Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ
БУДIВНИЦТВА I АРХIТЕКТУРИ
На правах рукопису
ГЛАДКИХ ІГОР ІВАНОВИЧ
УДК 528 .482 : 622 .691.4
ТЕОРІЯ I МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ I МОДЕЛЮВАННЯ
ДИНАМІКИ РЕЛЬЄФУ МОРСЬКОГО ДНА
Спецiальнiсть 05.24.01 - Геодезiя
АВТОРЕФЕРАТ
Дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ - 1999
Дисертацією є рукопис .
Робота виконана в Київському національному унiверситетi будiвництва i архiтектури.
Науковий консультант : доктор технiчних наук, професор
Полiщук Юрiй Володимирович,
Київський державний технiчний унiверситет
будівництва i архітектури, завiдувач кафедрою iнженерна геодезiя.
Офіційні опоненти:
Заслужений дiяч науки i технiки України, доктор технiчних наук, професор, Островський Аполiнарiй Львович, державний унiверситет "Львiвська полiтехнiка", професор кафедри.
Доктор технiчних наук, професор , Білятинський Олександр Антонович , Український транспортний університет , завідувач кафедрою проектування доріг.
Лауреат державної премiї СРСР, доктор технiчних наук, професор Бурачек Всеволод Германович, Київський інженерно –технічний інститут , завідувач кафедрою геодезії і картографії .
Провiдна установа : Київський національний університет імені Тараса Шевченка ,
кафедра геодезії і картографії , Міністерство Освіти України , м. Київ .
Захист вiдбудеться "28" вересня 1999 р. о 10 годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 26.056.05 по захисту дисертацiй на здобуття наукового ступеня доктора технiчних наук при Київському національному унiверситетi будiвництва i архiтектури (КНУБiА) за адресою: 252037 , Київ-37, Повiтрофлотський проспект, буд.31, (ауд.319/).
З дисертацiею можна ознайомитись у бiблiотецi КНУБiА за адресою: Київ - 37, Повiтрофлотський Проспект, 31.
Автореферат розiсланий "9" липня 1999 p.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Ісаєв О . П .
к.т.н. , доцент
1
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальнiсть теми. Континентальний шельф Свiтового океану є невичерпним джерелом мiнеральної сировини, продовольчих та енергетичних ресурсiв. Освоювання його багатств є одним з напрямкiв розвитку народного господарства України на сучасному етапi її економiчного становлення.
Розробка шельфу з метою забезпечення нашої країни енергоносiями є однiєю з найважливiших задач економiчного та соцiального розвитку України. Пiд час рiшення цiєї задачi особливе мiсце вiдводиться геодезичному розвитку i забезпеченню розвiдки та експлуатацiї родовищ нафти i газу, а також картографуванню шельфу з метою виробничої та наукової дiяльностi.
Пiд час проектування та експлуатацiї морських пiдводних споруд виникає проблема негативного ввпливу динамiки рельєфу дна, яка є однiєю з основних причин виникнення аварiй та пошкоджень. Всi роботи, якi виконують на шельфi, так чи iнакше пов'язанi з морськм дном, рельєф якого постiйно змiнюється внаслiдок пересування пiдводного грунту, що призводить до необхiдностi корегування процесу виконання робiт та додаткових витрат.
В даний момент ще не розроблено єдиного пiдходу до визначення впливу динамiчних процесiв пiдводного рельєфу на морськi об’екти, пiдводнi комунiкацiї, судноплавнi канали,захиснi змiцнювальнi береговi споруди тощо. У зв'язку з цим, неможливо прогнозувати стан морських пiдводних об'ектiв пiд час їх експлуатацiї. Всi вищеназванi причини призводять до значних труднощiв пiд час розташування пiдводних об'єктiв на морському днi. Невiрно вибране мiсцерозтащування об'єктiв призводить до неминучих аварiйних ситуацiй.
Розв’язання проблеми визначення та моделювання динамiки рельєфу морського дна з метою урахування та прогнозування її дiї на пiдводнi споруди стає можливим завдяки розробленим автором методам топографічного знімання , дослiдженню характерних особливостей пересування грунту на днi та встановленню видiв функцiональної залежностi висоти точок рельєфу вiд часу зпаходження споруди на днi. Вирiшення цiєї проблеми тiсно пов’язане з проблемою екологiчної чистоти морського середовища, актуальнiсть якої безперечна.
Звязок роботи з науковими програмами , планами , темами . Вирішення проблем запобігання негативного впливу динаміки підводного рель"єфу на морські споруди є одним із найважливіших факторів забезпечення безпеки судноплавства та експлуатації обєктів , які розташовані на шельфі . Робота виконана згідно планів наукової роботи кафедри гідрографії і морської геодезії ОДМА , а також згідно наукових програм гідрографічної служби України і ВМС України Мета і задачі дослідження . Дисертацiйна робота виконувалась з метою методоло гiчного обгрунтування теоретичної та практичної розробки проблем визна -
.
чення динамiчних параметрiв пiдводного рельєфу в мiсцях розташування морських споруд.
Пiд час досягнення цiєї мети в дисертацiї вирiшенi такi задачi:
- Розробка наукового пiдходу до проблеми визначення впливу динамiки рельєфу морського дна на пiдводнi споруди.
- Розробка теоретичних основ удосконалення сучасних засобiв та методiв топографічного знімання шельфу.
- Розробка методiв пiдвищення точностi визначення просторових координат точок морського дна..
- Теоретичне обгрунтування необхідностi урахування динамiчної дiї рельєфу морського дна на пiдводнi споруди та розробка методiв контролю стану цих споруд.
- Дослiдження i розробка принципово нових методiв визначення швидкостi i напрямку руху грунту на морському днi .
- Розробка теоретичних основ розрахунку силової дiї пересувного грунту на пiдводнi споруди.
- Розробка математичних моделей динамiки пiдводного рельєфу морського дна .
- Розробка теорiї прогнозування стану пiдводних споруд на шельфi внаслiдок дiї на них динамiчних процесiв рельєфу морського дна .
- Доведення розробок до рiвня ефективного практичного застосування пiд час вирiшення народно-господарських задач .
Наукова новизна одержаних результатiв полягає в тому, що вперше теоретично обгрунтовано та створено методику, яка дозволяє визначити параметри динамiки пiдводного рельєфу i її вплив на споруди, що знаходяться на шельфi . Удосконалено теорiю топографічного знімання рельєфу морського дна з метою визначення його динаміки. Розроблено високоточний метод визначення координат знімального судна за допомогою радiо-геодезичних систем. Виконано дослiдження методiв супутникової геодезiї пiд час знімання шельфу з використанням приймачiв, розроблених в Українi. Отримано формули для введення поправки за рефракцiю звукового променю що пiдвищують точнiсть гiдролокацiйного знімання.. Удосконалено систему проектування геодезичних робiт на шельфi. Дiстали подальший розвиток геодезичнi роботи на шельфi за допомогою об'єднання методiв супутникової геодезiї та гiдролокацii морського дна.. Вперше розроблено математичну модель динамiки рельєфу морського дна i високоточнi методи знімання цього рельєфу. Розроблено та дослiджено методику прогнозування стану споруд в залежностi вiд динамiки морського дна.
Експериментально дослiджено отриманi формули визначення швидкостi та напрямку пересування пiдводного грунту в часi. Виконанi експериментальнi дослiдження пiдводного рельєфу i на їх основi вперше отриманi формули врахування динамiки висот точок морського дна в умовах експлуатацiї пiдводних споруд на шельфi.
Практичне значення одержаних результатiв полягає в тому що розробленi теорiя, методи i їх дослiдження дозволили пiдвищити ефективнiсть народно-господарських робiт на шельфi моря, а також посилити безпеку судноплавства та експлуатацiї морських пiдводних споруд, для чого розробили рекомендацiї iнспекцiювання морських трубопроводiв; в морських портах України ведуть розрахунки часу розчищення морських судноплавних каналiв; розраховують глибини i найкраще мiсце розташування траншей для пiдводних комунiкацiй; на судноремонтних заводах ведуть розрахунки розмиву або намиву грунту в мiсцях спуску (пiдйому) суден; обирають оптимальнi варiанти укладання пiдводних комунiкацiй, якi розташованi на поверхнi морського дна; аналiзують вплив можливих негативних дiй сил пересувного грунту на пiдводнi споруди; визначають змiнення геометричних параметрiв дзеркала об'ектiв космiчного зв'язку на шельфi .
Результати доcлiджень та розробок впровадженi в структурах i пiдроздiлах Нацiонального агенства морських дослiджень та технологiй, в гiдрографiчнiй службi ВМС України, в морських портах України з метою безпеки мореплавства. Результати роботи впроваджено також на судноремонтних заводах ; пiд час дослiдження шельфу бiля острова Змiїний; в проектних та науководослiдних органiзацiях; у вiйськових частинах космiчного зв'язку; в Морськiй академiї пiд час пiдготовки фахiвцiв у галузi гiдрографiї та морської геодезiї. Перспективою розроблених методiв є застосування їх пiд час дослiдження Свiтового океану.
Особистий внесок здобувача . Авторові належить :
1. Удосконалений високоточний метод топографічного знімання рельєфу морського дна з використанням об'єднаних методiв супутникової геодезiї та гiдролокацiї.
. Метод оптимальної оцiнки координат точок морського дна.
3. Теорiя вcтановлeння закономiрноcтей впливу рiзних зовнiшнiх факторiв на результати гiдролокацiйних вимiрювань .
4. Удоcконалена методика геодезичних робiт на мiлинi iз застосуванням доплеровського ефекту та методу ехолотного зондування .
5. Методи дослiдження точностi геодезичних приладiв, призначених для знімання шельфу.
6. Методи визначення точностi засобiв, якi використовують з метою знімання рельєфу морського дна..
7. Удосконалений високоточний метод нiвелювання площi на локальних дiлянках морського дна..
. Формули швидкостi i напрямку пересування грунту та його силової дiї на пiдводнi споруди.
9. Математична модель динамiки пiдводного рельєфу.
. 4
.
10. Функцiональнi залежностi змiни висот точок морського дна вiд розташування на шельфi споруд.
11. Методи складання прогнозу стану споруд на шельфi, якi знаходяться пiд впливом динамiчних процесiв рельєфу морського дна.
Розробки автора, якi винесено на захист дозволяють пiдвищити cтупiнь безпеки та надiйностi експлуатацii морських споруд та безпеку мореплавства бiля берегiв.
Апробацiя результатiв дисертацii. Основнi положення дисертацiї були викладенi i обговоренi на:
1. Науково-дослiдних конференцiях Московського iнституту iнженерiв землевпорядкування /1986;1987;1988рр./.
2. Конференцiях молодих вчених та спецiалiстiв на ВДНГ СРСР /1986;1987;1988;1989рр./.
З. Науково-дослiдних конференцiях професорсько-викладацького Cкладу Омського сiльськогосподарського iнституту /1986;1987рр./.
. Науковiй конференцii профеcорcько-викладацького cкладу Ленiнградського сiльськогосподарського iнституту /1986р./.
. Науково-технiчнiй конференцiї ВАГО /м.Калiнiн,1989р./.
. Науково-виробничiй та науково-методичнiй конференцii професорсько-викладацького cкладу Ташкентського iнституту iригацiї, 1987р.
. Науковiй конференцiї Одеського гiдрометеорологiчного iнституту, /1989; 1990: 1991рр./.
. Науково-практичнiй конференцiї Київського державного технiчного унiверситету будiвництва i архiтектури /1996;1997рр./.
. Наукових конференцiях УТ ГАЗК /м.Київ, 1993;1994рр /.
. Мiжнароднiй науково-технiчнiй конференцiї НВО “Союзморiнжгеологiя”, м.Pига. 1989р.
11. Засiданнi секцiї вченої ради Всесоюзного науково-дослiдного проектного Iнституту морських нафто-газових родовищ / м.Москва, 1987р./.
. Наукових конференціях Одеської державної академії будівництва і архітектури / 1991 – рр . / .
13 . Наукових конференціях Одеської державної морської академії / 1994 - 1999 рр. / .
Публiкацiї. По темi дисертацiї автором опублiковано 25 наукових робiт з яких 15 увійшли до основного списку , включаючи 1 монографiю i 1 навчальний посiбник.
Структура i обсяг роботи. Дисертацiйна робота складається з вступу, п’яти роздiлiв, заключних висновкiв, списку використаної лiтератури з 175 найменувань i 8 додаткiв загальним обсягом 355 сторiнок друкованих аркушiв. Текстова
частина iлюструється 138 рисунками i 71 таблицею. Додатки до дисертацiї мiстять акти впровадження на 9 сторiнках.
ЗМІСТ РОБОТИ
У в с т у п i наведено обгрунтування актуальностi теми дисертацiї, коротко викладається сучасний стан проблеми впливу динамiки пiдводного рельєфу на морськi споруди шельфової зони, вказується мета дослiджень i наводяться основнi положення, якi виносяться на захист.
РОЗДIЛ 1
АНАЛIЗ ЗАСОБIВ I МЕТОДIВ, ЯКI ДОЗВОЛЯЮТЬ ВИЗНАЧАТИ ПОЛОЖЕННЯ
ТОЧОК РЕЛЬЄФУ МОРСЬКОГО ДНА У ПРОСТОРI
В цьому роздiлi виконано аналiз i розглянуто методи знаходження планових координат точок рельєфу дна вiдносно знімального судна. Автором розробленi i дослiдженi способи визначення планових кооррдинат опорних морських геодезичних пунктiв з середньою квадратичною помилкою, яка не перевищує 0,5м.
. Спосiб визначення точки найближчого пiдходу. В цьому випадку судно послiдовно проходить двома курсами над опорним пунктом, координати якого в умовнiй системi координат вiдносно судна знаходять за формулами
(1)
2.Спосiб гiдроакустичної просторової засiчки,пiд час рiшення якої отримують координати опорних пiдводних геодезичних пунктiв
(2)
3. Спосiб рiзнично-далекомiрної засiчки, пiд час рiшення якої використовують чотири опорнi станцiї з вiдомими координатами.
4. Спосiб далекомiрної засiчки припускає визначення вiдстаней вiд вiдомих пунктiв завдяки функцiї розповсюдження звуку у морськiй водi. У зв'язку з тим, що швидкiсть звуку змiнюється з глибиною, звуковi променi викривляються, а до результатiв вимiрювань вводять поправки за викривлення звукових променiв.
Пiсля побудови опорної геодезичної мережi на морi, пiд час знімання рельєфу дна, використовують радiогеодезичнi або супутниковi системи.
Автором розроблено метод координування знімального судна, який базується на рiшеннi гiперболiчних рiвнянь з використанням iтерацiйного методу Ньютона. Дослiдження запропонованого методу показали, що в радiусi до 10 км середня квадратична помилка положення знімального судна не перевищує 0.7 м.
Дослiдження точностi роботи рiзних РГС показали, що пiд час топографічного знімання рельєфу дна краще використовувати РГС, якi базуються на частотному принципi, нiж на фазовому.
Супутниковi системи базуються на двох найбiльш розповсюджених методах - геометричному та орбiтальному.
В Українi на базi супутникових систем "Глонасс" i "Навстар" розробляють приймачi сигналiв вiд супутникiв (СН-ЗООО; СН-ЗОО1; СН-ЗIОI; СН-ЗЗОI; СН-3700 та iншi) якi дозволяють проводити роботи на шельфi, в диференцiйному режимi, з точнiстю до 1,0 м.
Модель руху зйомочного судна можна записати у такому видi
(3)
Дослiдження української супутникової апаратури показали, що вона досить надiйна в роботi i менше пiдпадає пiд вплив зовнiшнiх факторiв за рахунок бiльшої кiлькостi супутникiв, якi дiють у двох системах "Глонасс" i "Навстар".
Пiдбиваючи пiдсумки першого роздiлу автор робить висновки, що методи побудови i обробки морських геодезичних мереж в бiльшостi залишаються такими, як i на березi, але з деякими особливoстями. Радiогеодезичнi системи поряд iз супутниковими вирiшують практично всi задачi, якi пов'язанi з визначенням планових координат точок на днi шельфу.
РОЗДIЛ 2
АНАЛIЗ ЗАСОБIВ I МЕТОДIВ ВИЗНАЧЕННЯ ВИСОТНОГО ПОЛОЖЕННЯ
ТОЧОК ПIДВОДНОГО РЕЛЬЄФУ
В другому роздiлi автор розглядає питання, якi пов'язанi iз визначенням висот точок морського дна рiзними способами.
Традицiйно прийнято, що пiд час проведення ехолотного промiру треба вводити поправки за нахил дна. Однак, пiд час дослiджень, автором доведено, що поправки за нахил дна можна не вводити в разi дотримання такої нерiвностi
, (4)
де ; М - знаменник масштабу знімання; t - точнiсть масштабу карти.
Для iнших випадкiв в табл.1 наведенi розрахованi автором значення глибин Z з кутами нахилу дна , а також масштаб карти при яких необхiдно вводити поправку за нахил дна.
Таблиця 1
Пiд час зйомки горбкуватогрядового рельєфу з використанням ехолотного промiру для розрахункiв середньої квадратичної помилки позначок рельєфу дна автором запропоновано таку формулу
(5)
У разi потреби виконання топознімання площi пiдводного рельєфу за допомогою акустичних ехотралiв для розрахунку швидкостi знімального судна автор пропонує таку формулу
(6)
Виконуючи знімання площi морського дна за допомогою гiдролокаторiв отримують знiмки, фрагмент одного з яких показано на рис.1.
Координати точок рельєфу морського дна вiдносно знімального судна визначають за такими формулами
Рис.1 Гідролокаційний знімок рельєфу морського дна
(7)
Середні квадратичні помилки горизонталей на знімальних планшетах за результатами
дослідження автора , вираховують за такою формулою :
(8)
В деяких випадках під час топографічного знімання шельфу , використовують нетрадиційні види знімання , до яких відносять фото та телезнімання із завстосуванням літаків та підводних апаратів . З метою виконання високоточних робіт під час визначення динаміки підводного рельєфу , автором запропоновано використання підводних нівелірів , в розробці і дослідженні яких він брав безпосередньо участь . Відносна помилка визначення позначок рельєфу дна в радіусі до одного кілометра не перевищує 1 см.
За результатами узагальнень і досліджень, виконаних автором, визначено що під час знімання , з метою визначення динаміки підводного рельєфу морського дна , можна використовувати :
РОЗДІЛ 3
РОЗРОБКА МЕТОДИКИ ГЕОДЕЗИЧНИХ РОБІТ З МЕТОЮ
ВИЗНАЧЕННЯ ДИНАМІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ПІДВОДНОГО РЕЛЬЄФУ
В даному розділі автором розроблено три відносно різних методики геодезичних робіт на шельфі з метою визначення пересування підводного грунту. Ці методики переслідують одну й ту ж мету, хоча й відрізняються за точністю і технічним обладнанням. Межі їх використання досить великі, починаючи від завдань забезпечення безпеки судноплавства і закінчуючи задачами, які виникають під час проектування інженерних та гідротехнічних споруд на шельфі .
На першому етапі геодезичних робіт на шельфі в кожній з методик передбачається їх проектування , яке включає до себе рішення таких основних задач : - аналіз та науково-технічну обгрунтованість поставленої задачі ; - визначення ступеню знань в колі поставленої задачі ; - вибір способу геодезичних робіт ; - визначення обєму основних та допоміжних робіт , необхідної точності вимірювання та докладності знімання ; обгрунтування доцільності проведення робіт обраним способом .
Першою розробкою автора є методика геодезичних робіт на шельфі за допомогою обєднання методів супутникової геодезії з методами гідролокації . Методика припускає виконання геодезичних робіт в такій послідовності : - складання проекту геодезичних робіт ; - побудову опорної геодезичної мережі на березі ( з віддаленням району робіт не більше 50км від берега ) та розвиток її на морі ; - устанвку базової станції диференційних поправок на опорних пунктах ; - виконання знімання шельфу відповідно проекту ; - оцінка точності та камеральна обробка результатів знімання ; - підготовка матеріалів до звіту .
Дослідження які проводив автор , вказують на необхідність безпосереднього вимірювання швидкості звуку у воді під час знімання . С.к.п. визначення середнього значення швидкості звуку С на К - горизонтах , автор пропонує знаходити за такою формулою :
(9)
Припустимо , що
тоді маємо , що на відстані Ri = 400м вздовж похилого акустичного променя до цілі , помилка
mRi не перевищує 0,3м .
Аналіз помилок гідролокаційного знімання показав , що найбільший вплив на точність визначення координат точок дна чинять кути крену знімального судна.
Виключаючи джерела виникнення максимальних помилок , автором запропоновано метод визначення координат точок дна з інтерференційної картини гідролокаційного знімка ( рис.2 ) .
Рис . 2 Інтерференційна картина гідролокаційного знімка
Сутність методу складається з побудови зглаженої моделі рельєфу використовуючи
ехолотні точки на паралельних галсах Z m (t) і m (t') . За значеннями інтерференційного кута
θm та кута рефракції θm (t) звукового променя знаходять детерміновані координати , які відповідають променю з максимальним номером
(10)
Використовуючи отримані значення Xm (t) i Ym (t) , модельну глибину точки ,
яка з присутністю крена не співпадає з детермінованою Zm (t) . Для того щоб ці глибини співпали , змінюють кут входу