СПОСОБ ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ДУБА ЧЕРЕШЧАТОГО В ГОРОДСКОЙ СРЕДЕ
METHOD FOR ESTIMATING THE MECHANICAL STABILITY OF COMMON OAK IN AN URBAN ENVIRONMENT

Изобретение относится к мониторингу экосистем методами биоиндикации и может быть использовано для оценки состояния растительного организма в ответ на действие природно-климатических факторов в условиях городской среды. Использование в качестве критерия механической устойчивости показателя d/l на примере деревьев Quercus robur L. позволяет оценить их механическую устойчивость на различных территориях городских насаждений (в условиях высокой и низкой антропогенной нагрузки). Заявляемое изобретение направлено на ускорение методики оценки (quick-test) механической устойчивости древесных растений.
При оценке древесных насаждений, в настоящее время, практикуется использование современной системы контроля их состояния инструментальным методом и прямым испытанием биомеханических свойств дерева - «Pulling test» (Румянцев Д.Е. Выявление аварийных деревьев в урбанизированной среде: проблемы и перспективы // Дендрология и уход за деревьями в урбанизированной среде. [Электронный ресурс]. URL: http://econf.rae.ru/article/9122). Для инструментальной методики используют комплекс аппаратуры акустической ультразвуковой томографии «Арботом 2 и 3D», а также специализированного прибора «Резистограф» со специализированным программным обеспечением (resistograph.ru). Достоинствами данной методики является быстрое получение данных о внутреннем состоянии деревьев - выявление расположения и объемов скрытых гнилей, зон распада и внутренних стволовых трещин (Пальчиков С.Б., Анциферов А. В. Оценка состояния деревьев, пораженных ксилотрофными грибами, с помощью приборов Resistograph и Arbotom // Евразийский Союз Ученых. 2016. №4-4 (25). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-sostaniya-dereviev-porazhennyh-kcilotrofnymi-gribami-s-pomoschyu-priborov-resistograph-i-arbotom (дата обращения: 22.11.2020). Диагностирование ствола дерева с помощью, например, прибора Резистографа, позволяет выявить опасные, неустойчивые деревья и вовремя удалить их. Недостатком таких исследований является отсутствие данных по оценке механической устойчивости скелетных ветвей (кроны) дерева. В свою очередь, наиболее опасные части дерева, которые подвержены обломам во время сильных ветровых нагрузок - это как раз скелетные ветви. Поэтому целесообразным и актуальным является подбор методики для оценки скелетных ветвей. Также недостатком метода является дороговизна приборов и время для исследования.
)
Также существует метод оценки стволовой гнили ствола дерева путем взятия керна приростным буром (бурав Пресслера) (Румянцев Д.Е. Выявление аварийных деревьев в урбанизированной среде: проблемы и перспективы // Дендрология и уход за деревьями в урбанизированной среде. [Электронный ресурс]. URL: http://econf.rae.ru/article/9122. Метод является более доступным в финансовом плане, однако является дополнительным при комплексной оценке состояния дерева (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.). Обязательным в данном методе является дополнительное изучение: возраста растения, его морфометрических параметров (d и / исследуемых частей растения), угла наклона ствола, балла жизненного состояния по Савельевой, морфологических повреждений ствола, наличия морфогенетических и экзогенных повреждений листовой пластинки, заселенности ствола вредителями, наличия дупел, ветровой особенности и нагруженности данного участка местности, режима посещения территории (рекреационная нагрузка), направления возможного падения, длины участка здоровой древесины на керне, процента ядровой гнили, а также теоретически рассчитанной механической устойчивости дерева к статическим и динамическим нагрузкам. Недостатком метода является время эксперимента и квалификация специалиста, который будет выполнять данные операции.
сг
Оценка механической устойчивости деревьев вида рода Quercus L. была предпринята в некоторых работах (Корниенко В.О., Нецветов М.В. Влияние отрицательных температур на механическую устойчивость дуба красного (Quercus Rubra L.). / В.О. Корниенко, М.В. Нецветов // Промышленная ботаника. - 2013. - Вып. 13. - С. 180-186; Корниенко В.О. Экологическое значение биомеханических свойств Quercus robur L. и Quercus rubra L. в городских насаждениях / Корниенко В.О. // Актуальные вопросы биологической физики и химии. - 2017. - Т. 2. №1. - С. 37-40.). Для дуба красного была оценена устойчивость растений к температурным явлениям. Установлено, что наиболее подвержены обломам те деревья, у которых значения высоты (Н) приближенны к критически допустимым (Н), а также минимальным значением диаметра ствола (d). Критическим фактором при деформации или облому ствола является циклические изменения температуры и как следствие модуля упругости. Недостатком работы, является отсутствие данных по изменению архитектоники кроны при таких процессах, а также вывода коэффициента d/l, как морфометрического маркера. В работе по оценке биомеханических свойств Quercus robur L. и Quercus rubra L. в городских насаждениях (Корниенко В.О. Экологическое значение биомеханических свойств Quercus robur L. и Quercus rubra L. в городских насаждениях / Корниенко В.О. // Актуальные вопросы биологической физики и химии. - 2017. - Т. 2. №1. - С. 37-40.) также получены данные по вариации модуля упругости и механической устойчивости деревьев при температурных явлениях. Установлено, что в первую очередь подвержены деформациям и обломам деревья с минимальным отношением диаметра ствола к его высоте. Риску деформации или облому под действием собственного веса подвержен подрост дубов с высотой ствола более 2 м и наиболее тонкие угнетенные взрослые растения. Недостатком работы является отсутствие методики исследования механической устойчивости ствола дерева, а также связи параметров устойчивости с морфометрическим коэффициентом d/l.
Наиболее близким к заявляемому изобретению - прототипом 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 дуба черешчатого.
Технический результат настоящего изобретения заключается в экспрессной оценке аварийности и механической устойчивости кроны (скелетных ветвей) дуба черешчатого, на различных территориях городских насаждений в условиях высокой и низкой антропогенной нагрузки.
Технический результат в способе оценки механической устойчивости дуба черешчатого в городской среде достигается следующим путем. Проводят измерение диаметра основания скелетной ветви у дуба черешчатого с помощью штангенциркуля, далее проводят измерение длины скелетной ветви с помощью рулетки. Затем производится вычисление отношения d/l (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.
Нами установлена регрессионная зависимость между параметрами механической устойчивости и аллометрическим отношением диаметра к длине исследуемой ветви.
cr
2
2
Так между параметром критической массы (m) и d/l коэффициент детерминации Rдля ветвей дуба черешчатого, которые подверглись необратимой деформации под действием природно-климатических факторов, имеет высокое значение 0,78 (фиг. 2). Для скелетных ветвей, которые имеют строго вертикальное или горизонтальное направление роста коэффициент детерминации R равен 0,95.
2
cr
cr
Установлено, что при коэффициенте d/l равном >>0,01 значения критической массы, для скелетных ветвей имеющих строго вертикальное или горизонтальное направление роста (norm), много больше реально действующей (фиг. 4) в условиях действия природно-климатических факторов (ветер, осадки, оледенение). Значения варьируют в пределах 11903±9458 кг. Даже порывы ветра, не наносят ущерб растениям, имеющим соотношение d/l ~0,03. Коэффициент детерминации R равен 0,98, зависимость логарифмическая. Для скелетных ветвей, подвергшихся деформации под влиянием природно-климатических факторов, соотношение d/l≤0.01, а критическая масса составляет в среднем ~20 кг. Такой эффект также проявляется на молодых деревьях или деревьях произрастающих в условиях конкуренции за свет, ствол которых имеет минимальное отношение диаметра к высоте (<0.01). Риск облома или безвозвратной деформации ствола зафиксирован для подроста Quercus robur в исследованных насаждениях - 1,22 Н (P - предельно допустимая нагрузка). Высота таких растений близка к критической (H), достигая которую дерево деформируется или обламывается под действием собственного веса.
2
Для стволов и скелетных ветвей, имеющих строго вертикальный рост при коэффициенте d/l»0.01 критическая высота растений больше 15 метров (для скелетной ветви №143), а максимально допустимая высота достигает 50 метров. Это говорит о большом запасе прочности ствола и ветвей по высоте (11903±9458 кг фиг. 2), даже при действии сезонных температур, осадков и ветровых нагрузок. Зависимость для таких деревьев носит степенной характер, коэффициент детерминации R высокий и равен 0,96.
2
Стволы дуба черешчатого (подроста) и скелетные ветви, которые подверглись необратимой деформации, имеют отношение диаметра к высоте 0,005-0,012, при этом критическая высота/длина реально достижима и составляет от 2 до 10 метров. Зависимость для таких деревьев носит степенной характер, коэффициент детерминации R высокий и равен 0,86. Для примера, рассмотрим насаждения дуба черешчатого форма пирамидальная (годы наблюдений с 2011 по 2020), где наблюдается постепенное изменение формы кроны вследствие потери упругости и действии природно-климатических факторов (фиг. 5). После воздействия статических нагрузок в виде налипания снега и наледи, углы отхождения основных скелетных ветвей составляли: ветвь №1 - участок а-б, угол отклонения 20,57 deg; б-в, угол отклонения 65,28 deg; в-г угол отклонения 98,36 deg; ветвь 2 - участок а-б, угол отклонения 20,57 deg; б-в, угол отклонения 71,09 deg; в-г угол отклонения 109,48 deg; ветвь 3 - участок а-б, угол отклонения 17,84 deg; б-в, угол отклонения 37,58 deg; в-г угол отклонения 94,81 deg. Изменение углов отхождения скелетных ветвей и трансформация архитектоники кроны в целом происходит вследствие неспособности выдерживать критическую массу, которой подвержены элементы кроны вследствие действия природно-климатических факторов. Отношение d/l≤0,01, а значения критической массы лежит в диапазоне от 1 до 27 кг. Она легко достигается при выпадении осадков в виде снега, наледи и ветровой нагрузке.
Таким образом, эффект морфологии играет большую роль в общей устойчивости кроны, а следственно коэффициент d/l является морфологическим маркером устойчивости.
Данные, полученные в результате моделирования механической устойчивости дуба черешчатого, 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 угнетенных в борьбе за свет растений.
При значении d/l≤0.01 оценивают состояние ствола дерева и его скелетных ветвей, как аварийное с низкой механической устойчивостью; при значении d/l>0.0l 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 d/l и механической устойчивости выявлена методами статистических исследований и многолетних наблюдений за состоянием древесных растений дуба черешчатого под действием природно-климатических факторов среды (фиг. 1).
Пример:
Для оценки механической устойчивости дуба черешчатого 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 городских посадок Quercus robur L., в условиях антропогенного загрязнения, в городе Донецке проводились в период 2014-2020 гг. на пересечении ул. Университетской и пр. Богдана-Хмельницкого (по бул. Пушкина) и по пр. Ильича. Всего было изучено 100 растений. На каждом дереве проводили замеры минимум 10 ветвей. Возраст деревьев ~40-45 лет, возраст скелетных ветвей >3 лет. Исследования в дендрарии ГУ «Донецкий ботанический сад», на территории с минимальной антропогенной нагрузкой, проводились в тот же период. В качестве контроля, количество растений составило 100 шт.
Проводили измерения по двум параметрам (диаметру (d) скелетных ветвей и длине (l) скелетных ветвей). Измерение диаметра основания скелетной ветви у дуба черешчатого производили с помощью штангенциркуля (для скелетных ветвей). Измерение длины проводили с помощью рулетки. Затем производили вычисление отношения d/l для установления значения полученного показателя.
cr
cr
cr
cr
1/3
2/3
Для расчета механической устойчивости использовали следующие параметры: P и m - предельно допустимая нагрузка и масса, при действии которых ствол начинает деформироваться или обламывается: , где I - момент инерции сечения, l - длина ствола, g - ускорение силы тяжести, Е - модуль упругости древесины. H - критическая высота ствола, при достижении которой действие его собственного веса привело бы к необратимой деформации или облому: H=С (Е/ρ)d, где С - коэффициент соотношения массы кроны и ствола, d - диаметр основания ствола, ρ - плотность древесины. Расчеты механических параметров и построение графиков зависимости d/l от них производили в программе «Ехсе12010» (Microsoft Corporation).
1. Произведенные замеры на территории с минимальной антропогенной нагрузкой показали, что при отношении d/l>0,0l 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 d/l<0,01 (0,009±0,001) 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).
По результатам данных полученных и представленных в таблицах (рис. 6-7) строятся графики зависимости механической устойчивости от параметра d/l. Полученные зависимости на рисунках 2-4 (фиг. 2-4) оценивают следующим образом:
cr
cr
cr
2
+1
1. При значении d/l≤0.01 состояние ствола дерева оценивали как аварийное с низкой механической устойчивостью (m=19.9±2.2 кг; m=1.94×10±2.14×10; H.63±1.98 м).
cr
cr
сг
+4
+3
+5
+4
2. При значении d/l>0.01 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 (m=1.19×10±9.46×10кг; P=1,17×10±9.27×10; Н=38.01±3.53 м).
cr
cr
cr
cr
На фиг. 1 приведена таблица: Связь состояния дерева и его механической устойчивости (m) с коэффициентом d/l, где norm - скелетные ветви имеют строго вертикальное направление роста, или строго горизонтальное; deform - деформированные, изогнутые;  - среднее арифметическое ± стандартное отклонение; на фиг. 2 показана зависимость критической массы, которую может выдержать ствол дерева или скелетная ветвь при нагрузках от отношения Log(d/l); на фиг. 3 изображена зависимость критической высоты/длины (H) ствола/скелетных ветвей от отношения d/l, где 1 - стволы и скелетные ветви имеют строго вертикальное направление роста (norm); 2 - стволы и скелетные ветви деформированные, изогнутые (deform); на фиг. 4 показана зависимость критической массы (m) от отношения d/l, где l - скелетные ветви имеют строго вертикальное или горизонтальное направление роста (norm); 2 - скелетные ветви деформированные, изогнутые (deform); областью отмечены растения, которые подверглись деформации, критическая масса составляет 19,9±2,2 кг; на фиг. 5 показано изменение в архитектонике кроны у Quercus robur L. пирамидальной формы вследствие необратимой деформации скелетных ветвей, где А - общая схема с мелкими скелетными ветвями; Б - упрощенная модель изгиба скелетных ветвей Quercus robur L. пирамидальной формы вследствие оледенения; 1, 2, 3 - порядковый номер скелетных ветвей; а, б, в, г - участки разделяющие скелетную ветвь по основным линиям изгиба; на фиг. 6. приведена таблица: Связь состояния дерева (аварийности) и его механической устойчивостью с морфометрическими параметрами дерева; на фиг. 7 приведена таблица: Связь состояния дерева (аварийности) и его критической высотой (H) с морфометрическими параметрами дерева.
Таким образом, способ оценки механической устойчивости дуба черешчатого в городской среде обеспечивает ускоренный метод оценки (quick-test) состояния ствола древесного растения и его скелетных ветвей (т.е. кроны) и позволяет применять его для специалистов, занимающихся мониторингом зеленых насаждений без финансовых затрат и дополнительных повышений квалификации.