Методология мониторинга потенциально опасных воздействий на железнодорожную инфраструктуру на участке Туапсе-Адлер с использованием данных спутниковой съемки

Пространственно распределенная геотехническая система инфраструктуры железнодорожного транспорта подвергается в процессе эксплуатации постоянному воздействию различных геологических, метеорологических и гидрологических факторов, которые могут приводить к появлению опасных дефектов и деформаций. Обеспечение бесперебойных перевозок при поддержании заданного уровня безопасности требует своевременного выявления источников потенциально опасных экзогенных воздействий на объекты инфраструктуры и проведения защитных и предупредительных мероприятий для содержания элементов инфраструктуры в исправном состоянии.
Методы на основе спутниковой съемки выступают как часть комплексной системы геотехнического мониторинга железнодорожной инфраструктуры на участках со сложными инженерно-геологическими условиями, эффективно дополняя традиционно применяемые периодические осмотры и инструментальные обследования инфраструктурных объектов. Такой подход позволяет осуществлять контроль ситуации не только в полосе отвода и охранных зонах, но и на прилегающих (в том числе труднодоступных) территориях. При этом обеспечивается периодический контроль экзогенных процессов и оценка состояния инфраструктурных объектов, прогноз развития неблагоприятных процессов и назначение мероприятий по предотвращению разрушительных воздействий, приводящих, в том числе, к внезапным деформациям пути.
Контроль экзогенных воздействий особенно важен при длительной эксплуатации инфраструктурных объектов железнодорожного транспорта, в течение которой природно-техногенные процессы зачастую приводят к изменениям первоначальных условий эксплуатации, исходя из которых рассчитывались меры инженерной защиты пути и сооружений при проектировании. Применение спутниковых технологий для мониторинга железнодорожной инфраструктуры эффективно в предгорных и горных районах, на территориях, подверженных развитию эрозионных или карстовых процессов, на участках, проходящих по берегам морей, рек или водохранилищ, в зонах распространения многолетнемерзлых пород, особенно в условиях интенсивной антропогенной нагрузки.
Разработанная ОАО «НИИАС» технология мониторинга потенциально опасных воздействий на объекты железнодорожной инфраструктуры с использованием данных спутниковой съемки эксплуатируется ОАО «РЖД» на участке Туапсе – Адлер Северо-Кавказской железной дороги с 2010 г. Этот стратегически важный участок сети железных дорог ОАО «РЖД» функционирует в чрезвычайно сложных ландшафтных и природно-климатических условиях, усугубляемых активным хозяйственным освоением территории, и подвергается постоянному воздействию таких природных процессов и явлений, как оползни, сплывы, осыпи и скальные обвалы, сели, водная эрозия, паводки и морская абразия. Технология основана на использовании материалов спутниковой съемки высокого пространственного разрешения, осуществляемой в видимой и инфракрасной (ИК) зонах спектра, а также данных регулярной радиолокационной съемки.
Методами ландшафтно-геоморфологического дешифрирования по снимкам в видимой и ИК зонах спектра осуществляется выявление областей развития процессов, которые могут оказать разрушительные воздействия на объекты железнодорожной инфраструктуры. Дешифрирование снимков видимого диапазона позволяет осуществлять контроль состояния защитной пляжной полосы, волнозащитных, водоотводных и дренажных сооружений, а также выявлять участки с повышенной техногенной нагрузкой, которая может спровоцировать развитие потенциально опасных процессов. Радиолокационная информация эффективно дополняет данные оптической съемки, обеспечивая, в том числе, контроль застроенных территорий, где антропогенное преобразование ландшафта затрудняет выявление признаков развития опасных процессов. Дифференциальная интерферометрическая обработка серий радиолокационных снимков позволяет оценивать смещения наблюдаемой поверхности с субсантиметровой точностью и строить детальные карты, отражающие скорости смещений выявляемых так называемых устойчивых отражателей радиолокационного сигнала. Спутниковые снимки видимого диапазона служат основой для интерпретации радиолокационных данных.
Используемая методика тематической обработки данных спутниковой съемки на основе ландшафтно-геоморфологического дешифрирования разработана специалистами компании СканЭкс и ОАО «НИИАС». При формировании карты природно-территориальных комплексов (ПТК) на основе анализа спутниковых снимков и параметров рельефа в пределах естественных геоморфологических границ области возможного влияния процессов на железную дорогу осуществляется выделение элементарных ландшафтных выделов, проводится типизация ландшафтов с учетом геоморфологии и генезиса их формирования. Сравнительный анализ разновременных снимков позволяет выделить зоны ландшафтных изменений, которые могут свидетельствовать о развитии или провоцировать активизацию опасных экзогенных процессов. Отдельно выделяются подпорные водоемы и участки возможного перекрытия русел водотоков, которые могут провоцировать формирование селевых потоков. На основе карты ПТК формируется карта спектров экзогенных геоморфологических процессов, которые могут развиваться в пределах отдельных выделов с учетом их специфики, взаимного расположения и параметров рельефа. Формируемая карта используется для рационального планирования последующих детальных полевых обследований. Проецирование ландшафтных выделов, характеризующихся развитием опасных процессов и явлений, на железную дорогу позволяет осуществить линейное зонирование дороги по комплексам процессов, оказывающих преобладающее влияние на техническое состояние инфраструктуры.
Риск разрушительного воздействия потенциально опасных процессов на объекты инфраструктуры зависит от ландшафтных и гидрологических характеристик, строения формирующих склоны пород и состава русловых отложений, состояния растительного и почвенного покрова, а также от наличия, характеристик и состояния инженерных защитных сооружений. Поэтому окончательная оценка степени опасности в пределах отдельных участков осуществляется по результатам полевых обследований на основе комплексного анализа полученной информации и сформированного комплекта карт. Разработанная специалистами географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова методика оценки опасности воздействия русловых и склоновых (оползневых и обвально-осыпных) процессов на железную дорогу предполагает экспертное ранжирование участков по степени опасности на 4 класса – потенциальная, слабая, средняя и сильная. Дополнительно выделяются участки с очень сильной степенью опасности, требующие незамедлительного проведения защитных мероприятий. Формулируемые рекомендации по защите инфраструктуры (ремонту и строительству подпорных стенок, установке сеток, ремонту и расчистке водопропусков, ремонту и укреплению мостов, а также организации режимных наблюдений и периодического контроля на ряде участков) служат основой для корректировки программы защитных мероприятий, реализуемой ОАО «РЖД» на участке Туапсе – Адлер.
Достоверность полученных оценок подтверждается путем сравнения прогнозируемого и фактического количества случаев внезапных деформаций пути на данном участке за 2012-2013 годы. Первоочередная реализация мер по ремонту, укреплению и строительству защитных сооружений на наиболее опасных участках в условиях ограниченных ресурсов позволила предотвратить ряд аварийных ситуаций, связанных с прогнозировавшимися опасными воздействиями.