Глава 1. Задачи радиолокационного мониторинга
1.1. Основные области и задачи
радиолокационного мониторинга
Одним из перспективных направлений изучения окружающей среды в настоящее время является радиолокационный дистанционный мониторинг поверхности Земли и Океана. Как показывают исследования, проводящиеся в различных странах, радиолокационные изображения поверхности Земли являются высокоинформативными средствами ее изучения в различных областях:
экология (контроль нефтепроводов; ранняя диагностика аварий; контроль состояния растительного покрова; обнаружение подтоплений вблизи крупных водных бассейнов);
жизнеобеспечение (поиск подземных вод для обеспечения жизнедеятельности; разведка скоплений рыбы);
геология (разведка полезных ископаемых);
география (составление и уточнение карт);
археология (обнаружение исторических захоронений).
Остановимся кратко на наиболее важных и интересных задачах.
Нефтегазовый комплекс
Мониторинг нефтегазовых месторождений. В течение последних лет разрабатывается интегрированная система мониторинга1 природно-антропогенных комплексов. Она представляет собой комплекс аппаратно-программных средств измерения и управления, действующий в замкнутом информационном цикле мониторинга и управления и обеспечивающий повышение степени полноты, достоверности и оперативности информационной поддержки принятия управленческих решений на стадиях поисков, разведки, обустройства, эксплуатации месторождений углеводородного сырья (нефти, газа и газоконденсата), а также при консервации или ликвидации нефтегазопромыслов. В периоды обустройства и эксплуатации месторождений все вышесказанное в полной мере относится и к объектам транспортировки углеводородного сырья (магистральным и межпромысловым трубопроводам), хранения добытого сырья (нефте-, газо- и конденсатохранилищам) и его переработки (нефтегазохимическим комплексам).
На каждой из упомянутых стадий интегрированная система мониторинга практически реализуется по соответствующим направлениям: геолого-поисковому, инженерно-геологическому и экологическому:
на стадиях поисков и разведки месторождений преобладают геолого-поисковые исследования;
на стадии обустройства месторождений - проектирования и строительства объектов их инфраструктуры, а также межпромысловых и магистральных нефтегазопроводов, автодорог и других транспортно-коммуникационных объектов - приоритет отдан инженерно-геологическим и гидрологическим изысканиям;
на стадиях эксплуатации и консервации месторождений главное внимание уделяется экологическим исследованиям, хотя фоновый (предстроительный) и строительный экологический мониторинг проводится и на предыдущих стадиях.
По каждому направлению в России разработаны передовые методы и новые технологии.
Геолого-поисковые исследования
Дистанционный прогноз новых перспективных на углеводороды территорий и поиск нефтегазовых месторождений. В ноябре 2002 г. между крупнейшими нефтяными компаниями России – «Лукойл», «Юкос», «Сибнефть» и «ТНК» достигнута договоренность об открытии в 2007 г. нового экспортного маршрута нефти в Западную Европу и США посредством строительства магистрального нефтепровода «"Западная Сибирь-Уса-Мурманск»" с увеличением к 2010 г. экспорта нефти в 2 раза, что позволит России с 10 млн. баррелей в сутки выйти на 1-е место в мире. ОАО «Газпром» также планирует увеличить экспорт газа в Западную Европу и Юго-Восточную Азию посредством строительства новых экспортных газопроводов. В связи с этим особенно актуальной становится проблема расширения разведанных углеводородных ресурсов, убыль которых в последние годы не компенсируется приростом запасов. Помимо субъективного сокращения объемов поисково-разведочных работ очевидны все усиливающиеся объективные трудности обнаружения новых месторождений углеводородов вследствие как сравнительно высокой степени геолого-геофизической изученности традиционных районов нефтегазодобычи, так и удаленности, труднодоступности и весьма сложных природно-климатических условий новых перспективных на углеводороды регионов России.
Интегрированная система мониторинга позволяет значительно ускорить и удешевить поиски месторождений углеводородов путем комплексной интерпретации материалов геофизических и космических съемок (с учетом региональных геолого-тектонических исследований) в линейных зонах, прилегающих к рифтогенным и трансформным глубинным разломам - древним (скрытым или пассивным) и активизированным (или экспонированным). Дистанционный поиск должен быть основан на интегрировании двух альтернативных гипотез происхождения скоплений углеводородов в осадочной оболочке Земли - глубинной (неорганической) и осадочно-миграционной (органической). Генезис углеводородов необходимо исследовать с одновременным применением ряда постулатов этих альтернативных гипотез и рассмотрением их как двух последовательных этапов единого природного процесса формирования в земной коре нефтегазовых месторождений. Связующим звеном двух этапов является многократно возрастающая биопродуктивность в морских осадочных бассейнах (и последующее насыщение осадков органическим веществом) вдоль глубинных разломов - каналов поступления из глубинных слоев земной коры и верхней мантии разнообразных по форме соединений жизненно необходимых элементов питания морской биоты: углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и др.
При применении интегрированной концепции при мониторинге радикально возрастают роль и возможности дистанционных методов поисков месторождений, целенаправленно локализующих наземные геофизические исследования (сейсморазведку и др.) и повышающих коэффициент успешности последующего поискового бурения.
Задачи радиолокационного мониторинга нефтегазопроводов:
определение трасс и состояния нефтегазопроводов для их картографирования;
выявление аварийных участков (определение и локализация утечек);
определение ареала разлива нефти.
Дистанционное выявление рентабельных для разработки месторождений строительных песков (или гравийно-галечной смеси) в долинах равнинных и полугорных рек вне водоохранных зон, с дистанционными определениями варьирующих мощностей (толщин) пластов песков и перекрывающих суглинков, оценкой общих запасов песков и горно-технических условий разработки месторождений. Пески используются для отсыпки оснований полотна автодорог, трубопроводов, узлов скважин и других объектов инфраструктуры нефтегазопромыслов.
Дистанционные поиски (до бурения скважин) пресных подземных вод в вечномерзлотных, заболоченных, пустынных и засушливых нефтегазоносных районах. При этом используются следующие методы:
дистанционное построение и анализ векторного поля движения поверхностных вод склонового и руслового стока (в дождевые паводки) и расчета баланса атмосферных осадков, формирующегося поверхностного стока, испарения и инфильтрации с построением стереомоделей зоны аэрации, вмещающей подземные водоносные горизонты (линзы и струи);
анализ материалов инфракрасной и радиолокационной аэросъемок;
дистанционно-наземные геофизические изыскания - электромагнитные, георадарные и др.
Инженерно-геологические и гидрологические изыскания:
определение и картирование видов и интенсивности опасных экзогенных природных процессов (в Т. ч. береговых и русловых процессов - особенно в местах подводных переходов магистральных трубопроводов через реки) методом ландшафтно-индикационного ретроспективного анализа разновременных космоаэрофотоматериалов;
дистанционное (по аэроснимкам и топокартам) определение максимальной высоты весенних и летних дождевых паводков новым методом расчета с использованием морфометрических параметров русла рек и картирование заливаемых территорий с определением глубин и вычислением скоростного поля течений и эродирующей способности паводковых вод;
выявление и картирование зон подтопления радиолокационной и ИК-тепловой аэросъемками в сочетании с наземными геофизическими работами;
составление карт устойчивости геологической среды к механическим воздействиям на основе ландшафтно-индикационного картирования;
составление геокриологических карт - устойчивости геологической среды к тепловым воздействиям (в районах с многолетней мерзлотой), особенно вдоль магистральных трубопроводов с положительной температурой транспортируемых жидких или газообразных углеводородов;
составление карт геодинамической опасности - сейсмичности, вулканизма, активных тектонических разрывных нарушений (сдвиги, раздвиги, сбросы, взбросы, надвиги, трещины), линейных, площадных и спиралеобразных аномалий геоэнергоинформационного поля;
составление карт потенциальной аварийной опасности (риска технических аварий) для проектируемых, строящихся и уже эксплуатируемых любых инженерных сооружений на основе синтеза всех вышеперечисленных аналитических карт с учетом заглубления фундамента, этажности, вида строительного материала, площадных и линейных размеров сооружений.
Интегрированная система дистанционного мониторинга на ПАТЭК России позволяет, с одной стороны, минимум на порядок снизить стоимость многих проектно-изыскательских и исследовательских работ, а с другой - минимум на порядок сократить сроки получения, обработки и анализа материалов исследований, повысить их информативность и достоверность и в результате - обеспечить оперативность, обоснованность и эффективность принятия управленческих решений.
Решение экологических задач
Экологические исследования дистанционного мониторинга:
наземное экологическое обследование локальных территорий, промышленно-складских и жилых зданий и сооружений Природно-Антропогенных Топливно-Энергетических Комплексов (ПАТЭК) с инструментальной оценкой уровня химического, радиационного, радонового, электромагнитного, энергоинформационного, шумового и др. загрязнений компонентов окружающей природной среды (воздуха, почв, поверхностных и подземных вод);
дистанционно-наземное составление геохимических карт (геохимического состояния природной среды), особенно в зонах воздействия на окружающую среду предприятий нефтехимического комплекса, на основе синтеза аналитических карт - устойчивости компонентов природной среды к загрязнению (способности к самоочищению) и интенсивности геохимического загрязнения с учетом распределения концентрации загрязняющих веществ в водных объектах, в атмосферном воздухе, в растительности, в почво-грунтах и донных отложениях;
расчеты предельно допустимых выбросов (ПДВ) загрязняющих веществ в атмосферу, предельно допустимых сбросов (ПДС) промстоков в гидросеть и на рельеф, лимитов на твердые отходы для проектируемых промышленных предприятий ТЭКа;
оценка экологической ситуации - фоновой, текущей и прогнозной - на стадии проектирования, строительства, обустройства, эксплуатации и консервации природно-антропогенных комплексов, в частности - объектов нефтегазовой и др. отраслей ТЭКа (в зонах их воздействия на природу), по новой методике компании ИНЭКОТЕХ, учитывающей не только интенсивность техногенного воздействия на окружающую среду, но и степень дифференцированной во времени и пространстве ответно ее реакции на техногенез;
дистанционное выявление и картирование нарушенных (загрязненных и деградированных) земель, в Т.ч. сверхнормативных нарушений, в зонах и полосах отвода при строительстве площадочных и линейно-протяженных инженерных сооружений (например - магистральных трубопроводов);
оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) намечаемой деятельности с составлением соответствующего раздела предпроектной и проектной документации;
экологический мониторинг - фоновый (предстроительный), строительный, эксплуатационный, ликвидационный - на территориях любых природно-антропогенных комплексов.
Экологический дирижабль. В целях повышения эффективности освоения ПАК, экологического и технологического мониторинга, других природоохранных мероприятий интересно использование2 дирижаблей. Использование экологического дирижабля в практике дистанционно-наземных исследований и обеспечения аварийной и экологической безопасности на ПАТЭК России позволит значительно эффективней осуществлять продолжительный во времени комплексный оперативный поисково-разведочный, инженерно-геологический, экологический и производственно-технологический мониторинг линейно-протяженных объектов по всей стране, а также выявлять и точно оценивать последствия стихийных бедствий и экологических чрезвычайных ситуаций и катастроф. Очевидны преимущества использования экологического дирижабля в труднодоступных местах, Т.к. он обладает возможностью временной «подсадки» практически на любом неподготовленном участке поверхности суши и водных объектов и десантирования как исследовательских групп, так и аварийно-спасательных бригад с необходимым оборудованием при исследовательских, профилактических и аварийно-ликвидационных работах.
Лесное и сельское хозяйство
Основные области радиолокационного мониторинга: почвоведение, мониторинг растительности, лесное хозяйство, контроль за состоянием ирригационных систем.
Задачи радиолокационного мониторинга в области почвоведения:
определение содержания гумуса для оценки плодородия почв;
определение величины объемной влаги;
определение площадей и границ засоленных почв;
качественная оценка, определение площадей и границ почв;
определение площадей и границ заболоченности и опустынивания;
качественная оценка эффективности удобрения по состоянию растительности).
Задачи радиолокационного мониторинга растительности:
распределение лесных массивов, лугов и полей;
определение фаз вегетации;
оценка объема динамики изменений фитомассы;
оценка ареалов фитопатологии;
качественная оценка состояния и определение границ растительного покрова;
градация состояния пастбищ по запасам; качественная оценка и предсказание урожая.
Предотвращение и устранение последствий
чрезвычайных ситуаций
Задачи радиолокационного мониторинга чрезвычайных ситуаций (природных и техногенных катастроф):
фиксация очагов возникновения, зон распространения и динамики развития пожаров;
определение ареала затопления, уровней и динамики изменений паводков и наводнений;
определение границы и толщины ледового покрова, фиксации ледяных заторов и их динамика;
определение интенсивности таяния ледников и снежников для оценки снежно-ледовой обстановки в горах;
определение ареалов и степени повреждённости растительности и строений для оценки последствий воздействия ураганов, смерчей;
определение ареалов и степени разрушений для оценки последствий землетрясений;
определение ареалов и оценка последствий оползней и селей.
Управление инфраструктурой крупных мегаполисов
Задачи радиолокационного мониторинга мегаполисов:
оценка состояния и динамики развития землепользования;
оценка границ и динамики изменений загрязнений почвы и воды (нефтепродуктами и коммунальными стоками);
определение ареалов и динамики изменений геопатогенных зон (карст, состояние свалок, поля аэрации, состояние водозаборов);
оценка состояния и структуры дорожной сети.
Радиолокационный мониторинг Космоса
Основные области радиолокационного мониторинга: космические системы, исследования планет.
Радиолокационный мониторинг атмосферы Земли
Основные области радиолокационного мониторинга: метеорология, климатология, мониторинг атмосферы.
Радиолокационный мониторинг поверхности Земли
Радиолокационный мониторинг охватывает следующие области: геофизика и география, гидрология и гляциология, картографирование, топография, геодезия, исследования горных массивов. Задачи радиолокационного мониторинга в области геофизики и географии:
определение структуры землепользования;
распределение и состояние транспорта и систем связи;
развитие систем переработки природных ресурсов;
топография и геоморфология;
определение состава пород и их структуры;
стратиграфия осадочных пород;
поиск минеральных месторождений;
отработка техники разведки полезных ископаемых.
Задачи радиолокационного мониторинга в области гидрологии:
определение площади и динамики загрязнения нефтепродуктами для оценки поверхностного загрязнения водного массива;
определение площади зарастания водоёмов;
определение площадей, границ и глубины залегания грунтовых вод;
исследование процессов испарения влаги;
распределение и инфильтрация осадков;
наблюдение за водным режимом главных рек.
Задачи радиолокационного мониторинга в области гляциологии:
определение ареалов, границ и толщины льда для оценки состояния снежного покрова;
определение ареалов и градация состояний для оценки ледовой обстановки и наводнений;
определение ареалов и границ загрязнения, предсказание стока рек;
определение характера снегового и ледового покрова.
Радиолокационный мониторинг в гляциологии
Мнение о том, что идет потепление климата, бытует в научном мире уже давно. За последние сто лет уровень моря поднялся на 0,5 м. Точный ответ, почему это происходит, пока не получен. Эта проблема занимает ученых разных стран, в том числе и России. Гляциология помогает понять, как реагируют ледники на изменение климата. Для этого необходимо собрать информацию о том, сколько осадков выпадает за сезон, какое количество льда тает, с какой скоростью он движется, какова форма подледного рельефа.
Данные сведения можно получить, проведя специальные измерения баланса массы, высоты поверхности, скорости движения и толщины ледника. Именно этим и начали заниматься испанские ученые восемь лет назад. Математики из Мадридского политехнического университета занимаются численным моделированием движения ледника, а результаты исследований толщины и рельефа дна ледников необходимы им в качестве входных инструментальных данных. На основе экспериментально полученных сведений испанские математики построили трехмерную модель движения ледников. С 2000 по 2004 г. российские географы совместно с испанскими коллегами проводили гляциологические исследования3 в Антарктиде, на острове Ливингстон, расположенном на архипелаге Южных Шетландских островов. За три сезона, а это не более двух месяцев, были получены данные по двум ледникам. Эта группа, используя легкую эффективную аппаратуру, за один год смогла провести детальную радиолокационную съемку толщины льда на двух ледниках острова.
В районе Антарктиды отмечено заметное потепление. Например, в Западной Антарктиде идет интенсивное разрушение шельфовых ледников, и оттуда откалываются гигантские айсберги. Важно понять, как будут реагировать ледники в подобных случаях, ведь они являются чувствительными индикаторами климата: при повышении температуры начинается интенсивное таяние. Бороться с этим явлением практически невозможно, однако в наших силах предсказать вклад ледников в изменение уровня Мирового океана.
Еще в 70-х гг. прошлого века английские ученые попытались измерить с самолета толщину льда на этом острове, где ледники в основном «теплые». Они использовали неподходящую аппаратуру, и полученные результаты не соответствовали реальному положению дел. Собранные российскими учеными данные показали, что самая большая толщина льда здесь - 500 м. С помощью радиолокации можно оценить также содержание воды во льду. Обычно в «теплых» ледниках оно не превышает 2%. Но даже такого количества достаточно, чтобы повлиять на скорость распространения радиоволн в леднике, которую можно довольно точно измерить.
В ходе радиолокационного мониторинга были получены карты толщины льда и подледного рельефа и характеристики отраженных сигналов от «ложа» (дна ледника). Все эти сведения помогают моделировать движение ледников.
Подповерхностный радиолокационный мониторинг
Основные области радиолокационного мониторинга:
подповерхностная радиолокация и сверхширокополосные сигналы;
поиск месторождений;
биорадиолокация (поиск людей под завалами).
Радиолокационный мониторинг Океана
Основные области радиолокационного мониторинга: океанология, глубоководная связь, обеспечение судовождения.
Пример: обеспечение судоходства в Арктике. Наиболее рациональным вариантом разработки космического радара, исходя из условий эксплуатации радара и приоритетности задач дистанционного зондирования для России, является двухчастотный радар с синтезированной апертурой (3 и 23 см), создаваемый в два этапа: упрощенная и полная версии и предназначенный для обеспечения проводки судов в морских льдах Арктики.
Задачи радиолокационного мониторинга в области океанологии:
определение рельефа волнующейся поверхности морей и океанов;
картографирование береговой линии;
наблюдение за биологическими явлениями;
проведение ледовой разведки.
Радиолокационный мониторинг техносферы Земли
В техносферу Земли входят различные техногенные объекты и инженерные сооружения (дороги, мосты, плотины, каналы, шлюзы, водохранилища, карьеры и Т.д.).
Основные области радиолокационного мониторинга: автотранспорт, железная дорога, измерительные датчики, наблюдение сквозь стены, неразрушающий контроль, системы мобильной связи, RFID-метки.
Задачи радиолокационного мониторинга техносферы:
оценка состояния дорожного покрытия, кюветов, выявление аварийных участков;
оценка состояния железнодорожного полотна и насыпи, выявление аварийных участков железнодорожных путей;
оценка состояния плотин;
определение целостности берегов каналов;
определение площади зеркала водохранилища, его динамики изменения для оценки запасов воды в водохранилище;
определение ареалов и состояния карьеров и подъездных путей к ним;
определение состояния береговой и рекреационной зоны и их динамика, качественного состава и загрязнённости;
определение динамики загрязнённости по выбранным параметрам для контроля экологической обстановки в зонах атомных станций и прилегающих водоёмах.
Радиолокационный мониторинг биосферы Земли
Основные области радиолокационного мониторинга – это промышленное рыболовство и медицина.
Задачи радиолокационного мониторинга в области промышленного рыболовства – это оперативная рыборазведка и определение границ локализации косяков.
Радиолокационный мониторинг безопасности
Основные области радиолокационного мониторинга - системы безопасности, нелинейная радиолокация, обнаружение мин.
Совершенствование радиолокационного мониторинга
Основные направления развития радиолокационного мониторинга: дистанционное зондирование, совершенствование БРЛС, динамические системы со случайно изменяющейся структурой, навигация, обратные задачи, поглощающие покрытия, радиограмметрия.
|
