Геомониторинг в городском подземном строительстве

Снижение и предотвращение экологической опасности при подземном строительстве базируется на учете всех уровней горно-строительного производства, начиная со стадии получения геологической информации, прогноза, моделирования, составления проекта строительства и заканчивая выбором эффективных мероприятий инженерной защиты окружающей среды при эксплуатации сооружения. Экологическая стратегия включает в себя также изучение динамики развития в пространстве и во времени искусственно сложившейся экосистемы «подземный объект – массив горных пород – окружающая среда», т. е. геомониторинг.

В пособии рассмотрены основные виды мониторинга при освоении подземного пространства городов.

Книга рассчитана на широкий круг читателей: проектировщиков, производственников, предпринимателей, работников научных и учебных учреждений, аспирантов, магистров и студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Шахтное и подземное строительство».

Допущено Учебно-методическим советом вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки «Горное дело», по специальности 130406 «Шахтное и подземное строительство» государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования (ГОС ВПО) и специальности 130403 (21.05.04) «Горное дело» федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования (ФГОС ВПО (ВО)).

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор В.М. Смирнов

доктор технических наук, профессор Г.С. Франкевич

Введение

Наблюдение – метод вполне достаточный для изучения только более простых явлений. Наблюдение собирает то, что ему предлагает природа. Опыт же берету природы то, что он хочет.

П. Павлов

Нет большего врага прогнозов, чем самоуверенный оптимизм.

В. Тендряков

Никогда нельзя предсказывать будущее исходя из прошлого.

Э. Берк

Любое подземное сооружение оказывает воздействие на окружающую среду, вызывая в ней те или иные изменения, угрожающие здоровью и жизнедеятельности людей и вызывающие негативные преобразования экологической системы Земли в целом. Существующая в настоящее время практика природоохранной деятельности основывается на нормировании воздействий и прогнозе изменений в окружающей природной среде.

Социально-экономические и градостроительные перспективы все в большей степени определяются санитарно-гигиеническим состоянием окружающей среды, возможностью биосферы компенсировать неблагоприятное воздействие техногенных факторов, в том числе связанных с интенсифицирующимся производством.

Санитарно-гигиеническое состояние окружающей среды нормируется установлением предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ, ориентировочных безопасных уровней воздействия (ОБУВ), ориентировочных допустимых норм (ОДУ), предельно допустимого сброса вредных веществ в водный объем, санитарных правил и норм и т. п. Перечисленные нормативы открывают практические возможности для оценки санитарно-гигиенического состояния среды при строительстве и эксплуатации любого промышленного объекта и перспективы оптимизации техногенной деятельности.

Прогнозирование занимает важное место в практике подземного строительства и является конечной целью проведения всех видов полевых, лабораторных и камеральных изысканий.

Инженерно-геологические прогнозы при проектировании и строительстве подземных сооружений имеют ряд особенностей по сравнению с другими видами техногенного воздействия на природу. Эти особенности связаны главным образом с ограниченностью объемов изысканий и получаемой информации. В этих условиях к прогнозируемым параметрам относятся состав и свойства породы, гидрогеологические условия по трассе подземного объекта, возможности развития неблагоприятных геомеханических процессов (горное давление, пучение пород, прорывы воды, плывунов и газа, изменение температурных условий и др.).

Из-за сложности и взаимосвязанности процессов, развивающихся между подземными объектами и окружающей средой, не все они поддаются точным прогнозам: для большинства из них возможна лишь оценка качественных изменений.

Следующим этапом после прогноза является моделирование, т. е. воспроизведение процессов и явлений на основе законов подобия. В практике городского подземного строительства для прогнозирования применяют все виды моделирования: натурное, лабораторное, логическое, математическое, знаковое.

Натурные модели позволяют воспроизвести не только состояние подземного объекта и окружающей среды, но и изменившиеся под воздействием сложных динамических нестационарных условий ситуации.

Лабораторные модели позволяют раздельно изучить те факторы, которые в природной обстановке действуют совместно.

Обработка результатов массовых испытаний свойств грунтов приводит к созданию статистических моделей, одной из разновидностей логических моделей.

Инженерно-геологические знаковые модели позволяют представить обобщенное графическое изображение геологических и гидрогеологических условий и геомеханических процессов на участке конкретного подземного объекта.

Составление специализированных моделей основано на выделении слабого звена в системе «подземное сооружение – породный массив», т. е. на выявлении факторов, оказывающих решающее влияние на выбор технического решения. Для каждого конкретного подземного сооружения необходима своя, специфическая информация о строении массива, вмещающего это сооружение, о характере миграции подземных вод к объекту, о температурных и электромагнитных полях и т. п. Поэтому исходные модели анализируют применительно к конкретным задачам проектирования и формируют их в частные модели, на которых необходимые элементы массива горных пород и несущих конструкций подземного сооружения представлены в нужном виде и с достаточной детальностью.

На основании одной или нескольких частных моделей, с учетом индивидуальных особенностей геологического строения и конструкции сооружения, строят еще один вид специализированных моделей – расчетную модель, отражающую только те элементы, которые могут быть учтены проектировщиками в расчетных схемах. Последние представляют собой схематизированное изображение подземного сооружения с действующими на него нагрузками и силами в сочетании с характеристиками, определяемыми в расчетном сечении.

Моделирование как этап экологической стратегии позволяет посредством выбора наиболее рациональной технологии строительства и соответствующих мер инженерной защиты максимально снизить опасность появления необратимых изменений окружающей среды при освоении подземного пространства городов.

Этим же целям служит комплексная оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) при разработке и обосновании проекта строительства. Проект строительства при реализации оказывается «погруженным» в окружающую среду на конкретной территории, которая воспринимает техногенное воздействие от сооружаемого объекта. Некоторая часть этих воздействий подлежит нормированию и может быть ограничена определенными мерами инженерной защиты окружающей среды. Однако практика показывает, что порог ПДК, как правило, безнадежно превышен, особенно в давно освоенных регионах. Поэтому применения только нормативного подхода к решению экологических проблем недостаточно. Наряду с использованием уже накопленного опыта в виде пороговых величин некоторых видов воздействия необходимо выявлять и учитывать экологические последствия реализации любой проектируемой деятельности. При этом речь идет не только об изменениях параметров соответствия природной среды, но и о социальных, экономических и других изменениях.

ОВОС оценивает последствия во всех аспектах окружающей среды, задавая в каждом конкретном случае конкретные рамки исследования, определяемые кругом выявленных последствий.

Следующим этапом является инженерно-экологическая экспертиза, которая включает в себя оценку долговременного воздействия подземного объекта на природные ресурсы, природные условия, факторы развития народного хозяйства и условия жизни людей в районе освоения подземного пространства.

Таким образом, снижение и предотвращение экологической опасности при подземном строительстве базируется на учете всех уровней горно-строительного производства, начиная со стадии получения геологической информации, прогноза, моделирования, составления проекта строительства и заканчивая выбором эффективных мероприятий инженерной защиты окружающей среды при эксплуатации сооружения. Экологическая стратегия включает также в себя изучение динамики развития в пространстве и во времени искусственно сложившейся экосистемы «подземный объект – массив горных пород – окружающая среда», т. е. геомониторинг.

Необходимость усиления роли геомониторинга в подземном строительстве обусловлена следующим.

Масштабы технического воздействия человека на окружающую среду в результате освоения подземного пространства городов в ряде случаев достигают, а в некоторых случаях даже превышают уровни естественных процессов перемещения вещества и энергии в природной среде.

При этом реакция природной среды на техногенные воздействия по своим масштабам может существенно превышать масштабный уровень техногенных воздействий, что необходимо учитывать при наблюдении, прогнозе и управлении природно-технической геосистемой (ПТГС) «породный массив – подземное сооружение – окружающая среда».

При техногенном вмешательстве в природную среду в результате подземного строительства не должны превышаться некоторые «пределы прочности» среды. При этом природная среда предъявляет со своей стороны «технические условия» к техногенным воздействиям (по количественному уровню, по времени воздействия и др. показателям). При невыполнении этих условий подземные объекты и природно-технические геосистемы в целом могут выйти из устойчивого состояния, что может создать экологически кризисную ситуацию или потребуются меры по стабилизации – управлению устойчивостью ПТГС на основе научно обоснованных прогнозов.

В связи с этим важнейшей проблемой является процесс оптимизации взаимодействия человека и природы, который должен включать всесторонний анализ и прогноз состояния природной среды, ее изменений под влиянием горно-строительной деятельности, научно обоснованное и технологически совершенное использование природных ресурсов, активное регулирование природных и техногенных процессов для поддержания высокого качества окружающей среды, экологически обоснованного проектирования и функционирования ПТГС.

В целях решения этой проблемы с начала 70-х годов на различных иерархических уровнях от глобального (международного) до локального предпринимаются меры по созданию различных видов и систем мониторинга.

Глава 1
Понятие «мониторинг». Общие сведения о мониторинге

1.1. Вопросы прогнозирования и мониторинг

В настоящее время вопросам прогнозирования посвящено много работ. Можно прогнозировать от сегодняшнего дня, от имеющегося базиса знаний и ресурсов, постепенно проникая в будущее. Можно идти иным путем: сначала определить будущие цели и ориентиры, которых хотелось бы достичь в будущем, и уже от них постепенно двигаться к настоящему, увязывая желания с возможностями. Первый путь называется изыскательским прогнозированием, ибо изыскиваются пути как бы в неведомое; второй – нормативным (целевым) прогнозированием, так как заранее определяется (нормируется) конечная цель. В науках о Земле используются оба эти пути.

Область научного прогноза ныне является существенной частью любого исследования, любой отрасли знаний. Для сознательного воздействия на природные явления необходимо познать их характер и уметь их прогнозировать. В разработке основ различных видов прогнозирования все большее развитие получают математические методы – построение различных моделей на математических принципах.

Прогнозирование является одним из важных инструментов, позволяющих если не ИСКЛЮЧИТЬ, то по крайней мере снизить неопределенность в оценке вновь возникающих факторов и развития неблагоприятной ситуации и с учетом этого принять правильное решение по выходу из нее. В настоящее время предпочтение отдается прогнозированию, основанному на научных методиках, объективно отражающих происходящие в природе и техносфере процессы и влияющие на них факторы. Однако не исключаются и интуитивные прогнозы, базирующиеся на большом опыте и высокой квалификации лиц, высказывающих свой взгляд на развитие событий, предсказывающих их конечный результат.

Прогнозирование – это исследовательский процесс, результатом которого являются вероятностные данные о будущем состоянии прогнозируемого объекта, включая данные о вероятности возникновения аварии или катастрофы и путей их развития, если речь идет, например, о техногенно опасном объекте.

Под прогнозированием техногенных воздействий, связанных с авариями, будем понимать исследовательский процесс, осуществляемый с целью получения вероятностных суждений о возникновении аварии, характере и параметрах сопровождающих ее явлений и воздействий в будущем. Под прогнозной оценкой техногенных воздействий имеется в виду сопоставление прогнозируемых параметров, которыми характеризуются возможность возникновения аварии катастрофического характера и сопровождающие ее воздействия на окружающую среду, с научно обоснованными приемлемыми значениями.

В общем случае прогнозирующая система может включать математические, логические и эвристические элементы. На вход системы поступает имеющаяся к настоящему моменту времени информация о прогнозируемом явлении, процессе, объекте; на выходе системы выдаются данные о будущих параметрах явления, процесса (состоянии объекта), то есть прогноз. Блок-схема прогнозирующей системы приведена на рис. 1.1.

Данная блок-схема отражает процесс прогнозирования для какого-либо одного вида техногенного воздействия (аварии определенного вида). Руководствуясь этой схемой, можно произвести в отдельности прогнозирование каждого из возможных видов техногенного воздействия (аварий или катастроф).

В соответствии с рассматриваемой блок-схемой первым этапом при прогнозировании является сбор и анализ необходимой исходной информации, касающейся источников, факторов и параметров процессов, могущих привести к аварии катастрофического характера, антропогенного воздействия, сопровождающего такую аварию в ретроспективе и в настоящее время.

Рис. 1.1. Блок-схема прогнозирующей системы

→ (пунктирная стрелка) вычислительные операции,

→ (сплошная стрелка) исследовательские (аналитические операции)

Значительная часть указанной исходной информации может быть получена в блоке комплексного мониторинга, где предусматривается наблюдение за источниками, факторами антропогенного воздействия и собственно антропогенным воздействием на окружающую среду. Частично исходная информация для прогнозирования вырабатывается также блоком мониторинга, связанным с оценкой уровней антропогенного воздействия. К исходной информации могут быть также отнесены некоторые закономерности протекания процессов в данной предметной области.

Второй этап прогнозирования состоит в создании математической модели процесса техногенного воздействия рассматриваемого вида на окружающую среду, а также методического аппарата для определения неизвестных параметров модели. Указанный методический аппарат разрабатывается с учетом данных ретроспективного анализа моделируемого процесса техногенного воздействия.

При этом важная роль принадлежит установлению эмпирических или подтверждению теоретических закономерностей формирования факторов техногенного воздействия.

При создании модели процесса техногенного воздействия исходят из целей и задач прогнозирования и учитывают интервал упреждения (заданный отрезок времени с момента производства прогноза до момента в будущем, для которого этот прогноз делается).

Третьим этапом прогнозирования является проведение необходимых расчетов и визуализация их результатов. Результаты расчетов должны быть представлены в виде, удобном для оценки антропогенного воздействия на объекты окружающей среды.

На заключительном четвертом этапе прогнозирования производится оценка адекватности модели реальным процессам и достоверности получаемой прогнозной информации. При этом могут использоваться различные методы.

Так как будущая ситуация, связанная с техногенным воздействием, зависит от многих факторов стохастической природы и характеризуется неопределенностью, весьма подходящим в данном случае является метод максимума правдоподобия.

Указанный метод основывается на вероятностном подходе. Главная идея метода заключается в определении так называемой функции правдоподобия. В качестве этой функции обычно принимается условная плотность вероятности

P(y(a₁,a₂…,a_n), (1.1)

где а₁, а₂…., а_n – подлежащие оценке параметры модели; у – выборочные наблюдения (измерения) прогнозируемой величины, например, концентрация вредного вещества в той или иной среде, на участке наблюдения у₁, у₂…., у_m.

После определения функции правдоподобия она максимизируется относительно α = (α₁,α₂….α_n).

Таким образом, решается задача о нахождении наилучшей оценки параметров модели а на основе наблюдений (измерений) прогнозируемой величины у на участке наблюдений у₁, у₂…., у_m. По существу, дается ответ на вопрос о том, при каких значениях параметров модели техногенного воздействия наиболее вероятно появление совокупности значений прогнозируемой величины у₁, у₂…., у_m.

Широкое применение в задаче прогнозирования находит и достаточно известный метод наименьших квадратов, являющийся частным случаем метода максимального правдоподобия, когда искажения (помехи), накладывающиеся на детерминированную часть прогнозируемого процесса, аддитивны и имеют нормальное распределение.

Кроме упомянутых выше, применяются и иные методы. Например, метод, основанный на определении минимума максимального отклонения параметров детерминированной части модели от их экспериментальных значений, и др.

Математические методы, применяемые для получения прогнозной оценки техногенных воздействий, условно могут быть подразделены на две группы:

• методы математического моделирования процессов распространения вредных веществ, фронтов ударных волн, электромагнитных излучений определенной интенсивности и т. п.;

• методы, основанные на экстраполяции результатов многолетних наблюдений за техногенными воздействиями на определенные моменты времени в будущем.

Методы прогнозирования, связанные с экстраполяцией (статистические методы), обладают определенными особенностями. Прогнозирование производится с помощью модели, выработанной на основе обработки и анализа статистического материала по техногенным воздействиям рассматриваемых видов. Такими методами осуществляется, например, прогнозирование загрязнения воздушной среды городов и промышленных зон вредными химическими веществами, выбрасываемыми производственными и другими объектами при нормальных условиях их эксплуатации.

По результатам прогнозирования производится оценка техногенных воздействий. При этой оценке прогнозируемые параметры, характеризующие техногенные воздействия, сравниваются с их критериальными значениями.

На основе этого сравнения проводится соответствующий анализ и формируются выводы о целесообразности проведения тех или иных природоохранных мероприятий. В этом состоит главный принцип оценки техногенных воздействий.

В числе критериев уровней техногенного воздействия могут быть приняты предельно допустимые концентрации тех или иных вредных веществ, допустимые уровни загрязнения поверхностей, предельно допустимые уровни шумов, электромагнитных излучений, тепловых потоков, температурного градиента и т. д. Критериальные значения параметров соответствуют научно обоснованным приемлемым уровням техногенных воздействий.

Анализ и оценка прогнозируемых параметров техногенных воздействий зачастую являются многофакторными и связаны с развязкой неопределенностей. Это требует применения системного подхода и привлечения соответствующего математического аппарата.

Существуют несколько видов и направлений научного прогноза. Различают прогнозы климатические, геологические, гидрогеологические, гидромелиоративные и т. д. Бывают прогнозы кратковременные и долговременные (на год, на пять, на десять лет и более).

В научных прогнозах можно выделить три направления:

• научного предвидения, открытий в различных науках;

• естественного развития природных процессов;

• изучения разнообразных последствий, вызываемых вмешательством человека в природу.

В отдельных областях знаний наука прогнозирования испытывает некоторые затруднения. Особенно это касается прогноза разнообразных последствий, вызываемых вмешательством человека в природу.

Так, еще Ф. Энгельс говорил о так называемых «непредвиденных» последствиях, происходящих в результате воздействия человека на неживую природу, предсказать которые человек еще не может.

В. И. Ленин писал: «…пока мы не знаем закона природы, он, существуя и действуя помимо, вне нашего познания, делает нас рабами «слепой необходимости». Раз мы узнали этот закон, действующий (как тысячи раз повторял Маркс) независимо от нашей воли и от нашего сознания – мы господа природы».

В настоящее время многие виды прогноза включаются в так называемую систему мониторинга (от «monitor» (англ.) – слежение, контроль, наблюдение).

Служба мониторинга РФ, существующая в нашей стране с 1978 г. в системе Государственного комитета СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды, осуществляет контроль за состоянием окружающей природной среды, изменяющейся под влиянием деятельности человека.

Мониторинг – слежение за какими-то объектами или явлениями; в приложении к среде жизни – слежение за ее состоянием и предупреждение о создающихся критических ситуациях (повышение загазованности воздуха сверх ПДК и т. п.), вредных или опасных для здоровья людей, других живых существ, их сообществ, природных и антропогенных объектов (в том числе сооружений) [5].

Мониторингом также принято называть регулярные, выполняемые по заданной программе наблюдения состояния предварительно выделенного одного или нескольких объектов.

Мониторинг, таким образом, складывается из наблюдения, в т. ч. инструментального, регистрации и архивации, систематизации и анализа результатов наблюдения, включая сопоставление с данными прогноза, разработку инженерных решений и их осуществление.

В мониторинге окружающей природной среды такими объектами наблюдения являются абиотические, биотические среды и факторы техногенного воздействия на них. Программы наблюдения природных сред, природных объектов, растительного и животного мира должны выявлять изменения их состояния и происходящие в них процессы под влиянием техногенной деятельности.

Испытывая на себе результаты разрушающего действия воды, ветра, землетрясений, снежных лавин и т. п., человек издавна реализовал элементы мониторинга, накапливая опыт предсказания погоды и стихийных бедствий. Такого рода знания всегда были и сейчас остаются необходимыми для того, чтобы по возможности снизить ущерб, причиняемый человеческому обществу неблагоприятными природными явлениями и, что особенно важно, уменьшить риск человеческих потерь. Последствия большинства стихийных бедствий необходимо оценивать со всех сторон. Так, ураганы, разрушающие постройки и приводящие к человеческим жертвам, как, правило, приносят обильные осадки, которые в засушливых районах дают значительный прирост урожаев. Поэтому организация мониторинга требует углубленного анализа с учетом не только экономической стороны вопроса, но и особенностей исторических традиций, уровня культуры каждого конкретного региона.

Переходя от созерцания явлений окружающей среды через механизмы приспособления к осознанному и усиливающемуся воздействию на них, человек постепенно усложнял методику наблюдения за природными процессами и вольно или невольно вовлекался в погоню за самим собой. Еще древние философы считали, что в мире все связано со всем, что неосторожное вмешательство в процесс даже, казалось бы, второстепенной важности может привести к необратимым изменениям в мире. Наблюдая за природой, мы долгое время оценивали ее с обывательских позиций, не задумываясь о целесообразности ценности наших наблюдений, о том, что мы имеем дело с самой сложной самоорганизующейся и самоструктурирующей системой, о том, что человек является всего лишь частицей этой системы. И если во времена Ньютона человечество любовалось целостностью этого мира, то теперь одним из стратегических помыслов человечества является нарушение этой целостности, неизбежно вытекающее из коммерческого отношения к природе и недооценки глобальности этих нарушений. Человек изменяет ландшафты, создает искусственные биосферы, организует техногенные биокомплексы, перестраивает динамику рек и океанов и вносит изменения в климатические процессы. Обратные отрицательные связи живой природы все активнее сопротивляются этому натиску человека, приближая его к кризисной черте, за которой род Homo sapiens не сможет существовать.

Системы мониторинга являются тем механизмом, который поможет предотвратить стремительное движение человечества к глобальной экологической катастрофе.

Природные катастрофы всегда являлись спутником человеческой активности, как один из элементов эволюции биосферы. Ураганы, наводнения, землетрясения, цунами, лесные пожары и т. п. приносят ежегодно огромный материальный ущерб, поглощают человеческие жизни. Одновременно все более набирают силу антропогенные причины многих катастроф. Регулярные аварии танкеров с нефтью, катастрофа в Чернобыле, взрывы на заводах и складах с выбросами отравляющих веществ и другие не предсказуемые катастрофы – реальность нашего времени. Нарастание числа и мощности аварий демонстрирует беспомощность человека перед лицом приближающейся экологической катастрофы. Отодвинуть ее может только быстрое широкомасштабное внедрение систем мониторинга, которые в настоящее время успешно внедряются в Северной Америке, Западной Европе и Японии.

Управление природной средой весьма многогранно: оно включает изучение различных блоков мониторинга, имеющих прямые связи, как-то: наблюдения – оценка фактического состояния; наблюдения – прогноз; прогноз – оценка прогнозируемого состояния. Особое значение приобретает прослеживание источников загрязнения и установление специальных критериев оценки состояния среды – так называемых ПДК (предельно допустимых концентраций) и ПДН (предельно допустимых норм). Намечается специальная научная разработка значений предельных допустимых норм и критических нагрузок на экологические системы в целом или на отдельные районы.