CC BY
97
ГЕОМОНИТОРИНГ ОПОЛЗНЕВЫХ ПРОЦЕССОВ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ И ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
Владимир Михайлович Лазарев
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, заведующий кафедрой геодезии, к.т.н., доцент, тел. 8-3822-472-881,е-mail: lazarevvm@mail.ru
В статье исследуются актуальные вопросы решения важной научно-технической проблемы развития и комплексного использования методов геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга оползнеопасных территорий с использованием современных геодезических технологий для раннего предупреждения об активизации опасных природных и техноприродных процессов.
Ключевые слова: геоэкологический мониторинг, факторы развития опасных
процессов, инженерная защита, зонирование территорий.
GEOMONITORING OF LANDSLIDES PROCESSES IN THE URBANIZED TERRITORIES WITH APPLICATION OF MODERN GEODETIC AND GEOPHYSICAL TECHNOLOGIES
Vladimir M. Lazarev
Tomsk state university of architecture and building 2, Pl. Solyanaya, Tomsk, 634003, Russia, Head of the Geodesy Department of Tomsk State University of Architecture and Building (TSUAB), Associate Professor, Ph.D., e-mail: lazarevvm@mail.ru
In article pressing questions of the decision of an important scientific and technical problem of development and complex use of methods of geodetic maintenance of geoecological monitoring of dangerous processes territories with use of modern geodetic technologies for the early prevention of activization dangerous natural and anthropogenic processes are investigated.
Key words: geoecological monitoring, factors of dangerous processes expansions, engineering protection, zoning of territories.
Существенное улучшение экологического состояния урбанизированных территорий и обеспечение их геоэкологической безопасности возможно только при разработке и реализации комплексных решений для природно-технических систем (ПТС), как единого целого, что невозможно без прогнозирования ожидаемых экстремальных явлений и организации инженерной защиты от их влияния. В связи с этим становится актуальным решение важной научнотехнической проблемы развития и обоснования методов как самого геоэкологического мониторинга оползнеопасных территорий, так и системы его геодезического обеспечения с использованием современных геодезических технологий, что требует как разработки теоретических основ контроля за развитием опасных процессов и их раннего предупреждения, так и теоретического обоснования объединения различных геодезических и
геофизических методов и технологий в рамках комплексного геоэкологического мониторинга.
Основополагающим методом изучения оползневых процессов различного генезиса являются геодезический метод, обеспечивающий объективную характеристику пространственных процессов, а геодезический мониторинг дает пространственно-координатную основу для интегрирования других геоэкологических методов и для принятия оптимальных управленческих решений. Актуальность данной тематики подтверждается созданием в рамках международного научного конгресса «ГЕО-СИБИРЬ-2010» постоянно действующего семинара «Раннее предупреждение и управление в кризисных и чрезвычайных ситуациях», ориентированного на применение геодезических методов.
Проблема мониторинга оползневых процессов на урбанизированных территориях актуальна уже давно, но до окончательного ее решения еще далеко. Так например в материалах международной конференции "Инженерная защита территорий и безопасность населения...", 2011 г., г. Москва, прямо говориться, что «в свете происходящих в настоящее время глобальных климатических изменений и все возрастающего усиления техногенной нагрузки на природную среду, представляется необходимым . разработать способы защиты территорий и обеспечения безопасности населения от различных видов природных опасностей». Выполненный в работе анализ существующих геодезических методов, традиционно используемых для исследования и контроля за такими природными опасностями, как оползневые процессы показал, что оценку состояния и устойчивости ПТС необходимо решать в комплексе на основе системного подхода, который дает возможность своевременно выявить не только начало активизации, но и как указано в работе [2] установить закономерности и особенности развития самих оползневых процессов. Для контроля за развитием глубинных оползневых деформаций, за состоянием самого оползневого массива, его горизонтальными и вертикальными смещениями, а также за деформациями зданий и инженерных сооружений на склоне, необходимо кроме классических методов геодезии применять еще и современные спутниковые геодезические технологии, и геофизические (магнитометрические) методы измерений глубинных оползневых деформаций, и методы статистического моделирования и математического прогнозирования с учетом особенностей движения активных оползней, что потребовало разработки теоретических и технологических основ объединения различных технологий измерений и методов статистического моделирования в рамках комплексной программы геоэкологического мониторинга, что в целом позволяет успешно решить поставленные выше проблемы прогнозирования, раннего предупреждения и управления опасными процессами, так как такая система уже приобретает новые свойства, становится технически более совершенной, результаты одного метода подтверждают результаты другого, значительно повышая достоверность установления закономерностей и прогноза развития опасных процессов, что необходимо для организации инженерной защиты и принятия управленческих решений.
Включение в систему геомониторинга геофизических методов АМКОД и методов статистического моделирования позволяют, как указано в [2] повысить эффективность геодезических исследований для выявления особенностей и закономерностей динамики оползневых процессов.
При этом развитие и совершенствование геодезических методов изучения оползневых процессов будет безусловно способствовать не только повышению качества проектирования мероприятий по инженерной защите территорий и по обеспечению устойчивости зданий и сооружений, но и повышению результативности методов математического моделирования и прогноза.
Как было установлено, точность определения векторов смещения реперов традиционными способами путем использования метода триангуляции или линейно-угловых построений зависит от точности определения их координат, которая в свою очередь в существенной мере зависит от геометрии геодезической сети, расположения опорных пунктов в сети и их неподвижности и часто не позволяет получить надежных выводов о перемещении грунтового массива в непосредственной близости от жилых домов
В связи с этим для наблюдений за оползневыми процессами в мкр. «Солнечный» были использованы спутниковые методы наблюдений с использованием GPS-приемников, которые позволяют определять пространственное положение объектов на земной поверхности на основе спутниковых геодезических (навигационных) систем. При этом спутниковая сеть, в отличии от традиционной геодезической сети, образует трехмерную пространственную систему с примерно равными по точности координатами. Этот метод дополняет и вытесняет такие классические методы, как полигонометрия, триангуляция, трилатерация и другие. Основным достоинством спутниковых методов измерения является их глобальность, оперативность, всепогодность, оптимальная точность и эффективность. Для измерений не нужна видимость между определяемыми пунктами. При высотах ИСЗ над горизонтом менее 10° (Z > 80°) атмосферные задержки сигналов превышают 10 м. Поэтому из наблюдений исключались спутники с высотой <15°. В реальной антенне сдвиг по фазе зависит от направления на спутник, поэтому во всех циклах наблюдений антенна ориентировалась на север.
Наблюдения выполнялись наиболее точным, хотя и трудоемким способом статики. Точность статики зависит от продолжительности измерений и достигает до 1 мм в плане и 2 мм по высоте. Обычно продолжительность наблюдений на паре станций составляла около одного часа. За это время происходило накопление измерений, выполняемых через интервал в 1 секунду. Базисные линии и пространственное положение пунктов опорной линейноугловой сети определялись в системе геоцентрических координат WGS-84 c использованием комплекта GPS-приемников Legacy-E, (L1+L2), фирмы «JAVAD POSITIONING SYSTEMS» (США). По результатам измерений формировались разности из наблюдений на станциях, а затем по разностям, свободным от многих искажений, вычислялся соединяющий эти станции вектор D:
D = (Xb - Xa, Yb - Ya, Zb - Za)t
Точность определения наклонных дальностей (длин векторов) между базовыми и определяемыми пунктами, как показано в табл. 2, составила порядка 0,6 мм ( предельная - 1,8 мм.)
Таблица 2. Результаты спутниковых наблюдений (В1в1апсе-Л21ши1Ь-Е1еуайоп)
№ Stations Coordinates Sigmas (mm)
from - to Distance(m) Azimuth Elevation s(D) s(A) s(E)
1 reper2-reperl 376.7312 280o 20'31.98" -0o 1446.22" 2.5 3.2 6.2
2 reper2-герегЗ 279.3495 114o 29 '31. 03" 0o 1948.38" 0.6 0.6 1.2
3 reper2-reper4 533.2533 121o 12'38.82" 0o 11'36.88" 0.4 0.6 1.3
Mean weight matrix's estimations: 0.6 0.7 1.5
Азимуты (углы) и превышения измерялись с точностью 0,7-1,5 секунды (предельная погрешность 2,1 -4,5 секунды). Результаты измерений смещений реперов № 7 и 13 приведены на рис. 3, где все точки, характеризующие смещения реперов № 7 и № 13 находятся в пределах окружности с радиусом 5-6 мм, что подтверждает ранее сделанные выводы о стабильном положении этих реперов и только в последних циклах наблюдений зафиксированы реальные подвижки реперов.
Репер 13 Репер 7
Рис. 3. Графики горизонтальных перемещений Рп.13 и Рп.7 по результатам спутниковых измерений
Для контроля и для случаев, когда применение спутниковых методов невозможно или затруднено, часть элементов сети (углов и расстояний) измерялась традиционными методами геодезии. Для определения плановых перемещений грунтовых (наблюдательных) реперов в процессе слежения за оползневыми процессами необходимо перейти от геоцентрической системы координат WGS-84 к местной системе плоских прямоугольных координат на плоскости. Дальнейшие исследования позволили на основе анализа изменения пространственного положения центра тяжести совокупности измеренных положений пунктов в циклах наблюдений, как показано на рис. 4, разработать и впервые применить на практике новую методику выявления тренда в медленных смещениях грунтовых реперов с использованием формул (1) на базе
как классических, так и спутниковых измерений, что позволило решить актуальную задачу [2] контроля стабильности пунктов и повысить точность определения координат пунктов опорной сети в несколько раз и значительно уменьшить время и стоимость наблюдений.
Данная методика позволяет оценить случайные погрешности измерений и влияние геометрии опорной геодезической сети на точность определения величины и направления смещения грунтовых реперов и выявить реальные деформации сети. Включение в систему мониторинга магнитометрических методов (АМКОД) контроля глубинных оползневых деформаций позволило заранее предсказать начало активизации оползневых процессов и организовать высокоточные геодезические наблюдения с использованием современных спутниковых технологий. Достоверность результатов исследований подтверждается практической реализацией предложенных методов и моделей при обосновании и практической реализации системы геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга оползневых процессов на территории г. Томска.
Рис. 4. Оценка стабильности положения пункта опорной геодезической сети при наблюдениях за оползневыми процессами
Таким образом, на практике было доказано, что геодезический мониторинг является важнейшей составляющей системы геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга, поскольку обеспечивает его пространственновременную привязку, являясь координатной основой и позволяет определить факторы, влияющие на состояние и развитие природно-технических систем. Разработанная комплексная технология геодезического контроля за оползневыми процессами и деформациями инженерных сооружений на оползневом склоне позволила выявить взаимно стабильные пункты, что согласно [1] создает условия для содержательного анализа и интерпретации геодинамики оползней. Разработанная система была применена в процессе реализации системы геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга на территории г. Томска [2] и доведена до практических рекомендаций при решении градостроительных задач и корректировке генерального плана застройки города Томска с учетом развития опасных природных и техноприродных процессов, непосредственно влияющих на
обеспечение геоэкологической безопасности природно-технических систем на урбанизированных территориях в процессе их эксплуатации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Васильев Е.А., Гуляев Ю.П., Павловская О.Г. О повышении эффективности геодезических исследований динамики оползневых склонов.//Геодезия и картография. -2010. - № 9. - С. 6-9.
2. Ольховатенко В.Е., Рутман М.Г., Лазарев В.М. Опасные природные и техноприродные процессы на территории г. Томска и их влияние на устойчивость природно - технических систем. Томск: Печатная мануфактура, 2005. - 152 с.
© В.М. Лазарев, 2012
