CC BY
31
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
СИСТЕМА ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТОМ ЛЕСА В УРАЛЬСКОМ РЕГИОНЕ
И.Н. КРУЧИНИН, доц. каф. транспорта и дорожного строительства УГЛТУ, канд. техн. наук, Ю.В. ЛЕБЕДЕВ, проф. каф. земельного кадастра УГЛТУ, д-р. техн. наук,
С.И. БУЛДАКОВ, проф. каф. транспорта и дорожного строительства УГЛТУ, канд. техн. наук
В основных задачах «Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года» повышенное внимание уделяется развитию инфраструктуры в регионах реализации приоритетных инвестиционных проектов и освоению новых лесных массивов.
Одним из ключевых элементов лесного комплекса являются лесотранспортные операции, состоящие из перемещения древесины по лесосеке, а затем по сети лесовозных автомобильных дорог.
Эффективность работы лесозаготовительной отрасли определяется степенью развитости сети лесовозных дорог. Согласно распоряжению Правительства РФ от 1 ноября 2002 г. № 1540-р предусматривался ежегодный рост строительства лесовозных дорог круглогодового действия. Лесовозные автомобильные дороги, имеющие выход на магистрали общего пользования, должны в перспективе включиться в общегосударственную сеть автомобильных дорог РФ. При таком подходе лесовозные автомобильные дороги должны соответствовать требованиям государственных стандартов, установленным для дорог общего пользования.
Анализ дорожной сети Свердловской области показал, что сеть лесовозных автомобильных дорог в настоящее время находится в неудовлетворительном состоянии. Постановлением Правительства Свердловской области от 10.07.2008 г. за № 698 - ПП утвержден перечень, состоящий из 1075 автомобильных дорог общего пользования регионального значения общей протяженностью 10 839,480 км. При этом лесовозные дороги в нем отсутствуют.
Принимая во внимание, что лесные грузы в конечном итоге попадают к потребителю по дорогам общего пользования (при этом к ним относятся и подъездные пути к
погрузочным пунктам УЖД и РЖД), дорожный сетевой ресурс должен переработать весь объем заготовленной древесины.
Согласно классификации ГОСТ Р 52398-2005 «Классификация автомобильных дорог. Основные параметры и требования» и Постановлению Правительства Российской Федерации от 11 апреля 2006 г. «О некоторых вопросах, связанных с классификацией автомобильных дорог в Российской Федерации» установлены новые принципы классификации российских автомобильных дорог. В частности, лесовозная транспортная сеть попала в раздел ведомственных и частных автомобильных дорог. Появился новый термин - лесные дороги.
Лесные дороги - это дороги, расположенные на землях лесного фонда. Они предназначены для обслуживания потребности лесного хозяйства с целью обеспечения доступа органов управления лесным хозяйством и лесопользователей к конкретным лесным массивам. Лесные дороги примыкают к дорогам общего пользования, железнодорожным станциям и к нижним складам лесозаготовительных предприятий. В зависимости от назначения лесные дороги подразделяют на лесовозные - для вывозки древесины; лесохозяйственные - для обеспечения выполнения лесохозяйственных мероприятий; противопожарные - обеспечивающие маневрирование пожарно-технических средств; хозяйственные - предназначенные для транспортировки грузов хозяйственного назначения от путей общего пользования до предприятий; туристские дороги - для доступа в отдельные районы, на туристские базы, в зоны отдыха, в охотничьи хозяйства и т.д.
При этом именно лесовозные дороги имеют наибольшую грузонапряженность, интенсивность движения и, как следствие, наиболее высокие технические характеристики.
106
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
В зависимости от срока действия и количества перевозимого груза лесовозные дороги подразделяются по конструкции дорожной одежды, а по назначению - на магистрали, ветки и усы.
С экологической точки зрения любая автомобильная дорога наносит вред окружающей среде. При этом не важен тип автомобильной дороги и конструкция дорожных одежд, т.е. в равной мере экологически опасны и временные грунтовые дороги и дороги с капитальным типом покрытия, чего нельзя сказать об эффективности их использования.
Особое место в лесотранспортном процессе отводится перемещению древесины по лесосеке. Так как технологические процессы лесосечных работ рассматриваются как иерархическая система: лесосека, делянка, пасека, то основной технологической задачей становится размещение лесовозных усов, магистральных и пасечных волоков [1]. При этом как разработчики лесотранспортных машин (ЛТМ), так и эксплутационники рассматривают негативное экологическое воздействие на лесную экосистему лишь в виде определенных ограничений (нормальное давление на опорную поверхность, тип ходового устройства, колееобразование и т.д.).
Наличие в Уральском регионе лесов, относящихся по почвенно-грунтовым условиям к 3 и 4 категориям с несущей способностью около 50-70 кПа, а это составляет около 57 % всей площади, привело к тому, что их освоение возможно лишь в зимний период. При этом эколого-экономический анализ изменения ландшафтнообразующей функции снежного покрова на лесную экосистему в настоящее время не проводился.
Целью работы является создание системы рационального управления лесотранспортными процессами в Уральском регионе с учетом эколого-экономической оценки воздействия лесотранспортной сети на лесную экосистему. В общем виде структурная схема системы представлена на рис. 1.
Решение поставленной задачи основывается на системном анализе, предполагающем формирование параметров состояния (Х) и параметров управления (Y). При этом формирование системы рационального управления транспорта леса производится
с использованием многофакторного пространства, т.к. любая группа параметров в зависимости от поставленной цели может характеризовать как состояние системы, так и управление ею.
На рис. 1 представлены следующие параметры системы.
[a] -Природно-климатические условия: природные зоны; климат; почво-грунтовые условия; гидрологический режим территории; ландшафтнообразующая среда.
[b] - Природно-ресурсный потенциал лесов: лесные ресурсы; средоформирующие функции; социальные функции; биологическое разнообразие.
[c] -Стратегия развития лесного комплекса: повышение ресурсно-экологического потенциала; ежегодное освоение до 30 млн м кб.; перевод лесных дорог в дороги общего пользования; разработка импортозаменяющих ЛТМ, работающих в сложных природных условиях.
^]-Эксплутационно-ресурсный потенциал: запас древесины; характеристика древостоев; территориальное размещение ресурсного потенциала; экологическая устойчивость лесов.
[е]-Экологическое воздействие: загрязнение воздуха атмосферы; изменение гидрологического режима территории; загрязнение почв; акустическое воздействие на лесную фауну; воздействие на традиционное природопользование.
[^-Правовые акты: лесной кодекс; закон об автомобильных дорогах; целевая программа дорожных работ по Свердловской обл.; перечень действующих нормативно-технических документов Росавтодора и Минтранса.
[k] -Схема транспортного освоения: постоянно действующая транспортная сеть; временные зимние дороги; смешанная схема; сеть автомобильных дорог общего пользования; первичная лесотранспортная сеть.
[l] -Режим транспортировки леса: весь год; только в зимний период; комплексный режим; сезонность условий эксплуатации.
[т]-Системы машин: трелевочные машины; сортиментовозы повышенной проходимости; самопогружающиеся автопоезда; сортиментовозы; лесовозные автопоезда.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010
107
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Рис. 1. Система рационального управления лесотранспортными процессами
[п]-Экономические: цена, стоимость машин; затраты на транспортировку; стоимость лесных ресурсов; цена на продукцию.
Параметры состояния могут быть независимыми (лесные земли, климат, почво-грунтовые условия, гидрологические условия) так и зависимыми (производственные, характеристика дорожной сети, подвижной состав и т.д.).
Качество рационального управления транспортом леса оценивается показателями эффективности, которыми могут быть любые из параметров состояния или управления.
В общем виде задачу оптимизации можно сформулировать следующим образом: поиск для существующих параметров состояния [X] рационального управления транспортом леса оптимальных значений параметров управления [Y] с тем, чтобы ущерб лесам был минимален, или подбор параметров состояния [X] при заданном управляющем воздействии [Y].
В формализованном виде для задачи первого вида величина снижения природноресурсного потенциала лесных экосистем [2] от лесотранспортного процесса в виде целевой функции имеет вид
U = {h, k, l, m, n} ^ ext при {a, b, c, d, e, h} = const. (1)
В общем виде критерий эффективности рациональным управлением транспорта леса в векторной форме имеет вид
U = f(max D; max S; min Z) ^ ext, (2) где max D - максимум эффективности использования ресурсного потенциала леса при соблюдении заданных условий;
max S - максимальное сохранение природного потенциала леса; min Z - минимум суммарных затрат живого и овеществленного труда в сфере транспорта леса.
Критерий max D отражает увеличение расчетной лесосеки, повышение эффективности использования лесовозной транспортной сети (повышение осевой нагрузки на транспортные средства, увеличение скорости движения и т.д.), оптимизация сортиментного плана лесозаготовок, применение ЛТМ, щадящих природную среду, сокращения энергозатрат на переместительные операции.
Критерий max S отражает предотвращенный вред лесной экосистемы (лесные почво-грунты или почвопреобразующий, средоформирующий, биотопреобразующий, т.е. косвенный ущерб).
Критерий min Z отражает учет занятости трудовых ресурсов и технические условия транспортировки лесных грузов (дорожные сети, подвижной состав, лесотранспортные машины).
Оптимизация по критерию U должна выполняться на основе прогнозных расчетов развития лесного комплекса с учетом требований к сохранению лесных экосистем. В этом случае возникает компромиссное решение экономических и экологических проблем.
Рассмотрим критерии.
Критерий максимального эффективного использования ресурсного потенциала леса включает
max D = ^(max L; max T; min E) ^ ext, (3) где max L - максимальное развитие лесотранспортной сети, протяженность, качество покрытия дорог, густота сети; max T - максимальное повышение эффективности использования лесовозного подвижного состава;
min E - минимальные энергозатраты на перемещение единицы лесной продукции.
108
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Таблица
Матрица вариантов системы управления лесотранспортом
Параметры управления Y =(h, k, l, m, n) Парамет] эы состояния X = (a, b, c, d, e) Средний критерий затрат Критерий минимаксных затрат
X X Xn
Y1 (схема транспортного освоения А1, системы ЛТМ1 , режимы транспортировки Т1) Р11 Ри Р1П Р "р = (Р + + 1 v 11 +Р, )/n 1n maxP”1” = j j =minmaxP j j г
Y г (схема транспортного освоения А, системы ЛТМ. , режимы транспортировки Тг) Рг1 Р.. j Р n Р.пр = (Р.,+ ...+ j v j1 + Р ) / n jn
Y n (схема транспортного освоения А , системы n ЛТМп , режимы транспортировки ТП) РП1 р n Р nn Р пр = (Р + + 1 '-11 + Р1 ) / n 1n
Критерий максимального обеспечения благоприятных условий для лесной экосистемы выразится в виде
max S = f(max P; max S; max C), (4)
где max P - максимальное использование лесотранспортных ресурсов; max S - критерий максимального сохранения средозащитных функций леса (повреждения лесных почвогрунтов; нарушения гидрологических свойств лесной экосистемы; нарушения ландшафтообразующей функции); max C - критерий максимального поддержания социальных функций леса. Оптимизация по критерию Z выполняется на основе прогнозных расчетов развития лесного комплекса и автомобильной дорожной сети при ограничениях природно-ресурсного потенциала
min Z = f (min T; min E; max N), (5)
где min T - минимум затрат живого труда на единицу продукции, относимых на систему транспорта леса; min E - минимум затрат на создание транспортной сети;
max N - максимум занятости населения региона в производственной сфере. Однокритериальная оптимизация управлением лесотранспортными процессами разделяется на два этапа: когда наилучший ва-
риант определяется в результате применения строгих математических методов и выражается в однозначной совокупности найденных параметров; когда однозначный результат определить не удается. Как показано в работах [3], в сложных лесных экосистемах изменение критерия оптимальности при приближении к экстремуму характеризуется пологостью.
При этом возникает ситуация, когда при поиске оптимального варианта лесотранспортной операции получена зона относительно равнозначных вариантов В1, В , ..., В6 с мало отличающимися значениями критерия S, значительно отличающимися параметрами управления h, k, l, m, n (рис. 2). Неопределенность оптимальных решений обусловлена неполным знанием последствий от управленческих воздействий на лесную экосистему, неточностью и недостаточностью информации о связях между параметрами и критериями.
Для решения задач оптимизации рационального управления лесотранспортными процессами приемлемы критерии средних затрат, минимаксных затрат, минимаксного риска [4].
Составим матрицу вариантов рационального управления лесотранспортными процессами (табл. 1). В этом случае значения критериев Р будут располагаться по диагонали матрицы и иметь вид Рп, Р22, ., Р г, ., Р66, при i =j.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010
109
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Вариант управления лесотранспортом
с
а
-ч
3
<N
С
с<Г
а
ef
с<Г
с<Г
—
СП
С
СП
в
СП
4
•Ч
СП
ЙЗ
й
ЙЗ
йЗ
«п
й
u-f
в
«Г
u-f
ч
u-f
йЗ
зо
й
зо
ЙЗ
зо
йЗ
Рис. 2. Неопределенность оптимальных решений в условиях равнозначности вариантов
Затраты, усл. ед./м3
Bi B2 B3 B4 B5 Bg
Варианты
Рис. 3. Оценка критерия затрат на лесотранспортные операции в зависимости от вариантов
Затраты,
3
Рис. 4. Зависимость между критериями затрат на лесотранспортные операции и уровнем использования лесных ресурсов
Для критерия средних затрат определяются показатели по максимальному из средних критериев Р для каждой совокупности параметров
P . +P. +...+Р6. -
max(—-—1--------- )=maxP. (6)
j 6 j
В случае использования критерия минимаксных затрат выбирают вариант управления лесотранспортом, для которого худший вариант лучше, чем худший для любого другого варианта
max P-™ =minmaxp-. (7)
- 1 j i 1
Примененный критерий страхует от отрицательных последствий при самом неблагоприятном управленческом воздействии на систему транспорта леса.
В результате однокритериальной оптимизации по частным критериям max P; max S; max C определены оптимальные значения параметров управления лесотранспортом. Рациональным решениям по векторным критериям будут соответствовать промежуточные варианты между вариантами с max D; max S; min Z или max P; max S; max C.
На рис. 3 представлены оценки критериев затрат по вариантам:
В1 = (схема освоения трехступенчатая, трелевочная система - ТТ-4, автопоезд Урал-43202 с манипулятором СФ-65+ТМЗ-80, круглогодовая вывозка);
В2 = (схема освоения двухступенчатая, транспортно-трелевочная система Урал 4320 с манипулятором СФ-65 + ГКБ 9383-012 на резинометаллических гусеницах, зимняя вывозка);
В3 = (схема освоения двухступенчатая, трелевочная система - тягач +прицеп на резинометаллических гусеницах, автопоезд Урал-43202 с манипулятором СФ-65+ТМЗ-80, круглогодовая вывозка);
В4 = (схема освоения трехступенчатая, трелевочная система - форвардер, автопоезд КамАЗ-53212+ГКБ-9362, круглогодовая вывозка);
В5 = (схема освоения трехступенчатая, трелевочная система - ТТ-4, автопоезд Урал-43202+ТМЗ-80, круглогодовая вывозка);
В6 = (схема освоения трехступенчатая, трелевочная система - ТТ-4, автопоезд Урал-43202+ТМЗ-80, зимняя вывозка).
110
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010
