Обоснование технологии комплексного освоения лесных площадей

Обоснование технологии комплексного освоения

лесных площадей

Родионов А.В.

Петрозаводский государственный университет

Особенностью лесопользования, по сравнению с другими видами пользования природными ресурсами, является то, что лесные ресурсы могут возобновляться [1]. Способность лесных ресурсов к возобновлению лежит в основе принципа неистощительного лесопользования, сформулированного русским ученым-лесоводом Г. Ф. Морозовым в начале XX века [2] и закрепленного в действующем Лесном кодексе РФ [3].

Принцип неистощительного лесопользования означает, что эксплуатация ресурсов леса должна обеспечивать производство лесной продукции для удовлетворения общественных потребностей при сохранении продуктивных способностей леса, с учетом динамики развития этих потребностей.

Важнейшим видом лесопользования в Российской Федерации (РФ) является заготовка древесины [4]. Продуктивность лесов РФ позволяет обеспечить получение валового продукта от этого вида лесопользования в размере до 100 млрд. долл. США в год [5].

Основными объектами лесопользования являются участки лесного фонда (УЛФ). На этих участках осуществляются работы, связанные с заготовкой, восстановлением, охраной и защитой леса. Работы разделены по времени и организационно, их чередование требует проведения подготовительно-заключительных операций, направленных на ликвидацию нежелательных последствий уже выполненных работ и создания благоприятных условий для выполнения последующих работ. Затраты на эти операции могут достигать 20 % от общей стоимости работ по освоению участка лесного фонда (УЛФ) [6, 7, 8].

Эффективность освоения УЛФ можно повысить, преобразовав разрозненные работы в единый процесс освоения УЛФ, подчиненный общей цели. При этом Лесной кодекс РФ [3] и Положение об аренде УЛФ [9] обязывают лесопользователей проводить лесовосста-новительные работы, что создает дополнительный стимул к установлению технологических связей между всеми выполняемыми на УЛФ работами.

Вопросы систематизации работ, выполняемых на лесной площади, изучались рядом отечественных и зарубежных исследователей. В частности, применение технологических коридоров постоянного действия впервые было предложено профессором И. К. Иевинем для проведения рубок ухода [10].

Вопросы оптимизации схем освоения лесосек и создания условий для восстановле-

ния леса в ходе выполнения лесосечных работ рассмотрены в работах профессоров Меньшикова В. Н. [11, 12], Цыпука А. М. [13], Ширнина Ю. А. [14] и других ученых.

Экспериментальные работы по изучению взаимосвязей между заготовкой и восстановлением леса проводились в Финляндии [15] и России [16], однако до настоящего времени теоретического обоснования параметров взаимосвязи работ, связанных с заготовкой, восстановлением, охраной и защитой леса, выполнено не было.

Таким образом, разработка теоретических основ преобразования технологических процессов лесосечных, лесовосстановительных работ и работ в период роста леса в единый процесс освоения УЛФ является актуальным.

Известно [2, 7, 11], что в технологических процессах на УЛФ задействованы различные виды сырья и полуфабрикатов, на порядки отличающиеся друг от друга по энергетическому уровню - деревья при проведении рубок леса, саженцы при посадке леса и т. д.

При этом взаимная увязка работ осложнена также тем, что они смещены во времени из-за протекания биологических процессов.

Разрешение этих противоречий возможно в рамках объектной концепции лесной технологии [17], основанной на идее профессора Г. Ф. Морозова о том, что рубка и восстановление леса - синонимы [2].

В качестве объекта лесной технологии, эта концепция рассматривает УЛФ как земельный участок (лесную площадь), качество которого изменяется в результате технологических операций. Основная продукция - та же лесная площадь, но со спелыми насаждениями хозяйственно-ценных пород, наличие которых говорит о завершении очередного технологического цикла.

Дополнительную продукцию образуют древесина от рубок главного пользования и рубок ухода, пневый осмол и другие продукты, заготавливаемые в период оборота рубки леса. При этом стоимость дополнительной продукции достаточно велика, чтобы компенсировать затраты на ее заготовку и достижение главной цели технологии, однако стоимость основной продукции оказывается более высокой, если учесть стоимость земельного участка как недвижимого имущества [1, 17].

Преобразование различных работ, выполняемых на одной площади, в единый процесс комплексного освоения лесной площади (КОЛП) осуществляется на основе постоянно-действующих технологических коридоров (ПДТК), которые впервые предложил профессор И. К. Иевинь для проведения рубок ухода [10].

Таким образом, обеспечивается установление связей между технологическими процессами лесосечных, лесовосстановительных работ и работ в период роста леса, выполняемыми с помощью уже как существующих [7, 18, 19], так и вновь разрабатываемых

лесных машин [20, 21, 22].

В процессе КОЛП преобразование сырья (лесной площади в исходном состоянии) в основную продукцию (лесную площадь со спелыми насаждениями хозяйственно-ценных пород) осуществляется непрерывно с переменной интенсивностью, а все работы на площади осуществляются дискретно.

Таким образом, технологический процесс КОЛП можно классифицировать как комбинированный процесс [23].

В процессе КОЛП исключаются затраты на разметку и создание технологических коридоров для машин, выполняющих работы в период роста леса, затраты на дополнение лесных культур, уничтожаемых машинами на технологических коридорах, а также обеспечивается сокращение документооборота [24] .

Разметку ПДТК проводят при подготовке площади к освоению, при этом расстояние между ними по осям устанавливают кратным ширине захвата агрегата, использование которого в качестве базового предполагается для работ в период роста леса. Реальный диапазон ширины захвата составляет 16 - 25 м.

ПДТК формируют в процессе лесосечных работ на площади, выбирая ширину пасеки кратной расчетному расстоянию между лентами будущих лесных культур.

Лесные культуры закладывают между ПДТК, придерживаясь параллельности между осями проходов агрегата для посадки (посева) леса и технологическими коридорами.

В Петрозаводском государственном университете (ПетрГУ) разработан технологический процесс КОЛП, основанный на применении лункообразователей типа Л-2У для посадки леса на вырубках с любым количеством пней и каменистыми почвами [13, 24, 25].

Схема увязки параметров процесса КОЛП представлена на рисунке.

Наиболее равномерное размещение культур на пасеке достигается при максимальном количестве проходов агрегата между смежными ПДТК [13] - см. рисунок.

Таким образом, задача оптимизации для процесса КОЛП имеет следующий вид: N = P/m ^ max, E > S > SM,

где N - количество проходов лесопосадочного агрегата между смежными ПДТК; P -ширина пасеки, м; m - среднее расстояние между лентами культур, м; E - защитная зона между рядами культур в смежных проходах, м; S - шаг подготовки посадочных мест под лесные культуры, м; S M - минимальный шаг подготовки посадочных мест по характеристике лесокультурного агрегата, м.

Рисунок. Схема увязки параметров технологического процесса КОЛП: 1 - ряды посадочных мест под лесные культуры в одном проходе лесокультурного агрегата (двухрядного); 2 - заданная ось движения лесокультурного агрегата; 3 - расчетное смещение трассы движения агрегата от заданной оси; 4 - расчетное расположение крайнего ряда образуемых на пасеке лесных культур; Р - ширина пасеки, м; С - ширина ПДТК, м; Т - ширина волока для тракторной трелевки древесины, м; Е 1 - защитная зона между крайним на пасеке рядом культур и ПДТК, м; Е - защитная зона между рядами культур в смежных проходах, м; Ь - расстояние между крайними рядами культур в ленте, м; £ - шаг подготовки посадочных мест под лесные культуры, м; М - средняя арифметическая величина смещения трассы лесокультурного агрегата от заданной оси, м; 7 - среднее квадратиче-ское отклонение, м; т - среднее расстояние между лентами культур, м; т 1 - среднее расстояние между осью крайнего прохода агрегата на пасеке и ПДТК, м

Единственное решение в этом случае имеет вид:

N = -Р + .

Р2

+ 2 , (2) 4 ^

2^

где величины Р и 2 будут иметь следующие значения:

к  В  Н  [Ь + 2 •

* 1 Г\4 „ ' 1п4 ' V-"/

10 П 10  П

где к - коэффициент кратности (целое число); В - ширина захвата базового агрегата для

работ в период роста леса, м; Н - норма посадки растений, шт./га; Ь - расстояние между

крайними рядами культур в ленте, м; М - средняя арифметическая величина смещения

трассы посадочного агрегата от заданной оси, м; 7 - среднее квадратическое отклонение,

м; П - количество рядов культур, высаживаемых за один проход агрегата; Т - ширина

волока для тракторной трелевки древесины, м.

При проведении расчетов по формуле (2), округление величины N необходимо производить в меньшую сторону, т. к. в результате формальных вычислений получается предельное количество проходов лесокультурного агрегата по пасеке.

Оптимальное расстояние Вопт между ПДТК по осям определяется так:

Вопт =- 2 ^

V 2

— + щ ,

4

где величины V и щ будут иметь следующие значения:

Т + N  [Ь + 2 •

к ' к2  Н

В практике искусственного лесовосстановления чаще всего применяется посадочный материал одного типоразмера. При ручной посадке возможно использование посадочного материала двух и более типоразмеров с отбраковкой части лунок.

При разделении процесса посадки леса на механизированное приготовление лунок и выборочное (с учетом качества) использование их для размещения растений одного типоразмера, значенияр, 2 и щ будут следующими:

(1 + £/100)  к  В  Н  [Ь + 2  (М + 0-)] ,

Р =— -^---— -1-

У 104  п  К1  К2  К3 '

= к  В  Н

104  п  N  (N -1)  К,  К2  К3

Щ =-----1-2-3

к2  Н

где £ - показатель точности; К 1 - вероятность образования лунок необходимой глубины;

К 2 - вероятность образования лунок по длине рабочего хода; К 3 - коэффициент удлинения рабочего хода. Методика определения этих величин изложена в работе [25].

При разделении процесса посадки леса на механизированное приготовление лунок и выборочное (с учетом качества) использование их для размещения растений двух типоразмеров, значенияр, г и щ определяются так:

= (1 + £/100)  к  В  Нм  [Ь + 2  (М + *)] -1

104  п  К  К2  К3 ;

= к  В  Нм

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» И

W =

104  П  N  (N -1)  К  К2  К

к2  Нм

где величина К определяется по формуле:

К = (К11 - К12 +

Н

М

Ну

К12),

где К 11 - вероятность образования лунок, пригодных для посадки материалом с меньшими размерными характеристиками; К 12 - то же, для укрупненного; Н М - норма посадки для материала с меньшими размерами, шт./га; Н у - то же, для укрупненного, шт./га.

Расчет параметров процесса КОЛП с помощью предлагаемых выражений (1, 2 - 12) должен выполняться при составлении единой документации на лесосечные, лесовосстано-вительные работы и работы в период роста леса.

С целью проверки разработанных теоретических положений технологического процесса КОЛП, в природно-производственных условиях Республики Карелия (РК) были проведены экспериментальные исследования. Исследования осуществлялись в два этапа.

Первый этап - исследование возможности интеграции существующих технологических процессов лесосечных работ в процесс КОЛП.

За рабочую гипотезу было принято, что изменение расстояния между ПДТК не существенно влияет на производительность основных операций лесосечных работ - валку и трелевку леса.

Второй этап - исследование процесса посадки леса в технологическом процессе КОЛП, предполагал выполнение следующих задач:

- апробация методики моделирования процессов работы лесокультурных агрегатов на нераскорчеванных вырубках [26];

- проверка адекватности предлагаемых выражений (1, 2 - 12) для расчета параметров КОЛП реальным природно-производственным условиям.

В ходе экспериментальных исследований лесосечных работ (первый этап) изучалось влияние расстояния между ПДТК на производительность валки и трелевки леса примере систем машин «бензопила + форвардер» и «бензопила + трелевочный трактор». Исследования проводились по методике ЦНИИМЭ [27]. Объекты исследований - лесосеки в квартале № 124 Шуйско-Виданского и в квартале № 12 Пряжинского лесхоза РК [28].

За период наблюдений среднесменная производительность вальщика леса с бензопилой «Husqvarna-254» («Хускварна-254»), работавшего по сортиментной технологии,

3 3

составила: 11,6 м - при расстоянии между ПДТК 16 м; 11,7 м - при расстоянии между ПДТК 20 м; 12,1 м3 - при расстоянии между ПДТК 25 м. На подборке и трелевке

сортиментов форвардер «Timberjack-1010» («Тимберджек-1010») совершал 4 рейса в смену с нагрузкой в среднем 10,5 м3, независимо от расстояния между ПДТК. Продолжительность смены - 8 часов. Средний объем хлыста - 0,22 м3; среднее расстояние трелевки сортиментов - 70 м.

Среднесменная производительность вальщика леса с бензопилой «Husqvarna-257» («Хускварна-257»), работавшего по хлыстовой технологии, составила: 73,5 м3 - при расстоянии между ПДТК 18 м; 75,5 м3 - при расстоянии между ПДТК 16 м. Среднесменная производительность трелевочного трактора ТДТ-55А-13 составила: 72,5

33

м - при расстоянии между волоками 18 м; 69,7 м - при расстоянии между волоками 16 м. Продолжительность смены - 8 часов. Средний объем хлыста - 0,4 м3; среднее расстояние трелевки - 70 м.

Таким образом, установлено, что изменение расстояния между ПДТК в процессе КОЛП в пределах 16 - 25 м не существенно влияет на производительность основных операций лесосечных работ - валку и трелевку леса - по сравнению с другими природно-производственными факторами.

Следовательно, при определении оптимального расстояния между ПДТК по формулам (1,2 - 12) не требуется вводить ограничения по производительности основных операций лесосечных работ.

Второй этап эксперимента - исследование механизированного лесовосстановления с применением лункообразователя Л-2У в технологическом процессе КОЛП - проводился на вырубке в квартале № 12 Пряжинского лесхоза [28]. В основу исследования была положена методика ПетрГУ моделирования процессов работы лесокультурных агрегатов на вырубках [26].

Перед началом посадки леса была проведена лесокультурная оценка вырубки как объекта для механизированного лесовосстановления. На основе полевых материалов было произведено камеральное моделирование траекторий движения лесокультурного агрегата по поверхности вырубки с прогнозированием качества его работы. Моделирование проводилось с помощью разработанной в ПетрГУ программы «Исследование вырубки» для компьютеров типа IBM PC. Данные моделирования использовались для обоснования рациональной схемы движения агрегата по вырубке - см. выражения (1,2 - 12). Расчеты показали, что при посадке сеянцев на участке с расстоянием между ПДТК 18 м оптимальное количество проходов лесокультурного агрегата - 4, а на участке с расстоянием между ПДТК 16 м - 3.

Затем на вырубке было проведена посадки леса с применением лесокультурного агрегата в составе трактора МТЗ-82 и лункообразователя Л-2У. Посадочный материал -

сеянцы сосны и ели.

Полученные полевые данные были обработаны с помощью программы «Исследование вырубки». Установлено, что расхождение между смоделированными и реальными траекториями движения лесокультурного агрегата по вырубке составило 7,7... 12,5 %, что подтверждает достоверность выражений (1, 2 - 12), рекомендуемых для расчета параметров процесса КОЛП.

Таким образом, выражения (1, 2 - 12), могут использоваться для расчета оптимальных параметров процесса КОЛП.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют сделать вывод о том, что:

1. Технологический процесс КОЛП позволяет эффективно сочетать интересы лесоэксплуатации и лесовосстановления.

2. Реализация процесса КОЛП возможна путем организации сети ПДТК.

3. Разработанные выражения (1, 2 - 12) позволяют определять оптимальные параметры процесса КОЛП.

4. Изменение расстояния между ПДТК в пределах 16 - 25 м не оказывает существенного влияния на производительность лесосечных работ.

5. Расхождение между теоретическими и экспериментальными результатами при моделировании движения лесокультурного агрегата по поверхности вырубки не превысило 12,5 %, что подтверждает достоверность разработанных положений.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Голуб А. А. Экономика природных ресурсов / А. А. Голуб, Е. Б. Струкова. - М.: Аспект Пресс, 1998. - 320 с.

2. Морозов Г. Ф. Учение о лесе / Г. Ф. Морозов. - М.: Гослесбумиздат, 1949. - 456 с.

3. Лесной кодекс Российской Федерации / ФСЛХ РФ. - М.: ВНИИЦлесресурс, 1997. - 68 с.

4. Бурдин Н. А. Лесопромышленный комплекс: состояние, проблемы, перспективы / Н. А. Бурдин, В. М. Шлыков, В. А. Егорнов, В. В. Саханов. - Мытищи: Изд-во МГУЛ, 2000. - 473 с.

5. Беляков А. Лес рубят. Куда деньги летят? / А. Беляков // Лесная газета. - 2003. -20 мая.

6. Виногоров Г. К. Очистка лесосек в современном аспекте / Г. К. Виногоров // Проблемы технологии и механизации лесосечных работ: Научн. труды. - Химки: ЦНИИМЭ,

1969. - № 96. - С. 3 - 58.

7. Кочегаров В. Г. Технология и машины лесосечных работ: Учеб. для вузов / В. Г. Кочегаров, Ю. А. Бит, В. Н. Меньшиков. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 392 с.

8. Шубин В. И. Экономика искусственного восстановления лесов Европейского Севера / В. И. Шубин, А. А. Шужмов, В. И. Сибирцева. - Петрозаводск: Карелия, 1973. - 136 с.

9. Лесное законодательство Российской Федерации: Сборник нормативных правовых актов / ФСЛХ РФ. - М.: ПАИМС, 1998. - 576 с.

10. Иевинь И. К. Проблемы технологии рубок ухода / И. К. Иевинь, А. Ф. Кажелка. - Рига: Зинатне, 1973. - 295 с.

11. Меньшиков В. Н. Основы технологии заготовки леса с сохранением и воспроизводством природной среды / В. Н. Меньшиков. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1987. - 220 с.

12. Меньшиков В. Н. Системный подход при поиске оптимальных вариантов комплексного освоения лесных массивов / В. Н. Меньшиков // Лес, окружающая среда и новые технологии в Северной Европе: Докл. международн. конф. 20 - 23 сентября 1993 г. -Йоэнсуу: Изд-во ун-та Йоэнсуу, 1994. - С. 299.

13. Цыпук А. М. Повышение эффективности лесовосстановительных работ ресурсосберегающей технологией: Автореф. дис... д-ра техн. наук / А. М. Цыпук; Петрозав. гос. ун-т. - Петрозаводск, 1996. - 32 с.

14. Ширнин Ю. А. Технология разработки лесосек с использованием машин для трелевки сортиментов / Ю. А. Ширнин, Рукомойников К. П. // Лесной журнал. - 2002. - № 3. - С. 50 - 57.

15. Луотонен Х. Лесное хозяйство и охрана природы в Северной Карелии / Х. Луо-тонен, М. Ахтиайнен // Лес, окружающая среда и новые технологии в Северной Европе: Докл. международн. конф. 20 - 23 сентября 1993 г. - Йоэнсуу: Изд-во ун-та Йоэнсуу, 1994. - С. 371 - 372.

16. Рукомойников К. П. Совершенствование технологии лесосечно-лесовосстановительных работ с использованием форвардера: Автореф. дис. канд. техн. наук / К. П. Рукомойников; Марийск. гос. техн. ун-т. - Йошкар-Ола, 2002. - 20 с.

17. Цыпук А. М. Объектная концепция лесной технологии / А. М. Цыпук // Региональные проблемы развития лесного комплекса: Тез. докл. республ. научн.-практ. конф. 16 января 1998 г. - Петрозаводск: КарНИИЛП, 1998. - С. 8 - 9.

18. Герасимов Ю. Ю. Лесосечные машины для рубок ухода: компьютерная система принятия решений / Ю. Ю. Герасимов, В. С. Сюнев. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 1998. - 236 с.

19. Система машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1986 - 1995 гг.: В 4 ч. / Под ред. Г. А. Ларюхина. - М.: Изд-во АгроНИИТЭИ-ИТО, 1988. - Ч. 4: Лесное хозяйство и защитное лесоразведение. - 210 с.

20. Направления развития технологий лесозаготовок в Карелии / К. К. Демин, П. Е. Мощевикин., И. А. Васильев, И. Р. Шегельман // Региональные проблемы развития лесного комплекса: Тез. докл. республ. научн.-практ. конф. 16 января 1998 г. - Петрозаводск: КарНИИЛП, 1998. - С. 4 - 6.

21. Рукомойников К. П. Грейферное приспособление для захвата сортиментов и пересадки подроста / К. П. Рукомойников, А. Л. Пахмутов, Ямуков Д. Ю. // Сб. трудов Мар-ГТУ. - вып. 9. - Йошкар-Ола, 2001. - С. 269 - 271.

22. Попиков П. И. Рабочие процессы лесохозяйственных машин с гидроприводом: Автореф. дис... д-ра техн. наук / П. И. Попиков; Воронежск. гос. лесотехн. акад. - Воронеж, 2001. - 36 с.

23. Залегаллер Б. Г. Технология работ на лесных складах. - М.: Лесн. пром-сть, 1980. - 231 с.

24. Цыпук А. М. Оптимизация параметров комплексного освоения лесной площади / А. М. Цыпук, А. В. Родионов // Вестник Центрально-Черноземного регионального отделения наук о лесе Академии естественных наук. - Воронеж: ВГЛТА, 1999. - вып. 2. - С. 40 - 47.

25. Родионов А. В. Рекомендации по применению технологии комплексного освоения лесной площади / А. В. Родионов; Петрозав. гос. ун-т. - Петрозаводск, 2002. - 33 с. - Деп. в ВИНИТИ 29.07.2002, № 1421-В2002.

26. Цыпук А. М. Моделирование процессов работы лесокультурных агрегатов на нераскорчеванных вырубках: Учеб. пособие / А. М Цыпук. - Петрозаводск: Изд-во Петр-ГУ, 1997. - 44 с.

27. Основные методические положения по нормированию труда рабочих на лесозаготовках / Отдел научно-технических изданий, ЦНИИМЭ. - Химки, 1984. - 220 с.

28. Родионов А. В. Экспериментальные исследования комплексного освоения лесной площади / А. В. Родионов, Р. А. Силин, А. М. Цыпук // Совершенствование техники, технологии и организации лесопромышленных производств: Тез. докл. 2-й научн.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и соискателей лесного комплекса Республики Карелия 11 - 13 сентября 2000 г. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2000. - С. 24 - 25.