Содержание к диссертации
Введение
Анализ-состояния научных разработок по созданию сети; лесных доропи задачи исследования
Современное состояние и перспективы развития; лесной транспортной инфраструктуры
Анализ -у существующих разработок в, области создания сети лесныхдорог
Предпосылки к использованию ГИЄ прш проектированию сети лесных дорог
Постановка задач исследования ; 40і
Выводы 3 главы* 41
Теоретические основы рациональной структуры сети лесных дорог 44
Характеристика сети лесных дорог 44
Использование лесотаксационных данных для обоснования?
рациональнрй структуры и размещения сети лесных дорог
Разработка математической модели рациональной» структуры: сети; лесных дорог 58
Содержательная постановка задачи оптимизации
Построение математической модели, 63
Анализ.математическойшодели
Выбор метода и средства решения
Сезонное зонирование:транспортного освоения лесов 79
Выводы2-главы; 87
Экспериментальное исследование структуры» сети» лесных автомобильных дорог 90-
Основные понятия экспериментальных исследований 90
Компьютерные методы статистической обработки; результатов-экспериментов* 94
Планирование эксперимента исследования- параметров структуры сети; лесных дорог 96'
Общие положения 96
Разработка отсеивающего плана Плакета-Бермана для зоны; тяготения к магистрали и ветке . 101
Разработка полного факторного плана.для зоны тяготения к магистралии ветке - 109*
Принятие-решений после построения моделей
Выводы 3 главы 123
Методология' размещения; лесных автомобильных дорог на основе геоинфЪрмационных систем . 125
Общие положения 125
Методика размещения лесных магистралей и веток
Рекомендации по размещению и календарному планированию лесных автомобильных дорог 139
Обоснование рациональной схемы транспортного освоения в производственных условиях 148
Выводы 4 главы 152
Заключение 155
Библиографический список
- Анализ -у существующих разработок в, области создания сети лесныхдорог
- Постановка задач исследования
- Содержательная постановка задачи оптимизации
- Рекомендации по размещению и календарному планированию лесных автомобильных дорог
Анализ -у существующих разработок в, области создания сети лесныхдорог
Лесная отрасль, переживает период значительной трансформации, связанной с общими проблемами становления рыночной» экономики,. изменением роли государства и, частного сектора в: лесных. отношениях; и сопряженным с этим изменением лесного законодательства.
В действующем Лесном Кодексе Российской Федерации в ст. 13 [46] приводится, что в целях использования, охраны, защиты, воспроизводства лесов допускается создание лесной инфраструктуры (лесных дорог, лесных складов и других); объекты лесной инфраструктуры после того, как отпадет надобность в них, подлежат сносу, а земли, на которых они располагались, -рекультивации; лесные дороги могут создаваться при любых видах использования лесов. Лесные дороги имеют многоцелевое назначение, поэтому отпадает необходимость их деления на лесохозяйственные и лесовозные. Федеральным законом № 257-ФЗ [80], все автомобильные дороги разделены на две группы: общего пользования и необщего пользования. Лесные дороги являются дорогами необщего пользования, создаются на землях лесного фонда, а также на землях иных категорищна. которых располагаются леса.
На сегодняшний день создание лесной транспортной инфраструктуры одно из: приоритетных направлений деятельности Федерального агентства лесного хозяйства «Рослесхоз». Успешное развитие всего лесопромышленного комплекса страны возможно только при условии восстановления лесозаготовительной отрасли. Обладая огромными лесными ресурсами, лесопромышленный комплекс остается в тяжелом состоянии. Допустимый ежегодный объем изъятия древесины (расчетная лесосека), в,, целом по стране осваивается на 29%. Более интенсивно осваиваются, лесные ресурсы в центральном и северо-западном федеральных округах, как. наиболее обеспеченные транспортной инфраструктурой. Основной причиной низкого использования расчетной лесосеки является слаборазвитая лесная транспортная инфраструктура в основных лесных регионах.; Кроме,; этого, сдерживающими? факторами; развития ЛПК являются.. отсутствие государственной поддержки, резкое снижение инвестиций В;лесной;сектор; упадок отечественного; лесного машиностроения, недостаточность центров деревообработки, неэффективность лесоуправления и лесопользованияшдр.., За последнее время накопилось множество проблем связанных с доступностью лесных ресурсов. Ежегодно на лесных форумах, конференциях, семинарах, выставках, в различных публикациях, посвященным лесной отрасли, обсуждаются вопросы лесной транспортной инфраструктуры [20, 54, 55, 57, 58, 59, 65, 66]. Так основными проблемамина сегодняшний день являются:
Нет четкого определения термина- «лесные дороги» и не сформулированы требования к ним.
Не разработаны нормативно-правовые документы, устанавливающие статус лесных дорог, отсутствие государственных нормативов; по созданию, эксплуатации и содержанию лесных дорог. Основная нормативная база проектирования лесных дорог, действующая на сегодняшний день: ВСН 7-82 «Инструкция по проектированию лесохозяйственных автомобильных дорог» [9]; ВСН 01-82 «Инструкция по проектированию лесозаготовительных предприятий» [7]; СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги» [73], СНиП; , 2.05.07-91 «Промышленный транспорт» [74]; «Положение о составе проектной документации», часть III, утвержденное Постановлением Правительства РФ №87 от 16.02.2008 г. (с изменениями на 12.04.2010г.), Федеральный закон № 257-ФЗ [80]. Из выше перечисленного списка видно, что нормативные документы были разработаны более чем 20 лет тому назад. За прошедший период коренным. образом обновилась нормативно-законодательная база, касающаяся ведения лесного хозяйств, лесопользования и автомобильных дорог, произошли существенные изменения в технологии лесозаготовок, в парке автотранспорта работающего в лесу, и в экономических условиях ведения лесного хозяйства в области лесных отношений между собственником лесов и лесопользователями.
Отсутствие Федеральной целевой программы «Леса России», включающей в себя подпрограмму «Развитие лесной транспортной инфраструктуры».
Отсутствие генеральных схем развития сети лесных дорог субъектов РФ с учетом Транспортной стратегии РФ, ФЦП «Модернизация транспортной системы России», Программ транспортной сети субъектов Федерации и объединение их в Генеральную схему развития сети лесных дорог Российской Федерации.
Отсутствие государственной поддержки строительства лесных дорог. Полномочия по созданию лесных дорог согласно подпункту 4 п. 1 ст. 83 Лесного кодекса РФ возложены на органы государственной власти субъектов Российской Федерации. Законодательно (п. 3 ст. 83 Лесного кодекса) установлено, что на создание лесных дорог могут расходоваться субвенции, предоставляемые органам государственной власти субъектов Российской Федерации из Федерального Фонда компенсаций на реализацию отдельных переданных полномочий Российской Федерации в области лесных отношений. Основное условие создания лесной транспортной инфраструктуры - участие двух основных сторон: федерального органа исполнительной власти в области лесных отношений и государственной власти субъекта Российской Федерации. Участие указанных сторон в финансировании создания лесной транспортной инфраструктуры осуществляется на основании двустороннего соглашения в пропорции 60 % -средства федерального бюджета, 40 % - средства субъекта Российской Федерации. Но для этого необходимы следующие документы: 1) Соглашение между федеральным органом исполнительной власти в области лесных отношений и органом государственной власти субъекта Российской
Постановка задач исследования
Анализ математической модели При рассмотрении процесса постановки и решения задач оптимизации ключевую роль играет понятие математической модели задач оптимизации и свойства ее основных элементов. Именно от свойств математической модели зависит возможность решения отдельной задачи оптимизации и выбор, наиболее эффективного алгоритмами способа1 для этой цели. Игнорирование или незнание особенностей математических моделей задач оптимизации служат источником ошибок и неудач в решении данных задач. Как уже отмечалось ранее, при постановке задачи оптимизации должны быть определены следующие ее базовые компоненты: характеристика переменных, фиксированный набор значений которых характеризует отдельное решение задачи; набор ограничивающих условий, исключающих из рассмотрения отдельные решения по причине их физической или логической невозможности (например, ddon,du,de,d}C,dm=Q); оценочная функция, позволяющая количественно сравнивать различные решения с целью выбора наилучшего из них.
Поставленная задача оптимизации структуры сети лесных дорог относится к нелинейной и однокритериальной, используются непрерывные и дискретные переменные - ddon,dv,de,d c,d ie R. Оптимизация заключается в минимизации целевой функции, т. е. минимизации суммарных удельных затрат на строительство новых, ремонт и содержание существующих элементов сети, затрат на трелевку и вывозку древесины, а также затрат на лесовозобновление - f{ddon,d4,de,d}C,dus)-+ min
Выбор метода и средства решения Хотя для отдельных задач оптимизации существует решение в аналитической форме, это является скорее исключением из общего правила. Сколько-нибудь интересные практические задачи оптимизации, встречающиеся в современных бизнес-приложениях, как правило, не имеют аналитического решения в форме расчетных формул или номограмм. Именно поэтому становится актуальным выбор вычислительного метода и программного средства для их практического решения.
На выбор метода и средства оказывает влияние характер математической модели и математические свойства множества допустимых альтернатив. На выбор программного средства для решения задач оптимизации оказывают влияние следующие, соображения. Как уже упоминалось, на рынке программ существуют математические пакеты, например, MATLAB и Mathcad, которые специально ориентированы на решение математических задач. Их основное достоинство заключается в наличии сотен и тысяч встроенных математических функций и десятков вычислительных алгоритмов для выполнения практических расчетов. Очевидный недостаток — дополнительные финансовые затраты на их приобретение и время — на изучение.
Наряду с этим на компьютерах практически всех пользователей присутствует программа электронных таблиц MS Excel, которая, устанавливается в составе офисного пакета, как правило, сразу после инсталляции ОС от Microsoft. Вполне очевидно желание аналитика воспользоваться возможностями этой программы для решения задач оптимизации. В пользу выбора MS Excel в качестве программного средства служит наличие встроенных функций и нескольких алгоритмов поиска решения. При этом никаких дополнительных затрат от пользователя не требуется. Недостаток связан с отсутствием возможности решения некоторых классов задач оптимизации [42].
В отличие от линейного программирования, где разработан универсальный метод (симплекс-метод), позволяющий решить, любую задачу ЛП, в нелинейном программировании пока не существует метода решения в общем виде. К настоящему времени определенный успех достигнут в работе по созданию эффективных методов и программного обеспечения для хорошо исследованных классов задач и специализированных методов для узких классов задач. Методы нелинейного программирования можно разделить на следующие группы: 1) аналитические методы (основаны на классических методах дифференциального и интегрального исчисления); 2) численные методы (используют предшествующую информацию для построения улучшенного решения при помощи итерационных процедур); 3) графические методы (применяются в задачах с одной или с двумя переменными); 4) экспериментальные методы [61]. Кроме того, методы различают по постановке задачи (с ограничениями или нет, по виду целевой функции) и по характерным чертам (например, используется или нет информация о поведении производных от целевой функции).
Если число переменных в задаче нелинейного программирования не превышает двух, то в.простейших случаях для их решения можно применить графический метод.
Среди распространенных аналитических методов различают классический метод, метод нахождения интервала, содержащего точку минимума, метод дихотомии, метод золотого сечения.
В численных методах применяются итерационные процедуры, основанные на вычислении значений целевой функции и ее производных. Различают методы нулевого порядка, использующие информацию только о значениях целевой функции; методы первого порядка, использующие также информацию о значениях первых производных; методы второго порядка, в которых используется информация еще и о значениях вторых производных. Выбор метода зависит от многих факторов (от вида целевой функции, от размерности задачи, от наличия программной реализации метода и т. д.).
Содержательная постановка задачи оптимизации
Социально-экономические: численность населения на территории; характер расселения; зонирование лесных территорий по видам производств; наличие центров потребления и переработки.
Вся эта совокупность природно-производственных и ситуационных факторов требует тщательного изучения, анализа и оценки условий для дорожного строительства. Это возможно только на основе географического подхода с использованием информационных технологий. Используя возможности ГИС в области пространственного анализа можно получить более точную и обновленную информацию, а также создать новые данные, недоступные прежде. Обладание этой новой информацией поможет глубже оценить причины выбора местоположения объекта, найти наилучшее решение, заранее быть готовым к грядущим событиям и условиям.
На каждой стадии проектирования работы выполняются поэтапно. В подготовительный период уточняются цели, задачи и объемы изыскательских работ, а далее составляется при необходимости техническое задание и сметно-договорная документация.
Структура ГИС транспортного освоения лесов Разработку генеральных схем транспортного освоения лесного фонда предлагается выполнять в следующей последовательности:
Сбор исходных данных о местных природных, производственных и экономических условиях района изысканий; местоположении и объемах грузообразующих и грузопотребляющих пунктов; местоположении, составе, протяжении и качественном состоянии существующих путей транспорта; перспективе развития сети дорог общего пользования и других ведомств; характеристике уровня работы лесовозного транспорта; состоянии строительства и содержании лесных дорог, а также обеспеченности района местным» дорожно-строительными материалами; существующие и перспективные направления потоков грузов лесопромышленных и лесохозяйственных предприятий.
На основе исходных данных выполняется анализ природных и грунтово-гидрологических условий, дается краткая характеристика лесного фонда, сезонное зонирование транспортного освоения лесов, анализ 130 производства, эффективности работы транспортных средств, характеристика существующих транспортных путей; анализ качества и состояния. существующих дорог. 3) Определение основных параметров рациональной структуры сети лесных дорог: - оптимальных зон тяготения лесных грузов1 к дороге общего1 пользования, лесной «магистрали, ветке; усу и магистральному волоку; - оптимальной требуемой густоты в км на 1000 га автодорог общего пользования, лесных магистралей, веток, усов, магистральных и пасечных волоков; - потребности автомобильных дорог общего пользования, магистралей, веток, усов, магистральных и пасечных волоков в км» на площадь и на объем-заготовки древесины для освоения, транспортно не освоенных лесных массивов; 4) Анализ обеспеченности существующими транспортными путями с выделением транспортно доступных и недоступных лесных участков;
Размещение новых лесных магистралей и веток в транспортно не освоенных лесных массивах; 6) Определение потребности в новом строительстве и реконструкции лесных дорог, разработка рекомендаций для календарного планирования полного транспортного освоения лесов.
Методика размещения лесных магистралей и веток Одним из основных вопросов при разработке генеральной схемы транспортного освоения является рациональное размещение автомобильных дорог - лесных магистралей и веток. При этом выделяют основные принципы, а именно: максимальное использование для перевозки лесных грузов» существующих дорог с возможностью их удлинения или реконструкции ДЛЯ перевода в более высокую категорию; кратчайшее расстояние вывозки при наименьшей протяженности новых путей, с целью получения минимальной грузовой работы лесовозного и лесохозяйственного транспорта; выбор наилучшего местоположения оси трассы, на местности в« зависимости от лесотаксационных, рельефных, инженерно-геологических, гидрологических, экологических и др. условий в транспортно не освоенных лесных массивах; комплексное использование климатических ресурсов региона путем рационального соотношения дорог круглогодового и сезонного действия на основе сезонного зонирования лесного фонда; учет экологических требований, ценности занимаемых земель, а-также затрат на приведение временно отводимых для нужд строительства площадей в состояние; пригодное для использования в лесном хозяйстве. Расположение трассы автомобильных дорог, назначение мест размещения-искусственных и придорожных сооружений, производственных баз, подъездных дорог и других временных сооружений для нужд строительства следует выполнять с учетом сохранения ценных природных ландшафтов, особо охраняемых природных территорий, особо защитных участков леса, а также мест размножения, питания и путей миграции диких животных, птиц и обитателей водной среды и других ключевых биотопов. Не допускается проложение трасс по государственным заповедникам и заказникам, охраняемым урочищам и зонам, отнесенным к памятникам природы и культуры. Вдоль рек, озер и других водоемов трассы следует прокладывать, как правило, за пределами специально установленных для них защитных зон. максимальное использование просек, противопожарных разрывов, ЛЭП, трубопроводов, границ предприятий и лесничеств с учетом категории защитности лесов и данных экологических обследований, увязка с развитием мелиоративной сети.
Рекомендации по размещению и календарному планированию лесных автомобильных дорог
В случае не полного освоения лесов ветками необходимо размещение новых веток на не освоенных лесных участках. В случае полного освоения ветками переходят к проверке обеспеченности- требуемой равномерности вывозки по сезонам года.
В соответствии с сезонным зонированием выбор типа веток — круглогодового или сезонного (зимнего) действия. Для оптимального соотношения заготовки и вывозки древесины по сезонам важно обеспечить равномерную протяженность лесных дорог круглогодового- и сезонного действия. Так в I зоне, где сухие лесные участки и преимущественно летнее освоение - прокладка к ним дорог круглогодового действия. В III зоне, где мокрые участки, которые выделяются в зимнюю зону заготовки и вывозки — прокладка к ним лесных сезонных (зимних) дорог. Во II зоне, где сырые лесные участки, и которые могут быть отнесены как к зоне зимней так и к зоне летней заготовки - могут быть запроектированы дороги как круглогодового, так и сезонного действия с учетом обеспечения ритмичности вывозки по сезонам года.
Размещение новых веток. Для этого выбирается пункт примыкания трассы ветки к магистрали с учетом генерального направления вывозки древесины. Это может быть удлинение или реконструкция уже существующих дорог. Проложение оси трассы ветки выполняется по критерию запасов (рис. 4.9).
Корректировка запроектированной оси трассы ветки с учетом естественных и искусственных препятствий, рельефа и типа местности по условиям увлажнения (зоны сезонного зонирования).
Создание грузосборочных зон вокруг запроектированных веток для того, чтобы проверить, вся ли лесная территория охвачена ветками. Если нет, то возвращаемся к Проверка обеспеченности требуемой ритмичности вывозки по сезонам года. В случае не равномерного соотношения потребуется реконструкция существующих дорог сезонного действия с переводом их в дороги круглогодового действия.
Определение потребности в новом строительстве, реконструкции лесных магистралей и веток (рис. 4.10). следующие показатели: общая протяженность лесных автомобильных дорог по типам и категориям, необходимая для полного транспортного освоения; средняя протяженность строительства лесных автомобильных дорог по типам и категориям в год.
На основе этих показателей можно рассчитать необходимые капиталовложения в лесное дорожное строительство, что позволит проанализировать целесообразность освоения того или иного лесного участка.
Общую протяженность и среднегодовую потребность лесных автомобильных дорог, необходимую для полного транспортного освоения можно рассчитать на основе оптимальных параметров структуры сети лесных дорог, которая приведена во второй главе данного диссертационного исследования при условии отсутствия лесных дорог.
Общая протяженность магистралей, веток, усов, магистральных и пасечных волоков на площадь в км/км" при условии полного отсутствия транспортной сети определяется по формулам: общая площадь лесного массива, га; SJK — эксплуатационная площадь (площадь насаждений, в которых разрешена заготовка древесины при различных видах рубок), га; d don, d u,.d , d , d ie, d e - оптимальные зоны тяготения соответственно к дороге общего пользования, лесной магистрали, ветке, усу, магистральному и пасечному волоках, км.
Среднегодовая потребность в строительстве дорог общего пользования, магистралей, веток, усов, магистральных и пасечных волоков-на объем заготавливаемой древесины в км/год для транспортно не освоенных лесных массивов определяется по формулам:
Протяженность лесных дорог, необходимая для полного транспортного освоения с учетом уже существующей сети лесных дорог определяется в соответствии разработанной генеральной схемой с помощью ГИС-технологий. Для календарного планирования лесных магистралей и веток предлагаются следующие сценарии: оптимистичный полного транспортного освоения, при котором определять среднегодовую потребность в строительстве магистралей и веток за срок аренды или оборот рубки; пессимистичный минимальных объемов дорожного строительства исходя из плановых объемов заготовки древесины в год (4.6).
Потребность в строительстве лесных дорог, генеральная схема развития сети лесных автомобильных дорог, календарное планирование лесного дорожного строительства на долгосрочную, среднесрочную и краткосрочную перспективу должны быть согласованы с документами перспективного лесного планирования (лесным планом, лесохозяйственными регламентами, проектами освоения и лесными декларациями).
Разработанная методология была использована при разработке лесных планов Тверской и Иркутской областей, при разработке проекта лесозаготовительного предприятия «ООО «Верхневолжский лесоперерабатывающий комбинат», обосновании рациональной схемы лесной транспортной инфраструктуры арендных лесов ООО «Метсялиитто Подпорожье» в Подпорожском районе Ленинградской области.
В условиях Ленинградской области при среднем общем запасе 162м /га были рассчитаны требуемые зоны тяготения, густота и среднегодовая потребность в строительстве на 1 млн.м заготовки магистралей и веток в зависимости от основных показателей (табл. 4.1-4.6 и рис. 4.11-4.16)
