СПОСОБ ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ В ГОРОДСКОЙ СРЕДЕ
METHOD FOR ESTIMATING THE MECHANICAL STABILITY OF SILVER BIRCH IN AN URBAN ENVIRONMENT

Изобретение  относится к мониторингу экосистем методами биоиндикации и может быть использовано для оценки состояния растительного организма в ответ на антропогенное загрязнение в условиях городской среды. Использование в качестве критерия механической устойчивости показателя  на примере деревьев Betula pendula позволяет оценить их аварийность на различных территориях городских насаждений (в условиях высокой и низкой антропогенной нагрузки). Заявляемое изобретение направлено на ускорение методики оценки (quick-test) механической устойчивости и аварийности древесных растений.

В настоящее время существует ряд работ, показывающие, что механическую устойчивость и аварийность древесных растений возможно оценить с использованием специализированного оборудования: комплекса аппаратуры акустической ультразвуковой томографии «Арботом 2 и 3D», специализированного прибора «Резистограф» (фирмы Rinntect) со специализированным программным обеспечением, комплекса приборов с электрической томографией, а также с применением георадара (Wang X., Wiedenbeck J., Ross R.J., Forsman J.W., Erickson J.R., Pilon C, Brashaw B.K. Nondestructive evaluation of incipient decay in hardwood logs. - Gen. Tech. Rep. FPLGTR- 162. - USDA, Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison, USA, 2005; Wang X., Allison R.B., Wang L., Ross R.J. Acoustic tomography for decay detection in red oak trees. - Research Paper FPL-RP-642. - USDA, Forest Service, Forest Products Lab., Madison, WI, 2007; Cheng-Jung Lin, Yu-Chien Kao, Ta-Te Lin, Ming-Jer Tsai, Song-Yung Wang, Lang-Dong Lin, Ya-Nan Wang, Ming-Hsun Chan. Application of an ultrasonic tomographic technique for detecting defects in standing trees // International Biodeterioration & Biodegradation. - 2008. - 62. - P. 434-441; Мельничук И.А. Диагностика внутреннего состояния деревьев Tilia cordata Mill, с использованием комплекса аппаратуры акустической ультразвуковой томографии «Арботом» / И.А. Мельничук, Й.М. Йассин Солиман, О.А. Черданцева // Вестник РУДН, серия Агрономия и животноводство. - 2012. - №5. - С. 25-32).
Применение данного оборудования и способа оценки ствола древесного растения позволяет получать данные о структурных дефектах обследованных деревьев, точно выявлять местонахождение дефекта в стволе, проводить точную диагностику состояния дерева и назначать оздоровительные мероприятия. Из недостатков применения описанного подхода по использованию современного специализированного оборудования является: 1) дороговизна приборов для исследования; 2) необходимо прохождение подготовки для каждого конкретного специалиста с получением лицензии (также это ведет к финансовым затратам); 3) время и квалификация исследователя для обработки полученных данных: оцифровка, интерпретация, моделирование в программах и т.д.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ оценки механической устойчивости зеленых насаждений в городской среде (Корниенко В.О., Приходько С.А. Новый методический подход к оценке механической устойчивости зеленых насаждений в городской среде / Корниенко В.О., Приходько С.А. // Самарский научный вестник. - 2018. - Т. 7. №2 (23). - С. 72-77.), в котором для оценки учитываются визуальный, ретроспективный и инструментальный методы. Такой подход к оценке механической устойчивости деревьев подходит для городских смешанных насаждений и имеет недостатки, перед заявляемым методом, т.к. требует затрат во времени и использование инструментального оборудования (бурав Пресслера).
Задача настоящего изобретения - разработка способа ускоренной методики оценки (quick-test) механической устойчивости и аварийности березы повислой.
Технический результат настоящего изобретения заключается в экспрессной оценке аварийности и механической устойчивости ствола, а также скелетных ветвей древесного растения Betula pendula на различных территориях городских насаждений в условиях высокой и низкой антропогенной нагрузки.
1,3
Технический результат в способе оценки механической устойчивости березы повислой в городской среде достигается следующим путем. Проводят измерение диаметра ствола дерева на высоте 1,3 м (d) или диаметра основания скелетной ветви у березы повислой с помощью мерной вилки (для ствола) или штангенциркуля (для скелетных ветвей), далее проводят измерение высоты ствола с помощью цифрового высотометра (или аналогов точного измерения) или рулетки для измерения скелетных ветвей. Затем производится вычисление отношения  (на любом вычислительном устройстве) для установления значения полученного показателя. Полученные данные показателя d/l сравнивают со значением 0,01, выше которого механическая устойчивость имеет высокие значения и низкую аварийность, в противном случае растение считается механически не устойчивым с высокой аварийностью.
2
Нами установлена регрессионная зависимость между параметрами механической устойчивости и аллометрическим отношением диаметра к длине исследуемого ствола/ветви. Так между параметром EI (сопротивление изгибу) и  коэффициент детерминации R для стволов березы повислой, которые подверглись облому или необратимой деформации под действием природно-климатических факторов имеет высокое значение 0,89-0,99 (фиг. 1).
2
Отношение RRB (относительное сопротивления изгибу) к  для всех групп деревьев имеет степенную зависимость и высокий коэффициент детерминации R~0,89-0,99. Для вертикально растущих деревьев отношение d/l имело диапазон 0,03-0,05 (фиг. 2).
2
cr
cr
cr
Зависимость критической массы от отношения  для всех групп деревьев имеет степенную зависимость и высокий коэффициент детерминации R~0,89-0,99 (фиг. 3). При значениях  в диапазоне 0,008-0,009 критическая масса (предельно допустимая масса m) составляет в среднем 73±15 кг; при значениях 0,010-0,011 m=165±12 кг; в случае, когда значение  составляло 0,012, критическая масса уже имеет значительные показатели и в среднем составляет 250±33 кг; при значениях выше 0,013 m>300 кг.
Данные полученные в результате моделирования механической устойчивости березы повислой показывают, что риску облома или безвозвратной деформации ствола и побегов подвержены деревья с минимальным отношением диаметра к высоте (<0,01). Наименьшее значение критической нагрузки характерно для молодых деревьев либо выросших в плотном древостое и угнетенные в борьбе за свет растений.
При значении  оценивают состояние ствола дерева как аварийное с низкой механической устойчивостью; при значении  состояние оценивается как механически устойчивое, с низкой аварийностью, к действию статических (собственного веса, оледенения, налипания снега, присутствия животных как дополнительной нагрузки или других растений и т.д.) и динамических (ветра, снежных и ледяных бурь) нагрузок. Связь показателя  и механической устойчивости, аварийности выявлена методами статистических исследований и многолетних наблюдений за состоянием древесных растений березы повислой под действием природно-климатических факторов среды (фиг. 4).
Пример:
Для оценки аварийности и механической устойчивости березы повислой использовали деревья, произрастающие как на территориях с минимальной антропогенной нагрузкой (южный массив ГУ «Донецкий ботанический сад»), так и в условиях антропогенного загрязнения (линейные насаждения вдоль автомагистралей).
Исследования искусственных насаждений Betula pendula Roth, в условиях антропогенного загрязнения, в городе Донецке проводились в период 2017-2020 гг. на пересечении пр. Ленинский и ул. Одесская. Длина исследуемых насаждений составляет ~385 м., а ширина около 50 м. Растения посажены рядами. Всего 7 полных рядов. В каждом ряду с расстоянием в 2-3 метра высажены 112±3 берез. Возраст деревьев ~45 лет. Исследования в дендрарии ГУ «Донецкий ботанический сад», на территории с минимальной антропогенной нагрузкой, проводились в тот же период. Растения высажены куртинами. В качестве контроля, количество растений составило 100 шт.
1,3
Проводили измерения по двум параметрам (диаметру (d) ствола или скелетных ветвей и высоте  ствола или скелетных ветвей). Измерение диаметра ствола дерева на высоте 1,3 м (d) или диаметра основания скелетной ветви у березы повислой производили с помощью мерной вилки Mantax Blue Haglof (Швеция) (для ствола) или штангенциркуля (для скелетных ветвей). Измерение высоты ствола проводили с помощью электронного высотомера - НЕС Haglof (Швеция). Затем производили вычисление отношения  для установления значения полученного показателя.
cr
cr
Для расчета механической устойчивости использовали следующие параметры: сопротивление изгибу=EI, где, , d - диаметр; RRB - относительное сопротивление изгибу: , где, r - радиус основания ствола, Е - модуль упругости, ρ - плотность древесины; P и m - предельно допустимая нагрузка и масса, при действии которых ствол начинает деформироваться или обламывается: , , где I - момент инерции сечения,  - длина ствола, g - ускорение силы тяжести. Расчеты механических параметров и построение графиков зависимости  от них производили в программе «Excel 2010» (Microsoft Corporation).
1. Произведенные замеры на территории с минимальной антропогенной нагрузкой показали, что при отношении  растения имели нормальное состояние (norm - при нагрузках в виде наледи, снежного покрова и ветра стволы и скелетные ветви работают в рамках упругой деформации, т.е. после приложения нагрузки возвращаются в исходное положение).
2. Произведенные замеры на территории, где растения произрастают вдоль автомагистралей (в условиях антропогенного загрязнения), показали, что при отношении  (0,011±0,002) растения имели деформации стволов (deform) и скелетных ветвей (при нагрузках в виде наледи, снежного покрова и ветра стволы и скелетные ветви работают в рамках необратимой деформации, т.е. после приложения нагрузки не возвращаются в исходное положение). При отношении  (0,009±0,003) растения подвергались крушению стволов и скелетных ветвей (crushed). В 2020 году в условиях снежной бури (snow storm) и ледяного дождя (ice storm) выпало 63 дерева. Обломы стволов были зафиксированы у растений на высоте 2-4 метра (35%), 5-6 метров (17%), 7-8 метров (52%) и 9 метров (6%). В основном это растения с относительно тонкими стволами, d/l у которых составляет <0,01.
По результатам данных полученных и представленных в таблицах (рис. 5-6) строятся графики зависимости механической устойчивости от параметра  Полученные зависимости на рисунках 1-3 (фиг. 1-3) оценивают следующим образом:
4
2
cr
1. При значении  состояние ствола дерева оценивали как аварийное с низкой механической устойчивостью (EI=1-7×0 Н м; RRB=2-5; m=20-180 кг).
5
7
2
cr
2. При значении  состояние оценивали как механически устойчивое, с низкой аварийностью, к действию статических (собственного веса, оледенения, налипания снега, присутствия животных как дополнительной нагрузки или других растений и т.д.) и динамических (ветра, снежных и ледяных бурь) нагрузок (EI=4×10-1×10 Н м; RRB=13-60; m=529-55000 кг).
На фиг. 1 показана зависимость сопротивления изгибу ствола дерева от отношения d/l; на фиг. 2 изображена зависимость относительного сопротивления изгибу ствола дерева от отношения d/l, на фиг. 3 представлена зависимость критической массы, которую может выдержать ствол дерева при нагрузках от отношения d/l; на фиг. 4 - приведена таблица: Связь состояния дерева (аварийности) и его механической устойчивости с коэффициентом d/l; на фиг 5. показана таблица: Связь состояния дерева (аварийности) и его механической устойчивостью с морфометрическими параметрами дерева на территории с минимальной антропогенной нагрузкой, на фиг. 6 - представлена таблица: Связь состояния дерева (аварийности) и его механической устойчивостью с морфометрическими параметрами дерева в условиях антропогенного загрязнения, где norm - стволы имеют строго вертикальное направление роста; deform - деформированные, изогнутые; crushed - подверглись облому ствола;  - среднее арифметическое±стандартное отклонение.
Таким образом, способ оценки механической устойчивости березы повислой в городской среде обеспечивает ускоренный метод оценки (quick-test) состояния ствола древесного растения и позволяет применять его для специалистов, занимающихся мониторингом зеленых насаждений без финансовых затрат и дополнительных повышений квалификации.