Инженерно-геологические изыскания

11.1. Концепция инженерно-геологического
прогноза в свете системного подхода
к геологической среде и теории ее
пространственно-временной изменчивости

Прогнозом — предсказанием инженерно-геологических условий инженерная геология занималась с момента своего возникновения. Оценка инженерно-геологических условий некоторой территории, даже содержательная, всегда в явном или неявном виде включает элементы прогноза, предвидение того, как и в какой форме будет проявляться взаимодействие между геологической средой и проектируемым сооружением, какие инженерно-геологические процессы будут развиваться при его строительстве и эксплуатации. Основоположник советской инженерной геологии акад. Ф. П. Саваренский отмечал, что перед инженерной геологией стоит двойная задача. Она заключается в том, чтобы на основании научных предпосылок обеспечить выбор места расположения возводимого сооружения и дать прогноз инженерно-геологических процессов. Выбор места размещения проектируемого сооружения предусматривает интерполяцию (реже экстраполяцию) инженерно-геологической информации, полученной в отдельных точках (сечениях) геологической среды, на всю ее область, являющуюся перспективной с точки зрения возведения сооружения. Следовательно, выбор места посадки сооружения содержит элементы пространственного прогноза свойств геологической среды — компонентов инженерно-геологических условий. Это позволяет считать, что Ф. П. Саваренский видел задачу инженерной геологии в пространственно-временном прогнозе. И. В. Попов считал прикладной задачей инженерной геологии предвидение (прогноз) взаимодействия инженерного сооружения с геологической обстановкой (геологической средой) во время его возведения и эксплуатации. Можно было привести многочисленные примеры успешных прогнозов, разработанных в ходе изыскания и проектирования различных сооружений (прогнозы осадок сооружений, времени консолидации оснований, переработки берегов, фильтрационных потерь и др.). Все примеры касаются локального прогноза, т. е. прогноза взаимодействия между геологической средой, заключенной внутри сферы взаимодействия, и проектируемым сооружением.

Научно-техническая революция, обусловившая бурное развитие производительных сил, развитие крупных городов и промышленных комплексов, поставила перед обществом проблему охраны и рационального использования природной среды. Деятельность человека в настоящее время стала существенным фактором преобразования природной среды, в том числе и геологической. В системе «природная среда» не последнее место занимает ее подсистема — геологическая среда, которую следует охранять и рационально использовать. Охрана и рациональное использование геологической среды предполагает разработку и осуществление комплекса мероприятий, которые с интересующей нас точки зрения в итоге можно свести к взаимодействиям человека с геологической средой. Взаимодействия должны быть такими, чтобы они обеспечивали оптимальное движение геологической среды, ее сбалансированное развитие (эволюцию). Задача, следовательно, состоит в оптимизации управления движением геологической среды. В то же время оптимизация управления движением геологической среды требует предвидения того, как взаимодействия будут влиять на движение геологической среды, в каком направлении и с какой скоростью будут изменяться ее структура и свойства, т. е. требует прогноза. Для разработки инженерно-геологического прогноза требуется знание законов, которым подчиняется движение геологической среды в пространстве-времени, обусловленное внешними и внутренними взаимодействиями. В число взаимодействий, естественно, включаются и вызванные человеческой деятельностью взаимодействия между человеком и геологической средой. Эти взаимодействия могут быть прямыми или косвенными. Прямые взаимодействия обусловлены непосредственным изменением человеком структуры и свойств геологической среды. Они реализуются в процессах строительства сооружений, обводнения и осушения территорий, при горных работах, извлечении из недр жидких и газообразных полезных ископаемых. Прямые взаимодействия становятся причичной инженерно-геологических техногенных процессов. Косвенные взаимодействия обусловлены изменением человеком структуры и свойств других сред: атмосферы, поверхностной гидросферы, биосферы, которые взаимодействуют с геологической средой, вызывая в ней инженерно-геологические, техноплагенные процессы [7]. Техноплагенными (plaga — толчок, лат.) следует считать такие процессы, косвенной причиной которых является человек, но которые идут независимо от его воли, в ходе взаимодействий геологической среды с другими средами или в силу внутренних взаимодействий. В качестве примера техноплагенных инженерно-геологических процессов можно привести землетрясения, происходящие при создании водохранилищ, или процесс выветривания, обусловленный загрязнением атмосферы сернистыми соединениями.

По отношению к объекту науки, геологической среде, геологический прогноз в самом широком (не традиционном) понимании — это предсказание структуры и свойств геологической среды в пространстве и во времени. Инженерно-геологический прогноз можно определить как предсказание структуры и свойств геологической среды — компонентов инженерно-геологических условий в пространстве-времени. Для удовлетворения практических потребностей в большинстве случаев достаточно знания структуры и свойств литосистемы (в том числе и природно-технической) в некоторый момент (или моменты) будущего времени. Разработка теоретической стороны инженерно-геологического прогнозирования, из которой вытекает прогноз, даваемый на детерминированной основе, требует исследования динамики литосистемы, познания процессов ее взаимодействия с внешними средами и внутренних взаимодействий между ее элементами. С точки зрения системного подхода инженерно-геологическим прогнозом следует считать предсказание структуры и свойств — компонентов инженерно-геологических условий природной или природно-технической системы в пространстве-времени. В главе 1 рассмотрены понятия движения литосистемы, состояния литосистемы и др. Оперируя этими понятиями, можно определить инженерно-геологический прогноз как предсказание или последовательной смены состояний литосистемы в период времени ∆tр = tp – tn, т. е. предсказание процесса движения литосистемы, или состояния литосистемы в некоторый фиксированный момент будущего времени tp. Здесь tn — момент времени разработки прогноза, ∆tp — заблаговременность прогноза. Используя аппарат теории случайных функций (случайных полей), временной прогноз можно осуществить по данным наблюдений за движением литосистемы в течение некоторого периода времени ∆t, предшествовавшего прогнозу, ∆t = tn – t0, где t0 — момент начала режимных наблюдений. Нередко при разработке прогноза безотносительного ко времени, а иногда и временного прогноза достаточной является информация о состоянии литосистемы в некоторый момент времени tn. Прогноз при этом дается на базе использования детерминированного аппарата. Прогнозирование — последовательность операций с информацией (в нашем случае с инженерно-геологической), выполняемых с целью получения прогноза. В зависимости от выбранного метода прогнозирования состав операций, естественно, изменяется, однако в любом случае прогнозирование включает:

· формулирование цели прогноза;

· выработку требований к его точности и надежности, обоснование заблаговременности;

· обоснование выбора модели;

· в случае если признано целесообразным изучать процесс движения литосистемы, в том числе и природно-технической, на некоторой физической модели — моделирование этого процесса с целью получения исходной информации для прогноза;

· анализ, отбраковка и первичная обработка исходной информации;

· математические операции с отобранной информацией, включая математическое моделирование процесса функционирования литосистемы (или ПТС), конечным результатом которых является инженерно-геологический прогноз.

Метод получения инженерно-геологического прогноза, как и любой другой метод, имеет объективную сторону — теоретические положения. Инженерно-геологический прогноз заключается в предсказании процесса функционирования (движения) литосистемы, обусловленного ее внешними и внутренними взаимодействиями, поэтому в основе прогнозирования должна лежать теория взаимодействий геологической среды с внешними средами, в том числе и с искусственными элементами природной среды, или общая теория экзогенных геологических процессов. При обсуждении теоретических основ инженерно-геологического прогнозирования не следует упускать из виду и то обстоятельство, что структура и свойства геологической среды и их изменение в пространстве и во времени составляют объект общей теории изменчивости. Движение литосистемы в пространстве-времени можно описать терминами этой теории (динамическое поле геологического параметра, изменение структуры поля в физическом времени). Следовательно, теоретическую базу (основу) инженерно-геологического прогнозирования составляют общая теория экзогенных геологических процессов и, если подходить к прогнозу с более общих позиций, общая теория изменчивости геологической среды [3, 4]. Общая теория экзогенных геологических процессов существенно системологическая, общая теория изменчивости геологической среды — математико-геологическая. Это определяет методологию инженерно-геологического прогноза. В основе метода инженерно-геологического прогноза лежит системный подход и аналитическое описание движения геологической среды.

В отличие от других наук, в которых прогноз всегда имеет сугубо временной смысл, в геологии прогноз часто понимают как предсказание структуры и свойств геологической среды в пределах изучаемой области или предсказание каких-либо неизвестных свойств (например, присутствие полезных компонентов) в некоторых областях геологической среды по известным ее свойствам. Следовательно, геологический прогноз в традиционном его понимании имеет ярко выраженный пространственный характер. С пространственным аспектом прогноза имеет дело и инженерная геология, когда решается задача о технической возможности и экономической целесообразности строительства сооружений или проведения какой-либо деятельности в данном районе. Существенно пространственную окраску имеет прогноз, разрабатываемый при решении задачи технико-экономического сравнения конкурирующих вариантов, проводимого с целью выбора оптимального варианта. Однако в отличие от традиционного геологического прогноза при прогнозе инженерно-геологических условий в пространстве всегда, хотя бы в неявном виде, присутствуют элементы временного прогноза. Поэтому теоретическая основа инженерно-геологического прогнозирования даже при разработке пространственного прогноза остается неизменной. При этом, естественно, несколько больший вес приобретает общая теория изменчивости геологической среды. Прикладная часть этой теории содержит методы получения структуры геологического поля, основанные на экстраполяции или интерполяции его характеристик на области геологической среды, не охваченные исследованиями (пространственный прогноз). Это в основном методы математического моделирования геологических полей на ЭВМ, включающие методы, использующие анализ статистической структуры геологического поля. Цели инженерно-геологического прогноза в процессе хозяйственной деятельности человека изменяются (табл. 11.1). Из табл. 11.1 ясно, что цели инженерно-геологического прогноза на разных этапах хозяйственной деятельности заключаются сначала в оптимизации проектирования (выбор оптимального места размещения сооружения, оптимизация его конструкции, обусловленная свойствами геологической среды), затем в оптимизации строительства, а после реализации ПТС — в оптимизации процесса управления ее функционированием. В ходе проектирования сооружения, при его строительстве и во время эксплуатации необходим инженерно-геологический прогноз. Процедура прогнозирования представляет собой непременный атрибут взаимодействия проектировщика и геолога, геолога и эксплуатационника. Геолог не только получает информацию, нужную для прогнозирования, но и совместно с проектировщиком разрабатывает инженерно-геологический прогноз. Прогноз ПТС, разрабатываемый в процессе ее проектирования, есть прогноз инженерно-геологических процессов, учитываемых при проектировании сооружения. Инженерно-геологический прогноз при строительстве ПТС заключается в сопоставлении прогнозируемых данных о структуре и свойствах геологической среды и ее движения с фактическими данными, полученными в период строительства. Прогноз в период эксплуатации ПТС представляет собой предсказание инженерно-геологических процессов, которые будут развиваться в будущем. Прогноз разрабатывают на основе данных наблюдений за фактически развивающимися инженерно-геологическими процессами.

Таблица 11.1. Цели инженерно-геологического прогноза
на разных этапах хозяйственной деятельности

11.2. Классификация инженерно-геологических прогнозов.
Методы прогнозирования в инженерной геологии

Существование различных, нередко противоречивых мнений об инженерно-геологическом прогнозе, его особенностях, отношении к пространству и ко времени, процедуре и методах прогнозирования делает проблему классификации инженерно-геологических прогнозов весьма актуальной. Поэтому авторы считают нужным обсудить классификацию инженерно-геологических прогнозов. Цель этой классификации состоит в упорядочении представлений о возможных классах инженерно-геологических прогнозов и в выявлении тех классов, которые представляются интересными, но методы которых пока не разработаны. Эта цель может быть достигнута, если для разделения полного множества инженерно-геологических прогнозов на подмножества выбрать небольшое число признаков-оснований. Ограниченное число делящих признаков обеспечивает простоту классификации, и в то же время классификация удовлетворяет поставленной цели.

Первым признаком, по которому следует разделить инженерно-геологические прогнозы, является характер оценок, получаемых в результате прогнозирования: численные или нечисленные. Качественный прогноз, как показывает его название, содержит качественную оценку будущего состояния литосистемы в целом или оценку каких-либо ее свойств (или структуры) в будущем. Оценка предусматривает указание тенденций в развитии литосистемы, результатов ее развития на некоторый более или менее точно установленный момент будущего времени (или без привязки к какому-то моменту времени) и указание вероятности достижения этих результатов. Количественный прогноз состоит в описании будущих структуры и свойств литосистемы в численных мерах, в получении показателей (или функций), характеризующих структуру и свойства литосистемы в заданные моменты будущего времени или в некоторый конечный момент времени. При этом предполагается, что количественные показатели прогноза отвечают заданной точности и надежности, или указывается их изменение во времени.

Второй признак-основание предусматривает разделение прогнозов по группам методов прогнозирования. Набор включает четыре группы методов прогнозирования: 1) индикаторов (геологических, физико-географических, антропогенных); 2) инженерно-геологических аналогий; 3) физического моделирования; 4) математического моделирования.

Третьим важнейшим признаком, разделяющим полное множество инженерно-геологических прогнозов, является их отношение ко времени. Набор прогнозов, выделяемый по этому признаку, предусматривает три категории прогнозов: 1) разрабатываемые безотносительно ко времени; 2) срочные, даваемые на конкретный срок, — прогнозы количественные по времени; 3) бессрочные прогнозы на будущее время, срок которых не установлен или устанавливается путем качественных оценок (прогнозы качественные по времени).

Четвертый набор признаков, учитываемый классификацией, предполагает разделение инженерно-геологических прогнозов по их отношению к геологическому пространству. По этому признаку инженерно-геологические прогнозы разделяются:

· на локальные, разрабатываемые для квазиоднородной литосистемы (в том числе и для ПТС);

· на региональные, составляемые для неоднородной литосистемы;

· на глобальные, разрабатываемые с целью предсказания изменения структуры и свойств геологической среды — компонентов инженерно-геологических условий в масштабе планеты (прогноз свойств геологической среды как компонента среды обитания человека).

По охвату свойств геологической среды — компонентов инженерно-геологических условий прогнозы целесообразно разделить на общие, предусматривающие предсказание инженерно-геологических условий (структуры и свойств литосистемы) в целом, и на частные, целью которых является предсказание одного какого-либо свойства литосистемы, одного компонента инженерно-геологических условий.

Последовательное введение рассмотренных признаков-оснований позволяет разделить полное множество инженерно-геологических прогнозов на классы по пяти однородным наборам (табл. 11.2).

Таблица 11.2. Признаки-основания классификации
инженерно-геологических прогнозов

Разделение инженерно-геологических прогнозов на классы и индексы классов в цифровом коде приведено в табл. 11.3.

Таблица 11.3. Классификация инженерно-геологических прогнозов

* Знак «минус» индекса класса прогноза означает, что методы прогноза пока не разработаны.

** С приближенной оценкой сроков прогноза (при заблаговременности прогноза литосистемы меньшей, чем время наблюдений за литосистемой — аналогом).

Анализ классификации показывает, что она вполне отвечает целевому назначению; систематизирует представления об инженерно-геологических прогнозах и показывает, какие методы прогноза предстоит разработать. Так, можно указать на отсутствие математических методов общего прогноза инженерно-геологических условий, а также методов общих и частных глобальных инженерно-геологических прогнозов.

По-видимому, не лишне обратить внимание на некоторые аспекты классификации, справедливость которых не проявляется в явном виде. Правилами конечной математики предусмотрена процедура разделения множества объектов на подмножества по каким-либо признакам, сформулированы требования, предъявляемые к признакам, но ничего не говорится о том, какие признаки можно положить в основу разделения множества и как их ранжировать. Вследствие этого прежде всего целесообразно рассмотреть перечень наборов признаков инженерно-геологических прогнозов. Первый набор признаков не должен вызывать сомнений. То же, вероятно, можно сказать и о втором наборе, включающем группы методов инженерно-геологического прогнозирования. Представленные в классификации группы методов широко известны специалистам, и следует остановиться только на первой группе — методах индикаторов. Это методы прогноза на основании общих соображений, методы эвристического прогнозирования. Для прогноза инженерно-геологических условий на основании общих соображений нужно располагать некоторыми данными, являющимися индикаторами изменения структуры или свойств литосистемы, компонентов инженерно-геологических условий. Это могут быть сведения геологического или физико-географического характера, в том числе сведения об изменении природной среды под влиянием хозяйственной деятельности человека. Эти данные обеспечивают возможность предсказать некоторые свойства и состояние литосистемы в настоящее время, указать тенденции ее развития и, может быть, даже режим. Возможность прогнозирования режима литосистемы зависит от качества исходной информации.

Остановимся подробнее на разделении инженерно-геологических прогнозов на категории по их отношению ко времени. В метеорологии, физике моря, гидрологии прогнозы по заблаговременности разделяют на краткосрочные, малой заблаговременности и долгосрочные. Аналогичные предложения о разделении прогнозов по срокам имеются и в геологии. Так, И. В. Попов разделил инженерно-геологические прогнозы на долгосрочные и долговременные. В. И. Вернадский в 1950 г., Е. М. Сергеев, А. И. Мельников в 1963 г., И. В. Попов в 1970 г., А. В. Котлов в 1970 г. отмечали необходимость составления футурологических прогнозов. Оценка заблаговременности прогноза при этом определяется его целевым назначением, следовательно, она субъективна.

Так, например, морские прогнозы относят к категории долгосрочных, если прогнозирование ведут на срок более 10 сут., а в инженерной геологии И. В. Попов долгосрочными считал прогнозы, даваемые на несколько лет или десятилетий. При построении классификации инженерно-геологических прогнозов использован существенно иной подход к временному аспекту прогноза, который, как это будет показано, удовлетворяет рассмотренным выше категориям. Отличие этого подхода к заблаговременности прогноза заключается в том, что он не предусматривает установления каких-либо сроков прогноза, а исходит из возможности (или невозможности) дать оценку на требуемый срок. По отношению ко времени классификация выделяет три категории: прогнозы, даваемые безотносительно ко времени, срочные прогнозы, предусматривающие оценку состояния литосистемы на заданный срок; бессрочные прогнозы или прогнозы, заблаговременность которых количественно оценить невозможно (прогнозы качественные по времени).

К категории прогнозов, разрабатываемых безотносительно ко времени, относятся, например, прогнозы оползневого процесса, даваемые либо эвристически, на основании анализа геологических данных, либо по результатам расчета устойчивости оползневого склона. К этой же категории относятся прогнозы ожидаемых осадок сооружений или устойчивости склонов, получаемые в результате соответствующих расчетов.

Срочными инженерно-геологическими прогнозами следует считать предсказание структуры и свойств литосистемы — компонентов инженерно-геологических условий на определенный, заранее установленный срок. Для разработки срочного прогноза используют методы инженерно-геологических аналогий, физического и математического моделирований. Методы инженерно-геологических аналогий позволяют приближенно установить срок прогноза. При этом заблаговременность срочного прогноза не может превышать период наблюдений литосистемы-аналога. Если все же требуется прогноз большей заблаговременности, то нужно применять другие методы. Методы физического моделирования позволяют разрабатывать срочные прогнозы, но только при условии соблюдения критериев подобия по времени. Наиболее полно отвечают понятию «срочный прогноз» инженерно-геологические прогнозы, разрабатываемые математическими методами, в которых время является аргументом функции состояния, описывающей движение литосистемы, или функции изменения каких-либо свойств литосистемы. Срочный прогноз, разработанный математическим методом, должен содержать оценку его точности и достоверности. К методам получения срочного прогноза можно отнести расчеты консолидации пород, расчеты переработки берегов на заданные сроки и т. п.

Функция вероятности прогноза от времени р = f (t) является убывающей функцией, вид которой зависит от метода прогноза и характеристик функции, описывающей прогнозируемый процесс. В зависимости от метода срочный прогноз имеет ту или иную максимальную заблаго­временность ∆tp , которой соответствует вероятность 0,5. Величина ∆tp наряду с точностью прогноза характеризует эффективность метода. За границами максимальной заблаговременности прогноз становится недостоверным и бессрочным. Внутри категории срочных прогнозов при необходимости можно выделить краткосрочные и долгосрочные инженерно-геологические прогнозы. Однако установить объективные критерии разделения прогнозов на долго- и краткосрочные, по-видимому, нельзя. Это следует иметь в виду при установлении названия прогноза по сроку прогнозирования.

Как отмечалось, бессрочные прогнозы являются качественными по времени. Такие прогнозы получают в том случае, если метод позволяет предсказать тенденцию изменения во времени каких-либо компонентов инженерно-геологических условий или свойств литосистемы в целом, но не срок достижения литосистемой некоторого ее состояния. Бессрочные прогнозы даются при использовании метода индикаторов, который, несмотря на свои недостатки (субъективизм, невозможность прогнозирования точности и достоверности), в ряде случаев является пока единственным методом предсказания структуры и свойств литосистемы. В понятие «бессрочный прогноз» полностью вписываются долговременные и футурологические прогнозы.

После разделения инженерно-геологических прогнозов по их отношению ко времени логично разделить их в зависимости от охвата геологического пространства. По этому признаку инженерно-геологические прогнозы разделены в классификации на локальные, региональные и глобальные.

Локальный прогноз разрабатывают для сравнительно небольшой области пространства, ограниченной сферой взаимодействия геологической среды с сооружением или границами области с неустойчивой структурой. Область локального прогноза можно выделить в пространстве корректно как область геологической среды, внутри которой геологические поля прогнозируемых компонентов инженерно-геологических условий являются однородными. Следовательно, локальный прогноз разрабатывается для квазиоднородных литосистем.

Региональный прогноз дается для областей геологической среды, в пределах которых геологические поля прогнозируемых свойств геологической среды неоднородны. Неоднородные поля характеризуют, как правило, крупные геологические тела — литосистемы, в структуре геологических полей которых проявляется регионально-коррелированная компонента. Такие литосистемы неоднородны, и для них разрабатывают региональный прогноз. Следовательно, главным признаком, определяющим разделение инженерно-геологических прогнозов на локальный и региональный, является не объем области геологической среды, состояние которой прогнозируется, а свойства литосистемы (квазиоднородная, не­однородная).

Глобальный прогноз, как очевидно из его названия, должен содержать предсказание будущих инженерно-геологических условий в масштабе планеты на заданный момент времени. Глобальный инженерно-геологический прогноз составляет важнейшую часть общего прогноза природной среды, среды обитания человека.

Последний признак-основание классификации позволяет разделить инженерно-геологические прогнозы на общие и частные в зависимости от того, прогнозируется состояние литосистемы в целом (совокупность свойств, определяющих состояние) или некоторое ее свойство в отдельности.

В настоящее время известно четыре группы методов инженерно-геологического прогнозирования. К первой группе относятся методы геологических, физико-географических и антропогенных индикаторов. Это группа эвристического прогнозирования, или прогнозирования на основании общих соображений. В основе подобных методов лежит возможность предсказания ожидаемых изменений структуры и свойств литосистемы по известным ее свойствам или известным результатам взаимодействия литосистемы с внешними средами (по некоторым известным признакам-индикаторам или по их совокупности). Признаки-индикаторы могут быть геологическими (генезис, возраст, состав пород, их свойства, характеристики пространственной изменчивости, характер неотектонических движений и др.). Ряд признаков-индикаторов являются физико-географическими. В их число входят, например, климатическая зона, гипсометрическое положение поверхности литосистемы, экспозиция склонов, растительность. К антропогенным признакам-индикаторам относятся характер и интенсивность хозяйственного освоения территории, влияние искусственных объектов или существенно измененных человеком компонентов природной среды на геологическую среду, ее структуру и свойства. Главным недостатком этой группы методов прогнозирования является отсутствие строгости, субъективизм экспертных оценок, их зависимость от эрудиции и квалификации специалиста. Субъективизм прогноза в какой-то степени устраним: его оценки можно улучшить, а достоверность качественно повысить, если при прогнозировании использовать метод обобщенной экспертной оценки (дельфийский метод), предложенный Т. Д. Гордоном и О. Хальмером (США). Он позволяет получить обобщенную экспертную оценку инженерно-геологического прогноза как статистику выборки, составленной из массива независимых суждений экспертов. Известен ряд довольно успешных попыток использовать этот метод для решения различных инженерно-геологических задач.

Вторая широко известная группа методов прогнозирования — предсказание структуры и свойств некоторой естественной литосистемы (или природно-технической системы), даваемое путем перенесения на эту литосистему известных оценок структуры и свойств литосистемы-аналога. Такие методы прогнозирования называются методами инженерно-геологических аналогий. В основе методов лежит следующее допущение. Если состояние прогнозируемой литосистемы в момент времени, соответствующий моменту разработки прогноза tn, подобно состоянию литосистемы-аналога в момент t0, отвечающий времени начала наблюдений за аналогом, и если предполагается, что движение во времени литосистемы-аналога и прогнозируемой литосистемы обусловлено одними и теми же взаимодействиями, то и результаты их движения за равный период времени должны быть более или менее одинаковыми. Следовательно, состояние прогнозируемой литосистемы в момент времени, ограничивающий заблаговременность прогноза tр, будет адекватно состоянию литосистемы-аналога в момент tn. Это позволяет отнести к прогнозируемой литосистеме оценки структуры и свойств литосистемы-аналога, полученные на момент tn. Главное препятствие в широком использовании методов инженерно-геологических аналогий заключается в недостаточной разработанности способов подбора литосистемы-аналога. Поэтому основное внимание следует обратить на разработку: мощных критериев подобия прогнозируемой литосистемы и литосистемы-аналога; способов оценки возможных отклонений в движении прогнозируемой литосистемы, определяющих точность прогноза; способов количественной оценки степени риска, связанного с недостаточно обоснованным выбором аналога. Исследования, выполненные Л. Б. Розовским, позволяют сформулировать задачи следующего этапа разработки методов инженерно-геологических аналогий. Они заключаются в поисках методов оценки возможной дисперсии состояний прогнозируемой литосистемы, обусловленной различием в ее взаимодействиях по сравнению с взаимодействиями литосистемы-аналога за одинаковый период времени. Разработка методов оценки дисперсии состояний литосистемы потребует исследования механизма ее взаимодействий с внешними средами и механизма внутренних взаимодействий, иначе говоря — процесса движения литосистемы. Исследования в этом направлении представляются чрезвычайно важными не только для совершенствования методов инженерно-геологических аналогий. Главнейшим их результатом следует считать разработку основных положений теории взаимодействий геологической среды с внешними средами, иными словами, общей теории экзогенных геологических процессов. Методы инженерно-геологических аналогий можно использовать для разработки прогнозов, заблаговременность которых не превышает периода времени наблюдений за системой-аналогом. При необходимости прогноза большей заблаговременности приходится прибегать к использованию методов прогнозирования, основанных на использовании индикаторов.

Методы физического моделирования широко используют в различных областях науки и техники. В инженерной геологии применяют следующие методы: лабораторные и полевые экспериментальные методы грунтоведения и механики грунтов (моделирование процессов деформации, разрушения, консолидации, ползучести, выветривания и др.); моделирование экзогенных геологических (включая инженерно-геологические) процессов методами эквивалентных материалов, поляризационно-оптическими и методами, предусматривающими использование естественных материалов и создание искусственного поля тяготения (на центрифуге). Экспериментальные методы грунтоведения и механики грунтов отличаются целевым назначением от других методов физического моделирования. Они позволяют изучить процессы, происходящие в грунтах под влиянием внешних, в основном механических, взаимодействий, и получить характеристики этих процессов — показатели механических свойств грунтов (показатели прочности, сжимаемости, разуплотняемости, реологических свойств). Эти показатели в дальнейшем используют при физическом или математическом моделировании экзогенных геологических процессов (расчеты осадок, устойчивости и т. д.). Другие методы физического моделирования предусматривают создание вещественных моделей, подобных реальным литосистемам в отношении каких-либо структур или свойств. На основании исследования поведения моделей под влиянием внешних взаимодействий обычно дают частный инженерно-геологический прогноз. Прогнозы разрабатываются безотносительно ко времени, или, как отмечалось, даются срочные прогнозы, если время учтено критериями подобия. Методы физического моделирования в необходимых случаях предваряют математическое моделирование. Они позволяют: выбрать оптимальный набор свойств литосистемы или параметров, совокупность которых определяет ее состояние; выявить входы литосистемы и, следовательно, оценить набор и характер взаимодействий, определяющих ее развитие.

Математические методы прогноза развиваются в двух направлениях. Традиционное направление математических методов прогнозирования представлено способами расчета параметров экзогенного геологического процесса, не предусматривающими срочный прогноз, или способами расчета состояний литосистемы на заданный момент времени (срочный прогноз). Типичные методы расчета опираются на детерминированный математический аппарат. К числу прогнозов, даваемых безотносительно ко времени, относятся прогнозы осадок сооружений, устойчивости откосов, фильтрационных потерь и аналогичные им. К срочным прогнозам, разрабатываемым с использованием детерминированного аппарата, принадлежат прогнозы времени консолидации грунтов, ползучести, переработки берегов водохранилищ. Традиционные методы обеспечивают получение локального (для квазиоднородной литосистемы) и частного инженерно-геологического прогноза.

В последние годы предпринимаются попытки применить другие методы прогнозирования, которые могли бы обеспечить общий и частный региональный прогноз инженерно-геологических условий. С этой целью используется системный подход, а для описания движения геологической среды привлекается аппарат математической статистики и теории вероятностей. Большие возможности в отношении инженерно-геологического прогнозирования открывает теория изменчивости геологической среды, использующая аппарат случайных функций и полей. Вероятностный подход к исследованию движения литосистемы в пространстве-времени вполне правомерен. Геологические процессы являются необратимыми, поэтому в движении литосистемы во времени всегда проявляется некоторая тенденция. Она обусловлена непрерывным, зачастую имеющим периодический характер, распределенным взаимодействием крупных областей геологической среды с другими средами (например, взаимодействия геологической среды с атмосферой и космосом). Тенденцию в движении системы можно описать некоторой детерминированной, обычно существенно периодической функцией по времени, например функцией состояния литосистемы. На главнейшие, устойчивые во времени взаимодействия накладываются нестабильные, распределенные взаимодействия геологической среды с агентами других сред, квазипериодические и импульсные, проявляющиеся в различных наборах. Они обусловливают вклад в процесс движения литосистемы в виде высокочастотных квазипериодических возмущений и экстремумов. Наконец, процесс движения литосистемы осложняется сосредоточенными, как правило, кратковременными взаимодействиями, имеющими существенно случайный характер. Они отражаются в процессе движения литосистемы в виде случайной компоненты. В ходе реализации ПТС (строительства сооружения или иной деятельности человека) процесс движения литосистемы в границах сферы взаимодействия, обусловленный естественными причинами, существенно изменяется. Взаимодействие с сооружением или со стабильно проявляющейся во времени хозяйственной деятельностью вносит в процесс движения геологической среды, ограниченной рамками сферы взаимодействия, детерминированную компоненту, монотонную или периодическую. Первый случай отвечает, например, уплотнению геологической среды под сооружением, второй — периодическому режиму процесса переработки берегов водохранилища, тесно связанному с уровенным режимом водохранилища.

Общее выражение процесса движения квазиоднородной литосистемы можно записать так:

A (t) = M [A (t) + ∆A (t)],

где A (t) — функция состояния литосистемы по времени, M [A (t)] — математическое ожидание, ∆A (t) — случайная компонента функции состояния литосистемы. Прогноз движения литосистемы с заблаговременностью Дtp можно осуществить путем экстраполяции функции A (t), точнее, ее реализации, отвечающей периоду наблюдений, ∆t = tn – t0. Реализацию функции A (t) получают в ходе режимных наблюдений за параметрами состояния литосистемы (за ее координатами). Для экстраполяции A (t) можно использовать разработки теории стационарных случайных функций. В частности, весьма полезными могут оказаться при этом методы экспоненциального сглаживания, в первую очередь однопараметрический метод Р. Т. Брауна, или методы экстраполяции, основанные на анализе статической структуры случайной функции (поля).

Математический аппарат, привлекаемый для прогнозирования состояния литосистемы, нельзя признать достаточно разработанным, особенно в части его приложений. Пока отсутствуют решения, на которые можно было бы опираться при прогнозировании движения литосистемы, существенно нестационарного во времени. Нет решений, пригодных для разработки общего прогноза неоднородных литосистем, состояние которых описывается набором неоднородных полей параметров состояния или многомерным неоднородным полем. В настоящее время единственным способом прогнозирования движения неоднородных литосистем остается способ их дискретизации на квазиоднородные подсистемы [4, 5]. Желательно иметь аппарат, который позволял бы реализовать математическую модель движения неоднородной литосистемы, модель многомерного динамического геологического поля.

Вероятностно-статистические методы, используемые при инженерно-геологическом прогнозировании, в большинстве случаев опираются на модель литосистемы, известную как «черный ящик». Для исследования такой модели не требуется знание внутренней сущности процесса движения литосистемы, его механизма. Однако не следует думать, что это является большим достоинством статистических методов, определяющим их преимущество перед методами детерминированной математики. За незнание механизма геологического процесса приходится довольно дорого платить. Плата за использование статических методов — не только риск, обусловленный вероятностным характером оценок прогноза, но и необходимость иметь информацию о режиме движения литосистемы, изменении параметров ее состояний во времени, режиме взаимодействий. Детерминированные методы позволяют осуществлять прогноз на основе данных о состоянии литосистемы только на прогнозируемый момент времени. Следует заметить, что отношение объема решений какого-либо во­проса, основанных на стохастическом аппарате, к объему аналогичных решений, выполненных на детерминированной основе, пропорционально степени нашего незнания процессов, определяющих функционирование некоторой системы. Вследствие этого применение вероятностно-статистических методов не только не исключает, но даже предполагает познание внутренней сущности процесса движения литосистемы (модель «белого ящика») и его описание в терминах детерминированного аппарата; развитие и совершенствование экспериментальных методов инженерной геологии; создание математических моделей процессов на детерминированной основе.

Выбор математического аппарата при инженерно-геологическом прогнозировании полностью определяется целевым назначением прогноза, из которого вытекают требования к качеству оценок прогноза (точность, вероятность) и его пространственно-временным рамкам. В ходе внедрения математических методов в инженерную геологию нередко проявляется довольно опасная тенденция «перешагивания» от геологии к математике, минуя этап физики. Может быть, в отдельных случаях сознательное исключение из рассмотрения представлений о физической сущности геологического процесса оправданно, но в целом путь математизации инженерной геологии должен быть один. Он предусматривает: 1) геологические представления (познание физической и физико-химической сущности геологических процессов) и их математическое представление (в терминах детерминированной математики); 2) статистическое обобщение на базе теории систем и построение детерминированных или вероятностных математических моделей литосистем и моделей процессов их движения.

Завершая рассмотрение методов прогнозирования, используемых инженерной геологией, авторам хотелось бы подчеркнуть, что нельзя противопоставлять количественные методы прогноза качественным, тем более нельзя считать качественные методы худшими. Количественные и качественные методы прогнозирования имеют разные области применения. Качественные методы хотя и не позволяют разрабатывать срочные прогнозы, но дают возможность осуществлять общий региональный инженерно-геологический прогноз. Футурологические и долговременные (бессрочные) инженерно-геологические прогнозы в настоящее время можно давать только в качественной форме.

Совершенствование существующих и разработка новых методов прогнозирования потребует решения некоторых проблем теории и методики, а также ряда организационных задач. Теоретические проблемы и некоторые методические стороны инженерно-геологического прогнозирования рассмотрены в разделе 11.1. Необходимость осуществления организационных мероприятий определена тем, что прогнозирование движения литосистем, в том числе природно-технических систем различных категорий, требует информации о режиме геологической среды. Получение подобной информации может обеспечить служба режима инженерно-геологических условий (подсистема литомониторинга).

11.3. Задачи и виды прогнозов, разрабатываемых
на разных этапах инженерно-геологических работ

Любой из этапов инженерно-геологических работ выполняется с целью получения информации о свойствах геологической среды — компонентах инженерно-геологических условий такого объема и такого качества, которое отвечает целям оптимизации: планирования, строительного проектирования или, точнее, проектирования ПТС (этапы I–III); строительства (этап IV); управления ПТС (этап V). В ходе этапов IV и V работ получают информацию не только о геологической среде в пределах сферы взаимодействия сооружения, но и об искусственных элементах ПТС (о взаимодействии орудий и продуктов труда, сооружений с геологической средой). Основываясь на целевом назначении инженерно-геологических изысканий, проводящихся на разных этапах, можно утверждать, что классы инженерно-геологических прогнозов должны изменяться при переходе от предыдущего этапа к последующему. В процессе инженерно-геологических изысканий, охватывающих этапы I и II, главная цель работ заключается в обосновании технической возможности, экологической, социальной и экономической целесообразности строительства, в нахождении наиболее благоприятного места расположения будущего сооружения (сооружений). Эта цель достигается последовательно: сначала на основании информации, полученной на этапе I, намечают ряд перспективных вариантов; затем, сравнивая перспективные варианты, выбирают оптимальный. Сравнительная оценка вариантов проводится на основании различных данных (экономических, топографических, экологических и др.), полученных в результате инженерных, в том числе инженерно-геологических, изысканий (этап IIa, работы на перспективных вариантах). Для выбора нескольких наиболее перспективных вариантов требуется прогноз совокупности компонентов инженерно-геологических условий, определяющих оценку территории применительно к планируемому строительству. Такой прогноз является общим. Он включает прогнозы отдельных компонентов инженерно-геологических условий, отдельных свойств литосистемы, а следовательно, состоит из нескольких частных прогнозов. При выборе перспективных вариантов рассматривается и оценивается большая территория, в пределах которой литосистема, как правило, неоднородна, поэтому прогноз является региональным. Прогноз большинства компонентов инженерно-геологических условий дается безотносительно ко времени. Для отдельных свойств геологической среды на этапе I возможен бессрочный прогноз. По характеру оценок прогноз является качественным, хотя некоторые частные прогнозы, компоненты общего, могут быть количественными.

Задача выбора оптимального варианта из числа конкурирующих решается в ходе сравнительного анализа прогнозов, разработанных для каждого из сравниваемых вариантов. Прогнозы для вариантов составляют на основании инженерно-геологической информации, получаемой в результате выполнения работ на конкурирующих вариантах, на этапе IIa. Прогнозы для отдельных вариантов также должны быть общими, т. е. даваться для совокупности тех свойств геологической среды — компонентов инженерно-геологических условий, которые существенно влияют на оценку варианта. Конкурирующие варианты чаще всего охватывают территорию, адекватную неоднородной литосистеме, поэтому прогноз, даваемый для варианта, в большинстве случаев будет региональным. Прогноз разрабатывается по состоянию литосистемы каждого конкурирующего варианта на момент проведения изысканий. Вследствие этого частные прогнозы наиболее динамичных (наиболее изменчивых во времени) свойств геологической среды будут преимущественно бессрочными. В зависимости от прогнозируемых свойств геологической среды оценки прогноза могут быть качественными или количественными. Таким образом, на этапах I и IIa инженерно-геологических исследований, ведущихся с целью поисков наиболее благоприятного участка размещения сооружений, прогнозы являются существенно пространственными, региональными, бессрочными по времени и в основном качественными. Количественные оценки содержат главным образом прогнозы гидрогеологических свойств геологической среды, прогнозы физико-механических свойств грунтов и их пространственной изменчивости и некоторые другие частные прогнозы.

На этапе IIб строительного проектирования решается задача оптимального размещения зданий и сооружений на выбранной площадке. Для ее решения проектировщик должен провести предварительные расчеты оснований сооружений, составить предварительный проект производства строительных работ и проект защитных мероприятий. Требования к информации о свойствах геологической среды в пределах выбранной площадки полностью определяются задачами строительного проектирования. Информация, полученная в результате инженерно-геологических исследований этапа IIб, должна содержать оценку и прогноз структуры и тех свойств геологической среды, которые учитываются при проектировании сооружений. Прогноз при этом является общим и частным, локальным1, в основном количественным, безотносительным по времени и срочным (например, расчет времени консолидации грунтов основания).

Строительное проектирование на этапе III производится с целью окончательного расчета инженерно-геологических процессов, которые возникнут как результат взаимодействия элементов ПТС — геологической среды и сооружения; разработки окончательного проекта производства строительных работ и проекта защитных мероприятий. В процессе работ в качестве литосистемы рассматривают будущую сферу взаимодействия геологической среды с сооружением (подсистему ПТС). Информация, получаемая на этапе III, должна обеспечить прогноз функционирования ПТС, т. е. прогноз инженерно-геологических процессов — результата взаимодействия естественных и искусственных элементов ПТС. Следовательно, на этом этапе проектирования требуются общий (как совокупность частных), локальный количественный, безотносительный ко времени и срочный инженерно-геологические прогнозы.

Этап IV в соответствии с назначением информации о свойствах геологической среды, получаемой в результате инженерно-геологических работ, можно считать контрольным. Главная цель строительного проектирования — корректировка рабочей документации, корректировка проекта проведения строительных работ. Информация о фактических свойствах и структуре геологической среды, некоторых процессах ее движения, полученная в ходе строительства, используется для проверки правильности прогнозов, разработанных на этапе III, и в случае необходимости для их корректировки, выполняемой с целью уточнения рабочей документации. Классы прогнозов при этом, естественно, такие же, как и на этапе III.

Этап V включает наблюдения за режимом движения ПТС, режимом инженерно-геологических процессов. Главная цель режимных инженерно-геологических наблюдений заключается в получении информации, нужной для проверки правильности прогнозов инженерно-геологических процессов в части их набора, интенсивности (количественных параметров), развития в пространстве и временного режима. Эти требования предопределяют классы инженерно-геологических прогнозов. Оптимизация управления ПТС требует набора частных, локальных количественных, срочных и безотносительных по времени прогнозов. В табл. 11.4 помещены сведения о классах прогнозов, разрабатываемых на разных этапах инженерно-геологических работ.

Таблица 11.4. Классы инженерно-геологических прогнозов,
разрабатываемые при планировании, проектировании,
строительстве и эксплуатации ПТС

К числу важнейших свойств геологической среды принадлежат физико-механические свойства грунтов. Они предопределяют набор и характер ЭГП и будущих инженерно-геологических процессов, используются для расчета (прогноза) процессов, поэтому физико-механические свойства грунтов практически на всех этапах работ входят в число прогнозируемых свойств геологической среды. В связи с этим интересно проследить, как изменяются классы прогноза физико-механических свойств грунтов на различных этапах инженерно-геологических исследований. Прогнозы показателей физико-механических свойств грунтов, разрабатываемые на этапах I и IIа инженерно-геологических изысканий, относятся к классу частных региональных, количественных, безотносительных ко времени. Для выбора на территории района нескольких площадок (конкурирующих вариантов), в пределах которых породы имеют лучшие для планируемого строительства свойства, целесообразно иметь для всего района поля показателей свойств или по крайней мере сечения полей по главным направлениям изменчивости. В этом случае задача отыскания участков (вариантов), лучших по физико-механическим свойствам грунтов, сводится к выделению на карте поля геологического параметра аномалий — областей максимума (сопротивление пенетрации, прочность) или минимума (пористость, сжимаемость, относительная просадочность) показателя. Наметить в первом приближении положение участков, наиболее благоприятных по свойствам пород, можно и на основе анализа сечений поля в главных направлениях. Однако при этом существует опасность пропустить благоприятные участки, если они расположены между сечениями. На первых этапах работ получают в основном сведения о классификационных показателях свойств грунтов или показателях, измеряемых скоростными методами (пенетрационно-каротажными, динамической или статической пенетрации и аналогичными). Для выбора конкурирующих вариантов достаточно располагать полями этих показателей. После проведения работ на конкурирующих вариантах выбирают наилучший, оптимальный вариант. Выбор варианта, оптимального по свойствам геологической среды, в том числе и по физико-механическим свойствам грунтов, производят путем сравнительного анализа прогнозов, разрабатываемых для вариантов. В пределах сравниваемых вариантов поля классификационных показателей, скорее всего, неоднородны, поэтому их следует сравнивать по статистическим характеристикам, учитывая, естественно, требования к геологической среде, предъявляемые проектируемыми сооружениями. Если в пределах конкурирующих вариантов поля показателей свойств однородны, то сравнение участков по свойствам, выполняемое с целью выбора наилучшего, можно производить по оценкам средних значений показателей и мерам их рассеяния. Сравнение требует предварительной оценки однородности полей показателей свойств грунтов на конкурирующих вариантах.

Цель этапа IIб строительного проектирования заключается в выборе наиболее благоприятного варианта компоновки зданий и сооружений, предварительном расчете оснований (прогнозе инженерно-геологических процессов), разработке проектов производства строительных работ. Для достижения этих целей проектировщик должен располагать данными о структуре (в общем случае геологическом и гидрогеологическом строении) и свойствах литосистемы, нужными для оценки конкурирующих схем компоновки сооружений на участке и расчетов оснований. При проведении предварительных расчетов можно воспользоваться нормативными значениями показателей прочности и сжимаемости. Нормативные значения устанавливают, опираясь на оценки средних значений классификационных показателей. Для предварительных расчетов оснований ответственных сооружений расчетные значения показателей прочности, сжимаемости, коэффициента фильтрации и др. устанавливают на основании статистической обработки экспериментальных данных. Таким образом, пространственный прогноз показателей физико-механических свойств пород, разрабатываемый на основании результатов инженерно-геологических работ этапа IIб, должен быть локальным. В пределах участка (оптимальный вариант) поле классификационного показателя свойств в области, отвечающей МГТ-1, обычно неоднородно. В процессе инженерно-геологических работ этапа IIб монопородные геологические тела первого уровня, по данным инженерно-геологического опробования, разделяют на МГТ-2 и МГТ-3. МГТ-2 однородно по классификационным показателям, а МГТ-3 однородно также и по показателям состояния, прочности и деформируемости. Это позволяет для каждого из геологических тел категории МГТ-2 и МГТ-3 подсчитать оценки средних значений показателя и меры его рассеяния. Следовательно, на этапе IIб инженерно-геологических работ локальный прогноз показателей физико-механических свойств грунтов представляет собой набор подсчитанных с требуемым доверительным уровнем и точностью оценок показателей свойств геологических тел (МГТ-2 и МГТ-3), слагающих предполагаемые варианты сфер взаимодействия геологической среды с сооружением. Варианты сфер взаимодействия соответствуют прорабатываемым схемам компоновки сооружений. Набор включает оценки тех показателей свойств, которые проектировщик использует при расчете инженерно-геологических процессов (осадки, консолидации, фильтрации и т. п.), или показателей, на основании которых устанавливают нормативные значения модуля деформации, сцепления или угла внутреннего трения. В некоторых случаях количественный, локальный, безотносительный по времени прогноз показателей физико-механических свойств грунтов дополняют качественным (бессрочным) прогнозом, указывающим тенденции изменения свойств грунтов во времени при производстве строительных работ и взаимодействии с сооружением.

Аналогично разрабатывают инженерно-геологический прогноз по данным о свойствах геологической среды, полученным на этапе III инженерно-геологических работ. Напомним, что главная цель строительного проектирования на данном этапе состоит в проведении окончательных расчетов инженерно-геологических процессов, которые возникнут в пределах предполагаемой сферы взаимодействия геологической среды с сооружением в процессе его строительства и эксплуатации. Для окончательных расчетов основания сооружения, а также для составления проекта производства строительных работ и проекта защитных мероприятий требуются данные о статистиках показателей свойств грунтов, слагающих геологические тела внутри предполагаемой сферы взаимодействия геологической среды с сооружением и внутри сферы производства строительных работ. Положение внутри сферы взаимодействия, пространственные отношения, границы и свойства геологических тел категорий МГТ-2 и МГТ-3 уточняют по результатам опробования пород, проводимого на этапе III. Для каждого геологического тела этих категорий подсчитывают оценки среднего значения показателей и устанавливают расчетные показатели. Как и на этапе IIб, количественный локальный прогноз показателей физико-механических свойств грунтов по возможности следует сопровождать хотя бы ориентировочным указанием тенденций изменения свойств во времени в период строительства и эксплуатации сооружения.

Обобщая изложенное выше, можно утверждать, что прогноз показателей физико-механических свойств грунтов, разрабатываемый на основании данных инженерно-геологической разведки (этапы IIб и III инженерно-геологических работ), относится к классам количественного локального, безотносительного ко времени, срочного и бессрочного прогнозов. Строительными нормами и правилами предусмотрено получение расчетных значений показателей свойств с доверительным уровнем 0,95 при расчетах оснований по несущей способности, с доверительным уровнем 0,85 — при расчетах оснований по деформациям. Для сооружений I класса капитальности допускается повышать доверительный уровень до 0,99. Для мостов и водопропускных труб доверительный уровень устанавливается 0,98 (расчет по несущей способности) и 0,9 (расчет по деформации). Следовательно, такие же доверительные уровни должны иметь локальные прогнозы показателей физико-механических свойств грунтов. Точность прогноза подсчитывают по формулам, учитывающим меры рассеяния показателей свойств пород.

Прогноз показателей физико-механических свойств грунтов, разрабатываемый на этапе IV инженерно-геологических работ, также относится к классу количественного локального прогноза. Инженерно-геологические работы (в основном документация и опробование пород), выполняемые в строительных котлованах, направлены на получение оценок средних значений показателей свойств грунтов, вскрытых выемкой, на момент производства строительных работ. Такая информация о свойствах грунтов отвечает целям строительного проектирования, состоящим в уточнении проектов зданий и сооружений, а также способов производства строительных работ.

Инженерно-геологические работы, проводимые на последнем, V этапе, состоят в режимных наблюдениях за свойствами грунтов (уплотнение, влажность, поровое давление и др.). Данные о режиме физико-механических свойств грунтов используют для проверки прогнозов инженерно-геологических процессов, разработанных в период проектирования (уплотнения пород в основании сооружения, фильтрации и т. п.), и для их корректировки. Корректировка прогнозов — необходимое условие оптимизации управления ПТС.

11.4. Прогнозирование движения природных
и природно-технических систем

Инженерно-геологический прогноз в общем случае должен содержать ответы на вопросы: где происходит изменение инженерно-геологических условий, с какой скоростью и в каком направлении они изменяются, когда их изменение достигает критического уровня. Нередко, в зависимости от задач прогнозирования, можно ограничиться ответом только на два или даже на один из поставленных вопросов. Например, при прогнозе экзогенных геологических процессов обычно известно, где они локализованы, поэтому достаточно указать их скорость, интенсивность распространения в пространстве (масштаб) и время наступления критического уровня.

Для того чтобы наметить пути решения проблемы общего инженерно-геологического прогноза как части прогноза природной среды, авторы руководствовались вопросами, намеченными рабочей группой американских специалистов, исследовавших критические проблемы окружающей среды. Основанием для этого послужило сходство целей и задач изучения критических проблем окружающей среды и проблемы инженерно-геологического прогноза. Эти вопросы следующие.

1. Что известно в настоящее время относительно данной проблемы?

2. В чем заключается недостаток наших знаний, затрудняющих оценку положения вещей?

3. Что нужно сделать для улучшения качества информации и степени нашего понимания проблемы, чтобы в будущем достигнуть лучшей оценки?

Рассматривая проблемы инженерно-геологического прогноза в свете перечисленных вопросов, можно отметить следующее. Все элементы геологической среды и ее свойства связаны между собой. Состав, строение, тектонические условия и трещиноватость горных пород обусловливают их свойства, геоморфологический облик литосистемы и в целом экзогенные геологические процессы. Геологическое тело, выделенное по инженерно-геологическим критериям, является открытой системой, и смена ее состояний обусловлена внешними распределенными и сосредоточенными взаимодействиями.

Существенно влияет на природную (в том числе на геологическую) среду человек. Под влиянием человеческой деятельности геологическая среда изменяется непосредственно или косвенно. Примерами непосредственного взаимодействия с геологической средой являются проведение горных работ, строительство сооружений, осушение и обводнение территорий, распашка почвы, сведение лесов, строительство водохранилищ и другие подобные мероприятия. Косвенное, в основном распределенное, взаимодействие проявляется в изменении свойств внешних сред, оказывающих влияние на геологическую среду. Создание на обширных территориях искусственных экологических систем, широкое применение химических удобрений и ядохимикатов нарушают естественные почвообразовательные процессы и в итоге изменяют свойства горных пород и подземных вод. Известен факт загрязнения атмосферы углекислотой, сернистыми соединениями и твердыми частицами. Повышение содержания СО2 в атмосфере, по оценкам некоторых специалистов, может привести к изменению радиационного баланса (парниковый эффект). По данным американских специалистов, за последние годы кислотность осадков, выпадающих в виде дождя в Западной Европе и в восточной части США, а также в Канаде, возросла в 100–1000 раз по сравнению с нормой. Это, естественно, не может не сказаться на изменении характера процесса выветривания горных пород. Если кислотность гидрометеоров будет сохраняться и далее, то это приведет к перемещению границы химического выветривания на север и возрастанию интенсивности процесса. Приведенные выше очень краткие и неполные сведения о воздействии человека на горные породы и подземные воды показывают, что при прогнозировании инженерно-геологических условий нужно как можно более полно учитывать результаты хозяйственной деятельности людей.

Традиционные способы количественного прогноза, заключающиеся в расчете параметров некоторого процесса (например, оползневого или процесса переработки берегов водохранилища), обеспечивают в основном только локальный и частный инженерно-геологический прогноз. Поэтому заслуживают внимания пути разработки количественного общего и частного локального и регионального инженерно-геологических прогнозов. Такой прогноз можно разработать, соединяя системный анализ, концепцию многомерного геологического поля и соответствующий математический аппарат. Возможности использования математического аппарата при прогнозировании изменения свойств геологической среды — компонентов инженерно-геологических условий далеко не исчерпаны. Математические методы пока редко и с большой осторожностью применяются для описания движения литосистем. Детерминированный математический аппарат применяется для частного прогноза относительно несложных инженерно-геологических процессов, обусловленных механическими взаимодействиями. Математические модели таких процессов (уплотнения, консолидации, ползучести) создает и исследует механика грунтов. Механика грунтов занимается моделированием квазиоднородных литосистем. В большинстве случаев рассматривается модель зоны сферы взаимодействия, в которой локализован инженерно-геологический процесс, или модель области с неустойчивой структурой. При по­строении моделей принимается допущение об однородности геологической среды по вещественному составу и свойствам внутри границ элементов литосистемы. Элементы представляют собой простые геометрические тела, каждое из которых можно охарактеризовать оценкой среднего значения параметра, используемого в расчетах (например, модуля деформации, показателей прочности, плотности грунта). Реальные литосистемы неизмеримо сложнее по структуре, отношениям их элементов, структуре внешних и внутренних взаимодействий. Состояние неоднородных литосистем невозможно представить в виде вектора параметров (координат системы). Оно описывается набором полей геологических параметров. Взаимодействия внутри литосистемы и ее взаимодействия с внешними по отношению к ней средами очень многообразны по природе, и их нельзя свести только к механическим взаимодействиям. Сложность природных и природно-технических систем, трудность, а нередко и невозможность количественного учета и описания главнейших взаимодействий, определяющих движение литосистемы во времени, следует считать основной причиной того, что пока не удалось достаточно хорошо изучить механизмы процессов взаимодействий, аналитически описать главнейшие процессы движения литосистем (создать математические модели процессов на детерминированной основе). Пока это не сделано, можно попытаться решить проблему прогноза инженерно-геологических условий другим путем.

Особенно актуальными являются сейчас срочные, общие и частные, локальные и региональные инженерно-геологические прогнозы. Эти классы прогнозов представляется возможным разработать на базе системного подхода и теории изменчивости геологической среды, в частности, на основе концепции поля геологического параметра. Логично рассмотреть сначала вопрос о путях разработки локального прогноза, частного и общего, даваемого для квазиоднородной литосистемы, а затем обсудить более сложный случай — срочный региональный прогноз. Напомним, что квазиоднородной является такая литосистема, для которой геологические поля параметров ее состояния являются однородными. С формальной точки зрения частный локальный прогноз сводится к экстраполяции функции R = f (t) (R — некоторое свойство литосистемы — компонент инженерно-геологических условий) на требуемый момент времени tp. Для разработки прогноза нужно располагать данными наблюдений за изменением прогнозируемого компонента в течение некоторого времени ∆t = tn – t0, где t0 и tn — соответственно моменты начала наблюдений и времени составления прогноза. По ряду наблюдений получают отрезок функции R = f (t), характеризующий изменение R за время ∆t. Отметим, что речь идет только о квазиоднородной литосистеме, прогнозируемое свойство которой можно представить в виде оценки среднего значения (поле геологического параметра — однородно). Статистики компонента, подсчитанные для различных моментов времени, представляют собой сечения функции R = f (t) для этих моментов. По сечениям восстанавливается функция, а затем производится ее экстраполяция, учитывающая статистическую структуру поля. Отсюда вытекает зависимость между точностью прогноза и длиной ряда наблюдений. Более длинный ряд наблюдений обеспечивает получение более надежного вида автокорреляционной функции, от которой зависит точность экстраполяции R = f (t) во времени. Если функция R = f (t), отстроенная по экспериментальным данным, обнаруживает тренд, то ее следует разложить на составляющие, сняв тренд, — разумеется, если есть основания считать, что детерминированная составляющая функции, характеризующая тренд, существенно не изменится в будущем и сохранит свой вид до того момента времени, на который дается прогноз. Следует отметить, что для восстановления функции R = f (t) по экспериментальным данным следует иметь для каждого момента времени равноточные, подсчитанные по оптимальным выборкам равного объема оценки среднего значения параметра, а не частные его значения. Данные измерений прогнозируемого свойства, получаемые в некоторый момент времени, должны быть равнопредставительными и более или менее равномерно охватывать всю квазиоднородную литосистему. Следовательно, сеть режимных наблюдений должна рассматриваться в соответствии с правилами, регламентирующими расчет сингулярных (разовых) систем опробования. Таковы формальные требования к исходной информации о режиме компонента инженерно-геологических условий, используемой для его прогноза.

На практике при прогнозировании инженерно-геологических процессов, являющихся следствием взаимодействия подсистем «сооружение» и «сфера взаимодействия», ограничиваются данными о режиме прогнозируемого свойства, полученными в одной или нескольких точках сферы взаимодействия. В этом случае получают уже не оценку функции R = f (t), близкую к ее математическому ожиданию, а одну (или небольшое число) реализацию функции. Надежность прогноза при этом, естественно, снижается.

Полезно вкратце рассмотреть математические методы прогнозирования, которыми можно реализовать частный локальный инженерно-геологический прогноз. Одним из них является метод экстраполяции случайного процесса, учитывающий его статистическую структуру [1, 29]. Он позволяет подсчитывать прогнозируемые значения параметра R на заданные моменты будущего времени по полученным в ходе режимных наблюдений, в моменты времени t – n, t – n + 1, … t значениям параметра Rt – n, Rt – n + 1, …, Rt. Прогнозируемое значение Rt + p определяется как линейная комбинация наблюдаемых значений R:

где αi — неизвестные коэффициенты, имеющие значения веса, который придается полученным при наблюдениях значениям R. Нужно найти такие коэффициенты αι (i = 1, 2, …, n), при которых средняя квадратическая погрешность экстраполяции была бы минимальной, т. е.

Величину σ2 можно выразить через значения автокорреляционной функции:

Для определения α1, α2, …, αn, удовлетворяющих условию минимума средней квадратической погрешности экстрополяции, используют систему линейных уравнений:

i = 1, 2, …, n

или

Для подсчета коэффициентов экстраполяционной формулы нужно знать автокорреляционную функцию. Оценку автокорреляционной функции можно получить по ряду наблюдений параметра:

где — оценка математического ожидания ряда Rτ; τ — сдвиг автокорреляционной функции; N — число членов ряда Rτ. Погрешность экстраполяционной формулы существенно зависит от того, насколько точно определена автокорреляционная функция. В то же время степень смещенности оценки автокорреляционной функции относительно ее математического ожидания зависит от длины ряда наблюдений. Поэтому для прогноза желательно иметь более длинный ряд наблюдений. При прогнозировании параметра R рассматриваемым методом, основанным на учете статической структуры процесса Ri, следует помнить, что с увеличением заблаговременности прогноза теснота корреляционных связей снижается и за пределами некоторого значения сдвига, τ > τmax (τmax — радиус корреляции) значения Rt Rt + τ становятся некоррелированными. Таким образом, радиус корреляции определяет максимальный интервал между значениями R, за границами которого не имеет смысла использовать значения Rt для прогноза Rt + τ. Определить τ max можно по графику автокорреляционной функции. Однако, учитывая, что мы располагаем лишь оценкой BR (τ), полученной по ограниченному ряду Rt , для определения τmax можно воспользоваться критерием

где Nэ(τ) — эффективное число наблюдений, обеспечивающее получение оценки корреляционной функции BR(τ); ρ(τ) — нормированная автокорреляционная функция; Vдоп. — допустимый коэффициент вариации оценки. Критерий обеспечивает оценку автокорреляционной функции с заданным коэффициентом вариации по эффективному числу наблюдений. Можно, следовательно, определить нужное число наблюдений (длину ряда Rt), при котором оценка BR(τ) не превысит заданного коэффициента вариации. Максимальную заблаговременность прогноза ∆tp = tp – tп можно получить из выражения

где М — число членов ряда, непосредственно используемых для прогноза Rt.

Качество прогноза оценивают по показателю

где N — число членов ряда, п — число прогнозных оценок.

Кроме рассмотренного метода прогнозирования, учитывающего статистическую структуру функции R=f (t), существуют и другие методы, известные как методы экспоненциального сглаживания. Они также предусматривают взвешивание эмпирического временного ряда Rt, при этом веса отдельных членов ряда экспоненциально убывают по мере удаления во времени члена ряда от момента времени прогноза. Сглаживание временного ряда экспериментальных данных однопараметрическим методом Р. Г. Брауна, рассмотренным в [29], ведут по формулам:

где — сглаженное значение i-го порядка процесса Rt в точке t; α — параметр сглаживания; β = 1 – α. Параметр сглаживания α определяется статистическими характеристиками прогнозируемого ряда. Оптимальным этот параметр следует считать при условии, если прогнозирующий полином n-го порядка, полученный методом экспоненциального сглаживания, дает минимальную среднюю квадратическую погрешность:

Прогноз временного ряда, учитывающий условие минимума погрешности, можно реализовать с помощью выражения:

где

Опыт экономического прогнозирования свидетельствует, что порядок прогнозирующего полинома обычно не выше второго и при этом обеспечивается удовлетворительный прогноз. Важно отметить, что метод экспоненциального сглаживания можно реализовать при сравнительно небольшом объеме исходной информации (короткие ряды наблюдений), поскольку ранние значения ряда имеют небольшой вес (экспонента) и ими можно пренебречь. Серьезное достоинство метода в том, что он не налагает ограничений на характер временного ряда, не требует его стационарности. Таким образом, модель ряда Rt, полученная экспоненциальным сглаживанием, полнее учитывает характеристики реальных процессов изменения геологических параметров, имеющих существенно эволюционный характер. Опираясь на представления о характеристиках реальных геологических процессов, можно, по-видимому, утверждать, что наилучшим методом прогнозирования одного компонента инженерно-геологических условий был бы метод, позволяющий в экстраполяционной формуле учесть и квазипериодическую компоненту путем придания соответствующих весов членам ряда.

Методы прогнозирования одного компонента инженерно-геологических условий квазиоднородной литосистемы (частного локального прогноза) можно использовать и при разработке общего локального инженерно-геологического прогноза. Можно, конечно, разработать частные прогнозы главнейших компонентов инженерно-геологических условий, определяющих изменение квазиоднородной литосистемы во времени. Совокупность прогнозов дает представление о состоянии литосистемы на прогнозируемый момент времени. Однако существует и другой путь реализации общего локального инженерно-геологического прогноза, требующий предварительного обсуждения некоторых аспектов системного подхода к геологической среде. Для описания функционирования литосистемы в будущем времени (а временной инженерно-геологический прогноз сводится к предсказанию движения литосистемы) необходимо:

· замкнуть литосистему, выделить ее в пространстве;

· провести декомпозицию литосистемы, выделить ее элементы и исследовать их отношения, т. е. изучить структуру литосистемы;

· количественно выразить свойства литосистемы и ее внешние и внутренние взаимодействия;

· исследовать формы поведения и характер движения литосистемы и на этой основе выявить те взаимодействия, которые наиболее существенно влияют на движение литосистемы, и те свойства, которые являются наиболее динамичными и предопределяют изменение структуры системы.

Эти операции преследуют цель разработки моделей литосистемы, исследование которых может дать прогноз ее движения. Модели представляют собой некоторые абстрактные системы, выраженные в содержательной, а затем и аналитической форме (соответственно геологическая и математическая модели). По сравнению с реальной литосистемой модель, естественно, значительно проще. Она должна быть изоморфна реальной литосистеме по структуре и свойствам ровно настолько, насколько это обусловлено требованиями прогноза.

Для обособления литосистемы в пространстве ее нужно замкнуть путем задания ее границ. Выделить литосистему можно таким образом, что объем геологической среды внутри границ будет обладать таксономической определенностью. Это сразу позволит выявить структуру литосистемы и установить, какая математическая модель может быть использована для описания свойств ее элементов — подсистем. Например, литосистему можно выделить как стратиграфо-генетический комплекс или замкнуть ее границы генетическим типом. В этом случае подсистемами будут различные стратиграфо-генетические комплексы. Следовательно, в модели такой литосистемы в число параметров состояния потребуется включить возраст пород, выразить его количественно, с тем чтобы отразить различия в поведении литосистемы, обусловленные разным возрастом ее подсистем — элементов.

Если замкнуть систему границами стратиграфо-генетического комплекса, то вся она по возрасту становится практически однородной и возраст пород можно исключить из числа показателей состояния (координат). Отсюда следует вывод о необходимости соблюдения определенных правил замыкания литосистемы. Она должна быть замкнута таким образом, чтобы быть квазиоднородной по тем своим свойствам, которые невозможно непосредственно учесть и выразить количественно, тогда эти свойства будут изменяться несущественно и не окажут влияния на движение литосистемы. В практической деятельности при проведении инженерно-геологических работ обычно исследуют геологическую среду в пределах некоторой территории, площадь и конфигурация которой определяются соображениями хозяйственного порядка. На этой территории выделяют части геологической среды — геологические тела, соответствующие некоторому таксономическому уровню. Вследствие этого при решении вопроса о замыкании литосистем всегда имеется возможность руководствоваться критериями, предусмотренными классификацией геологических тел.

При разработке модели литосистемы следует учитывать, что число параметров ее состояния должно быть оптимальным (минимально необходимым и достаточным) и не должно превышать некоторой величины, определяемой точностью и надежностью прогноза [5]. Параметры состояния (координаты) не должны иметь существенных погрешностей, которые могут сказаться на точности прогноза. При анализе структуры и свойств реальной литосистемы, выполняемом с целью разработки ее модели, следует отобрать наиболее динамичные свойства, скорость изменения которых во времени достаточно велика. Из числа этих свойств в набор параметров состояния включают только те, которые определяют изменение структуры литосистемы и ощутимо влияют на ее взаимодействия и функционирование. Таким образом, созданию математической модели литосистемы должна предшествовать выработка содержательной геологической модели, опирающейся на результаты анализа структуры и свойств изучаемой части геологической среды, на результаты исследования механизма взаимодействий.

Разработка модели литосистемы включает следующие операции: 1) задание границ (замыкание литосистемы); 2) декомпозиция литосистемы и выявление ее структуры того уровня, который необходим для прогнозирования движения; 3) количественное описание свойств литосистемы в целом и свойств ее элементов; 4) анализ структуры и свойств литосистемы, анализ ее взаимодействий и обоснование набора координат.

Показатели состояния однородной литосистемы (координаты) представляют собой оценки средних значений ее свойств — компонентов инженерно-геологических условий. Состояние однородной литосистемы S в момент времени ti можно представить в следующем виде:

Ri (S) = {Ri0, Ri1, Ri2, … Rim} или Ri (S) = {Ri}, где i =1, 2, …, n, Ri0, Ri1, Ri2, … Rim — оценки свойств литосистемы, координаты в момент ti (например, Ri0 — оценка прочности, Ri1 — оценка геоморфологического строения; Ri2 — оценка сложности геологического строения и т. д. — вектор параметров состояния литосистемы в момент времени ti. В m-мерном (по числу координат) пространстве можно изобразить движение литосистемы, предварительно нормировав параметры состояния:

φi0, φi1, φim — нормированные значения параметров состояния литосистемы на ti. В m–мерном пространстве состояние S в момент ti представляет одна изображающая точка аi = f() [5]. Имея в распоряжении ряд наблюдений за параметрами состояния литосистемы, можно получить в m-мерном пространстве состояний последовательность изображающих точек (траекторию системы) a1, a2, … ai, …, an, где i = 1, 2, …, n, представляющих движение литосистемы в период наблюдений ∆t = tn – t1. Проведя интерполяцию между ними, получим функцию состояния A =Расстояние между изображающими точками аi и ai+1 , отражающее изменение состояния S в период между двумя моментами наблюдения ti и ti+1, получим из выражения:

где ∆φ1 = φi +1;1 – φi1 , ∆φ2 = φi –1;2 – φi2 , ..., ∆φ2 = φi +1;2 – φi2 .

По критическим значениям параметров состояния S, которые можно получить разными способами, в частности путем обратных расчетов, можно отстроить область допустимых состояний системы. Выход траектории системы за пределы этой области означает критическое состояние литосистемы.

Задача общего локального прогноза состоит в экстраполяции функции A = полученной по ряду изображающих точек a1, a2, ..., an на прогнозируемый момент времени tp. Эта задача достаточно сложная, так как n-мерная функция A = в общем случае нестационарна, содержит периодические составляющие и осложнена случайными флуктуациями. Периодичность, а точнее, квазипериодичность функции состояний литосистемы обусловлена характером природных процессов во внешних средах, распределенные взаимодействия которых с геологической средой имеют периодический характер (радиация, осадки и т. д.). Флуктуации функции состояния связаны с сосредоточенными взаимодействиями. По функции A = можно дать прогноз движения во времени, экстраполируя функцию на момент tp. Учитывая ограничения современного математического аппарата, потребуется разложение функции на составляющие или, по крайней мере, снятие тренда. Авторы считают, что для экстраполяции многомерной функции состояния системы можно использовать многомерный аналог аппарата теории стационарных случайных функций или методов сглаживания, подобный аппарату, рассмотренному при обсуждении путей разработки частного локального прогноза. Аналогичная процедура экстраполяции потребуется также и для функции дисперсии состояний литосистемы. Это позволит получить прогнозируемую оценку состояния литосистемы и его дисперсию в момент tp.

При разработке общего частного инженерно-геологического прогноза можно пойти и другим путем. Он предполагает описание состояния квазиоднородной литосистемы не набором параметров состояния, а некоторым интегральным показателем, в котором учтены параметры состояния S. Такой прием дает возможность в математическом плане свести задачу разработки общего локального прогноза к частному, аппарат которого рассмотрен выше. После реализации операций по замыканию литосистемы, выявлению ее структуры, установлению набора параметров состояния нужно перейти от нескольких параметров состояния к одному показателю. С этой целью можно воспользоваться разработками линейного дискриминантного анализа.

Располагая набором параметров состояния системы в момент ti (Ri1, Ri2, . . . , Rim), из выражения:

zi = λ1Ri1 + λ2Ri2 + . . . +λmRim = λkRik (k = 1, ..., m)

найдем интегральный показатель состояния zi, представляющий собой линейную комбинацию параметров состояния и включающий информацию o них. Процедура экстраполяции функции вида R = f (t), осуществляемая с целью получения прогноза, рассмотрена выше. Нужно заметить, что интерпретация прогнозируемого значения интегрального показателя состояния cиcтемы может оказаться достаточно трудной. Однако если задача прогноза состоит в установлении возможности и времени наступления критического состояния, то ее можно решить. Для этого следует получить критические значения параметров состояния (предельно допустимые значения кооринат) и по ним подсчитать интегральный показатель. Альтернативой многомерному вектору параметра состояния системы могут быть и другие характеристики. Так, например, по-видимому, можно использовать величину энтропии или сумму нормированных и взвешенных по влиянию на движение системы координат. Главная трудность состоит в нахождении весовых коэффициентов в выражении:

где xi — обобщенный показатель состояния системы на момент ti, α — весовой коэффициент; — нормированное значение параметра состояния. Возможно, при решении этого вопроса полезными окажутся факторный анализ или метод главных компонентов.

Пути разработки срочных прогнозов для неоднородных литосистем значительно сложнее. Прогнозируемое свойство неоднородной литосистемы, какой-либо компонент инженерно-геологических условий в любой фиксированный момент времени можно представить только как неоднородное поле геологического параметра. В отдельных случаях можно рассматривать сечение этого поля по ξ1 — как нестационарную случайную функцию. Общий региональный прогноз потребует операций с набором геологических полей параметров состояния неоднородной литосистемы. Это создает значительные трудности математического порядка. Изменение прогнозируемого свойства неоднородной литосистемы во времени описывается динамическим полем геологического параметра:

R = f

где R — показатель прогнозируемого свойства; — многомерный вектор; ti — время. Даже при разработке частного регионального прогноза компонента инженерно-геологических условий по главному направлению изменчивости придется оперировать его двумерным динамическим полем R = f (ξ1, t), а при необходимости прогноза компонента в латеральной плоскости ξ1, ξ2 — трехмерным динамическим полем R = f (ξ1, ξ2, t). Следовательно, задача срочного, частного, регионального прогноза в формальной постановке сводится к экстраполяции динамического поля геологического параметра по времени, восстановлению его структуры на прогнозируемый момент. Для прогноза поля геологического параметра нужны его реализации, отвечающие различным моментам времени. Их можно получить в процессе специальных работ, цель которых — информация, необходимая для восстановления структуры поля в разные моменты времени (режимных инженерно-геологических работ).

Располагая структурами поля прогнозируемого параметра для различных моментов времени, можно далее прибегнуть к приему, существо которого заключается в том, чтобы: 1) расчленить неоднородную литосистему на квазиоднородные подсистемы; 2) получить для каждой квазиоднородной литосистемы значение нужного признака на прогнозируемый момент времени, т. е. выполнить частный локальный прогноз; 3) восстановить структуру геологического поля на прогнозируемый момент времени по полученным для квазиоднородных подсистем значениям [3]. Для разделения неоднородной по требуемому признаку литосистемы на квазиоднородные части следует использовать метод дискретизации [1]. Методика частного локального прогноза компонента инженерно-геологических условий обсуждена выше. Отметим только, что в результате частного прогноза компонента получают практически экспериментальную основу, т. е. конечную (по числу квазиоднородных литосистем) пространственную композицию значений параметра на момент времени прогноза tp, каждому из которых поставлены в соответствие координаты центра квазиоднородной литосистемы. Дальнейшие операции по восстановлению структуры поля параметра на прогнозируемый момент времени не составляют труда. Методы синтеза структуры поля рассмотрены в работах по моделированию полей геологического параметра [2], поэтому нет необходимости на них останавливаться.

Общий региональный инженерно-геологический прогноз — прогноз всех основных компонентов инженерно-геологических условий (предсказание движения литосистемы в целом) дают только качественно. Количественные методы общего и частного регионального прогноза пока не разработаны, поэтому, учитывая острую необходимость в таких прогнозах, важно наметить пути их построения и обозначить мероприятия, которые позволили бы обеспечить прогресс в решении проблемы. Как отмечалось, состояние неоднородной литосистемы в некоторый момент времени ti отражает набор полей геологических параметров — координат, или многомерное поле. Компонентами этого поля являются координаты системы, вследствие этого для описания движения неоднородной литосистемы использовать пространство состояний затруднительно. Однако это препятствие можно преодолеть, если, как и при частном региональном прогнозе, встать на путь разделения неоднородной литосистемы на квазиоднородные части — подсистемы.

Последовательность операций по разработке общего регионального инженерно-геологического прогноза на момент tp в общих чертах следующая.

1. Разбиение неоднородной литосистемы на квазиоднородные части — подсистемы, в пределах каждой из которых геологическая среда является квазиоднородной по компонентам инженерно-геологических условий, отбираемым в число параметров состояния.

2. Геологическая и статистическая проверка однородности информации о свойствах геологической среды — параметрах состояния, фильтрация информации в соответствии с принятыми критериями.

3. Подсчет для различных моментов времени наблюдений за режимом оценок средних значений параметров состояния каждой квазиоднородной литосистемы и мер их рассеяния.

4. Построение функций состояния вида A = для всех квазиоднородных литосистем и функций дисперсии состояния.

5. Экстраполяция функций состояния и функций дисперсии состояния на момент прогноза tp (получение оценок прогноза для всех квазиоднородных систем).

6. Построение по данным прогноза экспериментальных основ, отражающих структуру многомерного поля неоднородной литосистемы и структуру поля его дисперсии на момент прогноза.

7. Моделирование многомерного поля и поля его дисперсии на компьютере.

8. Проверка качества аппроксимации экспериментальной основы поверхностью регрессии.

Названные операции рассмотрены в работах по моделированию полей геологических параметров [1, 2, 3, 19].

Общий региональный инженерно-геологический прогноз можно осуществить другим способом. Следует разработать частные региональные прогнозы, результатом которых будет серия карт полей геологических параметров, характеризующих состояние неоднородной литосистемы на момент прогноза. На основе этих карт, являющихся аналитическими, можно обычным путем, вручную или машинным способом, составить карту инженерно-геологических условий территории в границах неоднородной литосистемы на момент прогноза.

Рассмотренные пути количественного инженерно-геологического прогноза, основанные на системном анализе и представлениях теории пространственно-временной изменчивости геологической среды, не единственные. По-видимому, существуют и другие способы количественных оценок состояния литосистемы. Авторы отдают себе отчет в том, что при реализации намеченных путей инженерно-геологического прогноза встретится много трудностей теоретического, методического и организационного порядка. Трудности теоретического плана состоят прежде всего в необходимости формализации понятий инженерной геологии, привлечении системного подхода к ее объектам, разработке на этой основе общей теории экзогенных геологических процессов. Пути построения инженерно-геологических прогнозов предусматривают количественное выражение компонентов инженерно-геологических условий. В настоящее время для пространственно-временного описания некоторых компонентов инженерно-геологических условий, таких как свойства горных пород, гидрогеологические или геоморфологические условия, используются количественные оценки, пригодные при разработке инженерно-геологических прогнозов. Делаются довольно успешные попытки представить в количественных мерах сложность геологического строения. Однако они пока далеки от завершения. Методы количественного представления других компонентов еще ждут своей разработки, которая необходима не только для получения количественного срочного прогноза инженерно-геологических условий, но также для решения ряда других важнейших проблем: инженерно-геологического районирования, составления корректных классификаций компонентов инженерно-геологических условий, оптимизации методики инженерно-геологических работ, рационального комплексирования методов инженерно-геологических работ; получения, накопления, обработки и хранения информации. Возвращаясь к проблеме инженерно-геологического прогноза, следует указать, что для прогноза литосистемы нужно научиться представлять ее свойства — компоненты инженерно-геологических условий в количественных мерах. Однако это не главное. Успехи в прогнозировании движения литосистем определяются тем, насколько далеко удается продвинуться в разработке общей теории ЭГП, становлении и теоретическом оформлении концепции взаимодействий, определяющих эволюцию геологической среды. Ведь установить набор параметров состояния литосистемы и дать их количественную оценку невозможно, если неизвестен механизм процесса движения системы, определяемый структурой взаимодействий. Еще одна трудность теоретического порядка заключается в том, что не разработан еще в должной мере, в плане приложений, математический аппарат, который обеспечил бы экстраполяцию по аргументу t нестационарной случайной функции или, в общем случае, неоднородного случайного поля геологического параметра.

Открытым пока остается вопрос о том, как изменяются функции разных компонентов инженерно-геологических условий во времени, каков вид функций, какова их дисперсия. Ясно, что наиболее динамичными компонентами инженерно-геологических условий являются свойства пород и подземных вод, экзогенные геологические и инженерно-геологические процессы. Данные о динамике компонентов можно получить только в ходе режимных наблюдений. Выяснение вопроса о характере функций разных свойств литосистемы имеет большое значение, так как в него упирается методика и частота режимных наблюдений, а также заблаговременность, точность и надежность срочного прогноза. Если, например, функция некоторого параметра по времени (временной ряд) устойчива и ее дисперсия мала, то ее автокорреляционная функция сохраняет значимую величину на большом протяжении оси времени. Следовательно, в таком случае заблаговременность прогноза будет больше, а точность выше, чем при прогнозировании по функции сложного вида с высокой дисперсией.

Особо важной проблемой, которую предстоит решить, является проблема чувствительности литосистемы к внешним взаимодействиям, степень ее способности реагировать на них, в частности, на взаимодействия с искусственной средой. Решение этой проблемы осложняется еще и тем, что следует не только выявить перечень компонентов инженерно-геологических условий — свойств геологической среды, которые существенно изменяются в процессе взаимодействий с искусственной средой, но и выразить изменения количественно. Думается, что прежде всего потребуется установить, как конкретное взаимодействие скажется на геологическом поле каждого компонента, на его структуре и поле дисперсии в первый момент. Заранее можно сказать, что сосредоточенное взаимодействие приведет к возникновению аномалии в структуре поля, локальному увеличению (снижению) величины математического ожидания и, вероятно, к увеличению дисперсии. Теоретически можно утверждать, что распределенное взаимодействие должно отразиться на уровне поля геологического параметра (повышение или понижение регионального фона). Что же касается влияния хозяйственной деятельности человека на процесс изменения состояний литосистемы, то оно может, в зависимости от характера деятельности, проявляться различно. В стационарной квазипериодической функции по времени некоторого параметра состояния литосистемы инженерно-геологический процесс, обусловленный непрерывным взаимодействием, найдет отражение в виде нестационарного участка, начальная координата которого отвечает началу процесса, а конец — стадии его относительной стабилизации. Это участок перегиба функции, перехода к другому значению общего фона. Ответ на вопрос о конкретных формах реакции литосистемы на человеческую деятельность получают в процессе режимных наблюдений.

Рассмотренные выше возможные пути разработки количественных инженерно-геологических прогнозов предполагают наличие информации о режиме свойств геологической среды — компонентов инженерно-геологических условий. К сожалению, подобная информация практически отсутствует. В настоящее время мы располагаем данными о режиме подземных вод первого от поверхности водоносного горизонта, очень небольшим объемом данных о режиме порового давления в отдельных объектах, режиме уплотнения геологической среды под нагрузкой, фиксируемом по данным измерений осадок сооружений. В последние годы появилась информация о режиме некоторых параметров экзогенных геологических процессов (оползневых, переработки берегов, некоторых геокриологических). Для инженерно-геологического прогноза литосистемы требуется знание закономерностей пространственной изменчивости параметров ее состояния. Наиболее полное представление о них дают поля геологических параметров. Решение вопроса о замыкании литосистемы и вопроса о классе прогноза (локальный или региональный) невозможно без предварительного анализа структуры полей геологических параметров — координат литосистемы. Следовательно, нужно иметь в распоряжении поля геологических параметров и их реализации по времени.

Поля компонентов инженерно-геологических условий можно получить в процессе инженерно-геологической съемки или региональных работ (не обязательно полевых), проводимых по специальной программе. Для получения реализаций полей по времени требуются режимные наблюдения инженерно-геологических условий. Вероятно, целесообразно осуществлять их в форме мониторинга, функционирующего в рамках специальной общегосударственной службы режима эколого-инженерно-геологических условий, созданной по типу гидрометеослужбы. Службу режима прежде всего следует создать в районах первоочередного хозяйственного освоения, таких как КМА, Западная и Средняя Сибирь, регион БАМа и подобные им. Для накопления, хранения и обработки информации о режиме инженерно-геологических условий и для разработки прогнозов, по-видимому, следует предусмотреть организацию в рамках литомониторинга специализированного научного центра.

Несколько слов о проблеме глобального инженерно-геологического прогноза. В современных условиях в связи с существованием государств с различным устройством проблема защиты окружающей среды, а следовательно, и проблема прогноза изменения ее состоянияя в значительной степени являются социально-политическими. Это полностью относится к глобальному инженерно-геологическому прогнозу. Количественный глобальный прогноз в случае необходимости можно было бы реализовать только при наличии некоторой благоприятной ситуации, при которой для всего земного шара стали бы возможными получение требуемой информации и расчет состояния инженерно-геологических условий планеты по единой методике. Однако количественный глобальный прогноз инженерно-геологических условий в таком виде, в котором его предполагается давать для регионов (общий региональный прогноз), скорее всего, не потребуется. Общий прогноз разрабатывается с целью наиболее рационального планирования будущей хозяйственной деятельности, а единое планирование хозяйственной деятельности человеческого общества в масштабе планеты в целом в ближайшее время едва ли станет возможным. В современной ситуации речь, по-видимому, может идти о координации усилий государств в части решения экологической проблемы, в области защиты окружающей среды. Поэтому глобальный прогноз должен вылиться в указание тенденций изменения инженерно-геологических условий различных районов земного шара. Это относится прежде всего к промышленно развитым странам, в которых взаимодействие человека с природой (в том числе с геологической средой) проявляется наиболее интенсивно. Обсуждение проблемы количественного инженерно-геологического прогноза потребует решения некоторых теоретических и методических вопросов, а также осуществления ряда организационных мероприятий.

К числу основных вопросов можно отнести следующие.

1. Формализация понятий инженерной геологии, применение и развитие системного анализа. Разработка общей теории экзогенных геологических процессов или, если ставить вопрос шире, разработка теории изменчивости геологической среды в физическом времени, включающая концепцию ее взаимодействий с внешними средами.

2. Разработка количественных оценок компонентов инженерно-геологических условий. Аналитическое описание изменчивости компонентов инженерно-геологических условий в пространстве и во времени.

3. Разработка способа оценки влияния различных свойств геологической среды — компонентов инженерно-геологических условий на процесс движения литосистемы.

4. Разработка методов экстраполяции по времени случайных полей геологических параметров, в том числе многомерного геологического поля.

5. Выявление чувствительности литосистемы в целом и ее элементов — подсистем к внешним взаимодействиям, в том числе к взаимодействиям с искусственной средой. Установление вида функции параметров состояния литосистемы во времени.

6. Исследование связи вероятности прогноза с его заблаговременностью.

7. Разработка методики изучения режима инженерно-геологических условий в локальном и региональном аспектах.

8. Организация литомониторинга, включающего службу режима инженерно-геологических условий и научный центр инженерно-геологического прогноза и разработки рекомендаций по оптимальному управлению окружающей средой.

---