CC BY
53
Федеральный иентр науки и высоких технологий «Всероссийский научно-исслеловательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций»
УДК 614.8: 551
Ю.В. Нарышкин (ПУРЦ МЧС России), В.Б. Болтыров д.г.-м.н. (УГГИг. Екатеринбург),
О.А. Медведев (Приволжско-Уральский филиал ФГУ ВНИИ ЮЧС( ФЦ))
КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОПАСНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНО - ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ТЕРРИТОРИИ
ПРИВОЛЖСКО-УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА
Y.Naryshkin, V.Boltyrov, О.Medvedev Privolzhsko-Uralsky division of FGU VNII GOChS (FC) CREATION CONCEPT OF MONITORING SYSTEM AND SYSTEM OF FORECASTING OF DANGEROUS GEOLOGICAL AND ENGINEERING PROCESSES ON THE TERRITORY OF
PRIVOLZHSKO-URALSKY REGION
В статье рассматриваются особенности проявления опасных геологических и инженерно-геологических процессов на территории субъектов Приволжско-Уральского РЦ МЧС России и обосновывается концепция создания единой системы их мониторинга и прогнозирования.
Article examines specific geological and engineering processes on the territory of Privolzhsko-Uralsky region and justifies the concept of unified monitoring and forecasting.
Вотличис от геологических источников ЧС природного характера, гидрологические и метеорологические процессы охвачены системой надежного и постоянно действующего наблюдения и контроля со стороны разного уровня гидрометцентров, которые в режиме реального времени отслеживают любые изменения погодных и гидрологических условий. Опасные геологические и инжеиерно-гео-логические процессы (ОГП) развиваются в геологической среде, представляющей собой многокомпонентную, многомерную и полихрон-ную нелинейную открытую систему, которая к тому же изменяется в органичном взаимодействии с атмосферой, гидросферой, биосферой и техносферой. Поэтому создание единой системы мониторинга и прогнозирования ОГП на конкретной территории представляется весьма сложной, но решаемой задачей. При этом многообразие, сложность и многофакторность ОГП, а также ограничения отдельных методов их изучения требуют применения комплексного подхода, принципа системности мониторинга и прогнозирования.
Система мониторинга и прогнозирования опасных геологических и инженерно-геологических процессов (СМиП ОГП) на территории субъектов Приволжско-Уральского РЦ МЧС России (ПУРЦ) призвана осуществлять информационное обеспечение соответствующего территориального центра мониторинга, лабораторного контроля и прогнозирования ЧС природного и техногенного характера ГУ МЧС России территориального центра мониторинга (ТЦМП ЧС) конкретного субъекта ПУРЦ.
Создание СМиП ОГП обусловлено необходимостью совершенствования организации работ в области своевременного выявления и предупреждения угроз природного и природно-техногенного характера, постоянно присутствующих или периодически возникающих на территориях субъектов ПУРЦ.
Предложенная концепция определяет цель и задачи, состав и структуру работ в области создания, использования и развития СМиП ОГП на территории субъектов ПУРЦ.
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
1. Цель, задачи, структура и финансирование системы мониторинга и прогнозирования ОГП
1.1. Целью создания СМиП ОГП является последовательное снижение до минимального уровня риска воздействия опасных геологических и инженерно-геологических процессов на людей, здания и сооружения на территории субъекта ПУРЦ.
1.2. Задачами СМиП ОГП являются:
а) информационная поддержка разработки и реализации мер по своевременному прогнозированию, выявлению и предупреждению ЧС природного и природно-техногенного характера, связанных с опасными геологическими и инженерно-геологическими процессами;
б) сбор, обработка, анализ и представление в ТЦМП ЧС информации о потенциальных источниках ЧС природного и природно-техногенного характера и причинах возникновения ЧС на изучаемой территории;
в) объединение систем наблюдения различных отраслевых (региональных) служб, осуществляющих мониторинг состояния геологической среды (сейсмичность, карст, оползневая опасность и др.);
г) создание, поддержание и развитие банка данных о ЧС природного и природно-техногенного характера, связанных с опасными геологическими и инженерно-геологическими процессами на изучаемой территории;
д) создание ГИС-технологии картографирования; математическое и физическое моделирование опасных геологических и инженерно-геологических процессов.
1.3. Система мониторинга и прогнозирования ОГП предполагает территориальный, местный, локальный и объектовый уровни, определяемые целью, задачами, масштабом и содержанием тематических исследований.
1.4. Для проведения тематических исследований по созданию СМиП ОГП на конкретной территории создаются временные творческие коллективы, состоящие из специалистов соответствующего профиля (геологи, геофизики, геоморфологи и др.).
1.5. Общее руководство и финансирование работ по созданию СМиП ОГП на конкретной территории возлагается на Главное управление МЧС соответствующего субъекта ПУРЦ.
1.6. Методическое руководство и координация работ по созданию СМиП ОГП по территории
I Приволжско-Уральского регионального центра МЧС России возлагается на базовую кафедру ПУРЦ - кафедру геологии и защиты в ЧС Уральского государственного горного университета.
2. Особенности проявления опасных геологических и инженерно-геологических процессов на территории субъектов ПУРЦ МЧС России
2.1. Современные литосферные процессы на 1 рассматриваемой территории можно подразделить I на геологические и инженерно-геологические. Среди геологических процессов выделяются эндогенные.
экзогенные и космогенные. Если геологические процессы обусловлены естественными природными факторами, то инженерно-геологические процессы причинно связаны с техногенными факторами: буро-взрывными и горными работами, статическими и динамическими нагрузками от зданий и сооружений, транспорта и различных механизмов, утечками из водонесущих коммуникаций, откачками подземных вод, изменениями физических полей и т.д.
2.2. Эндогенные процессы на рассматриваемой территории представлены сейсмогенными и асейсмогенными тектоническими движениями. Хотя территория ПУРЦ МЧС не относится к основным сейсмоопасным регионам России, тем не менее, согласно карте сейсмического районирования РФ-ОСР-97-С значительная часть территории Свердловской области и Пермского края отнесена к зонам 7 и 8-балльной сейсмичности по шкале МБК-64 для средних грунтов. В 8-балльной зоне расположены такие крупные промышленные центры как Екатеринбург и Первоуральск, а в 7-балльной зоне
- Пермь, Чусовой, Нижний Тагил, Серов, Кизел, Кариинск, Североуральск, Бслоярский и др. [2)
Сейсмогенные движения, сопровождающиеся землетрясениями, обусловлены не только природной составляющей геодинамических процессов. С 1914 г. по 2002 г. на Урале было зарегистрировано 70 сейсмических событий, их которых 34 отнесены к горно-тек-тоничнеким ударам, природа 28 не выяснена. Причиной 7 событий стали обвалы, карстовые явления, взрывы и горные удары. Только одно событие, произошедшее 17 августа 1914 г. в 50 км к северо-западу от г. Екатеринбурга, было отнесено к тектоническому землетрясению. Интенсивность землетрясения была оценена в 6 баллов, магнитуда в очаге составляла 5,5 единиц, а глубина очага определена в 26 км. Таким образом, большинство землетрясений, имевших место в Уральском регионе, связаны с техногенными геодинамическими процессами. Произошли они в основном на горнодобывающих предприятиях [2].
2.3. Асейсмогенные тектонические движения, как и сейсмогенные, обусловлены иерархично-бло-ковым строением литосферы. Благодаря наличию блоков различных порядков, их подвижности и сложным перемещениям относительно друг друга осуществляется саморазвитие Земли, ее приспособление к различным проявлениям как внутренних, так и внешних, в том числе космических сил.
Асейсмогенные движения подразделяются на два вида: трендовые, или однонаправленные, и цикличные |5|. С первыми связаны медленные опускания и поднятия блоков горных пород, а также их смещения в горизонтальном или иных направлениях. Здания и сооружения, попадающие на активные межблоковые зоны с выраженным трендовым движением, испытывают деформации по достижении в их конструкции предельных напряжений, а разрушаются в результате превышения трендовыми деформациями допустимых значений.
Цикличные движения более распространены.
их воздействие на объекты экономики более многогранно и, в зависимости от частоты циклов, они выражаются как в непосредственном влиянии деформаций па сам объект, так и опосредованно через изменение свойств массива горных порол в разломных зонах под влиянием переменных цикличных движений. Причинами аварий и катастроф в случае цикличных движений являются превышение допустимых значений этих деформаций по амплитуде, проявление усталостных эффектов в материале конструкций.
Трендовые движения отражают перемещения блоков горных пород и причинно связаны с изоста-зией, просадочными явлениями или ротационными силами, тогда как цикличные движения связаны с солнечно-лунными притяжениями, т.е. имеют космогенное происхождение.
2.4. Экзогенные процессы связаны как с естественными природными источниками энергии, так и хозяйственной деятельностью человека. К природным процессам относятся физическое и химическое разрушение горных пород (процессы выветривания), воздействие поверхностных и подземных вод, гравитационных сил, криогенных процессов и др.
На рассматриваемой территории проявляются гравитационные процессы - оползни, обвалы, осыпи, плоскостной смыв и другие недифференцированные склоновые процессы; флювиальные процессы
- речная эрозия и оврагообразование; инфильтраци-онные процессы - карбонатный и сульфатный карст, суффозия (просадки лёссовидных грунтов), валы пучения на диатомиговых, монтмориллонитовых, каолинитовых глинах; криогенные процессы — термокарст, солифлюкция, криогенное (сезонное) пучение, курумообразование; болотообразующие процессы — заболачивание, загорфовывание водоемов (образование торфяников), болотная солифлюкция; абразионные и эоловые процессы (дефляция, корразия. эоловая аккумуляция) и др.
На рассматриваемой территории широко распространены также техногенные, инженерно-геоло-гические процессы: переработка берегов водохранилищ, понижение уровня фунтовых вод и образование депрессионных воронок, подтопление; накопление техногенных образований в виде свалок бытовых и промышленных отходов, отвалов горных пород, хвостохранилиш и отстойников и др.
3. Мониторинг опасных геологических процессов на конкретной территории
3.1. Основная цель изучения ОГП - получение исходной информации, необходимой для обоснования эффективных мероприятий по предотвращению проявлений этих процессов на рассматриваемой территории.
При этом необходимо решить следующие задачи:
- определить пространственное распространение и генетическую приуроченность к тем или иным структурно-вещественным и геолого-геоморфологи-ческим комплексам различных типов, видов и разновидностей ОГП;
- выявить основные и производные факторы, определяющие развитие ОГП;
- составить прогноз развития ОГП в пространстве и во времени.
Решение первых двух задач осуществляется в ходе специального обследования территории или в процессе ранее проведенных комплексных или специальных инженерно-геологических и других видов съемок и исследований. В результате должна быть получена системно организованная информационная основа в виде комплектов сопряженных тематических карт и материалов специализированного дистанционного зондирования. В зависимости от решаемых задач эти комплекты разрабатываются в обзорном, региональном, локальном и детальном масштабах |3].
Материалы дистанционного зондирования в процессе ретроспективного мониторинга группируются по определенным временным интервалам. Продолжительность отрезков времени между повторными дистанционными съемками зависит от интенсивности изменений ОГП во времени: от высокодинамичных объектов, где периодичность дистанционного зондирования определяется продолжительностью цикпа развития ОГП (сезон, месяц, сутки и т.д.) до стабильных объектов с периодичностью дистанционного зондирования в десятки лет.
3.2. В итоге ретроспективного мониторинга на сопряженных тематических картах и материалах специализированного дистанционного зондирования исследуются системные взаимосвязи природных и техноприродных объектов и устанавливаются закономерности пространственно-временного распределения экологически и экономически значимых изменений объектов. На основе этих закономерностей применительно к каждой группе объектов разрабатывается программа мониторинга в масштабе реального времени.
Эффективность мониторинга в масштабе реального времени резко возрастает при рациональном комплсксировании работ, выполняемых синхронно в обзорном, региональном, локальном и детальном масштабах |3|.
3.3. По результатам ретроспективного мониторинга и мониторинга в масштабе реального времени разрабатываются и постоянно пополняются комплекты сопряженных тематических карг и материалов специализированного дистанционного зондирования. Их совместная обработка позволяет выявить закономерности пространственно-временного распределения ЧС и наметить зоны (участки, полосы), наиболее предрасположенные к возникновению тех или иных ЧС. Эти данные, а также временная привязка ЧС, выполненная при ретроспективном мониторинге. позволит сделать обоснованный пространственно-временной прогноз возникновения и развития ЧС. На базе этого прогноза разрабатывается и реализуется программа мониторинга ЧС. По завершении ликвидационных работ сведения о ЧС наносятся на соответствующие тематические карты, и материалы
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
дистанционного зондирования и обрабатываются в общем комплексе сопряженных работ.
4. Прогноз и моделирование ОГП на конкретной территории
4.1. Подготовка инженерно-геологических карт прогноза активизации ОГП является заключительным этапом прогнозирования. Карты составляются для каждого типа ОГП. Основой для создания инженерно-геологических карт прогноза активиза-
! ции ОГП являются: карта распространения и условий развития ОГП; карта районирования по интенсивности проявления пораженности территорий ОГП. Составлению карт условий развития и интенсивности проявления ОГП предшествует инженерно-геологическое районирование, выполненное различными методами по различным принципам и показателям, в зависимости от характера решаемых задач и масштабов исследований [3].
4.2. Прогноз геодинамической устойчивости зданий и сооружений. Для решения проблем устойчивости инженерных сооружений целесообразно использовать комплекс дистанционных, геологических, геоморфологических, геофизических и геохимических методов исследования массивов горных пород, выявления потенциально опасных тектонических нарушений (разломов), геодинамическая активность которых может послужить причиной возникновения катастроф 11 ].
Для получения достоверной информации о структуре массива горных пород и состоянии пород в зонах тектонических нарушений, которые могут вызвать разрушение инженерных сооружений в результате трендовых или цикличных движений, может быть рекомендован следующий комплекс методов:
а) обычное или компьютерное линеаментное дешифрирование с использованием топографических карт, аэрофото- и космических снимков;
б) построение карты разломной тектоники территории с использованием геологических, геофизических, геоморфологических, геохимических данных и результатов линеаментного дешифрирования;
в) наземная заверка выявленных разломов с помощью геофизических и геохимических методов,
позволяющих выявить состояние тектонических нарушений и качественно оценить их геодинамическую активность;
г) использование современных высокоточных методов традиционной и спутниковой геодезии, позволяющих производить как дискретные измерения, так и регулярный мониторинг деформаций и напряжений в верхней части земной коры в пределах урбанизированных территорий для оценки численных параметров геодинамической активности тектонических движений, а именно: скорости, амплитуды и частоты.
4.3. Моделирование опасных геологических процессов. Основным достоинством моделирования как метода познания окружающего мира является возможность получать данные о явлениях и процессах, не доступных непосредственному изучению. Особенно это касается сложных природных процессов (землетрясения, асейсмогенные движения, оползни, сели, карст и т.д.), проявляющихся в большом многообразии их типов и особенностей развития. При этом природные среды представляют собой сложные системы, поведение которых определяется протеканием многих параллельно идущих процессов разного характера. При математическом моделировании дается математическое описание изучаемого процесса с формированием соответствующей модели в виде уравнений, систем уравнений, отражающих связь между учитываемыми факторами и прогнозируемыми параметрами, характеризующими состояние и динамику процесса |3].
Для диагностики ОГП и оценки изменений геологической среды в результате естественных причин и хозяйственной деятельности человека особое значение приобретают автоматизированные постоянно действующие эволюционные модели, апробированные в ряде регионов России [3]. Это сложные человеко-машинные информационно-вычислительные комплексы, вырабатывающие управленческие решения (рекомендации) по защите территории в случае возможной активизации ОГП на основе оперативной обработки результатов текущих натурных наблюдений и их прогнозирования с использованием соответствующих математических моделей.
Литература
1. Болтыров В.Б., Нарышкин Ю.В. Разломы и катастрофы: Учебное пособие. -Екатеринбург: Изд-во УГГУ. 2005. -110 с.
2. Маловичко А.А. Изучение и мониторинг природной и техногенной сейсмичности Урала // Вестник УрО РАН. - 2004. - №2 (8).
3. Опасные экзогенные процессы/ В.И.Осипов, В.М.Кутепов, В.П.Зверевидр./Подред. В.И.Осипова. -М.: ГЕОС, 1999.- 290 с.
4. Рекомендации по оценке геологического риска на территории г. Москвы / Под ред. А.Л.Рагозина / Москомархитектура, ГУ ГОЧС г. Москвы. - М.: Изд-во ГУП НИАЦ, 2002. - 49 с.
5. Sashourin A.D., Panzhin А.А., Kostrukova N.K., Kostrukov О.M. Field investigation of dynamik displacements in zone tectonic breakind/fock mechanics - a challenenge for society Proceedings of the ISRM regional Simposium EUROCK 2001. Espoo, Finland (Balkema) Rotterdam (Brook field), 2001.
