МІНИСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"

УЧИТЕЛЬ Ігор Леонідович

УДК 528.482:622

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОСТОРОВО-ЧАСОВИХ

ЗАЛЕЖНОСТЕЙ АВАРІЙНОСТІ ГАЗОПРОВОДІВ

м. ОДЕСИ

05.24.01 - геодезія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній морській академії Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор ГЛАДКИХ Ігор Іванович,

Одеська державна морська академія,

завідувач кафедри гідрографії і морської геодезії.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук ПЕРОВИЧ Левко Миколайович,

Національний університет "Львівська політехніка", завідувач кафедри інженерної геодезії та кадастру

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник МАЗНИЦЬКИЙ Анатолій Савич,

НАК "Нафтогаз" України ДК - "Укртрансгаз",

начальник відділу науково-виробничого центру діагностики.

Провідна установа:

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, кафедра інженерної геодезії, Міністерство освіти і науки України, м. Івано-Франківськ.

Захист відбудеться 25.01.2002 р. о 14 годині на

засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.13 у Національному університеті "Львівська політехніка" за адресою: ауд. 518II навч. корпусу, вул. Степана Бандери, 12, м. Львів.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" за адресою: вул. Професорська, 1, м. Львів, 79013.

Автореферат розісланий 23.12.2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент С. Г. Савчук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з основних причин аварій міських газопровідних і водогінних мереж, завалення будівель, виникнення зсувів, є швидкопротікаючі деформації земної кори. Визначення й урахування різноманітних видів таких деформацій дозволяє проводити діагностування досліджуваних об'єктів з метою їхньої безпечної експлуатації. У процесі геодинамічного моніторингу і діагностування об'єктів вирішена одна з найважливіших проблем – це проблема неоднорідності геодинамічних процесів на площадкових і лінійних об'єктах газової мережі. Дану проблему розв'язано шляхом районування ризику експлуатації газопроводів у місцях їхнього розташування. Знайдені нами рішення можуть бути застосовані не тільки на ділянках розташування газових мереж але й в таких сферах господарської діяльності, як упорядкування земельного кадастру, страхування, будівництво, спостереження за геодинамікою земної кори у локальному і глобальному масштабах. Дослідження і визначення закономірностей неогеодинамічних процесів, зміна амплітуд вертикальних і горизонтальних деформацій у просторі дозволяє обгрунтувати точність геодезичних спостережень під час визначення впливу геодинамічних процесів на об'єктах газового господарства, удосконалити вимоги до якості будівництва цих об"єктів і умов їхньої експлуатації. Визначення просторових характеристик геодинамічних процесів геодезичними методами дистанційного зондування є однією з основних задач даної дисертації.

Особливе місце в даній роботі відводиться районуванню територій щодо геодинамічного ризику і визначенню характеристик швидкодіючих деформаційних процесів. Дані дослідження дозволяють підвищити точність визначення геодезичних просторових координат окремих динамічних ділянок окреслених розломами і вузлів їхнього перетину, а також виконувати оцінку напруженого стану земної кори району стихійного лиха і його типу в просторі і часі. Це дозволяє обгрунтовувати і вибирати найбільш оптимальні місця розташування газових мереж з метою їхньої безпечної експлуатації, що, безумовно, є актуальною задачею в умовах розвитку газових мереж.

Виконані в дисертації дослідження є логічним продовженням створення теорії прогнозування аварій газопроводів геодинамічної природи і районування території відповідно до їхньої геодинамічної активності. Логіка досліджень грунтується на тій підставі, що основна частка аварії газопроводів пов'язана зі швидкопротікаючими геодинамічними процесами і носить закономірний характер, що підтверджується нерівномірністю розподілу аварій у часі. У зв'язку з цим ми прийшли до висновку, що просторова розчленованість земної поверхні та її ієрархічний поділ на блоки формує просторову нерівномірність розподілу аварій за площею.

Дослідження і вирішення даної проблеми, безумовно, є актуальним, тому що дозволяє значно підвищити безпеку експлуатації газопровідних мереж, що підтверджується на реальних експлуатованих об'єктах газового господарства в різних регіонах України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вирішення проблем визначення місць екстремальної негативної дії неогеодинаміки на об'єкти газового господарства є одним з найважливіших факторів забезпечення безпеки експлуатації газових мереж. Робота виконана в рамках державних, галузевих і науково-дослідних програм на підставі таких документів:

1. Постанови Кабінету Міністрів № 308 від 29.03.2001р."Про об'єкти повищенної небезпеки"

2. Розпорядження ДК "ГАЗ УКРАЇНИ" від 06.05.2001р. "Щодо опрацювання Закону України "Про об'єкти повищенної небезпеки"

3. Постанови Кабінету Міністрів № 456 від 4.02.1998р. “Про подальший розвиток мережі газопостачання України”.

4. Постанови НАК “Нафтогаз України” № 45 від 23.05.1998р. “Про посилення контролю за роботою газопроводів і споруджень, розташованих на них”.

5. Рішення комісії з питань техногенно-екологічної безпеки і надзвичайних ситуацій за № 1326 від 17.12.1997р. “Про забезпечення стабільної роботи об'єктів життєзабезпечення і вживання заходів в екстремальних умовах”.

6. Рішення виробничо-технічної ради ВАТ “Одесагаз” про проведення науково-виробничих досліджень на теми: “Розробка основ прогнозування аварій газопроводів у результаті геодинамічних процесів” і “Дослідження просторово-тимчасових залежностей аварійності газопроводів міста Одеси”.

7. Національної програми досліджень і використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну й інших районів Світового океану на період до 2000 р. у рамках проекту “Дослідження будови Чорного й Азовського морів геолого-геофізичними методами”.

Мета і задачі дослідження. Дисертаційна робота виконана з метою встановлення зв'язків неогеодинамічних рухів з процесами просторового розповсюдження місць руйнування мережі газопроводів та удосконалення геодезичних методів координування прогнозованих місць аварій, пов'язаних з геодеформаційними процесами. Метою дисертаційної роботи є вирішення важливої народногосподарської проблеми щодо підвищення безпечної експлуатації об'єктів газового господарства.

Для вирішення поставлених цілей у дисертаційній роботі досліджені особливості просторового розподілу аварій мережі газопроводів і швидкопротікаючих геодинамічних процесів хвильового характеру розроблені теоретичні основи районування територій за чинником геодинамічного ризику, побудовані спеціалізовані картографічні матеріали, розроблені методичні основи оперативного діагностування аварійної обстановки на підставі геодеформаційного моніторингу з використанням дистанційних методів. Досліджено геодезичні методи визначення просторового положення аварій і просторової орієнтації геоіндикаторів, на основі яких створений геоінформаційний моніторинг просторового положення аварійності газопроводів.

Для досягнення поставленої цілі в дисертації вирішені наступні задачі:

1. Розроблено критерії виявлення аварій газопроводів, викликаних геодинамічною активністю земної кори.

2. Досліджено геодинамічні методи районування геодинамічно активних зон на ділянках мереж газопроводів.

3. Реалізованоно геодеформаційний моніторинг газових мереж міста Одеси щодо геотехногеного ризику.

4. Створено спеціальні карти і плани геодинамічної активності досліджуваного регіону, що дозволяють діагностувати стан мережі газопроводів в визначених інтервалах часу.

5. Встановлено причини утворення геоіндикаторів і обгрунтовані перспективи оперативної оцінки геодинамічної обстановки на об'єктах газової мережі.

6. Досліджено геодинамічні методи просторового прояву геоіндикаторів, що характеризують зміни орієнтації геодеформаційного поля і зміну інтенсивності напруги в земній корі.

7. Розроблено методичні основи оперативного діагнозу аварійності мереж газопроводів геодинамічного походження.

Вирішення вищевказаних задач дозволяє створювати теоретичні основи районування територій за характером розташування швидкопротікаючих деформаційних процесів, з урахуванням тектонічної і морфоструктурної будови регіону. Виконані дослідження дозволяють обгрунтувати вимоги до точності геодезичних спостережень і удосконалити методи геодезичного забезпечення безпечної експлуатації і реконструкції існуючих міських газових мереж. Реалізація моніторингу деформаційних процесів дозволяє істотно підвищувати якість діагностування аварійної обстановки й оперативного прогнозування ділянок газопроводів, схильних до максимального впливу геодинамічних процесів.

Наукова новизна вирішення поставлених у дисертаційній роботі задач полягає в тому, що вперше досліджена внутрішньодобова варіація аварійності газопроводів, в умовах різної якості реєстрації аварій протягом доби. Вперше використано методичний підхід до вивчення тимчасового ряду міжаварійних інтервалів. Вперше встановлено, що в геодинамічно активні періоди аварії відбуваються епізодами по декілька аварій, практично одночасно, що замінюються періодами відсутності аварій. Застосувавши медіанне згладжування часового ряду, вперше було встановлено, що, як і в проявах сейсмічних процесів, періодам збільшення кількості аварій передують так звані періоди "затишку". Виконавши картування аварійності в геодинамічно активні періоди вперше було встановлено, що в розподілі аварій на території міста є закономірності, що узгоджуються з тектонічною будовою. Виділено райони з аномально високим рівнем аварійності, що за тектонічною будовою припускають аномальний рівень геодеформаційних проявів, обгрунтовано взаємозв'язок між інтенсивністю виникнення аварій і геодинамічними особливостями досліджуваного району.

На основі картування окремих епізодів активізації геодинамічних процесів з застосуванням спеціально розроблених критеріїв виділення аварій, узгоджених між собою, вперше встановлено, що в деяких випадках прояву геодеформаційних процесів аварії відбуваються уздовж чітких ліній, азимути яких узгоджуються з азимутами розривних порушень, що виділяють блоки. На основі досліджень установлено, що аварії локалізуються в окремих зонах діаметром порядка 500 метрів, що узгоджуються з вузлами перетину тектонічних порушень. У деяких випадках аварії рівномірно покривають більш великі території, охоплюючи окремі блоки з різними азимутами орієнтації. Вперше встановлено, що протягом доби орієнтація поля геодинамічних напруг земної поверхні може неодноразово змінюватися, що відображається на аварійності газових мереж.

Вперше виконано комплексний аналіз аварійності газопроводів у геодинамічно активні періоди, аналіз сейсмічних проявів і просторового прояву геоіндикаторів, аналіз змін геотермічних потоків і газових еманацій. В результаті цього вперше встановлено, що в періоди тектонічного тиску, що характеризуються блокуванням пластичних деформацій, відбувається різкe зниження аварійності, що відображається лінійними формами прояву геоіндикаторів. На периферії, у районах тектонічних розтягів, де активно виявляються швидкопротікаючі деформаційні процеси хвильової природи, аварії відбуваються в напрямках, відповідних простяганню геоіндикаторів у зонах стиску. Досліджено методи геодезичних спостережень і обгрунтовані вимоги до точності геодезичних робіт на ділянках міських газових мереж, що дозволяє виконувати районування територій за чинником геодинамічної активності.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що результати виконаних у дисертації досліджень використовуються для забезпечення безпеки газової мережі великих міст.

Розробки, представлені в роботі, пройшли неодноразову апробацію в реальних виробничих умовах, що підтверджено актами впровадження:

1. Акт впровадження “Розробка основ районування міської мережі газопроводів за фактором ризику від швидкопротікаючих процесів” у ВАТ “Донецькоблгаз”.

2. Акт впровадження “Розробка основ районування міської мережі газопроводів за фактором ризику від швидкопротікаючих процесів” у Севастопольській міській державній адміністрації.

3. Акт впровадження “Розробка основ районування міської мережі газопроводів за фактором ризику від швидкопротікаючих процесів” у ВАТ “Одесагаз”.

4. Акт впровадження “Розробка основ районування міської мережі газопроводів за фактором ризику від швидкопротікаючих процесів” у ВАТ “Миколаївгаз”.

5. Акт впровадження “Розробка основ районування міської мережі газопроводів за фактором ризику від швидкопротікаючих процесів” у ВАТ “Севастопольгаз”.

Особистий внесок здобувача. Авторові належить:–

Розробка критеріїв картографування аварій геодинамічної природи та районування територій за чинником геодинамічного ризику; –

Комплексування (створення, дослідження, розробка) методів визначення лінеаментів, які відображують зміну поля геодеформацій;–

Дослідження й аналіз аварій гавих мереж геодинамічної природи в просторі;–

Розробка методичних основ використання геоіндикаторів для оперативного контролю змін геодинамічної обстановки у зв'язку з аварійністю газопроводів;–

Аналіз методів геодезичних робіт і обгрунтування точності на об'єктах газового господарства міських мереж.

Розробки автора, які винесено на захист, дозволяють підвищити безпеку і надійність експлуатації газових мереж.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації були апробовані на конференціях, симпозіумах, асамблеях, нарадах і відбиті в доповідях:

1. Дегтяренко В.И., Учитель И.Л., Капочкин Б.Б. Городские сети газопроводов и качество атмосферного воздуха //Экологические проблемы городов, рекреационных зон и природоохранных территорий. – Одесса: ОЦНТЭИ, 2000. – С. 207-210.

2. Учитель И.Л., Капочкин Б.Б. Мониторинг геодинамической обстановки одесского региона с использованием дистанционных методов //Экологические проблемы городов, рекреационных зон и природоохранных территорий. – Одесса: ОЦНТЭИ, 2000. – С. 274-280.

3. Учитель И.Л., Гладких И.И., Капочкин Б.Б. Районирование геодинамического риска территорий на примере Одесского региона //Экологические проблемы городов, рекреационных зон и природоохранных территорий. – Одесса: ОЦНТЭИ, 2000. – С.280-286.

4. Учитель И.Л., Капочкин Б.Б. Комплексный мониторинг окружающей среды как основа оперативного контроля геодинамических процессов //Экологические проблемы городов, рекреационных зон и природоохранных территорий. – Одесса: ОЦНТЭИ, 2000. – С.286-291.

5. I.L.Uchitel, I.I.Gladkikh, B.B.Kapochkin, Principles of distribution the geodynamic risk of the territories in view of the study the assident-rate of the objects on the sea coast and flor with are ecologically dangerous //Ecological problems in the Black sea. – Odessa: OSNTI, 2000. – Р.86-96.

Публікації. По темі дисертації автором опубліковано 10 наукових робіт, з яких 5 увійшли до основного списку, включаючи 1 монографію.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку літератури з 81 найменування, загальним обсягом 227 друкованих аркушів. Текстова частина ілюструється 84 малюнками і 13 таблицями.

ЗМІСТ РОБОТИ

Робота починається зі вступу, в якому приводяться відомості, що підтверджують гостру необхідність виконаного дослідження, актуальність районування територій за чинником геодинамічного ризику від швидкопротікаючих деформацій. У вступі обгрунтовується і формулюється ціль дослідження, викладаються шляхи її досягнення шляхом вирішення конкретних задач. При досягненні зазначеної цілі використовується діалектичний підхід, зокрема метод індукції від часткового до загального, від вирішення окремих задач до узагальнення результатів і формування загальних закономірностей.

Коротко викладається сучасний стан вирішення проблеми районування територій, визначення впливу геодинамічних процесів на безаварійну експлуатацію газових мереж, наводяться основні положення, які виносяться на захист.

У вступі звернена увага на виникнення великої кількості аварій газопроводів геодинамічної природи. Показано, що традиційні підходи до аналізу причин активізації аварійності в цих випадках виявилися неспроможними. Аварії виникали практично з однаковою імовірністю на газопроводах різного ступеня зношеності і на територіях, що обслуговуються різними експлуатаційними підрозділами, що практично виключає можливість пояснення росту аварійності причинами старіння матеріалів або низьким рівнем обслуговування і ремонту газових мереж. Важливою особливістю є те, що після сплеску аварійності щодобова кількість аварій повертається до норми.

Aналогічні процеси аномального росту аварійності приведені в роботах інших авторів, наприклад, для системи водогінних мереж міста Одеси (Shikin A.S., 1998). Встановлено взаємозв'язок між розривами трубопроводів у м. Одесі і заваленням старих будівель, що є обгрунтуванням проведення дослідження аварійності газопроводів, пов'язаних з геодинамічною природою таких явищ.

Розділ 1 "Проблеми техногенних проявів швидкопротікаючих деформацій поверхні Землі". У даному розділі проаналізована накопичена інформація великої кількості точних інструментальних, у тому числі і геодезичних, вимірів, котрі достатньо переконливо показують, що на поверхні Землі немає жодної стабільної точки, що не відчуває постійних періодичних рухів у просторі і в часі. Це має пряме практичне значення при будівництві мереж комунікацій і вибору конструктивних елементів з урахуванням геодинамічних чинників. Проведено аналіз стану проблеми врахування впливу швидкопротікаючих геодинамічних процесів на функціонування мережі газопроводів м. Одеси. Показано, що виконане дослідження є логічним продовженням і розвитком наукових праць ряду авторів по вивченню аварійності газових мереж.

Дане дослідження є продовженням досліджень, виконаних В.Н.Ярошенко і зокрема, при аналізі аварійності газопроводів, встановлені причинно-слідчі зв'язкі між характером і особливостями геодинамічних деформаційних рухів та процесами руйнування газопроводів. Виконані роботи необхідні для діагнозтування аварій газопроводів і прогнозу періодів росту кількості їх розривів, шляхом геодезичних спостережень за розвитком геодеформаційних процесів.

У даному розділі приведене посилання нa результати попередніх досліджень щодо мінливості в часі кількості аварій газопроводів. Доведені залежності між непруженим характером деформацій земної поверхні і розривами газопроводів. Визначено інтенсивність знакозмінних вертикальних рухів земної кори, що дозволяють прогнозувати і попереджати порушення газопроводів. Встановлено ступінь залежності між характером геодинамічних рухів і розривами повітряних ліній газопроводів, розривами підземних газопроводів, процесами руйнування будинків. Встановлені статистично значимі прогностичні ознаки активізації геодинамічних рухів. На підставі розроблених В.Н.Ярошенко основ щодо діагнозу і прогнозу аварійності газопроводів шляхом геодезичних досліджень особливостей геодинамічних рухів, автор прийшов до висновку про можливість використання цих результатів для виділення територій геодинамічного ризику. Нині відомо, що повітряні мережі газопроводів, на відміну від підземних мереж і наземних споруджень реагують на пластичні деформації хвильової природи. Встановлено, що має місце вплив ротаційних ефектів на ріст аварійності міських газопроводів, вплив проходження довгих гравітаційних хвиль, вплив сизигійних і квадратурних приливів у твердому тілі Землі з періодами 7 і 14,5 доби. Встановлено також різке збільшення інтенсивності деформаційних процесів і аварій газопроводів, починаючи з 1995 року. У періоди активізації геодеформаційних процесів амплітуди вертикальних зворотно-поступальних міжблокових зсувів можуть досягати 10-50 см на базі 2 км за 3-5 діб. У практичному плані виявлені особливості геодеформаційних процесів успішно використовуються нині для довго-, середньо- і короткострокового прогнозування аварій мереж газопроводів у м. Одесі. Коефіцієнт кореляції між прогнозними і реальними значеннями склав r=0.79.

Далі в розділі обгрунтована необхідність дослідження особливостей просторового розподілу аварій газопроводів, що відбуваються у зв'язку з активізаціями швидкопротікаючих геодинамічних процесів, для чого приводиться узагальнена інформація про глибинну будову Одеського регіону.

За результатами аналізу досліджуваного регіону встановлено, що Одеський регіон знаходиться в межах зближених ослаблених зон північно-східного простягання на рівні астеносфери і верхньої мантії. Земна кора в районі Одеси характеризується витягнутою лінійною аномалією північно-західної орієнтації, де її товщина досягає 50 км. На відміну від сусідніх районів, де гранітний прошарок оцінюється 10-15 км, уздовж цієї смуги гранітний шар відсутній і до поверхні піднімається диоритовий шар потужністю 15 км і базальтовий шар – 40 км. У сусідніх районах товщина базальтового шару – 5-10 км. Ці особливості дають підставу вважати досліджуваний район тектонічно неоднородним і очікувати прояви неоднорідностей тектонічної будови в амплітудах та інтенсивності прояву в просторі геодинамічних коливань.

Відомо, що деформації земної поверхні часто пов'язані з явищем ізостазії. Відповідь на питання про еквівалентність стану дрібних і значних форм рельєфу дозволяє вибрати напрямок дослідження геодинаміки газових мереж. Вважається, що дрібні форми рельєфу, діаметром менше 100-150 км, не знаходяться в ізостатичній рівновазі з піднімальною силою, а утримуються пружністю земної кори. Це узгоджується з масштабом блокової структури поверхні Землі, обгрунтованим у роботах К.Ф. Тяпкіна. Передбачається, що в процесі тектонічної активізації Землі утворюється система розламів, що складається з ієрархічно супідрядних розламів двох взаємно перпендикулярних напрямків. Для неї характерні: витриманість простягання розламів, однакові інтервали між розламами одного порядку. Перетинання ортогональних розламів визначеного порядку утворюють відповідну систему блоків. К.Ф. Тяпкіним установлено шість систем розламів, що характеризуються такими азимутами простягання: 0° і 270°, 17° і 287°, 35° і 305°, 45° і 315°, 77° і 347°, 62° і 332°.

Судячи з результатів геологічного картування на щитах і кристалічних масивах, у більш значних масштабах співпідпорядкованість розломів і розділених ними блоків в основному зберігається, при цьому фіксуються блоки зі стороною 140, 70, 35, 17.5, 8.7, 4.4... км.

У результаті аналізу тектонічної будови території міста, зроблені висновки про просторову неоднородність земної кори району досліджень і обгрунтована перспективність дослідження впливу просторової неоднорідності проявів швидкопротікаючих геодинамічних процесів на аварійність газопроводів.

Розділ 2 "Аналіз просторово-часової мінливості аварій газопроводів ВАТ "Одесагаз". У цьому розділі викладені результати дослідження послідовністі в часі i міграції в просторі місць виникнення аварійних випадків у межах Одеської міської агломерації. Розглянуто основні принципи формування бази даних аварійності газових мереж, вхідним матеріалом для якої послужили дані аварійної служби. Дані про аварії подані у вигляді ряду часових інтервалів між аваріями, виражених в одиницях виміру часу (годинах). Припустивши, що тимчасовий проміжок між аваріями газових мереж при середньому рівні аварій 1-2 на добу, повинен відповідати 10-20 годинам, провели статистичний аналіз ряду часових інтервалів між аваріями. Побудована нами гістограма часових інтервалів між аваріями (рис. 1) показує, що характер їх розподілу відрізняється від "нормального". Особливістю гістограми є наявність винятково великого ексцесу, статистично непідтвердженої кількості аварій з інтервалами менше 10 годин. Найбільш ймовірна кількість таких аварій повинна бути в межах 600-700, реально таких міжаварійних інтервалів було 1420 від загальної кількості – 2150. З цього зроблено висновок, що інтервали між аваріями формуються невипадковим чином, а у зв'язку з визначеними закономірними процесами. Встановлено, що в геодинамічно активні періоди інтервали між аваріями вимірюються хвилинами.

У результаті медіанного згладжування ряду міжаварійних інтервалів виявлено, що періоди почастішання аварій, як правило, відбуваються після монотоннoгo падіння інтенсивності аварійності (рис.2).

Як приклад районування території міста за чинником виникнення аварій газопроводів геодинамічної природи була побудована карта аварійності (рис. 3). Для побудови карти був використаний метод поквадратного осереднення аварій на 1 кв. км. У якості вхідної інформації використані координати аварій газопроводів у геодинамічно активні періоди 1995-1997 років. Карта побудована з використанням програмного забезпечення удосконаленого автором. По осі Z нанесена кількість аварій на 1 кв. км. По осях Х и У нанесені умовні координати, які узгоджуються з картами-схемами аварійної служби. Побудована карта дозволила відзначити основні особливості розподілу аварій по території міста. На карті виділяється 8 максимумів. Найбільший максимум питомої ваги аварійності (1) знаходиться поблизу пересікання вулиці Троїцької й Олександрівського проспекту. Центр максимуму (2) знаходиться в районі Ольгієвського спуску, західні продовження його знаходяться в районі вулиць Слобідська, Вавілова. Центр максимуму питомої ваги аварійності (3) знаходиться в районі Пивзаводу на проспекті Гагаріна. Центр максимуму (4) припадає на Олексіївський ринок. Центр максимуму (5) знаходиться поблизу пересікання вулиць Іванова і Балківської. Центр максимуму (6) збігається з пересіканням вулиць Космонавтів і Генерала Петрова. Центр максимуму (7) знаходиться поблизу пересікання вулиць Черняховського і Тінистої. Центр максимуму (8) знаходиться на вулиці Толбухіна в районі 9-ої станції Великого Фонтану.

Рис. 1. Гістограмаряду часових інтервалів між аваріями міських газопроводів ВАТ "Одесагаз"

Рис. 2. Графік послідовностей згладжених часових інтервалів між аваріями міських газопроводів ВАТ "Одесагаз"

За результатами аналізу встановлено, що аварії на газопроводах відбуваються не хаотично, а групуються в локальних зонах, що узгоджується з вузлами перетинання тектонічних порушень.

Картування аварій газопроводів у геодинамічно активні періоди 1997-1998 років показало високу якість районування. Аналізу були піддані дані по днях, добова кількість викликів по яких перевищувала на подвоєне стандартне статистичне відхилення середнє значення.

Рис.3. Схема просторового розподілу аварій міських газопроводів ВАТ "Одесагаз" з осредненням по квадратах 1х1 км за період: травень 1995 + травень 1996 + травень 1997

При проведенні aналізу просторово-часової мінливості аварій газових мереж дисертант прийшов до висновку про необхідність щодо вибору визначених критеріїв сортування і класифікації аварій, обгрунтування методу візуалізації закономірностей розподілу аварій у просторі.

Розроблено критерії, що дозволяють класифікувати аварії геодинамічного походження. У якості робочої гіпотези було прийняте положення про те, що в періоди аномального росту аварійності в період активізації геодинамічних процесів питомий ріст аварій геодинамічної природи повинен бути переважним, у порівнянні з аваріями з технічних причин. Тому при вивченні особливостей просторової мінливості аварійності вивчалися послідовності аварій у геодинамічно активні періоди (перша умова). У межах геодинамічних періодів виділялися дні з аномальною добовою кількістю аварій, що перевищують стандартне відхилення (друга умова).

У межах аномальної доби геодинамічно обумовленими вважалися аварії:

а) із часовим інтервалом меншим 60 хвилин;

б) через просторове положення яких можна провести пряму лінію;

с) через просторове положення яких можна провести перпендикуляр до вже побудованої прямої лінії.

У відповідності з розробленими критеріями було виконане картування аварій усіх геодинамічно активних періодів 1995-1998 років. У результаті чого отримані такі результати:

На території міста аварії локалізуються в компактні групи. Виділено три типи просторово-часового угруповання аварій.

Перший тип – аварії відбуваються практично одномоментно уздовж вузьких прямолінійних смуг шириною до 300 м, довжиною до 15-20 км, азимути простягання котрих чітко відповідають відомим напрямкам тектонічно ослаблених зон, що є обмеженнями блокової структури земної кори в досліджуваному регіоні.

Другий тип – аварії відбуваються практично одночасно в локальних ізометричних зонах до 1000 м у поперечнику.

Третій тип – аварії поперемінно охоплюють великі площі міської забудови, що характеризуються різноманітною орієнтацією морфоструктурних елементів.

Приведені матеріали демонструють важливі особливості варіацій деформаційного поля території дослідження, пов'язані з блоковою будовою, що безсумнівно підкреслює важливість врахування впливу їх на особливості експлуатації газових мереж.

Розділ 3 "Розробка теоретичних основ використання геоіндикаторів для моніторингу напружено-деформованого стану земної кори".

У даному розділі розроблені основні принципи районування територій з урахуванням методу геоіндикаторів.

Для оперативного діагнозу динаміки геодеформаційних процесів, зміни орієнтації геодеформаційного поля використано метод геоіндикаторів, який дозволяє підвищити якість районування геодинамічного ризику, причому, районування з урахуванням часових варіацій інтенсивності і просторової орієнтованості геодеформаційних проявів. Іншими словами, якщо для надійного виділення тектонічних порушень, епізодичне (як у часі, так і в просторі) їхнє трасування є суттєвим недоліком, то для діагнозу активізації конкретного розламу шляхом спостереження геоіндикаторів, динаміка прояву геоіндикаторів є основою.

У даному розділі розроблені основні теоретичні положення щодо діагнозу і прогнозу геодинамічних процесів. Вважається, що амплітуди аномальних ефектів визначаються двома чинниками: структурою поля напруг і станом геологічного середовища. Відомо, що у зонах тектонічних порушень деформації земної кори виявляються значно сильніше, ніж у непорушених блоках земної кори. Земноприливні деформації у зонах тектонічних порушень більші, ніж усередині блоків у 3-3,5 рази.

Поряд із деформаційними процесами, аномальні ефекти можуть бути пов'язані з високою тензочутливістю. У цьому випадку інтенсивна реакція середовища може виявлятися навіть при слабких деформаціях. Висока тензочутливість характерна для тріщинуватих водонасичених середовищ. Малі зміни перетину тріщин при незначному прирості тиску призводять до різкого збільшення проникності флюїдів.

Існує взаємозв'язок між тимчасовими змінами швидкостей сейсмічних хвиль та ступенем тектонічної роздробленості і навіть приуроченість аномалій хвильового поля до тріщинних зон. Це особливо важливо для пояснення причин руйнації повітряних ліній газопроводів.

У системах блоків і зонах, що їх розділяють виявляється нелінійність. Їхня реакція на напруги не пропорційна їх амплітуді. Прикладами можуть бути інтенсивні асейсмічні рухи в міжблокових зонах, пов'язані з перебудовою поля напруг-деформацій перед сильними непластичними деформаціями – землетрусами, проходженнями деформаційних фронтів або в результаті інших збурень.

Нашим внеском у вирішення проблем геодинамічного районування територій є удосконалення існуючих методів виявлення зон розламів у плані, раніше використовуваних у припущенні статичного режиму літосфери, незмінного напружено-деформованого стану земної кори, для оцінки регіональних особливостей геодеформаційного поля і його динаміки в часі. Іншими словами, ми використовуємо інформацію про процеси, що швидко змінюються в атмосфері і гідросфері для оперативної оцінки інтенсивності протікаючих деформаційних процесів і для діагнозу орієнтації поля деформаційних процесів у динаміці, що має практичні застосування в багатьох галузях, у тому числі при оцінці часових варіацій під час проведення геодезичних досліджень.

В останні роки найефективнішим методом моніторингу навколишнього середовища, у тому числі напружено-деформованого стану земної кори, є дистанційні методи з використанням ШСЗ.

Площадкове положення виявлених лінійних елементів хмарного покрову узгоджується з тектонічно ослабленими зонами з існуючими схемами основних елементів геофізичних полів, особливо це стосується гравітаційних ступенів.

У даному розділі виконаний аналіз матеріалів з проблеми фізики утворення лінеаментів хмарного покрову в зонах прояву деформаційних процесів. Розглянуто положення про вплив геотермічних потоків та еманацій газів і пару на формування лінеаментів хмарного покрову. Поряд із цим приведені теоретичні дослідження впливу тимчасових варіацій гравітаційного поля на ці процеси. Наведено приклад розрахунку вертикальної швидкості повітряних мас за рахунок зміни прискорення вільного падіння в діапазоні 10-7g, відповідно до розрахунку П. В. Руткевича за формулою:

(1)

Формула (1) показує, що при наявності гравітаційної аномалії, що характеризується адіабатичним розподілом тиску і горизонтальним однорідним розподілом температури, із можливим підтоком повітря вверху і внизу, виникає вертикальний рух повітря по всьому обсягу прошарку, напрямок якого залежить від знаку гравітаційної аномалії.

Задамося значеннями характерних параметрів, що входять у формулу (1), Gs/h0=10-7g, k=1,4, kRT=сS2=105 м2/с2, де сS – швидкість звуку, g=10 м/с2, h0=10 км. Для турбулентної в'язкості повітря приймемо характерне для розвинутих хмарних структур значення n=102 м2/с, і враховуючи, що максимальне значення описуючої вертикальну швидкість у формулі (1) функції f(x)=x4(1-9x2/49), що досягається при значенні xm=1,9, дорівнює fm(xm)=4,4, одержимо оцінку для максимального значення вертикальної швидкості Vm=2 см/с. Беручи до уваги також, що характерний ("в"язкий") час встановлення цього значення швидкості t=h2/n, для прошарку хмарності потужністю h=3 км і використаного значення турбулентної в'язкості має порядок доби, одержуємо, що за добу повітря в прошарку переміщається на 1 км. У випадку локальної аномалії, викликаної позитивною гравітаційною аномалією, повітря переміщається униз, а при негативній – нагору.

У розділі приведені результати експериментальних досліджень причин виникнення лінеаментів хмарного покрову.

Найбільш коректні дослідження даного питання (за літературними даними) були виконані на прикладі Узденсько-Воропаєвського субмеридіанального лінеаменту (Білорусь). Цей лінеамент має протяжність не менше 200 км і ширину 2-3 км. Дослідження даного лінеаменту було виконано з використанням магнітних методів (магнітна зйомка з кроком 25 метрів була виконана вхрест його простягання). Поряд із цим виконувалося наддовгохвильове радіокомпарування і пеленгація з кроком 100 м. Через 500 метрів проводилося аудіомагнітотелуричне зондування, виконувалось буріння свердловин. З результами зазначених робіт удалося встановити, що лінеамент узгоджується з геологічним утворенням, пов'язаним із новітніми геодинамічними рухами.

У зоні лінеаменту розвинуті тріщини без вертикальних зсувів прошарків. У фундаменті розташовано тіло підвищеної намагніченості. Електромагнітне поле відбиває межі зони лінеаменту, тут підвищені електропровідність і більш виражена циркуляція підземних вод.

Розділ 4 "Інженерно-геодезичне вирішення проблеми оперативного контролю напружено-деформованого стану земної кори в застосуванні до аварійності мереж газопроводів". У цьому розділі автором досліджено практично всi можливi методи картування аварійності газопроводів, починаючи від традиційного і закінчуючи використанням геоінформаційних технологій і GPS. Розраховано і проведено порівняльний аналіз похибок визначення координат аварій різними методами в обгрунтуванні необхідної точності геодезичних визначень. Виконаний аналіз показав, що практично всі аналізовані геодезичні методи визначення координат дозволяють коректно вирішити поставлену задачу.

Використання геоіндикаторів для моніторингу напружено-деформованого стану земної кори пов'язано з визначенням їхнього положення в плані і з визначенням азимутів лінеаментів хмарного покрову.

Досвід роботи показав необхідність коригування прив'язки одержуваних супутникових зображень до координатної сітки. Реальні похибки такої прив'язки за даними зображень, одержуваних із Центрів Німеччини, Великобританії, Росії, іноді досягають у плані 50 км, при необхідній точності 1-2 км. У роботі приведені алгоритми відповідних розрахунків для геостаціонарних супутників.

Положення будь-якої точки на знімку з геостаціонарного ШСЗ, що характеризується номером рядка Nk і номером елемента Mk у рядку, визначається відповідним "вертикальним кроковим кутом сканування ah і "горизонтальним" кутом сканування bh. При дотриманні закону рівномірного сканування по куту зв'язок між координатами точки і кутами сканування виражається співвідношеннями:

Nk = Nо – ah/Da (2)

Mk= Mo – bh/Db

де Nk, Mk – координати зображення точки К на знімку, виражені через номер рядка і номер елемента, Nо, Mо номер рядків і номер елемента головної точки знімка, що відповідає нульовим кутам сканування aо і bо; ah, bh – кути сканування даної точки; Da, Db – збільшення кутів сканування a і b, відповідних одиничній зміні номера рядка й елемента. Величини Nо, Mо, Da, Db є параметрами скануючого приладу. Епізодичні зміни параметрів скануючого приладу можуть призводити до появи помилок прив'язки зображення до плану. У цьому випадку при накладенні сітки на знімок потрібно суміщати видимі земні орієнтири.

Після географічної прив'язки зображень вирішується задача виділення так званих лінеаментів хмарного покрову, що є проявом в одних випадках флюїдного режиму літосфери, в інших – пов'язано з часовими варіаціями сили тяжіння, що відбивають поширення деформаційних процесів.

Для виявлення об'єктивних закономірностей в розташуванні лінійних елементів дистанційними методами використовується спеціальне програмне забезпечення. Опрацювання даних починається з виявлення лінійних елементів і визначення їхнього напрямку. Далі можливі два типи аналізу цих штрихів – статистичний аналіз і побудова наскрізних лінеаментів. Найбільш розвинутий і об'єктивний засіб аналізу – статистичний. У цьому випадку фактично вивчається орієнтаційна характеристика зображення, тобто оцінюється, як розташовані штрихи певного напрямку на досліджуваній площі і як штрихи різних напрямків співвідносяться між собою. Співвідношення штрихів різного напрямку в заданій окрузі (у ковзному вікні) відображається розою-діаграмою. За результами таких вимірів утворюються зображення, що показують щільності штрихів різноманітного напрямку, розраховані в окрузі кожної точки досліджуваної території, а також поля, що відбивають узагальнені характеристики роз-діаграм, такі як ступінь витягнутості, хрестоподібність, відмінність від навколишніх тощо. Всі ці поля вивчаються й інтерпретуються.

Недоліком даного підходу є велика похибка фільтрації за заданим кутом ( ±22,5°), а також необгрунтовано фіксовані сектори фільтрації 0° , 45° , 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°. Для вирішення наших конкретних задач необхідна фільтрація відповідно до теоретичних положень подільності земної кори за К. Ф. Тяпкіним – 0°, 17°, 35°, 45°, 62°, 77°, 270°, 287°, 305°, 315°, 332°, 347° із точністю ±5°. У нашому випадку збігаються азимути 0°, 45°, 90°, 180°, 270°, 315° . Виділення якісно лінеаментів з азимутами простягання 17° , 35°, 62°, 77°, 287°, 305°, 332°, 347° виявляється неможливим.

Найбільш коректним є методичний підхід, описаний у роботі "Метод гармонійної сегментації тонових цифрових зображень і його застосування при геологічному дешифруванні космо- і аерофотознімків".

Далі в розділі була досліджена часова мінливість інтенсивності еманації газів, що ідентифікується за даними архівів ВАТ "Одесагаз" (аварійні виклики не пов'язані з втратами газу з газопроводів).

Вивчено зміну в часі добової кількості викликів аварійної служби через забруднення повітря газами і змін в часі інтенсивності геодинамічних рухів хвильової природи (земноприливні прояви), ідентифіковані за характером аварій газопроводів.

Використовуючи математичну операцію розрахунків із застосуванням смугасто-пропускаючих фільтрів, проведена процедура виділення процесу аварійності з періодами 7 і 14,5 доби, у так званому “чистому” виді.

(3)

де X(i) – поточне значення добової кількості аварій; f – центральне значення частоти смугасто-пропускаючого фільтра (дорівнює 1/період гармонійних коливань, у нашому конкретному випадку 1/7 доби і 1/14,25 доби); i – порядковий номер поточного значення аварійності.

Встановлено наявність чіткої залежності між показником активізації напружено-деформованого стану земної кори в регіоні й еманаціями газів (рис 4).

Нами виконані дослідження ідентифікації аварійності газопроводів природного генезису за аномаліями геотермічних проявів у період з квітня 1998 по квітень 1999р. Результати досліджень показали, що аномалії теплового потоку практично завжди збігаються з геодеформаційними проявами, за винятком двох випадків (4 жовтня 1998 і 2 січня 1999 р.), коли аномалії теплового потоку мали місце всупереч періодичним геодеформаційним проявам приливного характеру у зв'язку з землетрусами в районі Криму (Севастополь) і Закарпатті. Характерно, що зазначені активізації тектонічних процесів, що супроводжувались в Одесі руйнуванням будинків і аномаліями геотермічного потоку, аваріями газових мереж не проявилися.

Отримані дані комплексних спостережень за тепловим потоком еманаціями газів і аваріями міських газопроводів можуть бути використані для діагнозу напружено-деформованого стану земної кори, переходу від пластичних до непластичних деформацій. Цей напрямок може забезпечити також вирішення проблеми діагнозу просторових змін напружено-деформованого стану земної кори.

У дисертації виконано аналіз результатів оперативного контролю геодинамічної обстановки в комплексі з даними аварійності. Отримані результати дозволили підвищити безпеку і надійність експлуатації міських газових мереж. Такі роботи виконуються з 2000 року. Наприклад, у центральній і східній Європі, 8 травня 2000 р. у період сизигійного припливу у твердому тілі землі переважали процеси розтягу. У геодинамічному плані ця дата характеризувалася активізацією мегаблоку (2000 км х 2000 км) діагональної орієнтації, показаного на рис. . У даній ситуації проведено аналіз аварійності газопроводів в Одеському регіоні, який виявився в межах блоку, що активізувався. В умовах розтягу, прояви пластичних деформацій, провокують аварійність

Рис. 4. Зміни в часі гармонічної складової аварійності земноприпливного походження (А) та добової кількості визовів аварійної служби ВАТ "Одесагаз", не пов'язаних з викидами газу з газових мереж.

газопроводів. Дійсно, дні 7-8 травня, як прогнозувалося з урахуванням земноприливних процесів, відносяться до геодинамічно активних періодів. За даними ВАТ "Одесагаз" 8 травня в місті кількість аварій зросла до 7 (середнє багаторічне значення – 2 аварії на добу). На рис. 6 показано планове положення аварій на території міста. Аварії під номерами 1, 2 і 5 відповідно до прийнятих критеріїв утворюють лінію, орієнтація якої збігається з орієнтацією зазначеного мегаблоку.

У наступну фазу деформацій, що викликаються квадратурними земноприливними процесами, 16 травня були виділені лінеаменти хмарного покрову ортогональної орієнтації. Уздовж лінеаментів хмарного покрову, що утворюють ортогональну блокову структуру протяжністю декілька тисяч кілометрів (Егейське – Балтійське море і Балтійське море – Біскайська затока), (рис. 7) виникли деформації, що супроводжувалися мікросейсмічністю. Спочатку поштовхи пройшли в Північній Європі по широтній смузі, що охоплює Польщу-Німуччину-Біскайську затоку. Після цього активізувалась меридіональна смуга Польща – Балканські країни.

Розглянемо просторовий розподіл аварій ВАТ "Одесагаз" у цей період. 17 травня кількість аварій досягла 18 аварій на добу. З 18 аварій 3-7, 9-11 і 13-16 пройшли з короткими міжаварійними інтервалами. Міжаварійні інтервали в основному були в