Методики и методы контроля безопасного состояния природно-технических систем

Наблюдательные сети и программы

Наблюдений

Основу системы сбора информации о природно-технических системах в ходе мониторинга составляют наблюдательные сети. Наблюдательные сети мониторинга природно-технических систем призваны обеспечить всесторонний сбор достоверной информации о среде в целом и ее отдельных элементах.

К наблюдениям в системе мониторинга предъявляются достаточно высокие требования, а их проведение должно основываться на тщательных методических проработках и научном обосновании. В зависимости от на­значения в мониторинге геологической среды используют четыре основные группы наблюдений: инвентаризационные, ретроспективные, режимные и методические.

Инвентаризационные наблюдения проводятся достаточно редко, через длительный срок, для того чтобы либо оценить начальное состояние геологической среды, либо оценить ее многолетние изменения. Они включают в себя набор трудоемких или дорогостоящих методов наблюдений за объектами геологической среды, которые не могут часто использоваться или входить в состав режимных наблюдений. Эти наблюдения носят характер инвентаризации на определенный период и могут проводиться с очередностью одного раза в год, либо раз в 2-3 года и более. В состав инвентаризационных наблюдений априори включаются наиболее консервативные элементы геологической среды, для которых заведомо можно предположить низкую скорость изменения, в том числе и техногенного.

Ретроспективные наблюдения направлены на выявление тенденций развития геологической среды или ее компонентов и установление закономерностей их изменений. Они составляют основу для решения прогнозных задач в мониторинге геологической среды и проводятся по особой программе, составленной с учетом установленных тенденций развития или изменения для данного компонента геологической среды. Главное условие при постановке ретроспективных наблюдений – обеспечение надежной информации, достаточной и необходимой для составления того или иного прогноза.

По срокам и периодичности проведения ретроспективные наблюдения могут быть различными в зависимости от того, насколько велика скорость изменения того или иного элемента геологической среды.

Режимными стационарными наблюдениями называются наблюдения за динамикой процессов и явлений на наблюдательных стационарах – наблюдательных участках, точках, пунктах – в целях выявления их закономерностей и обусловленности. Они отражают определенные (ежегодные, сезонные, ежемесячные, суточные и др.) колебания в системе наблюдаемых объектов и процессов. Режимные наблюдения в общей методике инженерно-геологических исследований составляют определенный, самостоятельный и важный вид геологических работ, который входит как часть наблюдений и в мониторинг геологической среды.

Режимные наблюдения нацелены на решение прогнозных задач, на то, чтобы получить возможность предвидеть и прогнозировать тенденцию и масштаб развития тех или иных процессов и явлений.

При проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений и хозяйственном использовании территорий чаще всего выполняются следующие виды режимных стационарных наблюдений: 1) метеорологические и гидрологические; 2) гидрогеологические; 3) геотермические; 4) за деформациями масс горных пород на склонах, в откосах, на оползневых участках, в подземных выработках и котлованах; 5) за осадками и деформациями сооружений; 6) за скоростью и характером развития процессов выветривания, эрозии, абразии, пучения горных пород, за их физическим состоянием и другими процессами и явлениями. Все эти наблюдения также входят в состав мониторинга окружающей среды.

Методические наблюдения направлены на совершенствование методов мониторинга или на создание новых. Методические наблюдения часто предшествуют режимным или ретроспективным для корректировки или уточнения программ наблюдений. С их помощью устанавливаются наиболее оптимальные сроки контроля наблюдаемых систем и их периодичность. Для каждой сети наблюдений при организации функционирующей системы мониторинга разрабатываются программы наблюдений. Программа наблюдений входит как одна из важнейших методических составных частей в общую целевую программу мониторинга геологической среды. По своей форме программа наблюдений составляется в виде практического методического руководства по наблюдениям на данной конкретной территории мониторинга геологической среды.

В зависимости от набора компонентов геологической среды выделяют наблюдения за следующими показателями:

–       составом, состоянием и свойствами почв, горных пород, техноген­ных грунтов;

–       подземными водами (режим, динамика, гидрохимия и т.д.);

–       рельефом (техногенная нарушенность, изменчивость, расчленен­ность, динамика и т.д.);

–       природными геологическими процессами (эндогенными, экзоген­ными);

–       инженерно-геологическими процессами и явлениями;

–       процессами взаимодействия инженерных сооружений и геологиче­ской среды (осадками сооружений, устойчивостью, состоянием фун­даментов, утечками техногенных вод и т.п.).

Каждый показатель однозначно связан с каким-либо конкретным элементом окружающей среды или его частью.

Каждая точка наблюдений представляет собой единичный пункт получения информации, а их комплекс – систему пунктов получения информации. Главное в ее организации – учет характера пространственной изменчивости объектов геологической среды, изменчивости зонально-климатических факторов, а также источников техногенного воздействия. Анализ изменчивости показателей загрязнения геологической среды должен проводиться с учетом возможных миграционных путей загрязнений источника.

В настоящее время техническая база наблюдений достаточно широко разработана. В качестве технических средств наблюдений используются различные приборы и оборудование. Главной проблемой при этом является подбор наиболее оптимального комплекса автоматизированных технических средств с учетом их надежности, стоимости, экономичности.

Наблюдательные сети в пределах геологической среды формируются в определенном трехмерном пространстве. В зависимости от масштаба исследований или ранга мониторинга геологической среды наблюдательные сети бывают детальные, локальные, региональные или национальные. Они охватывают определенные площади – так называемые наблюдательные полигоны соответствующего уровня. Наблюдательные полигоны могут включать всю исследуемую территорию или только ее часть. В последнем случае наблюдения ведут либо на опытных площадках, оборудованных соответствующим образом, либо на эталонных участках, геологическое строение которых отражает лишь какой-либо один характерный элемент геологической среды.

Низшей структурной единицей иерархической системы наблюдений мониторинга геологической среды является точка наблюдения (точка отбора проб грунта или почвы, родник, колодец, скважина и т.п.). Следующий уровень – наблюдательный пост (гидрогео­логический, геокриологический, инженерно-геологический, геофизический и т.п.), состоящий в случае гидрогеологических наблюдений из группы поэтажно оборудованных наблюдательных скважин. Пост обычно обеспечивает какую-либо одну группу наблюдений, а в случае комплексного применения методов наблюдений (например, гидрогеологических и геофизических) перерастает в наблюдательный полигон. В пределах наблюдательного полигона оборудуется система наблюдательных скважин и экспериментальных площадок, предназначенных для изучения конкретных инженерно-геологических, гидрогеологических и геокриологических явлений и процессов.

В зависимости от ранга наблюдательного полигона на них решаются разные задачи. Полигоны низшего ранга – детальные наблюдательные полигоны, предназначенные для решения различных узких задач сбора первичной информации на участках, типовые условия которых соответствуют опорному полигону.

Опорный полигон соответствует локальному уровню исследований и оборудуется на типовом (опорном) участке, характеризующем какую-либо таксономическую единицу инженерно-геологического типологического районирования.

Совокупность ряда опорных полигонов образует региональный наблюдательный полигон. Такие полигоны позволяют устанавливать наиболее общие региональные закономерности изменения геологической среды на всей территории.

Специальные наблюдательные полигоны создаются для наблюдений за какими-либо негативными процессами на различных ответственных или уникальных сооружениях. Сложность таких сооружений (например, гидроузла, АЭС и т.п.) обусловливает проведение особых защитных инженерных мероприятий и соответственно особых наблюдений, проводимых по специально составленной программе. Опытно-методический полигон в системе мониторинга геоло­гической среды выполняет роль испытательного. В отличие от опор­ных участков, на опытно-методических полигонах ведется проверка и отработка всевозможных методов контроля и сбора первичной информации за элементами геологической среды или ПТС, проводятся натурные эксперименты, отрабатываются модели и т.д. Изыскательские полигоны служат для кратковременных (на период изысканий) исследований и режимных наблюдений в системе мониторинга. Исследования на них ведутся в соответствии с действующими нормативными документами. Такие полигоны создаются на начальных стадиях формирования наблюдательной сети мониторинга, на стадиях предварительных исследований и т.п.

Основой всякого полигона в системе мониторинга является хорошо и правильно оборудованная наземная наблюдательная сеть, техническую базу которой составляет соответствующая измеритель­ная и регистрирующая аппаратура. Выделяется несколько главных условий ее успешного функционирования:

–       автономность работы приборов (наличие автономных источников питания) с малой потребляемой мощностью;

–       непрерывность работы измерительных средств (датчиков) в течение длительного времени (5 лет и более);

–       автоматизация процесса измерений и передачи в АИС или сохранение собранной информации;

–       комплектация средств измерений (использование меньшего числа приборов для фиксации возможно большего числа параметров).

Состав наблюдений определяется с учетом различных источников техногенного воздействия на данной территории и может быть площадным (проводиться по всей площади), линейным (например, по линии геофизического или геогидрогеологического профиля) или точечным (редкая наблюдательная сеть, рассредоточенная по площади).