Алгоритмы предварительной обработки данных стационарных наблюдений в локальных зонах карстологического мониторинга

Размещено на http://www.allbest.ru/

Алгоритмы предварительной обработки данных стационарных наблюдений в локальных зонах карстологического мониторинга

Статья посвящена разработке алгоритмов предварительной обработки данных стационарных наблюдений в локальных зонах карстологического монитинга. Алгоритмы подразумевают построение модели приповерхностных неоднородностей в зоне локального геодинамического контроля и ее графа связей. Предложенный в данной работе подход к построению геоэлектрической модели зоны контроля на основе передаточных функций позволяет провести формализировать описание объектам контроля, включая определение зон повышенной трещиноватости в карстующихся отложениях, наличие полостей и погребенных карстовых воронок, а также выделение через параметры общих показателей изменчивости физико-механических свойств карстующихся и покровных отложений.

Предложенный в данной работе подход позволяет описать любую структуру геоэлектрического разреза с наличием карстовых неоднородностей дробной функцией и оперировать при геодинамическом контроле массивами действительных чисел, что облегчает автоматизацию процессов использования теоретических результатов моделирования и интерпретации экспериментальных данных.

Геофизические методы, применяемые в системе карстологического мониторинга, основаны на регистрации вариаций естественных и искусственных физических полей, отражающих изменения состава и состояния карстующихся и покровных пород [1]. При мониторинге геофизическими методами производится слежение за изменениями физических полей во времени, которые характеризуют развитие карстового процесса и сопровождающих его явлений. При этом обязательным условием является организация долговременных режимных наблюдений для получения информации об изменениях во времени характеристик состояния массива карстующихся и покровных пород, что необходимо для оценки карстоопасности на текущий момент времени и ее прогноза на расчетный период [2]. В настоящее время общепринятым и установленным нормативными документами является двухразовый цикл проведения наблюдений в год, что считается достаточным для установления прогноза интенсивности карстовых процессов [3]. Однако как показали последние исследования в некоторых случаях этого недостаточно, периодичность наблюдений должна выбираться в соответствии с ожидаемой скоростью развития карстово-суффозионных процессов и их проявлений [4-6].

Для получения достоверной и точной информации о строении и физических свойствах исследуемого геологического массива, в условиях наличия в нем карстово-суффозионных процессов, применяется комплексный подход. Комплексирование методов осуществляется исходя из их возможностей при решении поставленных задач в конкретных инженерно-геологических условиях. Включаемые в систему геофизических наблюдений методы должны обеспечить получение достоверной и точной информации о строении и физических свойствах контролируемого геологического массива, что позволяет устранить неоднозначность решения обратной задачи до минимума [7]. При этом основой построения сети геофизических наблюдений является выбор и обоснование шага наблюдательной сети, точность и временной интервал наблюдений, а также применяемые в каждой местной точке наблюдения геофизические методы.

При организации стационарной сети карстологического мониторинга на закарстованных территориях необходимо решить ряд задач, которые решаются исходя из конкретных геологических условий. Наряду с традиционными инженерно-геологическими задачами (оценка мощности и литологии покровных и карстующихся отложений, определение уровня грунтовых вод и т.д.) выделяются и решаются чисто карстологические задачи [8]. На предварительной стадии обработки геоэлектрических данных карстологического мониторинга необходимо построить геоэлектрическую модель зоны контроля которая определяет зоны повышенной трещиноватости в карстующихся отложениях и оценка степени их разрушенности, наличие полостей и погребенных карстовых воронок, а также общие показатели изменчивости физико-механических свойств карстующихся и покровных отложений. В настоящее время при использовании геоэлектрических методов геодинамического контроля при геотехническом мониторинге пользуются моделью карстовых процессов в виде передаточной функции.

Передаточная функция геоэлектрического разреза

При организации контроля геодинамических вариаций приповерхностных неоднородностей с использованием электромагнитных низкочастотных методов зондирования сред используется обработка информации, основанная на определении параметров геоэлектрических моделей по получаемым электролокационным изображениям этих неоднородностей. При этом нет необходимости пользоваться точными решениями электроразведочных задач, так как нас интересует лишь относительные геодинамические изменения параметров принятых геоэлектрических моделей [9].

В этом случае допустимо использовать аппроксимацию передаточных функций геоэлектрического разреза эквивалентными дробно-рациональными функциями комплексного переменного , физически реализуемых дискретными электрическими цепями с учетом эквивалентных схем замещения. Для решения задач геодинамического контроля эквивалентность функций геоэлектрического разреза должна обеспечивать совпадение характеристик не на всем бесконечном диапазоне частот и пространственных координат, а только на ограниченном отрезке. В этом случае передаточная функция задает совокупность дискретных электрических цепей, определяемых совокупностью унитарных схем замещения частиц среды и применяемым геоэлектрическим методом геодинамического контроля. При использовании электромагнитных методов контроля сред в низкочастотном диапазоне волн геодинамика отдельных выделенных объектов хорошо описывается при представлении передаточной функции [10] в виде:

где коэффициенты и являются функциональными зависимостями от пространственных параметров геологических пород, слагающих геологический разрез, а также вектора геодинамических вариаций.

При этом точность приближения может быть оценена по критерию Чебышева:

геоэлектрический зона алгоритм

Весовой множитель определяется применяемым геоэлектрическим методом выделения пространственных геодинамических вариаций для объекта исследования в зоне контроля и диапазоне частот .

Для простейшего случая в виде точечного источника, расположенного на поверхности однородного полупространства с параметрами и :

, , .

Приповерхностные неоднородности проявляются в виде разнообразных и иногда сложных геологических форм и соответственно имеют сложную геоэлектрическую структуру. При представлении геоэлектрического разреза моделью слоистого несовершенного диэлектрика приповерхностные неоднородности представляются в виде параллельно-последовательных моделей верхних слоев разреза. Данные модели имеют неоднородную структуру не только поперек слоистого полупространства, но и вдоль напластований. При этом, неоднородность электрических параметров вдоль напластований может быть аппроксимирована в первом приближении моделями, представляющими собой ЭГМ с горизонтальными, вертикальными и наклонными границами раздела двух сред.

В рамках рассматриваемой 2-D модели, структура неоднородности может быть представлена комбинацией наборов сред вдоль слоистости (рис.1). В данной модели - электрические параметры приповерхностной неоднородности, определяющие передаточные функции слоя, который содержит неоднородность.

В рассматриваемой модели два верхних слоя определяют тип модели приповерхностных неоднородностей: двухслойную анизотропную среду, пласт или эллипсоид вращения. С приповерхностными неоднородностями в виде двухслойных сред приходится иметь дело при изучении скальных пород и организации мониторинга карстовых провалов в кровле карбонатных и сульфатных пород. Неоднородности в виде пластов, обусловлены наличием в массиве горных пород горизонтов и линз пресных и минерализованных вод, а также многолетнемерзлых пород. Модель типа эллипсоида вращения аппроксимируют объекты искусственного и естественного происхождения с изометрическим сечением. К ним относят трубопроводы и горные выработки, а также карстовые пещеры.

Рисунок 1. Модель приповерхностных неоднородностей в зоне локального геодинамического контроля и ее граф связей

Размерность полинома Гурвица для данного графа связей (рисунок 2б) геоэлектрической 2-D модели: . В этом случае коэффициенты модели, являются параметрами, определяемыми в процессе алгоритма построения модели. При этом коэффициент характеризует пространственные связи между унитарными блоками графа связей, а коэффициент принимает значения в соответствии с электромагнитными параметрами соответствующего блока:

Представление приповерхностных неоднородностей в виде модели несовершенного диэлектрика (2), физически реализуемой дискретными электрическими цепями, является исходным для построения модели передаточной функции геоэлектрического разреза в виде эквивалентных дробно-рациональных функций комплексного переменного (1).

Пространственная и временная дискретизация данных локальных зон карстологического мониторинга. Предположим, на некотором произвольном участке регистрируется геодинамический процесс, заданный вектором параметров . Текущая пространственная погрешность определения регистрируемого геодинамического процесса:

где , - регистрируемый вектор параметров.

Таким образом, среднеквадратическая динамическая погрешность регистрации геодинамики карстовых процессов на рассматриваемом участке определяется:

,

где - общее количество контролируемых геодинамических параметров. В случае нормального распределения погрешности регистрации геодинамических параметров, вероятность ошибки обнаружения катастрофического проявления карстовых процессов на точке контроля распределенной сети наблюдения может быть определена в соответствии со следующим соотношением:

При выборе шага наблюдательной сети необходимо использовать данные ранжирования территории по карстоопасности исходя из соотношений (1-2) в соответствии с вероятностями ошибок (5). При этом данные геодинамических измерений в алгоритмах анализа используются с весовыми коэффициентами, определяемыми прогнозными вероятностями и расстоянием от объекта контроля до точек наблюдения:

,

где - эмпирические коэффициенты, .- расчетный минимальный размер зоны местного контроля

При пространственном размещении необходимых точек наблюдательной сети карстологического мониторинга исходят, прежде всего, из пространственного расположения объекта и требуемой точности геодинамического контроля карстовых процессов при конкретных условиях организации геотехнического мониторинга. При этом следует учитывать неравномерную пространственную и временную дискретность получаемых данных. В предположении линейной интерполяции функции, задающей регистрируемый вектор геодинамических параметров карстового процесса внутри зоны местных наблюдений линейной функцией:

Соответственно в этом случае среднеквадратичная погрешность дискретизации для зоны местного контроля определится следующим соотношением:

.

где .

Приведенные соотношения являются базовыми для построения алгоритма определения требуемую дискретности и мест размещения точек регистрации параметров карстовых процессов при геодинамическом контроле.

Временные интервалы сбора данных геофизических наблюдений должны обеспечивать достоверное определение тенденции и интенсивности развития карстовых и карстово-суффозионных процессов на изучаемых участках, а также для контроля и прогноза образования провалов и оседаний. Периодичность наблюдений выбирается в соответствии с установленной или ожидаемой скоростью развития карстово-суффозионных процессов и их проявлений. При этом должно соблюдаться условие

где - скорость протекания карстовых процессов, определяемая качественным изменением выделенных геодинамических параметров. Однако это условие не учитывает техногенного ускорения карстовых процессов и технологических затрат на проведение мониторинга. Обычно для разработки программ карстологического мониторинга используют начальные данные, периодичность которых на сравнительно больших территориях составляет 3 - 10 лет в зависимости от степени закарстованности территории.

геоэлектрический зона алгоритм

Выводы

геоэлектрический зона алгоритм

Предложенный в данной работе подход к построению геоэлектрической модели зоны контроля на основе передаточных функций позволяет провести формализировать описание объектам контроля, включая определение зон повышенной трещиноватости в карстующихся отложениях, наличие полостей и погребенных карстовых воронок, а также выделение через параметры общих показателей изменчивости физико-механических свойств карстующихся и покровных отложений.

На основании вышеописанного, можно сделать вывод, что предложенный в данной работе подход позволяет описать любую структуру геоэлектрического разреза с наличием карстовых неоднородностей дробной функцией и оперировать при геодинамическом контроле массивами действительных чисел, что облегчает автоматизацию процессов использования теоретических результатов моделирования и интерпретации экспериментальных данных. Кроме того, использование полученных соотношений, упрощает проведение геодинамической оценки вариаций отдельных выделяемых объектов исследования на основе анализа модельных изменений коэффициентов в передаточной функции геоэлектрического разреза.

Список литературы

1.Korolev V.A. /The monitoring of the geological environment. -M .:MGU,1995.- 272 p.

2.Кожевникова В.Н. Методика оценки устойчивости закарстованных территорий. - Инженерная геология, 1984, № 2, с. 26-40.

3.Максимович Г. А. Основы карстоведения. Пермь, 1963, т. I; 1969, т. II.

4.Dorofeev N. V., Kuzichkin O. R., Eremenko V. T., The method of selection of key objects and the construction of forecast function of the destructive geodynamic processes // 16th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2016, Book2 Vol. 1, pp 883-890

5.Kuzichkin O., Grecheneva A., Bykov A., Dorofeev N., Romanov R., Optimization of an equipotential method of electroinvestigation for a research of karst processes // SGEM. Volume 17, Issue 52, 2017, Pages 681-688.

6.Sharapov R., Kuzichkin O. Geodynamic Monitoring in Area of Nuclear Power Plant // Applied Mechanic and Materials. Vol. 492, 2013. pp. 556-560

7.Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании // М.: АЭН, 1999. - 220 с.

Размещено на Allbest.ru