Оценка карстовой опасности в Заречной части Нижнего Новгорода с применением ГИС-технологий

Постоянный рост объемов инженерно-геологических изысканий и, как следствие, увеличение инженерно-геологической информации сделали актуальной задачу систематизации и анализа инженерно-геологических материалов прошлых лет, их использование для проведения текущих работ, построения прогнозных карт, ведения мониторинга опасных геологических процессов для целей градостроительства. Формирование пространственных инженерно-геологических данных является одной из основ, используемой в градостроительной деятельности. Применение геоинформационных технологий увеличивает эффективность и качество систематизации, анализа, ввода, хранения и обработки геологических материалов. Это предопределило актуальность исследований. Важным направлением этой работы является оценка влияния опасных геологических процессов (ОГП) на городскую территорию, в частности, оценка ее устойчивости к карстовым процессам путем зонирования территории, прогнозирование провалообразования, что, в свою очередь необходимо для принятия решения по выбору площадки для строительства с точки зрения технико-экономического обоснования.

Цель работы — оценка карстовой опасности для объектов промышленного и гражданского строительства и исследование влияния природных факторов на провалообразование с применением ГИС на основе банка данных геологической информации (на примере Заречной части Нижнего Новгорода).

Основные задачи исследования:

1. Анализ опыта использования ГИС-технологий для оценки карстовой опасности.

2. Сбор, анализ и систематизация сведений о геологическом, гидрогеологическом, тектоническом строении? территории, результатов исследований, проведенных для изучения карста. Определение условий и факторов развития карста Заречной части города. Структурирование данных инженерно-геологических изысканий.

3. Оценка карстовой опасности Заречной части города.

4. Построение цифровых карт природных факторов, оценка влияния этих факторов на провалообразование (участок Автозаводского района Заречной части города).

Методы исследований — работа выполнена в программном комплексе «Карта 2005» (разработка КБ «Панорама», г. Ногинск), предназначенном для создания и редактирования карт, решения прикладных задач и разработки специализированных ГИС-приложений.

Фактическая основа исследований — в основу исследований положены архивные материалы ОАО «НижегородТИСИЗ»: отчеты по объектам промышленного и гражданского строительства, тематические работы, проведенные для изучения карста и оценки карстовой опасности в Заречной части Нижнего Новгорода.

Научная новизна.

1. Разработаны методические приемы районирования Заречной части города по карстовой опасности и моделирования геологической среды для проверки правильности представлений о влиянии природных факторов на карстовое провалообразование с использованием ГИС.

2. Выявлены тенденции в формировании поверхностных карстопрояв-лений Заречной части Н.Новгорода. Это позволяет во многих случаях проводить инженерно-геологические аналогии с использованием относительно хорошо изученных закономерностей провалообразования в карстовом районе Дзержинска.

3. Установлено, образование карстовых провалов маловероятно при мощности глин, перекрывающих растворимые породы, более 10 м, что совпадает с пороговым значением мощности для г. Москвы. Объективность этого критерия подтверждена в результате применения ГИС-технологий.

Защищаемые положения:

1. Применение ГИС-технологий для оценки карстовой опасности требует не только создания четкой системы ввода, организации и хранения данных, получаемых в ходе инженерно-геологических изысканий, но и глубокого понимания особенностей развития карста и формирования его подземных и поверхностных проявлений, характерных для исследуемой территории.

2. Особенности формирования карстовых провалов в Заречной части Нижнего Новгорода отражает карта районирования этой территории по карстовой опасности, построенная с применением ГИС-технологий на основе определенных принципов, учитывающих опыт оценки карстовой опасности на территории Москвы.

3. Сравнительный анализ построенных с помощью ГИС-технологий двухмерных цифровых моделей карт позволил: а) дать количественную оценку влияния природных факторов на интенсивность карстового провало-образования для одного из участков Заречной части Нижнего Новгородаб) сделать вывод о том, что провалообразование маловероятно там, где мощность глин, перекрывающих карстующиеся породы, превышает 10 мв) выявить тенденции в формировании карстовых провалов на исследуемой территории, аналогичные тенденциям, характерным для территории Дзержинска Нижегородской области.

Практическая ценность работы.

Предложенные автором принципы моделирования геологической среды с применением ГИС используются для. построения геологических карт.

Созданная автором технологическая схема построения электронной модели карты районирования по карстовой опасности, являющейся важным элементом комплексной строительной оценки территории, может использоваться при создании таких карт на других территориях. Методические приемы структурирования архивных материалов могут эффективно применяться при создании электронных геологических фондов в трестах инженерно-строительных изысканий. Метод оценки влияния природных факторов на провалообразование с применением ГИС может быть использован для получения дополнительной информации о формировании провалов, что необходимо для их обоснованного прогнозирования и рационального выбора защитных мероприятий.

Реализация и внедрение результатов работы.

Представленные в данной работе результаты используются в ОАО «НижегородТИСИЗ» при решении производственных задач, создании фондов ГИС ГЕОТОП «Инженерные изыскания» по архивным материалам этой изыскательской организации и для построения электронных геологических карт на территорию города.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-практической конференции молодых ученых в ОАО «ГШИИИС» (г. Москва, апрель 2006 г.) — VI межрегиональной научно-практической конференции Департамента архитектуры и градостроительства Нижегородской области «Новые информационные технологии — инструмент повышения эффективности управления» (г. Нижний Новгород, апрель 2007 г.) — IV общероссийской конференции «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (г. Москва, 18−19 декабря 2008 г.).

Публикации — по теме диссертации автор имеет 9 публикаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц и 14 рисунков, 6 приложений. Работа состоит их введения, 5 глав, заключения и списка литературы, включающего 115 наименований.

Благодарности. Особую благодарность автор приносит В. В Толмачеву (ОАО «Противокарстовая и береговая защита», г. Дзержинск) за информационную поддержку и ценные советы и своему научному руководителю. В. П. Хоменко (ОАО «ПНИИИС») за постоянную помощь и консультации. Автор приносит благодарность руководству и коллективу ОАО «НижегородТИ-СИЗ» за предоставление необходимых архивных материалов и техническую поддержку, а также хотел бы особо отметить неоценимую помощь в работе над диссертацией, оказанную начальником производственно-технического отдела JI.A. Кириенко. Автор глубоко признателен H.JI. Шешене, А.Н. Хац-кевичу, С. Н. Титкову (ОАО «ПНИИИС»), В. В. Дмитриеву (РГГРУ) за ценные рекомендации и конструктивную критику рукописи.

Основные результаты, проведенные автором лично [Соколова, 2006; 2007; 2008; 2009; 2010 (в печати)] и в соавторстве [Кириенко, Соколова, 2007; Соколова, Хоменко, Толмачев, Алешина, 2010] оценки карстовой опасности Заречной части города заключаются в следующем:

1. Разработана технологическая схема построения цифровой модели карты районирования по карстовой опасности на основе банка данных инженерно-геологической информации. Обоснованы критерии оценки карстовой опасности, выбор аналитической модели и метода решения, проведена оценка качества информации и достоверности построенной карты.

Технология построения электронной карты карстовой опасности включала рад последовательных операций: систематизация и сбор архивных материалов, создание классификатора и баз данных, определение принципов выделения районов карстовой опасности, группирование выработок и карстопроявлений на классы и геокодирование их на карту, построение сплайнов, преобразование сплайнов в площадные объекты, представляющие собой участки различной степени карстовой опасности.

Районирование Заречной части города по карстовой опасности проводилось на основе признаков, определенных автором: размеры карстовых полостей в растворимых породахвид заполнителя карстовых полостеймощность татарских глин, перекрывающих карстующиеся породы, наличие в них карстовых полостейразмеры градиента вертикальной фильтрацииприсутствие поверхностных проявлений карста.

В качестве аналитической модели геологических объектов выбраны сплайн-функции (сплайны). Они обладают необходимой гибкостью, удобны в работе и сравнительно просты. Построить карту в таком случае значит, опираясь на результаты экспериментов, найти значение параметров модели.

Метод группирования на классы основывается на природных и техногенных факторах, влияющих на провалообразование, и количественных принципах районирования по степени опасности карстовых процессов и тем самым определяет единственность решения. В результате группирования скважины и поверхностные проявления карста были разделены на три класса, условно названные 1,2,3 (по уменьшению степени опасности), которые использовались при интерполяции.

Для поиска единственного решения при построении сплайн-функций автор выбрал следующие граничные условия: линии должны иметь минимум кривизны и карта должна иметь сходство с картой, построенной «ручным» способом. В результате экспериментов наиболее эффективным оказался В-сплайн с коэффициентом сгущения 5. Более точно выделяются границы зон карстовой опасности при шаге построения 0.75.

С помощью ГИС были выделены 3 района по карстоопасности: опасный, потенциально опасный, неопасный.

Качество вводимой информации проверялось на этапе ввода в базу данных и геокодировании на электронную карту. Объективная оценка достоверности карты опиралась на ряд четко сформулированных определений: о Цифровая модель удовлетворяла критериям выделения районов карстовой опасности. о Состав и объем исходных данных позволял решить поставленную задачу. Для исследуемой территории характерна неравномерная изученность (от 1 до 13 тчк/км), что, согласно СП 11−105−97 (Часть II), при масштабе 1:25 ООО, определяет «схематичность» карты и выделение предполагаемых границ. Достоверность карты контролировалась граничными условиями, определяющими единственность решения при данном количестве точек наблюдения.

2. По результатам построения карты карстовой опасности сделаны следующие выводы:

1) деление по категориям карстоопасности при недостаточности исходной информации является условным, так как не обеспечивает 100% достоверности, поэтому оно требует осторожного применения и дополнительных исследований;

2) для актуализации карты-схемы районирования по карсту необходим постоянный карстовый мониторинг;

3) сходимость информационной модели карстоопасности и карты, выполненной ручным способом, достигает 90% и зависит от количества исходной информации;

4) разработанная автором методика районирования по карстовой опасности с использованием ГИС, учитывающая принципы районирования для г. Москвы, применима для территории развития покрытого карбонатно-сульфатного карста Заречной части Нижнего Новгорода.

3. Создана технология построения карт мощностей и-глубин залегания кровли геологических отложений на основе баз данных и 3D моделирования геологической среды, представляющей собой трехмерные модели рельефа и геологических слоев. Методика дает возможность получить геологическую информацию в любой точке 3D модели слоев для дальнейших научных обобщений.

4. По цифровым моделям карт проведена оценка степени и характера влияния мощности глин, перекрывающих растворимые породы, и глубин залегания кровли карбонатных отложений на интенсивность карстового провалообразования. Инженерно-геологические условия развития карста участка Автозаводского района типичны для Заречной части Н. Новгорода. В результате анализа коэффициента связи, сделаны выводы: о Образование провалов маловероятно при мощности глинистой толщи более 10 м. о С увеличением глубины залегания кровли карстующихся пород существует тенденция к уменьшению интенсивности образования провалов.

В ходе дальнейших исследований предполагается добавить в электронный классификатор слои и объекты по тектоническим структурам, техногенным объектам, пунктам геофизических наблюденийсоздать базы данных по поверхностным проявлениям карста, результатам мониторинга зданий и сооружений и далее. Основные методические приемы оценки карстовой опасности будут использованы при разработке специализированных ГИС-приложений в программном комплексе «Карта 2005». Опыт оценки карстовой опасности по данным электронного архива с использованием ГИС можно применить на других закарстованных территориях, что позволит оптимизировать их строительное освоение, снизить стоимость и сократить сроки инженерно-геологических изысканий.

1 ,'i.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Предметом данного исследования являлась оценка карстовой опасности Заречной части Нижнего Новгорода с применением ГИС-технологий. Ему предшествовало определение основных условий и факторов, благоприятных для развития карста, создание электронного классификатора и баз данных по скважинам, пробуренным для изучения карста, сбор сведений по поверхностным карстопроявлениям. В основу исследований положены архивные материалы ОАО «НижегородТИСИЗ». Предложенная концептуальная модель районирования территории по карстоопасности синтезирует результаты изучения карста Заречной части города [Н.А. Ценева, Е. В. Колосов, А. А. Сафронова и др.], а так же результаты исследований механизма карстового провалообразования, полученные В. П. Хоменко, В. В. Толмачевым, В. М. Кутеповым и другими авторами. Моделирование геологической среды использовано в качестве критерия проверки правильности представлений о влиянии природных факторов на провалообразование.