CC BY
128
УДК 528.44
Е.И. Аврунев, И.А. Гиниятов СГГ А, Новосибирск
МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПО ГЕОДЕЗИЧЕСКИМ НАБЛЮДЕНИЯМ
Ye.I. Avrunyov, I.A. Giniyatov
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
EARTH SUREFACE STATE MONITORING BY GEODETIC OBSERVATIONS
The authors present the algorithm for a priory accuracy ranking and mathematical treatment of geodetic observations in Earth’s physical surface monitoring, with a landslide taken as an example.
Итоги первого этапа земельной реформы, проводимой в Российской Федерации, выявили обострение негативные тенденций в состоянии земельного фонда страны в условиях перехода к рыночным земельным отношениям. Во многом это объясняется невозможностью принятия адекватных управленческих решений в связи с недостаточной информационной обеспеченностью органов государственного управления, физических и юридических лиц - землепользователей сведениями о земельных ресурсах. Необходимость в детальной информации о состоянии земель требует проведения постоянных наблюдений, т. е. ведения мониторинга земель.
Мониторинг земель представляет собой систему наблюдений за состоянием земельного фонда для своевременного выявления изменений, их оценки и предупреждения или устранения негативных последствий.
В естественных науках понятие «земля» представляет собой важнейшую часть окружающей природной среды, характеризующуюся пространством, рельефом, почвенным покровом, недрами, водами, растительностью, являющуюся главным средством производства в сельском и лесном хозяйстве и пространственным базисом для размещения всех отраслей человеческой деятельности [1]. Другими словами, «земля» включает в себя всю экологическую систему, в которой находится конкретный земельный участок, то есть весь комплекс факторов окружающей природной среды и естественных условий производства, которые определяют фактическое состояние земель, являющееся объектом наблюдений при мониторинге земель. Основные задачи мониторинга земель заключаются в оперативном выявлении изменений в состоянии земель, их оценке, выработке рекомендаций и управленческих решений, для предупреждения и устранения последствий негативных процессов, а также в информационном обеспечении государственного земельного кадастра, рационального землепользования и контроля за использованием и охраной земель.
Очевидно, что решение всего комплекса задач возможно лишь в результате анализа многомерных временных рядов комплексных топогеодезических, почвенных, агрохимических, геоботанических, мелиоративных и других наблюдений и обследований, которые отражают изменения в состоянии всех составляющих сложного природнохозяйственного комплекса, который и представляет собой «земля».
Учитывая всё вышеизложенное, можно выделить следующие основные блоки, которые необходимо наблюдать в процессе мониторинга земель: природные условия; почвенный покров; поверхностные и грунтовые воды; растительность; физическое состояние земной поверхности; загрязнение окружающей природной среды. Кроме того, должны быть отражены все изменения, происходящие в правовом и экономическом состоянии земель [2].
В общем случае изменения в состоянии земной поверхности (движения и деформации) могут быть обусловлены двумя основными факторами: природными условиями (землетрясения, вулканическая деятельность, оползни, сели и т. п.) и антропогенной деятельностью (опускания земной поверхности вследствие разработки полезных ископаемых, нарушения почвенного покрова и т. п.).
Одним из наиболее распространённых физико-геологических явлений в нашей стране, приводящих к значительным изменениям в состоянии земной поверхности, являются оползни [3, 4, 5]. Оползни широко распространены в долинах рек Волги, Оки, Камы, Оби и других рек, на берегах Черного, Азовского морей и озера Байкал. Особенно известны по причиняемому ими ущербу кавказские, крымские, волжские и байкальские оползни [3, 5].
Оползнями называют движения горных пород по склону под действием силы тяжести, связанные, в основном, с деятельностью поверхностных и подземных вод [5]. Оползни - это длительный временной процесс, характеризующийся неравномерными скоростями движения и переходящий при определенных условиях в катастрофическую фазу, при которой скорости движения составляют метры и десятки метров в сутки [6, 7, 8]. Огромное разнообразие оползневых явлений отражает многообразие факторов, которые могут нарушить устойчивость склонов. Наиболее важными из них являются: воздействие подземных и поверхностных вод; изменение крутизны склонов; дополнительные нагрузки, сотрясения и вибрации; мерзлотные воздействия; выветривание.
Для прогноза оползневых явлений ведутся систематические наблюдения, которые в зависимости от характера оползневого процесса могут быть разными. В настоящее время общепризнано, что наиболее точные количественные данные о движениях земной поверхности и оползнях, в том числе, позволяют получать геодезические методы.
Изучение траектории и скорости движения оползня осуществляется в процессе наблюдений за поведением деформационных пунктов,
закладываемых в теле оползня и последующей математической обработки и интерпретации результатов наблюдений.
Поставленная задача может быть решена, если через определенный интервал времени Дt = t2 - й в трехмерном пространстве Х, У, Н (рис. 1) относительно неподвижного начала системы отсчета будут определяться координаты деформационного знака А на момент времени й (х', у', ІЇ) и момент времени t2 (х”, у”, h “). Расстояние (Д), на которое сместится деформационный знак за интервал времени Д1:, может быть вычислено по формуле (1)
Дг = У(Х"-Х’)г -(У"-У)г
Дв = н"-н, Д =,/ д г + дВ
где Дг, Дв - соответственно горизонтальная и вертикальная составляющая полного перемещения деформационного пункта.
(1)
Скорость движения вычисляется по следующей формуле
V = Д =4 Дг+ Дв = ^ у2 + у2 (2)
М М У Г В ( )
где УГ,УВ - соответственно горизонтальная и вертикальная составляющая полной скорости движения (V) деформационного пункта.
Дирекционный угол вектора движения вычисляется по формуле У "-У'
“ = аШ%^х' ■ (3)
Для определения текущих координат на местности строится специальная геодезическая сеть, состоящая из деформационных знаков, заложенных в теле оползня, опорных пунктов, заложенных на неподвижном основании в непосредственной близости от оползня, и исходных пунктов. Выполняя в такой сети геодезические измерения, через определенный интервал времени А1 вычисляют текущие координаты деформационного знака и определяют скорость и траекторию движения по формулам (1)-(3). При этом проектировщики накладывают условие, чтобы точность определения координат деформационного знака относительно неподвижного начала
системы отсчета не превышала в плановом положении Шо, а в высотном положении шНо [10]. Поэтому при проектировании геодезической сети необходимо выполнить предрасчет необходимой точности измерения углов (шр), сторон (ш8) и превышений (шь), исходя из заданной средней квадратической ошибки (ш0 и шНо ) положения пункта в наиболее слабом месте сети.
Наличие в геодезических измерениях случайных ошибок приводит при вычислении движения деформационного знака (формула (1)) к возникновению ошибки (Шд). При небольших скоростях (V и ^) и незначительном интервале времени А1 возникает ситуация, когда движение деформационного пункта находится в пределах точности вычисления (шд). В этом случае движение деформационного знака считается не установленным, а сам деформационный пункт стабильным. Поэтому при априорной оценке точности геодезической сети необходимо установить критерий на основании которого оценивают значимость движения деформационного знака, полученного из математической обработки.
Следующим важным моментом является установление интервала времени А1 между циклами геодезических измерений. Неправильно назначенный интервал времени приведет либо к тому, что движение будет не установлено, либо к тому, что не будет с достаточной степенью подробности определена траектория движения деформационного знака. Поэтому при вычислении интервала времени А1 необходимо учитывать априорно заданную скорость движения ^’Г и V,В) и точность определения движения деформационного знака (шд).
Алгоритм априорной оценки точности и математической обработки наблюдений при построении геодезической сети для проведения мониторинга физической поверхности земли на примере оползня имеет следующий вид.
Необходимая точность угловых и линейных измерений вычисляется исходя из заданной СКО планового положения наиболее слабого пункта в геодезической сети ш0.
то
т Р =^= /7---- \ = ’
лА° XI + О У! ) МАХ т р
тБ =-----
где Ру - коэффициенты обратной весовой матрицы уравнений поправок в измеренные величины.
Необходимая точность измеренных превышений в запроектированной сети геометрического нивелирования вычисляется, исходя из заданной СКО высотного положения наиболее слабого репера шН0.
тно
^ = т1км = / ■
-у ОНтах
При математической обработке геодезической сети необходимо определить, является результат вычисления по формуле (1) движением деформационного пункта или эта величина Д вызвана влиянием только случайных ошибок измерений в двух циклах геодезических наблюдений. Для решения этой задачи рекомендуется следующий критерий, приведенный в работе [9]:
Д > Дшт,
где ДШт - минимальное движение деформационного пункта, которое может быть обнаружено при математической обработке геодезической сети. Вычисление горизонтальной составляющей выполняется по формуле:
Д мшг = 1*т дг = 1 * л/2 * трн д/соб2 а * Ох + а * Оу,
где 1 - статистический коэффициент, зависящий от доверительной вероятности оценивания значимости движения (Р = 95 % - 1 = 2; Р = 99 % - 1 = 2.5;
Р = 99.73 % - 1 = 3);
а - дирекционный угол движения деформационного знака;
0х3, 0у3 - весовые коэффициенты деформационного знака, которые соответствуют наиболее слабому пункту геодезической сети;
ШдГ - точность определения движения в горизонтальной плоскости.
Вычисление научно-обоснованного интервала времени А1:Г между циклами геодезических измерений в плановой геодезической сети рекомендуется выполнять в зависимости от скорости оползневого массива и точности вычисления координат деформационного знака по следующей формуле:
тдг л/2 * трн д/соб2 а * Ох + эт2 а * Оу
= —, -------=---------------. --------------------,
1 V0.IT * Vэ л/оЛГ * УГ
где V,Г - априорно заданная скорость движения в горизонтальной плоскости [10].
Вычисления интервала времени А1В для нивелирной сети можно выполнить по формуле
Л+ _ т ДВ _ V2 *тШл/°Н
А! в = —, -----=-----, -------,
л/от* у^ толг*ув
где V,В - априорно-заданная скорость движения оползня в вертикальной плоскости.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГОСТ 26640-85 Земли. Термины и определения [Текст] - введен с 01.01.87 г.-М.: Изд-во стандартов, 1992. - 8 с.
2. Гиниятов, И.А., Жарников, В.Б. О структуре и содержании мониторинга земель в современный период [Текст] / И.А. Гиниятов, В.Б. Жарников // Вестник Сибирской государственной геодезической академии. - 2000. - Вып. 5. - С. 25-27.
3. Руководство по инженерно-геологическим изысканиям на оползневых склонах Южного берега Крыма. - М, 1978.
4. Дружинин, М.К. Основы инженерной геологии / М.К. Дружинин. - М.: Недра,
1969.
5. Шведов, Г.И. Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты. - М.: Высшая школа, 1997.
6. Брайт, П.И. Геодезические методы измерения смещений на оползнях. - М.: Недра, 1965. - 116 с.
7. Климов, О.Д. Основы инженерных изысканий. - М.: Недра,1974. - 256 с.
8. Степанян, Г.И. Геодезические методы изучения динамики оползней. - М.: Недра, 1979.
9. Прикладная геодезия / Г.П. Левчук, Е.В. Новак, В.Г. Конусов. - М.: Недра, 1981. - 438 с.
10. Аврунев, Е.И. Теория расчета точности инженерно-геодезических сетей: учебное пособие / Е.И. Аврунев. - Новосибирск: СГГА, 1995. - 34 с.
© Е.И. Аврунев, И.А. Гиниятов, 2008
