13. Методика мониторинга геологической среды территории муниципального образования

Для большинства городов РФ необходимо учитывать сложные инженерно-геологические и экологические условия территорий и разрабатывать мероприятия по улучшению технического состояния объектов недвижимости с учетом геологического и экологического рисков.

Методика ведения мониторинга геологической среды города включает в себя использование современных геоинформационных технологий для построения и постоянного обновления электронных карт города, содержащих сведения об опасных геологических процессах, имеющих место на территории муниципального образования. К последним относятся лёссовые просадочные грунты, оползневые зоны, суффозии, карсты, подработки и др., оказывающие негативное влияние на техническое состояние жилищного фонда, расположенного в таких зонах. На рисунке 6.1 приводится алгоритм методики ведения мониторинга геологической среды города. Он базируется на построении постоянно действующей имитационной модели геологической среды города.

Построение постоянно действующей имитационной модели геологической среды города

Построение электронных карт опасных геологических процессов

Прогноз изменения геологической среды

Анализ и оценка гидрогеологи-ческой обстановки территории города

Пространственный анализ с использованием электронных карт города

Обработка и внесение результатов ИГИ в БД ИАС «Геология»

Разработка правил и норм по эксплуатации жилого фонда в различных зонах геологического риска

Разработка мероприятий по управлению геологическим риском при новом строительстве

Обновление электронных карт города по инженерной геологии

Алгоритм методики ведения мониторинга геологической среды территории города

Геологическая среда является динамичной системой, изменяющейся не только в геологическом масштабе времени, но и в реальном времени существования объектов города. Изменения в геологической среде могут привести к нарушению устойчивости сооружений или сокращению (по сравнению с проектным) времени их безопасного функционирования. Поэтому проектирование сооружений необходимо вести с учетом возможных изменений геологической среды. Прогнозирование изменений геологической среды необходимо осуществлять на основе ее комплексного мониторинга.

Результаты наблюдений должны поступать в централизованный пункт сбора информации и оперативно обрабатываться с помощью компьютеров по специально разработанным программам. Важно, чтобы интерпретация полученной информации носила комплексный характер и включала в себя сопоставление данных наблюдений за геологической средой с состоянием зданий и сооружений.

Результаты мониторинга являются основой для принятия управленческих решений органов местного самоуправления. По своему назначению эти решения могут быть трех типов: а) регулирующие хозяйственное освоение территории города; б) направленные на проведение превентивных мероприятий; в) решения чрезвычайного характера.

Решения, регулирующие хозяйственное освоение, заключаются в утверждении нормативных документов и директив, направленных на соблюдение основных принципов и правил ведения хозяйственного освоения территорий. Эти документы содержат определенные требования к архитектурному зонированию и архитектурно-планировочным решениям, типу фундаментов, конструкциям сооружений, устройству заглубленных частей зданий и сооружений, устройству подземных сооружений и коммуникаций и т.д. Часто, в дополнение к существующим регулирующим документам, принимаются специальные решения по превентивным мероприятиям, предусматривающим дополнительное инвестирование на специальные меры по повышению устойчивости территорий и надежности возводимых на них сооружений. Важным компонентом превентивных управленческих решений является разработка регламента откачки подземных вод на территории города и отдельных его районов, сброса технологических вод в глубокие горизонты геологической среды, осуществления крупных подземных взрывов вблизи города. Решения чрезвычайного характера принимаются на основе краткосрочных прогнозов и оперативной информации о предвестниках опасных явлений, т.е. в условиях, когда отсутствует время для осуществления превентивных мер. Такие решения включают в себя срочное оповещение населения города о предстоящем событии, экстренные меры по перемещению (переселению) людей, безопасному укрытию и мобилизацию специальных подразделений (в том числе армейских) на ликвидацию последствий чрезвычайной ситуации.

На основе проведенных исследований разработана классификация геологического риска для территорий с преобладанием лессовых просадочных грунтов и выполнено зонирование геологического риска в среде одной из наиболее распространенных геоинформационных систем ARCGIS . Технология картирования опасных геологических процессов основана на последовательном наложении электронных карт по геологии, гидрогеологии, скорости подъема грунтовых вод.

Геологический риск может быть представлен четырьмя категориями  чрезвычайно опасной, опасной, малоопасной и неопасной.

В частности, для Ростова-на-Дону, зонирование геологического риска выполнено по скорости подъема уровня грунтовых вод.

Категории геологического риска

Группа инженерно-геологических условий	Инженерно-геологические условия	Глубина залегания УГВ	Зоны риска	Скоростью подъема УГВ за период 1970-2000 гг.	Категории риска
1	Лессовые просадочные II типа	>8(10)	1	Подъема нет	Малоопасная
			2	до 15 см/год
			3	15-30 см/год	Опасная
			4	30-50 см/год
			5	50-60 см/год	Чрезвычайно опасная
			6	>60 см/год
2	Лессовые просадочные 1 типа	3-8 м	7	Подъема нет	Малоопасная
			8	до 15 см/год
			9	15-30 см/год	Опасная
			10	30-50 см/год
			11	50-60 см/год	Чрезвычайно опасная
			12	>60 см/год
3	Пойменные отложения	0,5-3 м	13	Подъема нет	Чрезвычайно опасная
			14	до 15 см/год
			15	15-30 см/год
4	Лессовые непросадочные	2,5-4 м	16	Подъема нет	Малоопасная
			17	до 15 см/год
			18	15-30 см/год	Опасная
			19	30-50 см/год
			20	50-60 см/год	Чрезвычайно опасная
			21	>60 см/год
5	Лессовые непросадочные	4,1-10 м	22	Подъема нет	Малоопасная
			23	до 15 см/год
			24	15-30 см/год
			25	30-50 см/год
			26	50-60 см/год

По данным пространственного анализа технического состояния жилищного фонда установлена очевидная его зависимость от расположения объектов в различных зонах геологического риска.

Электронная карта Ростова-на-Дону с зонами геологического риска и техническим состоянием жилищного фонда

Внедренная система мониторинга геологической среды позволила разработать мероприятия по управлению геологическим риском, правила и нормы эксплуатации жилищного фонда для различных зон риска.

Для принятия эффективных организационно-технологических решений по управлению техническим состоянием жилищного фонда в сложных инженерно-геологических условиях на основе ведения мониторинга состояния геологической среды разработана информационно-аналитическая система «Геология», базирующаяся на применении современных компьютерных технологий. Она разработана в среде DELPHI, реализует экосистемный подход к управлению средой обитания и обеспечивает хранение и обработку информации о скважинах и инженерно-геологических элементах, полученной после выполнения изысканий.

Информационное обеспечение разработанной системы основано на ведении, поддержании и актуализации баз данных, содержащих картографическую и фактографическую информацию.

Картографическая база данных выполнена в геоинформационной системе ArcGIS и представлена сериями карт, содержащих информацию о городе, рельефе, функциональном зонировании и использовании территорий. В отдельных слоях представлена информация, характеризующая геологическое строение и гидрогеологические условия территории города.

Фактографическая база данных представлена разработанной под руководством автора ИАС «Геология», которая обеспечивает хранение и обработку информации о скважинах и инженерно-геологических элементах, содержит сведения о физико-механических свойствах пород, агрессивности подземных вод и др.

Система мониторинга состояния геологической среды, разработанная и внедренная в Ростове-на-Дону с 2004 г., представляет собой обработку и внесение данных отчетов по инженерно-геологическим изысканиям на территории города, прошедших экспертизу, в базу данных ИАС «Геология».

Методика пополнения базы данных по инженерно-геологическим изысканиям на территории муниципального образования

Информационно-аналитическая система «Геология» позволяет систематизировать, структурировать, хранить, обрабатывать, актуализировать данные по инженерно-геологическим изысканиям. Это достигается путем создания программного комплекса по управлению базами данных, который является хранилищем структурированных данных.

ИАС «Геология» предназначена для ведения баз данных по инженерно-геологическим изысканиям на территории муниципального образования и может применяться управляющими организациями, департаментами, собственниками жилищного фонда для разработки планов управления техническим состоянием объектов недвижимости.

Программа обеспечивает выполнение следующих функций: сбор, систематизация, актуализация, хранение, обработка данных по инженерно-геологическим изысканиям. Совместно с ГИС программа позволяет строить: инженерно-геологические, гидрогеологические карты и карты развития опасных геологических процессов, которые необходимы для разработки эффективных организационно-технологических решений по безаварийной эксплуатации жилищного фонда.

На основе имеющихся данных инженерно-геологических изысканий по исследуемому параметру – глубине залегания грунтовых вод – строятся поверхности. Поверхность – это объект, который представлен значениями глубины Z, распределенной по области, определенной координатами X и Y. Обычно используется термин «статистическая поверхность» (statistical surface), поскольку значения параметра Z можно трактовать как статистическое представление величины рассматриваемых явлений или объектов. При этом z-величина либо непрерывна по интересующей нас области, либо может считаться непрерывной в целях моделирования и картографирования.

Уровни грунтовых вод характеризуются постепенным изменением величины от точки к точке непрерывной последовательности, поэтому результирующая поверхность может быть отнесена к гладким поверхностям (smooth surface), с небольшим изменением статистической информации на единицу расстояния.

Используется модуль Geostatistical Analyst ArcGIS. Модели подбора поверхностей (surface fitting models) включают в себя подстановку полученных в результате наблюдений величин в некоторое подобранное уравнение, решение этого уравнения и затем нахождение каждого недостающего значения. Математические методы предсказания позволяют выносить суждения о характере протекающих процессов с определенной степенью достоверности.

Интерполяция основана на предположении, что пространственно распределенные объекты связаны пространственной корреляцией, т.е. близко расположенные объекты обладают сходными характеристиками.

Использованы несколько способов создания поверхности по точечным данным методом интерполяции:

• методом обратно взвешенных расстояний (ОВР);

• локального полинома;

• радиальных базисных функций;

• кригинга.

Метод ОВР исходит из предположения, что чем ближе друг к другу находятся точки данных, тем ближе их значения.

Для определения общих тенденций поверхности используются поверхности тренда. Как и в методе ОВР, для поверхностей тренда применяют наборы точек в пределах заданной окрестности, которая строится на основе любого из способов, перечисленным для методов со взвешиванием. В пределах каждой окрестности строится поверхность наилучшего приближения на основе математических уравнений таких, как полиномы или сплайны (polynomials, splines).

Число, присваиваемое целевой ячейке, может быть простым средним всех значений поверхности в окрестности или оно может быть взвешенным с учетом определенного направления. Тип используемого уравнения (или степень полинома) определяет величину волнистости поверхности.

Для построения поверхности с использованием локального полинома применена вторая степень, границы поиска соседства: количество учитываемых соседей – 10, но не менее 5 в каждом из восьми квадрантов (рисунок 10.10). Метод локальных полиномов дает уменьшение средней ошибки, но значительно увеличивается среднеквадратичная (см. таблицу 10.1).

Метод интерполяции кригинг (kriging), оптимизирует процедуру интерполяции на основе статистической природы поверхности. Кригинг использует идею регионализированной переменной (regionalized variable), которая изменяется от места к месту с некоторой видимой непрерывностью, но не может моделироваться только одним математическим уравнением.

Проведенные исследования и анализ имеющейся ранее информации по наличию и распространению опасных геологических процессов на территории города, в частности, канд. геолого-минерал. наук К.А. Меркуловой, и ОАО «РостовДонТИСИЗ», позволили построить электронные карты территории города по инженерной геологии, гидрогеологии, скорости подъема грунтовых вод. С использованием современных геоинформационных технологий, путем последовательного наложения этих карт в среде ARC GIS, получена карта зонирования геологического риска.

Информационной базой для учета геологических и экологических факторов при принятии управленческих решений является существующая геоинформационная система (ГИС) мониторинга среды обитания, которая обеспечивает оперативное картографирование любой территории и города в целом, разработку мероприятий по снижению рисков.

С помощью ГИС можно вести как мониторинг существующей геологической модели города, так и природно-техногенных угроз на его территории. Методологически использована электронная карта города, разработанная в среде ArcGIS, предоставленная ГУП «Областной градостроительный кадастр» Ростовской области.

Информационное обеспечение разработанной системы «Управление геологическим риском» основано на использовании данных имитационной модели геологической среды города и содержит картографическую и фактографическую информацию.

Картографическая база данных выполнена в геоинформационной системе ArcGIS и представлена сериями карт, содержащих информацию о городе, рельефе, функциональном зонировании и использовании территорий. В отдельных слоях представлена информация, характеризующая геологическое строение и гидрогеологические условия территории города, скорость подъема грунтовых вод.

Фактографическая база данных представлена разработанной под руководством автора ИАС «Управление геологическим риском». Программный модуль позволяет для объектов реконструкции и нового строительства:

• определить возможность строительства зданий различной этажности при проведении реконструкции городской застройки;

• предлагать меры по снижению либо предотвращению геологических рисков;

• ограничивать использование тех или иных типов фундаментов при строительстве и реконструкции.

Для существующих зданий:

• дать рекомендации по комплексу ремонтных работ и защитных мероприятий по снижению негативных влияний опасных геологических процессов.

На первом этапе оценка участка реконструкции производиться на основе существующих электронных карт геологического риска. В зависимости от выбранной этажности возводимого или реконструируемого здания определяется возможность использования при строительстве различных типов фундаментов.

На втором этапе с учетом зоны геологического риска и выбранной этажности даются рекомендации по предотвращению рисков, что позволяет потенциальному инвестору оценить экономическую целесообразность проведения реконструкции на выбранной территории.

Для существующих зданий помимо данных, получаемых из электронных карт опасных геологических процессов, указывается степень физического износа эксплуатируемых зданий, принимаемая из базы данных ИАС ЖКХ. В соответствии с разработанной классификацией мероприятий по управлению геологическим риском, для каждого объекта предлагаются меры по предотвращению, снижению и устранению геологических рисков. На рисунке 11.1.1 представлен алгоритм выбора мероприятий по управлению геологическим риском для объектов жилой недвижимости, заложенный в программном модуле ИАС «Управление геологическим риском».

Алгоритм выбора мероприятий по управлению геологическим риском для объектов жилой недвижимости

1. Грунтовые условия – лёссовые непросадочные, уровень грунтовых вод – до 4 м.

2. Физический износ здания по данным ИАС ЖКХ (41 –60%) (рисунок 11.1.3).

3. Зона геологического риска – опасная (рисунок 11.1.4).

4. Скорость подъема грунтовых вод –15-30 см/год (рисунок 11.1.4).

При отсутствии данных в информационно-аналитической системе, необходимо произвести экспертную оценку физического износа здания с составлением акта обследования.

Таким образом, после ввода всех необходимых данных мы получили рекомендации по производству капитального ремонта с проектом усиления отдельных элементов, что необходимо в данном случае в связи со строительством многоэтажного здания в непосредственной близи от существующей постройки, а также проведение водозащитных мероприятий.