ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2014, № 5, с. 457-468
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 550.8
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННО ДЕЙСТВУЮЩАЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ г. ХАНТЫ-МАНСИЙСКА
© 2014 г. И. В. Абатурова, Е. М. Тактуев, И. Г. Ковязин
ФГБОУ ВПО "Уральский государственный горный университет ", ул. Куйбышева, 30, г. Екатеринбург, ГСП-126, 620144 Россия. E-mail: Gingeo@mail.ru
Поступила в редакцию 03.06 2013 г.
Рассмотрен процесс создания математической постоянно действующей инженерно-геологической модели (МИГМ), раскрыта ее трехзвенная структура, приводится описание картографической модели г. Ханты-Мансийска, созданной на основе МИГМ. На территории города выделено 4 категории участков: устойчивые, относительно устойчивые, низкой устойчивости, неустойчивые.
Ключевые слова: математическая модель, фактографическая база данных, картографическая база данных, геоинформационные системы, инженерно-геологические процессы, факторы инженерно-геологических условий.
ВВЕДЕНИЕ
Рождение города и его будущее зависят, в первую очередь, от экономико-политических процессов заселения и развития территорий. К сожалению, учет особенностей структуры, свойств и состояния грунтов под основаниями возводимых сооружений и инженерных коммуникаций никогда не был важным и приоритетным условием. Например, возводить на заболоченных грунтах г. Санкт-Петербург ("...назло надменному соседу!") было чрезвычайно трудно, но не менее сложные задачи по сохранению инфраструктуры современного города приходится решать и в настоящее время. Другими словами, мы живем там, где выбор благоприятных грунтовых условий для строительства все более технически сложных и ответственных сооружений либо ограничен, либо отсутствует вообще. К тому же геологическая среда в контуре плотной городской инфраструктуры становится все более уязвима к нарастающим суммарным техногенным воздействиям и способна быстро терять состояние устойчивости от строительства нового сооружения по принципу цепной реакции. Именно эти обстоятельства особым образом проявляются в процессе ускоренного развития г. Ханты-Мансийск.
В истории освоения территории Ханты-Мансийска до недавнего времени сохранялись традиции типичного северного "поселения". Новые здания и сооружения возводились в пределах
террасовой и пойменной зон в относительно благоприятных инженерно-геологических условиях. Однако в последние годы началось освоение Самаровского останца, который в существенной степени подвержен воздействию различных и разновременных процессов (оврагообразование, механическая суффозия и др.), развивающихся по плохо прогнозируемым сценариям. Ряд непредвиденных аварийных ситуаций с сооружениями различного типа, построенных в последнее время на территории Самаровского останца, свидетельствует о несостоятельности типовых (нормативных) методик инженерно-геологического обеспечения проектных решений.
Для строительства вполне надежных и устойчивых сооружений проектная организация должна получить от инженерно-геологических служб не только исчерпывающий параметрический набор характеристик структуры и свойств грунтов, но и расчетные модели всех возможных изменений инженерно-геологических условий, а также оценку опасности развития процессов в обновляемой природно-технической системе.
Вполне очевидно, что успешные проекты нового строительства могут состояться только на основе надежной постоянно действующей математической инженерно-геологической модели (МИГМ), в максимальной мере учитывающей весь комплекс инженерно-геологических условий и динамику их развития при интенсивной
застройке городской территории. Эта проблема своевременно была осознана администрацией г. Ханты-Мансийска в 2007 г., и значительные средства из бюджета округа были направлены на решение следующих основных задач:
1) определение природных и техногенных факторов развития геологических и инженерно-геологических процессов в условиях г. Ханты-Мансийска;
2) выявление основных закономерностей и структуры системного взаимодействия инженерно-геологических и техногенных процессов в пределах городской инфраструктуры;
3) формирование фактографической базы инженерно-геологических данных в геоинформационном пространстве г. Ханты-Мансийска;
4) разработка фактографически-концептуальной базы пространственных данных, удовлетворяющей принципам инженерно-геологического районирования на основе интегральных показателей;
5) оценка инженерных решений и формулировка рекомендаций для разработки проектов защитных мероприятий;
6) формирование постоянно действующей геоинформационной инженерно-геологической модели с целью повышения эффективности проектных и управленческих решений в процессах развития инфраструктуры г. Ханты-Мансийска.
СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ БАЗ ДАННЫХ И ЗНАНИЙ МИГМ
Прежде чем приступить к обсуждению математической постоянно действующей модели г. Ханты-Мансийска необходимо дать ее понятие. "Под постоянно действующей инженерно-геологической моделью понимается система упоря-доченно-взаимосвязанных постоянно-уточняющихся в ходе мониторинга условий и факторов, отражающих состояние части геологического пространства, трансформированного в его логическое, картографическое или математическое изображение с целью прогнозирования и управления" [3].
В нашем понимании постоянно действующая модель представляет собой особую геоинформационную систему. Она строится таким образом, чтобы по каналам связи постоянно имелась бы возможность получения для модели новой исходной информации из банка данных о состоянии
моделируемой геологической среды и о техногенных воздействиях на нее. Функционирование инженерно-геологической модели осуществляется периодически по мере получения новых данных, которые загружаются в модель и "проигрывается" новый вариант развития модели, затем при поступлении данных цикл повторяется. Таким образом, крайне важно уже на первом этапе изучения любых объектов создание корректной базовой модели, основанной на выборе компонентов, определяющих инженерно-геологические условия изучаемой территории.
Вариант разработки инженерно-геологической модели г. Ханты-Мансийска представляет собой особый случай по следующим причинам:
- аномальная геодинамическая ситуация;
- сложные геологические условия (неоднородность условий залегания и литологического состава);
- низкие значения показателей механических свойств грунтов;
- гидрогеологические условия (нестационарный режим речной сети и грунтовых вод);
- развитая система геологических и инженерно-геологических процессов;
- неуправляемый режим развития техногенных процессов на застроенных территориях.
Названные особенности и опыт создания подобных математических моделей требуют точных определений и конструкций в базах данных и знаний, функциональных требований к системе оперирования данными и их анализом с целью удовлетворения потребностей систем эффективного и безопасного развития инфраструктуры городской территории.
Основная идея, реализованная в предлагаемой модели, опирается на трехзвенную структуру базы данных (рис. 1).
1. Фактографическая база данных составляется на основе формализации информации из многих источников: данные бурения скважин различного назначения (инженерно-геологических, гидрогеологических, картировочных и др.), геофизические наблюдения (сейсмические, электроразведочные и др.), результаты инженерно-геологического обследования зданий и сооружений, территорий развития геологических и инженерно-геологических процессов, данные дистанционного зондирования.
Источники инженерно-геологической информации
(скважины различного назначения, лабораторные и полевые исследования грунтов, гидрогеологические наблюдения, инженерно-геологическое обследование территории, геофизические исследования, данные дистанционного зондирования, фонды геологических и муниципальных служб)
Модели свойств и состояния грунтового массива под строительство зданий и сооружений.
Рис. 1. Функциональная структура постоянно действующей математической инженерно-геологической модели г. Ханты-Мансийска.
На этом уровне разрабатывается оперативная база данных, которая имеет условный фактографический характер. Учитывая множество источников различной ведомственной и квалификационной принадлежности, вся информация оформляется и структурируется по фиксированным форматам табличного редактора "EXCEL" в соответствующих тематических разделах: "СКВАЖИНА", "КОЛОНКА", "ТОЧКА", "РАСТР".
2. Концептуально-фактографическая база данных. По результатам аналитических и лабораторных исследований грунтов, интерпретации геофизических данных и применения различных формализованных подходов к подразделению грунтов по инженерно-геологическим классификаторам, информационные единицы (таблицы) в фактографической базе данных дополняются необходимыми результативными параметрами, которые удовлетворяют
принятой для данных условий инженерно-геологической концепции.
3. Картографическая и атрибутивная база данных. Информационные единицы из концептуально-фактографического уровня экспортируются в структуры пространственных данных геоинформационных систем (ГИС) ArcGIS с соответствующими проблемно-ориентированными приложениями для поддержки процессов картографического и атрибутивного представления и анализа параметров инженерно-геологических элементов и процессов по запросам пользователей различного уровня.
Таким образом, предлагаемая структура модели учитывает, с одной стороны, основные особенности инженерно-геологических условий г. Ханты-Мансийска, а с другой - все необходимые функциональные возможности стандартных геоинформационных систем общего и муниципального назначения.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ОБЪЕКТЫ ОПЕРАТИВНОЙ (ФАКТОГРАФИЧЕСКОЙ) БАЗЫ ДАННЫХ
Выбор реляционной модели базы данных (БД) обусловлен удобством представления исходной информации на стадии полевых работ и перевода цифровых и растровых данных с бумажных и иных неэлектронных носителей. Название "реляционная" происходит от математического термина отношение, relation. Это аналог таблицы в теории баз данных. Математические и логические термины реляционной мод
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.