Проектирование трассы трубопровода требует комплексного учета всех факторов, влияющих на удорожание строительства, однако эта задача очень трудоемка для решения вручную. Для облегчения проектирования ранее предлагалось проводить районирование района строительства с последующим определением средней стоимости прокладки на каждом из типов территории. Каждый из типов делился на классы, однако их число было невелико и не позволяло отразить все многообразие территорий. Кроме того, стоимость строительства даже в пределах одного класса территорий может меняться очень сильно. Большое количество классов (более 20) практически невозможно проанализировать и оптимизировать вручную, и потому данный метод не применялся широко.
Более распространено было деление территорий по категориям сложности (4 категории), позволяющее легко вычислять сметные затраты, однако дающее результат, весьма далекий от оптимального. С появлением средств ГИС-анализа и мощных компьютеров ситуация в значительной степени изменилась.
Для проведения данной работы был предложен и разработан метод, основанный на факторном анализе с использованием средств ГИС. Данный метод дает возможность проводить оптимизацию трассы не в узком коридоре вдоль линии, принятой на этапе обоснования инвестиций, а на всей территории региона строительства. При выполнении оптимизации используются данные о рельефе, углах наклона и экспозиции склонах, кривизне поверхности, высотах, характеристиках грунтов, сейсмичности и геологическом строении, растительности, мерзлотных процессах, а также 14 прочих характеристик.
В качестве исследуемого полигона была выбрана территория в Западном Прибайкалье. Территория включает в себя акваторию озера Байкал, Тункинскую котловину и северные отроги хребта Хамар-Дабан. Территория относится к районам с особо сложными условиями строительства. В настоящий момент на данной территории планируется строительство магистрального нефтепровода. Полученный результат (альтернативный вариант трассы трубопровода) сравнивался с трассой, явившейся результатом проектирования по классической технологии, не использующей средства ГИС-анализа.
В качестве основных данных использовались векторные топографические карты масштаба 1:200 000, векторные геологические карты масштаба 1:200 000, а также карты инженерно-геологической тематики масштаба 1:500 000 и вспомогательные карты (сейсмика, мерзлота и др.). Для обновления информации о современном состоянии транспортной сети и водных объектов использовались снимки Landsat 7 (15м), МК-4 (8 м) и данные лазерного сканирования (0,3м). Данные лазерного сканирования использовались так же для определения точности построения цифровой модели рельефа.
На основании векторной топографической карты было произведено построение ЦМР, по которой были рассчитаны производные карты (углы наклона, кривизна, высотные ступени, водотоки, выделение водораздельных поверхностей, пр.). Построение ЦМР проводилось с использованием ArcInfo Workstation с учетом существующих водотоков.
На основании комплексного анализа были построены также карты транспортной доступности местности, осредненной крепости грунтов, зон возможного затопления, а также выделены территории, запрещенные для строительства. Построение карт велось с использованием СТАНДАРТНЫХ средств ArcView и модуля SPATIAL ANALYST. Некоторая часть работы выполнялась с использованием скриптов Avenue для подключения типовых команд Spatial Analyst, не реализованных в стандартном интерфейсе.
Для выбора оптимальной трассы были составлены весовые гриды по каждому из осложняющих строительство факторов (анализировалось 47 факторов), где вес каждой ячейки пропорционален степени удорожания строительства из-за наличия на территории данного фактора. Данные о степени удорожания строительства были получены от экспертов, ранее принимавших участие в проектировании, строительстве и в последующей эксплуатации трубопроводов большого диаметра.
После построения промежуточных весовых гридов было произведено построение суммарного грида удорожания строительства. Данный грид был использован в качестве входных данных для работы функции CostPath из пакета Spatial Analyst, результатом работы которой явилась линия минимальных суммарных затрат, т.е. линия оптимальной трассы в свете заданных весовых коэффициентов.
Сравнение полученной средствами ГИС-анализа трассы с трассой, спроектированной без использования таких методов, показало, что подавляющее большинство показателей, влияющих на стоимость строительства, у ГИС-трассы оказались лучше, чем у трассы классической, причем разница составила до 65 % в сторону улучшения.
Очевидно, что применение ГИС для проведения трассирования позволит сэкономить колоссальные средства и время, позволяя гибко менять и корректировать трассу трубопровода при поступлении новых данных или изменении старых. В настоящее время также отлажена система автоматизированной оценки качества трассы.
Следует отметить, что предложенная методика не ограничивается оптимизацией только линейной части трубопровода. ЗАО «АРКОН» успешно проведена работа по оптимизации расположения станций НПС и дроссельных заслонок на трассе вышеупомянутого нефтепровода. Расположение этих объектов в большей степени зависит от рельефа и продольного профиля трассы, а также от намечаемых технических характеристик объекта. Кроме того, очень важно расположить объект на территории, удобной для строительства с точки зрения подъездных путей, характеристик грунтов и прочих инженерных свойств.
Были сформулированы критерии выбора мест под строительство НПС и ДЗ (углы наклона, прочность и обводненность грунтов, транспортная доступность, близость населенных пунктов и т.д.), всего 25 характеристик. Выделение на территории мест, пригодных под строительство НПС, было произведено по методу, применявшемуся и для построения суммарного грида удорожания строительства (см. выше). В результате была получена аналитическая карта расположения мест для НПС и ДЗ. После этого в автоматическом режиме проводилось построение продольного профиля трассы, и определялись участки трубопровода, пригодные для расположения на них трассы.
Далее выполнялся расчет положений НПС и ДЗ с учетом перепада высот, вязкости планируемой к перекачке нефти и прочих динамических характеристик с использованием продольного профиля трассы и подразделения участков трассы пригодных и непригодных для строительства НПС. В случае наличия на трассе значительных участков, на которых невозможно строительство, а перепад высот на подобных участках все же требует строительства НПС, проводилось перетрассирование с введением поправок в стоимостной грид (рис 6.).
Результаты работы были сравнены с результатами расположения НПС без использования ГИС. Вариант расположения с использованием ГИС-анализа позволил уменьшить количество НПС на 12 %, а количество ДЗ – на 50 %.
Таким образом, практика использования ГИС-анализа для проведения работ по проектированию и оптимизации строительства представляется в высшей степени оправданной. ЗАО «АРКОН» осуществлена не только разработка новой технологии проектирования, но и ее качественная и количественная проверка путем сравнения с результатами аналогичных исследований без применения ГИС. Учитывая немногочисленность и уникальность каждого строящегося трубопровода, этот опыт является наиболее ценным для дальнейшей работы.
Автор: Корсей С.Г., Прохожаев Р.Г., Рыльский И.А.. ЗАО «АРКОН»
