Геодезический мониторинг по выявлению опасных деформационных процессов на территории крупных городов

На протяжении длительного времени разнообразные деформации земной поверхности были и остаются источниками многочисленных, различных по масштабам разрушений окружающей среды и нарушений экологической обстановки, связанных с землетрясениями, оползнями, обвалами и другими воздействиями на приповерхностные геологические структуры. Применительно к территориям крупных городов такая ситуация резко обостряется из-за возрастающих нагрузок на грунт, связанных с массовыми многоэтажными застройками, интенсивного освоения подземного пространства, нарушений гидрорежима и вибровоздействий на геологическую среду со стороны быстро нарастающих транспортных потоков. В отдельных регионах крупных городов уровень воздействия на упомянутые геологические структуры уже приближается к критическому, при котором число разрушений из-за тех или иных деформаций земной поверхности резко возрастает. Так, по данным статистики за последние 37 лет в г.Москве было зарегистрировано всего 43 провала. В то же время в текущем, еще не закончившемся году количество различного рода обрушений породы и провалов достигло уже 642. Возникла необходимость в разработке специальной комплексной программы "Безопасность Москвы", при реализации которой составлена геоэкологическая карта города и проводятся различные геофизические и геологические исследования. Основная цель упомянутой программы состоит в разработке рекомендаций по дальнейшему безопасному развитию города. Среди многочисленных геологических, геофизических и геоморфологических методов изучения состояния геологической среды особое место занимают геодезические методы, позволяющие не только качественно, но и количественно оценить возникающие деформации земной поверхности и расположенных на ней различных строений и сооружений. Разработанные в последние годы подходы, основанные на высокоточных спутниковых методах координатных определений, открыли возможность организации эффективного геодезического мониторинга, позволяющего практически непрерывно и в самых разнообразных физико-географических условиях отслеживать те или иные деформации на миллиметровом уровне точности.
Реализуя последние достижения в области высокоточных геодезических измерений, наш университет в последние годы разработал концепцию построения геодезических опорных сетей для крупных городов, на основе которой был отработан в МИИГАиК технический проект реконструкции опорной геодезической сети г.Москвы с использованием современной спутниковой технологии. Такой проект был реализован специалистами научно-исследовательского центра (НИЦ) "Геодинамика" МИИГАиК в 1996-97гг. Учитывая актуальность создания на территории города постоянно действующего геодезического мониторинга по выявлению и отслеживанию локальных и региональных деформаций приповерхностных структур земной поверхности, в рамках упомянутой реконструкции сети г.Москвы были проведены соответствующие исследования, связанные с особенностями построения высокоточной геодинамической сети.
За два года (1996-97 гг.) были выполнены три цикла наблюдений такой геодинамической сети и получены первые данные, характеризующие деформационные процессы геологических структур, свойственные Московскому региону. Для оценки состояния этих структур с целью прогнозирования возникновения и развития деформационных процессов нашими специалистами совместно с ведущими в этой области учеными Академии Наук Российской Федерации (РАН) начаты работы по обоснованному объединению геодезической, геофизической и геологической информации с целью интерпретации полученных результатов. В 1998 г. Московский государственный университет геодезии и картографии совместно с Объединенным институтом физики Земли РАН, как победители конкурса по ФЦП "Интеграция", получили возможность продолжения исследований в этой актуальной области за счет реализации проекта "Геодезический мониторинг по выявлению опасных деформационных процессов на примере Московского региона". В июне текущего года по программе ФЦП "Интеграция" проведен очередной цикл спутниковых наблюдений и произведена предварительная обработка полученных результатов.
Ниже в сжатой форме изложена обобщающая информация, касающаяся особенностей построения геодинамических сетей в крупных городах, и рассмотрены полученные результаты, причем основное внимание уделено последнему циклу полевых измерений, проведенных по программе ФЦП "Интеграция". Построению геодинамической сети г.Москвы, пункты которой должны обоснованно отражать происходящие деформации поверхности изучаемого региона, предшествовали достаточно детальные геологические и геоморфологические исследования, позволившие идентифицировать зоны трещиноватости и флексурно-разрывные зоны. С целью выявления активности отдельных участков геологической среды выбранные пункты сети были приурочены к различным структурным зонам. При этом в сети включен целый ряд пунктов, достаточно удаленных от зон активного техногенного воздействия на среду. Такой подход позволяет более объективно оценить значения возникающих деформаций. Повышенное внимание было уделено центральной части города, подземная часть которой подвержена повышенным антропогенным воздействиям. В этом регионе была увеличена плотность геодинамической сети и был произведен более тщательный выбор мест расположения пунктов сети. Определение смещения закрепленных на местности точек, характеризующих деформации отдельных участков исследуемых приповерхностных структур, произведено на основе использования современных высокоточных спутниковых технологий, открывающих возможность определения трехмерных координат на миллиметровом уровне точности.
В качестве технических средств были использованы спутниковые приемно-вычислительные комплексы, разработанные такими ведущими фирмами как Leica (Швейцария) и Trimble (США). Высокая потенциальная точность современных спутниковых методов координатных определений, а также возможность проведения наблюдений в самых различных физико-географических условиях при одновременном использовании практически неограниченного количества приемников создали все предпосылки для организации высокоэффективного геодинамического мониторинга, позволяющего охватывать территории самых различных размеров. Вместе с тем для реализации повышенного уровня точности, характерного для геодинамических сетей, нами были предусмотрены двукратные наблюдения, относящиеся к различным суткам, а также сеансы наблюдений повышенной протяженности. Центрировка устанавливаемой на пунктах аппаратуры осуществлялась с максимальной тщательностью. Кроме того была доработана методика обработки результатов измерений с тем, чтобы имелась возможность обоснованного отделения показателей, характеризующих смещение каждого конкретного пункта сети, от свойственных спутниковым наблюдениям ошибок измерений.
При реализации предложенного нами проекта в рамках ФЦП "Интеграция" в июне текущего года были проведены координатные определения на 33 пунктах геодинамической сети. При этом было использовано 14 одновременно работающих спутниковых приемников. За исходный пункт, относительно которого определялись положения других пунктов сети, был принят пункт, находящийся на астроплощадке, расположенной на одном из зданий нашего университета.
Для оценки величины смещений положений пунктов во времени был принят предыдущий (3-й) цикл спутниковых наблюдений, проведенных в ноябре 1997 г. на стадии завершения работ, связанных с реконструкцией опорной геодезической сети г.Москвы.
По завершении полевых работ специалистами НИЦ "Геодинамика" МИИГАиК произведена обработка полученных результатов, позволяющая судить о смещениях пунктов сети как в горизонтальной плоскости, так и по вертикали за период с ноября 1997г. по июнь 1998 г.
Обобщенный предварительный анализ результатов проведенных полевых спутниковых измерений свидетельствует о том, что смещения пунктов в горизонтальной плоскости носят достаточно случайный характер и оцениваются, в большинстве случаев, величинами на уровне нескольких миллиметров. Лишь на отдельных пунктах упомянутые смещения лежат в диапазоне от 10 до 27 мм, причем, как правило, условия для проведения спутниковых наблюдений на таких пунктах следует отнести к недостаточно благоприятным (приемники во многих случаях приходилось устанавливать под геодезическими наружными знаками, которые оказывают мешающее воздействие на прием радиосигналов от спутников).
Причинами опускания земной поверхности могут быть, по предварительным данным, такие как изменения уровня подземных вод и образование региональных депрессионных воронок, огромное давление на грунт, оказываемое находящимися на территории Москвы 39 000 жилых зданий и 2 800 промышленных объектов, а также особенностями современного тектонического процесса, характерного для данного региона. Не исключено также наличие и других причин, обуславливающих деформации земной поверхности, которые в настоящее время исследуются более подробно.
Совместный анализ деформаций, охватывающий все выполненные нами циклы наблюдений за смещениями пунктов геодинамической сети, свидетельствует о наличии как трендовых деформаций, так и сезонных вертикальных изменений уровня земной поверхности, имеющих циклический характер. Представляет значительный интерес подробное изучение этих двух видов деформаций, их взаимодействие и оценка количественных показателей. Учитывая актуальность проводимых в рассматриваемой области исследований, нашему университету поручено уже в текущем году провести цикл геодезических измерений по изучению деформаций участка земной поверхности и памятников архитектуры на территории Московского Кремля.
Выполняемые специалистами МИИГАиК исследования по созданию современного высокоэффективного геодезического мониторинга, позволяющего изучать и выявлять опасные деформационные процессы, не ограничиваются только Московским регионом. В настоящее время в МИИГАиК завершена разработка технического проекта на реконструкцию опорной геодезической сети г.Красноярска, в рамках которого предусмотрено создание геодинамической сети и последующего геодезического мониторинга с охватом всей территории города и его ближайших окрестностей. Этот регион в сравнении с Москвой характеризуется более высокой тектонической активностью, а поэтому изучение деформаций приповерхностных геологических структур при создании в городе жилых массивов и крупных инженерных сооружений (в частности, строящегося на его территории метрополитена) крайне необходимо.
Выполненный в нашем университете как научный, так и производственный задел по изучению геодинамики на основе спутниковых координатных технологий не ограничивается разработкой методов для сравнительно небольших территорий, свойственных крупным городам, но и охватывает более значительные по своим размерам регионы. В 1997-98 гг. МИИГАиК принял участие в международном проекте по изучению изменений уровней Черного и Средиземного морей, ориентированном на исследование взаимодействия атмосферы, мирового океана и земной коры. Этим проектом предусматривалась разработка методов, обеспечивающих определения высотной координатной компоненты с погрешностью не более 1 см на расстояниях более чем тысяча километров. В процессе реализации данного проекта нашим университетом произведены пятисуточные спутниковые наблюдения на ряде пунктов, расположенных на Черноморском побережье Кавказа, в Крыму и в Болгарии. В настоящее время завершается анализ выполненных измерений.
Обобщая содержание настоящего сообщения, представляется возможным сделать следующие основные выводы: