Геолого-геоморфологические факторы аварийности трубопроводов (на примере северных штатов США)
|
Введение 3
Глава 1. Физико-географическое описание территории Монтаны, Северной Дакоты и Аляски 6
Глава 2. Четвертичные отложения Монтаны, Северной Дакоты и Аляски 13
Глава 3. Системно-морфологический подход А.Н.Ласточкина: геотопологические параметры и их геоэкологическое значение 24
Глава 4. Создание базы данных аварий трубопроводов в трёх штатах США и измерение геотопологических параметров элементарных поверхностей на репрезентативном трубопроводе 28
Глава 5. Распределение природообусловленных аварий трубопроводов по геолого - геоморфологическим параметрам элементарных поверхностей 34
5.1. Анализ распределения природообусловленных аварий по геоморфологическим
характеристикам элементарных поверхностей 34
5.2. Анализ распределения природообусловленных аварий по различным типам
четвертичных отложений 42
Глава 6. Сравнение полученных данных о распределении аварий в северных штатах США с литературными данными о распределении аварий в Российской Федерации 46
Заключение 50
Список использованной литературы 53
Приложение 56
Глава 1. Физико-географическое описание территории Монтаны, Северной Дакоты и Аляски 6
Глава 2. Четвертичные отложения Монтаны, Северной Дакоты и Аляски 13
Глава 3. Системно-морфологический подход А.Н.Ласточкина: геотопологические параметры и их геоэкологическое значение 24
Глава 4. Создание базы данных аварий трубопроводов в трёх штатах США и измерение геотопологических параметров элементарных поверхностей на репрезентативном трубопроводе 28
Глава 5. Распределение природообусловленных аварий трубопроводов по геолого - геоморфологическим параметрам элементарных поверхностей 34
5.1. Анализ распределения природообусловленных аварий по геоморфологическим
характеристикам элементарных поверхностей 34
5.2. Анализ распределения природообусловленных аварий по различным типам
четвертичных отложений 42
Глава 6. Сравнение полученных данных о распределении аварий в северных штатах США с литературными данными о распределении аварий в Российской Федерации 46
Заключение 50
Список использованной литературы 53
Приложение 56
Одной из задач инженерно-геологических изысканий является изучение причин и условий аварийности существующих трубопроводов для целей информационного обеспечения проектирования трубопроводов и объектов инженерного обустройства, а также рациональной эксплуатации трубопроводной системы. В частности, оценка факторов аварийности трубопроводов необходима для выбора оптимальной трассы трубопроводов; разработки инженерных решений по предотвращению аварийных ситуаций; оценки возможного воздействия на окружающую среду и разработки природоохранных мероприятий.
Инженерно-геологическое изыскания включают в себя предполевой, полевой и заключительный этапы (Симонов, Кружалин, 1993). В рамках предполевого этапа проводят сбор литературных данных, которые используются на втором и третьем этапах, а, главное, при обосновании выводов и рекомендаций. Таким образом, при прогнозировании потенциальной аварийности современные инженерно-геологические изыскания для строительства трубопроводов основываются на предшествующих полевых исследованиях и оценке состояния уже эксплуатируемых трубопроводов. Это есть пример решения обратной задачи исследований - прогнозирования еще не исследованных свойств (потенциальной аварийности) на основе выявленных ранее корреляций между геолого - географическими свойствами местности и параметрами аварийности. Например, оценка риска аварийности на проектируемых трубопроводах Южно -Баганского месторождения в республике Коми (Жиров и др., 2016) была основана на эмпирических данных по аварийности трубопроводов, полученных для разных типов элементарных поверхностей (Арманд, 1993) и для участков земной поверхности с разными геоморфологическими параметрами (Машков К.А. 2007).
Среди факторов аварийности трубопроводов выделяют природные и антропогенные. К антропогенным факторам аварийности относят конструктивные недостатки трубопровода, брак строительства/изготовления, ошибочные действия персонала при эксплуатации, износ оборудования и др. (Савонин и др., 2015). Природные факторы, доля которых составляет примерно 30 %, включают в себя "коррозионные воздействия и воздействия геологической среды, проявляющиеся как экзогенные геологические процессы" (Машков, 2007).
Существует проблема отсутствия единой методики оценки природных факторов аварийности. Исследования российских учёных (Жиров и др., 2016; Машков, 2007;
Марахтанов, Великоцкий, 2015) плохо сравнимы между собой, так как подходы, использованные в разных регионах, привязаны к местным условиям (например, при выделении того или иного типа рельефа, ландшафта, фитоценоза). Из-за этого трудно выделить формализованные и чётко определяемые природные факторы, которые можно было бы использовать в среде ГИС. Для формализации лучше использовать системноморфологический подход А.Н.Ласточкина, опирающийся на интегративную роль рельефа в природных ландшафтах и основанный на первоначальном выделении и фиксации морфологических элементов земной поверхности. С А.Н.Ласточкиным соглашается и А. В. McBratney с соавторами (McBratney и др., 2000.), отмечая, что среди переменных окружающей среды наиболее диагностически ценными оказываются характеристики рельефа. А.Н.Ласточкин выделяет такие основные геоморфологические параметры, как абсолютная высота, уклон (крутизна) земной поверхности, вертикальная кривизна, горизонтальная кривизна (Ласточкин, 2011). Исследователи (Жиров и др., 2016; Машков, 2007; Марахтанов, Великоцкий, 2015) изучали зависимость аварийности от природных факторов, а именно распределение аварий по стратиграфо-генетическим комплексам и отдельным геоморфологическим параметрам (по склонам различной крутизны, по склонам различной экспозиции, распределение в зависимости от растительности, типа рельефа, от угла между трубопроводом и линией (азимутом) падения склона), однако в анализ не были включены такие геоморфологические характеристики, как абсолютная высота, горизонтальная и вертикальная кривизна, а, главное, приуроченность к тому или иному площадному элементу рельефа или близость к его линейным элементам - структурным линиям.
Поэтому целью данной работы является выявление закономерностей распределения природообусловленных аварий трубопроводов по разным типам элементарных поверхностей с разными геоморфологическими и геологическими характеристиками. Среди анализируемых параметров: абсолютная высота, крутизна склона (уклон), горизонтальная кривизна, вертикальная кривизна, относительная высота, элементарные поверхности, азимут падения склона, близость к структурной линии, четвертичные отложения.
Для достижения цели необходим анализ детальной статистики аварийности на трубопроводах. К сожалению, российская статистика аварийности на трубопроводах отсутствует в открытом доступе, есть только некоторые обобщающие данные по трубопроводной системе РФ (Власова, 2017). Однако, необходимая статистика была обнаружена в Национальной системе картографирования трубопроводов США. В этой базе наряду с интерактивной картой с объектами трубопроводной инфраструктуры содержатся подробные протоколы аварий. Для анализа были выбраны три штата - Аляска, Монтана, Северная Дакота - чьи природные условия ближе к российским.
Объектом исследования являются трубопроводы на территории 3-х штатов США (Монтана, Северная Дакота, Аляска). Предмет - геолого-геоморфологические факторы, влияющие на аварийность трубопроводов.
Задачи исследования:
• Сбор статистических данных об авариях в трёх штатах США (Монтана, Северная Дакота, Аляска) и создание базы данных с измеренными геолого-геоморфологическими параметрами
• Измерение геоморфологических параметров элементарных поверхностей
на репрезентативном трубопроводе и их сравнение с распределением точек аварий по геоморфологическим параметрам
• Статистическая обработка данных и их анализ
• Сравнение полученных результатов с литературными данными о распределении аварий на трубопроводах РФ
Используемые материалы:
• база данных об авариях трубопроводов на территории США Национальной системы картографирования трубопроводов США (The National Pipeline Mapping System - NPMS), выложенная в Интернет;
• навигационная программа SAS.Planet, позволяющая работать с большим количеством картографических online-сервисов;
• топографические карты ESRI (USA_Topo_Maps) - бесшовные отсканированные изображения бумажных топографических карт Геологической службы США (USGS) масштабов 1:100 000 и 1:24 000 (для Аляски - 1:250 000 и 1:63 000);
• космические снимки картографического сервиса Bing Maps;
• база данных Геологической службы США (U.S. Geological Survey) и Ассоциации американских государственных геологов (Association of American State Geologists (AASG)) "Национальная геологическая карта США" (National Geologic Map Database (NGMDB)), дающая доступ к картам и публикациям Геологической службы США, правительственных агенств, обществ, университетов и частного сектора;
• программа Excel для создания базы данных и статистической обработки результатов.
Инженерно-геологическое изыскания включают в себя предполевой, полевой и заключительный этапы (Симонов, Кружалин, 1993). В рамках предполевого этапа проводят сбор литературных данных, которые используются на втором и третьем этапах, а, главное, при обосновании выводов и рекомендаций. Таким образом, при прогнозировании потенциальной аварийности современные инженерно-геологические изыскания для строительства трубопроводов основываются на предшествующих полевых исследованиях и оценке состояния уже эксплуатируемых трубопроводов. Это есть пример решения обратной задачи исследований - прогнозирования еще не исследованных свойств (потенциальной аварийности) на основе выявленных ранее корреляций между геолого - географическими свойствами местности и параметрами аварийности. Например, оценка риска аварийности на проектируемых трубопроводах Южно -Баганского месторождения в республике Коми (Жиров и др., 2016) была основана на эмпирических данных по аварийности трубопроводов, полученных для разных типов элементарных поверхностей (Арманд, 1993) и для участков земной поверхности с разными геоморфологическими параметрами (Машков К.А. 2007).
Среди факторов аварийности трубопроводов выделяют природные и антропогенные. К антропогенным факторам аварийности относят конструктивные недостатки трубопровода, брак строительства/изготовления, ошибочные действия персонала при эксплуатации, износ оборудования и др. (Савонин и др., 2015). Природные факторы, доля которых составляет примерно 30 %, включают в себя "коррозионные воздействия и воздействия геологической среды, проявляющиеся как экзогенные геологические процессы" (Машков, 2007).
Существует проблема отсутствия единой методики оценки природных факторов аварийности. Исследования российских учёных (Жиров и др., 2016; Машков, 2007;
Марахтанов, Великоцкий, 2015) плохо сравнимы между собой, так как подходы, использованные в разных регионах, привязаны к местным условиям (например, при выделении того или иного типа рельефа, ландшафта, фитоценоза). Из-за этого трудно выделить формализованные и чётко определяемые природные факторы, которые можно было бы использовать в среде ГИС. Для формализации лучше использовать системноморфологический подход А.Н.Ласточкина, опирающийся на интегративную роль рельефа в природных ландшафтах и основанный на первоначальном выделении и фиксации морфологических элементов земной поверхности. С А.Н.Ласточкиным соглашается и А. В. McBratney с соавторами (McBratney и др., 2000.), отмечая, что среди переменных окружающей среды наиболее диагностически ценными оказываются характеристики рельефа. А.Н.Ласточкин выделяет такие основные геоморфологические параметры, как абсолютная высота, уклон (крутизна) земной поверхности, вертикальная кривизна, горизонтальная кривизна (Ласточкин, 2011). Исследователи (Жиров и др., 2016; Машков, 2007; Марахтанов, Великоцкий, 2015) изучали зависимость аварийности от природных факторов, а именно распределение аварий по стратиграфо-генетическим комплексам и отдельным геоморфологическим параметрам (по склонам различной крутизны, по склонам различной экспозиции, распределение в зависимости от растительности, типа рельефа, от угла между трубопроводом и линией (азимутом) падения склона), однако в анализ не были включены такие геоморфологические характеристики, как абсолютная высота, горизонтальная и вертикальная кривизна, а, главное, приуроченность к тому или иному площадному элементу рельефа или близость к его линейным элементам - структурным линиям.
Поэтому целью данной работы является выявление закономерностей распределения природообусловленных аварий трубопроводов по разным типам элементарных поверхностей с разными геоморфологическими и геологическими характеристиками. Среди анализируемых параметров: абсолютная высота, крутизна склона (уклон), горизонтальная кривизна, вертикальная кривизна, относительная высота, элементарные поверхности, азимут падения склона, близость к структурной линии, четвертичные отложения.
Для достижения цели необходим анализ детальной статистики аварийности на трубопроводах. К сожалению, российская статистика аварийности на трубопроводах отсутствует в открытом доступе, есть только некоторые обобщающие данные по трубопроводной системе РФ (Власова, 2017). Однако, необходимая статистика была обнаружена в Национальной системе картографирования трубопроводов США. В этой базе наряду с интерактивной картой с объектами трубопроводной инфраструктуры содержатся подробные протоколы аварий. Для анализа были выбраны три штата - Аляска, Монтана, Северная Дакота - чьи природные условия ближе к российским.
Объектом исследования являются трубопроводы на территории 3-х штатов США (Монтана, Северная Дакота, Аляска). Предмет - геолого-геоморфологические факторы, влияющие на аварийность трубопроводов.
Задачи исследования:
• Сбор статистических данных об авариях в трёх штатах США (Монтана, Северная Дакота, Аляска) и создание базы данных с измеренными геолого-геоморфологическими параметрами
• Измерение геоморфологических параметров элементарных поверхностей
на репрезентативном трубопроводе и их сравнение с распределением точек аварий по геоморфологическим параметрам
• Статистическая обработка данных и их анализ
• Сравнение полученных результатов с литературными данными о распределении аварий на трубопроводах РФ
Используемые материалы:
• база данных об авариях трубопроводов на территории США Национальной системы картографирования трубопроводов США (The National Pipeline Mapping System - NPMS), выложенная в Интернет;
• навигационная программа SAS.Planet, позволяющая работать с большим количеством картографических online-сервисов;
• топографические карты ESRI (USA_Topo_Maps) - бесшовные отсканированные изображения бумажных топографических карт Геологической службы США (USGS) масштабов 1:100 000 и 1:24 000 (для Аляски - 1:250 000 и 1:63 000);
• космические снимки картографического сервиса Bing Maps;
• база данных Геологической службы США (U.S. Geological Survey) и Ассоциации американских государственных геологов (Association of American State Geologists (AASG)) "Национальная геологическая карта США" (National Geologic Map Database (NGMDB)), дающая доступ к картам и публикациям Геологической службы США, правительственных агенств, обществ, университетов и частного сектора;
• программа Excel для создания базы данных и статистической обработки результатов.
Был проведён детальный анализ статистики аварий на трубопроводах США для выявления зависимости аварийности от рельефа. Для того, чтобы результаты анализа были сравнимы с последующими исследованиями в этой области, был использован системно-морфологический подход А.Н. Ласточкина, в рамках которого возможно однозначное выявление естественной делимости рельефа и выделение элементарных ландшафтов (элементарных поверхностей). Для каждой аварии были измерены геотопологические параметры той элементарной поверхности, на которой она произошла. Чтобы учесть тот факт, что трубопроводы чаще всего прокладывают в наиболее безопасных местах, геотопологические параметры также были измерены на всей протяжённости "репрезентативного трубопровода", который проходит через все представленные в северных штатах США природные зоны. В итоге в анализ зависимости аварийности от крутизны склонов, вертикальной кривизны, горизонтальной кривизны, относительной высоты, экспозиции и приуроченности к элементарным поверхностям была включена не абсолютная величина количества аварий, а относительная - удельная аварийность трубопроводов (количество аварий с определённым значением геотопологического параметра/протяжённость репрезентативного трубопровода, проходящего по элементарным поверхностям с таким же значением геотопологического параметра).
Также был проведён анализ распределения природообусловленных аварий по различным типам четвертичных отложений. Легенды карт Геологической службы США были приведены к единому виду для дальнейшего обобщения и анализа. Выявленные закономерности распределения аварий по генетическим типам четвертичных отложений были объяснены с привлечением данных о физико-механических, прочностных свойствах грунтов.
Полученные данные по аварийности трубопроводов США были сопоставлены с литературными данными по аварийности отдельных регионов Российской Федерации, а также с общими данными о причинах аварийности в РФ.
В результате проделанной работы были сделаны следующие выводы:
1) Повышенная аварийность выявлена:
- на абсолютных высотах 400-900 м, что обусловлено физико-географическим положением северных штатов США, где значительную часть занимают горы или возвышенные равнины. С абсолютной высотой связана вертикальная расчлененность рельефа, которая является негативным фактором для трубопроводов;
- на склонах с относительной высотой 83-99 метров из-за большой крутизны и сильной расчленённости этих склонов;
- на склонах с крутизной 4-8° (что связано с максимальной влажностью грунтов и наиболее интенсивным массовым движением грунта) и особенно выше 23° (из-за изменения давления в трубопроводе);
- на вогнутых в плане склонах, что связано с высокой вероятностью активизации опасных экзогенных, в том числе линейной эрозии;
- на сильновогнутых (из-за повышенной влажности) и сильновыпуклых (из-за интенсивного выноса веществ) в профиле склонах;
- на склонах северной, восточной и северо-восточной экспозиции (причина - повышенная влажность грунтов из-за муссонной циркуляции атмосферы в Монтане и Северной Дакоте и меньшей теплообеспеченности северных склонов в северном полушарии). Отмеченная аварийность на юго-западных и западных склонах объясняется выпадением осадков на склонах этих экспозиций на юге Аляски;
- на плоскодонных (из-за повышенной влажности) и привершинных верхних поверхностях (из-за максимального прихода влаги при первичном распределении осадков и веществ);
- на линиях вогнутых перегибов и килевых линиях (где происходит линейная эрозия и аккумуляция вещества). Также отмечено влияние близости к структурным линиям: на расстоянии 0-50 м отмечено наибольшее количество аварий;
- на аллювиальных отложениях (из-за влажности современного пойменного аллювия и лёссовидного облика древнего пойменного аллювия; общей многослойности аллювиальных отложений и, как следствие, изменчивости прочностных характеристик в одной толще).
2) Выявленные закономерности распределения аварий трубопроводов северных штатов США по уклонам, экспозиции, четвертичным отложениям и типам элементарных поверхностей в общем совпали с данными из литературных источников по российским трубопроводам. Существенные различия обнаружены в причинах аварийности, что связано со спецификой трубопроводных систем РФ и США и с особенностями составления актов технического расследования в этих странах. Но выявляются и общие тенденции:
- в обеих странах антропогенные причины преобладают;
- в обеих странах примерно одинаковый вклад в аварийность вносят природные причины;
- значительный вклад в аварийность вносят дефекты труб и оборудования, а также повреждения при строительных работах;
- отмечена низкая аварийность по причине нарушения правил технической эксплуатации.
Результаты работы можно применять при предпроектных инженерно-геологических изысканиях при выборе наименее аварийноопасного маршрута трубопровода.
Промежуточные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях:
1. Доклад «Анализ влияния природных факторов на аварийность трубопроводов» на I Всероссийской студенческой конференции «Стратегическое развитие России: внешние и внутренние вызовы», проходившей 15 декабря 2017 года в Санкт-Петербургском государственном университете;
2. Доклад «Факторы аварийности трубопроводов в северных штатах США» на Третьей международной научной конференции «Арктика: история и современность», проходившей 18-19 апреля 2018 года в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого;
3. Доклад «Геоморфологические факторы аварийности трубопроводов (на примере северных штатов США)» на Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Теория и практика современных географических исследований», посвященной 180-летию российского путешественника и натуралиста, исследователя Центральной Азии Н.М. Пржевальского, СПб, 2019.
Также был проведён анализ распределения природообусловленных аварий по различным типам четвертичных отложений. Легенды карт Геологической службы США были приведены к единому виду для дальнейшего обобщения и анализа. Выявленные закономерности распределения аварий по генетическим типам четвертичных отложений были объяснены с привлечением данных о физико-механических, прочностных свойствах грунтов.
Полученные данные по аварийности трубопроводов США были сопоставлены с литературными данными по аварийности отдельных регионов Российской Федерации, а также с общими данными о причинах аварийности в РФ.
В результате проделанной работы были сделаны следующие выводы:
1) Повышенная аварийность выявлена:
- на абсолютных высотах 400-900 м, что обусловлено физико-географическим положением северных штатов США, где значительную часть занимают горы или возвышенные равнины. С абсолютной высотой связана вертикальная расчлененность рельефа, которая является негативным фактором для трубопроводов;
- на склонах с относительной высотой 83-99 метров из-за большой крутизны и сильной расчленённости этих склонов;
- на склонах с крутизной 4-8° (что связано с максимальной влажностью грунтов и наиболее интенсивным массовым движением грунта) и особенно выше 23° (из-за изменения давления в трубопроводе);
- на вогнутых в плане склонах, что связано с высокой вероятностью активизации опасных экзогенных, в том числе линейной эрозии;
- на сильновогнутых (из-за повышенной влажности) и сильновыпуклых (из-за интенсивного выноса веществ) в профиле склонах;
- на склонах северной, восточной и северо-восточной экспозиции (причина - повышенная влажность грунтов из-за муссонной циркуляции атмосферы в Монтане и Северной Дакоте и меньшей теплообеспеченности северных склонов в северном полушарии). Отмеченная аварийность на юго-западных и западных склонах объясняется выпадением осадков на склонах этих экспозиций на юге Аляски;
- на плоскодонных (из-за повышенной влажности) и привершинных верхних поверхностях (из-за максимального прихода влаги при первичном распределении осадков и веществ);
- на линиях вогнутых перегибов и килевых линиях (где происходит линейная эрозия и аккумуляция вещества). Также отмечено влияние близости к структурным линиям: на расстоянии 0-50 м отмечено наибольшее количество аварий;
- на аллювиальных отложениях (из-за влажности современного пойменного аллювия и лёссовидного облика древнего пойменного аллювия; общей многослойности аллювиальных отложений и, как следствие, изменчивости прочностных характеристик в одной толще).
2) Выявленные закономерности распределения аварий трубопроводов северных штатов США по уклонам, экспозиции, четвертичным отложениям и типам элементарных поверхностей в общем совпали с данными из литературных источников по российским трубопроводам. Существенные различия обнаружены в причинах аварийности, что связано со спецификой трубопроводных систем РФ и США и с особенностями составления актов технического расследования в этих странах. Но выявляются и общие тенденции:
- в обеих странах антропогенные причины преобладают;
- в обеих странах примерно одинаковый вклад в аварийность вносят природные причины;
- значительный вклад в аварийность вносят дефекты труб и оборудования, а также повреждения при строительных работах;
- отмечена низкая аварийность по причине нарушения правил технической эксплуатации.
Результаты работы можно применять при предпроектных инженерно-геологических изысканиях при выборе наименее аварийноопасного маршрута трубопровода.
Промежуточные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях:
1. Доклад «Анализ влияния природных факторов на аварийность трубопроводов» на I Всероссийской студенческой конференции «Стратегическое развитие России: внешние и внутренние вызовы», проходившей 15 декабря 2017 года в Санкт-Петербургском государственном университете;
2. Доклад «Факторы аварийности трубопроводов в северных штатах США» на Третьей международной научной конференции «Арктика: история и современность», проходившей 18-19 апреля 2018 года в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого;
3. Доклад «Геоморфологические факторы аварийности трубопроводов (на примере северных штатов США)» на Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Теория и практика современных географических исследований», посвященной 180-летию российского путешественника и натуралиста, исследователя Центральной Азии Н.М. Пржевальского, СПб, 2019.
Содержание ВКР — Геолого-геоморфологические факторы аварийности трубопроводов (на примере северных штатов США)
Выдержки из ВКР — Геолого-геоморфологические факторы аварийности трубопроводов (на примере северных штатов США)