Повышение эффективности лесозаготовок на основе применения компьютерной системы оценки экологической совместимости машин с лесной средой

• Актуальность темы. Эффективность лесозаготовок на современном уровне развития общества в значительной мере определяется степенью влияния применяемых технологий и машин на природную среду. Сегодня.

• международная торговля древесной продукцией, лесоэксплуатация теснейшим образом увязываются с вопросами сертификации лесной продукции, важной частью которой является экологическая составляющая.

Повышение степени машинизации лесозаготовок и соответствующий рост их эффективности приводят к усилению техногенного воздействия лесозаготовительных процессов на лесную среду. При проведении рубок главного пользования это воздействие сводится к уплотнению почвы, разрушению почвенного покрова по следу движения машин с образованием колеи и частичной или полной минерализацией почвы. Последствия уплотнения и амелиорации участков колеи негативно сказываются на процессе лесовозобновления, что нарушает основополагающие принципы неистощительного использования возобновляемых природных ресурсов. Еще острее проблема взаимодействия лесных машин с почвой стоит при проведении выборочных рубок и рубок ухода за лесом. В этом случае, помимо отмеченных.

• отрицательных воздействий, движители машин перерезают корни оставляемых на доращивание деревьев вблизи технологических коридоров. Кроме того, уплотнение почвы затрудняет рост молодых корней, что отрицательно сказывается на дальнейшем развитии древостоя, вплоть до его гибели.

Минимизации вредного воздействия машин на лесную среду последние годы уделяется значительное внимание. Эти вопросы находят свое отражение в.

• таких важных государственных документах, как «Основные положения государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития», «Критические технологии федерального уровня (раздел: Технологии минимизации экологических последствий трансграничных воздействий)», «Экологическая доктрина.

• Российской Федерации". Согласно этим документам одним из главных направлений современной государственной лесной политики является «.совершенствование систем управления природными ресурсами, создание.

• эффективных средств контроля и экологического мониторинга, повышение уровня экологической экспертизы и информационного обеспечения.".

Учитывая современный уровень развития компьютерных информационных.

• технологий, требования программ информатизации и внедрения ГИС-технологий в лесном хозяйстве на 1999;2005 годы, решение задачи обеспечения экологической совместимости машин со средой должно базироваться на использовании достижений информационных технологий по оценке, мониторингу и прогнозированию последствий движения машин при осуществлении лесозаготовок.

Цель работы. Повышение эффективности лесозаготовок и использования машин на основе создания и применения компьютерной системы оценки и прогнозирования экологических последствий движения машин по лесным почвам северной и средней тайги (на примере Республики Карелия).

Объекты и методы исследований. Объектами исследований явились участки северной и средней тайги Суоярвского района Республики Карелия, хлыстовая и сортиментная технологии лесозаготовок на предприятиях района, гусеничные и колесные лесозаготовительные машины ТДТ-55А и Timberjack.

• 1010. Основными методами исследований являлись ГИС-технологии (географические информационные системы), моделирование взаимодействия движителей машин с лесной почвой на основе метода конечных элементов.

МКЭ), экспериментальные исследования колееобразования, изменения плотности и твердости почв, методы математической статистики.

Для решения поставленных задач использовались следующие программные средства: ANSYS 5.5, Maplnfo 5.0, MapBASIC 5.0, MicrosoftExel.

Научная новизна работы.

• Разработана методика оценки последствий движения машин по лесным почвам, базирующаяся на новых компьютерных информационных технологиях и отличающаяся возможностью картографического представления информации.

• Предложена методика создания банков данных и электронных карт по почвенно-грунтовым условиям территории на основе ГИС-технологий и полевых экспедиционных исследований.

• Разработана математическая модель взаимодействия ходовых элементов машин с лесной почвой на основе использования метода конечных элементов, отличающаяся учетом упруго-пластических свойств почвы, наличием корней и камней.

• Получены экспериментальные данные по оценке экологической совместимости гусеничной и колесной машин с лесной почвой по комплексу её важнейших характеристик (плотности, твердости, пористости) и глубине колеи.

Практическая значимость. Совокупность предложенных моделей и информационных баз данных и электронных карт составляют основу системы компьютерной оценки, мониторинга и прогнозирования последствий воздействия лесозаготовительных машин на лесные почвы. Применение системы позволяет на этапе планирования работы лесозаготовительных и лесохозяйственных предприятий осуществлять принятие решений по обоснованию типа и марок применяемых машин с учетом экологического фактора. С использованием предлагаемой системы возможно проигрывание конструктивных вариантов различных движителей на этапе проектирования машин с обоснованием их рациональных параметров. Результаты конкретных исследований по Суоярвскому району Республики Карелия и рекомендации по использованию машин на предприятиях района имеют самостоятельное практическое значение.

Основные положения, выносимые на защиту.

• возможность проведения оценки, мониторинга и прогнозирования воздействия машин на лесную среду на основе ГИС-технологий;

• возможность исследования процессов взаимодействия ходовых систем машин с лесной почвой с использованием конечно-элементных компьютерных моделей;

• методика создания электронных карт и баз данных по почвенно-грунтовым условиям территории;

• методики и результаты экспериментальных исследований по оценке воздействия лесных машин на почву;

• рекомендации по применению машин в условиях северной и средней тайги (на примере Суоярвского района Республики Карелия).

Достоверность результатов исследований. Достоверность результатов исследований обеспечивается использованием современных информационных технологий, компьютерного обеспечения, методов и средств и подтверждается данными натурных экспериментов и положительным опытом внедрения разработок в практическую деятельность.

Реализация работы. Разработанная система оценки экологической совместимости машин со средой внедрена на предприятиях ОАО АК «Кареллеспром», Карельском НИИ лесной промышленности, Онежском тракторном заводе, используется в учебном процессе на кафедре тяговых машин Петрозаводского государственного университета.

Результаты исследований использованы при выполнении международных проектов Taiga-Model Forest (Россия-Финляндия, 1997.2000 г. г.), Tempus Tacis.

• TJEP 10 347−97 Development of the Environmental and Economics Studies (Россия-Финляндия-Швеция, 1997.2000 г. г.) и отечественного гранта «Интеграция» (2001 г.) по теме «Экологические последствия технологических.

• процессов лесозаготовок в северной и средней тайге Республики Карелия" (№ госрегистрации 01.200.1 19 178) и включены в соответствующие отчеты.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на международных, российских и региональных конференциях и семинарах: «Проблемы развития лесного сектора» (г. Петрозаводск, 18.19 ноября 1998), «Биологические основы изучения, освоения и охраны животного и растительного мира, почвенного покрова Восточной Фенноскандии» (международная конференция и выездная сессия отделения Общей биологии РАН: г. Петрозаводск: Институт биологии Карельского НЦ РАН, 6. 10 сентября 1999), «Научно-технический прогресс в лесном комплексе» (г. Сыктывкар, 18.20 апреля 2000) — «Региональные проблемы развития лесного комплекса» (г. Петрозаводск, 1998), «Ресурсосберегающие технологии лесного комплекса» (г. Петрозаводск, 1998), «Научное обеспечение лесного комплекса Карелии» (г. Петрозаводск, 1999).

• Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 14 печатных работах, в том числе двух учебных пособиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти.

5. Результаты исследования уплотняемости почвы показывают, что колесный форвардер TimberJack-1010 на большинстве типов почв производит большее уплотнение, чем трактор ТДТ-55 А. При этом на глубине 15.20 см различие в.

• ' степени уплотнения почв обеими машинами практически не существенно. В верхних слоях (0.5 см) форвардер вызывает большее уплотнение почвы, чем трактор ТДТ-55А, в среднем на 7%. Гусеничный трактор на 3.6 проходах «рыхлит почву» и только после образования колеи порядка 10 см уплотняет ее дно.

6. Проведенная оценка возможности применения трелевочных машин в условиях северной и средней тайги (на примере Суоярвского района Республики Карелия) показала, что колесный трактор TimberJack-1010 по условию проходимости (колееобразования) может применяться на 74% лесосырьевой базы района. Гусеничный трактор ТДТ-55 А — на 60% без ограничения числа проходов по одному следу (более 20).

• 7. Оценка экологической совместимости тракторов с почвой по критерию уплотняемости позволяет заключить, что гусеничный трактор ТДТ-55 А может применяться на 68% территории исследуемого района, а форвардер TimberJack-1010 на 65%.

8. Суммарная оценка применимости машин по условиям проходимости и экологической совместимости при возможности осуществления 20 проходов техники по одному следу показывает применимость форвардера TimberJack-1010 на 65% площади лесосырьевой базы Суоярвского района, а трактора ТДТ-55А — на 59%.

9. Конструктивные изменения ходовой части трактора ТДТ-55А (уширение гусениц с 480 до 640мм) повышают площадь возможного экологически обусловленного использования машин на 6%. Установка на форвардер Timber Jack-1010 альтернативных шин 700 мм уменьшает зону применяемости машины на 9% от площади лесосырьевой базы района из-за увеличения уплотняющего воздействия на почву.