Методи моніторингу техногенного рельєфу (на прикладі Нововолинського кам'яновугільного басейну)

Методи моніторингу техногенного рельєфу (на прикладі Нововолинського кам'яновугільного басейну)

ЗМІСТ

Розділ 1. Моніторинг навколишнього природного середовища і місце в ньому методів дослідження рельєфу

1.1.  Суть та завдання моніторингу навколишнього природного середовища

1.2.   Функціональна структура система моніторингу

1.3.  Ієрархічна модель моніторингу рельєфу в системі моніторингового аналізу навколишнього природного середовища

Розділ 2. Теоретико-методичні основи організації геодезичного моніторингу змін рельєфу територій вугільно добувної промисловості

.1.    Особливості кількісного аналізу деформування земної поверхні

2.2.  Представлення горизонтальних деформацій земної поверхні за результатами повторних лінійно-кутових вимірів

.3.    Точність обчислення координат території яка деформується методами наземної стереофотограмметричної зйомки

Розділ 3. Експериментальні геодезичні спостереження за станом деформацій земної поверхні на території Львівсько-Волинського кам’яновугільного басейну (на прикладі м. Нововолинська)

3.1.  Фактори формування рельєфу ЛВквб

3.2.   Комп’ютерно-експерементальні дослідження рельєфу для Іваничівського району за допомогою кореляційних дій та ізотропності

3.3.  Аналіз та оцінка динаміки техногенного рельєфу території м. Нововолинськ на основі моніторингової геодезичної інформації

Розділ 4. Охорона праці

Розділ 5. Цивільна оборона

Висновки

Література

ВСТУП

З кожним роком збільшується техногенне навантаження на природне середовище. Так, в районах видобутку корисних копалин кар’єрним чи вахтовим способами формується природно-антропогенний рельєф. Йому властива підвищена нестійкість, висока динамічність, інтенсивний розвиток небезпечних геоморфологічних процесів: ерозійних, карстово-суфозійних та провально-деформаційних, а також антропогенно обумовлені явища підтоплення, заболочення, забруднення ґрунтів, поверхневих і підземних вод, інших компонентів ландшафту. Ці процеси часто призводять до непередбачених наслідків і суттєво порушують екологічну рівновагу різнорангових природних систем. Виникає необхідність більш глибокого пізнання причин, факторів і механізмів виникнення та розвитку таких явищ, встановлення тенденцій зміни екологічної ситуації під їх впливом, вирішення природоохоронних і господарських проблем, пов’язаних а цими процесами.

В Україні таким регіоном з напруженою геолого-екологічною ситуацією є Львівсько-Волинський кам'яновугільний басейн. Найбільш гострі екологічні проблеми тут обумовлені видобутком вугілля шахтовим способом. До них належать значні деформації земної поверхні над шахтними полями. Вони займають площу майже 150 км². На сьогодні через просідання земної поверхні ліквідовано більше сотні садиб, підтоплені тисячі гектарів орної землі та лісових масивів. Майже 200 га сільськогосподарських угідь зайнято під відвалами, в яких зберігається більше 40 млн.м³ гірських порід.

У зв’язку з тим, що під населеними пунктами знаходиться більша частина розвіданих запасів вугілля, їх видобуток у майбутньому неминуче викличе ще більше загострення геолого-екологічної ситуації.

Враховуючи ці аспекти, стає очевидною необхідність спеціальних досліджень техногенних перетворень рельєфу та геологічного середовища на території Львівсько-Волинського кам’яновугільного басейну. Ці завдання доцільно вирішувати шляхом здійснення моніторингу природних ландшафтів та техногенного рельєфу і створення універсальної геоінформаційної системи «Природно-техногенні системи Львівсько-Волинського кам’яновугільного басейну». Основу її функціональної структури можуть скласти геодезичні дослідження і спостереження, які доцільно об’єднати в систему геодезичного моніторингу техногенного рельєфу.

Актуальність такого моніторингу зумовлюється: 1) необхідністю отримання інформації про стан та динаміку природно-антропогенних систем; 2) важливістю переходу від концептуального до реального імітаційного моделювання динаміки природно-техногенного рельєфу; 3) важливістю та своєчасністю пошуків виходу як з економічної, так і екологічної кризи, в якій опинився вугільний басейн і природне середовище цього регіону в цілому; 4) необхідністю вирішення проблем рекультивації порушеного гірничо-технічною діяльністю рельєфу та геологічного середовища, управління станом природно-техногенних систем і природокористуванням.

Актуальність теми дослідження: Отримані в процесі дослідження матеріали можуть бути використані при проектуванні, будівництві та експлуатації нових шахт і господарських об’єктів, розробці природоохоронних заходів, тектонофізичному районуванні, а методика спостережень - при веденні моніторингу рельєфу в інших районах.

Об’єктом дослідження: є техногенний рельєф Нововолинського кам’яновугільного басейну, природно-господарські системи, які «вписані» в геологічне середовище і зазнають впливу несприятливих для людини процесів і явищ, обумовлених підземним видобутком корисних копалин.

Предмет дослідження - методи моніторингу техногенного рельєфу як елементи системи моніторингу навколишнього середовища.

Мета і завдання роботи. Мета дипломної роботи - теоретичне обґрунтування та розробка методичних основ організації системи моніторингу техногенного рельєфу як складової частини моніторингу навколишнього природного середовища регіону.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

провести теоретичний аналіз системи моніторингу навколишнього природного середовища та обґрунтувати його функціональну структуру;

розробити концептуальну модель моніторингу техногенного рельєфу і визначити його місце в системі моніторингу навколишнього природного середовища;

обґрунтувати методологічні підходи та розробити методичні положення проведення геодезичних спостережень за деформаційними процесами техногенного рельєфу;

провести аналіз динаміки техногенного рельєфу Нововолинського кам’яновугільного басейну та сформулювати критерії вибору об’єктів спостережень;

обґрунтувати принципи та на основі геодезичних даних здійснити районування досліджуваної території за ступенем небезпеки деформацій рельєфу;

дати прогнозну оцінку змін земної поверхні та розробити рекомендації по застосуванню геодезичних методів спостережень в процесі контролю за станом техногенного рельєфу та розробці заходів по зменшенню і попередженню негативних наслідків його деформацій.

Структура дипломного проекту: Дипломний проект на тему «Методи моніторингу техногенного рельєфу (на прикладі Нововолинського кам’яновугільного басейну» складається із вступу, 5 розділів, висновків та списку використаних джерел. Перший розділ присвячений теоретичним основам моніторингу навколишнього природного середовища. У другому розділі розглянуто теоретико-методичні основи організації геодезичного моніторингу та наземної стереофотограмметричної зйомки. Третій розділ характеризує рівень відповідності експериментальних даних з геодезичними спостереженнями за станом деформацій земної поверхні досліджувальної ділянки на території Нововолинського кам’яновугільного басейну. Четвертий та п`ятий розділи включають в себе охорону праці та цивільну оборону.

РОЗДІЛ 1. МОНІТОРИНГ НАВКОЛИШНЬОГО ПРИРОДНОГО СЕРЕДОВИЩА І МІСЦЕ В НЬОМУ МЕТОДІВ ДОСЛІДЖЕНЬ РЕЛЬЄФУ

1.1 Суть та завдання моніторингу навколишнього природного середовища

Ще декілька десятків років тому не виникало серйозних побоювань в тому, що вплив людини на природу буде настільки масштабним і непередбачуваним. Останнім часом стало очевидним, що людство стоїть на межі екологічної катастрофи і потрібно тепер говорити не про сліди, а про глибокі рани, які ми нанесли і продовжуємо наносити природі. Завдяки науково-технічному прогресу людина, за образним зауваженням В.І.Вернадського, стала провідною геологічною силою на планеті. Ось чому протиборство людини з природою, яке склалося історично і переслідувало мету експлуатації природних ресурсів, сьогодні неспроможне забезпечити розвиток суспільного виробництва і збереження екологічної рівноваги на Землі. Таке протистояння призводить до локальних та регіональних екологічних криз і катастроф, ставить під загрозу існування суспільства.

Подальший розвиток господарства неможливий без реалізації нових принципів природокористування, які пов’язані з розробкою інженерних основ конструювання стійких, екологічно збалансованих природно-господарських систем, підтримки динамічної рівноваги природного середовища. При цьому предметом досліджень є процеси взаємодії господарських об’єктів і систем, інших результатів життєдіяльності людини і суспільства з навколишнім природним середовищем. Предметною областю аналізу виступає зона впливу конкретної технології, в межах якої формується нова функціональна система геокомплексів з визначеною структурою, продуктивністю, санітарно-гігієнічними та іншими параметрами, які змінюються в часі і просторі, синхронно чи з ефектом запізнення, реагуюча на зміну технології, самовідновного потенціалу та взаємозв’язків між компонентами природних і господарських комплексів.

Основний принцип методології природокористування повинен полягати в нормуванні масштабів та інтенсивності впливу будь-якого виробництва на навколишнє середовище в зоні проектування, розміщення чи функціонування господарських об’єктів та технологічних процесів.

Спустошення та деградація об’єктів живої природи в смузі впливу підприємств повинні стати абсолютно недопустимим явищем. Регульоване розміщення продуктивних сил не допускає ніякої гігантоманії та вольових рішень. Будь-яке виробництво може розвиватись тільки на еколого-географічних принципах. Кожний проект чи план соціально-економічного розвитку повинен базуватися на територіальній комплексній схемі охорони природи, тобто включати проект природокористування.

В проектах природокористування в зонах впливу підприємств і промислових вузлів на навколишнє середовище доцільно враховувати:

) особливості будови, геохімічного складу і біологічної продуктивності геосистем, їх стійкості до впливу технологічних процесів, господарських об’єктів та різних видів природокористування;

) сучасний стан навколишнього природного середовища - атмосферного повітря, ґрунтів, рельєфу, поверхневих і підземних вод, рослинного і тваринного світу, а також тенденції його зміни під впливом природних і антропогенних факторів;

) закономірності будови різнорангових систем довкілля, можливості їх оптимізації з урахуванням стійкості до техногенного впливу, цінності земель та інших природних ресурсів;

) санітарні нормативи, якими регламентуються допустимі відхилення стану компонентів природного середовища від фонових показників.

Людство продукує і складує на поверхні планети величезну кількість відходів, які природа не в змозі асимілювати чи знешкодити. Своєю індустріальною діяльністю людина наносить величезну шкоду природним системам і спонтанно вмикає екологічні кризи.

Недоцільно називати пошкоджену людьми біосферу сферою розуму і нового життя. Слідуючи академіку О.Ферсману, правильним назвати цю оболонку Землі техносферою, враховуючи уроки екологічно неграмотного вторгнення людини в природне середовище. Необхідно розробити і втілити на практиці принципи, які спроможні перетворити техносферу в неосферу - в оболонку, де процеси будуть регулюватись людиною. Подальша доля біосфери і людства багато залежить від здатності людей розробити і втілити маловідходні і безвідходні технології, безстічні системи водокористування, комплексне використання сировини й утилізацію відходів, припинити газопилові викиди в атмосферу, сформувати територіально-виробничі комплекси із замкненими системами матеріального балансу речовини, включаючи відходи виробництва. Потрібно запозичити у природи раціональні механізми, прийоми і процеси використання ресурсів.

Слід зауважити, шо антропогенний вплив на природне середовище призводить не тільки до негативних, але і до позитивних результатів. Позитивна перетворююча діяльність людини пов’язана з освоєнням пустинних територій, меліорацією земель, лісовідновленням, підвищенням родючості ґрунтів тощо. Негативні тенденції проявляються в підведенні мінералізації і забрудненні найбільш цінних прісних і мінеральних вод, в зміні інтенсивності та напрямку природних і прояву раніше невідомих в природі процесів техногенної міграції хімічних елементів.

Багаті запаси мінеральних ресурсів і недосконалість технології їх розробки та переробки склали протиріччя між виробництвом і рівнем конфортності навколишнього середовища. Їх суть полягає, перш за все, у звільненні масштабів та інтенсивності шкідливих для людини змін середовища і його окремих компонентів. Тому сьогодні є надзвичайно актуальним питання створення і функціонування досконалої систем моніторингу навколишнього природного середовища.

Проблемам моніторингу навколишнього середовища велика увага приділяється як в окремих країнах, так і на міжнародному рівні. Глобальна система моніторингу навколишнього середовища (ГСМНС) була створена ще в 1975 році. Вона складається з п’яти взаємопов’язаних підсистемах (дослідження клімату, далекого переносу забруднюючих речовин, гігієнічних аспектів навколишнього середовища, океану і відновних ресурсів суші). В межах ГСМНС існує 22 мережі діючих станцій системи глобального моніторингу. Також були створені міжнародні і національні системи моніторингу, орієнтовані на вивчення найбільш актуальних проблем сучасного природокористування і охорони навколишнього середовища.

Одною з центральних ідей моніторингу є забезпечення виходу на принципово новий рівень компетентності при прийнятті практичних управлінських рішень локального, регіонального і глобального масштабів. Але майже двадцятирічний досвід показує, що в значній мірі системи моніторингу переважно займаються формальним нагромадженням фактичного матеріалу, часто відірваного від потреб організацій і осіб, відповідальних за прийняття управлінських рішень. Тому важливим аспектом в цьому питанні є якраз спрямування роботи систем моніторингу на вирішення конкретних проблем раціонального природокористування та охорони довкілля[4].

В якості міжнародного моніторингу прийнято використовувати визначення його суті, дане Ю.Ізраелем: «Моніторинг - система повторних спостережень одного і більше елементів навколишнього природного середовища в просторі і часі з визначеним завданнями». Завдання ж сформульовані як «спостереження за факторами впливу, стеження за станом і зміною стану біосфери, оцінка тенденцій зміни цього стану». Відповідно до концепції Ю.Ізраеля, суть моніторингу зводиться до спостережень і аналізу стану природного середовища, а його регулювання - до нормування забруднення, тобто стеження за тим, щоб викиди не перевищували встановлених норм.

М. Реймерс і А. Яблоков вважають, що моніторинг - це стеження за станом природного середовща і попередження про виникаючи критичні ситуації, шкідливі або небезпечні для людей чи інших живих організмів. Це доводить, що сучасна система моніторингу в такому вигляді нікого ні про що не попереджує. Теперішній моніторинг є просто технічним - дає інформацію про те, що відбувається в природному середовищі.

Дещо по-іншому розуміє завдання моніторингу Р.Манн. На його думку, комплексний моніторинг «повинен забезпечити можливість завчасно виявити наближення змін в природному середовищі і біосфері». Тобто, моніторинг уявляється як важлива складова частина механізму управління, яка дозволяє оцінювати ефективність прийнятих охоронних заходів. З допомогою моніторингу суспільство отримує можливість більше знати про середовище свого існування і приймати необхідні заходи по його покращенню. Дані про стан природного середовища можуть виступати в якості критерію ефективності прийнятих заходів. Є можливість також поставити питання про економічну ефективність моніторингу: якщо адекватно оцінити збитки від забруднення природного середовища, то можна співставити затрати на проведення досліджень, затрати на природоохоронні заходи, виконані на основі цих досліджень і досягнуте зменшення збитків від забруднення.

Збір, обробка і розповсюдження моніторингової інформації повинні бути організовані так, щоб забезпечити інформацією рішення управлінських задач на різних масштабних рівнях - глобальному, регіональному і локальному. Всі ці три рівні тісно пов’язані між собою. Наприклад, глобальна проблема, яка потребує міжнародного співробітництва, пов’язана з виявом шляхів міграції забрудників і визначенням найбільш шкідливих джерел викиду на регіональному рівні, а кардинально вона вирішується на локальному рівні.

По-різному вирішується питання організації і ведення моніторингу навколишнього природного середовища в державах світу. Це пов’язано з неоднаковою економічною ситуацією, принциповими підходами до розв’язання проблеми, а також економічними труднощами.

Екологічні проблеми Чорнобиля, Карпат, Чорного та Азовського морів, великих та малих рік, Донбасу, Львівсько-Волинського кам’яновугільного басейну, грандів металургії та машинобудування і безліч інших потребують невідкладного конструктивного вирішення. Тому на виконання Закону України «Про охорону навколишнього природного середовища» Кабінет Міністрів України 23 вересня 1993 р. своєю постановою затвердив Положення про державний моніторинг навколишнього природного середовища. Міністерства охорони здоров’я, лісового господарства, сільського господарства і продовольства, Державні комітети по гідрометеорології, по геології і використанню надр, по водному господарству, по земельних ресурсах та по житлово-комунальному господарству за погодження з Міністерством охорони навколишнього природного середовища були зобов’язані привести відомчі нормативні акти у відповідність із Положенням про державний моніторинг навколишнього природного середовища.

Виходячи з Положення, державний моніторинг навколишнього природного середовища - це система спостережень, збирання, обробки, передачі, збереження та аналізу інформації про стан навколишнього природного середовища, прогнозування його змін та розробки науково обґрунтованих рекомендацій для прийняття управлінських рішень. Така система моніторингу вже попереджує про стан природного середовища різні управлінські структури, але, на жаль, має лише рекомендаційний вплив на прийняття рішень. Необхідно і доцільно було б зазначати в Положенні, що науково-обгрунтовані рекомендації по охороні навколишнього природного середовища і раціональному природокористуванні є обов’язковими для виконання відповідними міністерствами, відомствами і підпорядкованими ним господарськими структурами. В такому випадку система державного моніторингу навколишнього природного середовища України, яка створюється з міжнародних вимог і є сумісною з аналогічними міжнародними системами, була б економічно ефективною і спрямованою на раціональний пошук шляхів оптимізації взаємодії суспільства і природи. Регулювання взаємовідносин у системі «суспільство-природа» було б не чим іншим, як механізмом управління комплексом взаємозв’язаних і взаємозумовлених підсистем і процесів соціосфери (соціальних, політичних, технічних, культурних, екологічних та інших).

Система моніторингу навколишнього природного середовища має будуватись на принципах об’єктивності і достовірності. Спостереження за станом природного середовища та об’єктами впливу на нього повинні бути систематичними і багаторівневими. Принцип узгодженості нормативного, методичного, технічного та програмного забезпечення системи моніторингу має виконувати стрижневу роль. Екологічна інформація повинна бути комплексною, оперативно проходити між окремими ланками системи та вчасно інформувати органи державної виконавчої влади. Крім того, дані моніторингу будуть ефективним інструментом природоохоронної політики лише тоді, коли вони стануть широко доступними для населення, будуть публікуватися у вигляді національних і регіональних щорічників, буклетів, листівок, довідників чи книг, обговорюватимуться в періодичній пресі, на телебаченні тощо. Лише в цьому випадку вони стануть невід’ємним елементом життя суспільства і забезпечать формування зацікавлених суспільних, наукових, громадських, політичних груп, які шляхом тиску на керівні органи доб’ються прийняття відповідних рішень. У випадку приховування моніторингової інформації вона не має значного впливу на природоохоронну політику, не сприяє формуванню активної природоохоронної позиції у населення. Завзяте реєстрування подальшої деградації природного середовища - справа потрібна, але це лише початковий етап становлення цілісної системи моніторингу природного середовища і господарських систем[5].

Таким чином, основними завданнями системи моніторингу навколишнього природного середовища виступають:

а) збір інформації про стан довкілля по всіх сферах та систематизація цієї інформації за блоками;

б) вибір системи методів і способів для організації та ефективного ведення систематичних моніторингових спостережень;

в) створення та забезпечення функціонування банку екологічної інформації;

г) забезпечення постійного інформування населення про стан навколишнього природного середовища;

д) забезпечення екологічною інформацією управлінських структур з метою прийняття ними об’єктивних рішень природоохоронного характеру (рис.1).

Рис. 1 Основні напрями та завдання системи моніторингу навколишнього середовища

.2 Функціональна структура системи моніторингу

Структура моніторингу навколишнього природного середовища має визначатися призначенням і станом довкілля. У зв’язку з цим здійснюється загальний, оперативний та фоновий моніторинг.

Загальний (стандартний) моніторинг навколишнього природного середовища - це оптимальна за кількістю досліджуваних параметрів система спостереження на пунктах, об’єднаних в єдину інформаційно-технологічну мережу, яка дає змогу на основі оцінки і прогнозування стану навколишнього природного середовища регулярно розробляти управлінські рішення на всіх рівнях.

Оперативний (кризовий) моніторинг - це спостереження за спеціальними показниками на цільовій мережі пунктів у реальному масштабі часу на окремих об’єктах, джерелах підвищеного екологічного ризику в окремих регіонах, які визнані зонами надзвичайної екологічної ситуації, а також у районах аварій із шкідливими екологічними наслідками. Його мета - забезпечення оперативного реагування на кризові ситуації та прийняття рішень щодо їх ліквідації і створення безпечних умов для населення.

Фоновий (науковий) моніторинг - це спеціальні високоточні спостереження за всіма складовими навколишнього природного середовища, а також за характером, складом, кругообігом та міграцією забруднюючих речовин, за реакцією організмів на забруднення на рівні окремих популяцій, екосистем і біосфери у цілому. Фоновий моніторинг здійснюється у природних і біосферних заповідниках, на інших територіях, шо охороняються, на базових станціях.

Система моніторингу навколишнього природного середовища створюється на трьох різномасштабних рівнях: локальному, регіональному, національному, які розглядаються в контексті комплексного глобального моніторингу стану довкілля. Останній визначається як система моніторингів, організованих за просторовими, часовими, галузевими і функціоналами ознаками.

Вивчення сучасного екологічного стану на всіх різномасштабних рівнях територіальної ієрархії проводиться за єдиною програмою, затвердженою Мінприродою України. Вона включає визначення сучасного стану всіх компонентів навколишнього природного середовища і їх динаміки під впливом природних і антропогенних (техногенних) факторів.

У Женеві на нараді із статистики якості повітря, організованій Статистичною комісією і Європейською економічною комісією Економічної і Соціальної Ради ООН (1989) було встановлено, що для стеження за якістю атмосферного повітря мають бути організовані глобальні фонові станції (базові), на яких заміряють глобальне фонове забруднення на відстані не менше 3 тис. км від його континентальних джерел. Регіональні фонові станції розміщуються на значній відстані від населених пунктів і великих джерел забруднення. Імпульсні станції створюються для слідкування за рівнями концентрації забруднювачів у повітрі міських районів і поблизу великих джерел забруднення. З врахуванням зазначеного виділяють три категорії моніторингу: глобальний фоновий, регіональний фоновий та імпульсний. Збір інформації здійснюється відповідними центрами екологічного моніторингу - від локального до національного у межах певних підсистем моніторингу.

При аналізі екологічної ситуації певної території маємо справу з складною ієрархією різнопорядкових природно-антропогенних геосистем (ПАГС). Екологічний стан ПАГС визначається взаємодією її абіотичних і соціальних компонентів або взаємодією підсистем геосфери, біосфери і соціосфери у системі ПАГС. Виділення ПАГС проводиться на базі ландшафтного районування території. Для території України розміри ПАГС найвищого порядку є такими, що досліджувати їх треба в масштабі 1:1000000. Поскільки, моніторинг - це безперервне стеження за динамікою компонентів ПАГС, то система національного моніторингу повинна забезпечуватись мережею безперервних спостережень, у якій точки спостереження розташовані в середньому на відстані 10 км одна від одної.

Регіональний рівень моніторингу створюється в межах адміністративно-територіальних одиниць на територіях економічних і природних регіонів, в різнорангових басейнах річки, рекреаційних зонах тощо. Географічною основою для його реалізації є топографічна карта масштабу 1:500000. Регіональна мережа повинна складатись з екологічних станцій, що охоплюють усі головні ландшафтні області регіону, забезпечують необхідну щільність об’єктів спостережень за динамікою природних змін ПАГС та потоків забруднень як трансграничних і регіональних, так і місцевих. Регіональні спостереження охоплюють всі типи ПАГС. При цьому станції стеження за станом середовища розміщуються в середньому через 5 км.

Мережа об’єктів моніторингу локального рівня відповідає масштабу 1:200000 та забезпечує спостереження через 2 км. Детальніші системи моніторингу, які відповідають окремим ландшафтам або урочищам, збігаються з адміністративними районами (масштаб 1:50000, спостереження через 500 м), промисловими вузлами або невеликими містами (масштаб 1:10000, спостереження через 100 м). Найдетальніший рівень моніторингу реалізується на окремих підприємствах під час їх екологічної паспортизації (масштаби 1:5000 - 1:1000, спостереження через 50-10 м).

Успіх моніторингу залежить від ступеня детальності оцінки вихідного (базового) стану довкілля, на основі якого встановлюється динаміка наступних антропогенних змін. Особливо цінними в цьому плані є картографічні та статистичні дані про геолого-географічне середовище і мінерально-сировинні ресурси, сучасні рельєфотворчі процеси, геофізичні поля та геопатогенні зони і їх впливи на здоров’я людей, рельєф, ґрунтовий покрив, поверхневі та підземні води, атмосферне повітря.

В Україні не тільки створюється база згаданих матеріалів і документів. Незважаючи на значну економічну скруту, сьогодні є надія, що постанова Кабінету Міністрів України про затвердження Положення про державний моніторинг навколишнього природного середовища набере реальної чинності і буде організований український державний моніторинг. В документі зазначено, що органи державної виконавчої влади, які здійснюють спостереження за станом навколишнього природного середовища, зобов’язані збирати, обробляти і безстроково зберігати з допомогою сучасних комп’ютерних технологій первинні дані про стан довкілля. Мінприроди разом з іншими органами державної виконавчої влади забезпечує вдосконалення мереж спостережень за станом навколишнього природного середовища, раціоналізацію та оптимізацію роботи служб спостережень. Важливим аспектом є уніфікація методик спостережень і лабораторних аналізів, удосконалення бази приладів і систем контролю, координація робіт, які проводяться в Україні за міжнародними природоохоронними програмами з використання результатів моніторингу.

Організація і функціонування системи державного моніторингу навколишнього природного середовища покладено на ряд міністерств і відомств (рис. 2). Взаємодія зазначених органів та забезпечення функціонування системи на всіх рівнях здійснюється відповідно до міжвідомчих положень і технологічних інструкцій. При цьому необхідно забезпечити пряме надходження інформації від організацій, що виконують моніторинг, до відповідних центрів, а також пряму передачу інформації між різнорівневими станціями. Такі шляхи передачі інформації вважаються основними. Генеральний шлях - це комплексна інформація про стан навколишнього природного середовища, яка надходить з локальних центрів на регіональні і з них в національний.

Установи, що ведуть спостереження за станом навколишнього природного середовища, зобов’язані безкоштовно надавати додатково до форм статистичної звітності дані спостережень або іншу інформацію на запит органів державної виконавчої влади. Узагальнення інформації повинно здійснюватись з використанням сучасних комп’ютерних технологій.

У системі моніторингу навколишнього природного середовища будь-якого рівня необхідно виділяти два етапи: перший - створення статичної моделі і другий - побудова динамічної моделі.

Умовні позначення: 1 - Мінприроди; 2 - Національне космічне агентство України; 3 - Міністерство охорони здоров’я; 4 - Мінсільгосппрод; 5 - Мінлісгосп; 6 - Держкомгідромет; 7 - Держкомводгосп; 8 - Держкомгеології; 9 - Держземагентство; 10 - Держжитлокомунгосп. І - основні шляхи передачі інформації; ІІ - генеральний шлях

Рис 2. Функціонування системи державного моніторингу навколишнього природного середовища

У системі моніторингу навколишнього природного середовища будь-якого рівня необхідно виділяти два етапи: перший - створення статичної моделі і другий - побудова динамічної моделі.

Статична модель базується на одноразово вивчених параметрах навколишнього середовища, які характеризують екологічний стан території на даний момент. Її побудова є першим кроком на шляху до створення динамічної моделі. Остання є логічним продовженням статичної моделі і дає змогу стежити за динамікою екологічного стану території протягом певного періоду.

Головними складовими динамічної моделі є природне середовище і соціально-економічні комплекси. Компонентами і факторами природного середовища виступають геологічна та географічна сфери, мінерально-сировинні ресурси, геофізичні поля, рельєф і територіальні ресурси, грунти, води, клімат, рослинний і тваринний світ, населення. Антропогенний вплив в значній мірі впливає на динаміку змін кожного природного компоненту протягом певного періоду спостереження і також є об’єктом моніторингових досліджень.

Таким чином, моніторинг навколишнього природного середовища є полікомпонентним і складається з різних підсистем моніторингу, які є його основними складовими (рис. 3), ці підсистеми моніторингу діляться на різні групи, а ті в свою чергу на види, в загальному вони поєднюються в геосферний, біосферний та соціосферний блоки.

В процесі ведення всіх цих напрямків моніторингу кожний компонент навколишнього природного середовища повинен отримати максимально можливу науково обґрунтовану просторово-часову характеристику. Звідси випливає, що моніторинг геологічного та географічного середовища - це динамічна система з гнучкою інфраструктурою, яка дозволяє вести безперервний або періодичний контроль за станом об’єкту досліджень, його геодинамічною активністю і тенденціями розвитку, здійснювати моделювання геосистем з різним техногенним навантаженням, видавати прогнозні оцінки поведінки та розробляти пропозиції щодо охорони та раціонального використання природного середовища, на основі яких приймаються рішення відносно такого характеру зовнішнього впливу, який би попереджував вихід геологічного та географічного середовища зі стану динамічної рівноваги. Запропонована система моніторингу має відображати цільові завдання створюваних моделей: оглядові, регіональні, спеціальні, детальні. Моделі геологічного і географічного середовища повинні складатися з логічної, картографічної та інформаційної основи, тобто відображати центральну концепцію та головні напрями досліджень і представляти витриману у відповідному масштабі систему карт, на яких зображені умова і фактори, що визначають стан природно-антропогенної геосистеми на даний період, інформаційну базу даних, в якій закладені основні параметри умов і факторів геологічних процесів.

В результаті моніторингового дослідження геофізичних полів повинні бути отримані карти радіаційних, гравітаційних, магнітних, теплових, електричний, сейсмічних та інших природних полів, виконаний аналіз їх впливу на здоров’я людей.

Важливою складовою в геосферному блоці є моніторинг рельєфу, завдання якого є складання серії карт, які відображатимуть порушення рельєфу сучасними геодинамічними процесами та даватимуть прогнозну оцінку їх розвитку. Ендогенні та екзогенні процеси часто призводять до непередбачуваних наслідків (площина та лінійна ерозія, обвально-основні явища, провали, тощо), погіршення умов життя людей та експлуатації об’єктів. Тому їх дослідження за науково-обґрунтованою методиками є доцільним і необхідним. Функціонування гідросферного моніторингу забезпечує максимально повну характеристику стану природних вод, їх побутового, комунального та промислового, хімічного, бактеріального, радіонуклідного забруднення. Вивчаються питання водопостачання, водовідведення та водогосподарський баланс, а також тенденції змін у використанні водних ресурсів, їх санітарно-гігієнічний стан.

Рис. 3 Основні складові моніторингу навколишнього природного середовища

В результаті такого моніторингу забезпечується можливість створення карт стану підземних, ґрунтових, поверхневих вод і їх забруднення шкідливими речовинами, несприятливих гідрологічних явищ. В останні роки обґрунтовується необхідність басейнового підходу до організації і ведення гідрологічного моніторингу, розробки схем використання водних багатств, пропозицій по збереженню, відтворенню і охорони ресурсів малих річок. Функціонування атмосферного моніторингу дає можливість постійного стеження за забрудненням атмосферного повітря різними джерелами. В результаті отримують карти стану повітряного басейну та його забруднення шкідливими інгредієнтами, визначають тенденції змін стану повітряного басейну і прогнозують їх розвиток в близькому і віддаленому майбутньому.

Важливим питанням є дослідження стану мікрокліматичних ресурсів, створення карт територіального розподілу ресурсів тепла і вологи в залежності від умов рельєфу. Також значну увагу слід приділяти природним та антропогенним змінам глобального клімату, які мають вплив на клімат конкретної геосистеми. На основі цього, а також в результаті досліджень несприятливих метеорологічних яких можливе районування території за ступенем комфортності клімату і мікроклімату[24].

Біосферний блок моніторингу навколишнього природного середовища забезпечує стеження за станом педосфери. фітосфери. зоосфери та ландшафтосфери. В результаті організації відповідних галузевих (компонентних) віток моніторингу ведеться безперервне стеження за забрудненням ґрунтового покриву та станом земельних ресурсів, вивчається трансформація земельних угідь під впливом ерозії, дефляції, зсувів, підтоплення і затоплення тощо.

Фітосферний моніторинг забезпечує вивчення динаміки стану природних та штучних рослинних угрупувань під впливом забруднення хімічними речовинами і радіонуклідами, а також господарювання і життєдіяльності людини. Стеження за станом тваринного світу, забезпечення його охорони і раціонального використання є основними завданнями зоосферного моніторингу.

Стеженням за станом природно антропогенних геосистем, їх охороною і відновленням, заповідним фондом і перспективами його розвитку, охороною об’єктів біосфери і пам’ятниками природи займається ландшафтний моніторинг.

На основі досліджень біосферного блоку моніторингу навколишнього природного середовища створюються карти грунтів, рослинних ресурсів, ландшафтні карти з позначенням на них зон забруднення шкідливими речовинам. Аналіз тенденцій змін стану біосферних ресурсів забезпечує можливість прогнозування їх динаміки, обґрунтування раціонального використання, розробки конструктивних стабілізаційних заходів.

Соціосферний блок моніторингу навколишнього природного середовища передбачає стеження за динамікою змін техно- і демосфер. У функціональні обов’язки техносферного моніторингу входить спостереження за джерелами радіаційного, шумового, електромагнітного, високочастотного забруднення, побутовими та промисловими викидами у повітря, воду та на поверхню землі.

Санітарно-гігієнічний та медико-біологічний стан населення природні та санітарно-гігієнічні умови виникнення інфекційних хвороб та природних біогеохімічних епідемій, і також демографічні процеси вивчає демосферний моніторинг. Результати таких досліджень є основою медико-географічного районування, створення каталогів джерел забруднення і картографічних моделей їх розміщення, карт ареалів основних захворювань по вікових категоріях населення і т.д.

Дані цих видів моніторингу мають використовуватися для створення відповідних баз і банків екологічної інформації на різних масштабних рівнях, що дозволяв створити серію динамічних різнорангових моделей типу «природа - суспільство», забезпечити максимальну гармонізацію відносин між людиною і природою.

Катастрофічний екологічний стан значних територій, негативний вплив антропогенних факторів на природне середовище, рельєф, літосферу, здоров’я людей і стан усього живого вимагають найскорішого переходу на якісно новий рівень наукового та методичного забезпечення організації і функціонування системи моніторингу навколишнього природного середовища. У зв’язку з цим пропонується така принципова схема функціонування моніторингу (рис. 4 ), реалізація якої забезпечить вирішення широкого спектру екологічних проблем. Банк екологічної інформації буде надійним джерелом достовірних матеріалів для прийняття управлінськими органами відповідних рішень в галузі охорони природи і раціонального використання природних ресурсів.

В пропонованій системі моніторингу навколишнього природного середовища належне місце має зайняти моніторинг рельєфу, особливо техногенного. Такий рельєф поширений в зонах дії кар’єрів та шахт, займає в Україні значні площі.

Висока динамічність техногенного рельєфу, багатофакторність його розвитку і стану призводять до порушення природного стану довкілля. В самій системі моніторингу техногенного рельєфу важливу роль повинен відігравати геодезичний моніторинг[4,5].

Рис. 4 Загальна програма функціонування моніторингу навколишнього природного середовища

Таким чином, за період розвитку моніторингових досліджень: а)розроблена термінологічна база; б) сформульована мета, завдання і напрямки моніторингу; в) визначене коло питань, які вирішуються за допомогою моніторингових досліджень; г) визначені проблеми, що потребують свого вирішення в найближчому і більше віддаленому майбутньому.

1.3 Ієрархічна модель моніторингу рельєфу в системі моніторингового аналізу навколишнього природного середовища

Необхідність прогнозу катастрофічних явищ, забезпечення стійкості земної поверхні в промислово розвинутих районах висунули в число актуальних напрямів геофізичних і геотектонічних досліджень проблему аналізу сучасного стану земної кори, поверхні Землі і оцінки масштабів деформаційних процесів.

Метою вивчення таких динамічних об’єктів як земна кора і земна поверхня є встановлення закономірностей розвитку деформацій і забезпечення прогнозування сучасних рухів, особливо в зонах техногенного впливу на рельєф і земну кору.

Територія Львівсько-Волинського кам’яновугільного басейну виступає одним з таких динамічних об’єктів. Рельєф басейну зазнає постійного впливу підземного видобування вугілля та складування на його поверхні відвалів. Він реагує на цей техногенний вплив через прояв явищ просідання, деформацій тощо. Такі зміни рельєфу суттєво порушують гармонійний стан довкілля завдають збитків господарським об’єктам тому вимагають детального вивчення з метою розробки і реалізації заходів протидії та стабілізації ситуації.

Ці завдання можна вирішувати шляхом моніторингу рельєфу і створення взаємопов’язаних через універсальну інформаційну систему моделей природно-технічних систем.

Система моніторингу рельєфу має базуватися на інженерно-геологічних, геоморфологічних, геодезичних і маркшейдерських дослідженнях та спостереженнях. В результаті виконання інженерно-геологічних та геоморфологічних робіт повинні бути створені: 1) карти відповідного масштабу дочетвертинного геологічного середовища (геологія, тектоніка, літологія, корисні копалини) та його порушення шахтами, свердловинами, кар’єрами, провалами, зсувами та іншими антропогенними і природними процесами і факторами; 2) карта четвертинного геологічного середовища (генезис, вік, літологія відкладів з елементами геоморфології і неотектоніки, корисні копалини) та його порушення антропогенними і природними факторами; 3) геоморфологічна карта з відображенням порушень рельєфу сучасними та древніми геодинамічними процесами (сейсмодислокації, зсуви, площинна та лінійна ерозії, яри, обвали,осипання, карст, суффозія, провали тощо) та карта прогнозного стану рельєфу і геологічного середовища в зоні техногенного впливу.

Важливе місце у вивченні деформаційних процесів рельєфу займають геодезичні спостереження та вимірювання. Ці роботи доцільно об’єднати в систему геодезичного моніторингу рельєфу (природного і техногенного).

Геодезичний моніторинг - стеження за вертикальними (горизонтальними природними, природно-антропогенними і техногенними деформаціями земної поверхні, станом будівель та комунікацій, інженерних споруд, розташованих в геолого-географічному середовищі за допомогою геодезичних методів, прогноз змін природно-антропогенного рельєфу та розробка пропозицій по зменшенню і попередженню шкідливого впливу деформацій поверхні на господарські системи, управлінню станом порушених земель, забезпеченню охорони об’єктів природи. Основною метою такого моніторингового дослідження є: 1) вирішення теоретичних проблем стосовно структури регіональних і локальних полів деформації, їх співвідношень з полями сейсмічності, вулканізму, тектонічними структурами; 2) пошуки закономірностей просторово-часової динаміки деформацій земної поверхні, визначення їх кількісних показників, а також показників деформацій трьохвимірної моделі земної поверхні; 3) районування території за показниками максимального осідання земної поверхні, інтенсивністю осідань, типом горизонтальних деформацій; 4) оцінка інтенсивності, типу і динаміки процесу деформування, виділення активізованих зон і встановлення їх кінематичного типу; 5) ефективне вирішення кола практичних завдань - будівництва і експлуатації великих інженерних споруд, розробки родовищ корисних копалин, охорони навколишнього природного середовища.

При вивченні сучасних рухів земної поверхні необхідно враховувати ендогенні і екзогенні процеси. На екзогенні процеси значний вплив мають природні і антропогенні фактори. Вони поділяються на механічні, фізичні і хімічні. До механічних можна віднести фактори, які здійснюють безпосередній механічний вплив на процес формування напруго-деформованого стану дослідної території (зміна рельєфу, утворення ярів, берегові процеси, карстоутворення; перевантаження форм рельєфу внаслідок впливу споруд, відсипки відвалів і заповнення водосховищ; розвантаження, зняття напруг в масивах гірських порід, формування виїмок, підрізання природних схилів; відкриті і підземні розробки родовищ корисних копалин; видобування із надр землі гірських порід, нафти, газу та води).

До фізичних належать фактори, які викликають на зміну фізичного стану порід у верхніх шарах земної кори (зміна термічного режиму, штучне водопониження, штучне обводнення).

Хімічними вважаються фактори, які викликають зміну складу і структури гірських порід і підземних вод (хімічна суфозія і седиментація солей, цементація фракцій, видобуток корисних копалин способом підземного розчинення порід, карстові явища тощо).

Прояв екзогенних процесів характеризується значною просторово-часовою неоднорідністю і залежить від поєднання природних і антропогенних факторів. В більшості випадків вони розвиваються під впливом антропогенних факторів (особливо при розробці родовищ корисних копалин). Як наслідок, значні площі земної поверхні піддаються просадкам, які супроводжуються зміною пружного стану гірських порід в масиві, обумовленого падіннями міжпластового тиску, п’єзометричного рівня води, зміною водно-повітряного режиму пластів та напруг в масивах гірських порід.

Ці приклади не осягають усієї різноманітності екзогенних геомеханічних процесів. У зв’язку з цим найважливішими об’єктами геодезичного моніторингу є техногенні території і техногенний рельєф, а його основними завданнями є створення достовірного прогнозу деформацій земної поверхні під впливом техногенного навантаження і господарської діяльності, визначення інтегральної спрямованості та інтенсивності динамічних процесів у просторі і часі та розробка заходів і рекомендацій по регулюванню їх розвитку і впливу на угіддя та господарські системи. Екологічна ситуація і негативні тенденції зміни стану рельєфу вимагають пошуку шляхів оптимізації природокористування, усунення чи уповільнення несприятливих процесів, здійснення рекультиваційних заходів. Однак, без відповідної наукової бази та проектно-конструкторських рішень ці роботи не матимуть успіху. Тому актуальним завданням є створення мобільної системи моніторингу техногенного рельєфу і процесів його динаміки, оскільки без цієї інформації неможливе вирішення зазначених вище теоретичних і прикладних природоохоронних проблем.

Функціонування в цьому аспекті системи геодезичного моніторингу має здійснюватись на трьох основних рівнях: національному, регіональному і локальному (рис.5). Основними виконавцями моніторингу національного рівня є Головне управління геодезії, картографії та кадастру України, Національне космічне агентство України, астрономо-геодезичне підприємство. Ці організації повинні забезпечити мережу безперервних спостережень мільйонного масштабу.

Наступний рівень геодезичного моніторингу - регіональний - здійснюється в масштабі 1:500000 і розробляється, в основному, дослідними інститутами, кафедрами, лабораторіями. Спостереження на регіональному рівні проводяться на об’єктах, розташованих в середньому через 5 км. Ними повинні бути охоплені усі типи природно-антропогенних геосистем.

Локальний рівень охоплює мережу об’єктів спостережень, вільність яких відповідає масштабу 1:200000 та забезпечує отримання інформації про стан природногосподарських систем через 2 км. Більш детальні спостереження можуть виконуватись в масштабі 1:50000 (збір даних через 500 м). 1:10000 (інформація поступає через кожні 100 м) і найдетальніші - 1:5000 - 1:1000 (збір даних через 50-10 м). Основними виконавцями тут можуть бути геодезичні служби та маркшейдерські бюро різних установ та підприємств.

кам’яновугільний рельєф басейн природний

Рис 5. Забезпечення функціонування системи геодезичного моніторингу техногенного рельєфу

Зазначені три рівні геодезичного моніторингу рельєфу пов’язані між собою генеральним шляхом передачі інформації. Від безпосередніх виконавців до рівневих центрів вона надходить основним (прямим) шляхом. Крім того, повинен існувати ще додатковий шлях обміну чи передачі інформації між різнорівневими структурними підрозділами (рис.5). Не виключена можливість й інших шляхів передачі та обміну інформацією.

За призначанням і типом завдань що вирішуються за допомогою геодезичного моніторингу техногенного рельєфу, останній можна розділити на такі види:

сигнальний - інформує про необхідність організації детальних спостережень за певним об’єктом чи територією;

цільовий - забезпечує спостереження за станом найбільш небезпечних об’єктів чи територій;

комплексний - постійний і повний контроль стану території.

На території Львівсько-Волинського кам’яновугільного басейну де відбуваються значні деформації земної поверхні, проводились багаторічні геодезичні спостереження за програмою геодезичного моніторингу техногенного рельєфу (рис. 6 ) на регіональному та локальному рівні.

Статична модель геодезичного моніторингу базувалася на визначених параметрах рельєфу, що характеризували стан території на початок 1988 року. В окремих випадках приймався до уваги стан форм рельєфу, який існував з початку експлуатації вугільних шахт. Основою статичної моделі були результати тріангуляції, високоточного нівелювання, аерофотознімки, топографічні карти, топографічні плани, маркшейдерська документація. В комплекті з топографо-геодезичними даними розглядалися матеріали досліджень геологічного середовища, мінерально-сировинних ресурсів, ґрунтів, гідро-кліматичних умов. Статична модель будувалася як базова на шляху до створення динамічної моделі.

Основними джерелами інформації були: об’єднання «Укрзахідвугілля», геолого-екологічний центр ДГП «Західукргеологія», Бюро спеціалізованих маркшейдерських робіт, різноманітна література про Львівсько-Волинський кам’яновугільний басейн.

Наступним кроком програми геодезичного моніторингу є організація і ведення систематичних спостережень за техногенним рельєфом та інженерними спорудами (рис.6). Види цих робіт є високоточними і ефективними при застосуванні відповідної методики. Вже перші результати дають можливість вивчення динаміки рельєфу протягом певного періоду, тобто з моменту створення статичної моделі моніторингу. Отже, обробка, аналіз і оцінка результатів спостережень дає характеристику деформаційних процесів рельєфу, забезпечує можливість визначення просторово-часових закономірностей його динаміки, прогнозування змін, моделювання.

Рис. 6 Програма геодезичного моніторингу техногенного рельєфу території Львівсько-Волинського кам’яновугільного басейну

Наступним кроком програми геодезичного моніторингу є організація і ведення систематичних спостережень за техногенним рельєфом та інженерними спорудами (рис.6). Види цих робіт є високоточними і ефективними при застосуванні відповідної методики. Вже перші результати дають можливість вивчення динаніки рельєфу протягом певного періоду, тобто з моменту створення статичної моделі моніторингу. Отже, обробка, аналіз і оцінка результатів спостережень дає характеристику деформаційних процесів рельєфу, забезпечує можливість визначення просторово-часових закономірностей його динаміки, прогнозування змін, моделювання.

Відповідно опрацьовані результати спостережень повинні надходити у банк інформації та систематизації, а звідти у вигляді різноманітної топографо-геодезичної документації - до споживачів. Конкретизована характеристика стану техногенного рельєфу, його цифрова модель, технічні допуски та аналіз точності геодезичних вимірювань видається з комп’ютерного банку даних. На основі цієї інформації розробляються технічні рекомендації та пропозиції по зменшенню чи попередженню шкідливого впливу деформацій поверхні на господарські об’єкти, інженерні споруди і комунікації, сільськогосподарські угіддя тощо. Динамічна модель геодезичного моніторингу техногенного рельєфу дає чітку уяву про стан та динаміку ділянок земної поверхні, відкриває можливість зонування території за ступенем потенційної небезпеки її деформацій.

Детально питання про створення статичної та динамічної моделі геодезичного моніторингу техногенного рельєфу Львівсько-Волинського кам’яновугільного басейну та конкретні результати виконання його програми викладені в наступних розділах.

РОЗДІЛ ІІ. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДИЧНІ ОСНОВИ ОРГАНІЗАЦІЇ ГЕОДЕЗИЧНОГО МОНІТОРИНГУ ЗМІН РЕЛЬЄФУ ТЕРИТОРІЙ ВУГІЛЬНО ДОБУВНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

2.1 Особливості кількісного аналізу деформування земної поверхні

Як і все в природі, земна поверхня не знаходиться у стані спокою, а піддається впливу численних процесів, явищ і факторів, просторово-часове поле яких можна розглядати як завершальну ланку складної системи причинно-наслідкових залежностей. При формуванні поля ці залежності поступово нагромаджуються як випадкові елементи у результаті переходу від одного фактору впливу до іншого. Тому процес деформування земної поверхні не детермінується впливом однієї закономірності, а є результатом поєднання багатьох причинних ланок. Внаслідок такого впливу ділянки земної поверхні, згідно класичних законів механіки (як суцільні тіла у напруженому стані), відповідно повинні реагувати зміною своїх фізико-геометричних властивостей. Тому деформацію земної поверхні у загальному випадку можна розглядати як зміну конфігурації і об’єму тіла, а її найпростіше подання як взаємно однозначні геометричні перетворення, у яких кінцеві координати точок є функціями координат початкового стану.

Процес деформування протікає неперервно як у просторі, так і в часі. Інтенсивність же деформації в кожному конкретному випадку залежить від міри переважання якогось одного або декількох факторів, від їх взаємодії, випадково чи закономірно, на даний стан земної поверхні, що зумовлює перехід до іншого, якісно нового стану[3].

Оскільки розглядувані перетворення є функцією багатьох змінних, визначитись з якими на практиці у повному обсязі досить проблематично, то ця обставина, у свою чергу, ускладнює і саме вивчення процесу деформування.

На основі вищевикладеного зрозуміла нагальна потреба у створенні простих і достовірних методик вивчення деформованого стану земної поверхні. Такі методики повинні базуватись на охопленні великих площ з наступною статистичною оцінкою експериментального матеріалу. Практична потреба у подібних методичних розробках зрозуміла і викликана, передусім, необхідністю якісного проектування, будівництва та експлуатації різноманітних інженерних об’єктів, раціонального природокористування. Теоретичне значення також очевидне, оскільки перетворення топографічної поверхні, земних структур генетично пов’язане з природними та техногенними геодинамічними процесами. Назрілими є задачі встановлення об’єктивних закономірностей внутрішньої структури процесу зміщень, розробки кількісних і якісних уявлень про фізичну суть деформації, а також розвитку теоретичних математичних моделей, які дозволили б перейти від емпіричної методології досліджень до теоретико-фізичної. Оскільки розглядуване явище виключно складне і на практиці завжди приходиться мати справу не з абсолютно відповідною стосовно теоретичних моделей ситуацією, то з цієї точки зору, напевно, достатньо, щоб подібні моделі дозволяли розуміти виникаючі процеси, давати відповіді на практичні питання і у прийнятній формі робити необхідні висновки.

Звісно, такі моделі є детермінованими, оскільки основні сили, що викликають перетворення описуються деякими детермінованими залежностями. Однак випадкові коливання основних сил, котрі викликають перетворення, а також неврахування чи незнання численних другорядних факторів, сумарний вплив яких також носить випадковий характер, призводять до того, що динамічна модель зміщень буде містити випадкові величини чи їх функції і перетвориться у стохастичну модель. Таким чином, є підстави стверджувати, що для вивчення деформування земної поверхні найбільш оптимальними можна вважати математичні стохастичні моделі.

При побудові таких моделей доцільним видається виконання кількісного аналізу деформування земної поверхні. Важлива роль у розв’язанні цієї проблеми належить геодезичним методам вивчення зміщень. Якраз на основі геодезичного (геометричного) підходу можуть бути отримані відповіді на кардинальні теоретичні питання про структуру полів деформації, їх співвідношення з геоморфологічними, геологічними, геофізичними та іншими особливостями території. Слід підкреслити важливість знаходження об’єктивних характеристик деформації, які недоступні для безпосередніх вимірювань і можуть оцінюватись тільки побічним шляхом при залученні кількісної геодезичної інформації, що дозволяє покращити розуміння морфоструктурних взаємозв’язків, механізму формування зміщень на конкретних територіях.

При дослідженні сучасних зміщень земної поверхні геодезичними методами прийнято їх вертикальну і горизонтальну складові визначати окремо і незалежно одну від одної. Звичайно, немає ніяких підстав припускати, що існують тільки вертикальні або тільки горизонтальні зміщення відокремлено. Насправді відбуваються деформації всередині землі і просторові переміщення точок земної поверхні. Розклад цих переміщень на вертикальні і горизонтальні складові, по-перше, дозволяє розглядати їх у зручній системі координат і, разом з тим, полегшує інтерпретацію досліджуваного явища і, по-друге, у більшості випадків, обумовлюється відсутністю необхідної інформації про горизонтальні і вертикальні геодезичні вимірювання одночасно для кожної конкретної точки[6].

У вітчизняній практиці для фізичної інтерпретації результатів повторних геодезичних вимірювань використовують векторні схеми переміщень пунктів, карти швидкостей сучасних рухів і метод кінцевих елементів для обчислення інваріантних характеристик деформації.

Переваги методу кінцевих елементів цілком очевидні. Побудовані векторні схеми і карти швидкостей не є інваріантними відносно початку координат. Щоб вони мали реальний зміст, необхідно порівнювальні цикли спостережень обробляти в єдиній, стабільній у часі системі координат. Остання реалізується на земній поверхні геодезичними пунктами, тому стабільність цих вихідних пунктів має першочергове значення при вказаному підході до визначення деформацій. Якщо ж у межах досліджуваної території проходять повільні деформації, які призводять до спотворення всієї геодезичної мережі, то такий підхід взагалі втрачає зміст. Методом ж кінцевих елементів необхідно виділити і дослідити такі параметри зміщень, які стосувались би самої земної поверхні і були вільні від ефектів, викликаних впливом вибору системи відліку.

В якості кінцевих елементів використовуються симплексні моделі-трикутники при роздільному аналізі горизонтальних і вертикальних складових рухів та тетраедри для даних про просторове переміщення пунктів геодезичних мереж. Вибір подібних моделей обумовлений як самою практикою геодезичних вимірювань (трикутник є основним елементом геодезичних мереж), так і тією обставиною, що якщо у межах трикутного елемента переміщення задаються у вигляді лінійних функцій координат, то суміщення вершин двох сусідніх елементів забезпечує сумісність переміщень на їх спільній межі.

Якщо тривимірне середовище розбити на вказані елементи кінцевих розмірів і вважати, що деформація у межах кожного елемента носить локально-однорідний характер, то переміщення пунктів по відповідних осях u, v, w можна задати у вигляді лінійних залежностей від їх координат X, У, Н:

                                                                (1)

де  у межах кожного елемента зберігають свої постійні значення.

Із розв’язку системи рівнянь (1) визначаються його коефіцієнти , які являють собою елементи тензора другого рангу з матрицею із дев’яти компонент:

                                                                             (2)

Матриця  є тензором частинних похідних зміщень по осях координат. Отриманий таким чином тензор  для визначеності відносять до центрів просторових геометричних фігур, складених цими пунктами.

Тензор  описує одночасно обертання і чисту деформацію, виходить, він не є симетричним. Виділимо із  симетричну і кососиметричну його частини:

                                                                                    (3)

де

 і                                                                  (4)

являють собою компоненти симетрично і кососиметричного тензорів відповідно.

Зміна метричних властивостей, тобто чиста деформація ділянки, яка включає в себе прийняті до обробки пункти, за зміщеннями яких розраховуються компоненти тензора , визначається тільки симетричним тензором, якого можна записати як

                                                       (5)

Для визначення головних або власних значень симетричного тензора  потрібно розв’язати характеристичне рівняння третього степеня відносно Е

                                                          (6)

Розгорнувши визначник (6) знайдемо

                                                                        (7)

де

              (8)

Ліва частина кубічного рівняння не залежить від вибору системи координат, як не залежать і корені цього рівняння скаляри .

Таким чином, із розв’язання рівнянь (8) визначаються головні значення деформації .

Оскільки тензор  симетричний, він має тільки шість незалежних компонент, три із яких  визначають відносне подовження області вздовж осей X, Y, H відповідно і вважаються лінійними компонентами деформації. Інші три, які складаються із півсум компонент загальної матриці  є зсувними компонентами цього тензора.

Відносна зміна елементів об’єму в кожній точці області визначається наступним відношенням

                                                                    (9)

де  - об’єм елемента даної області до деформації,  - об’єм того ж елемента після деформації,  - об’ємна дилатація.

Але, незважаючи на безперечні позитивні властивості, даний метод має і деякі очевидні недоліки, які можуть значно формалізувати отримані результати, приводячи інколи до втрати будь-якого фізичного змісту. До таких необхідно віднести, у першу чергу, умовність класифікації ділянок на кінцеві елементи. Це призводить до того, що деформації у межах трикутників або тетраедрів можуть бути явно неоднорідні (наприклад, внаслідок неоднорідності геологічної будови в якісному відношенні і значної віддалі між пунктами), як результат, необґрунтованість у даному випадку лінійної апроксимації. Намагання виявити нелінійну деформацію для викладеної моделі натрапляють на значні труднощі. Крім того, інтерпретація багаторазових повторних рядів геодезичних спостережень відривається від їх обробки і полягає у розв’язанні оберненої задачі в рамках класичних методів (без врахування помилок вимірювань). Така спрощена постановка задачі видається математично непереконливою. Разом з тим, метод кінцевих елементів має певні обмеження в отриманні достатнього обсягу вихідної інформації[10].

З огляду на це, доцільніше класифікувати поле зміщень не на раніше задані симплексні моделі, як це передбачає метод кінцевих елементів, а на основі наявних значень зміщень точок виділити ділянки з їх однорідним розподілом. Для виконання вказаної процедури пропонується здійснити районування поля зміщень земної поверхні згідно алгоритму ковзної дисперсії.

У такому випадку для кожної дискретної точки , яка є центром заданого радіуса , проводиться оцінка дисперсій  згідно формули

                                                                            (10)

де  - значення поля для точок, що входять у заданий круг;  - кількість таких точок.

В обробку приймаються тільки ті точки, які попадають в заданий круг, тобто для кожної точки необхідне виконання умови . При цьому  можна знаходити за відомими прямокутними координатами точок як

                                                         (11)

Якщо , де  - задана константа, та оцінка дисперсії  не проводиться, оскільки не забезпечується необхідна ефективність оцінки у зв’язку із недостатнім об’ємом інформації.

Подібні розрахунки шляхом ковзання дисперсії (поступового переходу від кожної фіксованої точки до іншої) дозволяють для всіх точок поля провести оцінку дисперсії або визначити недоцільність її проведення.

За принципом практичної постійності дисперсії можна виконати дослідження розглядуваного поля на стаціонарність. Для перевірки гіпотези про рівність дисперсій, оцінки яких отримані емпіричним шляхом, пропонується керуватись відомим Р - критерієм Фішера при вибраному рівні значимості. Дисперсійне відношення в даному випадку буде критерієм перевірки

                                                                                            (12)

причому, в чисельнику завжди повинна стояти більша із порівнювальних оцінок дисперсій.

Дана обчислювальна процедура на чіткій математичній основі дозволяє здійснити класифікацію поля зміщень на статистично стаціонарні області, які можна вважати ділянками з локально-однорідним характером деформації. Такий підхід добре зарекомендував себе при вивченні полів різного фізичного походження.

Поряд з аналізом зміщень пунктів геодезичних мереж, заслуговують на широке використання і матеріали різночасових великомасштабних топографічних знімань (у першу чергу, для вивчення деформації локальних ділянок). Нами визначено середні квадратичні помилки визначення зміщень за топографічними планами масштабів 1:500- 1:5000 з висотами перерізу рельєфу 0,25-1 м для різних геоморфологічних умов, у якості яких виступають середній нахил місцевості і характер мікрорельєфу. За умови достатньої репрезентативності отримуваних зміщень земної поверхні це дає змогу:

·   одержувати вихідні дані з будь-якої точки топографічного плану;

·   мати практично необмежений обсяг інформації, що важливо для подальших статистичних досліджень;

·        використовувати для аналізу топографічні матеріали минулих років різних відомств і організацій[11].

У силу вищенаведеного можна зробити наступні висновки і дати пропозиції для побудови оптимальних математичних моделей:

1)      Дослідження зміщень земної поверхні в обов’язковому порядку повинні включати топографо-геодезичні методи, що дозволяють безпосередньо геометрично визначити ці величини безвідносно до природи сил, які їх викликають. Вихідною кількісною інформацією для досліджень можуть бути повторні спеціальні спостереження дискретних точок земної поверхні (геодезичні пункти, нівелірні знаки) і різночасові топографічні знімання територій (наземні, дистанційні).

2)      Необхідною складовою частиною моделювання зміщень земної поверхні повинно бути районування їх поля і виділення областей однорідних деформацій. Проведення такої процедури на математично-статистичній основі згідно алгоритму ковзної дисперсії дає достатньо ефективне рішення поставленого питання, забезпечує чіткі межі однорідних областей і надійні їх кількісні оцінки. При цьому області матимуть довільну геометричну форму, що наочно видно при відповідному картографуванні, а всі точки, зосереджені в кожній з них, можуть у подальшому підлягати сумісній математичній обробці з метою обчислення характеристик деформації.

3)      Деформацію слід подати функціональними залежностями, вид яких встановлюється емпіричним шляхом для кожної однорідної області. Такі залежності повинні задовольняти вимогам однозначності, неперервності, відмінності від нуля якобіана. Це дає змогу виявити загальні тенденції деформування земної поверхні, пов’язати їх з особливостями будови території, прогнозувати просторово-часові перетворення.

4)      На основі отриманих функціональних залежностей і положень класичної теорії пружності рекомендується обчислити інваріантні характеристики деформації, основними з яких є зсув (описує зміну форми) і дилатація (описує зміну об’єму). Це дозволяє установити фізичний (механічний) зміст явища, дати йому наочний кількісний розв’язок і визначити найбільш небезпечні у деформаційному відношенні зони (розтягнення-стиснення)[12].

Розглянуті методологічні особливості можуть бути складовою частиною комплексних досліджень проблеми деформованого стану земної поверхні, її картографування, побудови найбільш адекватних математичних моделей.

2.2 Представлення горизонтальних деформацій земної поверхні за результатами повторних лінійно-кутових вимірів

Горизонтальні деформації земної поверхні зазвичай зображують у вигляді векторів горизонтальних зміщень пунктів лінійно-кутових мереж геодинамічних полігонів. При цьому, як правило, застосовується гіпотеза про незмінність в часі взаємного положення не менше двох початкових пунктів мережі.

У роботі було показано, що різне, положення початкових пунктів відносно мережі і району деформацій призводить у результаті до різних варіантів векторів горизонтальних зміщень пунктів. Для розуміння фізичного процесу, що викликав горизонтальні деформації земної поверхні, необхідно виділити межі зони деформацій, визначити напрям деформуючих сил. Для цього використовувалися різниці виміряних і зрівняних кутів і сторін трикутників мережі. По різницях виділялися зони розтягування і стискування, а також ділянки, де горизонтальні деформації не перевищували рівень помилок. Отримана таким чином інформація спільно з векторними схемами дозволила зробити перші висновки про процес деформації в період Великого Толбачинского виверження тріщини 1975-1976 рр.

Для побудови схеми векторів горизонтальних зміщень і уточнення системи «стабільних» пунктів (що не змінили взаємного положення) використовується спосіб трансформації координат двох епох вимірів, який дає позитивні результати в тих випадках, коли «стабільні» пункти розташовуються на протилежних краях мережі. У роботі показано, що при такому розподілі «стабільних» пунктів положення пари твердих пунктів, прийнятих за початкові при зрівнюванні, не впливає на результати трансформації[22].

Ця ситуація, як правило, виникає в лінійно-кутових мережах, що перекривають зони деформацій в районах діючих вулканів.

Якщо система «стабільних» пунктів розташовується на одному краю мережі, то, як показав порівняльний аналіз, спосіб трансформації не має істотних переваг в порівнянні з результатами зрівнювання, в якому пара початкових пунктів розташована на тому ж краю мережі. При цьому векторні схеми дають переважно якісну характеристику горизонтальних деформацій, оскільки у міру віддалення від початкових пунктів проходить накопичення помилок векторів пропорційно помилкам геометричного зв’язку трикутників. Виділити інформацію про зміщення пунктів з фону помилок іноді є не можливим.

Вдалішим виходить розподіл помилок векторів, якщо пару початкових пунктів помістити в центр мережі, оскільки на краях мережі помилки векторів практично однакові, а великі осі еліпсів помилок, як правило, розташовуються по напряму від центру мережі. Утруднення, що викликаються вибором початкових пунктів в центрі мережі, долаються, якщо застосувати вільне зрівнювання. В цьому випадку початкові пункти, не вибираються, вектори зміщень виходять відносно геометричного центру мережі. Накопичення помилок векторів відбувається у міру видалення пунктів від центру мережі, але рівень помилок значно знижується, оскільки рішення виходить, статистично оптимальне.

Схеми векторів, визначених відносно геометричного центру мережі, дають правильніше уявлення про горизонтальні деформації в таких варіантах, в яких геодезичні мережі не виходять за межі зони, що деформується. У інших випадках потрібне залучення додаткових даних з метою встановлення меж зон деформацій і напряму деформуючих сил. Для цього робиться аналіз різниць виміряних і зрівняних елементів трикутників. Векторні схеми тільки у виняткових випадках дозволяють однозначно судити про величину і напрям деформацій земної поверхні.

Іншим способом представлення переміщень земної поверхні являються компоненти деформацій, обчислені для кожного трикутника мережі. Відомі декілька способів обчислення цих компонент : по складових зміщень пунктів по осі абсцис , і по осі ординат , отриманим в результаті роздільного зрівнювання двох епох вимірів; по різницях кутів трикутників; по різницях сторін; по різницях двох виміряних сторін і кута між ними.

Порівняльний аналіз цих способів показав, що для лінійно-кутових мереж переважним є перший спосіб. Проте його необхідно удосконалювати, оскільки розподіл помилок складових зміщень (збільшення помилок у міру видалення від початкових пунктів) впливає на точність отримуваних компонент деформацій.

Досвід зрівнювання різниць виміряних горизонтальних напрямів і похилих відстаней у вільній мережі, без вибору пари початкових пунктів, показав, що помилки зрівняних елементів трикутників трохи змінюються у міру видалення від центру мережі. Ця обставина дозволила запропонувати заходи, сприяючі підвищенню точності вичислені компонент. У кожному трикутнику пропонується обчислювати і оцінювати компонент деформацій по різницях зрівняних сторін і їх кутів дирекцій[25].

Розглянемо теоретичну основу цього способу. Компоненти деформацій в кожному трикутнику мережі обчислюються по наступних формулах:

дилатація

                                                                              (13)

обертання

                                                                                  (14)

максимальне зрушення

                                                              (15)

максимальне розтягування

                                                                                  (16)

мінімальне розтягування

                                                                                  (17)

кут повороту осі

                                                                          (18)

Поєднаємо початок умовної системи координат 0 з вершиною 1 трикутника, направимо вісь абсцис уздовж сторони 1-2, а вісь ординат направимо так, як це прийнято в геодезії (рис. 7). Допустимо, що в епоху  вершини трикутника знаходилися в положенні 1, 2, 3, тоді координати

Рис. 7 Рис. 8

Рис. 7 Умовна система координат трикутника

Рис. 8 Напрямів головних осей деформацій, а - побудовані при формальному використань формул (4-6); б - побудовані з урахуванням співвідношення вершин 2 і 3 виражаються через елементи трикутника таким чином

                                                                       (18)

де  - відповідні довжини сторін трикутника,  - кут між ними.

Якщо в епоху  в результаті деформацій пункти 2 і 3 змістилися і зайняли положення 2' і 3' відповідно, то складові зміщень пунктів по осях абсцис () і ординат () виражаються таким чином через різниці сторін і кутів дирекцій двох епох вимірів:

                                                                                          (19)

                                                                                       (20)

                                                           (21)

де  і  різниці сторін і кутів дирекцій,.

2.3 Точність обчислення координат території яка деформується методами наземної стереофотограмметричної зйомки

Основним джерелом інформації для побудови цифрової моделі кар’єру служить повітряна стереофотограметрична зйомка, що має нині найвищу міру автоматизації збору інформації у виді, придатному для введення в ЕОМ без додаткової «ручної» обробки.

Розширення сфери застосування аерофотозйомки відкритих гірських розробок, застосування нового устаткування вимагають, подальшого вдосконалення методики підготовки, зйомки, обліку умов кар’єру, що конкретно знімається. Визначення параметрів аерозйомки по загальновідомих формулах неповно враховує форму і глибину кар’єру, практично не враховує відхилень опорних точок на стереопарі від стандартного їх розташування. Облік особливостей знімання кар’єру дозволяє скоротити витрати на підготовку і обробку зйомки та гарантує необхідну точність планів уторованих робіт або їх цифрових моделей.

Особливо важливим є облік фактичного розташування опорних точок, оскільки забезпечення стереопар опорними точками згідно з класичною схемою, прийнятою в аеротопографії, практично нездійсненно. Причиною цього можуть бути: недолік кадрів маркшейдерської служби, схема розвитку гірських робіт, недоступність або небезпека визначення точок в потрібних місцях і тому подібне. Оскільки кар’єр є таким об’єктом, який знімається періодично через 1-3 місяці, то витрати праці на розрахунок параметрів першої зйомки виправдані і доцільні[30].

Параметри аерофотознімання відкритих гірських розробок визначаються необхідною точністю координат точок на місцевості і технологією обробки знімків. Нині мають місце два основні варіанти технології обробки знімків:

1)      вимір знімків на стереокомпараторі з автоматичним пристроєм реєстрації вимірів;

2)      вимір знімків на універсальному стереофотограметричному приладі з автоматичною реєстрацією вимірів.

Перший варіант технології має істотні недоліки, котрі на цьому технічному рівні використовуваного в маркшейдерській практиці устаткування, обмежують сферу її застосування.

По-перше, при обробці на стереокомпараторі виконавець має просторове уявлення тільки про невелику ділянку моделі, що утрудняє правильний вибір точок вимірів.

По-друге, при зйомці об’єкту, зображеного на декількох стереопарах, або при продовженні вимірів іншим виконавцем важко орієнтуватися у межах виміряних або невиміряних ділянок.

По-третє, при поповненні раніше виконаних зйомок, практично неможливо надійно визначити межі ділянок, що змінилися, що призводить або до зайвої інформації, або до її. недоліку.

Проте, незважаючи на вказані недоліки, ця технологія має перевагу в точності, оскільки дозволяє виконати обробку фотознімків з урахуванням якнайповнішої математичної моделі їх погрішностей. Розвиток аналітичних стереооброблюючих приладів знімає перераховані обмеження і в майбутньому зробить основним методом в маркшейдерській практиці аналітичну обробку фотознімків як найбільш універсальну і точну.

На аналітичному стереооброблюючому приладі стереомодель місцевості може будуватися при зрівнюванні вимірів найстрогішим методом, а саме методом зв’язок. Тому має сенс розглянути точність поодинокої стереомоделі, що зрівнюється по зв’язках, в складних умовах відкритих розробок.

Аналіз точності стереопари, що зрівнюється по зв’язках, виконався при наступній моделі погрішностей виміряних фотокоординат точок:

-        виміри містять тільки випадкові погрішності з відомою ваговою матрицею;

-        погрішності координат зображень різних точок місцевості статистично незалежні, один від одного.

Початковими параметричними рівняннями служать рівняння колінеарності, які для -ої точки за наявності випадкових погрішностей мають наступний вигляд :

;

                              (22)

;

;

де,  і ,  - фотокоординати, точки на лівому і правому знімках; , …,  і , , …,  - направляючі косинуси осей фотокамери лівого і правого знімків;  - геодезичні координати точки і місцевості;  і  геодезичні координати лівої і правої точок фотографування; f - фокусна відстань знімка;  - поправки у фотокоординати із-за випадкових погрішностей вимірів.

Розклавши в ряд відносно наближених значень невідомих ліві частини рівнянь (22), отримаємо параметричні рівняння поправок в лінійному виді:

                                      (23)

де  - вектор-стовпець поправок в наближені геодезичні координати і-ої точки;  - вектор-стовпець поправок в наближені елементи зовнішнього орієнтування знімків стереопари;  - вектор-стовпець вільних членів;  - вектор-стовпець поправок у виміряні фотокоординати і-ої точки;  і  - матриці з відповідних перших похідних від лівої частини рівнянь (22).

Вагова матриця  рівнянь (23) визначається з наступного співвідношення:

                                       (24)

де  - коваріаційна матриця вектору ;  - дисперсія одиниці ваги.

Можна показати, що рівняння (24) для пари знімків є загальними для будь-якого випадку виміру знімків і будь-якої моделі випадкових погрішностей. Відмінності можуть бути враховані за допомогою матриці , що обчислюється за правилами теорії вірогідності.

Якщо матриця  відрізняється від діагональної, то це означає, що випадкові погрішності координат зображень -ої точки корельовані між собою через дію загального джерела випадкових погрішностей або із-за методу вимірів знімків. Так, якщо координати  і  вичислені по координатах  через виміряні подовжній і поперечний паралакси, то матриця  відрізнятиметься від діагональної.

При використанні стереокомпараторів типу 18 × 18 виміряними величинами є координати х, у точки на лівому знімку, а також подовжньою і поперечний паралакси р і q. Істинні погрішності  цих величин можна виразити наступними співвідношеннями:

                                                      (25)

де  - випадкові відхилення по осях координат зображень точки від центральної проекції на лівому і правому знімках;  - погрішності вимірів координат зображень.

Погрішності  як випадкові величини в загальному випадку статистично залежні один від одного, оскільки вони містять складову, викликану погрішностями зображень і вимірів координатних міток знімків. Проте вплив цієї кореляції при рівнянні стереопари трохи і її можна не враховувати. Якщо по вимірах на стереокомпараторі вичислити координату  і  зображень точки на лівому і правому знімках і прийняти їх в якості виміряних величин, то їх коваріаційна матриця  набере вигляду:

       (26)

При вимірі зображень чітких або маркованих точок на місцевості та сучасній якості фотозображення можна в матрицю (26) внести деякі спрощення, а саме;

де g - константа, залежна від метричної якості фотознімку.

Тоді з матриці (26) маємо:

                                               (27)

Якщо аналогічним чином проаналізувати виміри, виконані на стерекомпараторі матриця  має вигляд:

                                               (28)

При зрівнюванні стереопари по зв’язках система з рівнянь виду (23) вирішується по методу найменших квадратів при виконань умови, що

де t - число точок на стереопарі;  обчислюють за формулою (24) з використанням матриці (27) або (28). В цьому випадку системі (23) відповідає система нормальних рівнянь з наступною матрицею коефіцієнтів:

                (29)

Для оцінки точності визначення геодезичних координат точок обчислюють відповідні елементи зворотної матриці . Проте порядок матриці N досить великий, тому пряме її звернення без пониження порядку скрутно. Пониження порядку матриці N для обчислень елементів її зворотної матриці виконувалося виключенням субматриць  усіх точок, окрім тієї, оцінку точності координат якої необхідно отримати. При цьому для оцінки точності i -ої точки виходила перетворена матриця наступного виду:

                                                                                   (30)

де

;

                                                                              (31)

Матрицю N можна не обертати повністю, досить вичислити її елементи, що відповідають субматриці. Якщо їх позначити  - матриця розміром 3  3, то вона обчислюється за формулою

                                                       (32)

Діагональні елементи матриці  є величинами, зворотними вагам координат точки місцевості, а уся матриця  характеризує еліпсоїд розсіювання випадкових погрішностей координат навколо їх істинного значення. Обчислення матриці  за формулою (32) на основі формул (30) і (31) дозволяє обмежитися розмірами матриць до 12  12, тому обчислення можна виконувати на будь-якому мікрокалькуляторі.

При аерофотозніманні плоскої місцевості поодиноку стереопару характеризують наступні параметри:

-     фокусна відстань фотокамери f;

-        висота зйомки H;

         подовжній паралакс р, що характеризує перекриття знімків;

-        число точок згущування  і їх розміщення в межах стереопари;

         число опорних точок  і їх розміщення в межах стереопари.

Основна трудність аналізу їх впливу на точність визначення координат точок місцевості полягає в тому, що зміна одного параметра може зажадати зміни інших. Наприклад, зміна H вимагає зміни положення точок на місцевості, щоб залишити незмінними величину р. Для деяких параметрів можна знайти екстремальне значення в сенсі точності визначуваних координат точок місцевості, для інших екстремуму не існує[31].

До параметрів першого роду відносяться f, H і р, до параметрів другого роду -  і . Дійсно, збільшуючи число опорних точок і точок згущування до безкінечності, теоретично можна отримати величини зворотні вазі, наприклад, для елементів зовнішнього орієнтування знімків менше будь-якої заданої величини. Проте практична цінність цієї властивості невелика, оскільки починаючи з деякої їх величини зменшення показника точності дуже мало і не виправдовує витрат праці на їх виміри.

На основі практики можна стверджувати, що точки згущування мають бути розміщені рівномірно по стереопарі, а число їх  не повинне перевищувати 14-18. Опорні точки слід розташовувати симетрично відносно меж стереопари, а число їх  має бути 4-5.

Тому має практичний сенс досліджувати вплив f, р і H при  і , при симетричному розташуванні опорних точок відносно меж стереопари.

Розміщення опорних точок у вершинах прямокутника, симетричного відносно меж стереопари, є найбільш типовим випадком, заслуговуючи спеціальних досліджень. Відстань між двома ознаками уздовж базису фотографування позначено через , а перпендикулярна до нього відстань - через .

Очевидно, що величини m - стандартів погрішностей визначуваних координат залежать як від величини L, так і від співвідношення

Аналогічно можна зробити висновок, що відношення m/L при постійних f, p, k (коли розташування зображень на знімках залишається незмінним) не залежить від L. Існує висота фотографування Н0, при якій для фіксованих f, p, k відношення т/L=min. Величина Н0 є функцією виду

вона пропорційна відстані L.

Якщо виконувати фотографування з висоти Н0, то відношення т/L залежатиме від параметрів f, p і k, тобто

де  - точність виміру координат зображень на знімках.

РОЗДІЛ ІІІ. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ГЕОДЕЗИЧНІ СПОСТЕРЕЖЕННЯ ЗА СТАНОМ ДЕФОРМАЦІЙ ПОВЕРХНІ ДОСЛІДЖУВАЛЬНОЇ ДІЛЯНКИ НА ТЕРИТОРІЇ НОВОВОЛИНСЬКОГО КАМ’ЯНОВУГІЛЬНОГО БАСЕЙНУ

3.1 Фактори формування рельєфу ЛВквб

Львівсько-Волинський кам’яновугільний басейн розміщений на Заході України, у верхній частині течії р. Зах. Буг. Басейн витягнутий в меридіальному напрямі приблизно на 100км і має середню ширину до 50км та площу майже 5000 .

Північною межею басейну вважається значне тектонічне порушення, яке проходить північніше м. Володимир-Волинський. 3 північного сходу, сходу і півдня басейн обмежений смугою візейських вапняків, що простягаються через с. Затурці, м. Горохів, східніше м. Буська і південніше м. Львова. На південному заході межа проходить по лінії Рава-Руського розлому, на заході співпадає з державним кордоном України з Польщею. В адміністративному відношенні вказана площа розміщена в південно-західній частині Волинської і північно-західній частині Львівської області. За територіальною приналежністю, особливостями геологічної структури і вугленосності, ступенем розвіданості і промислового освоєння загальна площа басейну поділяється на три райони - Нововолинський, Червоноградський і Південно-Західний[1].

Басейн розміщений у північно-західній частині Волино-Подільської височини, яка переходить на півночі в Поліську низовину. Ця територія представляє собою північні схили Волино-Подільського горбогір’я, розчленовані р. Буг на два великі відроги: західний, що є вододілом між ріками Буг і Вісла, і східний, що є вододілом між ріками Буг і Прип’ять. В цілому поверхня горбогір’я хвилясто-рівнинна, нахилена до півночі, в сторону Полісся. Найвища позначка рельєфу (270,5 м) знаходиться в південно-західній частині басейну між селами Вербове і Промисловка.

Звідси простежується пониження рельєфу з різною інтенсивністю на південь в сторону р. Солокія (абсолютна позначка 188-189 м), а також в східному і північному напрямах до р. Буг (183-186 м).

Для південної і південно-західної частини басейну характерні значна заболоченість і наявність великої кількості блюдцеподібних понижень, заповнених водою. В районі м. Сокаль і на суміжних ділянках найбільша позначка поверхні (254 м) знаходиться міх селами Романівка і Горбків. Звідси рельєф похило понижується на схід і більш круто - на захід, до р. Буг. Він має тут позначки урізу води 184-186 м. На основній вугленосній площі Нововолинського району переважають позначки 190-230 м. Біля сіл Низкиничі і Поромів поки є найбільшими і відповідно становлять 244 і 246 м. В долині р. Буг рельєф понижується до 186 м, а в крайній північно-західній частині (м.Устилуг) до 173 м. Місцями на поверхні спостерігаються дрібні овальні пониження. В паводковий період і при інтенсивному випаданні опадів вони заповнюються водою. Ці форми своїм походженням, вірогідно завдячують виходам крейди на поверхню, розвитку в них карстотворчих процесів і наступного заповнення западин четвертинними відкладами та водою[7].

В крайній північній частині поверхня басейну заходить в межі Поліської низовини, південна межа якої добре виражена у вигляді уступу плато, яке проглядається по лінії Володимир-Волинський - Луцьк. В північному напрямку спостерігається найпомітніше зниження поверхні басейну в районі м. Ковель, вже за межами описуваної ділянки, де абсолютна позначка поверхні понижується до 170 м.

В геологічній будові басейну приймає участь складний комплекс утворень - від архейських до четвертинних. Найбільш давні з них складають кристалічний фундамент, на якому різко не узгоджено залягають породи протерозою, палеозою (кембрію-карбону), мезозою (юри крейди) і кайнозою (неоген-четвертинних) (рис. 9 ).

В геоструктурному відношенні Львівсько-Волинський кам’яновугільний басейн являє собою похилу асиметричну западину, розміщену на південно-західному закінченні Волино-Подільської плити, в зоні перикратонного занурення краю Східно-Європейської: платформи. На південному заході цей район межує з передовим прогином Карпатської геосинкліналі (рис. 9 )[8].

Більшість дослідників (Бобровник, 1960; Болдирьова, 1960; Вартанова, 1954; Вдовенко, Полєтаєв, 1981; Вишняков, Котик, 1969; Вирвіч, Дубік, Єршов, 1978) територію, що розміщена до північного сходу від Передкарпатського прогину, відносять до древньої платформи. Згідно з цією думкою, основні структурні одиниці крайової частини платформенної області сформувались в кінці палеозою в результаті вертикальних зміщень дорифейської основи. Ці рухи мали багатофазовий характер, різну орієнтацію і амплітуду. На формування даного регіону у великій мірі постійно впливали також тектонічні рухи, які відбувалися в сусідній геосинклінальній області, розвиток якої пов’язаний з циклами байкальського, каледонського, герцинського і альпійського складкоутворення.

За структурними ознаками в басейні виділяють такі великі геологічні структури з вугленосними відкладами, як Волинська монокліналь з флексурою, Забугська монокліналь, Сокальська слабо виражена брахисцикліналь, Межирічинська, Тягловська і Коровська синкліналі.

Рис. 9 Тектонічна схема Львівсько-Волинського кам’яновугільного басейну і прилеглих територій: 1 - Львівсько-Волинська западина і її продовження в Польщі; 2 - найбільш прогнута западина з основною промисловою вугленосністю (в межах України); 3 - південно-східне крило Львівського палеозойського прогину, або Волино-Подільська монокліналь; 4 західне крило палеозойського прогину; 5 - Український щит; 6 - Волинський або Ковельський виступ; 7 - Передкарпатський прогин; 8 - Карпатський складчастий корпус; 9 - Словатсько-Ратнівський горст; 10 - Поліська сідловина; 11 - Підлясько-Брестська западина; 12 - величезні тектонічні порушення; 13 - межі структурних підрозділів

Отже, утворення рельєфу та геолого-тектонічної структури даного регіону тривало довгий час і в його будові проявились різні цикли складчастості. Сумарний результат цих рухів проявився на кінцевому формуванні структури Львівсько-Волинського кам’яновугільного басейну. Окремі структурні елементи кам’яновугільної западини утворилися в різний час, тектонічні рухи існували і проявлялись в регіоні постійно з переміною напрямів та інтенсивності напруг.

За фізико-географічними ознаками площа басейну відноситься до лісостепу на півдні і до Полісся - на півночі. Положення її в сфері впливу Атлантичного океану і Євро-Азіатського континенту визначне своєрідність фізико-географічних умов, відображається на формуванні клімату і робить його перехідним від морського до континентального[14].

Середньомісячна температура повітря, за данини багатолітніх спостережень, проведених на різних метеостанціях Львівської і Волинської областей, змінюється від -5,1 до +18,3°С. Максимальна температура (+36 -38)°С відмічається в липні-серпні, мінімальна (-32 -35)°С - в січні-лютому. Амплітуда коливання складає 72°С і є сприятливим фактором для інтенсивного розвитку процесів вивітрювання - низько - і високо градієнтного. Середня річна температура повітря 6,5 - 7,2°С.

Температура ґрунту змінюється з глибиною: зимою - в сторону зменшення, літом - в сторону збільшення. На глибині 0,4 м від’ємна температура (-2,5°С) відмічається в зимові і частково весняні місяці. Мінімальна температура літнього періоду не опускається нижче +14°С. Максимальна температура на цій глибині спостерігається в липні (19,9-22,4°С), середня температура завжди додатня. На. глибині 1,6 м мінімальна температура зареєстрована в квітні (+2,4°С), а максимальна в серпні (+15,7°С). Середньорічна температура коливається від +3,3 до +14,3°С. Глибина замерзання ґрунту в грудні складає 0,9 м, а в гірничих виробітках басейну не перевищує 1,0 м.

Найбільша кількість опадів на протязі року - 720-765 мм, найменша - 375-442 мм. Більше опадів випадає в літній період. Весняна та осіння їх сума в два рази менша; порівняно незначна кількість опадів випадає в зимовий період. Вони обумовлюють розвиток руслових процесів, площинної та лінійної ерозії, явищ заболочування та підтоплення[15].

Середня абсолютна вологість повітря найбільша в літні місяці, досягаючи в серпні 12 мм. Найменші її показники характерні для зими, коли вони не перевищують 3,6 мм. Середня відносна вологість повітря значно зростає від літа до зими і досягає в грудні найвищих значень - 90-91%; мінімальна вона літом і частково весною. Середній дефіцит вологості максимальний влітку і мінімальний взимку (за даними ВО "Укрзахідвугілля").

Найбільша швидкість вітру відмічається в зимові місяці (в середньому 3,7 - 4,9 м/с), мінімальна (2,4-2,9 м/с) - в літній період. Переважає західний напрям вітру.

Підсумовуючи аналіз кліматичних умов регіону, можна констатувати, що вони мають значний вплив на розвиток рельєфотворчих процесів (вивітрювання, тріщино утворення, деформаційні процеси, ерозію, паводки, підтоплення тощо). Рослинний покрив території є порівняно однорідним. Значні площі займають сільськогосподарські угіддя на місці сосново-широколистяних лісів. Береги річок зайняті заплавними луками. Сосново-дубові ліси та ліси з інших листяних порід ростуть на невеликих площах.

На відміну від рослинного ґрунтовий покрив території басейну є доволі різноманітний. Переважають тут світло-сірі та сірі опідзолені ґрунти. Загальною рисою їх морфології є чітка диференціація профілю на фізично і хімічно рівні генетичні горизонти, що зумовлено вимиванням глинисто-колоїдних часток в верхнього і вмиванням їх у нижній горизонти. Крім того, зустрічаються дерново-підзолисті супіщані, темно-сірі опідзолені, чорноземні опідзолені, чорноземи глибокі малогуносні, перегнійно-карбонатні, та інші ґрунти[21].

Отже, найважливішими природними факторами формування рельєфу території Львівсько-Волинського кам’яновугільного басейну є складна геологічна будова, наявність тектонічних порушень земної кори і рельєфу, гідрокліматичні та ґрунтово геоботанічні умови регіону.

В теперішній час найбільший вплив на формування і трансформацію рельєфу території Львівсько-Волинського кам’яновугільного басейну має господарська діяльність людей. Особливе географічне і економічне положення басейну обумовило його термінове і досить інтенсивне промислове освоєння. Видобуток вугілля почато в 1954 р. з введенням в експлуатацію першої вугільної шахти №1 "Нововолинська" (№1 НВ). На протязі десятиріччя було завершено будівництво 2-ої шахти. Об’єм видобутку вугілля на теперішній час становить біля 15 млн. тонн (за даними ВО "Укрзахідвугілля"). Найбільш високу промислову вугленосність мають відклади серпухівського ярусу, які включають до 50 вугільних пластів і прошарків. У верхній частині цього ярусу залягають основні промислові пласти вугілля, які розробляються в басейні. З 12 вугільних пластів і прошарків башкирського ярусу чотири мають робочу потужність. Загальна кількість пластів і прошарків вугілля по ярусах і розподіл промислових пластів за потужністю приводяться в таблиці. Ступінь вугленосності помітно змінюється по площі басейну, збільшуючись в південному напрямі[23].

Вугленосні пласти і прошарки у Львівсько-Волинському кам’яновугільному басейні.

Таблиця 1. Вугленосні пласти і прошарки у Львівсько-Волинському кам’яновугільному басейні

Таблиця 2. Основні параметри вугленосні нижнього карбону

Усі вугільні пласти басейну відносяться до категорії тонких і зовсім тонких. Із 75 пластів і прошарків, встановлених у вугленосній товщі карбону, тільки 14 досягають потужності 0,6 м і більше. Відносно стійку потужність і досить значну площу простягання мають три-п’ять вугільних пластів; три-чотири пласта мають промислове значення лише на деяких шахтних полях, а робоча потужність решти відмічається лише на окремих локальних ділянках і невеличких площах. Переважаюча потужність основних промислових пластів басейну знаходиться в межах 0,6-1,0 м. Досить часто зустрічаються пласти потужністю 1,5 м і рідко 1,9-2,1 м.

Непостійність потужності і структури вугільних пластів пояснюється як умовами їх утворення так і проявом послідуючих внутрішньо-формаційних розмивів та ерозійних процесів.

Основні параметри вугленосності нижнього карбону по районах басейну приведені в таблиці 2 . Максимальна вугленосність серпухівського яруса спостерігається у верхній його частині з зміною потужності від 40 м на півночі до 100 м на півдні. В Нововолинському районі загальний коефіцієнт вугленосності цієї товщі складає 6,95%, а промисловий - 3,8%. Червоноградському районі на полях великомостівських шахт ці коефіцієнти відповідно становлять 7,10 і 5,30 %[26].

Що стосується параметрів вугленосності башкирського ярусу середнього карбону, то для їх визначення немає необхідних вихідних даних. Але за матеріалами розвідки в Люблінському басейні можна з упевненістю сказати, що вугленосність башкирського яруса найбільш висока.

Думку про наявність карбонових вугленосних відкладів на цій території вперше висловив російський геолог М.М.Тетяєв в 1912 р. на основі загального геологічного аналізу.

Інтенсивний видобуток вугілля в басейні призводить до значних деформацій рельєфу, порушує природний стан довкілля. Загальна площа шахтних полів басейну становить понад 325 . Просідання поверхні, глибина якої коливається від 0,6 до 3,9 м, фіксується на площі біля 150  Часто ці території підлягають затопленню чи підтопленню, особливо в долинах рік З.Буг, Рата, Боротня. Тільки в Червоноградському районі в зону затоплення попадає 8 населених пунктів в яких 1120 будівель періодично затоплюються і підтоплюються. В зв’язку з цим, вже знесено понад 100 господарських дворів. Значних збитків наносять деформаційні процеси техногенного рельєфу лісонасадженням та сільськогосподарським угіддям. Втрати лісу на 2000 рік становлять 1411,6 тисяч грн., на кінець виробіток - 2185,3 тис. грн. Площа сільськогосподарських угідь, що попадають в зону просадок, сягає 20 тис. га[29].

Землі, що піддаються процесам просідання, знаходяться в сівозмінах і використовуються як пасовища, сіножаті чи для посіву різних сільськогосподарських культур. Меліорація цих земель в даних умовах є малоефективною.

Деяка інформація про експлуатацію земель по Червоноградській групі шахт подана в табл. 3 (за даними геолого-екологічного центру ДГП „Західукргеологія”).

Для розробки запасів вугілля, промислового і житлового будівництва в басейні відведені значні земельні площі (біля 1200 га; Волинська область - 242,2 га, Львівська - 954,6 га). Під багато-чисельними природними відвалами зайнято до 200 га орної землі, де зберігається більше 40  гірських порід.

Вивчення природних і техногенних факторів формування рельєфу є важливим етапом виконання програми геодезичного моніторингу території Львівсько-Волинського кам’яновугільного басейну по створенню статичної моделі. При подальшому веденні гірничих ти інших робіт деформаційні процеси рельєфу мають значний негативний вплив на довкілля, що є підтвердженням необхідності створення динамічної моделі геодезичного моніторингу техногенного рельєфу басейну[28].

Таблиця 3. Експлуатація земель по Нововолинській групі шахт на сучасному рівні розвитку

3.2.   Комп’ютерно-експерементальні дослідження рельєфу для Іваничівського району за допомогою кореляційних дій та ізотропності

Кореляційна функція та її графічне представлення - корелограма мають ряд переваг в тому, що вони не випадкові, можуть бути подані математичними рівняннями, також дозволяють виконувати поділ процесу на детерміновану та випадкову складові. Так, візуально профілі рельєфу можуть значно відрізнятись один від одного, але їх корелограми будуть одні і ті ж, що буде свідчити про належність профілів до одного і того ж типу рельєфу. При дослідженні кореляційних зв’язків рельєфу за детерміновану основу можна прийняти поверхню першого порядку. В таких випадках дисперсії профілів будуть приблизно рівні дисперсії випадкового поля, не залежно від напрямку. Це дозволить розрахунки кореляційних функцій випадкового поля висот виконати по окремим профілям, не обмежуючись ергодичним напрямком[16-19].

Загальним виразом для розрахунку кореляційної функції є:

                                                                (33)

де t - аргумент кореляційної функції;- довжина реалізації профілю рельєфу;(r),h(r + t) - значення функції рельєфу в точках r та r + t відповідно.

Якщо профіль рельєфу подано в дискретній формі, то для розрахунку кореляційної функції використовується така формула:

                                            (34)

де n - кількість точок профілю;(і),h(і + t)         - значення ординат відповідно в і та і + t точках профілю;(і),hg(і + t)- значення ординат детермінованої основи.

Експериментальні дослідження по розрахунку кореляційних функцій окремо виконано для рельєфу південних районів Волинської області та південної частини Волинської області. Одержання відміток по цифровій моделі рельєфу, обчислення детермінованої основи та її параметрів і розрахунки кореляційної функції для кожного об’єкту були виконані по десяти напрямках через 0,1p з кроком в 1 км[13].

В процесі обробки даних для кожного із досліджуваних об’єктів для визначення значень кореляційної функції одержують кореляційну матрицю виду

                                                   (35)

з якої утворюють матрицю нормованих кореляційних моментів (36) шляхом нормування їх членів діагональними елементами:

                                                     (36)

Нормовані кореляційні матриці дозволяють більш наочно проводити аналіз типів рельєфу. Так, наприклад, аналізуючи значення нормованої кореляційної функції рельєфу Іваничівського району (дод. А) та південної частини Волинської області (табл. 4) переконуємося, що будова рельєфу майже однакова. В той же час кореляційні функції  (табл. 5, дод. Б і рис. 6, дод. В) більш наочно підкреслюють вираженість рельєфу[].

Відомо, що для стаціонарного процесу (однорідного випадкового поля) кореляційна функція як і нормована кореляційна функція залежить тільки від t. Відповідно при постійному t кореляційна функція повинна бути сталою. В формулах (35) та (36) сталому t відповідає головна діагональ та паралелі цієї діагоналі. Тому ми одержали середні значення функції (табл. 4-5, дод. А-Б)

Таблиця 4. Значення нормованої кореляційної функції рельєфу пд. частини Волинської області

Таблиця 5 Значення кореляційної функції рельєфу південної частини Волинської області

Для більш повного дослідження та порівняння кореляційних залежностей типів рельєфу поряд з кореляційними матрицями, корелограмами бажано мати математичні вирази кореляційної функції, щоб при подальших аналізах скористатись параметрами цього виразу. При цьому математичні вирази, якими описуються криві, що апроксимують кореляційні функції повинні задовольняти загальним властивостям кореляційних функцій та відображати характерні властивості отриманих кривих[17].

В багатьох задачах  добре апроксимується виразами:

                                                                                     (37)

                                                                            (38)

                                                                                   (39)

                                                                                     (40)

                                                              (41)

з яких перші два (37) та (38) відповідають недиференційованому процесу, а наступні три - процесу, що має першу похідну.

При дослідженні виразів цього типу значенням D можна вважати оцінку дисперсії (тобто К(0)), а константи a та b визначити найбільш характерними точками кривої .

Як показують дослідження в утворенні форм рельєфу земної поверхні спостерігається експоненційна залежність у поєднанні складними гармонічними коливаннями.

Графік кореляційної функції (рис. 10, дод. В) дозволяє також припустити, що для апроксимації кореляційної функції можна застосувати рівняння затухаючих гармонічних коливань, коли коефіцієнт опору k менший за коефіцієнт відновлення w, тобто коли .

Рис. 1.3. Корелограми рельєфу південної частини Волинської області

Таблиця 6. Значення кореляційної та апроксимуючої функцій рельєфу південної частини Волинської області