Эколого-геокриологическая информация в общей системе инженерно-геологических знаний

Главные составляющие общей системы инженерно-геологических знаний и их взаимоотношение – весьма важная и, безусловно, фундаментальная проблема.

В качестве самостоятельной области знаний инженерная геология появилась в середине прошлого века в связи с интенсивным развитием горнодобывающей, строительной, дорожной и иных отраслей народного хозяйства. Их развитие было невозможно без комплексной информации о составе и свойствах горных пород. В работах крупных специалистов в этой области (П.И.Мельникова, Э.Д.Ершова, Е.М.Сергеева, В.Т.Трофимова, Л.Н.Хрусталева, С.Е.Гречищева и других показана важность информации по теплофизическим, физико-химическим и механическим свойствам горных пород – обязательного условия качественных проектирования и строительства разнообразных объектов народного хозяйства.

Это положение можно подтвердить следующим печальным примером. В середине прошлого века в Поволжье развернулась грандиозная стройка крупнейшего комплекса «Атоммаш». Некачественные изыскания и проектирование привели к серьезным ошибкам. Не был получен объем материалов об инженерно-геологических свойствах горных пород, достаточный для достоверного прогноза. В результате комплекс разместили на просадочных грунтах. Более того, при проектировании в целях экономии было принято решение о сокращении на несколько метров длины свай в основаниях огромных, протяженностью во многие сотни метров, корпусов.

Еще до завершения строительства в результате значительного подъема уровня грунтовых вод, питаемых необычно большим количеством атмосферных осадков, в основаниях многих корпусов произошли недопустимые просадки пород, повлекшие нарушения их устойчивости. Технических решений по исправлению ситуации разработано не было и стройку законсервировали. Таким образом, из-за преступной халатности и недооценки значения инженерно-геологического обеспечения строительства были допущены колоссальные потери бюджетных средств.

В общей комплексной системе инженерно-геологических знаний совершенно особым направлением является изучение сезонно- и многолетнемерзлых пород. И дело не в изучаемых параметрах – составе, строении и свойствах горных пород, а в особенностях агрегатных состояний объекта исследований. Отрицательные температуры обусловливают принципиальные отличия в составе горных пород с развитием разнообразных подземных льдов, иногда составляющих до 90% толщи (рис.1), и иных характеристик.

Особое значение эти свойства приобретают в процессе освоения северных территорий, когда воздействию подвергаются толщи со специфическими свойствами, принципиально отличными от свойств немерзлых горных пород.

Рис.1. Арктические геосистемы с разрушающимися подземными льдами. Побережье моря Лаптевых. Фото М.Н.Григорьева

Современное освоение криолитозоны, использование ее ресурсов, проживание городского и сельского населения невозможны без системной оценки совокупного влияния на нее как проектируемых и создаваемых, так и уже существующих промышленных объектов. Их взаимосвязь в сочетании с оценкой последствий социально-экономических, экологических, историко-культурологических и медико-биологических процессов представляет собой сложную задачу, требующую глубокого системного подхода и имеющую фундаментальное социально-региональное значение. Именно эколого-геокриологическая составляющая стала, в последнее время, наиболее актуальной.

Принципы систематизации эколого-геокриологической информации

Многолетний опыт геоэкологических исследований позволяет при исследовании преобразования окружающей среды в районах с различной спецификой воздействий выделить: территории горнодобывающей деятельности - добычи алмазов, олова, золота, угля; транспортировки и переработки углеводородов; зоны урбанизации и т.д. Именно районы горнодобывающей отрасли и урбанизированные территории являются в настоящее время сосредоточением геоэкологических проблем. Подчиненное и несколько менее губительное для природной среды значение имеют энергетическая, лесотехническая, транспортная и сельскохозяйственная отрасли. Тем не менее, в местах сосредоточения нескольких техногенных факторов, степень преобразования окружающей среды достаточно высока.

Очевидно, что во всех районах с экстремальными природными условиями естественным путем и в результате всей отмеченной деятельности формируются своеобразные природные (рис.1-4) и природно-техногенные комплексы (ПТК) (рис.5-6).

Рис.2. Арктические геосистемы с разрушающимися подземными льдами и вытаивающим бивнем мамонта. Побережье о-ва Бол. Ляховский. Фото М.Н.Григорьева

Под природно-техногенными комплексами мы предлагаем понимать сочетание определенных техногенных систем конкретной отраслевой принадлежности (одной или нескольких), функционирующих в конкретных природных условиях и отличающихся специфическими геоэкологическими последствиями своей деятельности.

Рис.3. Арктические геосистемы с разрушающимися подземными льдами. Обнажение Ойгосский яр. Фото М.Н.Григорьева

В последние годы по инициативе различных министерств и ведомств разрабатываются принципиальные подходы к систематизации геоэкологической информации в виде проблемно-ориентированных баз данных. Тематически, по своей специализации, работы по сбору, систематизации геоэкологической информации Севера и её структурирования в виде тематических баз данных могут быть разделены на несколько направлений.

Первое включает изучение территорий активной горнодобывающей деятельности, второе – зон интенсивной урбанизации, а последующие – аспекты, связанные с частными и интегральными последствиями деятельности энергетической, транспортной и иных отраслей промышленности.

Рис.4. Полигоны повторно-жильных льдов на побережье арктических морей. Фото М.Н.Григорьева

При систематизации геоэкологической информации в общем периоде создания природно-техногенных комплексов и их эксплуатации, следует выделить три временных этапа.

Первый из них включает проблемы, связанные с организацией природоохранных работ на стадиях изысканий и проектирования природно-техногенных комплексов.

Второй этап объединяет проблемы, возникающие при производстве строительных работ.

Третий этап связан с проблемами, появляющимися на стадии эксплуатации в конкретных инженерно-геологических условиях.

Рис.5. Маревые геосистемы по трассе нефтепровода Талакан-Витим. Юго-Западная Якутия. Фото М.М.Шац

Рис.6. Техногенные геосистемы в районе Депутатского месторождения. Фото из Googlе Earth

Проблемы сбора эколого-геокриологической информации, её достоверности, грамотной систематизации с использованием современных технологий и охватом основных составляющих геосистем осваиваемых территорий Севера, актуальны несколько последних десятилетий. В частности, для систематизации и наглядного отображения данных мониторинга эколого-геокриологических условий в связи с естественной и техногенной динамикой окружающей среды, успешно применяются ГИС-технологии. Данный подход позволяет практически в реальном режиме времени интегрировать и наглядно представлять самую разнообразную, в т.ч. «многослойную» информацию о состоянии окружающей среды и её динамике на различных стадиях освоения.

Базы данных геокриологической информации

Как показывает практика, наиболее удобной для последующего использования специалистами различных отраслей формой представления систематизированных материалов являются базы данных тематической информации.

Резкая активизация освоения территории в последнее время как традиционными (горнодобывающая, селитебная), так и относительно новыми отраслями, связанными с железнодорожным и гидротехническим строительством, транспортировкой и переработкой углеводородов, возобновлением добычи урана, вызвала необходимость перед научными организациями постановки и решения ряда новых задач.

Работы по данному направлению были начаты в Институте мерзлотоведения СО РАН (ИМЗ) по инициативе академика П.И.Мельникова еще в середине 80-х годов прошлого столетия. Разработаны идеология составления геокриологической базы данных, предложены принципы систематизации тематической информации, начата разработка системы управления базой данных (СУБД). Все эти принципы изложены в специальной статье [1], однако по ряду объективных причин работа до реализации доведена не была.

Позднее под руководством сотрудника Института А.Н.Федорова было проведено системное обобщение геоэкологической информации в виде сначала кадастра мерзлотных ландшафтов, а затем и крупного картографического произведения – «Мерзлотно-ландшафтной карты Якутии» [6] (1991) с пояснительной запиской [7]. Именно эта работа, по сути, является первой попыткой систематизации проблемно-ориентированной эколого-геокриологической информации для интенсивно осваиваемой многими отраслями народного хозяйства территории Севера.

Позднее в ИМЗ совместно Институтом горного дела Севера СО РАН были подготовлены и переданы для внедрения в МЧС РФ базы данных эколого-геотехнической информации для месторождений полезных ископаемых Западно-Якутской алмазной и Южно-Якутской золотой провинций [10,11]. Тематическое содержание включает информацию, систематизированную по 7 разделам. При этом, наряду с исходными разделами, включающими информацию о названии объекта, его местоположении и природных условиях, виде полезного ископаемого, способе, стадии и технологии отработки, результирующими являются рубрики с данными о степени последствий воздействий на природные среды при отработке месторождений и категории объекта по степени опасности последствий его деятельности.

В настоящее время в развитие работ данного направления собрана и систематизирована эколого-геокриологическая информация по 176 основным месторождениям полезных ископаемых Якутии, в том числе 32 месторождениям алмазов, 11 – природного газа, 4 – нефти, 98 – золота, 8 – металлов и 14 – угля.

На последующих этапах НИР проводится совершенствование структуры содержания кадастра геотехнических объектов Якутии, расширение тематического содержания проблемно-ориентированных баз геоэкологической информации Южной и Северо-Восточной Якутии, а также пополнение их новыми материалами и адаптация в общую структуру. При возможности подключения к НИР специалистов-математиков будет разработана и задействована СУБД.

В последнее время в ИМЗ под руководством проф. М.Н.Железняка [4,5,8] создана геокриологическая база данных отдельных структур Сибирской платформы в целом. Продолжаются работы по формированию геокриологической базы данных Верхояно-Чукотского региона.

Для получения достоверной информации о состоянии криолитозоны Сибирской платформы и осуществления прогноза её возможных трансформаций и их последствий, создана мониторинговая геокриологическая сеть с конечной целью сбора достоверной информации для последующей оценки реакции мерзлых толщ горных пород на изменение климата и техногенные воздействия. Собственно геокриологический мониторинг включает ряд тематически сопряженных задач: 1) режимные наблюдения за термическим состоянием горных пород; 2) наблюдения за глубиной сезонного протаивания грунтов; 3) наблюдения за динамикой криогенных процессов и явлений; 4) изучение химического состава подземных над-, меж- и подмерзлотных вод; 5) наблюдения за динамикой снежного покрова; 6) оценка влияния инженерных сооружений на температурный режим грунтов и развитие криогенных процессов; 7) разработка нормативных документов по организации системы мониторинга; 8) создание аналитической геокриологической базы данных.

Модернизация базы выполнена на основе новой версии многофункциональной системы программы Delphi, работающей с 64 разрядными операци­онными системами. Расположение площадей и скважин с геотермическими исследова­ниями привязаны в системе «Googlе Earth» (Планета Земля), а также к специализированным картам и схемам в программе ArcGis 26. Используется процессор баз данных Borland Database Engine (BDE), в качестве стандартного языка выбран SQL - структурированный язык запросов (Structured Query Language). Это позволяет создавать реляционные базы, представляющие собой набор связанных данных, хранящихся в таблицах, и оперировать ими. Для реализации запросов в Delphi существует специальный компонент TQUERY, обладающий рядом свойств и методов, позволяющих использовать все преимущества запросов SQL для работы с данными. Это дает возможность манипулировать большими выборками тематической информации [4].

В разной степени готовности находятся создаваемые в ИМЗ СО РАН тематические базы данных, включающие мерзлотно-геоморфологическую, инженерно-геологическую, гидрогеологическую информацию.

В качестве приложения к Инженерно-геологической карте Якутии [9] готовится База данных свойств грунтов. В ней будут собраны материалы по каждому из выделенных 3-4 тыс. грунтовых полигонов: виды и разновидности грунтов по ГОСТу, их генезис, геологический возраст. Отдельно в форме самостоятельных структур выделены районы с интервалами температур грунтов через 2° с перекрытием, а также полигоны комплексов экзогенных процессов. Проведено обзорное районирование гидрогеологических и сейсмических условий. Графическая составляющая карты выполнена на базе программы ArcGis 10.

Формирование автоматизированной базы данных надмерзлотных, межмерзлотных и грунтовых вод территории развития ММП проведено при создании электронной модели «Инженерно-геологической карты России» в масштабе 1:2 500 000, завершенной в 2010 г. [3]. В настоящее время база данных используется при составлении цифровой «Инженерно-геокриологической карты РС (Я) и прилегающих территорий» в масштабе 1:2 500 000, работа над которой ведется в Институте мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН [2]. Структура базы была разработана в соответствии с легендой к данному масштабу, необходимостью районирования надмерзлотных, межмерзлотных и грунтовых вод территории развития мерзлой зоны по их агрессивности к строительным материалам и конструкциям (общекислотная, сульфатная, углекислотная) и создания банка данных наиболее крупных наледей региона. Формирование и ведение базы данных производится в системе управления баз данных Microsoft Office Access. СУБД способствует упрощению и унификации информации и структуры данных и облегчает подготовку информации к ее дальнейшему использованию. Специальные средства, входящие в состав Access, позволяют вводить данные в режиме таблицы, или, что значительно удобнее, в специальную форму, осуществлять поиск записей в базе данных, удовлетворяющих необходимым условиям, производить необходимые расчеты, создавать сводные отчеты в наиболее удобном виде, отвечающим конкретным задачам. Реляционная модель базы данных представлена в виде двумерных таблиц. Набор таблиц точечных объектов по агрессивности подземных вод включает специальные поля по точкам наблюдений: общие сведения; литологический состав, геологический возраст и генезис водовмещающих отложений; характер водоносности; условия формирования таликов (подрусловые и подозерные, сквозные и несквозные); глубина вскрытия водоносного горизонта надмерзлотно-межмерзлотных вод в сплошной и прерывистой мерзлой зоне (в градациях меньше 3 м, от 3 до 10 м); глубина вскрытия водоносного горизонта грунтовых вод в прерывистой и островной мерзлой зоне (мощность больше 10 м); интервал залегания талых пород (для несквозных надмерзлотных таликов); глубина залегания подошвы водоносного горизонта; дебит, л/с; гидрохимическая характеристика (минерализация и химический состав воды, активная кислотность); вид агрессивности по отношению к бетону (сульфатную, углекислотную, общекислотную, выщелачивающую) в градациях: агрессивный-неагрессивный; идентификационный номер; поле «Type» – служит для визуализации объектов в графическом приложении. При создании таблиц точечных объектов «Наледи площадью ?10 км2» и «Наледи площадью 1?9 км2» по точкам наблюдений включены следующие поля: общие сведения (№ т/н, координаты, источник сведений, местоположение, абсолютная отметка); параметры наледи (длина, ширина, площадь).

Предлагаемое геоинформационное обеспечение может быть использовано как для создания самостоятельной электронной модели, так и при создании карт инженерно-геологической и мерзлотно-гидрогеологической направленности разных масштабов.

Заключение

Особое значение разработка методов сбора и систематизации эколого-геокриологической информации приобретает так же и в связи с реализацией таких масштабных проектов, как строительство и эксплуатация соответственно газового, названного «Сила Сибири», и нефтяного – «Восточная Сибирь – Тихий Океан» трубопроводов, разработка в Южной и Юго-Западной Якутии крупнейших месторождений золота, жидких, газообразных и твердых углеводородов, урана, широкомасштабное административное и жилищное строительство и т.д. Отсутствие, либо недостаточность отмеченных выше материалов, как правило, приводят к неопределенности при выборе стратегии природопользования, связанной с невозможностью разработки плана конкретных природоохранных и компенсационных мероприятий. Их реализация позволяет существенно уменьшить ущерб от освоения.

Рекомендации по использованию

Работа предназначена для специалистов различных отраслей геоэкологии и инженерной геологии, а после тематического структурирования может стать полезной при составлении профильных образовательных курсов лекций. Ранее подход был реализован при подготовке и чтении курсов лекций: «Общая геология», «Инженерная геология», «Общее мерзлотоведение», «Геоэкология», «Основы комплексной (инженерно-геоэкологической, геокриологической, геоэкологической) съемки Севера» и других в Якутском государственном университете (сейчас Северо-Восточный Федеральный Университет).

Список литературы

1. Балобаев В.Т., Алексеева О.И., Железняк М.Н., Шац М.М. Создание геокриологической базы данных Якутии // Материалы первой конференции геокриологов России. М.: Изд-во МГУ, 1996. Кн. 1. С. 93-100.

2. Иванова Л.Д., Никитина Н.М. Опыт создания цифровой модели гидрогеологической карты на примере Центральной Якутии. // Наука и техника в Якутии, № 2(19). – Якутск: Издательство Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, 2010. – С. 24-27.

3. Иванова Л.Д., Павлова Н.А. Создание базы данных надмерзлотных, межмерзлотных и грунтовых вод территории Северо-Востока России в целях инженерно-геологического и гидрогеологического моделирования // Сергеевские чтения. Роль инженерной геологии и изысканий на предпроектных этапах строительного освоения территории. Выпуск 14. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (22 марта 2012 г.). – М.: РУДН, 2012. – С.35-40.

4. Железняк М.Н. Геотемпературное поле и криолитозона юго-востока Сибирской платформы. Новосибирск: Наука, 2005. 227 с.

5. Железняк М.Н. О необходимости создания геоинформационной геокриологической системы. // Труды Десятой международной конференции по мерзлотоведению. Салехард, ЯНАО, т,5, 2012, с.112-113.

6. Мерзлотно-ландшафтная карта Якутской АССР, ГУГК, Новосибирск, 1991, 2л.

7.Мерзлотные ландшафты Якутии, Новосибирск, 1989, 170 с.

8. Сериков С.И., Железняк М.Н., Завадский Ф.Р., Создание системы геокриологического мониторинга и информационной базы данных ЮжнойЯкутии. // История, проблемы и перспективы развития Южной Якутии. Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 35-летию города Нерюнгри, 4-6 ноября 2010 г. Нерюнгри, Россия, 2010, с.140-145.

9. Спектор В.Б., Торговкин Я.И., Шестакова А.А., Спектор В.В. Обобщение данных о криолитозоне на инженерно-геологической карте Республики Саха (Якутия) масштаба 1:1 500 000 // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Северо-Востока России: материалы всероссийской научно-практической конференции, 6-8 апреля 2016 г.- Якутск: Издательский дом СВФУ, 2016 - С.541-546.

10. Шац М.М., Галкин А.Ф. База данных №0220409730 «Опасные и потенциально опасные геотехнические объекты алмазной провинции РС (Я)». Электронная база данных. Государственный регистр баз данных РФ. Свидетельство №9045 от 03.06.2004, 94,4Мв, 6 печ. л.

11. Шац М.М., Галкин А.Ф. База данных №0220611149 «Опасные и потенциально опасные геотехнические объекты Южной Якутии». Электронная база данных. Государственный регистр баз данных РФ. Свидетельство №10443 от 26.06.2006, 108.8 Мв, 7.5 печ. л.

12. Шац М.М. Систематизация эколого-геокриологической информации и подготовка тематических баз данных природно-техногенных комплексов Севера. Основные направления и подходы. Электронный ресурс, источник: Технопарк РФ, Код доступа: http://xn--80ajqkfgik2a.xn--p1ai/?p=225, дата обращения 23 марта 2017 г.