Обоснование оптимальных параметров комплексного освоения лесной площади (на примере Республики Карелия)

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ ЛЕСНОЙ ПЛОЩАДИ (НА ПРИМЕРЕ РЕСПУБЛИКИ

КАРЕЛИЯ)

А.В. РОДИОНОВ, ст. преподаватель каф. механизации сельскохозяйственного производства ПетрГУ, канд. техн. наук

Идея профессора Г.Ф. Морозова о том, что рубки и восстановление леса - синонимы [1], предполагает установление связей между технологическими процессами лесосечных и лесовосстановительных работ.

В современных условиях лесосечные работы являются определяющими в процессе лесозаготовок, поскольку в процессе этих работ происходит переход права собственности на древесину от государства к пред-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2006

29

принимателю (лесопользователю). Выполнение лесовосстановления также возлагается на предпринимателя [2].

Общим для лесосечных и лесовосста-новительных работ является то, что они выполняются на одной площади и одним лесопользователем. Это создает для лесопользователя мощный стимул к поиску взаимосвязей между технологическими процессами лесосечных и лесовосстановительных работ с целью снижения общих затрат на освоение участков лесного фонда.

Работы на лесной площади осложнена тем, что в технологических процессах на лесной площади задействованы различные виды сырья и полуфабрикатов, значительно отличающиеся друг от друга по размерным характеристикам - растущие деревья при проведении рубок леса, сеянцы или саженцы при посадке леса и т. д. Этапы смещены во времени из-за протекания естественных биологических процессов. Систематизация различных работ в едином технологическом процессе

комплексного освоения лесной площади (КОЛП) возможна на основе создания сети постоянно действующих технологических коридоров (ПДТК), которые впервые предложил профессор И.К. Иевинь для проведения рубок ухода [3, 4].

В процессе КОЛП все работы на лесной площади делятся на 6 этапов: подготовка лесной площади к освоению; строительство дорог; лесосечные работы; лесовосста-новительные работы; работы в период роста леса; формирование спелых насаждений хозяйственно ценных пород [4].

Разработка и разметка в натуре оптимальной схемы размещения ПДТК проводится на 1-м этапе освоения площади, при этом расстояние между ПДТК по осям устанавливают кратным ширине захвата агрегата, который предполагается в качестве базового для работ в период роста леса (16-25 м - для современных и перспективных мани-пуляторных машин для лесосечных работ и работ в период роста леса).

Рис. 1. Параметры процесса КОЛП: 1 - ряды посадочных мест под лесные культуры в одном проходе агрегата; 2 - ось движения двухрядного 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; В - расстояние между ПДТК по осям, м; т - среднее расстояние между лентами культур, м; т 1 - среднее расстояние между осью крайнего прохода агрегата на пасеке и ПДТК, м; Т - ширина волока для тракторной трелевки древесины, 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 оси движения, м; а - среднее квадратическое отклонение, м; Е - защитная зона между рядами культур в смежных проходах, м; Е 1 - защитная зона между крайним на пасеке рядом культур и ПДТК, м

ПДТК формируют на 3-м этапе процесса КОЛП при проведении лесосечных работ. Лесные культуры закладывают только на пасеках, придерживаясь параллельности между осями проходов лесокультурного агрегата и ПДТК.

Технологический процесс КОЛП позволяет сохранять жизнеспособный подрост при проведении лесозаготовок за счет организации движения лесосечных машин только по ПДТК, исключает затраты на разметку коридоров для движения машин по площади в период лесовыращивания (уход за насаждениями, заготовка второстепенных лесных ресурсов). При искусственном лесовосстановлении процесс КОЛП уменьшает затраты на дополнение культур, т. к. после их закладки движение машин по пасекам исключается [4].

Схема технологического процесса КОЛП, основанного на применении существующих и перспективных посадочных и посевных машин, осуществляющих дискретную или поверхностную обработку почвы в среде препятствий на вырубках (типа лункообразо-вателей Л-2У, покровосдирателей ПДН-1, ПДН-2, лункоделателей-сеялок ПЛС-2 и др.), показана на рис. 1.

Машины, осуществляющие дискретную или поверхностную обработку почвы и работоспособные в среде препятствий на вырубках при количестве пней свыше 600 шт./га, позволяют исключить такие энергоемкие операции, как корчевка и расчистка, плужная обработка почвы, и таким образом обеспечивают сбережение ресурсов и сохранение лесной среды [4].

Величина Т (рис. 1), согласно «Правилам по охране труда» [5], должна быть не менее 5 м. Величина Ь определяется технической характеристикой лесокультурного агрегата и для двухрядных машин близка к ширине колеи трактора. Величины М и а определяются специальными исследованиями вырубок [6]. Остальные параметры процесса КОЛП подлежат расчету.

Наиболее равномерное размещение культур на пасеке достигается при максимальном числе проходов агрегата между смежными ПДТК [6, 7]

N = P/m ^max, E > S > SM , m > b + E, (1) где N - количество проходов лесокультурного агрегата между смежными ПДТК;

S M - минимальный шаг подготовки посадочных мест по характеристике лесокультурного агрегата, м. Наиболее равномерное размещение лесных культур на пасеке будет при соблюдении условия

E = S.

Единственное оптимальное решение в этом случае имеет вид

N =-Р+JP-+ z,

2 V 4

где величины Р, z имеют следующие значе ния

к • B • H • [b + 2 • (M + а)]

Р =

z =

104 • n к • B • H •

104 • n '

-1;

где к - коэффициент кратности расстояния между ПДТК по осям и шириной захвата манипуляторного агрегата для работ в период лесовыращивания (целое число). Для лесосечных машин с шириной захвата, близкой к ширине захвата агрегатов, которые будут применяться в период роста леса, принимают к = 1; Н - норма посадки растений, шт./га; п - число рядов лесных культур, высаживаемых за один проход агрегата по пасеке.

Оптимальное расстояние В между ПДТК по осям определяется так

D v v

B = — + J— + w,

где величины v, w имеют следующие значе ния

v = T + N • [b + 2 •

w =

к2 • H

По сравнению с полностью механизированной посадкой применение лункооб-разователей (типа ПЛС-2, ЯЛ-1,3, ЯС-2, Л-2У и др.) позволяет готовить посадочные

места под лесные культуры с избытком и отбраковывать негодные по показателям качества в процессе ручной посадки растений в подготовленные машиной лунки. В этом случае решение задачи (1) также будет иметь вид (3, 5), но значенияр, 2 и н будут (1 + 4/100) • к • В • Н • [Ь + 2 • (М + а)] ^

Р =

104 • n • K1 • K2 • K3

z =

w =

к • B • H • (к • B - T) • (1 + //100) ;

104- n • K • K2 • K3 ' 104 • n • N • (N -1) • K • K2 • K3 к2 • H • (1 + //100) '

где К1 - вероятность образования посадочных мест необходимой глубины;

К2 - вероятность образования посадочных мест по длине рабочего хода;

К3 - коэффициент удлинения рабочего хода;

4 - относительная погрешность эмпирического определения показателей К1, К2 и К3, %.

Лункообразователи позволяют осуществлять комбинированную посадку леса посадочным материалом двух и более типоразмеров, что снижает затраты труда при посадке. Для двух типоразмеров решение задачи (1) будет иметь вид (3, 5), но значения р, г и н будут

(1 + 4/100) • к • В • Нм • [Ь + 2 • (М + а)] ^

Р=

104 • n • K • K2 • K3

z =

к • B • HM •

104 • n • K • K2 • K3

104 • п • N • (#-1) • К • К2 • К3

н =---—-2—3,

к • Нм • (1+4100) ''

где К - коэффициент комбинирования, его величина определяется так

H

К = (KU - K12 +—M • K!2),

H Y

где К11 - вероятность образования посадочных мест, пригодных для посадки материалом с меньшими размерными характеристиками;

К12 - то же, для укрупненного;

Нм - норма посадки для материала с меньшими размерами, шт./га;

Ну - то же, для укрупненного, шт./га.

Необходимые расчеты параметров размещения лесных культур по приведенной методике должны быть выполнены на 1-м этапе процесса КОЛП, при составлении единой документации на лесосечные работы и лесовосстановление.

Пример

Определить оптимальное число проходов по пасеке двухрядного лункообразо-вателя Л-2 в агрегате с трактором МТЗ-82 в условиях сосняка-черничника, если норма посадки сеянцев составляет 4000 шт./га, длина корневой системы сеянцев не превышает 15 см, шаг подготовки лунок равен 0,74 м, расстояние между волоками - 20 м.

Решение

Для расчетов воспользуемся формулами (3, 7).

По данным [6], значения коэффициентов К1, К2, К3, М, а и для ельника-черничника составляют 0,655; 0,95; 1,01; 0,155 и 0,517 соответственно. Показатель 4 принимаем равным 5 %.

Расстояние Ь между рядами лунок для двухрядного лункообразователя Л-2 составляет 1,4 м [4]. Величину Т принимаем равной 5 м [5]. При условии, что в период роста леса будут применяться манипуляторные агрегаты, близкие к тем, что использовались на лесосечных работах, принимаем к = 1.

Подставляем найденные величины в формулы

(1 + 5/100) -1 • 20 • 4000 х

х [1,4 + 2 • (0,155 + 0,517)]

Р = -

--1 = 17,34;

z =

10- 2 • 0,655 • 0,95 • 1,01 1 • 20 • 4000 •

104 2 • 0,655 • 0,95 • 1,01

= 100,24;

n =-1734+

17,342

+100,24 =

2 V 4 = 4,58 « 4 прохода.

Следует заметить, что при проведении расчетов по формуле (3) округление величины N необходимо производить в меньшую сторону. Это объясняется тем, что в результате формальных вычислений получается предельное количество проходов лесо-культурного агрегата по пасеке.

Одной из практических задач применения процесса КОЛП является экономия времени на расчет параметров сети технологических коридоров. С целью автоматизации этих вычислений в ПетрГУ подготовлена программная разработка «КОЛП: Расчет параметров» (рис. 2).

Разработка позволяет в интерактивном режиме (т. е. при непосредственном участии пользователя ЭВМ) производить расчеты по формулам (1, 2-9) на ЭВМ типа IBM PC в «Microsoft Excel». Рабочие листы программной разработки «КОЛП: Расчет параметров» и их назначение представлены в табл. 1 [8].

т

I Правка Вид Вставка Формат Сервис Данные Окн

|||Дма1 Cyr Е 10 - Ж к ч к я ж ш | щ % , tii Л Л is _-•!»- А .

Н23 Ч =

А В | С D Е F G Н I 1 J К L М N О —

2 Расчет числа проходов песо культурного лгреглта по пасеке при посадке леса маломе >ным посадочным материалом {МПМ)

3 4 Исходны а данные для расч

5 Показатель точности е % 5

6 Кратность расстояния между ПДТК и шириной захвата базового агрегата А 1

7 Ширина захвата базового агрегата В м 20

8 Норма посадки растений МПМ ИМ шт./га 4000

9 Расстояние между крайними рядами культур в ленте b и 1.4

10 Величина смещения лесокультурного агрегата от заданной оси м m 0,155

11 Ср. кв. отклонение смещения лесокультурного агрегата от заданной оси s м 0,517

12 Число рядов культур, высаживаемых за один проход п 2

13 Вероятность образования лунок необходимой глубины К11 0,655

14 Вероятность образования лунок по длине рабочего ода К2 0,95

15 Коэффициент удлинения рабоч ГО :!0ДЭ КЗ 1,01

16 Ширина волока для тракторной трелевки древеснны т м 5

17

18 19 Число проходов песокульту неге агрегата по пасеке:

2U 21 N =--+,/—+ г 2 14

4.57 проходов N необходимо округлить ДО ЦЕЛОГО ЧИСЛА В МЕНЬШУЮ СТОРОНУ!

22

24 25 где

(\ + ejlWyk-B-HM-[b + 2-(M+s)] , р ~ 17,34

26

27 28 29 30 10

к- В-НМ- (к-В-Т)-(1+е/100) 2. = 100,24

31

32 33

Н\ Число проходов для МПМ / Число проходов для УПМ / Число проходов для МПМ+УПМ / I мГ

Microsoft Excel - kolp...

ЭВМЖзв'бвН« ;

Рис. 2. Окно программы «КОЛП: Расчет параметров»

Таблица 1

Рабочие листы программы «КОЛП: Расчет параметров»

Имя листа Назначение листа

«Число проходов для МПМ» Расчет количества проходов лесокультурного агрегата по пасеке при посадке леса маломерным посадочным материалом (МПМ) - сеянцами с ОКС или ЗКС

«Число проходов для УПМ» Расчет количества проходов лесокультурного агрегата по пасеке при посадке леса укрупненным посадочным материалом (УПМ) - саженцами или сеянцами, выращенными без перешколивания, с ОКС

«Число проходов для МПМ + УПМ» Расчет количества проходов лесокультурного агрегата по пасеке при комбинированной посадке леса посадочным материалом двух сортов

«Расстояние между ПДТК для УПМ» Расчет расстояния между ПДТК при посадке леса УПМ

«Расстояние между ПДТК

«Расстояние между ПДТК для МПМ» Расчет расстояния между ПДТК при посадке леса МПМ

«МТЗ-82 + Л-2У в почве» Данные о надежности работы технологической системы в составе трактора МТЗ-82 и лункообразователя Л-2У при образовании лунок в почве

«МТЗ-82 + Л-2У на почве» Данные о надежности работы технологической системы в составе трактора МТЗ-82 и лункообразователя Л-2У на поверхности вырубки

Рис. 3. Лункообразователь Л-2У в агрегате с трактором МТЗ-82

Рис. 4. Виды посадочного материала, применяемого в Республике Карелия: а - саженцы ели с ОКС; б - сеянцы ели с ОКС; в - сеянцы ели с ЗКС; г - сеянцы сосны с ОКС

Указанная программная разработка была использована автором для расчета параметров процесса КОЛП, предполагающего посадку лесных культур с использованием лунко-образователей типа Л-2У (рис. 3) как перспективных машин для лесовосстановления на вырубках в условиях Республики Карелия.

В качестве посадочного материала (рис. 4) в Карелии применяются сеянцы с открытой или закрытой корневой системой

(ОКС или ЗКС) ели и сосны обыкновенной. Находит применение укрупненный посадочный материал с ОКС - саженцы и сеянцы, выращенные без пересадки в школьное отделение питомника в течение 3-5 лет с подрезкой корней и прореживанием [9].

Лункообразователи типа Л-2У обеспечивают приготовление посадочных мест как для сеянцев с ОКС или ЗКС, так и для укрупненного посадочного материала с ОКС [4].

Исходные данные для проведения расчетов:

1) лесокультурный агрегат - МТЗ-82 + Л-2У;

2) норма посадки сеянцев с ОКС или ЗКС - 4000 шт./га [9];

3) норма посадки саженцев с ОКС -2800 шт./га [9];

4) ширина захвата агрегата для работ в период роста леса - 10-30 м;

5) кратность расстояния между ПДТК и шириной захвата агрегата для работ в период роста леса, к = 1;

6) ширина трелевочного волока, Т = 5 м [5].

Результаты расчетов параметров процесса КОЛП по формулам (1, 2-9) для типичных вырубок Республики Карелия с использованием программы «КОЛП: Расчет параметров» представлены на рис. 5 и 6.

Из номограмм на рис. 5 и 6 видно, что количество проходов лесокультурного агрегата по пасеке возрастает при увеличении расстояния между ПДТК по осям. При этом, в связи с необходимостью округления числа проходов до целого числа, можно выделить диапазоны расстояний между ПДТК по осям, для которых вычисленное оптимальное число проходов будет одинаковым.

Следует заметить, что с увеличением степени влажности лесной почвы (от сосня-

ка-брусничника к ельнику-долгомошнику) уменьшается оптимальное число проходов, которое лесокультурный агрегат может совершить по пасеке при прочих равных условиях (рис. 5 и 6).

Это объясняется тем, что во влажных типах леса средняя арифметическая величина смещения трассы лесокультурного агрегата от заданного направления движения из-за препятствий на поверхности вырубки выше [6], что вынуждает сокращать число проходов агрегата по пасеке, чтобы избежать уменьшения защитных зон между рядами культур в смежных проходах из-за маневрирования агрегата.

По данным [6], почвы во влажных типах леса образуют более благоприятную среду для подготовки качественных лунок, что иллюстрирует рис. 5: для размещения одинакового количества растений на вырубке из-под ельника-долгомошника требуется меньше проходов лесокультурного агрегата по пасеке, чем на вырубке из-под сосняка-брусничника при прочих равных условиях.

Из рис. 5 и 6 видно, что для практических целей в типичных природно-производственных условиях Республики Карелия количество проходов лункообразова-телей типа Л-2У или расстояние между трелевочными волоками (ПДТК) можно принимать по данным табл. 2.

40

2 35 У

н 30 «

С 25

Г5

и 20

г

¡15

X §10

8 с

^ 5 0

о- сосняк-черничник сосняк-брусничник " ельник-черничник -к- ельник-долгомошник *- березняк-черничник -1-1-

-

1 2 3 4 5 6 7 Число проходов лесокультурного агрегата по пасеке

а

1 2 3 4 5 6 7 8 Число проходов лесокультурного агрегата по пасеке

б

Рис. 5. Зависимость расстояния между ПДТК от числа проходов лункообразователя типа Л-2У по пасеке: а - при посадке сеянцами; б - при посадке саженцами

с

2 6 3

Й 5 &

9 3

^ 1

о 1 Я

10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 Расстояние между ПДТК по осям, м

30

I 6

& 5

С

ей 4 О ^

ч

О о

И 3

о

л

И 2

о

§ 1 я

10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 Расстояние между ПДТК по осям, м

б

27,5

30

Рис. 6. Зависимость числа проходов лункообразователя типа Л-2У по пасеке от расстояния между ПДТК: а - при посадке сеянцами; б - при посадке саженцами

9

9

8

8

7

7

4

0

а

Таблица 2

Количество проходов лункообразователя типа Л-2У

Количество проходов Расстояние между волоками по осям, м

3 15-18

4 18-23

5 23-25

При необходимости количество проходов лесокультурных агрегатов или расстояние между трелевочными волоками (ПДТК) может быть рассчитано по формулам (1, 2-9) - вручную либо с использованием программы «КОЛП: Расчет параметров».

В заключение следует отметить, что с сентября 2004 г. в ПетрГУ по заказу лесопромышленного холдинга ОАО «Сегежский ЦБК» начата научно-исследовательская работа по внедрению варианта технологии КОЛП, предполагающего проведение лесо-восстановления на вырубках с использованием лункообразователей типа Л-2У (рис. 3), на лесозаготовительных предприятиях этого холдинга. Предполагается, что с использованием данной технологии будет осваиваться до 10 тыс. га из участков лесного фонда, взятых ОАО «Сегежский ЦБК» в долгосрочную аренду.

Библиографический список

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

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

3. Цыпук, А.М. Технология комплексного освоения лесных площадей / А.М. Цыпук, А.Э. Эгипти, И.Р. Шегельман // Лесосечные, лесоскладские работы и транспорт леса: сб. науч. тр. - Л.: ЛТА, 1989. - С. 43-46.

4. Цыпук, А.М. Повышение эффективности лесовос-становительных работ ресурсосберегающей технологией: автореф. дис... д-ра техн. наук / А.М. Цыпук. - Петрозаводск: ПетрГУ, 1996. - 32 с.

5. Правила по охране труда в лесной, деревообрабатывающей промышленности и в лесном хозяйстве / Минлесбумпром СССР. - М.: Лесная пром-сть, 1987. - 320 с.

6. Цыпук, А.М. Моделирование процессов работы лесокультурных агрегатов на нераскорчеванных вырубках: учеб. пособие / А. М Цыпук. - Петрозаводск: ПетрГУ, 1997. - 44 с.

7. Родионов, А. В. Обоснование технологического процесса комплексного освоения лесных площадей на основе ресурсосбережения: автореф. дис. канд. техн. наук / А. В. Родионов. - Петрозаводск: ПетрГУ, 2000. - 20 с.

8. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки. Комплексное освоение лесной площади: Расчет параметров / А.В. Родионов; Министерство образования РФ; Государственный координационный центр информ. технологий; Отраслевой фонд алгоритмов и программ. -№ ОР 2771 от 7.08.2003. - № ГР 50200300760 от 15.08.2003. - Петрозаводск, 2003. - 6 с.

9. Руководство по лесовосстановлению в гослес-фонде Республики Карелия / Госкомлес РК. -Петрозаводск: Изд-во КарНЦ РАН, 1995. - 85 с.