Предупреждение природно-техногенных аварий при строительстве и эксплуатации железных дорог на севере Западной Сибири с использованием аэрокосмических и геоинформационных технологий

Актуальность работы.

Тревожное состояние многих инженерных сооружений России поставило перед обществом проблему предупреждения аварий и катастроф и их негативного воздействия на окружающую среду. Особенно актуальна эта проблема в северных районах России, где уровень техногенного воздействия на природную среду, в связи с чрезвычайно высокими объемами нефтегазового и транспортного строительства достиг такой фазы, когда дальнейшее освоение этих районов, без проведения специальных исследований по паспортизации устаревших сооружений и конструкций, оценке их остаточного ресурса и степени опасности их дальнейшей эксплуатации для природы и общества чревато возникновением аварий и катастроф.

Железные дороги являются стержневой основой транспортной инфраструктуры месторождений нефти и газа, без которой невозможно решение экономических, производственно-технических и социальных проблем, связанных с освоением месторождений, в том числе и технических параметров линейных коммуникаций, формирующих инфраструктуру нефтегазовых месторождений, включающую в себя автомобильные дороги, трубопроводы и ЛЭП.

В настоящее время на территории Тюменского Севера — основной производственной базы нефтегазового комплекса России, функционирует более.

1000 км. железных и 10 ООО км автомобильных дорог. Анализ условий их эксплуатации показал, что далеко не всегда их строительство осуществлялось с учетом реальных природных закономерностей криолитозоны. В ряде случаев, в связи с недостатком информации о природных условиях местности, требуемой для обоснования проектных решений, допускались ошибки в размещении сооружений и в выборе конструкций, в результате чего возникали и продолжают возникать аварии, ликвидация которых сопряжена со значительными затратами.

В условиях севера Западной Сибири значительная часть аварий при строительстве и эксплуатации железных дорог (равно как и других линейных сооружений) происходит в результате техногенного нарушения теплообмена в ландшафтах, последствиями нарушения чего является резкое изменение условий поверхностного и подземного стока, свойств грунтов, вызывающих просадки оснований и подтопление сооружений, ползучесть оттаявших грунтовых масс, приводящих к деформациям верхнего строения пути и насыпей, водопропускных труб, опор притрассовых ЛЭП и транспортных зданий. При возникновении аварий подвижного состава и трубопроводов (как правило, прокладываемых в единых коммуникационных коридорах с железными и автомобильными дорогами) нередко происходит химическое загрязнение ландшафтов и как результат всего этого, снижение их ресурсного потенциала. Поэтому главной задачей в области обеспечения безопасности при строительстве и эксплуатации железных дорог является предупреждение развития этих опасных процессов с целью предотвращения аварий.

Однако решение этой задачи в условиях протяженных трасс железных дорог, построенных и эксплуатируемых в суровых и труднодоступных ланд-шафтно-климатических условиях может быть эффективным только при использовании новых современных технологий, позволяющих обеспечить в минимальные сроки максимально полные и достоверные данные о состоянии взаимодействия инженерных сооружений с компонентами природной среды и информационно обосновать эффективные проектные решения по инженерной защите железнодорожных сооружений и окружающей среды.

Актуальность темы

диссертации определяется необходимостью при-^ нятия кардинальных мер по блокированию дальнейшего нарастания аварий и катастроф при строительстве и эксплуатации железных дорог.

Цель и задачи диссертационной работы.

Эффективность блокирования дальнейшего нарастания аварий и катастроф в сфере строительства и эксплуатации железных дорог в значительной степени зависит от полноты, достоверности, оперативности и своевременности информационного обеспечения проектировщиков, строителей и эксплуатационников о состоянии взаимодействия железнодорожных сооружений и природной среды на всем протяжении трассы железной дороги. j.

В настоящее время, в связи с большим протяжением железнодорожных трасс в криолитозоне России, суровыми природно-климатическими условиями в которых осуществляется их строительство и эксплуатация, недостатком финансовых средств и оттоком кадров из северных районов, решение этой проблемы на основе традиционных технологий не может обеспечить требуемой эффективности в системе предупреждения аварий.

Необходимо создание и скорейшее внедрение в практику прогрессивных методов и технологий, способных обеспечить должный современный уровень информационного обоснования системы безопасности на всех стадиях создания и функционирования железных дорог.

Целью диссертационной работы является создание научных основ нового подхода к информационному обоснованию предупреждения природно-техногенных аварий и катастроф при строительстве и эксплуатации железных дорог в криолитозоне, базирующегося на применении аэрокосмических и геоинформационных технологий, способных обеспечить требуемые для блокирования нарастания аварий и катастроф полноту, точность, достоверность, оперативность и своевременность получения данных о состоянии взаимодействия инженерных сооружений и природной среды на всем протяжении железнодорожных трасс.

В соответствии с поставленной целью предстояло решить ряд следующих задач, в том числе:

• проанализировать состояние проблемы, дать оценку уровня ее решения в трудах отечественных и зарубежных исследователей и определить нерешенные задачи;

• определить роль природно-техногенных процессов в системе аварий и катастроф на железных дорогах и дать их типизацию с учетом факторов их возникновения, форм проявления, интенсивности воздействия на инженерные сооружения, масштабов причиняемого ущерба и возможности использования для их фиксации, классифицирования, оценки опасности и предупреждения вызываемых ими аварий методов аэрокосмического зондирования.

• разработать:

— теоретические положения в области предупреждения природно-техногенных аварий, определяемые возможностями применения методов аэрокосмического зондирования;

— технологию применения методов аэрокосмического зондирования в системе предупреждения природно-техногенных аварий;

— принципы создания и структуру базы данных в системе предупреждения природно-техногенных аварий на основе геоинформационных технологий;

— методологию информационного обеспечения предупреждения природно-техногенных аварий на разных стадиях создания и функционирования железных дорог;

— организационную структуру информационного обеспечения системы предупреждения природно-техногенных аварий с применением аэрокосмического зондирования, наземных методов обследования состояний взаимодействия инженерных сооружений и природной среды и последующим созданием геоинформационных систем.

Исходный материал.

Диссертация написана по материалам работ, проведенных автором с 1988 по 2000 г. в ДАО «ВНИПИГАЗДОБЫЧА» ОАО «ГАЗПРОМ» (до 1992 г. — «ВНИПИГАЗДОБЫЧА») и ЗАО «Научно-производственный центр «Экология, Мониторинг, Окружающая среда (НПЦ ЭМОС) «при разработке геокриологического и геоэкологического обоснования проектов транспортной инфраструктуры в системе обустройства ряда газоконденсатных (ГКМ) и га-зонефтеконденсатных (ГНКМ) месторождений Тюменской области, главным образом на территории Надым-Пур-Тазовского междуречья и на п-ове Ямал.

В составе этих работ лабораторией аэрокосмических методов изысканий ЦНИИС (с 1991 г — НПЦ «Аэроизыскания») по Техническим заданиям, разработка которых осуществлялась с участием соискателя выполнялось комплексное аэрокосмическое зондирование по трассам проектируемых, строящихся и эксплуатируемых коридоров коммуникаций (железных и автомобильных дорог, трубопроводных систем) в зонах освоения ГНКМ, а также наземные изыскательские полевые работы, проводимые под руководством и при личном участии соискателя. Обработка всех материалов осуществлялась соискателем совместно с сотрудниками ЦНИИС. Автоматизированная обработка данных осуществлялась соискателем на аппаратурной базе информационно-вычислительного центра «ВНИПИГАЗДОБЫЧА» и ЗАО НПЦ «ЭМОС».

В качестве базовых объектов, на которых проводились экспериментальные работы, были определены различные участки железных дорог «Ягельная-Ямбург», «Коротчаево-Пангоды-Надым» (на разных стадиях их создания и эксплуатации), пролегающих в зоне эксплуатации Уренгойского, Ямбургского, Юбилейного, Медвежьего ГНКМ.

Наряду с этими объектами, исследования выполнялись по намечаемым коридорам транспортной инфраструктуры зон освоения ряда перспективных месторождений, в структуре которых предполагается строительство железнодорожных сооружений. В частности, исследовались намечаемый транспортный коридор в зоне предполагаемого освоения крупного ГКМ «Заполярное», зона активного освоения Западно-ТаркоСалинского ГКМ, в пределах которого идет строительство подъездных железнодорожных путей и автомобильных дорог, а также зоны транспортного освоения ряда других месторождений, находящихся в стадии проектирования объектов инфраструктуры (Береговое, Северо-Часельское и др.). Автор руководил геоэкологическим и геокриологическим разделами проектов обустройства Бованенковского ГКМ на п-ове Ямал в инфраструктуре которого осуществлялось строительство железной дороги Обская-Бованенково (на участке «Обская-Паюта»), (рис.1).

Коридоры транспортных коммуникаций.

— СРЮ-Урал.

II — Ямбург — Центр

ШУренгой-Помары-Ужгород.

IVМагам-Норильск.

V * Яш-Центр

Мшшк Сш[оое Зашш-Там&йсте Вога®ймдайш Вершеийсю Зашш^Сихиш Нерстгоос !. ШЬШОС.

9. Аркптоое МУЫОрЛЬк It. Нашего:

11 total И. Среж-Яшьте НРосгтшое иКшшш К. Магяшш Г Ншниуишос т. Ншортокйк 19. Хашжж.

10, Утреш.

31. Гефттм &-ЮшЯвдиме 23 Ажрикжж.

14. Csonm Ытюисие 16. Амишшсе П. Парусом.

15. Xapsiimctoc М-Ныжие.

30. Сащщтаос.

31, Купи мок ИШж.

33. Дсршш.

34. Цшш 35 Оэер-кк.

Список газовых месторождений.

36. Кшшк 31 Ушитое 3! Ншсшшое 35Мвипжк (.

40 Юи^Смяшое +1. Эимнее.

41. Сшмяж 43, Хшерпаютшое.

44 Мгаомп.

45 Наэджме.

46 Юрировта.

41 Сшаишм 48 Тажие 49. Га>С"ш 50 Canfajraa.

Я. Юш? ам6урш ЧСекрш-Есепшк S3. Ннкшше М. Восточвд-Урея&ю Й. Яроятое 56. Термоирстокк 51. Русское Я. Р>сско-Речевси>е 59 Чфкичнос № швах 61. Уййишюе 61. Вершасемое бЗ. Тарелснк 44 Хзрвриж 65 Юяршвос 66. Kkeo-Xapasmypciioe 61 Ею-Ялвзм.

68. ЮвЫОбийпе.

69. Ялиеейсие Ж Пашня®

II Нщьвш 12. Всршшш 13 Юш-Гйшпгосе.

14. Восточий-Тарвйсалмнгкое.

15. Тарюсмши.

16. Губжме.

11 Сжррйшшшос 1! ВержирмЙюе 19 Qnprone.

50 Крайнее.

81 Секрио-Тарвсокхое.

51 Вощяо-Тарэшое SJ.Esfljptnt.

84 йтво-Вишшсве.

85 Вшшдаое.

86. HdMfOJMte.

81. ЯраЬсрскк.

SS.TaipMtoe.

89. Варшюе.

Ю.Зшлда-Варьешсе.

ЯВаноегавсме.

91.0т]"сш.

93. Весе.

94 Пюгтароккос.

95 Туг. вдш Ачкн-Таморсие И. Тащтне Й.Мшштм 99Еюрш" И Сскрю-Кашснее.

Рис. 1. Схема обшга исследований.

В распоряжении соискателя были разнообразные материалы аэрокосмического зондирования, в том числе многозональные и тепловые инфракрасные аэроснимки, выполненные по ряду объектов повторно, с интервалом 4−5 лет (линии «Ягельная-Ямбург», «Обская-Бованенково»). Материалы разных лет позволили оценить динамику взаимодействия железнодорожных сооружений и природной среды под влиянием строительства и эксплуатации, обосновать прогнозные данные и рекомендовать мероприятия по предупреждению аварий. Для сравнительного анализа возможностей АКЗ в работе применялись также аэрокосмические снимки других районов криолитозоны России, в частности Якутии, северного Прибайкалья и Забайкалья, где автор принимал участие в проектно-изыскательских работах по обустройству ряда нефтегазовых и рудных месторождений.

В период с 1998 по 2002 гг. соискатель занимался разработкой геоинформационной системы состояния взаимодействия инженерных сооружений и природной среды районов нефтегазодобычи Тюменской области, в которой железные дороги являются неотъемлемым элементом. Все перечисленные выше материалы и данные послужили основой для написания диссертационной работы.

Предмет защиты.

В диссертации разработана научная концепция информационного обеспечения предупреждения природно-техногенных аварий в состоянии строящихся и эксплуатируемых железных дорог севера Западной Сибири.

Разработанная научная концепция базируется на теоретических представлениях о природно-технических системах (ПТС) и представляет собой совокупность научных положений в области теории, технологии, методологии и организации информационного обеспечения предупреждения природ-но-техногенных аварий в состоянии ПТС.

Теоретические положения защищаемой концепции связаны с обоснованием понятия критические ситуации в состоянии ПТС и структуры информационного обеспечения их предупреждения.

В основу технологических положений этой концепции положено аэрокосмическое зондирование (АКЗ) в сочетании с наземными экспресс-методами оценки взаимодействия инженерных сооружений и окружающей среды с последующим созданием специализированной геоинформационной системы, направленной на предупреждение природно-техногенных аварий. Методологически разработанная концепция реализуется в системе проведения:

— анализа риска природных и техногенных опасностей на стадиях пред-проектных и проектных разработок;

— геотехнического анализа на стадиях строительства и эксплуатации сооружений;

— геоэкологического анализа на всех стадиях создания и функционирования сооружений;

— организация информационного обеспечения предупреждения природ-но-техногенных аварий обеспечивается проведением комплексного (геотехнического и экологического) мониторинга ПТС на всех стадиях их создания и функционирования.

Защищаемые положения и их научная новизна.

В теории.

1. Обосновано понятие «критические ситуации в состоянии ПТС» под которыми предложено понимать совокупность всех видов и стадий нарушения устойчивости состояний ПТС, приводящих (способных привести) к нарушению их нормального функционирования.

2. В системе критических ситуаций предложена и экспериментально исследована новая категория — предаварийные ситуации под которыми соискатель понимает такие состояния ПТС, при которых природная их составляющая стремится нарушить устойчивость технической составляющей, однако никаких признаков такого нарушения в техническом состоянии сооружений на момент фиксации данной ситуации не имеется.

В качестве их индикаторов служат начальные формы проявления опасных природно-техногенных процессов, которые на протяженных трассах железных дорог криолитозоны могут выявляться только с помощью методов АКЗ. Выявление предаварийных ситуаций делает предупреждение аварий реальным.

3. Обосновано, что информационное обеспечение предупреждения критических ситуаций в состоянии ПТС на различных стадиях создания и функционирования железных дорог:

— имеет иерархическую структуру, определяемую стадийностью критических ситуаций, рациональными технологиями и методами выявления, мероприятиями по предотвращению перерастания в последующий вид или стадию критической ситуации и мерами по предотвращению ущерба;

— базируется на широком применении аэрокосмических и геоинформационных технологий, в сочетании с наземными обследованиями состояния ПТС, что позволяет своевременно выявлять предаварийные и аварийные ситуации и тем самым, предотвращать их дальнейшее перерастание в природ-но-техногенные аварии;

— определяется возможностями своевременного выявления признаков и показателей, устанавливающих возможность перехода предаварийных ситуаций в аварийные и аварийных ситуаций в аварии. (Установлены пространственно-временные закономерности и индентификационные признаки возникновения предаварийных и аварийных ситуаций).

В технологии.

4. Технология выполнения АКЗ варьирует в зависимости от стадийности строительного цикла и решаемых задач. Апробированы вариации АКЗ, выполняемого в широких электромагнитном и высотном диапазонах на разных стадиях создания и эксплуатации железных дорог в условиях северной части криолитозоны России.

5. Структура локальной ГИС предупреждения природно-техногенных аварий железных дорог предусматривает три взаимосвязанных блока, формирующих базу данных: входящая информация — электронные картыформирование оценок и прогнозов. База данных имеет многоуровневый характер формирования, обеспечивающий анализ динамики и обоснование прогнозов состояния ПТС в процессе строительства и эксплуатации сооружений.

6. Основу базы данных ГИС составляет автоматизированная картографическая система, формируемая на всех стадиях создания и эксплуатации ПТС, включающая в себя комплекс специализированных цифровых карт, содержащих прогнозно-оценочную информацию о динамике ее состояния за период строительства и эксплуатации и рекомендации по инженерной защите.

В методологии.

7. Информационное обеспечение предупреждения природно-техногенных аварий реализуется посредством:

— оценки социально-экологического риска природных и природно-техногенных опасностей, выполняемая на предпроектных и проектных стадиях;

— геотехнического анализа состояния строящихся и эксплуатируемых железных дорог;

— геоэкологического анализа, выполняемого на всех стадиях создания и функционирования железных дорог.

Проведение этих исследований базируется на широком использовании данных АКЗ и наземных обследований. Результаты оценочных исследований представляются в виде специализированных разномасштабных карт, составляемых в автоматизированном режиме, являющихся одним из основных компонентов базы данных ГИС.

В организации системы предупреждения природно-техногенных аварий.

8. Организация информационного обеспечения имеет иерархическую структуру, определяемую стадийностью критических ситуаций, рациональными технологиями и методами выявления, мероприятиями по предотвращению перерастания в последующий вид или стадию критической ситуации и мерами по предотвращению ущерба.

Предложенные и обоснованные научные положения применительно к строительству и эксплуатации железных дорог и других линейных сооружений в криолитозоне являются новыми.

Практическая значимость и внедрение результатов.

Разработки соискателя представляют собой научную основу выполнения специальных исследований, которые необходимы на трассах проектируемых, строящихся и эксплуатируемых железных дорог криолитозоны России.

На проектируемых железнодорожных линиях эти исследования должны быть направлены на обоснование проектных решений по обеспечению безопасности создаваемой ПТС, что реализуется при многовариантных проработках, оптимизации трассирования и размещении инженерных сооружений на местности.

На строящихся и эксплуатируемых линиях эти исследования должны быть связаны с паспортизацией и оценкой состояния железнодорожных ПТС, выявлением предаварийных и аварийных ситуаций, определением природно-техногенных и техногенных факторов их формирования, обоснованием мер и инженерных решений по предотвращению их перерастания в аварии.

В настоящее время при полном отсутствии методических руководств и пособий по организации и проведению таких исследований, выполняемых с широким применением аэрокосмических и геоинформационных технологий, научные разработки, выполненные в диссертации заполняют своеобразный вакуум и обеспечивают возможность выполнения широкомасштабных исследований.

Разработки автора положены в основу создания ГИС предупреждения природно-техногенных аварий в рамках региональной программы экологической безопасности объектов нефтегазодобычи на территории Тюменской области. В инфраструктуре этих объектов соискатель всесторонне исследовал состояние ПТС железных дорог «Ягельная-Ямбург», «Коротчаево-Пангоды», «Обская-Бованенково» (на участке «Обская-Паюта»), а также магистральных и внутрипромысловых автомобильных дорог, трубопроводов и притрассовых ЛЭП, являющихся составными элементами коммуникационных коридоров (проектирующихся, строящихся и функционируемых) в системе объектов обустройства ГКМ: Заполярное, Уренгойское, Бованенковское, Западно-Тарко-Салинское, Юбилейное, Южно-Русское, Береговое, Северо-Часельское.

Генеральными заказчиками этих работ и потребителями разработок соискателя являлись Управления строительства и реконструкции железных, автомобильных дорог и ЛЭП Производственных объединений «Уренгойгаз-пром», «Сургутгазпром», «Надымгазпром», «Ямбурггаздобыча», «Нефтегаз-технология».

В диссертации приведены соответствующие документы, подтверждающие внедрение разработок соискателя (стр. 319−346).

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:

— Российско-Американском симпозиуме по нормированию в транспорте и распределении газа в г. Саратове, в 1995 г.;

— Научно-техническом совете РАО «ГАЗПРОМ» по проблемам рекультивации земель на объектах газовой промышленности в г. Саратове, в 1995 г.;

— Научно-практической конференции «Охрана окружающей среды в районах Тюменского севера», в г. Тюмени, в 1996 г.;

— 4-ой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», в г. Санкт-Петербурге, в 1999 г.;

— Межведомственной научной конференции «Геологические науки-99» в г. Саратове, в 1999 г.;

— 2-ой Всероссийской научно-практической конференции «Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях» в г. Нижневартовске, в 1999 г.

— Международной научно-практической конференции «Охрана атмосферного воздуха: Системы мониторинга и защиты» в г. Пензе в 1999 г.;

— 7-ой международной конференции «Проблемы научно-технического обеспечения нефтеперерабатывающего и нефтехимического комплекса» в г. Уфе в 1999 г.;

— 4-ой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», в г. Санкт-Петербурге, в 1999 г.;

— Международном экологическом конгрессе в рамках IV экономического форума в г. Санкт-Петербурге, в 2000 г.;

— Общероссийской конференции «Оценка и управление природными рисками (Риск- 2000)», в г. Москве, в 2000 г.;

— Научно-технической конференции «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов» в г. Москве, в 2003 г.;

— Заседаниях секций строительства железных дорог и Комплексных транспортных проблем Ученого совета ОАО ЦНИИС в 1997, 1998 и 2003 гг.

Личный вклад автора в решение проблемы.

Автор являлся руководителем и ответственным исполнителем научно-исследовательских и проектно-изыскательских работ на всех рассмотренных в диссертации объектах разработки и внедрения. Эти исследования он выполнял, работая в должностях старшего научного сотрудника, главного эколога, заведующего научно-исследовательской лабораторией мониторинга природно-технических систем объектов газодобычи института «ВНИГТИ-Г A3 ДОБЫЧА», главного инженера проектов обустройства газоконденсатных месторождений ОАО «ГАЗПРОМ».

Публикации.

Основные положения диссертации изложены в 35 публикациях, в том числе в 2-х монографиях, 4-х брошюрах, 29 статьях и докладах.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех частей, разбитых на 8 глав и 15 параграфов, заключения, списка литературы, приложений. Содержит 370 стр., в том числе: текста 318 стр., рисунков 37, таблиц 17, список литературы включает 175 наименований. В конце диссертации приведены документы, обосновывающие и подтверждающие внедрение разработок соискателя и полученный при этом технико-экономический эффект. Папка приложений включает в себя аннотированные материалы АКЗ по объектам, рассмотренным в диссертации и фрагменты цифровых прогнозно-оценочных карт состояния исследуемых объектов в системе ГИС.

Основные выводы и результаты диссертационных исследований.

На основе анализа публикаций по проблемам безопасности в системе взаимодействия инженерных сооружений, природных и техногенных факторов установлено, что в последнее десятилетие резко возросла аварийность инженерных сооружений в связи с чрезвычайно высокой степенью техногенной нагрузки на природную среду, что в криолитозоне России связывается с освоением месторождений полезных ископаемых и интенсивным транспортным строительством. Среди причин аварий ученые в области безопасности инженерных сооружений, в том числе и железнодорожных, наряду с чисто техногенными и природными отмечают воздействие природно-техногенных процессов. Эти процессы возникают в результате взаимодействия природных и техногенных факторов и по своей интенсивности и опасным последствиям нередко не только не уступают природным процессам, но весьма часто превосходят их, вызывая аварийные ситуации, аварии, а в ряде случаев и катастрофы.

Подготовка аварий природно-техногенного характера происходит в результате негативной обратной реакции природной среды на нерациональное техногенное воздействие на нее при проведении хозяйственных работ. В криолитозоне эта негативная реакция проявляется либо в форме резкой интенсификации природных мерзлотных процессов под влиянием строительства и эксплуатации инженерных сооружений, либо в форме возникновения специфических процессов, связанных с ошибками проектирования или с нарушением технологий строительства и эксплуатации сооружений. В обоих случаях интенсивное развитие природно-техногенных процессов является предвестником критических ситуаций в состоянии инженерных сооружений и окружающей среды.

При проведении инженерных изысканий отличить формы проявления природных процессов от природно-техногенных без проведения специальных исследований весьма сложно, что часто приводит не только к неверной диагностике происходящих и формирующихся аварий и аварийных ситуаций, но и к одностороннему взгляду на способы и технологии реконструкции инженерных сооружений, без учета развития природно-техногенных процессов.

Соискателем, на основе обобщения публикаций мерзлотоведов и данных собственных исследований, представлена классификация природно-техногенных процессов криолитозоны России, являющихся опасными с точки зрения аварийности железнодорожных и других линейных сооружений. Данная классификация построена с учетом типов процессов, форм их проявления, факторов возникновения, факторов ущерба, степени управляемости интенсивностью проявления и возможности компенсации негативного воздействия на сооружения и окружающую среду.

В настоящее время в условиях возросшей аварийности инженерных сооружений России в районах испытывающих интенсивные техногенные нагрузки на природную среду крайне необходимо проведение специальных широкомасштабных исследований по оценке состояния инженерных сооружений, с целью предупреждения не только техногенных, но и природно-техногенных аварий и катастроф, что применительно к протяженным трассам железных дорог (и других линейных сооружений) требует применения новых теоретических, методологических и технологических подходов.

В диссертации разработана научная концепция информационного обеспечения предупреждения природно-техногенных аварий в состоянии строящихся и эксплуатируемых железных дорог севера Западной Сибири,.

Разработанная научная концепция базируется на совокупности научных положений и разработок в области теории, технологии, методологии и организации информационного обеспечения предупреждения природно-техногенных аварий, в том числе:

В теории.

1. Обосновано новое понятие «критические ситуации в состоянии ПТС», под которыми предложено понимать совокупность всех видов и стадий нарушения устойчивости состояний ПТС, приводящих (способных привести) к нарушению их нормального функционирования.

2. В системе критических ситуаций предложена и экспериментально исследована новая категория — предаварийные ситуации, под которыми соискатель понимает такие состояния ПТС при которых природная их составляющая стремится нарушить устойчивость технической составляющей, однако никаких признаков такого нарушения в техническом состоянии сооружений на момент фиксации данной ситуации не имеется. В качестве их индикаторов служат начальные формы проявления опасных природно-техногенных процессов, которые на протяженных трассах железных дорог криолитозоны могут выявляться только с помощью методов АКЗ. Выявление предаварийных ситуаций делает предупреждение аварий реальным.

3. Обосновано, что информационное обеспечение предупреждения критических ситуаций в состоянии ПТС на различных стадиях создания и функционирования железных дорог, имеет:

— иерархическую структуру, определяемую стадийностью критических ситуаций, рациональными технологиями и методами выявления, мероприятиями по предотвращению перерастания в последующий вид или стадию критической ситуации и мерами по предотвращению ущерба;

— базируется на широком применении аэрокосмических и геоинформационных технологий, в сочетании с наземными обследованиями состояния, что позволяет своевременно выявлять предаварийные и аварийные ситуации и тем самым, предотвращать их дальнейшее перерастание в природно-техногенные аварии.

7. Структура информационного обеспечения предупреждения критических ситуаций определяется возможностями своевременного выявления признаков и показателей, определяющих возможность перехода предаварийных ситуаций в аварийные и аварийных ситуаций в аварии. Зависимости этих признаков описаны функциональными уравнениями.

8. Наиболее эффективным организационно-техническим мероприятием, всецело определяющим реализацию системы предупреждения природно-техногенных аварий в состоянии ПТС является их мониторинг, осуществляемый комплексно и в геотехническом и в геоэкологическом направлениях, что в условиях нарастания аварийной опасности многих ПТС России, в том числе и железнодорожных, является задачей первостепенной важности.

В технологии АКЗ.

9. Предложены и апробированы вариации технологии АКЗ на разных стадиях создания и эксплуатации железных дорог в криолитозоне.

Возможности АКЗ, связанные с его комплексностью (одновременном или последовательном применении разных видов аэрокосмических съемок, выполненных в широких спектральном и масштабном диапазонах) и своевременностью (выполнении АКЗ именно, тогда, когда его результаты дают максимальный эффект), позволяют его рассматривать в качестве эффективного направления при изучении природно-техногенных процессов как предвестников и факторов аварий при строительстве и эксплуатации железных дорог и других линейных сооружений криолитозоны (автомобильных дорог, трубопроводов, ЛЭП). Максимальная эффективность комплексного АКЗ, выполняемого в сочетании с методами его наземного обоснования определяется возможностью с его помощью выявлять и оценивать именно предаварийные ситуации, связанные с воздействием на сооружения природных и природно-техногенных процессов, что с помощью других методов исследований на протяженных трассах в условиях криолитозоны или невозможно или малоэффективно. Именно благодаря этой возможности становится реальным предупреждение аварий.

Значительный объем информации с помощью АКЗ можно получить и при выявлении и оценке аварийных ситуаций, однако эти критические ситуации в случаях их дискретных (точечных) обследований могут быть изучены более полно с помощью наземных методов обследования сооружений и их аппаратурной диагностики методами неразрушающего контроля. Комплек-сирование АКЗ с этими методами при выявлении и оценке аварийных ситуаций позволит информационно блокировать их перерастание в аварии.

В ГИС-технологии 10. Предложена и апробирована структура создания локальной ГИС предупреждения природно-техногенных аварий железных дорог в районах нефтегазодобычи Тюменской области.

Создание ГИС обеспечивает возможность оперативного решения задач управления состоянием взаимодействия природной среды и инженерных сооружений в масштабе всего протяжения железнодорожных линий и делает реальным своевременное предупреждение аварий на всех стадиях их создания и функционирования.

Реальность предупреждения аварий обеспечивается:

— объективизацией информационной составляющей ГИС за счет использование данных АКЗ и наземных обследований, фиксирующих стадии и интенсивность проявления опасных природно-техногенных процессов;

— точностью машинной обработки вводимой информации;

— оперативностью получения видео и картографической информации, как на любую точку трассы железной дороги, так и на всю трассу в любом масштабе.

— надежностью хранения баз данных;

— оперативностью их выдачи в любом виде (цифровом, графическом, картографическом, текстовомна бумажной и электронной основе;

— возможностью их оперативного обновления, размножения и передачи на любое расстояние без потери качества.

Основу базы данных ГИС предупреждения природно-техногенных аварий при строительстве и эксплуатации железных дорог составляет автоматизированная картографическая система, формируемая на всех стадиях создания и эксплуатации ПТС. В качестве исходной информации для формирования базы данных используется внемашинная и внутримашинная информация.

Внемашинную информацию формируют материалы АКЗ и результаты их дешифрирования, данные наземных изыскательских и специальных работ, статистическая и природно-ресурсная информация, получаемая из федеральных и региональных государственных учреждений и оперативная информация служб эксплуатации сооружений.

Внутримашинная информация включает в свой состав электронные тематические карты, отражающие:

— -топографо-геодезическую ситуацию района строительства или эксплуатации сооружения и ее изменчивость;

— техническое состояние исследуемых сооружений (остаточный ресурс, уязвимость, безотказность, уровень надежности, герметичность, коррозионная стойкость и т. п.);

— ландшафтно-экологическое и инженерно-геологическое состояние (кадастр, динамику, нарушенность, загрязненность, напряженность, прогноз устойчивости) ПТС;

— нормативно-справочную информацию (государственные федеральные и региональные нормативные акты по экологии, землепользованию и строительству, правовому положению земель и их собственников;

— оценочную природно-ресурсную информацию (о пригодности земель для хозяйственного использования и их стоимостиэкологическом состоянии почв, поверхностных и подземных вод, грунтов, растительного покрова, состоянии бонитету лесных угодийданные о биологических ресурсах: кормовых, животного мира, водных, энергетическихданные об имеющихся и потенциальных ущербах состояниям ПТС и окружающей среды).

Организация пространственной информации в ГИС рассматривается на уровне создания логической многослойной модели картографической системы, содержащей слои по каждому компоненту организационной структуры природной и технической составляющих ПТС. Каждый слой имеет самостоятельное значение и может быть в случае необходимости выведен отдельной аналитической картой на любую точку или отрезок трассы железной дороги.

Вышеперечисленные свойства ГИС значительно повышают обоснованность и качество управляющих инженерных решений по защите ПТС от воздействия опасных природных и природно-техногенных процессов, снижают роль субъективных факторов в оценке устойчивости ПТС и практически исключают ошибки в оценке состояния ПТС, связанные с недостатком информации о степени опасности развития природных и природно-техногенных процессов.

В методологии.

11. Обосновано, что предупреждение природных и природно-техногенных аварий опирается на новые методологические направления в изучении функционирования ПТС, которые позволяют придать исследованиям прогнозно-оценочный характер. Среди этих новых направлений в диссертации проанализированы анализ риска природных и техногенных опасностей, эффективный на стадиях предпроектных и проектных работ, геотехнический анализ, эффективный на стадиях строительства и эксплуатации сооружений и геоэкологический анализ, эффективный на всех стадиях и этапах создания и эксплуатации ПТС. В комплексе они обеспечивают наполнение базы данных для оценки устойчивости ПТС. Во всех трех методологических направлениях значительная часть информационной основы в той или иной степени базируется на данных, получаемых с материалов АКЗ.

9. Разработана методика оценки социально-экологического риска природных и природно-техногенных опасностей, выполняемая на предпро-ектных и проектных стадиях создания железных дорог, базирующаяся на учете максимально полного числа факторов (и их зависимостей), создающих дискомфортные ситуации во взаимодействии природных и технических составляющих ПТС и их влияния на окружающую среду.

Возможность представления этих данных в виде специализированных карт оценки социально-экологического риска, составляемых в автоматизированном режиме позволяет получать оценочную информацию оперативно, с высокой точностью на любую точку трассы железной дороги, вне зависимости от ее протяжения.

10. Разработана структура геотехнического анализа состояния железных дорог криолитозоны на базе комплексного АКЗ и наземных обследований с представлением его результатов в виде системы разномасштабных цифровых карт прогнозно-оценочной направленности, составляемых в автоматизированном режиме. Геотехнический анализ, в отличие от анализа риска природных и техногенных опасностей эффективен в процессе строительства и эксплуатации железных дорог.

В условиях Севера Западной Сибири геотехнический анализ, в структуре изложенной в диссертации позволяет предотвратить деформации верхнего строения пути, насыпей и водопропускных сооружений, опор притрас-совых ЛЭП и аналогичных конструкций притрассовых автомобильных дорог, бортов карьеров, станционных зданий и других сооружений, в том числе трубопроводов, часто их пересекающих или функционирующих в едином с ними коммуникационном коридоре. Эти деформации могут быть вызваны резкой активизацией мерзлотных процессов, заболачивания и подтопления сооружений, вызванной как активизацией естественных природных процессов, так и влиянием строительной деятельности на природную среду, в ряде случаев, осуществляемой недостаточно корректно, то есть без учета закономерностей развития опасных природных и природно-техногенных процессов.

Геотехнический анализ, выполняется одновременно на всех иерархических уровнях структуры управления железной дороги (управление, отделение, дистанция пути, околотокучасток) на основе применения разномасштабного и многоспектрального АКЗ и наземных исследований. Элементы новизны этого подхода, обоснованные в диссертации соискателя (структурно определенного еще в конце 80-х годов [Ревзон, 1989, 1990), связаны с практически полной автоматизацией, обработки, обновления, хранения и оперативной выдачи информации о геотехническом состоянии ПТС на любую точку трассы железной дороги.

Система автоматизированного картографирования геотехнического состояния ПТС обеспечивает создание цифровых прогнозно-оценочных карт, единых по направленности, дополняющих друг друга по содержанию, но различных по степени детализации отображения состояния и прогноза устойчивости ПТС.

11. Разработана структура геоэкологического анализа, выполняемого в системе информационного обеспечения предупреждения природно-техногенных аварий. Геоэкологический анализ, в отличие от анализа риска природных и техногенных опасностей и геотехнического анализа, применим на всех стадиях создания и функционирования железных дорог для обоснования природоохранных мероприятий и реализуется через систему рекомендаций по обеспечению устойчивости ПТС и окружающей среды при разработке ОВОС, природоохранных разделов проектов, схем инженерной защиты сооружений, мониторинге ПТС.

Геоэкологический анализ наполняет базу данных ГИС ПТС информацией о взаимовлиянии в системе взаимодействия природы, строительства и эксплуатации железных дорог через конкретные численные показатели статики и динамики:

— степени техногенной нарушенности ландшафтов;

— пораженное&tradeПТС и зон их влияния на окружающую среду проявлениями опасных природных и природно-техногенных процессов;

— геохимического загрязнения компонентов окружающей среды в результате отклонений от проектных и технологических норм изысканий, строительства и эксплуатации железных дорог;

— ресурсной основы среды обитания в зонах влияния строительства и эксплуатации железных дорог на окружающую среду;

В комплексе все эти параметры состояния ПТС, определяемые взаимодействием природных и техногенных факторов, роль которых оценена вероятностно-статистическим методами факторного анализа, служат основой для составления специализированных карт геоэкологической направленности, и являются неотъемлемой составной частью информационного обеспечения системы предупреждения природно-техногенных аварий.

Составление геоэкологических карт в рамках ГИС ЖД ПТС обеспечивает возможность автоматизированной фиксации состояния компонентов природной среды в зонах влияния на них техногенного воздействия В организации системы предупреждения природно-техногенных аварий 12. Предложена и практически реализована организационная схема информационного обеспечения предупреждения критических ситуаций в состоянии ПТС на различных стадиях создания и функционирования железных дорог.

Наиболее эффективным организационно-техническим мероприятием, всецело определяющим реализацию системы предупреждения природнотехногенных аварий в состоянии ПТС является их мониторинг, осуществляемый комплексно и в геотехническом и в геоэкологическом направлениях, что в условиях нарастания аварийной опасности многих ПТС России, в том числе и железнодорожных, является задачей первостепенной важности. Определена концептуальная схема комплексного мониторинга ПТС, в основу которой положены теоретические, методологические, методические и технологические позиции, определяющие структуру базы данных ГИС предупреждения природно-техногенных аварий железных дорог районов нефтегазодобычи Тюменской области.

Полученный технико-экономический эффект Результаты научных исследований, выполненных в период с 1987 по 2003 гг. на Севере Западной Сибири на объектах транспортной инфраструктуры при обустройстве нефтегазоконденсатных месторождений помимо теоретических, технологических и методологических положений позволили определить практическую значимость. Отраслевая эффективность от результатов использования и внедрения научных исследований при выборе и оптимизации размещения объектов транспортной инфраструктуры, проектировании мероприятий по предупреждению и локализации негативных процессов и явлений, строительстве и эксплуатации транспортных систем составила 1 414 750 тыс. руб., что подтверждено прилагаемым обоснованием технико-экономической эффективности и справками о внедрении.

Результаты научных исследований использованы при разработке проектов, строительстве и эксплуатации транспортных коммуникаций:

• Магистральных трубопроводов — СРТО-УРАЛЯмбург-ЦентрУрен-гой-Помары-УжгородМессояха-Дудинка-НорильскЯмал-Центр.

• Железных дорог: Сургут-ст.ПуровскКоротчаево-Новый УренгойНовый Уренгой-Надым-Ягельная-ЯмбургДудинка-НорильскОбская-Бованенково.

• Автомобильных дорог: Коротчаево-Новый УренгойУренгой-Заполярное ГНКМУренгой-Южно-Русское ГНКМУренгой-ЯмбургУренгой-Надым.

• Межпромысловые и внутри промысловые коммуникационные коридоры нефтегазоконденсатных месторождений: Уренгойского, Песцового, Заполярного, Западно-Заполярного, Берегового, Самбургского, Северо-Часельского, Юбилейного, Пеляткинского, Мессояхского, Тазовского, Яро-Яхинского, Ево-Яхинского и др. месторождений Севера Западной Сибири.