Виды и методы мониторинга промышленных объектов

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

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

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

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

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

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

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

      природными геологическими процессами (эндогенными, экзоген­ными);

      инженерно-геологическими процессами и явлениями;

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

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

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

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

Решение вопроса "с какой периодичностью и частотой наблюдать?" определяется путем учета временнόй изменчивости геологической среды и ее объектов, а также временным режимом функционирования техногенных объектов. Нередко бывает невозможно сразу правильно выбрать режим наблюдений (частоту замеров, периодичность и т.д.) из-за недостаточной первичной информации о том или ином объекте. В этом случае проводятся методические исследования или по прошествии какого-то времени вносятся корректировки в програм­му наблюдений, которая постепенно уточняется и по мере работы системы мониторинга становится все более оптимальной.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

      комплексация средств измерений (использование меньшего числа приборов для фиксации возможно большего числа параметров).

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

6.3.           Дистанционные методы исследований

Среди дистанционных методов наблюдений в системе мониторинга геологической среды используются две основные группы способов: аэрокосмические и геофизические.

Основными видами дистанционных аэрокосмических методов исследования геологической среды, которые могут с успехом использо­ваться в системах мониторинга, являются фотосъемка (ФС), телеви­зионная (ТС), инфракрасная (ИКС), радиотепловая (РТС), радио­локационная радарная (РЛС) и многозональная съемка (МС). Прак­тически все эти методы полезны при оценке техногенных изменений геологической среды, поиске ореолов загрязнений, оценке динами­ки техногенных изменений геологической среды и т.д.

Среди дистанционных в системе мониторинга геологической среды чаще всего используются методы аэрокосмического дешифрирования. При этом в зависимости от масштаба съемки могут применяться снимки различного масштаба.

В настоящее время среди дистанционных методов, успешно при­меняемых при мониторинге природной среды, в том числе геологи­ческой, является многозональная аэрофотосъемка (АФС) и многозо­нальная аэрокосмическая фотосъемка (АКФС). Снимки выполняют в различных диапазонах спектра и в итоге получают своеобраз­ный "спектральный образ" того или иного объекта геологической среды (почв, поверхностных грунтов, асфальтовых покрытий, инже­нерных сооружений, водной поверхности и др.). Дешифрирование АФС или АКФС, которое в настоящее время автоматизировано, и их последующий анализ позволяют в конечном итоге получить боль­шой объем информации о состоянии и изменении геологической среды.

Среди дистанционных методов контроля большого количества объектов, расположенных на значительных площадях, особое место занимает тепловая съемка, выполняемая в среднем и даль­нем диапазонах инфракрасной области электромагнитного спектра. При этом регистрируется в основном собственное тепловое излуче­ние, интенсивность которого определяется температурой и состоя­нием излучающей поверхности. Теплота является конечной формой рассеяния энергии, поэтому различные виды техногенного влияния на геологическую среду и ее изменения во многих случаях, согласно работам Б.В. Шилина (1980),        А.И. Антыпко (1989), Б.В. Виногра­дова (1984), И.М. Назарова (1983), находят отражение в тепловом поле земной поверхности. Мониторинг геологической сре­ды, основанный на применении тепловой съемки, называется дистанционным, тепловым мониторингом.

Тепловая съемка дает хорошие результаты для об­наружения таких техногенных воздействий, как сбросы загрязнений в поверхностную гидросферу, выбросы загрязнений в атмосферу, утечки из различных накопителей жидких отходов, из оросительных систем, наземных и подземных коммуникаций (в том числе теплосетей), наличие зданий и сооружений в зоне развития многолетнемерзлых пород, очаги самовозгорания в толще накоплений различного горючего материала и др. Радиолокационная съемка, выполняемая в СВЧ-диапазоне, позволяет получить более обширную информацию, чем те­пловая съемка, но основные успехи применения этого метода также связаны с наблюдениями за изменениями влажности поверхностного слоя грунтов и почв и положения уровня грунтовых вод. В связи с этим в системе мониторинга геологической среды метод радиолокационной съемки осо­бенно эффективен для контроля тех техногенных воз­действий, которые влияют на режим влажности пород зоны аэрации и на уровень поверхности грунтовых вод.

Для наблюдения за про­цессами, происходящими в толще пород, используют­ся различные дистанционные геофизические методы исследова­ний. Успешное использование геофизических методов наблюдений в системе мониторинга геологической среды обеспечивается тщатель­ным продумыванием и обоснованием схемы измерений, рациональ­ным комплексированием методов, надежными методами обработки информации. Большим преимуществом геофизических методов на­блюдений в системе мониторинга является возможность получения непрерывной режимной информации по ряду процессов.

Среди основ­ных геофизических методов, применяемых в мониторинге геологи­ческой среды, необходимо отметить методы непрерывного сейсмоакустического профилирования, электрических зондирований, есте­ственного электрического поля, термометрии.

6.4.           Наблюдательные станции

Наблюдательные станции на земной поверхности закладывают при появлении деформаций следующих объектов:

 промышленных зданий (заводских цехов, обогатительных фабрик, рудничных мастерских, надшахтных зданий и зданий подъемных машин);

 линий железных дорог и транспортных сооружений (мостов, путепроводов, виадуков);

 инженерных сооружений (водонапорных башен, дымовых труб, шахтных копров, бункеров, электроподстанций, опор линий электропередачи, газопроводов и нефтепроводов);

 технологического оборудования (шахтных подъемных машин, вентиляторов, оборудования обогатительных фабрик и закладочных комплексов, котлов, металлообрабатывающих станков длиной более 6 м, подкрановых путей и т. д.);

 санитарно-технических сетей (водопроводов, теплопроводов, канализационных сетей);

 водных объектов (рек, каналов, водохранилищ, хвостохранилищ и шламоотстойников);

 действующих карьеров, склонов гор, на которых могут возникать оползни.

На наблюдательных станциях определяют величины деформаций зданий и сооружений, их фундаментов и земной поверхности. С этой целью в зданиях и сооружениях и их фундаментах устанавливают стенные реперы, маяки, замерные марки, датчик или другие замерные устройства, а на земной поверхности вблизи объектов закладывают линии грунтовых реперов.

Плановую и высотную привязки реперов наблюдательной станции к опорной сети и наблюдения за грунтовыми и стенными реперами и марками в вертикальной и горизонтальной плоскостях на наблюдательных станциях выполняют геодезическими методами.

Стенные реперы (марки) закладывают в фундаментах или цоколях ниже слоя гидроизоляции по всему периметру здания через равные интервалы от 4 до 10 м. На каждой стороне здания должно быть заложено не менее трех стенных реперов. Расстояния между реперами в каркасных зданиях должны соответствовать шагу основных колонн (столбов). Стенные реперы закладывают непосредственно в наружных колоннах или их фундаментах. В отдельных случаях закладывают реперы и во внутренних колоннах, а также в балках перекрытий.