CC BY
105
ГОРНОЕ ДЕЛО
УДК 551.578.48:551508.77(470.21)
МОДЕЛИРОВАНИЕ СКЛОНА И СНЕЖНОГО ПОКРОВА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЛАВИННОЙ ОПАСНОСТИ
С. В. Лукичёв, А. Н. Любин, С. В. Звонарёва
ФГБУН Горный институт КНЦ РАН
Аннотация
Разработана трехмерная ячеистая модель снегонакопления, реализующая средства хранения данных параметров склона и числовой информации, которые оказывают влияние на показатели устойчивости снежного покрова в лавинных очагах. Приведено описание методики мониторинга снегонакопления на горных склонах в приложении Geotech-3D горно-геологической информационной системы MINEFRAME. Показано, что лавиноопасные территории устанавливаются путем анализа соответствия их условий геоморфологическим (рассчитываемым по цифровой модели) и метеорологическим (полученным по результатам наблюдений) параметрам. Ключевые слова:
лавинная опасность, мониторинг снегонакопления, цифровая модель, ячеистая структура, лазерное сканирование, снежная толща.
MODELING OF SNOW SLOPE AND SNOW COVER TO ASSESS AVALANCHE HAZARD
Sergey V. Lukichev, Alexander N. Lyubin, Svetlana V. Zvonareva
Mining Institute of the KSC of the RAS
Abstract
Keywords:
A 3D network model of snow accumulation has been developed to store data regarding slope parameters and numerical information impacting indicators of snow cover stability in avalanche sources. A method to monitor snow accumulation in snow slopes has been described by Geotech-3D application from the MINEFRAME mining-geological information system. The avalanche hazardous areas are shown to be detectable by analyzing the accordance of their conditions with geomorphologic (calculated by a numerical model) and meteorological (obtained by observations results) parameters.
avalanche hazard, snow accumulation monitoring, numerical model, network structure, laser scanning, snow stratum.
Введение
Среди прочих стихийных природных явлений снежные лавины способны вызвать гибель людей и причинить значительные разрушения. В разное время на территории Российской Федерации такие случаи неоднократно происходили. Наиболее известны трагические события 5 декабря 1936 г. в Хибинах, когда двумя сошедшими подряд лавинами была уничтожена часть поселка Кукисвумчорр [1]. Ограниченные сведения о катастрофических лавинах содержатся в Кадастре лавин СССР [2]. При этом следует отметить, что размер лавин не имеет решающего значения для возможного ущерба и гибели людей. Статистика жертв утверждает, что почти половина
их гибнет под небольшими лавинами, которые проходят путь не более 200 м [3]. Из чего следует, что оценка любой лавинной опасности - актуальная часть комплекса основных задач противолавинных мероприятий, таких как защита от лавинных очагов, угрожающих конкретным хозяйственным объектам, и предупреждение попадания в лавины людей, передвигающихся по хозяйственно не освоенным территориям, где угрозу может представлять любой горный склон.
Кардинальным решением для предотвращения ущерба от лавин является запрещение строительства и размещения людей в лавиноопасных районах. По определенным причинам такой вариант не всегда приемлем. В этой связи разработан и с разной степенью успеха применяется целый комплекс противолавинных мероприятий [4]. Выявление лавиноопасных территорий и определение параметров явления, организация службы прогноза времени схода лавин, строительство защитных сооружений, предупредительный спуск лавин - эти действия направлены на предотвращение ущерба от лавин. Характер их влияния на процесс образования лавин различен. Инженерные сооружения различных типов препятствуют образованию лавин; профилактический спуск и некоторые типы защитных сооружений обеспечивают контролируемый сход (время обрушения, размер, направление движения и дальность выброса). Изыскательские работы и прогноз времени схода лавин способствуют организации хозяйственной деятельности в лавиноопасных районах и недопущению попадания людей на опасные в определенный момент времени территории. Наибольшая эффективность достигается, как правило, при сочетании различных противолавинных мероприятий.
Принятое в гляциологии понятие «прогноз схода лавин» (прогноз лавинной опасности) подразумевает предсказание периода лавинной опасности, времени и масштабов схода [5]. Обеспечение прогноза всегда требует создания информационно-методической базы.
Сбор информации, хранение и обработка ее в необходимом количестве в условиях лавинной опасности - трудоемкий и сложный процесс. Причины заключаются в сложности получения характеристик состояния снега в лавинных очагах, значительных погрешностях их измерения, а также в невозможности экстраполяции полученных в одной точке (точка-репер) данных на всю поверхность лавинного очага по причине значительной изменчивости рельефа склона, строения и свойств снега. Причины, подобные этим, и в смежных науках о Земле стали поводом смены традиционных бумажных носителей информации на цифровые карты и компьютерные базы данных с последующим развитием принципиально новой технологии геоинформационных систем (ГИС). В общем виде роль ГИС-технологий в лавинных исследованиях сводится к синтезу знаний о рельефе, климате и предшествующих событиях, которые входят в математические модели оценки устойчивости снежного покрова на всем склоне и на отдельных его участках.
Возможности ГИС позволяют сформировать массив расчетных параметров для моделирования распределения снега в зонах лавинообразования. С этой целью оцифровываются уже готовые карты, и в среде ГИС на генерируемой карте углов наклона горных склонов выделяются участки с наиболее благоприятными условиями для возникновения лавин. Причем лавиноопасные территории устанавливаются путем анализа соответствия их условий геоморфологическим (рассчитываемым по цифровой модели) и метеорологическим (полученным по результатам наблюдений) параметрам.
Подобные задачи всегда приходится решать, когда исследованиями проекта ГИС-технологий являются объекты, связанные с освоением горной территории. Базовой основой таких проектов служат, как правило, крупномасштабные карты. Они охватывают небольшие по площади территории: лавиноопасный склон, долину или отдельный горный хребет. В таком случае проект можно реализовать с использованием какой-либо из тиражируемых геоинформационных систем или для его реализации надо будет разработать специальную систему мониторинга, основанную на принципах ГИС-технологий.
Существующие компьютерные технологии инженерного обеспечения горных работ при освоении месторождений твердых полезных ископаемых постоянно развиваются
и дополняются моделями горно-геологических объектов. Такая методология создания информационных систем позволяет комплексно решать задачи крупномасштабных горных работ.
Ниже приведено описание подсистемы мониторинга снегонакопления на горных склонах в приложении Geotech-3D горно-геологической информационной системы М1№1РКАМЕ [6]. Целью разработки этой подсистемы является развитие компьютерных методов создания информационно-методической базы и оперативной оценки лавиноопасных территорий, в том числе на труднодоступных горных склонах.
Методика мониторинга лавиноопасного склона
Многолетний опыт исследований позволил выявить определенные закономерности образования и обрушения лавин. В процессе анализа обрушений лавин были выявлены общие для различных горных регионов основные факторы и определен характер их воздействия на лавинообразование. Среди таких факторов отмечена крутизна склона, которая определяет критическую высоту снега [7].
Детальными крупномасштабными исследованиями с использованием натурных наблюдений и расчетов, изучением геоморфологических, геоботанических, почвенных и гидрологических признаков в различных регионах было установлено, что наиболее благоприятны для лавинообразования склоны, угол наклона которых составляет 25-40° [9, 10]. На склонах этой группы происходит обрушение лавин при повреждении устойчивости снежного пласта на склоне под воздействием внешних факторов и вызванных их влиянием процессов внутри снежной толщи. Подобные процессы и условия погоды сильно влияют на механические свойства снега. Поэтому на типовых снеголавинных станциях (СЛС) ведутся регулярные наблюдения за плотностью снега, временным сопротивлением сдвигу и разрыву (пределом прочности на сдвиг и разрыв). Дополнительно могут измеряться влажность, твердость, предел прочности снега на сжатие и коэффициент трения.
Измеренные значения характеристик используются в расчетных моделях для оценки устойчивости снежного покрова на склоне постоянной крутизны и достаточно большой протяженности путем проверки выполнения следующих неравенств [1]: т < тс или а < у,
где т - напряжение сдвига на контакте снежного пласта с подстилающей поверхностью; тс - временное сопротивление сдвигу для опасного горизонта; а - угол склона или поверхности скольжения; у - угол сопротивления сдвигу.
Степень устойчивости снежного покрова определяется коэффициентом устойчивости: у = тс/т = tg у/^ а.
Если это отношение больше единицы, лавинная опасность отсутствует. Когда значение коэффициента устойчивости равно единице, снежный покров находится в состоянии предельного равновесия, то есть может соскользнуть со склона при незначительном увеличении нагрузки или уменьшении удерживающих сил. Если же его значение менее единицы, это указывает на неустойчивое состояние снега на склонах, когда он удерживается силами, не принятыми в расчет, которые могут быть незначительными по сравнению с другими (обычно это силы на контурах пласта - силы сопротивления разрыву, сдвигу и сжатию). В таком случае достаточно случайного толчка или нарушения целостности снежного покрова, чтобы связи на контурах пласта и подстилающей поверхности были уничтожены и сошла лавина.
Расчеты устойчивости дают возможность оценить степень лавинной опасности при известном на какой-то момент состоянии снежной толщи. Для того чтобы определить время наступления лавинной опасности, необходимо предвидеть возможные изменения прочностных характеристик снежной толщи и снеговой нагрузки в зависимости от изменения погоды. Первое из этих двух условий оценивается по тенденции изменения временного сопротивления сдвигу или с помощью коррелятивных связей, полученных эмпирическим путем и позволяющих с использованием данных полевых измерений определить критическую высоту слоя снега, силу
сцепления у нижней границы слоя и предельный для данных условий угол наклона склона. Второе условие выявляется по выпадению количества осадков [1].
Таким образом, в простейшем виде методику оценки степени устойчивости снежного покрова при сдвиговом механизме лавинообразования можно свести к сравнению критической высоты снега с изменяющейся его фактической высотой на горном склоне произвольной конфигурации.
Расчет критической высоты снега Нкр (м) производится по формуле
Нкр = k vp,
где k - поправочный коэффициент при сдвиге по наклонной плоскости; р - плотность снега, т/м3.
В этом случае показатели пространственного распределения снежного покрова на склоне горы выступают главным элементом информативной характеристики лавинной опасности.
Для своевременного прогнозирования лавиноопасных ситуаций СЛС необходима информация о толщине снега в лавиносборах. Традиционно сведения о состоянии снежного покрова, включая его толщину, как правило, ограничивались точечными измерениями в небольшом количестве доступных мест. При этом подавляющая часть площади снежного покрова в лавинных очагах остается вне зоны оценки. Как следствие, оперативная оценка с одинаковой плотностью распределения показателей снежного покрова по всей площади, в том числе на труднодоступных горных склонах, играет определяющую роль в информационном обеспечении лавинной опасности.
В настоящее время разработаны технологии оперативных снегомерных съемок методом воздушного или наземного трехмерного лазерного сканирования, включающие проведение двух последовательных этапов съемок лавиноопасной местности [11]. На первом этапе производится одна съемка (базовая) в период, предшествующий установлению снежного покрова (летнее измерение). Вторая и последующие съемки производятся на втором этапе - при наличии снежного покрова (зимние измерения). Задача этих съемок состоит в получении высокоточных цифровых моделей соответственно рельефу поверхности Земли и поверхности снежного покрова. Для этого импульсным наземным лазерным дальномером измеряется расстояние от места его установки в долине до контрольных точек в зоне зарождения лавин относительно точки-репера. Накопленный массив координат точек съемки используется для построения компьютерных моделей соответствующих поверхностей. Затем по разнице высотных отметок в точках измерений в летний период (при отсутствии снега) и в зимний период (при наличии снега) определяется толщина снежного покрова. Созданные подобным образом поверхности вполне можно представить в стандартных форматах файлов DXF, IGES, VRML, SAT, STL, DGN и экспортировать в любые CAD и 3D-приложения. Здесь важно отметить, что базовая цифровая модель рельефа используется для получения комплекса производных морфометрических показателей, характеризующих условия устойчивости снега на горных склонах. Среди них: гипсометрия, углы наклона, экспозиция склона, густота горизонтального и вертикального расчленения поверхности, параметры растительности и др. Это позволит повысить надежность оценки устойчивости снежного покрова на всем склоне и на отдельных его участках. Причем надежность такой оценки снежного покрова, который имеет изменяющуюся толщину и значительную пространственную вариацию параметров, лежит на горном склоне произвольной конфигурации и удерживается силой трения, будет зависеть от количества точек замера на склоне и точности лазерной съемки, в значительной степени определяемой параметрами аппаратуры.
Развитие технологии трехмерного лазерного сканирования ведет к появлению на рынке все новых производителей сканеров. В настоящее время компании-производители лазерных сканеров предлагают довольно широкий выбор разнообразных моделей [12].
Правильный выбор лазерного сканера в соответствии с требованиями технологии работ -от съемки до создания компьютерной модели и выдачи результатов - также один из факторов повышения надежности оценки лавинной опасности.
Таким образом, технологии оперативных снегомерных съемок методом трехмерного лазерного сканирования с последующим построением компьютерных моделей поверхности съемки позволяют дистанционно контролировать толщину снежного покрова на лавиноопасном склоне и тем самым обеспечить своевременное принятие решения о закрытии зоны поражения лавиной, а также о начале принудительного спуска лавины. Представленный подход к контролю лавиноопасного склона стимулирует исследование физических процессов в снежном покрове и построение компьютерных моделей для решения трехмерных задач оценки смещения снега относительно склона.
Реализация подсистемы контроля снегонакопления на склонах
В настоящее время на Оленьем Ручье ЗАО «Северо-Западная Фосфорная Компания» ведет строительство горнопромышленного комплекса для разработки месторождения с одноименным названием. Все основные производственные объекты этого комплекса (карьер, подземный рудник, обогатительная фабрика, ремонтные, транспортные и энергетические объекты) размещены компактно на одной промышленной площадке у подножия г. Суолуайв (юго-восточные отроги Хибинского горного массива), ее склоны в районе расположения указанных объектов лавиноопасны. В этой связи возникла необходимость обеспечения службы противолавинной защиты строящегося предприятия современными инструментальными и программными средствами контроля высоты снежного покрова для оперативной оценки и принятия решений по проведению противолавинных мероприятий с учетом реального рельефа лавиноопасных склонов.
Решение данной задачи начато в Горном институте КНЦ РАН совместно со специалистами ЗАО «Северо-Западная Фосфорная Компания». Для ее реализации на основе цифрового моделирования склона г. Суолуайв в приложении Geotech-3D горно-геологической информационной системы МГКЕРЯАМЕ разрабатывается подсистема мониторинга снегонакопления в зонах лавинной опасности. Эта система позволяет выполнять цифровое моделирование рельефа гористой поверхности и снежного покрова на ней.
Модель снегонакопления представляет собой ограниченный контур, внутри которого расположена ячеистая структура (рис. 1). Каждая ячейка - также контур, высотные отметки которого спроецированы на каркасную модель поверхности. Длина и ширина прямоугольных ячеек задаются пользователем. Ячейка соответствует точке замера параметров снежной толщи: объема снега в границах ячейки, площади поверхности, среднего угла наклона, нормальной мощности, коэффициента сдвига.
Рис. 1. Модель снегонакопления
Для расчета среднего угла наклона ячейки относительно горизонтальной плоскости строится пара треугольников, покрывающих ее поверхность. Из центра каждого треугольника находится нормаль к его плоскости. Средний угол между найденными нормалями и горизонтальной плоскостью (ХГ) и будет средним углом наклона ячейки (рис. 2). На основе значений угла наклона рассчитывается коэффициент сдвига.
и
Рис. 2. Расчет среднего угла
Для работы с моделью снегонакопления создан интерфейс, отображающий все ячейки в виде таблицы (рис. 3а). Каждой ячейке соответствует таблица, которая отображает все ее характеристики. Выбор ячеек модели и таблицы сопоставлены друг с другом, при выборе ячейки в модели она отображается в таблице и наоборот.
Пользователю предоставлена возможность добавления новых характеристик в каждой ячейке и их редактирования. Каждая характеристика имеет свое символьное представление, которое необходимо для дальнейших расчетов. Для расчета значений используется редактор формул! (рис. 3б). После расчета всех значений модель снегонакопления можно представить в трехмерном виде с использованием цветовой градации характеристик отдельной ячейки.
а б
Рис. 3. Диалоговое окно для работы с моделью снегонакопления (а) и редактор формул (б)
Заключение
В настоящее время по материалам маркшейдерской службы ЗАО «Северо-Западная Фосфорная Компания» (Кировский филиал) создана цифровая модель склона г. Суолуайв (абсолютные высоты от 230 до 696 м) и проведена проверка работы подсистемы мониторинга снегонакопления в зонах лавинной опасности при различных значениях снежного покрова. По результатам сравнения критической высоты снега в каждой ячейке с изменяющейся его фактической высотой сформированы зоны возможного схода лавин (рис. 4).
Рис. 4. Топографическая поверхность и зоны возможного схода лавин со склонов г. Суолуайв
Для формирования «истории» снегонакопления на конкретном участке используется механизм привязки данных к дате, что обеспечивает возможность пространственного и временного анализа данных.
ЛИТЕРАТУРА
1. Руководство по снеголавинным работам (временное). Л.: Гидрометеоиздат, 1965. 397 с. 2. Кадастр лавин СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1984-1991. Т. 1-20 3. Божинский А. Н., Лосев К. С. Основы лавиноведения. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, 280 с. 4. Проблемы эффективности защиты от лавин / под ред. А. Н. Божинского, С. М. Мягкова. Деп. в ВИНИТИ, N 3967-В91. М., 1991. 285 с. 5. Гляциологический словарь. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 526 с. 6. Наговицын О. В., Лукичёв С. В. Развитие методов моделирования горно-геологических объектов в системе MINEFRAME // Информационные технологии в горном деле: докл. Всерос. науч. конф. с междунар. участием (12-14 октября 2011 г.). Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2012. С. 142-147. 7. Perla R. I. On contributory factors in avalanche hazard evaluation // Can. Geotech. J. 1970. 7 (4). P. 414-419. 8. Avalanche Classification // Hydrological Science Bulletin. 1973. 1 b, Nо. 4. P. 391-402. 9. Отуотер М. Охотники за лавинами. М.: Мир, 1972. 269 с. 10. Тушинский Г. К. Ледники, снежники, лавины Советского Союза. М., 1963. 312 с. 11. Бойко Е. С., Погорелов А. В. Оперативная оценка снегонакопления по данным воздушного лазерного сканирования // Геопрофи. 2008. № 1. С. 48-50. 12. Наземное лазерное сканирование: монография / В. А. Середович [и др.]. Новосибирск: СГГА, 2009. 261 с.
Сведения об авторах
Лукичёв Сергей Вячеславович - доктор технических наук, временно исполняющий обязанности директора Горного института КНЦ РАН E-mail: lu24@goi.kolasc.net
Любин Александр Нестерович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Горного института КНЦ РАН E-mail: ljubin@goi.kolasc.net.ru
Звонарёва Светлана Викторовна - программист Горного института КНЦ РАН; E-mail: s.zvonareva@mail.ru
Author Affiliation
Sergey V. Lukichev- Dr. Sci. (Eng.), Interim Director of the Mining Institute of the KSC of the RAS E-mail: lu24@goi.kolasc.net.ru
Alexander N. Lyubin - PhD (Eng.), Senior Researcher of the Mining Institute of the KSC of the RAS E-mail: ljubin@goi.kolasc.net.ru
Svetlana V. Zvonareva - Program Designer of the Mining Institute of the KSC of the RAS E-mail: s.zvonareva@mail.ru
Библиографическое описание статьи
Лукичёв С. В. Моделирование склона и снежного покрова для оценки лавинной опасности / С. В. Лукичёв, А. Н. Любин, С. В. Звонарёва // Вестник Кольского научного центра РАН. - 2016. -№ 2. - С. 52-59.
Reference
Lukichev S. V. Modeling of Snow Slope and Snow Cover to Assess Avalanche Hazard / S. V. Lukichev, A. N. Lyubin, S. V. Zvonareva // Herald of the Kola Science Centre of the RAS. - 2016. - Vol. 2. - P. 52-59.
