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. (2)
Единственное оптимальное решение в этом случае имеет вид
N =-Р+JP-+ z,
(3)
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 • (к • B - T)
104 • n '
-1;
(4)
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,
(5)
где величины v, w имеют следующие значе ния
v = T + N • [b + 2 • (M + ct)]; 104 • n • N • (N - 1)
w =
к2 • H
(6)
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) '
(7)
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 • (к • B - T) • (1 + 4/100)
104 • n • K • K2 • K3
104 • п • N • (#-1) • К • К2 • К3
н =---—-2—3, (8)
к • Нм • (1+4100) ''
где К - коэффициент комбинирования, его величина определяется так
H
К = (KU - K12 +—M • K!2),
H Y
(9)
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 (3, 7)
(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 • (120 - 5) • (1 + 5/100)
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
l-|g|x|
I Правка Вид Вставка Формат Сервис Данные Окн
||□ СЁц х %е ' • |Ф | £ Si Si | Й S ® | "V* - I э
|||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...
I INUM |
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 (МПМ и УПМ)
«Расстояние между ПДТК для УПМ» Расчет расстояния между ПДТК при посадке леса УПМ
«Расстояние между ПДТК (МПМ + УПМ)» Расчет расстояния между ПДТК при комбинированной посадке леса (МПМ и УПМ)
«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.