Содержание к диссертации
Введение
1 . Состояние проблемы и задачи исследования 8
1.1.Экологические и технологические проблемы водо- и лесопользования в условиях водохранилищ 8
1.2. Анализ существующих способов освоения затопленной древесины 21
1.3. Анализ существующей техники и технологий лесосечных работ в береговой зоне 30
1.4. Выводы и задачи исследования 51
2. Теоретические исследования состояния древостоев прибрежной зоны и ложа водохранилищ 53
2.1 .Математическая модель ветрового воздействия на древостой 53
2.2. Волновое воздействие на древостой - 62
2.3.Доступность древостоев при машинной технологии их заготовки 66
2.4.Модель повреждения подроста при заготовке леса 71
2.5. Оптимальный технологический процесс 75
2.6. Выводы по главе 74
3. Методика и результаты экспериментальных исследований 76
3.1. Интенсивность изменения запасов затопленной на корню древесины от времени эксплуатации водохранилищ 76
3.2. Физико-механические и химические свойства древесины 83
3.3 Критическое силовое воздействие 96
3.4. Экспериментальные исследования усилий выдергивания затопленных на корню деревьев 100
4. Технология и машины для заготовки затопленной древесины и лесосечных работ в береговой зоне 113
4.1. Устройство для очистки водохранилищ от древостоя 113
4.2. Особенности лесов прибрежной зоны 118
4.3. Особенности валки деревьев в береговой зоне 122
4.4. Канатные трелевочные установки 130
4.5. Методология сохранения почвенного плодородия при проведении лесозаготовок в условиях береговой зоны водохранилищ 158
4.6. Техника и технология сбора плавающей и топляковой древесины. - 178
4.7. Технологии лесозаготовок в ложе водохранилищ 182
4.8. Выводы по главе 187
5. Переработка топляковых и затопленных деревьев на пилопродукцию, измельченную и модифициро ванную древесину 191
5.1. Производство пиломатериалов 191
5.2. Производство измельченной древесины 214
5.3. Модифицирование древесины 235
5.4 Получение высококачественного древесного угля 249
Заключение 260
Библиографический список 262
- Анализ существующих способов освоения затопленной древесины
- Волновое воздействие на древостой
- Физико-механические и химические свойства древесины
- Особенности лесов прибрежной зоны
Введение к работе
Актуальность темы. Строительство и эксплуатация крупных гидроэлектростанций Ангарского каскада: Иркутской, Братской и Усть-Илимской и образованных при них больших водохранилищ, привели к негативным явлениям: эрозии и переформированию береговой линии водохранилищ, дна, устьевых участков рек; затоплению лесных массивов, появлению плавающих и затопленных деревьев, изменению уровня грунтовых вод и др. Появление деревьев в водохранилищах связано как с действием антропогенных факторов: несоблюдение правил сплотки, формирования и буксировки плотов, оставлением в ложах водохранилищ заготовленного леса, затоплением на корню при формировании водохранилищ, - так и природных: падение деревьев в результате эрозии и абразии береговых склонов и ветроволнового воздействия.
Экологические требования обязывают поддерживать качество водоемов в надлежащем санитарном состоянии и систематически проводить их очистку от древесины.
Прибрежные полосы водохранилищ состоят из спелых и перестойных, высокополнотных насаждений, относимых Лесным кодексом Российской Федерации, принятым в 2007 г, к защитным лесам. Запасы древесины в них большие, но эта категория насаждений требует особых технологий лесосечных работ, не противоречащих нормативным документам.
Сохранение всех полезных свойств лесов, при эффективном лесопользовании, в том числе и в защитных лесах, является одним из магистральных направлений научно-технического прогресса в лесозаготовительном производстве. Развитие отраслевой науки и практические действия предприятий всех основных и обслуживающих подотраслей должны быть направлены на создание «эффективной системы использования природных ресурсов». Именно это требование содержится в послании Президента РФ В.В. Путина Федеральному Собранию. Оно конкретизировано и развито в Концепциях развития лесного хозяйства и лесопромышленного комплекса, одобренных Правительством России. Это же требование красной нитью проходит через Экологическую доктрину РФ (одобренную распоряжением Правительства РФ от 31 августа 2002 г. № 1225-р) и концепцию устойчивого управления лесами РФ. В Перечень критических технологий РФ, утвержденный Президентом РФ 30 марта 2002 г. Пр-578 включен пункт «Переработка и воспроизводство лесных ресурсов», а в Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ, утвержденный Президентом РФ 30 марта 2002 г. Пр-577 включено направление «Экология и рациональное природопользование».
В Иркутской области, и других регионах Сибири, наблюдается серьезный дефицит древесины, доступной для освоения, что сдерживает развитие лесопромышленного комплекса в данных субъектах РФ, а это, в свою очередь, негативно сказывается на экономических результатах их деятельности, социальной обстановке и пр. Вместе с тем, на настоящее время отсутствуют научно обоснованные методы прогнозирования динамики древостоев в береговой зоне, а также изменения запасов затопленной древесины. Также не существует обоснованных методик по выбору систем машин и технологических процессов для освоения и переработки древесины береговой зоны и ложа водохранилищ.
Цель работы. Повышение эффективности лесосечных работ в береговой зоне и очистки ложа водохранилища путем комплексной переработки получаемой древесины.
Объекты исследований. Объектом исследования являются технологии и системы машин лесозаготовительного производства для береговой зоны и лож водохранилищ, а так же для переработки топляковой и затопленной древесины.
Научной новизной обладают:
математические модели устойчивости древостоев от ветроволнового воздействия в прибрежной зоне и ложе водохранилища, позволяющие прогнозировать объемы поступления древесины;
математическая модель доступности древостоев, позволяющая прогнозировать сохранения подроста;
научно – методические основы выбора эффективных технологий заготовки в условиях береговой зоны и ложа водохранилищ и комплексной переработки древесного сырья.
Значимость для теории и практики. Разработанные математические модели динамического состояния древостоев в результате ветроволнового воздействия, а также сложного статистического процесса машинной и механизированной валки трелевки деревьев в береговой зоне водохранилища углубляют и развивают теорию наук о лесе. Созданные научно-методические основы устойчивого лесопользования в береговой зоне и ложе водохранилищ путем обоснования технологии, систем машин и состава оборудования для освоения и переработки древесины, позволяют формулировать оптимальные технологические процессы лесозаготовки в условиях соблюдения экологических требований для прибрежных лесов и их восстановления.
Разработанные технологии улучшения экологической ситуации водоемов, устойчивого лесопользования береговой зоны и переработки древесины ложа водохранилищ позволяют существенно повысить экономическую эффективность лесозаготовительного производства в условиях данной категории защитных лесов.
Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением теории планирования эксперимента, системного анализа, математического моделирования производственных процессов, статистического анализа, механики сплошных сред, теории операций; проведением экспериментальных исследований в производственных условиях; и подтвержденной результатами статистической обработки и удовлетворительного соответствия полученных аналитических зависимостей с опытными данными.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных научно-технических и научно-практических конференциях: "Лесдревпром", Кемерово; "Лес. Деревообработка. Мебель", Томск; "Сиблесопользование", Иркутск; "Сиблес. Деревообработка", Новосибирск; "Актуальные проблемы развития лесного комплекса" Вологда 2002-2003 год; «Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов», МГУЛ, М., 1994; «Жилище и человек» Братск, 1994; «Пути решения экологической проблемы водохранилищ Сибири» Братск, 1995; «Жилище: проблемы и возможности» Братск, 1995; «Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения» Братск, 1996; «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» Екатеринбург, 2001; «Актуальные проблемы лесного комплекса» Брянск, 2007, и ежегодных научно-технических конференциях СПб ГЛТА им. С.М. Кирова в 2002-2008 гг. Часть результатов работы внедрена в производственный процесс лесозаготовительных предприятий Иркутской области.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 40 печатных работах, из них 11 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Результаты исследований отражены в научно-технических отчетах по НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объем работы 276 страниц. Диссертационная работа содержит 63 рисунка, 30 таблиц. Список литературы содержит 275 наименований.
Анализ существующих способов освоения затопленной древесины
В отечественной литературе достаточно широко освещены технологии сбора и освоения плавающей древесины: В.П. Корпачев [127,137], Л.И. Малинин, В.А. Худоногов [158], Б.И. Угрюмов [241], В.А. Иванов [241], В.И. Патякин [155] и др. Как указывают эти авторы, накопленный в последние годы опыт по сбору и использованию "бесхозной" аварийной древесины,, позволяет сделать выводы о невозможности выполнения этих работ ограниченной номенклатурой оборудования с использованием единой технологии по причине того, что запасы этой "аварийной" древесины весьма неравномерно распределены по акваториям водных объектов, местам ее концентрации и по ряду других причин. Например, значительная часть аварийной древесины находится в плавающем состоянии, разнесена по достаточно обширной водной поверхности и для ее сбора и транспортировки к местам переработки требуется плавающее оборудование, способное доставлять собранную древесину на значительные расстояния. Другая большая часть аварийной древесины находится в затопленном или полузатопленном состоянии в непосредственной близости от берегов (в том числе и стоящая в воде, оставленная в результате неполной лесоочистки лож водохранилищ), где возможно использование топлякоподъемных агрегатов, плавающих тракторов, оснащенных гидроманипуляторами и лебедками, чей радиус действия ограничен небольшими расстояниями с возможностью работы как на воде, так и на берегу. Третья часть представлена обсохшей на берегах в значительных количествах древесиной, оказавшейся там в результате сезонных и многолетних колебаний уровней воды, ветро-волновых явлений и размыва берегов (с последующим обрушением де ревьев). Для сбора этой древесины в межнавигационный период (а частично и в период навигации) со стороны берега может быть использована серийно выпускаемая наземная трелевочно-погрузочная техника, а для сбора со стороны воды (в навигационный период) - те же универсальные плавающие тракторы, буксиры, баржи, плашкоуты. Практически во всех перечисленных случаях в процессе сбора и транспортировки возможна частичная переработка собранной древесины на плавучих цехах или заводах с выпиловкой сортиментов и измельчением низкокачественной древесины и отходов па щепу [241].
Наиболее распространенная технологическая схема для освоения плавающей древесины на водохранилищах включает сбор древесины в кошели и буксировку их к прибрежному рейдовому участку, оснащенному сортировочной сеткой на 3-5 двориках и лебедкой для сплотки, где древесина разделывается в основном бензопилами и сплачивается в лучки, формируется в плоты и отправляется к потребителям.
Для освоения плавающей древесины Иркутским филиалом ЦНИИМЭ разработан и изготовлен раскряжевочно-сплоточный агрегат РСА-1А, который прошел производственные испытания на Братском водохранилище.
Разработана и применяется плавучая установка - цех по переработке низкокачественной древесины, предназначенная для переработки некондиционных хлыстов, сортиментов, а также отходов поступающих из пункта сбора рейдовой переработки древесины и пункта сбора обсохшей древесины.
С учетом сложившейся практики и теории сбора, транспортировки и переработки плавающей древесины можно выделить три основных варианта технологических процессов: Вариант 1 І.Сбор древесной массы специализированными плавающими агрегатами. 2.Предварительная минимально необходимая технологическая подготовка массы к последующей транспортировке. 3 .Транспортировка древесной массы (в плотах, кошелях, баржами, в контейнерах и т.п.) к местам перевалки, складирования, переработки или потребления Вариант 2 1 .Сбор древесной массы специализированными плавучими агрегатами. 2.Частичная переработка, минимально необходимая технологическая подготовка собранной массы к последующей транспортировке и частичное использование продуктов переработки древесной массы на плавучих цехах-модулях (например, как энергетическое топливо).
3.Транспортировка части древесной массы (в плотах, кошелях, баржами, в контейнерах и т.п.) к местам перевалки, складирования, переработки или потребления. 4.Транспортировка и реализация продуктов переработки древесной массы в пунктах потребления или перевалки потребителями. 5.Переработка и реализация продуктов переработки части древесной массы па берегу.
Волновое воздействие на древостой
Известно [84], что ветроволновые силовые поля, возникающие на территории водохранилищ, являются основными как при формировании их берегов, так и лесов прибрежной зоны. В океанографии [266, 268 ] волны в жидкости разделяются на две группы: длинные волны (типа приливных волн), у которых вертикальные скорости и ускорения пренебрежимо малы по сравнению с горизонтальными составляющими, и поверхностнные волны (типа зыби), у которых вертикальные скорости и ускорения не являются пренебрежимо малыми. Поэтому рассмотрение силового воздействия волнового поля на древостой в ложе водохранилищ является необходимым условием эффективного освоения древесного сырья. Для этого составим гидродинамическую модель движения волн в горизонтальном направлении Ох, состоящих из параллельных гребней и впадин, при постоянной глубине Н. В безвихревой модели уравнения неразрывности и движения принимают вид Как было отмечено выше, согласно Правилам рубок главного пользования для лесов Восточной Сибири в лесах 1 группы необходимо проводить выборочные и постепенные рубки, а для перестойных древостоев разрешаются сплошные. Согласно выполненным исследованиям [184] деревья в лесу в естественных условиях произрастания образуют пуассонов-ское поле. Построим статистическую картину доступности деревьев в дре-востоях для перечисленных видов рубок. Введем условные обозначения: R - длина стрелы манипулятора, b -ширина стрелы манипулятора в общем случае с учетом среднего диаметра срезаемых деревьев и поперечного размера захватно-срезающего устройства (ЗСУ) , N число деревьев на квадратном метре лесной площади, п - число деревьев подроста на квадратном метре, h - ширина волока, ат максимальный угол вращения манипулятора, А - расстояние между осями волоков, для А имеет место формула: Рассмотрим вероятностную картину процесса валки деревьев для технологий лесозаготовок: машинами ВПМ и ВТМ: валочно-пакетирующая машина (ВПМ) последовательно выходит на дерево, спиливает его и укладывает на волок, валочно-трелевочная машина (ВТМ) последовательно выходит на дерево, спиливает его, и трелюет на волок. Доступность деревьев для их спиливания у рассматриваемых машин описывается одинаковой статистической картиной, отличаются они способами транспортировки спиленного дерева на волок, которые и определяют характер повреждения подроста и тонкомера. Вероятностный закон распределения Пуассона имеет вид [273] здесь к - целое число (А: = 0,1,2,, ...., к -множество положительных целых чисел), для наших условий где .v- расстояние до дерева от оси вращения манипулятора , К - число деревьев ( целое число), которые встречает манипулятор при своем вылете. При к = 0 формула (2.86) имеет вид и описывает вероятность того, что при вылете стрелы манипулятора на расстояние х не встретится ни одного дерева, т.е. это опорный экспоненциальный закон вероятностей для выборочных рубок, когда намечается дерево для спиливания. При сплошных рубках последовательно спиливается одно дерево древостоя за другим, поэтому в этом случае к = 1, и при к = 1 формула (2.86) принимает вид описывая вероятность встречи стрелы манипулятора с одним деревом на расстоянии х , после чего оно спиливается ЗСУ. Вероятность того, что на расстоянии х встретятся два растущих дерева (к = 2), подлежащих спиливанию, равна и т.д. Для определения наиболее вероятного расстояния между деревьями древостоя и числа деревьев на полном вылете стрелы манипулятора воспользуемся общей формулой (2.86). На расстоянии полного вылета стрелы манипулятора (2.86) переходит в формулу . При определении наиболее вероятного числа деревьев, которые встретятся на расстоянии R, необходимо определить максимальную вероятность в пуассоновском законе распределения (2.86). Поэтому выполним дифференцирование Р(х) по х и полученный результат приравняем к нулю следует значение параметра и его максимальное значение определяется выражением Таким образом, максимальная вероятность имеет место, когда
Физико-механические и химические свойства древесины
Из модельных деревьев выпиливалось по 3 среза толщиной 5-6см, из срезов выкалывались образцы. Изучение физико-механических и химических свойств затопленной на корню и свежесрубленной древесины проводились по общепринятым методикам согласно ГОСТов отбора и подготовки образцов ГОСТ 1683.0-78 «Древесина. Метод отбора образцов и общие требования при физико-мсханичсских испытаниях». Для обеспечения сопоставимости результатов измерений, испытания проводились по общей методике в соответствии с требованиями, регламентирующими процедуру испытаний обработки дан где V — коэффициента-показателя свойства древесины; у - требуемая доверительная вероятность (у = 0,95); t j - квантиль распределения Стьюдента; dj - относительная точность определения выборочного среднего с доверительной вероятностью (dj = 5%)., При обработке результатов испытаний вычислялись следующие характеристики: выборочное среднее арифметическое, выборочное среднее квадратичное отклонение, средняя ошибка Sq выборочного среднего, выборочные коэффициент вариации V в процентах, относительная точность определения выборочного среднего. Среднее арифметическое определялось по формуле: где у-ух,у2 у„- полученные результаты; п - количество опытов или образцов. Выборочная определялась по зависимости Среднее квадратичное отклонение определялось по формуле: Коэффициент вариации соответственно равен:
Средняя квадратичная ошибка среднего значения определялась по формуле: Показатель точности среднего значения определяется по формуле: Полученные показатели точности, оценивались по. критерию Стью-дента. Для изучения химического состава пробы древесины готовились следующим образом: из шайб готовились спички, которые затем размалывались лабораторной мельницей- в опилки. Полученные опилки фракционировались на ситах. Для анализов отбирались фракция, оставшаяся на сите 0,25мм. В приготовленных таким образом пробах определялась влажность и основные компоненты, характеризующие химический состав древесины: содержание целлюлозы, лигнина, водорастворимых веществ, смол, жиров, золы. Определение содержания целлюлозы проводилось по методу Кюрш-нера и Хоффера, содержание жиров и смол определялось путем экстракции древесных опилок этиловым спиртом, в специальном аппарате в обессмо-ленных опилках определялось содержание лигнина методом Комарова. Вещества, растворимые в горячей воде определялись при кипячении опилок на водяной бане с дистиллированной водой в течение 3 часов. Содержание минеральных веществ определялось путем сжигания и прокаливания пробы в муфеле при t 575 ± 25С. Все анализы проводились с параллельными пробами. Для сравнения приведены данные по химическому составу здоровой древесины лиственницы, сосны и ели, произрастающей на территории лесосырьевых баз Братского ЛПК и Усть-Илимского ЛПК. Физико-механические свойства затопленной древесины. Практически неизученными являются свойства затопленной древесины на корню, количество которой в Братском водохранилище еще достаточно велико и имеется возможность ее заготовки и переработки. Исследования проводились для затопленной на корню древесины, находившейся в воде с момента затопления водохранилища, т.е. 37 лет, для следующих пород: сосна, лиственница, ель. Лиственные породы на корню в затопленном состоянии практически не сохранились. Показатели физико-механических и химических свойств определялись в соответствии с действующими стандартами. Первоначально определялся внешний вид выдернутых из воды деревьев. В отличие от топляковой древесины, находящейся в сортиментах, в этой древесине отсутствует боковое почернение, отсутствует синева и другие внешние признаки, свойственные затопленной древесине. Отсутствует кольцо внешней оболочки, подвергающей разрушению и пропитанной илом и песком, как указано в работе Расе ва А.И. [227]. По стандартной методике была определена средняя влажность испытанных образцов для каждого вида древесины, результаты приведены в таблице 3.4. Влажность для испытания должна быть в пределах нормализованной (12 %), при которой определяются все прочностные свойства древесины. Поскольку влажность образцов отличалась от нормативной, то был произведен пересчет на влажность 12 % по формуле
Особенности лесов прибрежной зоны
Леса прибрежной полосы относятся к лесам 1 группы, которые относятся к особой категории защитных насаждений. Поэтому необходима разработка рациональной технологии лесозаготовительного производства в соответствии с действующими нормативными документами. В лесах 1 группы проводятся рубки главного пользования, направленные на усиление и сохранение водоохранных свойств этих лесов, при своевременном и эффективном использовании запасов перестойных и спелых древостоев. Согласно Правилам рубок главного пользования в лесах Восточной Сибири в лесах 1 группы проводятся выборочные и постепенные рубки, для возобновления ценных пород и устойчивости древостоев. Сплошные рубки проводятся в усыхающих и поврежденных пожарами, вредителями и болезнями насаждений, а так же в перестойных древостоях, потерявших защитные свойства.
Таким образом, в лесах 1 группы возможно применять сплошные постепенные и выборочные рубки. Способ рубки необходимо выбирать в зависимости от условий местопроизрастания и типа леса. Освоению лесов 1 группы по мнению [217] Петрова А.П. и Нагорной М.П. оправданно, но в настоящее время практически отсутствует соответствующая техника и недостаточно представлена технология различных видов рубок. Различные способы рубок в лесах 1 группы рассматривают Вялых Н.И. и Чибисов Г.А., они отмечают, что для сохранения водоохранных функций леса необходимо проводить выборочные рубки с целью своевременного использо вания спелой и перестойной древесины. Рубки рекомендуется проводить в зимнее время.
В настоящее время существует множество механизмов и машин и технологических схем лесозаготовительного производства. Берега водохранилищ Ангарского каскада, как правило, достаточно крутые, поэтому также необходимо рассмотреть лесосечные работы для горной местности. В этой области имеется достаточный опыт. Отмечается, что перспективными в лесах Сибири являются узколесосечные сплошные рубки прямоугольными пасеками и полосно-постепенными, которые обеспечивают удовлетворительную сохранность подроста, хороший налет семян на вырубки с последующим возобновлением. Способ разработки лесосек в горных условиях представляется следующим образом. При несплошных и сплошных рубках на лесосеках с наличием крупного подроста прямоугольные пасеки нарезаются параллельно трассе грузового каната, которая прокладывается вдоль склона или под углом к нему. Разработка ведется узкопасечным способом. При несплошных рубках лесосеки разбиваются на пасеки шириной 30-40 метров параллельно несущему канату. В результате исключения захода тракторов на лесосеки сохраняется подрост в пределах нормы и не разрушается лесная почва.
Опыт разработки лесосек Дальневосточного региона показал, что целесообразно применять канатные установки при трелевки в горных условиях, т.к. имеют место удовлетворительные показатели сохранения подроста и экологическая чистота.
Такие же результаты получены для горных лесосек на Сахалине при применении канатных установок. Эффективным оказался чересполосный интенсивно-выборочный способ разработки лесосек.
В тоже время следует отметить, что рациональное освоение горных лесов сдерживается отсутствием мобильных машин, способных выполнять весь комплекс лесозаготовительного производства самостоятельно или в комплексе с другим оборудованием.
Отметим, что в полосе размыва берегов водохранилищ имеет место опасность обвала берегов при применении тяжелой техники и большая крутизна склонов, на которых присутствует лес (до 20-25 ).
Накопленный опыт по сбору и использованию аварийной древесины указывает на невозможность выполнения этих работ ограниченной номенклатурой оборудования с использованием единой технологии, т.к. запасы этой древесины неравномерно распределены по акватории водоемов. Одна часть древесины находится в плавающем состоянии, другая в затопленном или полузатопленном состоянии, а третья находится на берегах в обсохшем состоянии в результате колебаний уровня воды, ветроволновых явлений и размыва берегов. В процессе сбора древесины возможна частичная её переработка.
Похожие диссертации на Обоснование технологии и оборудования для освоения древесины прибрежной зоны и ложа водохранилищ
