Геоэкологическая оценка буферных зон природно-техногенных систем на лессовых массивах для обеспечения геоэкологической устойчивости сооружений на этапах жизненного цикла
Введение …………………………………………………………………………………………………………5 Глава 1. Геоэкологические характеристики лессовых массивов и буферных зон возведенных сооружений ……………………………………………………………………….15 1.1 Геоэкологические характеристики лессовых массивов…………………………………………………………………………………………………15 1.1.1 Природные условия и геоморфологические особенности лёссовых массивов………………………………………………………………………………………………………….15 1.1.2 Климат и растительность лессовых массивов ………………………………………………19
1.1.3 Особенность распределения городских агломераций и плотность населения на лессовых массивах ………………………………………………………………………………………………24
1.1.4 Характер лесса и типичные геологические феномены на лессовых массивах …………………………………………………………………………………………………………………27
1.2 Буферные зоны сооружений на лессовых массивах…………………………………………32 1.2.1 Анализ литературных источников посвященных исследованию буферных
зон……………………………………………………………………………………………………………………………32 1.2.2 Состояние геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений на
лессовых массивах…………………………………………………………………………………………………42
1.3 Мероприятия инженерной защиты геоэкологической устойчивости буферных зона от опасных геологических процессов на лессовых массивах…………………………………………………………………………………………………………………50
Выводы по главе 1…………………………………………………………………………………………………56
Глава 2. Методическое обеспечение оценки геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений и получения исходных данных для проведения исследований по предотвращению и уменьшению риска развития опасных геологических феноменов……………………………………………………………………………………57
2.1 Буферные зоны сооружений на лессовых массивах, используемые в качестве объектов исследования……………………………………………………………………………………..57
2.2 Методические подходы к оценке геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений и методика обработки экспериментальных
данных ……………………………………………………………………………………………………………………63 2.3 Методическое обеспечение исследования характеристик размокаемости
лессовых грунтов……………………………………………………………………………………………………73 2.4 Методическое обеспечение определения эрозионного индекса атмосферных
осадков на лессовых массивах………………………………………………………………………………82
Выводы по главе 2…………………………………………………………………………………………………89
Глава 3. Комплексная оценка геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений с применением анализа многомерных данных……………………………91
3.1 Оценка геоэкологического состояния буферных зон при помощи МГК…………91 3.2 Последовательная оценка буферных зон с использованием природно-
ландшафтного и гидрологического критериев ……………………………………………………102 3.2.1 Оценка по природно-ландшафтному критерию …………………………………………104 3.2.2 Оценка по гидрологическому критерию………………………………………………………112 Выводы по главе 3…………………………………………………………………………………………………120
Глава 4. Разработка комплексных мероприятий по обеспечению геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений на лессовых массивах ………………………………………………………………………………………………………………121
4.1 Подход к обеспечению геоэкологической устойчивости буферных зон и устойчивой эксплуатации окружающих сооружений на лессовых массивах………121
4.2 Эффективная густота покрова лесной и травянистой растительности для борьбы с эрозией почв в буферных зонах …………………………………………………………………………122
4.3 Конструктивное решение гидротехнических сооружений на склонах буферных зон для контроля поверхностного стока………………………………………………………………130
4.4 Метод прогнозирования развития псевдокарста с помощью построения нейронечеткой модели используя anfis-редактор ………………………………………………135
4.5 Воздействие процесса развития псевдокарста на деформацию поверхности земли буферных зон………………………………………………………………………………………………142
Выводы по главе 4…………………………………………………………………………………………………154
Заключение …………………………………………………………………………………………………………156 Список литературы ……………………………………………………………………………………………158 Приложения ··………………………………………………………………………………………………………175 Приложение А …………………………………···…………………………………………………………………175
Приложение Б ………···……………………………………………………………………………………………176 Приложение В …………………………………………………………………···…………………………………177 Приложение Г …………………………………………………………···…………………………………………179
В Введение дано обоснование актуальности исследуемых проблем, сформулированы цели
и задачи работы, ее научная новизна и практическая значимость, представлены положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены особенности геоэкологической среды лессовых массивов, произведен обзор механизма деформации толщ лессовых пород и условия образования просадочности и лессового псевдокарста, потенциально угрожающих геоэкологической устойчивости буферных зон и окружающих сооружений на лессовых массивах.
Проанализированы литературные источники, посвященные исследованию буферных зон, рассмотрены существующие геоэкологические проблемы в буферных зонах сооружений на лессовых массивах и обобщены в них основные мероприятия инженерной защиты от опасных геологических процессов.
Во второй главе раскрывается первое положение, выносимое на защиту, а именно научно – обоснованная методика комплексной оценки геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений, как природно-техногенных систем, сформированных на лессовых массивах. Кроме этого, сформированы исходные данные для проведения исследований по предотвращению и уменьшению риска развития опасных природных и техно-природных процессов в буферных зонах сооружений в целях обеспечения их геоэкологической устойчивости при проектировании, строительстве и эксплуатации окружающих сооружений. Для оценки геоэкологической устойчивости буферных зон были выбраны 19 объектов в различных физико-географических условиях, инженерно-геологических свойств лессов и интенсивностью техногенного воздействия, расположенные в провинции Ганьсу, Шэньси, Хэнань и Нинся-Хуэйский автономный район КНР.
Комплексную оценку состояния геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений предложено проводить с использованием набора показателей, объединенных в три характеристические группы: природно-ландшафтную (Sбз – площадь буферной зоны; P – годовое количество осадков; t – среднегодовая температура; ^ – гипсометрия (м); m – модуль эрозии почвы); техногенную (Kз – коэффициент засевания; Пахотные земли >25°SLP – Пахотные земли на склоне с крутизной >25°; Lсел – расстояние до жилой застройки; Население – количество населения на жилой застройке).; инженерно-геологическую (ρd – объемная плотность; е – соотношение пористости; Wm – влагоемкость; В – водонасыщение; Кф – коэффициент фильтрации; Ен – модуль деформации).
Для оценки геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений предложено использовать метод главных компонент (МГК) как аппарат обработки многомерных данных, позволяющий из множественных исследованных объектов дифференцировать буферные зоны с позиции необходимости восстановления и оптимизации в них нарушенной геосреды, оценить
актуальность мониторинга и контроля, а также определить основные воздействующие факторы на геоэкологическую устойчивость буферных зон сооружений с учетом взаимной связи природно-ландшафтных, техногенных и инженерно-геологических параметров. Для обоснования целевого направления исследований по обеспечению геоэкологической устойчивости в дифференцированных буферных зонах и устойчивой эксплуатации окружающих сооружений, также предложна последовательная оценка с использованием природно-ландшафтного и гидролого-гидрогеологического критериев (Рис.1).
Рисунок 1. Блок-схема основных этапов оценки геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений на лессовых массивах
Изучение характеристик размокаемости лессовых грунтов проведен в лабораторных условиях с использованием образцов лессовых пород с различными инженерно-геологическими свойствами из 8 отобранный буферных зон и отдельно, по двум группам с различной начальной влагоемкостью.
Результаты эксперимента показывают, что образцы лёсса с различными инженерно-геологическими свойствами значительно разнятся по скорости размокания. Размокаемость пылеватых образцов (число пластичности ≤ 10) и глинистых образцов лессовых пород (число пластичности >10) при различной начальной влагоемкости резко отличается в скорости, коэффициенте и времени размокания в зависимости от количества содержания глинистых частиц (диаметр частиц< 0.005 мм), между которыми существует определенная функциональная взаимосвязь.
Эрозионный индекс атмосферных осадков определен путем максимального исключения
образцов осадков с низкой интенсивностью, не вызывающей почвенную эрозию при статистической обработке и анализе гидрометеорологических наблюдений за испытательными зонами.
В данной работе использован коэффициент отклонения эрозионного потенциала осадков (Rот) для определения эрозионного индекса, характеризующий разницу между суммой эрозионного потенциала в пропущенных при отборе образцах осадков и суммой эрозионного потенциала в ошибочно отобранных образцах осадков. Также определяется степень ошибочности отбора (Nстеп), коэффициент исключения (Nиск) и коэффициент упущения при расчете потери мощности почвенного горизонта от эрозии (Nуп) для проверки рациональности результатов. С применением данного метода определены эрозионные индексы количества отдельных осадков (P) и максимальной интенсивности осадков для интервалов за 10 и 30 минут (I10 и I30) при разных режимах землепользования.
В третьей главе проведена комплексная оценка геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений на лессовых массивах с применением математического метода анализа многомерных данных при помощи статистической программы “SPSS Statistics 22.0”, а также последовательная оценка объектов по природно-ландшафтному и гидролого-гидрогеологическому критерию. С использованием фондовых данных GIM-Cloud и National Science & Technology Infrastructure of China был сформирован набор исходных данных (табл.1) в виде матрицы Х размерностью I х J, состоящей из 19 образцов(I) и 16 переменных (J). В качестве образцов выступают исследованные буферные зоны, переменных – группы показателей оценки их состояния, характеризующие каждый образец буферных зон.
Наименование
и местополож
No ениебуферной Sбз
зоны
млн, м2
ландшафтно-климатическая
Характеристики буферной зоны
Техногенные
Пахотные Населени Kз земли>25 Lсел е
°SLP
% % тыс, м мли.
Инженерно-геологические
е Wm В Кф Ен
% % % X10-4 m/s мПа
1 Ланьчжоу 68,4
2 Цинъян 80,5
3 Линься 22,9
4 Динси 23,7
5 Хуэйнин 19
6 Яньань 47,3
7 Лочуань 12,6
8 Юйлинь 34,5
9 Яньчан 19,8
10 Аньсай 22,5
11 Иньчуань 50,8 12 Гуюань 34,2 13 Учжун 25 14 Шицзуйшань 24,7 15 Чжунвэй 42,3
16 Саньмэнься 27,8 17 Шаньчжоу 49,9 18 Луши 38,2 19 Синьань 28,6
372 9,9 354 8,9 383 6,9 411 7,7 315 7,3
1520 6163 8,1 29,56 22,4 2,5 49,91 1,79 1200 7300 11,3 39,63 33,8 0,5 40,95 1,85 1580 7022 7,9 38,93 44,9 0,5 18,11 1,15 1793 5948 10,2 27,6 25,7 1 19,53 1,24 2025 6520 6,3 35,21 28,8 0 12,64 1,68
0,917 11,35 17,97 6,80 0,50 0,996 13,54 18,29 6,20 0,49 0,824 9,13 11,32 5,70 0,42 0,853 14,81 13,31 6,30 0,47 0,902 13,90 16,23 6,70 0,49
1,181 16,06 24,50 6,90 0,51 0,886 14,75 15,41 6,10 0,50
0,800 8,42 9,23 5,80 0,41 0,974 14,77 18,11 6,30 0,52 0,926 12,53 14,75 5,70 0,48
0,813 8,75 11,82 5,90 0,47 0,923 14,29 16,50 6,00 0,47 0,829 9,80 13,79 5,70 0,48 0,920 11,37 17,29 5,90 0,49 1,215 13,55 16,18 5,80 0,47
1,232 19,21 36,65 7,20 0,53 1,254 20,72 40,90 7,60 0,54 1,134 18,08 32,24 7,40 0,52 1,193 17,31 33,82 7,90 0,50
P t
mm °C
^ m
м t/(km2·a)
FC
%
ρb,
г/м-3
Провинция Шаньси
507 10,3 975 4389 14 23,4 20,6 1,5 35,62 2,31
620 12,2 1000 4571 12,2 2,6 22,7 0 10,85 1,45 411 8,5 1084 6237 8,5 31,21 23,6 2 32,83 1,18
375 10,4 800 5504 11,8 23,7 28,6 0 29,51 1,98 505 14,8 1012 9978 10,4 55,7 42,8 0 29,84 1,42
Нинся-Хуэйский автономный район
196 8,9 1100 5543 6,5 28,31 26,9 3 53,12 1,34 468 9,7 1777 6390 7,3 32,1 32,7 0 20,15 1,72 379 9,6 1100 5856 7,9 29,25 24,5 1 19,32 1,63 425 8,7 1090 7025 8,2 35,52 40,3 1 26,95 1,37 398 10,2 1340 6972 6,4 27,69 38,5 1,5 33,07 1,31
Провинция Хэнань
494 13,8 376 5750 18,5 21,09 26,9 2,5 36,76 1,65
630 10,7 750 4924 23,6 18,54 23,8 0 34,49 2,58 525 12,4 585 5269 19,8 25,83 28,8 3,5 28,83 2,55 438 11,2 497 6018 17,9 28,66 39,7 0 22,47 2,62
Таблица 1. Перечень и общие характеристики исследованных буферных зон сооружений на лессовых массивах
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Провинция Ганьсу
Sбз – площадь буферной зоны; P – годовое количество осадки; t – среднегодовая температура; ^ – гипсометрия (м); m – модуль эрозии почвы; FC-лесистость; Kз – коэффициент засевания; Пахот ные земли >25°SLP – Пахотные земли на склоне с крутизной >25°; Lсел – расстояние до жилой застройки; Население – каличество населения на жилой застройке;
ρb – объемная плотность; е – соотношение пористости; Wm – влагоемкость; В – водонасыщение; Кф – коэффициент фильтрации; Ен – модуль деформации.
Таблица 2. Матрицы нагрузок компонент
Таблица 3. Матрицы счетов компонент
Образцы
к омпонент
F1 F2 F3 Fz
Ланьчжоу
-0.378
3.067
0.545
0.508
Цинъян
-0.689
1.296
2.064
0.221
Линься
-3.988
-1.379
0.161
-2.697
Динси
-1.637
-0.295
-1.691
-1.366
Хуэйнин
-1.877
-1.037
-1.136
-1.568
Яньань
2.637
1.252
-0.726
1.743
Лочуань
0.996
-1.674
-3.413
-0.354
Юйлинь
-2.913
1.209
-0.762
-1.665
Яньчан
0.691
-0.449
-0.708
0.202
Аньсай
-1.719
-2.799
3.505
-1.006
Иньчуань
-2.379
3.565
0.232
-0.668
Гуюань
-1.371
-1.115
-0.468
-1.155
Учжун
-1.695
-0.023
-1.224
-1.261
Шицзуйшань
-1.699
-0.833
0.632
-1.099
Чжунвэй
-1.138
0.101
1.007
-0.493
Саньмэнься
4.091
0.250
0.628
2.666
Шаньчжоу
5.625
-0.237
-0.191
3.355
Луши
4.079
0.652
0.479
2.716
Синьань
3.363
-1.553
1.066
1.923
Результаты анализа МГК отображаются на матрицах счетов и нагрузок. Матрица счетов компонент (Табл. 3) показывает, какой вклад вносит каждый из показателей в положение компоненты. В данной матрице можно увидеть влияние каждой из компонент на геоэкологическую устойчивость образцов буферных зон.
Матрица нагрузок компонент (Табл. 2) показывает состояние геоэкологической устойчивости образцов буферных зон в столбце 3 главных компонентов (F1, F2, F3). Также видно в итоговом столбце разделение образцов на 2 группы: I- стабильную (Fz>0) и II- условно-стабильную (Fz<0), применительно к дифференциации буферных зон сооружений по необходимости восстановления и оптимизации нарушенной геосреды.
Рассматривая совместно матрицы счетов и нагрузок компонент видно, что существует большой разрыв в природных условиях и техногенной интерференции между образцами стабильной группы и образцами условно-стабильной группы.
Последовательность обработки буферных зон к целевому обеспечению их геоэкологической устойчивости выполняется путем критериальной оценки объектов с использованием природно-ландшафтного и гидролого-гидрогеологического критериев. Данные оценки выступает в качестве второго этапа оценки буферных зон, представленной на блок-схеме (Рис.1).
Оценка по природно-ландшафтному критерию обосновывает необходимость предотвращения и уменьшения риска развития опасных природных и техно-природных процессов с позиций оптимизации режима землепользования в буферных зонах, которая в основном характеризуется индексом интерференции и уязвимости ландшафта каждого типа землепользования.
Буферные зоны, вошедшие в условно-стабильной группе после предварительной оценки, по
природно-ландшафтному критерию классифицируются на 3 группы. По оценочной шкале для каждой группы предложен ряд соответствующих противоэрозионных мер, основанных на конкретных условиях.
Гидролого-гидрогеологический критерий, сопряженный с местными данными о метеорологических параметрах, оценивает состояния геоэкологической безопасности окружающих сооружений, находящихся под угрозой псевдокарста и инициируемых псевдокарстом обвалов и оползней, а также определяет основные индуцирующие факторы развития данных геологических процессов.
Гидролого-гидрогеологический критерий определен путем корреляционного анализа статистических данных о количестве геологических процессов с данными об осадках. Данные о метеорологических параметрах обозначены как частотность выпадения осадков с суточным количеством более 50,1 мм в этих буферных зонах за последние 20 лет.
По результатам оценки ， для каждой выделенной группы определен свой подход к прогнозированию возникновения лессового псевдокарста.
Данная методика оценки с использованием природно-ландшафтного и гидролого-гидрогеологического критериев позволяет обосновать целевое направление исследований по обеспечению геоэкологической устойчивости в соответствии с индивидуальными геоэкологическими характеристиками каждой группы классифицированных буферных зон. Разработка комплексных противоэрозионных мероприятий и метода прогноза развития опасных природных и техно-природных процессов в буферных зонах в качестве методов обеспечения геоэкологической устойчивости буферных зон и устойчивой эксплуатации окружающих сооружений на лессовых массивах представлены в материалах четвертой главы.
В данной главе раскрывается второе и третье положение, выносимое на защиту, а именно при разработке комплексных противоэрозионных мероприятий выявленные определенные значения густоты покрова лесной и травянистой растительности при различной интенсивности осадков и крутизне склона в буферных зонах и разработанное конструктивное решение гидротехнических сооружений на склонах для контроля поверхностного стока. А также предложен метод прогнозирования развития опасных природных и техно-природных процессов с помощью построения нейронечеткой модели используя anfis-редактор и выявленное влияние процесса развития псевдокарста на деформацию поверхности буферных зон и безопасность окружающих сооружений.
Значения эффективной густоты покрова лесной и травянистой растительности для борьбы с эрозией почв при различной интенсивности осадков и крутизне склона пользуются в качестве
нормы лесомелиоративных мероприятий в буферных зонах. Они определены путем
регрессионного анализа зависимости между покровом лесной и травянистой растительности, интенсивностью осадков и крутизной склона на основе статистической обработки значений данных переменных в отобранных 82 образцах лесных участков и 71 образце луговых участков, Они соответствует таким геоэкологическим характеристикам: эрозионный потенциал осадков Pi30> 3,2 мм и i30> 0,25 мм, модуль почвенной эрозии меньше 2 t / hm-2 и редкий растительный покров.
Соотношение между эффективной густотой покрова лесной (Лстен) и травянистой(Тстен) растительности, эрозионным потенциалом осадков (Pi30) и крутизной склона (Кс) в результате линейного регрессионного анализа при помощи статистической программы “SPSS Statistics 22.0” выражает как Лстен = -104.31 + 33.61log(Pi30) + 74.41log (Кс) (r =0.743) и Тстен = -103.45 + 35.22log(Pi30) + 79.21log (Кс) (r =0.787), с помощью которых позволяет рассчитать значения порогового покрова лесной и травянистой растительности для борьбы с эрозией почв при различных условиях осадков и крутизне склона, позволяющие установить соответственные нормы лесомелиоративных мероприятий для восстановления и оптимизации геоэкологической обстановки в каждых буферных зонах с учетом локальных ландшафтных особенностей.
На основании обоснованных инженерно-технических мероприятий (Технические условия для комплексного управления почво-водосбережения GBT16453.3-1996), гидротехнические сооружения для контроля поверхностного стока с большим эрозионным потенциалом на склонах крутизной более 25° в буферных зонах сооружений представляют собой горизонтальные водосборные каналы вдоль линий равных высот. Край водосборного канала укрепляют блоками или проводят обвалование через определенный интервал. Таким образом, формируются прямоугольные водосборные бассейны длиной 2-3 м и шириной 1-1,5 м (Рис.2).
Рисунок 2. План расположения и поперечный разрез гидротехнических сооружений для контроля водостока на склонах буферных зон
Эффективность устранения эрозии почв данных гидротехнических сооружений обосновывается их основным конструктивным решением с учетом толщины отложения наносов
и глубины скопления воды в водосборных бассейнах, количества водостока на склоне между каналами, а также цикла технического обслуживания при их эксплуатации, определив ряд
параметров геоэкологических характеристик и инженерно-технических параметров: Q Fp f LbPcos W Fh
где, Q – объём прямоугольных водосборных бассейнов; F – площадь принимающего дождевые садки каждого водосборного бассейна (м2); p – количество осадков в течении 3 часов (мм); f – коэффициент инфильтрации в почву воды внутри водосборного бассейна (мм); L – дистанция изолированных водосборными каналами участков склонов (м); b – ширина каждого водосборного бассейна (м); β – крутизна изолированного участка склона (°);α – коэффициент водостока на изолированном участке склона; W – количество возникающего песка на поверхность каждого изолированного участка склона (м3); Δh – безопасная высота поперечной дамбы как и внешнего блока для накопления воды в водосборных бассейнах (м).
Для прогноза развития псевдокарста в буферных зонах предложен метод прогнозирования развития просадочности с помощью построения нейронечеткой модели используя anfis-редактор в связи с тем, что разные значения коэффициентов просадочности лессовой толщи при замачивании приводят к неравномерным просадкам и формированию трещин на поверхности земли, являющих необходимым условиям для развития псевдокарста.
Рисунок 3. Архитектура синтезированной нейронечеткой сети
Для построения нейронечеткой модели из основных показателей лессовых грунтов,
влияющих на коэффициент просадочности, выбраны влагоемкость (Wm), соотношение пористости (e), объемная плотность (ρd) и число пластичности (Ip) в качестве входных переменных, а действительный коэффициент просадочности (δs) — выходного. В то же время, для настройки сформулированных базовых правил, использованы 32 образца лессовых грунтов с экспериментальными данными, собранных при изучении характеристик размокаемости лессовых грунтов, в качестве обучающей выборки для проверки их достоверности и 10 образцов как тестовые выборки для обоснования способности выравнивания и обобщения нейронечеткой модели. Архитектура синтезированной нейро-нечеткой сети показана на рисунке 3.
Лабораторный анализ размокаемости лессовых грунтов свидетельствовал о том, что коэффициент размокания лёссовых грунтов, связан со скоростью размокания, содержанием глинистых частиц (диаметр частиц <0.005 мм), временем размокания и приводит к изменению глубины залегания псевдокарстовой полости в процессе ее вертикального роста или расширения. Данные типичные процессы развития псевдокарста вызывают деформацию поверхности земли и ее обрушение после достижения минимальной мощности перекрывающей псевдокарстовую полость грунтовой толщи. В связи с этим, анализ влияния различных процессов развития псевдокарста на деформацию поверхности лессового массива, возможно провести на основании теории стохастических сред (stochastic medium) в условиях определения минимальной мощности перекрывающей псевдокарстовую полость грунтовой толщи. Количественный анализ данных процессов с помощью программы MARLAB на примере буферной зоны Аньсай представлен на рисунке 4, 5 и в таблице 4, 5.
Таблица 4. Процесс вертикального роста псевдокарстовой полости и временной эффект деформации поверхности грунтового массива
Время
Минимальная мощность накрывающей почвенной толщи
Глубина залегания псевдокарстовой полост и
Степень оседания
Сутки
Hmin / м
H/м
мм
Начальное значение
3.39
-8.3
4.2
3.39
-9.3
8.5
3.39
-10.4
15.1
3.39
6.5
-12.8
19.3
3.39
5.5
-15
27.7
3.39
3.5
-20.4
Обрушение
3.39
<3.39
-245.8
Рисунок 4. Влияние процесса вертикального роста псевдокарстовой полости на поверхности грунтового массива
Таблица 5. Процесс расширения псевдокарстовой полости и временной эффект деформации поверхности грунтового массива
Время
Радиус псевдокарстовой полости
Минимальная мощность накрывающей почвенной толщи
Толщина накрывающей почвенной толщи
Степень оседания
Сутки
м
H/м min
м
мм
Начальное значение
0.5
3.39
9.5
-8.3
2.5
0.6
4.1
9.3
-11.8
6.5
0.7
4.75
9.1
-16.5
0.8
4.43
8.9
-21.1
0.9
6.11
8.7
-27.3
1
6.79
8.5
-33.6
1.19
8.07
8.1
-46.4
Обрушение
> 1.19
> 8.07
< 8.07
-546
Рисунок 5. Влияние процесса расширения псевдокарстовой полости на поверхности грунтового массива
В данных иллюстрационных материалах выявлены степень оседания поверхности и диапазон деформации поверхности грунтового массива, характеризующие процесс вертикального роста или расширения псевдокарстовой полости в каждый момент времени, а также представлена глубина и диапазон провалов поверхности лессового массива в результате развития псевдокарстовой полости после преодоления минимальной мощности перекрывающей грунтовой толщи. Данный результат позволяет предоставить техническое обоснование при проектировании, строительстве и устойчивой эксплуатации сооружений, примыкающих к буферным зонам с учетом типа окружающих сооружений и требования их безопасности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги исследования:
1. Оценка геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений с помощью анализа многомерных данных позволяет из множественных исследованных объектов дифференцировать буферные зоны с позиции необходимости восстановления и оптимизации в них нарушенной геосреды, оценить актуальность мониторинга и контроля, а также определить основные воздействующие факторы на их геоэкологическую устойчивость с учетом взаимной связи природно-ландшафтных, техногенных и инженерно-геологических параметров.
2. Последовательная оценка объектов с использованием природно-ландшафтного и гидролого-гидрогеологического критериев позволяют обосновать целевое направление исследований по обеспечению геоэкологической устойчивости в соответствии с индивидуальными геоэкологическими характеристиками каждой группы классифицированных буферных зон.
3. Определены значения густоты покрова лесной и травянистой растительности для
борьбы с эрозией почв при различной интенсивности осадков и крутизне склона как научно-обоснованная норма лесомелиоративных мероприятий в буферных зонах с позиции рационализации и оптимизации режима землепользования буферных зон.
4. Разработано конструктивное решение гидротехнических сооружений на склонах буферных зон для контроля поверхностного стока со значительной эрозионной опасностью в целях предотвращения и уменьшения риска геокатастроф в буферных зонах.
5. Предложен метод прогнозирования развития псевдокарста с помощью построения нейронечеткой модели используя anfis-редактор и выявлено негативное воздействие процесса развития псевдокарста на деформацию поверхности земли, применительно к минимизации ущерба геоэкологической среды в буферных зонах и обеспечению устойчивой эксплуатации окружающих сооружений на протяжении всего жизненного цикла.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы:
1. При прогнозировании развития опасных природных и техно-природных процессов с помощью построения нейронечеткой модели используя anfis-редактор, рекомендуется повышения статистической значимости параметров объекта прогнозирования, выявленных в ходе инженерных изысканий для оптимизации параметров обучения и структуры синтезированной нейронечеткой сети.
2. Для предварительного определения возможности обрушения псевдокарста с учётом минимальной мощности перекрывающей грунтовой толщи рекомендуются изучение состояния распространения псевдокарста (глубины, размеров и др.), анализ базовых физико-механических параметров покрывающей грунтовой толщи, проведение статистического расчёта объёма водостока в пределах обследуемой зоны, а также экспериментальный анализ скорости размокания лёсса в данной зоне.
Актуальность темы исследования. Техногенная нагрузка в виде обширной
вырубки лесов, распашки целины, культивирования сельскохозяйственных культур на крутых террасированных склонах, добычи полезных ископаемых, экскавации лессовых грунтов для строительства – представляет собой основную причину неустойчивости сложной геоэкологической системы лессовых массивов. Это приводит к эрозии почв и практически повсеместному развитию таких опасных природных и техноприродных процессов как псевдокарст, оползни, обвалы, просадки, подтопление и др., которые непосредственно угрожают устойчивости конструкций сооружений и урбанизированных территорий в целом.
Перспективным направлением инженерной защиты при этом выступает создание буферных зон, направленных на минимизацию отрицательного геоэкологического воздействия техногенеза. Однако, геоэкологическиe состояния буферных зон в разных геоморфологических, климатических и геологических условиях весьма различны.
Кроме того, при рассмотрении буферных зон больших площадей и разнообразных геоэкологических условий, в них, в силу специфики лессов, соответственно развит и широкий диапазон измененных участков лёссовых грунтов. В то же время, при строительно-хозяйственном развитии города, техногенез неизбежно влияет на защитный эффект буферных зон сооружений, вне зависимости от их площади, влияя на их стабильность. В настоящее время методы обеспечения геоэкологической устойчивости
буферных зон сооружений, сводятся к выполнению комплекса инженерных мероприятий, направленных на подавление развития определенного геологического процесса, и эти инженерные мероприятия, как правило, применяются уже после его возникновения. При этом существующие методы не всегда в полной мере учитывают природно-ландшафтные, гидрогеологические, гидрологические свойства территорий, а также инженерно-геологические характеристики грунтов в их границах. Данное обстоятельство сдерживает возможность выявления основных факторов, влияющих на геоэкологическую устойчивость буферных зон сооружений и затрудняет устранение и минимизацию негативного воздействия геологических феноменов на геоэкологическую устойчивость буферных зон сооружений путем предотвращения развития опасных природных и техноприродных процессов.
Таким образом, актуальной задачей является разработка методики всесторонней оценки геоэкологического состояния буферных зон сооружений, сформированных на территориях, сложенных лёссовыми породами, и предотвращение и уменьшение в них риска геокатастроф (опасных геологических процессов) (чрезвычайных ситуаций) с применением комплексных противоэрозионных мероприятий, а также разработка экспертного метода прогноза развития опасных природных и техноприродных процессов в буферных зонах.
Тема диссертационной работы соответствует паспорту специальности 25.00.36 Геоэкология (строительство и ЖКХ), пункт 5.15 «Обеспечение геоэкологической устойчивости конструкций, зданий и сооружений, технологий строительства и режимов эксплуатации объектов и систем в области
градостроительства, энергетического, гидротехнического, промышленного, транспортного и других видов строительства, ЖКХ, природопользования и охраны окружающей среды».
Степень разработанности темы. Большой вклад в развитие методов геоэкологической устойчивости сооружений на нарушенных и подверженных опасным природным и техно-природным процессам территориях, а также методов создания защитных барьеров в их границах внесли Российские и зарубежные ученые: Шелфорд В.Е (1933), Mackinnon (1986), Reid и Miller (1989), Sayer (1991), Ihmeetal. (1991), Heikkinen et al. (1995), Fabos (1995, 2004), Wells, Brandon (1993), Ли Дицян (1997), Wild и Mutebi (1997), Sallantaus et al. (1998), Зонг Юэ (1999), Чэ Шэнцюань (2001), Viesl и Rosie (2001), Мэн Яфань (2004 г.), Лопаткин Д. А. (2004), Стоящева Н. В. (2005), Пономарев А. А. (2010), Воскова А. В., Семина М. Е., Щёкотова В. А. (2014), Данилевич Д. В. (2014), Павлова Е. В. (2015) и др.
Оценка состояния и обеспечение геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений в границах системы «сооружение – природная среда», связана с производством трудоемких и длительных инженерных изысканий. Сокращение затрат на выполнение проектно-изыскательских работ возможно при использовании современных численных методов оценки с учетом воздействия природно-ландшафтных, техногенных и инженерно-геологических условий на геоэкологическую среду, которая является основой при формировании буферных зон. Также это возможно при использовании анализа многомерных данных и матрично-цифрового моделирования. Подобные методы, применительно к обеспечению геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений на
8
лессовых массивах, изучены недостаточно. Также отсутствуют разработки комплексных лесомелиоративных мероприятий по благоустройству буферных зон сооружений для предотвращения и уменьшения риска геокатастроф (опасных геологических процессов) и экспертного метода прогноза развития опасных
природных и техноприродных процессов в буферных зонах.
Целью настоящей работы является разработка научно-обоснованной
методики геоэкологической оценки буферных зон сооружений, как необходимых элементов природно-техногенных систем на лессовых массивах, а также обеспечение их геоэкологической устойчивости при проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений путем предотвращения и уменьшения риска геокатастроф (опасных геологических процессов) в буферных зонах.
Объект исследования. Геоэкологическая оценка буферных зон природно- техногенных систем на лессовых массивах для обеспечения геоэкологической устойчивости сооружений на этапах жизненного цикла.
Предмет исследования. Научно-обоснованная методика геоэкологической оценки буферных зон сооружений, как необходимых элементов природно- техногенных систем на лессовых массивах, а также обеспечение их геоэкологической устойчивости при проектировании, строительстве и эксплуатации окружающих сооружений путем предотвращения и уменьшения риска геокатастроф (опасных геологических процессов) в буферных зонах.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследование геоэкологических характеристик лессовых массивов (геоморфологических, ландшафтно-климатических, инженерно-геологических и
9
др.), а также обзор и анализ существующих проблем геоэкологической
устойчивости буферных зон сооружений.
2. Разработка методики геоэкологической оценки буферных зон сооружений,
формируемых на лессовых массивах для обеспечения их геоэкологической устойчивости при проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений.
3. Исследование характеристик размокаемости лессовых грунтов и определение эрозионного индекса атмосферных осадков, воздействующих на формирование геокатастроф (опасных геологических процессов).
4. Разработка комплексных противоэрозионных мероприятий и метода прогноза развития опасных природных и техноприродных процессов в буферных зонах.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1.Разработана научно – обоснованная методика комплексной оценки
геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений, как природно- техногенных систем, сформированных на лессовых массивах. Данная методика оценки позволяет определить основные воздействующие на геоэкологическую устойчивость факторы, обосновать необходимость восстановления и оптимизации в них нарушенной геосреды, а также обосновать целевое направление исследований по обеспечению их геоэкологической устойчивости.
2. Определены значения густоты покрова лесной и травянистой растительности при различной интенсивности осадков и крутизне склона в буферных зонах, которые используются как научно-обоснованная норма лесомелиоративных мероприятий и разработано конструктивное решение
10
гидротехнических сооружений на склонах для контроля поверхностного стока в целях предотвращения и уменьшения риска геокатастроф (опасных геологических
процессов) в буферных зонах.
3.Предложен метод прогнозирования развития псевдокарста с помощью
построения нейронечеткой модели используя anfis-редактор и выявлено негативное воздействие процесса развития псевдокарста на деформацию поверхности земли, применительно к минимизации ущерба геоэкологической среды в буферных зонах и обеспечению устойчивой эксплуатации окружающих сооружений на протяжении всего жизненного цикла.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Из 19 объектов буферных зон, рассматриваемых в диссертации, предложенная в работе методика оценки позволила определить состояние 11 буферных зон сооружений на лессовых массивах с позиции необходимости восстановления и оптимизации для обеспечения их геоэкологической устойчивости.
2. Предложенная нейронечеткая модель с anfis-редактором может обеспечить более высокую точность прогноза развития опасных природных и техноприродных процессов с минимизацией входных параметров и позволяет уменьшить риск геокатастроф (опасных геологических процессов) при эксплуатации сооружений на лессовых массивах.
3. Выявленные значения эффективной густоты покрова лесной и травянистой растительности для борьбы с эрозией почв при различной интенсивности осадков и крутизны склона, могут быть использованы в качестве ключевых показателей для
11
охраны водных и почвенных ресурсов в рамках лесомелиоративных противоэрозионных мероприятий, а также могут стать нормой проектирования для
развития урболандшафтов на лессовых массивах.
4. Выявленное влияние процесса развития псевдокарста на деформацию
поверхности буферных зон и безопасность окружающих сооружений может служить в качестве технического обоснования для выявления инвестиционной эффективности при проектировании, строительстве и устойчивой эксплуатации сооружений на территориях, сложенных лёссовыми грунтами осложненных развитием псевдокарста.
Методология и методы исследования – Поставленные задачи выполнены с использованием метода главных компонент как аппарата обработки многомерных данных, матрично-цифровой интерпретации данных, расчета индекса ландшафта, нейронечеткой модели с anfis-редактором, метода регрессионного анализа, метода полевых исследований и наблюдений, метода лабораторных определений, а также метода анализа статистических данных.
Личный вклад автора состоит в статистической обработке полученных данных при проведении рекогносцировочных обследований и инженерно- геоэкологических изысканий на объектах исследования, разработке научно – обоснованной методики комплексной оценки геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений на лессовых массивах, разработке метода прогнозирования развития опасных природных и техноприродных процессов с помощью построения нейронечеткой модели используя anfis-редактора, установлении научно-обоснованной нормы лесомелиоративных
12
противоэрозионных мероприятий на лессовых массивах, а также разработке конструктивного решения гидротехнических сооружений для контроля
поверхностного стока.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанная научно – обоснованная методика комплексной оценки геоэкологической устойчивости буферных зон сооружений, как природно- техногенных систем, сформированных на лессовых массивах.
2. Приразработкекомплексныхпротивоэрозионныхмероприятийвыявленные определенные значения густоты покрова лесной и травянистой растительности при различной интенсивности осадков и крутизне склона в буферных зонах и разработанное конструктивное решение гидротехнических сооружений на склонах для контроля поверхностного стока.
3. Предложенный метод прогнозирования развития опасных природных и техноприродных процессов с помощью построения нейронечеткой модели используя anfis-редактор и выявленное влияние процесса развития псевдокарста на деформацию поверхности буферных зон и безопасность окружающих сооружений.
Степень достоверности результатов исследования обоснована применением адекватного научной практике исследовательского и аналитического аппарата, применением стандартных статистических методов обработки данных, опубликованных национальными исследовательскими и информационными учреждениями. При получении новых данных и результатов использовано стандартное измерение для получения результатов с погрешностью не более 5% при доверительной вероятности 0.95.
13
Апробация результатов исследования
Основные положения диссертации докладывались на научных конференциях, в частности:
1. XI-я научно-практическая конференция молодых специалистов. «Инженерные изыскания в строительстве». 2015 г., Москва.
2. Юбилейная научно-техническая конференция, посвященная 100-летию со дня рождения д.г.-м.н., профессора Николая Ивановича Кригера. 2015 г., Москва.
3. Девятая международная научно-практическая конференция по проблемам снижения природных опасностей и рисков. «Анализ, прогноз и управление природными рисками в современном мире ГЕОРИСК–2015». 2015 г., Москва.
4. Международная конференция, посвященная 100-летнему юбилею академика М.М. Адышева. «Развитие наук о земле в Кыргызстане: состояние, проблемы и перспективы» 2015 г., Бишкек, Кыргызстан.
5. VIII-я Международная научно-практическая конференция. «Перспективы развития науки и образования». 2016 г., Душанбе, Таджикистан.
6. Международный семинар, посвященной 70-летию доктора геолого- минералогических наук Виктора Петровича Хоменко. «Опасные для строительства геологические процессы». 2018 г., Москва.
Публикации. Материалы диссертации достаточно полно изложены в 10 научных публикациях, из которых 5 работ опубликованы в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой
14
степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (Перечень
рецензируемых научных изданий).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Работа изложена на 181 страницах, содержит 41 рисунок и 20 таблиц. Список литературы включает 126 наименования.
Публикации автора в научных журналах
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (22 отзыва)
4.6 (30 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
5 (428 отзывов)
4.6 (71 отзыв)
4.7 (96 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
5 (188 отзывов)
5 (21 отзыв)
