичных отложений залегают породы татарского яруса мощностью от 0 до 50 м верхней перми, к которым относятся глины, алевролит и мергель [456].

Известняки с прослоями доломитов характеризуют отложения казанского яруса верхней перми мощностью до 15 м, который в основном залегает под глинами татарского яруса. Казанские отложения встречаются не на всей территории. Для казанского яруса характерно выборочное или объемное растворение. Породы имеют трещины, очень часто разрушены или полностью растворены. Разрушение пород происходит до состояния дресвы, щебня или известково-доломитовой муки. Результатом растворений и разрушений являются полости высотой от 0,2 до 3 м, которые заполняются водой или другим привнесенным материалом [456].

Рисунок 6.3 - Карта карстовых районов Нижегородской области по северозападным отрогам Приволжской возвышенности Наиболее подвержен растворению сакмарский ярус нижней перми, который контактирует с вышележащим казанским и татарским ярусом верхней перми. Сакмарский ярус характеризуется гипсами и ангидритами. Растворение пород приводит к образованию каверн и полостей высотой от 0,2 до 7 м. Напорный водоносный горизонт располагается между водоупором (монолитной частью гипсо-ангидритовой толщи) и известняками, доломитами, или кровлей гипсо-ангидритовой толщи [456].

Согласно карте карстоопасности территория, где проводились исследования находится вблизи от границы так называемой «неопасной» и «потенциально

опасной» территории и может быть отнесена к умеренно опасной [370] . «В соответствии с выводами отчёта ОАО «ПНИИИС» (2008-2009гг) рассматриваемая площадка находится на территории возможного развития особо опасных природно-техногенных процессов (I степень опасности), а по интенсивности образования карстовых провалов площадка отнесена к категории У-У1, соответствующей низкой вероятности провалообразования» [255, 273, 447].

По существующей классификации карстовый процесс исследуемого района относится к карбонатно-сулъфатному покрытому типу. При таком типе карста закарстованные территории имеют повышенную чувствительностью к загрязнению геологической среды, в том числе подземных вод вследствие различных карстопроявлений (провалы, неравномерные осадки оснований, оседания, в т.ч. связанные с загипсованными грунтами, карстовые просадки и др.). Вследствие этого, зоны водопользования на данной территории имеют сложную и повышенную к возможным изменениям гидрогеологическую структуру с высокими вероятностями утечек воды из водоёмов и каналов водопользования. «На данной территории известны случаи образования крупных провалов с весьма больших глубин. Например, провал диаметром 45 м (2005 г. у дер. Болотниково Вачского района Нижегородской области). В результате этого провала в течение двух-трёх часов полностью исчезла вода из озера, которое также имеет карстово-провальное происхождение» [255, 273, 447].

Оценка характеристик нецентрализованного водоснабжения исследуемой территории

Поземные воды изученной территории заключены в отложениях довольно значительного стратиграфического диапазона от сакмарских до четвертичных отложений. Глубина их изучения определялась необходимостью детального изучения особенностей карстующихся сакмарско - нижнеказанских отложений и связанных с ними подземных вод. Причем для целей водоснабжения населенных пунктов используются только два горизонта:

- водоносный четвертичный аллювиальный горизонт;

- водоупорный локально слабоводоносный донской моренный горизонт.

Водоносный четвертичный аллювиальный горизонт приурочен к долинам рек Оки, Теши и их притоков рр. Бол. Кутра, Муромка и Ледь. Водоносными являются аллювиальные образования пойм и надпойменных террас, сложенные почти нацело песками, различными по гранулометрическому составу и степени глинистости. Коэффициент фильтрации песков составляет от 2 до 12 м/сут. Воды горизонта безнапорные, имеют единую гидростатическую поверхность. Глубина залегания ее колеблется от долей метра до 12 м, что обусловлено в основном рельефом местности. Мощность аллювиального водоносного горизонта колеблется от 16 до 24 м. В верхней части аллювиального разреза (выше кровли водоносного горизонта), где нередко присутствуют прослои и линзы суглинков, не исключена возможность формирования грунтовых вод типа верховодки. Дебиты скважин при понижениях уровня от 1,8 до 6,5 м по данным единичных скважин, нецентрализованного водоснабжения, колеблются от 2,8 до 5,7 л/с, удельные дебиты составили 0,31 - 2,0 л/с. Величина водопроводимости составила 31 - 200 м2/сут. Воды горизонта пресные с минерализацией 0,2-0,5 г/л сульфатно-гидрокарбонатного состава. На участках гидравлической взаимосвязи с напорными минерализованными водами нижележащих отложений минерализация аллювиальных вод возрастает до 0,9 - 1,6 г/л, их состав сульфатный. За счет инфильтрации атмосферных осадков осуществляется основное восполнение запасов подземных вод, разгрузка которых осуществляется в речную сеть. «Участками подпитка горизонта происходит за счет напорных вод, поступающих из нижележащих уржумских и казанско-сакмарских напластований, в пределах палеодолин и участках залегания голоценового аллювия р. Оки непосредственно на сульфатно-карбонатной толще» [255, 273, 447].

Водоупорный локально слабоводоносный донской моренный горизонт объединяет водно-ледниковые (надморенные) и ледниковые (морену) отложения, сложенные песками мелкозернистыми, неравномерно глинистыми алевритистыми с включениями гравия и моренными суглинками, содержащими линзы песков, гравия. Общая мощность отложений колеблется от 0 до 18,0 м, мощность

водонасыщенных пород небольшая, достигает изредка 15,0 м. Воды, отложений безнапорные, слабонапорные. Глубина залегания водонасыщенных пород различная, в зависимости от рельефа местности колеблется от долей метра до 6,5 м. Водоносные прослои характеризуются слабой водообильностью. Они являются источником водоснабжения для местного населения, используемым посредством колодцев, глубина которых доходит до 5 м. Химический состав воды характеризуется минерализацией 0,05 - 0,48 г/л и содержит гидрокарбонаты и ионов кальция. Как отмечалось выше на территории населенных пунктов воды нередко подвержены загрязнению отходами хозяйственно-бытового типа. Питание горизонта происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков. Разгрузка вод осуществляется через овражно-балочную сеть в виде небольших родников и мочажин. Нередко на локальных участках в верхних слоях горизонта, залегающих на моренных суглинках, формируются грунтовые воды типа верховодки, способствующие заболачиванию местности и формированию мелких суффозионных западин.

Организация нецентрализованного водоснабжения на исследуемой территории в основном через колодцы, расположенные на территории населенных пунктов и используемых для питьевого водоснабжения (рисунок 6.4а). Для бытового и хозяйственного водоснабжения используются искусственные и естественные водоемы, имеющие в большинстве своем карстовое происхождение (рисунок 6.4б). Как было отмечено выше, часть домовладений оснащена личными малодебитными скважинами.

6.4 Проведение экспериментальных работ по выделению ключевых зон на объектах нецентрализованного водоснабжения

Проведение экспериментальных работ осуществлялось на территории с. Чудь Нижегородской области. Была организованы режимные наблюдения с использованием разработанной системы динамического гидрогеологического контроля территории нецентрализованного водоснабжения, основанной на выделении ключевых зон геодинамического карстологического мониторинга и

применении локального гидрогеологического контроля на основе геоэлектрических методов. На выбранном участке были проведены предварительные гидрогеологические работы с определением условий движения карстовых вод, связанных с литологической неоднородностью массива, его дислоцированностью, глубиной эрозионного расчленения и степенью закарстованности.

а) б)

Рисунок 6.4 - Типичные источники нецентрализованного водоснабжения исследуемой территории - а) Колодец питьевого водоснабжения; б) Водоем

хозяйственного водоснабжения В ходе работ были определены зоны расположения основных источников нецентрализованного водоснабжения с. Чудь и определены ключевые точки гидрогеологического контроля территории с разделением карстующегося массива на область инфильтрации и инфлюации атмосферных осадков и поверхностных вод, область подземного стока и область разгрузки или выхода карстовых вод за пределы карстующихся пород (рисунок 6.5).

Режимные наблюдения проводились с февраля по сентябрь 2017 года на восьми точках местного контроля с использованием двухполюсной эквипотенциальной установки. Кроме того проводились скважинные наблюдения в опорной скважине вблизи точки 3 для дополнительного контроля получаемых данных. В таблице 6.2 приведены усредненные месячные данные по минерализации в точках наблюдения.

Рисунок 6.5 - Схема расположения основных точек нецентрализованного

водоснабжения и развернутой системы гидрогеологического контроля Таблица 6.2 - Экспериментальные данные по минериализации

Месяцы 3 Минерализация, мг/дм ; номера наблюдательных точек

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Март 264 441 290 189 296 400 297 1203 486 1030 443

Апрель 380 458 340 195 304 559 300 1570 650 1500 590

Май 391 460 345 200 317 700 316 1510 781 1662 722

Июнь 320 446 243 177 209 626 266 1375 720 1549 662

Июль 267 412 204 163 192 570 257 1210 670 1451 620

Август 280 437 281 167 280 600 260 1340 688 1480 652

Сентябрь 307 446 290 184 294 653 285 1310 689 1509 703

На рисунке 6.6 приведены сравнительные данные прямых и скважинных наблюдений уровневого режима водоносного горизонта и данные по минерализации воды, используемой для питьевого водоснабжения.

б)

Рисунок 6.6 - Данные прямых и скважинных режимных наблюдений уровневого режима водоносного горизонта и минерализации воды, используемой для

питьевого водоснабжения (точка 8) На рисунке 6.7 приведена гистограмма оценки изменения минерализации по точкам наблюдения. По данным режимных наблюдений выяснено, что на данной территории для бытового водоснабжения используется водные источники водоемов, питание которых осуществляется за счет зон поверхностной циркуляции и вертикальной нисходящей циркуляции. При этом атмосферные осадки или талая снеговая вода стекают по поверхности пород и в условиях задернованного карста поглощаются путем инфлюации и инфильтрации трещинами, каррами, понорами. В юго-восточной части территории преобладает покрытый карст и здесь вода стекает в сторону воронок, котловин, карстовых

рвов и других отрицательных форм, где поглощается трещинами и понорами. При использовании колодцев для питьевого водоснабжения необходимо учитывать движение талых вод и осадков по вертикальным трещинам, так как по данным режимных наблюдений на данной территории широко представлены приповерхностные зоны с повышенной трещиноватостью, что является особенностью данной территории.

Результаты наблюдений на территирии с. Чудь

Наблюдательные пункты

Рисунок 6.7 - Гистограммы оценки изменения минерализации по точкам

наблюдения

Использование малодебетных скважин, пробуренных на первый водоносный горизонт, является более предпочтительным для водоснабжения. Однако следует учитывать размер зоны сезонных колебаний уровня карстовых вод которая достигает по данным наблюдений 8 м. Очевидно, что при определенных условиях развития карстовых процессов на данной территории, использование данного вида источников для питьевого водоснабжения в периода весенней и осенней межени является проблематичной для населения. Это подтверждается данными режимных наблюдений (рисунок 6.6). Хотя этот период достаточно короткий и составляет в лучшем случае 15-30 дней в году и легко может быть выделен на основе применения разработанной системы гидрогеологического контроля.

Влияние зоны горизонтальной циркуляции карстовых вод, представляющую собой горизонт карстовых вод и часть водоносной системы с концентрированным стоком в сторону областей разгрузки реки Оки, заключается в наличии неустойчивой разгрузки карстовых вод в другие водоносные горизонты, используемые также для нецентрализованного питьевого и хозяйственного водоснабжения некоторых домовладений. Не затрагивая вопрос законности использования данных скважин, следует отметить значительную минерализацию данных вод и соответственно опасность использования их для питьевого водоснабжения в виду непредсказуемости интенсификации карстовых процессов на изучаемой территории.

На основе проведенных исследований отмечено, что при развитии карстово-суффозионных процессов интенсивность гидрогеологических вариаций локальных участков геологической среды на изучаемой территории имеет ярко выраженный динамически неустойчивый характер. В результате режимных наблюдений, охватывающих полугодовой период, на территории с. Чудь выделены три основные зоны водопользования с учетом влияния карстовых процессов. Это позволило увеличить геодинамическую чувствительность системы контроля в 18 раз за счет уменьшения контролируемой площади и наблюдении лишь за ключевыми зонами. На рисунке 6.5 выделены: зона безопасного питьевого водопользования (выделено зеленым), зона с критическим для водопользования нарушенным гидрогеологическим режимом с нежелательным использованием воды для питьевого водоснабжения (выделено красным) и зона ограниченного водопользования с временным ограничением в периоды весенней и осенней межени (выделено желтым). Следовательно, в населенных пунктах на такой территории необходимо периодичное проведение работ с применением разработанной системы гидрогеодинамического контроля с периодом не менее 5 лет (рекомендованный период карстологического мониторинга), а в случае активизации поверхностных проявлений карстовых процессов на территории чаще. Кроме того, использование подобных систем дает возможность получать информацию о возникновении деструктивных гидрогеологических процессов

посредством применения селективного гидрогеодинамического контроля на начальном этапе их проявления. Однако в этом случае необходима разработка и применение более детальных моделей контролируемой территории с использованием опорных стационарных постов наблюдений, позволяющих получать фоновых гидрологические параметры регионального уровня.

Выводы

1. Проведена практическая проверка разработанного метода выделения ключевых зон с применением разработанной модульной модели ГТС и алгоритмов выделения скрытых предвестников нарушения геодинамической устойчивости ГТС с использованием построенных по разнородным данным прогнозных функций геотехнического мониторинга на объектах нецентрализованного водоснабжения. В результате исследования на территории с. Чудь были выделены три основные зоны водопользования с учетом влияния карстовых процессов. Уменьшение контролируемой территории позволиоло увеличить геодинамическую чувствительность системы контроля в 18 раз за счет снижения помехообразующих факторов.

3. В результате практической проверки предлагаемого подхода и метода проведена оценка состояния и развития карстово-суффозионных процессов, определены особенности водообмена на территории Нижегородской области в районе с. Чудь.

ГЛАВА 7 ПРАКТИЧЕСКАЯ ПРОВЕРКА РАЗРАБОТАННЫХ ПОЛОЖЕНИЙ РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ АКТИВИЗАЦИИ ДЕСТРУКТИВНЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ

РЕЖИМНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ТЕРРИТОРИИ КАРСТОВЫХ ОЗЕР

В настоящее время организация геотехнического мониторинга технических и жизнеобеспечивающих объектов является важной задачей, особенно при их расположении на территориях с возможной активизацией карстовых процессов [246]. При проектировании объектов с повышенными требованиями к безопасности, таких как атомные электростанции, гидротехнические сооружения и т.п., предусматривается проведение не только детальных изыскательских работ, но и развертывание системы карстологического мониторинга. «Это объясняется тем, что в процессе эксплуатации массив закарстованных пород приобретает совершенно иные геотехнические и гидрогеологические свойства в сравнении с массивом тех же пород, не затронутых растворяющим воздействием движущихся подземных вод» [255, 273, 518]. Развитие карстовых форм в значительной степени определяется гидрологией движения карстовых вод. Вид и тип карстовых форм определяется гидродинамической зоне проявления карстовых процессов. При организации мониторинга карста приходится решать две группы тесно связанных друг с другом задач. «К первой группе относится задачи контроля геолого-гидрогеологической обстановки, благоприятствующей развитию процессов растворения горных пород, ко второй - непосредственное выявление карстовых полостей и закарстованных зон, выяснение условий движения в них подземных вод, прогноз дальнейшего развития коррозионных и суффозионных явлений» [255, 273, 571].

Наиболее чутким индикатором активности карста на контролируемой территории является поведение карстовых озер, образованных депрессивными процессами, с преимущественно подземным стоком. В этом случае поверхностные воды, стекающие в депрессии, поглощаются понорами и питают озера. Карстовые процессы приводит к интенсификации подземного стока и

нарушает зональный характер распределения величия подземного стока, определяемый географической зональностью, и приводит к перераспределению подземного стока в окрестных реках на относительно ограниченных площадях. По типу своего режима подземный сток в зонах карстовых депрессивных озер карсте подобен режиму речного стока, формируя региональные особенности прихода максимумов и минимумов, а также определяя интенсивность карстовых процессов на локальных уровнях [565]. Соответственно озера карстового происхождения существенно влияют на приповерзностную геодинамику, как в локальном, так и в региональном масштабе. Эта особенность карстовых озер дает возможность организации режимного геоэкологического мониторинга развития и прогноза активизации деструктивных карстовых процессов на региональном уровне [559].

Эффективность проведения гидрогеологического мониторинга определяется точностью и оперативностью оценок развития деструктивных геодинамических процессов и их влияние на природную среду, а также на жизнеобеспечивающие объекты. Одним из требованием к проведении гидрогеологического мониторинга является минимизация технологических затрат с одновременным повышением (не ухудшением) точности и достоверности получаемой информации об объекте исследования [517]. Соответственно, при использовании сети сбора гидрогеологической информации важным является выбор точек местного контроля из-за очевидной ограниченности сети наблюдения. При развертывании системы регистрации данных в первую очередь необходимо исходить из информативности получаемой гидрогеологической информации на основе применяемых методов сбора данных местного контроля. Очевидно, необходим комплексный подход, основанный на выборе наиболее чувствительных к гидрогеодинамическим изменениям точек, включая прибрежную зону гидрологической разгрузки озера и зону активного проявления карстовых процессов [274]. При этом необходимо применение высокочувствительного метода регистрации геодинамических изменений в гидрогеологической среде с повышенной помехоустойчивостью.

7.1 Идентификация ключевых зон гидрологического контроля на основе оценки влияния карстовых процессов

Гидрогеологический мониторинг осуществлялся в прибрежной зоне озера Большое Свято [518]. Это крупное карстовое озеро в изучаемой территории Нижегородской области глубиной до 20 м. Оно образовалось в результате слияния нескольких карстовых провалов. Довольно крутые берега высотой 2-3 метра сильно изрезаны множеством мысов и заливов. На озере имеются несколько крупных островов. Озеро является проточным, дно песчаное с мощным слоем ила, с прозрачностью воды до 3 м.

Выбор данной зоны для организации мониторинга обосновывается тем, что наиболее чутким индикатором активности карста на территории является поведение карстовых озер, образованных депрессивными процессами, с преимущественно подземным стоком. В этом случае поверхностные воды, стекающие в депрессии, поглощаются понорами и питают озера. Карстовые процессы приводит к интенсификации подземного стока и нарушает зональный характер распределения величия подземного стока, определяемый географической зональностью, и приводит к перераспределению подземного стока в окрестных реках на относительно ограниченных площадях. По типу своего режима подземный сток в зонах карстовых депрессивных озер карсте подобен режиму речного стока, формируя региональные особенности прихода максимумов и минимумов, а также определяя интенсивность карстовых процессов на локальных уровнях. Эта особенность карстовых озер дает возможность организации режимного геоэкологического мониторинга развития и прогноза активизации деструктивных карстовых процессов на региональном уровне [518].

В качестве оценки развития карстовых процессов на исследуемом участке была использована общепринятая методика по наличию и прогнозу поверхностных карстопроявлений [292, 293]. По результатам проведенной специальной съемки поверхности на данной территории, проведенной в рамках экспериментальных работ в 2011-2012 гг. студентами и сотрудниками

Муромского института ВлГУ в районе оз. Б. Свято был выделены карстовый участок площадью 0.7 кв. км. в зоне разгрузки озера. На этом участке было обнаружено 97 карстовых воронок общей площадью 6305 кв.м. Плотность воронок составила при этом 138 шт. на 1 кв. км, а пораженность площади участка карстовыми воронками около 90 %. Средний диаметр воронок составил 8.1 метр, а максимальный 20.7 метров. Результаты статистического анализа распределения воронок по их диаметрам показаны на рисунке 7.1. На рисунке 7.2 приведена схема пораженности исследуемой территории карстово-суффозионными процессами.

Рисунок 7.1- Гистограмма распределения диаметров карстовых воронок на

исследуемом участке В результате проведенного анализа были выделены две точки контроля в прибрежной зоне озера (рисунок 7.3). Это основные точки (точка 2 и 3) - в зоне разгрузки озера с максимальным проявлением карстовых процессов и опорная (точка 1) - для проведения фоновых измерений. Опорная точка выбиралась с учетом того, что рядом располагались скважины водоснабжения базы отдыха, данные с которых использовались для дополнительного контроля.

Рисунок 7.2 - Результаты оценки пораженности карстовыми процессами

исследуемой территории

7.2 Методика проведения экспериментальных исследований

Перед установкой системы гидрогеологического контроля на основных выбранных точках были проведены детальные геоэлектрические исследования и построен геоэлектрический разрез контролируемой зоны, на котором выделяются два водоносных горизонта (Рисунок 7.4).

«Первый водоносный горизонт располагается в четвертичных и аллювиальных песках. Второй водоносный горизонт располагается в трещиноватых и разрушенных породах казанского и сакмарского ярусов. На участке исследований проходят четвертичные аллювиальные отложения второй надпойменной террасы р. Теши. В верхней части толщи пески мелкозернистые, с глубиной переходят в разнозернистые» [403, 405]. Вода в истоке озера Свято и в самом озере характеризуется очень низкой минерализацией. По данным анализа минерализация ее составляет 0,008 г/литр. По химическому составу вода сульфатно-кальциево-магниевая. Пробы воды из скважины (глубина 18м.) на территории озера Свято показывают агрессивность воды по отношению к сульфатам и карбонатам. По данным химического анализа воды горизонта

сульфатно-кальциево-натриевые. Минерализация водного раствора составляет 0,07 - 0,23 г/литр. Согласно этим расчетам, в прибрежной зоне озера подземные воды агрессивны по отношению к карбонатным и не агрессивны к сульфатным породам.

- территория контролируемого объекта

- территория самопроизвольного отдыха туристов

Рисунок 7.3 - Схема размещения системы гидрогеологических наблюдений На рисунке 7.5а приведена схема установки элементов информационно-технического комплекса на опорном участке контроля, а на рисунке 7.5б момент установки. Измерительная геоэлектрическая система размещалась следующим образом: излучающий электрод А был удален от берега озера на расстояние 11=5м; первый и второй блоки бесконтактного трансформаторного датчика (БТД1 и БТД2) расположены на расстоянии 13 и 14 от излучающего электрода (при условии, что 13=14=30м); электрод В установлен на наибольшем возможном удалении 12=250 м. от излучающего электрода А.

Рисунок 7.4 - Геоэлектрический разрез контролируемой зоны

а) б)

Рисунок 7.5 - Схема расположения комплекса на опорной точке гидрогеологического контроля

Рисунок 7.6 - Установка измерительной системы в точках основной зоны

контроля

В основной зоне гидрогеологического контроля измерительные датчики, размещались в соответствии с условной схемой размещения, приведенной на рисунке 7.5 , в двух точках контроля - на берегу озера и на расстоянии 500 метров в зоне карстовых процессов на склоне «активного» карстового провала (рисунке 7.6).

7.3 Результаты экспериментальных исследований

Наблюдения проводились в период с 1.05.2017 по 25.10.2017. Как отмечено выше в качестве точек наблюдения были выбраны три зоны:

1- зона опорных гидрогеологических наблюдений, в которой проводились измерения уровнего режима и минерализации водоносных горизонтов, используемых для нецентрализованного водоснабжения;

2- зона гидрологических наблюдений в зоне разгрузки озер, в которой также проводились измерения уровневого режима и минерализации водоносных горизонтов;

3- зона геодинамических измерений активности карстовых процессов.

На рисунке 7.7 приведены данные обработки гидрогеологических наблюдений в точках контроля. Как видно из представленных данных в течении всего периода наблюдений пьезометрический уровень карстовых вод очень близок к уровню грунтовых надкарстовых вод. Причем в период, по данным режимных наблюдений, отмечается превышение уровней грунтовых

надкарстовых вод над пьезометрическими напорами карстовых вод вместе с подъемом общего уровня первого водоносного горизонта. Эта разница по данным наблюдений составляла от 0,7 до 1,6 м.

На рисунке 7.8 приведен период геодинамических измерений на третьей точке контроля, на котором прослеживается момент активизации карстовых процессов в зоне геодинамического контроля, связанный с изменением стока озера (отсчет 10 на графике амплитудных и фазовых данных, соответствующий концу июля месяца).

Исследования с применением разработанного подхода показали, что карст является активным регулятором стока и оказывает существенное влияние на водообмен, и расположенные на данной территории хозяйственные объекты. Состав карстующихся пород и геологические условиях их залегания, а так же структурно-тектоническая и неотектоническая обстановка определяют такие показатели исследуемеой территории как гидрогеологические условия, параметры зоны аэрации (мощность, закарстованность, степень анизотропии). По этим же критериям определяется наличие гидравлической взаимосвязи трещинно-карстовых и речных вод.

Таким образом, на основании проведенного исследования можно сделать вывод о том, что процесс карстового регулирования стока заключается в пространственно-временном формировании и распределении поверхностных и подземных вод в бассейнах, сложенных легко растворимыми горными породами. В связи с чем исследования подтвердили гипотезу о том, что. карстовые озера оказывают значительное влияние на развитие деструктивных карстово-суффозионных процессов, как в локальном, так и в региональном масштабе. На региональном уровне возможна организация режимного карстологического мониторинга развития и прогноза активизации деструктивных карстовых процессов с использованием системы наблюдений на территории карстовых озер.

Концентрация солей, г/дмЗ

К о

К

о ■

Й

р

к

к

Е

О)

О) *

К 2 К Е

X

К

£ о

О)

о й о

к

Л О)

о «

к

X