Геоинформационное моделирование условий возведения трубопроводных магистралей в криолитозоне

Освоение нефтегазовых месторождений и сооружение трубопроводных магистралей для транзита нефти и газа — важнейшая задача экономического развития России, а рациональное обустройство месторождений полезных ископаемых — приоритетное направление развития топливно-сырьевой базы. Разработка топливно-сырьевых месторождений стала в последние годы важным звеном интенсификации производственной деятельности в северных регионах страны. Это способствует превращению ранее дотационных регионов в динамично развивающиеся. На этой основе активизируется промышленное, гражданское и линейное строительство, происходит совершенствование технологий работы всех отраслей хозяйства и повышение качества жизни людей. В настоящее время это относится, в первую очередь, к Европейскому и ЗападноСибирскому секторам криолитозоны России, Предбайкалью и Забайкалью, Приморью и Сахалину. Инфраструктура этих регионов в значительной степени базируется и развивается на освоении многочисленных месторождений рудных и горючих полезных ископаемых, транзите нефти и газа и их переработке. Успешная реализация экономических проектов в этих регионах зависит от качества и скорости проведения инженерных изысканий, основной частью которых являются инженерно-геокриологические исследования, так как практически все они расположены в криолитозоне.

Актуальность темы

определяется тем, что активное освоение различных регионов в области распространения многолетнемерзлых грунтов, особенно строительство гигантских трубопроводных систем, требует исследования геокриологических условий с единых информационных позиций, учитывающих специфику строительного освоения объектов нефтегазового комплекса. В то же время неравномерная степень изученности эколого-геокриологических и инженерно-геокриологических условий сооружения систем — магистральных трубопроводов на территории криолитозоны может быть восполнена на основе использования геоинформационных методов моделирования. Совершенствование методов исследования геокриологических условий для целей строительного.

2005 1 5 освоения на основе ГИС-технологий позволяют сформировать, единое информационное поле предметной области. На этой основе возможен обоснованный выбор проектных решений, прогноз изменения природных условий, оценка экологических последствий строительства и эксплуатации объектов, сравнительная оценка потенциальных природных и техногенных рисков при строительном освоении территорий и эксплуатации инженерных объектов.

Несмотря на разнообразие природных условий северных нефтегазовых регионов России, общим для них является то, что инфраструктура их развития в значительной степени базируется на освоении месторождениях углеводородов, их транзите углеводородного сырья. Все это предполагает сооружение и эксплуатацию широкого, но достаточно унифицированного комплекса линейных и площадных объектов (промышленных и гражданских). Поэтому оценка с единых позиций инженерно-геокриологических условий сооружения трубопроводов является необходимым элементом научно-обоснованной нормативной базы инженерно-геокриологических и экологических изысканий для сооружения систем магистральных трубопроводов, прогноза и мониторинга природной среды и воздействия на нее трубопроводных систем. В последнее время актуальность этого направления обусловлена также изменением концептуальной основы использования нормативной базы инженерных изысканий. Рекомендательный статус общероссийских строительных норм и правил повлек за собой возрастание нормативно-методической роли ведомственных норм и специальных технических условий, разрабатываемых на новой научной основе с учетом технологических и информационных возможностей ГИС.

Вторая половина XX века (начиная с 60-х) ознаменовалась проведением целого ряда комплексных исследований в криолитозоне в целом, и в отдельных регионах. Результаты этих исследований нашли свое отражение в многочисленных научных публикациях и монографиях. Были опубликованы крупные обобщающие региональные и тематические инженерно-геологические и геокриологические исследования: «Инженерная геология СССР» под редакцией.

Е.М.Сергеева, «Геокриология СССР», «Основы геокриологии», Природные опасности России" под общей редакцией Э. Д. Ершова, над созданием которых трудился большой коллектив исследователей, работавших в научных и производственных организациях во всех регионах страны. Эти работы охватывают практически всю территорию страны. Именно в этих работах были сформулированы основные общие и региональные закономерности инженерно-геокриологических условий.

В последние десятилетия XX века появились региональные работы, основное назначение которых было характеристика инженерно-геокриологических условий с позиций освоения, относительно небольших регионов и отдельных месторождений («Южная Якутия», под редакцией.

B.А.Кудрявцева- «Инженерно-геологические условия Гыданского полуострова» и «Инженерно-геологические условия п-ва Ямал», под редакцией В.Т. Трофимова- «Геокриологические условия Средней Сибири» подготовленные С. М. Фотиевым, Н. С. Даниловой и Н. С Шевелевой- «Геокриологические условия освоения Бованенковского месторождения» и «Геокриологические условия Харасавэйского и Крузенштерновского ГКМ», под редакцией В.В.Баулина- «Вечная мерзлота и освоение нефтегазоносных районов» под редакцией Е. С. Мельникова и.

C.Е.Гречищева и многие другие).

Анализ инженерно-геокриологических и эколого-геокриологических условий отдельных регионов применительно к вполне конкретным типам воздействия на геокриологическую среду, технологиям и способам строительства и эксплуатации объектов, требует концентрации информации в первую очередь, в той части, которая будет востребована при освоении данной территории. Это возможно только на основе широкой комплексной организации информации об инженерно-геокриологических условиях данного региона, закономерностях их формирования, тенденциях и динамики их развития применительно к вполне конкретным задачам возведения систем магистральных трубопроводов в области распространения многолетнемерзлых пород.

Важнейший составной частью такого подхода является использование геоинформационных систем (ГИС) при выполнении инженерно-геологических изысканий. Выполнение полевых, камеральных и лабораторных инженерно-геокриологических исследований с использованием современных технологий, в том числе ГИС, позволяет решить комплексно и в существенно более короткие сроки задачи инженерных изысканий. Информационные базы данных, которые лежат в основе ГИС, обеспечивают решение задач инженерных изысканий с учетом региональных закономерностей инженерно-геокриологической обстановки. Кроме того, использование ГИС обеспечивает информационную структуру для геокриологического прогноза и мониторинга природных условий на всех стадиях сооружения объектов и их эксплуатации: в пред строительный период, в период строительства, эксплуатации, ликвидации и санации инженерных сооружений.

Цель работы.

Разработать на основе анализа принципов инженерно-геологического и геокриологического районирования и картирования методологию геоинформационного моделирования геокриологических условий, принципы создания атласов электронных тематических карт и построения специализированных ГИС для инженерно-геокриологического и эколого-геокриологического обеспечения сооружения систем магистральных трубопроводов в различных геоструктурных регионах криолитозоны.

Задачи.

1. Проанализировать принципы пространственного моделирования инженерно-геокриологических и эколого-геокриологических условий с позиций требований информационного обеспечения для возведения магистральных трубопроводов в криолитозоне.

2. Разработать методику матричных схем районирования в различных геоструктурных условиях, синтезирующих метод и форму анализа инженерногеокриологических условий и на этой основе разработать структуру атласов электронных тематических карт.

3. Создать, на примере Тимано-Печорской нефтегазовой провинции, региональную геоинформационную систему для инженерно-геокриологического обеспечения возведения систем магистральных трубопроводов, разработать ее структуру, функциональные связи и базу данных.

4. Разработать «сквозную» систему региональных схем инженерно-геокриологического районирования, как основу разномасштабного пространственного моделирования условий возведения систем магистральных трубопроводов.

5. Разработать методологию использования региональной ГИС для эколого-геокриологической оценки территории при сооружении магистральных трубопроводов в криолитозоне.

Научная новизна.

1. Создана концепция геоинформационного моделирования условий возведения магистральных трубопроводных систем в криолитозоне.

2. Разработана методика построения матричных схем инженерно-геокриологического районирования, и создана методика составления атласов электронных тематических карт в различных геоструктурных районах.

3. Впервые создана структура региональной ГИС и многоуровневая электронная база данных, структура «сквозных» матричных схем инженерно-геокриологического районирования, и разработан альбом мелкосреднеи крупномасштабных карт для моделирования условий возведения магистральных трубопроводов на примере Тимано-Печорской нефтегазовой провинции.

4. Разработана и реализована система автоматизированного ~ выполнения в системе ГИС эколого-геокриологических оценок на основе карт инженерно-геокриологического районирования.

Апробация работы.

1. Основные положения диссертации докладывались на Первой, Второй и Третьей конференциях геокриологов России (Москва 2001, 2003, 2005гг) — на ежегодных Советах по Криологии Земли, Пущино, 1992;2003ггТюмень, 2004гна 7th International Permafrost Conference (Yellowknife, 1998) — 8th International Permafrost Conference (Zurich, 2003), 1st European Permafrost Conference (Rome, 2001), 1st European Regional IAEG Conference (Liege, 2004), на международных рабочих встречах по динамике арктического побережья (Осло, 2002; С-Петербург, 2003; Монреаль, 2004).

2. Составлены и прошли государственную экспертизу разномасштабные атласы электронных карт (Рис. В-1): для разработки обоснования инвестиций и ОВОС в строительство систем нефтепроводов для транспортировки нефти в страны Тихоокеанского региона и Китай суммарной протяженностью более 7000км: Ангарск-НаходкаАнгарск-ПеревознаяТайшет — ПеревознаяАнгарскЗабайкальск (граница с Китаем) и на территории Монголиидля разработки обоснования инвестиций и оценки воздействия на окружающую среду Бованенковского и Харасавэйского ГКМ и коридоров коммуникаций для транспорта газа (Бованенковское ГКМ — Байдарацкая КС, Бованенковское ГКМ — Ямбург, коридор коммуникаций между Бованенковским и Харасавэйским ГКМ) — для разработки обоснования инвестиций и ОВОС северного участка Балтийской трубопроводной системы и карт районирования, для разработки Декларации о намерениях проекта трубопровода Сургут — Баренцево моредля научно-методического и информационного обеспечения всех стадий инженерных изысканий, для сооружения нефтепроводов Тимано-Печорской нефтегазовой провинции.

••Атлйъ мел^к* Mac штабных карт районирования для разработки Государственной целевой программы «Зашита Берегов России от опасных fie пег оных ппопессоп».

Тимано-Печорскан нгп.

Системе нефтепроводов Сургут-Баренцево море.

Система нефтепроводов Восточная Сибири — Тихий океан и Россия — Китай.

Рисунок, В-1. Схема информационного обеспечения работы и ее апробации.

3. Составлен атлас электронных мелкомасштабных карт для разработки Государственной целевой программы по защите берегов России от опасных природных процессов.

4. На основе результатов работы подготовлен и прочитан курс лекций «Геоинформационное моделирование инженерно-геокриологических условий» для студентов пятого курса и магистрантов кафедры геокриологии геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова и на курсах повышения квалификации при ФГУП «ПНИИИС».

Личный вклад автора. Работа выполнена в Производственном и научно-исследовательском институте по инженерным изысканиям в строительстве (ФГУП «ПНИИИС»). Диссертация базируется на результатах более чем 25-летней деятельности автора по исследованию геокриологических условий трасс магистральных трубопроводов в криолитозоне, геокриологическому районированию и картированию, изучению взаимодействия трубопроводов с мерзлыми грунтами (Рис. В-1). Все материалы получены автором или под его практическим и научно-методическим руководством. Автор непосредственно участвовал в совершенствовании методов районирования и картирования на основе ГИС-технологий, разработке методов полевого крупномасштабного картирования и составлении альбомов электронных карт, разработке региональной ГИС, структуры базы данных и системы запросов, разработке системы функциональных связей между технологическими блоками геоинформационной системы. При его непосредственном участии разработан принцип установления функциональной связи многоуровневых баз данных с разномасштабными схемами инженерно-геокриологического районирования, обеспечивающий создание атласов электронных тематических карт.

Защищаемые положения.

1. Основным принципом геоинформационного моделирования условий сооружения систем магистральных трубопроводов является: сочетание факторов, определяющих как региональные и зональные закономерности геокриологических условий, так и специфику взаимодействия трубопроводов с мерзлым грунтами. В соответствии со стадийностью исследований выделяется система таксонов инженерно-геокриологического районирования: макрорайон, район, микрорайон.

2. Основным методическим приемом построения атласов электронных тематических карт для пространственного моделирования условий сооружения магистральных трубопроводов в различных геоструктурных районах является разработка матричных схем инженерно-геокриологического районирования, что позволяет представить многослойную картографическую модель, содержащую информацию обо всем спектре инженерно-геокриологических условий, как комплексную. Матричные схемы районирования являются формой и методом анализа инженерно-геокриологической информации. Они являются регионалънъши классификациями инженерно-геокриологических условий, и как элемент ГИС, определяют структуру электронных картографических моделей. Структура матричной схемы районирования отображает структуру факторов, использованных при составлении карты, как структуру ее тематических электронных слоев.

3. Установлены принципы построения матричных схем районирования в различных геоструктруных регионах, заключающиеся в следующем: в горных регионах принцип построения матричных схем основан на сочетании формационного, структурно-геоморфологического и высотно-поясного принципов районированияна равнинах, молодых и древних платформах. <5н основан на сочетании широтно-зонапьных и геолого-генетических факторов.

4. Региональная инженерно-геокриологическая ГИС представляет собой систему атрибутивных, аналитических, картографических и программных информационных блоков, обеспечивающих инженерно-геокриологическую и эколого-геокриологическую оценку территории на всех стадиях исследования. Основным звеном, выполняющим функцию взаимосвязи структурных блоков ГИС, является «сквозная» система матричных схем районирования, обеспечивающая взаимосвязь разномасштабных картографических моделей местности и создание их эколого-геокриологических интерпретаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, введения и заключения. Общий объем работы составляет. страниц, в том числе,. текста,. иллюстраций,. таблиц,. приложений.

Список литературы

содержит. наименований.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному консультанту профессору, доктору г-м. наук В. В. Баулину, а также к.г.н. И. И. Шамановой, к. г-м.н Н. В. Ивановой, к. г-м.н И. Л. Кузнецовой за искреннюю всестороннюю поддержку, наставления и помощь.

Особую благодарность автор выражает коллегам ведущим сотрудникам отдела геокриологических исследований ПНИИИС д.г.н В. Л. Познанину, д.г.н М. М. Корейше, к. г-м.н С. Е. Сухо дольскому, к. г-м.н В. П. Чернядьеву, к.т.н В. И. Аксенову за содействие и советы при подготовке диссертации.

Глубокую признательность автор выражает сотрудникам отдела геокриологических исследований А. А. Поповой, И. В. Чехиной, И. С. Пармузину, Н. А. Пахомовой, Ю. В. Власовой, А. Н. Иоспа, Г. И. Клиновой А.М.Фирсову и другим за выполнение комплекса работ по апробации основных методических приемов. Автор благодарен к. ф-м.н. С. Г. Геворкяну,.

К.Ю.Борисенко, Ю. А. Попову, В. Б. Сокольской, Ю. П. Соколовой за содействие этой работе.

Автор благодарен сотрудникам ИКЗ СО РАН за их критические замечания и советы на завершающей стадии работы.

1. Пространственный анализ геокриологических и экологогеокриологических условий.

Основанием любого научного направления или решаемой проблемы является совокупность идей, основных понятий, принципов и методов исследования. Пространственное моделирование геокриологических условий получило, в последнее десятилетие, в связи с развитием ГИС-технологий, новый импульс, что нашло отражение в трудах целого ряда исследователей (Мельников, Гречищев, 2003; Дроздов, 2003, 2004; Ривкин и др.2004 и др.).

Применение современных технологий (в том числе ГИС), которые позволяют оперировать огромными массивами данных, что практически невозможно было сделать еще совсем в недавнем прошлом, создает иллюзию возможности обобщения и использования инженерно-геологической информации только на основе механистически структурированных баз данных без учета систематизации материала на основе генетических принципов. Технически механическое структурирование информации не представляет трудности, так как блок широко распространенных и активно используемых стандартных программных и аппаратных средств позволяет оперировать большими объемами данных, систематизировать и отображать информацию по формальным признакам. Такой подход широко используется при необходимости статистической или тематический сортировки первичной несистематизированной полигенетической информации. Однако, результаты этой сортировки на каком-то этапе исследования должны быть оценены с геолого-генетических позиций. Только на этой основе можно установить и обосновать выявленные закономерности формирования и распространения по площади параметров окружающей среды.

В процессе развития инженерно-геокриологических исследований были разработаны многочисленные методические приемы, которые позволяли, еще до широкого внедрения ГИС в структуру инженерно-геокриологических исследований, анализировать и обобщать большие массивы информации. Именно поэтому современные специализированные геоинформационные системы должны учитывать предшествующие методические разработки, которые основаны, как правило, на генетических систематизациях. Тем самым будет обеспечиваться преемственность исследований. В то же время разработка специализированной геоинформационной системы требует формулировки определенных целевых принципов исследования. Поэтому структура специализированной геоинформационной системы для исследования инженерно-геокриологических условий районов строительного освоения в составе инженерно-геологических изысканий объектов нефтегазового комплекса должна учитывать региональные закономерности и специфику как инженерно-геокриологических условий, так и конструктивную и технологическую особенность сооружаемых объектов.

Всякая профессионально ориентированная геоинформационная система состоит., в первом приближении^ двух основных блоков: блока стандартизированных программных средств и специализированного аналитико-информационного блока.

Первый из них является общим для большинства геоинформационных систем, так как представляет собой комплекс стандартных программных и аппаратных средств, позволяющих накапливать, преобразовывать, интерпретировать и визуализировать любую информацию. Основным свойством этого блока должна быть «открытость» всех его элементов, что позволяет легко преобразовывать или конвертировать продукты, созданные в одной геоинформационной системе, в другую.

Второй блок — это блок, определяющий профессиональную специализацию геоинформационной системы. Важнейшим элементом этого блока является сочетание новых методических приемов с преемственностью методических принципов анализа исходной информации и визуализации (представления) результатов исследования. Для решения инженерно-геологических задач этот блок является сутью специализированной геоинформационной системы.

Основные результаты представленной работы состоят в следующем:

1. Принцип пространственного моделирования инженерно-геокриологических условий возведения систем трубопроводов в различных геоструктурных регионах криолитозоны основывается на сочетании регионального и зонального аспектов районирования и реализуется в форме матричных схем.

2. Установлены принципы построения матричных схем районирования в различных геоструктруных регионах с учетом зональных и региональных закономерностей геокриологических условий, заключающиеся в следующем: в горных регионах построение схем районирования основано на сочетании формационного и структурно-тектонического строения и широтно-зональных (высотно-поясных) факторов районированияна равнинах, молодых и древних платформах, построение схем районирования основано на сочетании широтно-зональных и геолого-генетических факторов.

3. Районирование территории для сооружения трубопроводных систем в криолитозоне основывается не только на сочетании факторов, определяющих региональные и зональные закономерности инженерногеокриологических условий, но и специфике взаимодействия трубопроводов с мерзлыми грунтами.

4. В соответствии со стадийностью (масштабом) исследований выделяется система таксонов инженерно-геокриологического районирования: макрорайон, район, микрорайонинформационное содержание таксонов внемасштабно и различается только детальностью инженерно-геокриологической информации.

5. Матричные схемы инженерно-геокриологического районирования являются формой и методом анализа инженерно-геокриологической информации. Они являются региональными генетическими классификаторами инженерно-геокриологических условий и как элемент ГИС определяют структуру электронных картографических моделей.

6. Разработана структура атласов мелкои среднемасштабных специальных электронных тематических карт, обеспечивающая выполнение требований к детальности районирования на каждом этапе исследований и позволяющая выявить наиболее значимые, для конечной цели исследования, параметры.

7. Составлены атласы электронных карт для геоинформационного моделирования условий сооружения систем трансрегиональных трубопроводов для транспортировки нефти и газа в страны Тихоокеанского региона и Китай: Ангарск-НаходкаАнгарск-ПеревознаяТайшет — ПеревознаяАнгарскЗабайкальск (граница с Китаем) и системы газопровода на территории Монголии;

8. Разработаны мелкомасштабные инженерно-геокриологические карты территории перспективного проложения систем магистральных трубопроводов: Инженерно-геокриологическая карта юга Восточной Сибири и Дальнего Востока масштаба 1:2 500 ООО и Карта инженерно-геокриологического районирования территории прохождения вариантов трассы нефтепровода «Западная Сибирь — побережье Баренцева моря (Масштаб 1:100 000).

9. Разработано и дано определение геоинформационной системы, специализированной для инженерно-геокриологического и эколого-геокриологического обеспечения сооружения систем магистральных трубопроводов в области распространения многолетнемерзлых пород. Инженерно-геокриологическая ГИС рассматривается как комплекс программных средств, методик и информационных ресурсов, предназначенных для накопления, систематизации, преобразования, визуализации и интерпретации инженерно-геокриологической информации в целях эколого-геокриологического сопровождения и информационного обеспечения всех стадий исследований для сооружения магистральных трубопроводов.

10.Разработана структура и создана региональная инженерно-геокриологическая ГИС для информационного обеспечения всех стадий геокриологических исследований для сооружения трубопроводов на примере нефтегазового комплекса Тимано-Печорской провинции.

11.Региональная ГИС включает информационные и программные блоки для создания системы мелко-, средне и крупномасштабных инженерно-геокриологических, оценочных и эколого-геокриологических карт на основе разработки «сквозной» системы матричных схем инженерно-геокриологического районирования;

12. Разработана структура электронной многоуровневой базы данных, являющейся информационно-атрибутивным блоком региональной ГИС и проведено ее информационное насыщение.

13. Структура базы данных представляет собой систему взаимосвязанных электронных таблиц, дифференцированных на два уровня по степени генерализации и статистической обработке информации. Первый уровень базы данных формируют электронные таблицы «Скважины» и.

Поверхность", содержащие только прямые результаты исследований (полевых и лабораторных). Второй уровень базы данных (метабаза) формируют сводная (метабаза 1) и компиляционная (метабаза 2) электронные таблицы, содержащие верифицированную и систематизированную информацию.

14. Разработана система связи атрибутивного и картографического блоков региональной ГИС посредством корреляции информационного содержания и структуры метабазы со структурой матричных схем районирования, что обеспечивает разработку разномасштабных электронных карт в системе региональной ГИС и является функциональной основой разработки программных модулей для эколого-геокриологической интерпретации результатов исследований.

15.Система районирования в рамках региональной ГИС основана на иерархии матричных схем, детализирующих районирование в соответствии со стадийностью и масштабом исследований.

16.Сопоставимость картографических моделей обеспечена созданием «сквозной» региональной системы матричных схем районирования к «сквозной» легенды к картам.

17.Создан атлас электронных мелко-, средне и крупномасштабных карт инженерно-геокриологического районирования территории Тимано-Печорской нефтегазовой провинции по условиям сооружения трубопроводов.

18.На основе разработанной системы пространственного моделирования инженерно-геокриологических условий разработана и реализована методика автоматизированного построения электронных карт эколого-геокриологического районирования в системе региональной ГИС.

19.Разработана система эколого-геокриологической оценки территории, основанная на функциональной связи пространственно ориентированной базы данных, матричных схем инженерно-геокриологического районирования и системы программных модулей, что позволяет методами ГИС реализовать автоматизированное создание оценочных карт на всех стадиях исследования.

20. Создана система мелкомасштабных электронных карт инженерно-геокриологического районирования Арктического побережья России и проведена эколого-геокриологическая оценка опасности потенциального техногенного воздействия систем магистральных трубопроводов на мерзлые породы.

Заключение

.

Моделирование на основе ГИС технологий представляет собой систему анализа геокриологических условий, функционально связанную с системами баз данных и электронными картами. Комплексное научное обеспечение прокладки трубопроводных систем непосредственно связано с пространственным моделированием геокриологических условий, имеющим целевой характер, и поэтому в качестве объекта моделирования рассматривается только часть криолитозоны, непосредственно определяющая условия взаимодействия трубопроводов с мерзлыми грунтами.