Библиотечный каталог авторефератов Украины

ХАРКІВСЬКИЙ  НАЦІОНАЛЬНИЙ

АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ  УНІВЕРСИТЕТ

БЄЛЯТИНСЬКИЙ АНДРІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

                                                                                            УДК 625.745.11

ГІДРОЛОГІЧНІ РОЗВІДУВАННЯ МОСТОВИХ ПЕРЕХОДІВ З ЗАСТОСУВАННЯМ МЕТОДІВ ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ ЗЕМЛІ

05.22.11- автомобільні шляхи та аеродроми

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки 

України та Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

Большаков Валерій Олексійович,  доктор технічних

наук, професор кафедри мостів і тунелів  Національного

транспортного університету МОН України (м.Київ),

Заслужений діяч науки і техніки України.

Офіційні опоненти:  Філіппов Володимир Володимирович,  доктор технічних наук,

професор кафедри будівництва та експлуатації автомобільних доріг  ім. О.К. Біруля Харківського національного автомобільно-дорожнього університету МОН України (м. Харків).

Боровий Валентин Олександрович, доктор технічних  наук,

професор, ректор Чернігівського державного інституту

економіки і управління МОН України (м. Чернігів).

Білеуш Анатолій Іванович,  доктор технічних наук,

професор кафедри дистанційного навчання Національного

авіаційного  університету МОН України (м.Київ).    

Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури  Міністерства освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться “26“ травня 2005 року о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.01 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002, Україна, м.Харків, вул.Петровського 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, Україна, м.Харків, вул.Петровського 25.

Автореферат розісланий “25“  квітня  2005 року.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент                                                                Кияшко І.В.ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найбільш масовими спорудами при перетині автомобільними дорогами річок та інших водних перепон є мостові переходи. Споруди мостових переходів взаємодіють з водним потоком і можуть бути затоплені і зруйновані водою, що тече. Однією з основних причин, що викликають руйнування мостових переходів під час повеней, є перевищення фактичних витрат над витратами, за якими були розраховані споруди.

Велика кількість руйнувань мостових переходів, заплавних насипів та регуляційних споруд на Україні, особливо в Закарпатті, ставить питання про необхідність більш надійного визначення витрат води, гідрологічних характеристик, встановлення руслових деформацій та ін., тобто при гідрологічних розвідуваннях нових та при обстеженні існуючих мостових переходів слід застосовувати більш досконалі прогресивні сучасні методи, комп'ютерні технології.

Застосування аерокосмічних методів для отримання якісно нової інформації про природні процеси на річках та їх водозбори робить актуальним питання вибору найбільш надійних моделей дистанційної інформації, що здатні давати найкращі результати. Аерокосмічна інформація володіє такою принциповою особливістю, як просторово-часова і факторна інтеграція, що адекватна природній інтеграції.

Вивчення заплавних розливів в часі (у високу повінь) і в просторі (по довжині річки) має практичне і наукове значення, оскільки за отриманими закономірностями затоплення і випорожнення вздовж річки в процесі проходження повені стає можливим  забезпечити більш точний прогноз найвищих рівнів на мостових переходах, як на всьому протязі річки, так і на всій річковій мережі цілого регіону. Для цього випадку очевидні переваги спостережень з космічних висот, а саме: постійність спостереження за річками в районі мостових переходів, велика оглядовість і швидкість отримання інформації.

Незважаючи на значне розширення сфери дистанційного зондування Землі, як з космосу, так і з літака, цей метод при гідрологічних розвідуваннях мостових переходів на Україні знаходиться ще на початковій стадії. Нагальність вирішення інженерних задач, пов’язаних з вивченням гідрології річок на мостових переходах та попередження затоплення мостових переходів під час катастрофічних повеней, зумовлює актуальність роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності до Загальнодержавної (Національної) космічної програми України на 2003-2007 роки, яка затверджена Законом України № 203-IV від 24.10.2002 р. і пов'язана з науковою тематикою Національного авіаційного та Національного транспортного університетів відповідно до координаційного плану № 24 міжвузівської науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України, держбюджетною темою “Теоретичні основи вдосконалення ефективного функціонування дорожньо-будівельного комплексу України в умовах ринкової економіки” та держбюджетними господарчими темами: “Теоретичні і прикладні аспекти технічної механіки рідини”, “Теоретичні основи використання стереофотограмметрії в інженерній гідравліці” (Звіти про НДР №№ держреєстрації 0100U003563, 0102U002753, 2000-2004рр.). Дисертаційна робота виконана в рамках Меморандуму про взаєморозуміння щодо питань безпечного розвитку автодорожнього господарства України, який був укладений між Українським (тепер Національний) транспортним університетом, Державною корпорацією “Укравтодор” (тепер Державна служба автомобільних доріг України “Укравтодор”), Міжнародною Асоціацією “Український Центр Менеджменту Землі та Ресурсів” в 2000 р. (Звіти про виконання меморандуму 2000-2002 рр.).

Метою роботи є розробка і застосування методології комплексних гідрологічних розвідувань, яка поєднує методи дистанційне зондування Землі з стереофотограмметричним зніманням місць проектування нових та реконструкції існуючих мостових переходів для підвищення надійності гідравлічних розрахунків штучних споруд та інших елементів мостового переходу.

Задачі дослідження:

• розробка методології гідрологічних розвідувань мостових переходів, що включає в комплексі дистанційне зондування Землі з космічного супутника та літака для визначення розрахункових імовірностних величин водного потоку та просторового аналізу катастрофічних гідрологічних ситуацій в районі мостового переходу;
• розробка математичних моделей процесів стоку з використанням інформації результатів дистанційного зондування басейнів річок на ділянках прилеглих до мостового переходу;
• розвинення та узагальнення теорії визначення витрати води інтеграційним методом за матеріалами аерофотознімання та наземної стереофотограмметрії на ділянках річок, де проектуються мостові переходи;
• розробка теоретичних основ методу, який  дозволить по стереоскопічній моделі мостового переходу зі застосуванням дистанційного зондування Землі з літака одночасно визначити величини загального та місцевого розмивів та величини руслових природних деформацій;
• розробка методу та математичних закономірностей для визначення по стереомоделі мостового переходу величини підпору, висоти набігання хвилі, висоти насипу на заплаві, визначення умовних рівнів води і побудови профілів живого перерізу для ділянки проектуємого мостового переходу;
• визначення алгоритму і технологічної схеми обробки матеріалів аерокосмічної зйомки під час гідрологічних розвідувань мостових переходів;
• проведення експериментальних досліджень на річках Закарпаття та на річці Південний Буг для обгрунтування теоретичних досліджень застосування аерокосмічних методів в гідрологічних розвідуваннях мостових переходів.

Об’єкт дослідження – течія річки на ділянці мостового переходу та стік води з водозбірних басейнів.

Предмет дослідження – гідрологічні розвідування мостових переходів з застосуванням методів дистанційного зондування Землі, які базуються на сучасних прогресивних технологіях.

Методи дослідження.

При виконанні дисертаційної роботи використовувались такі методи дослідження:

теоретичні – математичне моделювання процесів стоку з використанням інформації результатів дистанційного зондування басейнів річок та методи фотограмметрії для визначення імовірностних характеристик течії річки: підпору води, умовних відміток рівнів води, глибини і побудови профілю живого перерізу тощо;

теоретико-емпіричні – методи дистанційного зондування Землі для визначення площі підтоплення на мостових переходах під час стихійних лих та використання космічної зйомки з метою установлення гідрологічної ситуації біля мостових переходів. Метод аерофотознімання для визначення імовірностних характеристик водного потоку: кінематики потоку, витрати води, величин місцевого і загального розмивів на ділянках річок, де існують, будуються або проектуються мостові переходи .

Наукова новизна одержаних результатів:

• на базі виконаного комплексу теоретичних і експериментальних досліджень вперше розроблена та реалізована методологія застосування космічної інформації та аерометодів при проведенні гідрологічних розвідувань мостових переходів, що проектуються та мостових переходів, які підлягають реконструкції;
• науково обгрунтовані і розроблені такі нові методи, як прогнозування та установлення меж підтоплення мостових переходів за даними космічних знімань; установлення величини витрати води в районі мостового переходу, що проектується, та елементів водного потоку; установлення по стереомоделі мостового переходу величини підпору води, висоти набігання хвилі, визначення умовних рівнів води і побудови профілів живого перерізу; установлення на існуючих мостових переходах величини загального та місцевого розмивів та величини руслових природних деформацій;
• розроблені нові технологічні схеми обробки матеріалів аерокосмічної зйомки під час гідрологічних розвідувань мостових переходів, які передбачають шляхом використання космічного зондування та геоінформаційних технологій, просторове моделювання гідрологічних ситуацій;
• на основі теоретичних досліджень удосконалені і запропоновані основні етапи моделювання повеневих ситуацій;
• на базі досліджень космічної інформації розроблена нова методика просторового аналізу наслідків катастрофічних гідрологічних ситуацій засобами ГІС.

Практичне значення одержаних результатів.

• проведені дослідження дозволяють використати їх результати для достовірного обстеження гідротехнічних споруд та надійного обгрунтування гідрологічних розрахунків при проектуванні, будівництві і реконструкції мостових переходів;
• розроблено новий комплексний метод дослідження гідрологічних характеристик річок біля мостових переходів, який включає матеріали аерокосмічного знімання  і використовується при проведенні гідрологічних розвідувань мостових переходів;
• розроблені нові математичні моделі процесів стоку з використанням космічної інформації з метою прогнозування та попередження підтоплення заплав у важкодоступних гірських районах під час стихійних лих;
• на основі стереоскопічної моделі існуючого мостового переходу отримані нові закономірності, які застосовуються для визначення величини витрати води та ряду інших характеристик, а також величин загального та місцевого розмивів та величини руслових деформацій;
• вперше виконана оцінка точності космічних та стереоскопічних вимірювань, яка дозволяє установити допуски при визначенні елементів водного потоку та величин розмивів;
• отримані результати досліджень покладені в основу розробки Методичного документу ДП “Укрдіпродор”, додержання положення якого є обов’язковим для виконання гідрологічних розвідувань мостових переходів з метою їх проектування чи реконструкції.

Результати досліджень впроваджені: АТЗТ “Інститутом по вишукуванню та проектуванню автомобільних шляхів та мостів Київсоюзшляхпроект” при розробці проектів мостових переходів (акт впровадження від 25.02.2004 р.); Державною службою автомобільних доріг України з метою попередження руйнування мостових переходів (акт впровадження від 11.01.2005 р.); ВАТ “Мостобуд” при ремонті і реконструкції мостових переходів ( акт впровадження від 24.01.2002 р.); Науково-дослідним центром безпеки дорожнього руху МВС України ( акт впровадження № 45/980 від 01.07.2004 р.) та Оперативно-рятувальною службою м. Харкова ( акт впровадження від 18.03.2004 р.); Українським державним проектним інститутом по проектуванню об’єктів дорожнього господарства “Укрдіпродор” для попередження руйнування мостових переходів в Закарпатській області ( акт впровадження № 1040-01 від 04.06.2004 р. ); Українським державним науково-дослідним інститутом проектування міст “Діпромісто” при проектуванні населених пунктів ( акт впровадження від 01.10.2004 р. ); Службою автомобільних доріг у Харківській області при обстеженні та вишукуваннях мостових переходів та автомобільних доріг ( акт впровадження № 325/03 від 12.03.2004 р. ).

Особистий внесок здобувача: В дисертації використані авторські розробки та ідеї, зокрема ті, що характеризують наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, отримані здобувачем особисто, що знайшло відображення в наукових працях, патентах та публікаціях:

• математичне моделювання процесів стоку [22, 31];
• розробка наукових основ використання стереофотограмметрії в інженерній гідравліці [1];
• розробка методу визначення витрати води за допомогою фотограмметрії при реконструкції мостових переходів [2,7];
• розробка методології застосування космічної інформації та аерометодів при проведенні гідрологічних розвідувань мостових переходів [3,45];
• розробка методів визначення підпору води, висоти набігання хвилі, визначення умовних рівнів води та побудови профілів живого перерізу за допомогою аерофотознімання [11,23,47,48];
• розробка методу визначення глибин місцевого і загального розмивів при реконструкції мостових переходів аероінтеграційним методом [8,46];
• розробка методу попередження руйнувань штучних споруд мостових переходів за допомогою космічної зйомки [19,28];

• оцінка наслідків катастрофічних повеневих ситуацій на мостових переходах та їх прогнозування засобами ГІС [10,15,26];

• космічний моніторинг мостових переходів під час надзвичайних ситуацій [21,29];
• розробка нових технологічних схем обробки матеріалів аерокосмічної зйомки мостових переходів [20,25,26].

Ідеї співавторів наукових праць здобувача в роботі не використовувались оскільки виходили за рамки предмету дослідження.

Апробація. Основні положення і результати роботи доповідалися і були схвалені на міжнародних, республіканських та регіональних науково-технічних симпозіумах, конференціях і семінарах, в тому числі: міжнародний симпозіум АІПК “Мости. Взаємозв’язок між технологією зведення і конструкціями” м.Ленінград (СРСР) 1991р.,  8-а Будапештська дорожня конференція “Автомобільні дороги і мости в Європі”, Будапешт – Естергом (Угорщина) 2001р., ГГС-2000 “Проблеми гідравліки гідротехнічних споруд і потоків у відкритих руслах” спільне засідання РНК МАГД, ВНДІГ ім. Б.Є. Вєдєнєєва та СПбДТУ м.Санкт-Петербург 2000р. (Росія); ГЕО-2000 “Проблеми інженерної геодезії і національної   інфраструктури  геопросторових  даних”  КНУБА  Київ 2000р. ; АВІА-2001, АВІА-2002 НАУ Київ; міжнародна науково-технічна конференція “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м.Черкаси-1997р., м.Київ-1998р., м.Суми-1999р., м.Київ-2000р., м.Харків-2001р., м.Київ-2002р.), науково-технічна конференція “ Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми і шляхи розвитку”, НТУ-ТАУ Київ, 1998р., семінар “Моніторинг потенційно-небезпечних об’єктів і територій ( ПНОТ ) і аналіз надзвичайних ситуацій засобами ГІС, ДЗЗ та комп’ютерного моделювання” УЦМЗР, 2002р., міжнародна науково-технічна конференція “Прогресивні технології і  енергозбереження в дорожньому будівництві” НТУ–ТАУ Київ, 2001р., 3-й та 4-й Український міжгалузевий науково-практичний семінар “Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення” 2000, 2002 р.р., 147-й Український науковий семінар з гідравліки, 2000р., ІІІ-я міжнародна конференція “Прогресивна техніка і технологія”, Севастополь 2002 р. , “Застосування супутникових технологій у транспортній галузі ” НТУ–ТАУ Київ 2002р., міжнародна науково-теоретична конференція “Гідравліка (наука та дисципліна)” ВНДІГ ім. Б.Є. Вєдєнєєва та СПбДТУ м.Санкт-Петербург 2004р. (Росія) та на щорічних наукових конференціях професорсько-викладацького складу і студентів університету (НТУ м.Київ 1997-2005рр.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 48 друкованих робіт, в тому числі: одна монографія, п'ять деклараційних патентів на винаходи, 29 з них написано одноосібно. Список публікацій наведено в авторефераті і містить 48 наукових праць.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, семи розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 326 найменувань, 2 додатків і містить 300 сторінок основного тексту, в тому числі: 33 таблиці, 69 рисунків, всього 400 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі досліджень,  викладена її наукова та практична цінність.

У першому розділі розглядається досвід використання дистанційного зондування Землі в наукових дослідженнях з метою удосконалення гідрологічних розвідувань при проектуванні мостових переходів. Зроблено критичний аналіз теоретичних досліджень і методів гідрологічних розвідувань мостових переходів. Установлені види робіт, що виконуються під час  гідрологічних розвідувань (рис.1). На основі аналізу розвитку дистанційного (космічного) зондування Землі з метою застосування в наукових дослідженнях доведено, що цьому питанню в багатьох розвинутих країнах приділяється значна увага на державному рівні і виділяються значні обсяги фінансування для його впровадження.

Фінансування програм дистанційного зондування в країнах, які займаються дослідженням та використанням космічного простору, є значним і складає 10-50% загальних обсягів фінансування космічних досліджень. Аналіз статистичних даних свідчить про те, що 40,3% потерпілого населення постраждало від повенів. Космічне  зондування Землі частіше за все використовується для попередження цих явищ. Цей факт ще раз підтверджує доцільність застосування космічних знімань  для  вивчення  гідрологічного стану мостових переходів, особливо в критичних ситуаціях.

Рис.1. Види робіт, які виконуються під час гідрологічних розвідувань мостових переходів

Доведено, що вирішуючи глобальні проблеми за допомогою дистанційного зондування слід звернути увагу і на розв’язання задач регіонального характеру, невирішення яких наносить збитки

нашій державі, економіці та населенню. До зазначених задач слід віднести прогнозування витрат води  та  установлення  розмірів  повенів  в районі  мостових  переходів,  що  мають  місце  під  час стихійних лих. Проведений аналіз доводить можливість і необхідність застосування космічних знімань при гідрологічних розвідуваннях з метою проектування нових та реконструкції існуючих мостових переходів.

На Україні функціонує космічна  система   спостереження   Землі  “ Січ ”  у  відповідності  до

Загальнодержавної національної космічної програми України, яка дозволяє отримувати інформацію для потреб країни. За п’ять років дії космічної програми України загальний обсяг даних дистанційного зондування Землі значно збільшився. Не дивлячись на те, що національний ринок послуг на дистанційне зондування Землі знаходиться на початковій стадії розвитку, слід відзначити, що дані, які надаються Національним космічним агентством України, можуть скласти основу інформаційного забезпечення при прогнозуванні і реагуванні на надзвичайні ситуації та при розв’язанні регіональних задач, зокрема пов’язаних з гідрологічними розвідуваннями мостових переходів.

Проведені раніше дослідження О.В. Андрєєвим, О.К. Біруля, В.О. Большаковим,                Л.Г. Бегамом, Є.В. Болдаковим, М.М. Журавльовим, В.М. Поповим, Г.А. Федотовим та ін. з удосконалення гідрологічних розвідувань мостових переходів торкалися застосування традиційних методів натурних спостережень за водним потоком. Використанню аерометодів для цієї мети приділялась увага Б.К. Малявським, В.І. Федоровим, Н.Г. Шумковим, Г.А. Шуплецовим та ін. Питанню застосування дистанційного зондування Землі для потреб геодезії та гідрології присвячені роботи В.О. Борового, Г.П. Калініна, В.І. Лялько, А.Л. Ревзона, О.Д. Федоровського,  D. Maindment, F. Olivera, H. Runge, M. Ruhé, E. Tate та ін. Проте не досліджувалося питання комплексного застосування аерокосмічних методів при  гідрологічних розвідуваннях мостових переходів та при прогнозуванні їх підтоплень, викликаних стихійними лихами. Таким чином, доцільно розробити методологію комплексних гідрологічних розвідувань, яка поєднує методи дистанційного зондування Землі з стереофотограмметричним зніманням мостових переходів.

На основі аналізу, наведеного в першому розділі, робляться висновки, формулюється мета і задачі досліджень за темою дисертації.

У другому розділі проведено дослідження застосування космічних знімань в гідрологічних розвідуваннях при проектуванні мостових переходів. Автором розглядаються фізичні основи дистанційного зондування Землі. Розглянуто три методи дистанційного зондування: пасивне, яке використовує випромінювання, що здійснює саме тіло; пасивне, яке використовує відбите сонячне світло і активне, яке використовує радіолокатори, лідари та ін. Активне дистанційне зондування Землі може здійснюватися як з супутника, так і з літака. Доведено, що для обстеження гідрологічної мережі України, стану мостових переходів, попередження надмірних повеней, які можуть викликати значні руйнування і катастрофічні наслідки, сприятливим є активне дистанційне зондування Землі. Важливою передумовою застосування дистанційного зондування для вирішення цих задач є надійність розпізнавання об’єктів на аерокосмічних зображеннях земної поверхні.

Доведено, що оглядовість космічного зображення – найбільш важливий параметр космічного знімання, оскільки реалізує його основну перевагу – територіальну інтеграцію. Так, при плановому зніманні, нехтуючи кулястістю Землі, оглядовість визначається залежністю:

    ,

де l1, l2 – розміри кадру; m – масштаб зображення.

З даної залежності випливає, що зміна розрізненності, масштабу і оглядовості космічних геоінформаційних субсистем призводить до відповідних змін інформаційних характеристик цих субсистем, в першу чергу, імовірностей правильного розпізнавання тих чи інших утворень, об’єктів та ін. Проте, для водних об’єктів зниження інформативності з погіршенням розрізненності відбувається повільно і не так швидко, як для інших формацій.

На підставі проведеного аналізу, слід відмітити, що застосування дистанційного зондування Землі з супутників з метою проведення гідрологічних розвідувань мостових переходів є одним з найбільш перспективних і, в той же час, найбільш багатоаспектних напрямків використання космічних методів. Для гідрологічних розвідувань використовують, в основному, наступні види інформації, які надходять з космічних систем: фотографічні зображення; телевізійні зображення (ТВ-зображення); інфрачервоні зображення в близькій зоні (до 1,3 мкм); інфрачервоні зображення в дальній зоні (до 8-12 мкм). За допомогою космічної інформації вирішувалися такі задачі: вивчалася гідрографічна мережа і водозбірні басейни в районі мостових переходів; установлювалися межі снігового покриву і його розповсюдження; вивчалися ділянки заплав біля мостових переходів, які затоплюються; природні процеси, пов’язані з діяльністю поверхневих вод. Установлені види робіт при гідрологічних розвідуваннях мостових переходів, для виконання яких доцільно використовувати космічні знімання та аерофотознімання з літака (рис.2). Гідрографічна інформативність космічних знімків масштабу 1:100 000 – 1:200 000 і топографічних карт того ж масштабу приблизно рівна.

Доведено, що ефективним є використання космічних знімків для дешифрування снігового покриву в горах, оскільки воно супроводжується визначенням висоти снігової лінії за допомогою карти, на якій нанесені ізогіпси площ, занятих снігом, динаміки стану снігового покриву і прогнозових характеристик  по  об’єму  води  в снігу  і  об’єму  стоку  гірських рік.    Установлена    можливість

визначення об’ємів води W за площами станеного снігу Fст , яка грунтується на пропорційності