Морфометрическая характеристика пещер.

Порой на топосъемках, особенно старых, встречаются линейные, площадные и объемные характеристики полости. Часто топосъемщики данными вычислениями пренебрегают, считая их ненужными.

Общая длина или протяженность (L, м) - ее следует определять как сумму длины всех галерей пещеры без поправки на угол наклона. Об этом всегда нужно помнить при составлении описания (при расчете по плану, а не по журналу топосъемки длина пещеры отклоняется на 20-30% от ее истинной длины).

При описании полости над общей глубиной (Н, м) нужно понимать расстояние по вертикали от входа до самой нижней точки полости. При заложении входа в борту крупностенной карстовой воронки необходимо учитывать и ее глубину от топографического гребня. В практике можно определять глубину полости непосредственно от входа в нее, но в этом случае нужно обязательно указать начальную точку отсчета. Для пещер, галереи которых располагаются выше основного входа (Красная пещера) или выше и ниже его (Скельская пещера в Крыму), принято применять термин "амплитуда" (А, м) - расстояние по вертикали от самой верхней до самой нижней точки.

Площадь (S, кв. м). Обычно определяется методом наложения палетки или подсчетом количества миллиметровых квадратов в пределах контура полости. Допустим, подсчет дал площадь 5,2 кв. см. При масштабе плана 1:500 один квадратный сантиметр плана соответствует площади 25 кв. м. в натуре. Отсюда площадь пещеры 130 кв. м. Для определения площади крупных и разветвленных пещер оба эти метода очень трудоемки.

Свердловские спелеотуристы, например, используют метод взвешивания: очертания плана пещеры перерисовывают на кальку и вырезают его (если пещера многоэтажная, то каждый из накладывающихся один на другой этажей или их участков вырисовывают отдельно); затем кальку взвешивают с точностью 0,0001 г., а вес ее сравнивают с весом квадрата с известной площадью, вырезанного из того же куска кальки. Решая пропорцию, определяют площадь плана на кальке в кв. см, затем, учитывая масштаб плана, определяют реальную площадь дна пещеры в кв. м. Сравнение показало, что точность этого метода такова же, что и двух первых.

В узких ходах-щелях и в трубообразных каналах понятие площадь - мнимое. В этом случае рассчитывается площадь для сечения, располагающегося на уровне ног съемщика.

Объем пещеры (V, куб. м) определяется по следующей формуле:

V = K·S·Н,

где K - коэффициент, учитывающий характер поперечного сечения полости (для прямоугольного - 1,0; для овального и круглого - 0,78; для треугольного сечения - 0,5); S - площадь пола, кв. м; H - средняя высота по оси хода, м.

Объем вертикальных полостей рассчитывается, как объем цилиндра с площадью основания, равной средней площади планов-срезов на разной глубине, и высотой, равной глубине полости. При очень сложной конфигурации пещер и шахт иногда удобно использовать универсальную формулу Симпсона:

V = Н '(S 1+4 S 2+ S 3)/6,

где H' - глубина полости (расстояние между сечениями S 1 и S 3); S 1, S 2, S 3 - площади верхнего, среднего и нижнего сечений.

Ширина галереи (b, м). Отдельно определяется также средняя, максимальная, минимальная ширина пещеры.

Высота хода галереи (h, м). Отдельно определяется средняя, максимальная, минимальная высота галерей пещеры.

Для крупных полостей часто строятся графики распределения ширины и высоты, дающие более полное представление о характере их ходов.

Коэффициент пустотности Корбеля (табл. 2) (Q) - представляет произведение расстояния между крайними точками полости по основной оси (по прямой), расстояния между наиболее удаленными точками по перпендикуляру к основной оси, и амплитуды полости (в сотнях метров). Он характеризует не столько пустотность массива, сколько размеры блока, в котором заложена полость (своеобразный "индекс развития").

Для лабиринтовых пещер удобен коэффициент площадной закарстованности (x), представляющий отношение площади пола пещеры к площади блока карстующихся пород, определенной по контуру ломаной линии, соединяющей крайние точки пещеры.

Довольно чутким генетическим индикатором, позволяющим, в частности, отделять крупные гидротермокарстовые полости от полостей обычного "холодного" карстового происхождения (М > 100 - гидротермокарстовые полости, М < 100 - "холодные" карстовые полости), является удельный объем (термин предложен Г. А. Максимовичем) или мидель (М, кв. м/м), который представляет отношение объема полости к ее протяженности (длине).

После накопления определенного объема данных по исследуемому карстовому району возникает задача определения средних характеристик его подземной закарстованности. Для спелеотуристов можно рекомендовать рассчитывать два показателя. Плотность пещер - количество карстовых полостей на 1000 кв. км. площади. Густота пещер - это общая длина всех пещерных ходов, приходящихся на 1000 кв. км. площади карстующихся пород (иногда эти показатели рассчитываются на площадь 1 кв. км, что позволяет производить сравнение интенсивности подземного закарстования для отдельных участков карстовых районов). Сведения о среднем количестве пещер на той или иной площади, а также об их средней площади и объеме часто используются в гидрогеологических расчетах при подготовке пещер к благоустройству. Поэтому перед спелеотуристами в каждом путешествии стоит важная задача - получение достоверных статистических характеристик оценочных показателей карстовых полостей района.

Кривые распределения большинства оценочных показателей характеризуются асимметричностью. Например, Красная пещера в Крыму имеет длину 13100 м, а следующая за ней Узунджинская пещера - всего 1500 м. Включение таких "крайних" значений в расчеты приводит к значительному (в среднем на 200%) завышению всех статистических параметров изучаемых распределений. Открытие новой крупной пещеры или продолжения в уже известной полости также существенно смещает их средние значения. Анализ показал необходимость исключения артефактов как элементов данной генеральной совокупности, вероятность появления которых весьма мала (0,05 и менее). Для этого рекомендуется Т -критерий

Т = (x_i - x)/ c ≥ T_ст

где x_i - выделяющееся значение признака; х - среднее арифметическое и с - среднее квадратичное отклонение для группы, включающей артефакт; Т_ст - стандартное значение критерия выпада (зависит от числа наблюдений и составляет для наших условий 3,0-3,3).

С помощью Т -критерия из распределений оценочных признаков карстовых полостей исключают значения, имеющие малую вероятность (обычно 2-4 варианта), а затем производится перерасчет всех статистических параметров (среднее арифметическое, среднее квадратичное отклонение, коэффициент вариации, коэффициент асимметрии, эксцесс). Методика их расчета имеется в руководствах по обработке материалов наблюдений и учебниках математической статистики.

Распределения оценочных показателей карстовых полостей можно использовать для анализа степени сходства или различия в закарстованности различных карстовых районов. Для этого определяется л -критерий, предложенный А. Н. Колмогоровым и Н. В. Смирновым:

л = |Е f ₁/ n ₁- Е f ₂/ n ₂|_max · корень из (n₁·n₂ /(n₁+n₂))

где |Е f ₁/ n ₁- Е f ₂/ n ₂|_max - максимальное абсолютное значение разностей сумм накопленных частот по каждому рангу, деленных на число вариантов (членов) первого (n ₁) и второго (n ₂) распределений. Различия между анализируемыми распределениями считаются несущественными (случайными), если л -критерий не достигает стандартного значения порога вероятности. Он принят равным 1,36, что соответствует минимальной вероятности безошибочного прогноза 0,95.

Подытоживая вышесказанное, в практику спелеотуристов можно рекомендовать следующую схему, совмещающую морфометрические показатели, характеризующие и карстовую полость, и закарстованный блок (массив), в котором она расположена.

 

Таблица

№	Наименование показателя	Обозначение	Единицы измерения	Определение (формула)	Примечание
	Линейный
	Протяженность пещеры	L	м	Сумма всех ходов галерей пещеры
	Глубина (амплитуда) пещеры	Н	м		Совпадает с вертикальным ребром параллелепипеда Корбеля
	Проективная длина пещеры	l	м	Сумма проекций ходов пещеры на горизонтальную плоскость (в плане)
	Максимальная длина параллелепипеда Корбеля	Lк	м
	Максимальная ширина параллелепипеда Корбеля	Вк	м
	Площадной
	Площадь пещеры	Sн	кв. м.	Сумма площадей планов галерей пещеры
	Мидель пещеры	М	куб. м./м.	Среднее сечение пещеры = V / L
	Объемный
	Объем пещеры	V	куб. м.	Sн · L
	Коэффициент Корбеля	Q		Q = Bк·Lк·Нк ·10-6
	Безразмерные коэффициенты
	Общей закарстованности массива	K = V / Q
	Степени вытянутости закарстованного блока	Hк / Lк, Вк / Lк, Вк / Вк
	Площадной закарстованности	Sн /(Вк • Lк)
	Извилистости галереи (пещеры)	K = L / r			Отношение длины хода (пещеры) к кратчайшему расстоянию между точками

СТО.

Рассматривая описание пещер, нельзя не остановится на спортивно-техническом описании пещер. Топосъемки выполненные в стиле СТО достаточно информативны и предпочтительней при подготовке спортивных походов (приложение №6). К сожалении не могу указать автора разработки, т.к. методичка попала ко мне очень давно и привожу ее без изменений.

9. Программы для обработки топосъемки пещер [8].

В последнее время часто при обработке данных топосъемки используют компьютеры. Это обеспечивает быструю обработку данных и при этом погрешности, возникающие при построении отсутствуют.

Ссылки и краткие описания различных пещерных топопрограмм (in English) имеются на сайте программы WinKarst и на английском сайте, посвященном вопросам топосъемки. На последнем описания датированы 2001г, но по-прежнему актуальны ввиду того, что практически все достаточно развитые программы существуют уже несколько лет.

Надо иметь также ввиду, что не все программы являются бесплатными.

Перечислим наиболее развитые программы под Win32, с интерфейсом in English:

Survex. Работает на 3 платформах (DOS/Win/Linux), разрабатывается с 1990г. Данные забиваются в обычный текстовый файл. Free. Доступны исходные тексты программы. Подходящий вариант для любителей Linux. Ввиду открытости, ясности и почтенного возраста влияние survex'а отчетливо прослеживается во многих других программах.

Compass. Проста в обращении, имеет много возможностей, работает без глюков. Интуитивно ясный интерфейс, специальные удобные окошки для забития данных. Shareware (25$), хотя работает без регистрации и по истечении месячного срока, дающегося на ознакомление. Имеется перевод документации к старой версии compass под DOS (1996г.) на руссий язык, сделанный А.Остапенко.

Насколько я могу судить, survex и compass являются двумя наиболее популярными топопрограммами.

WinKarst. Проста в обращении, имеет много возможностей, но работает с глюками уже на демонстрационных файлах (это замечание 2002г.). Кроме собственного формата поддерживает формат (и практически все функции) compass'a. Красивый сайт, также содержащий ссылки на другие топопрограммы.

OnStation. Все основные функции + особо красивые объемные картинки. Прилагается программа для перехода между различными форматами исходных данных (в том числе рассмотренных выше программ), однако за потраченные 15 минут мне так и не удалось ничего корректно преобразовать. Free, доступны исходники. Наблюдал пару мелких глюков. С 2001г. более не развивается (ее автор пишет, что он достиг в ней всего, что ему было нужно, а человек он занятой).

Walls. Хорошие возможности обрисовки. Последнее время интенсивно развивается.

Therion. Создается подробная готовая карта, динамически изменяемая с изменением исходных данных, и 3D модели. Free, доступны исходники.

Для любителей немецкого и французского имеются соответственно CaveRender и Visual Topo, в последней можно также выбрать английский и испанский.

И наконец, для любителей русского языка - программа Toпo.

Auriga - программа для Palm OS.

Все больше цифровые технологии облегчают жизнь топосъемщиков. Вот цифровой прибор, одновременно мерящий с высокой точностью угол и азимут [9]. Европейцы уже давно модернизируя известный прибор Leica Disto A3, получают одним нажатием клавиши все три пункта данных. На снимке т.н. Leica Disto Х по блютусу скидывающий данные сразу на наладонник/смартфон.

Использование программ и отдельных приборов не является окончательной точкой в топографической съемке пещер. Интересный проект проходит тестирование в Швейцарском институте спелеологии и карстологии (ISSKA).

10. Система подземного позиционирования – UGPS [10].

Настоящий прорыв в науке совершили исследователи из Швейцарского института спелеологии и карстологии (ISSKA). С 2004г. они работали над созданием системы для подземного позиционирования – т.н. UnderGround Positioning System – UGPS. В 2010г. для коммерциализации идеи была основана компания InfraSurvey. Разработанный прибор прошел успешные испытания в реальных условиях. Система состоит из двух частей: на поверхности – четыре приемника, расположенные в фиксированных точках; под землей – переносной эмиттер.

При помощи радиосвязи обеспечивается взаимодействие между приемниками и компьютером, который, используя специальное программное обеспечение, анализирует и визуализирует сигнал из-под земли.

Переносной излучатель сигнала пока имеет размеры 25х45см и вес 8кг

Приемники расставляются на поверхности над местом предполагаемого подземного маршрута или точки измерения. Эмиттер излучает сигнал, улавливаемый приемниками, а компьютер определяет его точное расположение в пространстве. Это позволяет, не переставляя приемники, следить за движущимся под землей объектом в реальном времени на площади (поверхности) 300х300м. Глубина измерения – 200м. Точность измерения до 10см/100м. В одном цикле измерений можно определить 2500 точек.

В настоящее время эмиттер достаточно громоздок – имеет размеры 25х45см при весе 8кг. Однако компания работает над созданием более мобильной версии излучателя, а также водонепроницаемого прибора. Их выпуск будет анонсирован в 2011г.

 

UGPS - может быть использована для исследования любых подземных объектов: карстовых пещер, горных выработок, коллекторов и мн.др.

 

Примеры исследований, проведенных в процессе испытания прибора: Определение источника водоснабжения в карстовой пещере. Один из районов на востоке Крита каждое лето имеет дефицит воды в течение примерно 6 месяцев. В 2008г. в этой местности спелеологи обнаружили и изучили большую систему пещер с подземным потоком в межень около 20л/с. Поток располагался примерно в 200м под землей. Власти района хотели бы использовать эту воду, но не имели технической возможности определить точное место бурения скважины. Все попытки это сделать были неудачными. Компания InfraSurvey, используя свой прибор, определила две точки оптимальные для забора воды на глубине 193 и 188м.

При исследованиях карстовой системы на о.Крит было определено местоположение водного потока для бурения скважины.

 

Отображение перемещения спелеолога в реальном времени в горной выработке в Париже. За 6мин. он преодолел 300м.

Исследование старых горных выработок. В 2009г. в сотрудничестве с Национальным институтом промышленной среды и рисков (INERIS), при помощи прибора UGPS компанией InfraSurvey проведено обследование старого рудника (Санкт-Максимин, Париж). По выработке двигался спелеолог с излучателем. Он прошел 300м менее чем за 6 минут. Таким образом за короткое время без какой-либо дополнительной техники была получена схема простирания полости с точностью до 0,5м.

Значимость создания системы UGPS сложно переоценить. К примеру, при исследовании старых шахт и коммуникаций можно в кратчайшее время и без применения дополнительных приборов определить точное положение конкретной точки внутри полости (места обрушения, зоны риска и т.д.). Можно отслеживать перемещение спелеологов-исследователей в пещере или спелео-туристов в оборудованной для посещения полости и мн.др.

Заключение.

Таким образом рассмотрев такой вид деятельности спелеологов как топографическая съемка пещер можно с уверенностью сказать, что топосъемка не стоит на месте – разрабатываются новые методы, инструменты и это необходимый и неотъемлемый этап подготовки спелеолога.

 

ИСТОЧНИКИ

1. В.Н. Дублянский, В.В Илюхин «Путешествие под землей». Издательство ФиС, М. 1968 г.

2. http://www.rgo-speleo.ru/biblio/topolekc.htm.

3. А.Б.Климчук. Классы топосъемочных работ в пещерах. Опубликовано: Картографирование и районирование карста в связи с освоением территорий. Тез. докл. IV Всес. карстово-спелеол. совещания, 15-18 апреля 1986 г. Владивосток, 1986, с.50-52; Свет, №2(15), 1996, с.22.

4. http://speleo-ufa.ru/bibl/literature/metod_ychebn_materials/metodika_razrabotka_topo.htm

5. http://mtc.md/~abis/Foto/kaskad03/Kaskadka_map_b.gif

6. Авт: Маркович Богдан http://spelestology.km.ua/news/uslovnye_oboznachenija_dlja_toposemki_i_otrisovki_kart_v_gorizontalnykh_peshherakh/2010-07-16-119

7. http://www.rgo-speleo.ru/books/metod_opis.htm

8. http://www.snowcave.ru/mcrgo/topo/topolinks.htm

9. http://caves.ru/threads/19139

10. http://pro-speleo.ru/news/ugps/2011-01-22-72

 

Приложение №1.

Приложение №2.

Конспект лекции.

Тема занятия: Методы подземной топосъемки, инструменты и правила ее выполнения.

Форма занятия: Лекционная. Лекция проводится в аудитории. Во время лекции демонстрируются следующие приборы: горный компас, эклиметр Брандиса, мерная лента.

Наглядные пособия: планы, разрезы, развертки пещер.

Ход занятия:

1.1. Для того, чтобы получить представление о форме, размерах и расположении подземной полости, лучше всего иметь ее макет в определенном масштабе и ориентированный в нужном направлении. Но изготовление макета - очень трудоемкая работа, требующая много времени, а иногда и нецелесообразная. Поэтому пользуются проекцией полости на воображаемую плоскость в определенном масштабе. Если плоскость горизонтальна, то проекцию называют планом. Если плоскость вертикальна, то проекцию называют вертикальной и при этом указывают, в каком направлении ориентирована плоскость проекции. Если вертикальная плоскость пересекает полость по оси ее хода, повторяя его конфигурацию, то проекция называется разрезом-разверткой. Наиболее часто употребляется план и разрез-развертка. Для определения точки в плане нужно знать ее плановые координаты, а на разрезе - ее высотную отметку относительно входа, который обычно имеет условную отметку 0. Эти данные получают после топосъемки полости. Самым распространенным и доступным способом съемки является азимутный "ход" в одном направлении с однократным измерением всех элементов. Он состоит из множества съемочных точек.

1.2. Демонстрация образцов плана, разреза, разреза-развертки. Дать рисунки на доске к понятиям о проекциях.

2.1. Положение каждой точки (кроме начальной) определяется относительно предыдущей. Для этого на каждую точку с предыдущей определяется магнитный азимут, вертикальный угол и расстояние.

2.2. Желательно для примера показать расположение съемочных точек на плане пещеры.

3.1. Для получения положения точки на плане нам нужно иметь не само расстояние, а его проекцию на горизонтальную плоскость, то есть проложение. Его можно получить, умножив расстояние на косинус угла наклона. Проложение и магнитный азимут направления на точку дает нам ее плановое положение в полярной системе координат, где за 0 можно принять предыдущую точку.

3.2. К понятиям проложение и превышение нужны рисунки на доске с изображением и буквенным обозначением всех элементов.

4.1. Для получения высотной отметки очень важно, чтобы угол наклона имел правильный знак. Если определяемая точка лежит выше предыдущей, то (+), если ниже, то (-). Умножая это расстояние на синус угла наклона, получим превышение, то есть разность высотных отметок точек. Превышение будет иметь тот же знак, что и угол наклона. Соответственно этим знакам точки на разрезе будут лежать ниже или выше друг друга.

5.1. Определяя положение каждой точки относительно предыдущей, мы получим цепь этих точек - основную нить хода. Она и дает нам общую конфигурацию полости. Для изображения на плане ширины хода, а на разрезе - высоты, при съемке измеряют эти величины в каждой точке. Все данные съемки записываются в заранее приготовленный журнал. Журнал разграфляется следующим образом:

5.2. Продемонстрировать или нарисовать на доске основную нить хода. Разграфку журнала вычертить на доске и подобно пояснить содержание каждой графы.

6.1. После выхода на поверхность журнал переписывается, и к нему прибавляются еще две графы: приложение и превышение. Разграфку в журнале делают не на каждом листе, а через один. На свободных листах делают в процессе съемки зарисовку вертикальных сечений хода.

6.2. Показать на имеющихся планах и разрезах вертикальные сечения хода.

7.1. Рассмотрим теперь, как и какими инструментами выполняется съемка. Наряду с навеской снаряжения, заброской или штурмом группе может быть поручено сделать топосъемку участка пещеры или пещеры полностью. Минимальный состав съемочной группы - два человека, при этом один из них является съемщиком, а другой записывающим. Группа может состоять и из трех человек, но большее количество людей затрудняет работу. Обязанности в группе распределяются так, чтобы выполнение измерений разными членами группы занимало примерно одинаковое время. Как же происходит съемка группой из двух человек?

8.1. Еще на поверхности группа подготавливает все необходимое для съемки: горный компас, угломер (если есть в компасе, то не нужен), мерный шнур длиной 5 м с узелками через каждый метр, бумажные пикеты с номерами для маркировки точек, журнал, карандаш. Карандаш лучше привязать веревочкой к поясу или пуговице комбинезона или брать с собой несколько карандашей и нож. Подойдя к точке, с которой нужно начинать съемку, съемщик встает на нее, а записывающий встает дальше по ходу съемки. Компас и угломер находятся у съемщика, а журнал у записывающего. Мерную ленту съемщик для удобства может привязать к поясу, а записывающий держит ее конец в руках.

8.2. Показать все приборы для съемки и различные виды журналов (из бумаги, металла и пластика), бумажные пикеты.

9.1. Измерив компасом азимут направления и угол наклона, съемщик членораздельно сообщает их записывающему. Пока он выполнял измерения, записывающий натянул мерную ленту, определил по ней расстояние и записал в журнал. Записав азимут и угол наклона, он на глаз или лентой измеряет высоту и ширину хода и записывает их. Заполнив графу "примечание" и зарисовав вертикальное сечение, он оставляет на точке пикет с его номером. После этого съемщик встает на место записывающего, а записывающий на следующую точку, и операция делается в таком же порядке. Вертикальные сечения не обязательно зарисовывать на каждой точке. Достаточно делать это через 4-5 точек, а также во всех характерных местах. Очень важно, чтобы при измерении вертикальных углов визирный луч проходил на одинаковой высоте от точек. Для этого съемщик выбирает место на фигуре записывающего на уровне своих глаз (плечо, налобный фонарь, карабин на груди и пр.). На это место он все время визирует при измерении вертикального угла.

9.2. Привести пример выбора точки на уровне глаз для кого-нибудь из аудитории.

10.1. Съемка имеет ряд ошибок, избавиться от которых нельзя. Но их действия можно свести к минимуму. Точность одного горизонтального углового измерения равна +/-5 градусов. Это определяется в основном неточным визированием, плохими условиями видимости.

10.2. Обратить внимание слушателей на ошибки.

11.1. Если учесть, что эта ошибка будет входить в угловое измерение на каждой точке, то при большом количестве измерений суммарная величина ошибки будет близка к нулю. Она будет компенсироваться по знаку и величине.

11.2. Указать, какое число измерений считается большим.

12.1. Ошибкой по вине съемщика можно назвать съемку с положением компаса "не в ту сторону". Нужно следить, чтобы компас всегда был направлен на точку визирования северным направлением шкалы. Ошибка при такой "съемке" равна 180 и обнаруживается она обычно тогда, когда на плане ход вдруг разворачивается и уходит сам в себя. Точность измерения лентой (то есть точность, с которой съемщик встал на точку) равна 10 см на 5 м. Ошибки этих измерений также будут близки к 0 при большом количестве точек.

12.2. Показать правильное и неправильное положение компаса.

13.1. На точность показаний стрелки компаса влияют магнитные предметы (карабин на груди съемщика, троса лестниц и пр.). Эти предметы нужно по возможности удалить от компаса, а когда этого сделать нельзя, то компас следует держать в одинаковом положении относительно магнитного предмета. Цена деления шкалы компаса (если она не менее 3) практически не сказывается на точности измерений.

Приложение № 3.

Приложение № 4.

Условные знаки,

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: