Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика и хозяйственное использование болотных биогеоценозов 20
1.1 Изученность и общие характеристики болотных биогеоценозов Карелии 20
1.2 Формирование болотных биогеоценозов, классификация, структура торфа . 25
1.3 Хозяйственное использование болотных биогеоценозов 28
1.4 Экологический анализ хозяйственной деятельности 34
1.5 Опыт вторичного использования торфяников в других странах 36
1.6 Возможности вторичного использования торфяных залежей в Карелии 37
Выводы к главе 1 39
Глава 2. Математическая модель осушения болотных массивов 41
2.1 Постановка задачи 41
2.2 Свойства проектных решений при проектировании каналов в продольном профиле 44
2.3 Алгоритм нахождения проектного дна открытого канала 52
2.4 Реализация программных комплексов проектирования осушительной мелиорации 58
Заключение главы 2 82
Глава 3. Моделирование природно-технических систем, использующих ресурсы болот и заболоченных земель 84
3.1 Информационное обеспечение исследований топливно-энергетического комплекса 86
3.2 Экологические проблемы использования торфа 94
3.3 Математическое моделирование заготовки и транспортировки торфа 104
3.3.1 Заготовка и транспортировка торфа 104
3.3.2 Тепловое хозяйство и использование в нем торфа 116
3.3.3 Математическая модель для оптимизации заготовки и транспортировки торфа 121
Заключение к главе 3 134
Основные выводы и рекомендации 136
Литература 138
Приложение 148
- Формирование болотных биогеоценозов, классификация, структура торфа
- Возможности вторичного использования торфяных залежей в Карелии
- Реализация программных комплексов проектирования осушительной мелиорации
- Математическое моделирование заготовки и транспортировки торфа
Введение к работе
Площадь лесомелиоративного фонда Республики Карелия, со-стоящего из открытых болот и заболоченных лесов, равна 54 тыс. км или около 31% всей территории республики с прогнозируемым запасом торфа около 56.8 млрд. м [89]. Площадь только болот равна 36 тыс. км или 21%о территории, а запас торфа в границах разведанных промышленных залежей равен -13 млрд. 734 млн. м или 2014,2 млн. т энергетического торфа 40% влажности [80]. При таких площадях и запасах торфа использование болотных ресурсов в хозяйственных целях в настоящее время незначительно и не приносит ощутимого эффекта. Издревле площади используемых для сельскохозяйственного растениеводства болот не превышают 1% их общей площади, а для нужд лесного хозяйства в 60-80-е годы прошлого века осушено около 13% всей площади болот. Кроме того, в сельском хозяйстве республики торф используется в качестве подстилки в животноводстве и удобрения в растениеводстве. Объем заготовки удобрительного торфа доходил в 80-е годы до 500 тыс. м3 в год. В последние годы из-за кризисных явлений в экономике наблюдается выбытие из хозяйственного использования ранее осушенных сельскохозяйственных и лесохозяйственных земель.
Другим направлением использования болотных ресурсов, имеющим многолетний опыт крупномасштабного использования в отечественной энергетике, является формирование в первой половине XX века отечественной тепло- и электроэнергетики на базе местных источников энергии. Торф тогда играл значительную роль в топливно-энергетическом балансе Европейской части страны. Он использовался как промышленное топливо в котельных и на крупных электростанциях. По плану ГОЭЛРО и позже были построены в Шатуре, Невской Дубровке, во Владимире и других местах крупные по тем временам электростанции, работающие на торфе. Для этого были разработаны технологии гидравлической и фрезерной заготовки торфа, а также его сжигания в слоевых и факельных топках. В конце 60-х годов объем заготовки торфа в стране приближался к 70 млн. т. В начале 60-х годов проектировалась Петрозаводская ТЭЦ в Карелии на базе торфяных месторождений Сод-дерской группы болот. С освоением северных нефтегазовых месторождений мазут и природный газ заместили в балансе страны торф.
Перестроечные изменения последних лет в политической, экономической и социальной политике страны привели к кардинальным изменениям условий, влияющих на использование ресурсов болот. Одно из существенных изменений в энергетической стратегии России — усиление роли региональных аспектов энергетической политики, проявившееся в стремлении регионов к самообеспечению конечными видами энергоносителей, ослаблении энергетических связей между энергоизбыточными и энергодефицитными регионами. Энергетическая стратегия России предусматривает использование местных видов топлива, в том числе торфа на малых ТЭЦ и котельных. В последнее время происходит непрерывный рост цен на привозное ископаемое топливо и дефицита мазута. Добыча торфа дает прирост валового регионального продукта, а привозные покупаемые виды топлива - нет, что влечет снижение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов. Спад в Карелии лесозаготовок, сельского хозяйства привел к снижению занятости населения, особенно в сельской местности. Поэтому создание торфозаготовительных предприятий будет способствовать решению проблемы занятости. Все эти появившиеся новые условия и предпосылки влияют на развитие масштабов использования торфа в качестве топлива. С другой стороны, положения Киотского протокола об учете выбросов углекислого газа в атмосферу привели к проблеме оценки баланса выбросов углекислого газа топливным комплексом и поглощения его лесными и болотными биоценозами, что особенно важно для Карелии, на территории которой доля осушенных болот больше, чем во многих других регионах России.
Проблеме использования торфа в качестве топлива в Карелии посвящен ряд работ [6, 11, 68, 69, 70, 72, 83]. В начале 1992 г. правительствами Финляндии и Российской Федерации был подписан договор о сотрудничестве, направленный на укрепление развития экономики в регионах, соседствующих с Финляндией. В рамках этого договора была начата работа над Энергетическим мастер-планом Карелии [83], осуществлявшаяся в сотрудничестве российскими и финскими организациями. В этой работе дается характеристика торфа как энергетического ресурса Карелии, а в выводах и рекомендациях отмечается, что при обновлении стареющих котлов рекомендуется перевод существующих систем районного отопления с угля и мазута на природный газ, древесные отходы и торф (когда это целесообразно). Приведенный предварительный технико-экономический анализ свидетельствует о рентабельности торфяных теплоэлектростанций. На первом этапе строительства теплоэлектростанций на торфяном топливе в Карелии предлагается рассматривать в качестве приоритетных следующие проекты: строительство Олонецкой, Медвежьегорской и Костомукшской теплоэлектростанций. Детальное и целенаправленное изучение перспективных месторождений топливного торфа в южной Карелии началось в рамках международного проекта ТАСИС «Развитие местных энергетических ресурсов Карелии, производства электроэнергии и теплоснабжения», раздел «Осуществление Энергетического мастер-плана» [69]. В рамках этой работы для конкретных населенных пунктов был осуществлен выбор болотных массивов, который производился на основе данных натурных изыскательских работ, проведенных в 1965-1995 гг. Карельским филиалом института «Союзгипролесхоз». Описаны технология, характеристики оборудования и дано экономическое обоснование заготовки торфа в Финляндии и в Карелии. В разделе «Технико-экономическое и экологическое обоснование использования местных видов топлива в Карелии» [70] проведено сравнение технико-экономических показателей отечественных и финляндских машин для заготовки фрезерного торфа, которое более подробно будет рассмотрено в 3.3.1. Разработана методика и по ней проведены расчеты себестоимости заготовки и транспортировки торфа на отечественной торфозаготовительной и транспортной технике, на основе которых определены территориальные зоны экономически целесообразного использования торфа и выбор для освоения его наиболее эффективных месторождений. Рассчитаны и оценены воздействия на природные комплексы вредных выбросов от местных видов топлива, находящиеся в пределах допустимых по требованиям экологии. В разделе «Потенциал использования выработанных торфяных болот Карелии» [68] исследуются основные факторы, обосновывающие вторичное использование торфяных болот. Основные технические показатели - это глубина и вид остаточного торфа, характер подстилающей почвы. Рассматривается опыт его вторичного использования в других странах. Исследования приводят к выводу, что основные возможности вторичного использования выработанных торфяников в Карелии будут во многом совпадать с современной практикой Финляндии: в лесоводстве, сельском хозяйстве, создании озер и повторном заболачивании земель.
В монографии Г.А. Борисова и Г.И. Сидоренко «Энергетика Карелии» [11] изложено состояние топливно-энергетического комплекса Республики Карелия на 1990-1995 гг. Показано пространственное распределение и приведены оценки потенциала местных биоэнергетических ресурсов, в том числе и торфа. Дана характеристика болотно-торфяного фонда Республики Карелия, приведены возможные практические объемы заготовки торфа в южных районах Карелии. В монографии «Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России» [6] изложены научно-технические основы использования возобновляемых источников энергии, в том числе и для торфа. Приведены современные методики расчета валового, технического и экономического потенциала использования торфа на примере Карелии. Последние работы по изучению возможностей добычи и использования местных ресурсов торфа были проведены в 1998-1999 гг. в рамках ТАСИС-проекта «Стратегия устойчивого теплоснабжения приграничных районов Республики Карелия» [72]. Определены реальные возможности использования для торфоразработки 49 болот в 7 приграничных районах Карелии. Большинство из них, находящихся в средней и южной Карелии, осушены и для предприятий сельского и лесного хозяйства в настоящее время не разрабатываются и могут использоваться для заготовки торфа. Опыт использования торфа в центральных областях страны (с объемом заготовки 20,8 млн. т у. т. в год [6]) показал, что в районах крупных топливных торфяных баз произошли нарушения экологической ситуации. По современному опыту Финляндии [90], заготав-ливающей за год 22 млн. м (1986), 25 млн. м (1994) [88,91] и имеющей вдвое большую территорию и площадь болот, чем Карелия, с каждого гектара заболоченных земель можно получить 2-2,5 м фрезерного торфа без значительного ущерба для окружающей природной среды при строгом выполнении природоохранных мероприятий. В Карелии нет практического опыта использования торфа для энергетических целей, поэтому проблема его использования находится на этапе предпроект-ных исследований, что расширяет область интересов и поиска, способствует возникновению новых задач.
В изменившихся использование болотных биоценозов получает новые предпосылки, стимулы и ограничения, которые неизбежно должны привести к изменению концепции использования болотных ресурсов. Эта концепция определяет возможные пути вовлечения их в хозяйственное использование (сельское и лесное хозяйство, энергетика). При этом надо решить как содержательные, так и информационные проблемы. Информационные проблемы могут быть решены с созданием гипертекстовой информационной системы, которая включает конкурентные источники топлива и энергии, ресурсы торфа, транспорт и использование различных энергоносителей, т.е. информационной системой по топливно-энергетическому хозяйству Карелии. Можно выделить следующие основные этапы анализа проблемы: - обоснование концепции многоотраслевого использования заболоченных земель в промышленных масштабах с учетом новых экономических условий и более жестких экологических требований; - проектирование осушения - как первоочередная задача хозяйственного использования болотных ресурсов; - разработка информационной системы с использованием современных технологий для выработки научно обоснованных решений целесообразности использования торфа в качестве топлива на основе оценки баланса выбросов ССЬ и управления производственными процессами заготовки, транспортировки и использования торфа. Цель работы -разработать математическое и информационное обеспечение для решения задач хозяйственного использования болотных ресурсов Республики Карелия. Для достижения поставленной цели в ходе исследований были решены следующие задачи: - проведен комплексный анализ хозяйственного использования болотных ресурсов; - построена математическая модель и разработан метод назначения проектных точек дна открытого канала для объектов осушительной мелиорации; - разработаны технология компьютерного проектирования открытых осушительных каналов в продольном профиле, алгоритмы и соответствующее программное обеспечение; - на основе проведенной оценки по выбросам углекислого газа даны рекомендации по использованию торфа в качестве топлива с учетом экологических требований; - разработано информационное обеспечение для исследования задач управления тепловым хозяйством; - построена математическая модель заготовки, транспортировки и использования торфа, позволившая определить параметры освоения торфокарьеров Северного Приладожья. При решении указанных задач использовались системный анализ и методы математической статистики, линейного и нелинейного программирования, современные информационные технологии. Научная новизна 1. Проведены оценки нового многоотраслевого направления использования болотных биогеоценозов в Карелии. 2. Предложена математическая модель по проектированию открытых каналов в продольном профиле и метод оптимального назначения отметок дна канала. 3. Разработана технология компьютерного проектирования лесоосушительных каналов. 4. Создана гипертекстовая информационная система по топливно-энергетическому хозяйству Республики Карелия. 5. Уточнена методика расчета баланса выбросов и стоков углекислого газа в атмосферу с учетом роли болотных биогеоценозов и использования торфа в Республике Карелия. 6. Предложена математическая модель оптимальной заготовки и транспортировки торфа, в которой отражены экологические требования по неистощительному использованию топливного торфа. Положения, выносимые на защиту 1. Математическая модель для решения задачи проектирования продольного профиля открытого канала осушительной мелиорации и метод назначения оптимальных отметок точек перелома проектного дна открытого канала. 2. Положения технологии и основные элементы автоматизации проектирования осушения в продольном профиле. 3. Гипертекстовая информационная система по топливно-энергетическому хозяйству Карелии. 4. Уточнение методики расчета баланса выбросов и стоков углекислого газа промышленностью, лесными и болотными биогеоценозами с учетом роли болотных биогеоценозов и использования торфа в Республике Карелия. 5. Оптимизационная модель заготовки и транспортировки торфа с учетом современных экологических требований для теплоснабжающих предприятий малой и средней мощности в северных регионах. Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и 3 приложений, имеет общий объем 187 страниц текста, включая 40 листов приложений и список литературы, содержащий 93 наименования. Во введении приводится обоснование актуальности темы диссертации, сформулирована цель работы, описана ее структура и представлены положения, выносимые на защиту, формулируются основные результаты, показана их практическая значимость и степень внедрения в организациях соответствующего профиля.
В первой главе диссертации приводятся общие характеристики болотных биогеоценозов Карелии, рассматриваются формирование, классификация болотных биогеоценозов, структура залежей торфа, оценивается степень их изученности. Дается описание хозяйственного использования болотных биогеоценозов. Подробно рассматривается вопрос о применении торфа как топлива, обусловленном его составом: большим содержанием углерода, малым - серы и других вредных негорючих остатков и примесей. Проводится экологический анализ опыта хозяйственного использования болотных биогеоценозов, в соответствии с которым узкоотраслевой подход к их использованию не оправдал себя. Необходим комплексный характер их освоения, учитывающий естественный ход заболачивания и различные направления использования. Поэтому в первую очередь нужно оценить перспективы хозяйственного использования болот и заболоченных земель в новых условиях, учитывая ряд неудач в предшествующие десятилетия при лесомелиорации, использовании торфяного топлива, и способствовать более эффективному хозяйственному использованию болотных биогеоценозов, применяя информационные технологии. Для этого, прежде всего, сформулированы возможные направления новой стратегии использования болот, которые заключаются в комплексном использовании возможностей различных слоев одного болота для нуэюд сельского хозяйства, энергетики и лесного хозяйства. Верхний слой торфа целесообразно использовать для сельского хозяйства в качестве подстилочного, следующий — как топливо, а на нижнем, более минерализованном слое, осуществлять посадку леса [79].
Вторая глава содержит исследования и разработки методов и технологии автоматизированного проектирования открытых осушительных каналов, проведенные в рамках выполнения следующих научно-исследовательских тем: «Исследование и разработка методов автоматизированного проектирования коммуникационных сетей» (№ гос. регистрации 81020596), «Исследование и разработка методов автоматизированного проектирования агромелиоративных каналов и закрытых коллекторов» (№ гос. регистрации 80065893), «Теоретические основы и реализация системы автоматизированного проектирования линейных сооружений для лесной промышленности и лесного хозяйства» (№ гос. регистрации 0182.6018478).
Были решены следующие задачи: - разработана математическая модель осушительных и проводящих каналов с требующейся степенью адекватности существующим методам, нормам и правилам проектирования;
- обоснованы и разработаны алгоритмы автоматизированного проектирования, отличающиеся от традиционных оптимизацией дна канала и полной формализацией выбора расчетных методов и нормативов.
Разработанный алгоритм назначения отметок перелома проектного дна канала отличается от известных ранее тем, что не требует сопоставления многих вариантов проектной линии и дает наилучшее положение точек перелома проектной линии не только по вертикали, но и по горизонтали, соответствующее минимуму стоимости строительства канала.
На основе полученных моделей и метода оптимизации проектных решений под руководством и непосредственном участии автора были осуществлены разработки систем автоматизированного проектирования объектов лесохозяйственного и сельскохозяйственного осушения «КАНАЛ» и «АГРОКАНАЛ». Система автоматизированного проектирования объектов лесоосушения «КАНАЛ», представленная в диссертации, прошла приемочные испытания и была принята Госкомиссией для промышленной эксплуатации в масштабах страны. По результатам приемочных испытаний снижение затрат труда и стоимости на проектирование 1 км лесомелиоративного канала составляет соответственно 52,6 и 42,8%. Практически все проектные организации отрасли, используя эту систему, перешли на автоматизированное проектирование объектов лесоосушительной мелиорации. Результаты внедрения систем в проектных организациях показывают высокую эффективность использованных в системах методов оптимизации, достаточную для практического использования полноту формализации и адекватность объектам, а анализ опыта их эксплуатации - повышение производительности труда и качества проектирования, снижение потребности в сотрудниках низкоквалифицированных профессий, сокращение сроков проектирования.
В третьей главе изложены результаты исследований по темам «Исследование и разработка информационного обеспечения и математических моделей для анализа и прогнозирования регионального топливно-энергетического комплекса» (№ гос. регистрации 01.9.60012638), «Математическое моделирование энергетических и транспортных систем» (№ гос. регистрации 01.2.00103999). Эти исследования посвящены решению новых задач, связанных с использованием торфа для энергетических целей:
- созданием информационной базы по энергетическому хозяйству Карелии;
- оценке экологических ограничений на использование торфа по балансу С02 на территории республики;
- оптимизации выбора торфяных баз для его потребителей с учетом заготовки, транспортировки и потребностей в энергии.
Созданная гипертекстовая информационная система существенно облегчает поиск эффективного решения задач различного уровня (поселкового, районного, республиканского). Эта система по топливно-энергетическому хозяйству Карелии имеет многоуровневую (территориальную, отраслевую, временную) иерархическую структуру. Она содержит Каталог первичных документов, в который входят географические, климатологические и социально-экономические характеристики районов и непосредственно технико-экономические данные по объектам энергетического хозяйства Карелии, которые состоят из 11 разделов. Обращение пользователя к системе предельно упрощено путем использования стандартных программ пакета MS Office. Объем гипертекстовой информационной системы составляет свыше 50 Мбайт.
Разработан локальный вариант Web-сайта по энергетике Карелии, представляющий собой структурированный набор html-страниц. Многоуровневая структура системы реализована с помощью иерархического упорядочивания ссылок. На верхнем уровне иерархии отражаются только самые главные концепции, а по мере приближения к нижним уровням информация постепенно детализируется.
Эта информационная система послужила и основой для исследования экологических проблем по использованию торфа, возникших после принятия Киотского протокола по ограничению выбросов ССЬ. Для выяснения роли торфа в выбросах СОг и принципиальной возможности его использования предложена методика расчета баланса выбросов и стока углекислого газа и рассчитан баланс для базового 1990 г. (для Карелии). В результате этих расчетов получено, что выбросы углерода от лесного комплекса Карелии соизмеримы с выбросами от сжигания ископаемого топлива. Учет выбросов и адсорбции углерода при функционировании лесного комплекса необходим также для организации переуступки квот на выбросы внутри страны с целью персонификации ответственности деятельности физических и юридических лиц. В соответствии с имеющимися в России оценками сжигание ископаемого топлива соответствует 98% антропогенных выбросов С02. В масштабе региона такие оценки завышены и принижают роль лесного комплекса страны в формировании и регулировании баланса углерода, а также возможностей продажи квот на выбросы и получения доходов от регулирования стоков углерода лесными и болотными биогеоценозами. Это позволит стимулировать в будущем использование месторождений торфа в качестве топлива, особенно полученного с ранее осушенных болот.
Далее в диссертации рассматриваются вопросы заготовки и транспортировки торфа, дается характеристика теплового хозяйства Карелии и использования в нем этого вида топлива. Из проведенного анализа фактического положения дел следует, что нет ни одного достаточно успешного реализованного проекта котельной, работающей на нем. Для выяснения причин этого и проведения оценки перспективности конкретных торфяных месторождений предложена математическая модель оптимальной заготовки и транспортировки торфа, в которой отражены экологические требования по его неистощительному использованию. С использованием модели проведен конкретный анализ перспективности торфокарьеров Северного Приладожья, обоснованы соответствующие рекомендации.
Возможности модели не исчерпываются полученными результатами моделирования. Методический и программный аппарат моделирования может быть легко адаптирован к количественной оценке решений по использованию на территории нескольких видов местного топлива -торфяного и древесного. В настоящее время ведется целенаправленный сбор данных по ресурсам древесных отходов, себестоимости производства обогащенного топлива - брикетов, гранул, а также традиционного для российского опыта использования железнодорожного и промышленного транспорта.
В Карелии площадь болотных биогеоценозов превышает 31% ее территории, их использование имело недостаточный и узкоотраслевой характер. Такая старая стратегия узкоотраслевого подхода к использованию болотных биогеоценозов не оправдала себя. Необходим по примеру Финляндии комплексный характер их освоения, учитывающий возросшие природоохранные требования. Возможные направления новой стратегии использования болот заключаются в комплексном использовании различных слоев одного болота для нужд сельского хозяйства, энергетики и лесного хозяйства. Верхний слой неразложившегося торфа целесообразно использовать для сельского хозяйства, следующий - как топливо, а на последнем, более минерализованном слое, осуществлять посадку леса. При исследовании возможности применения такой стратегии были получены следующие результаты: 1. Построена и исследована математическая модель осушительных каналов, используемая для их автоматизированного проектирования. Предложен специальный метод назначения проектных отметок дна канала, отличающийся от известных тем, что не требует ни сопоставления многих вариантов проектной линии, ни расчета критерия их сопоставления. Он дает наилучшее положение точек перелома проектной линии не только по вертикали, но и по горизонтали.
2. На основе этого метода разработаны системы «КАНАЛ» и «АГРОКАНАЛ» для автоматизированного проектирования объектов осушительной мелиорации с полной алгоритмизацией однозначного выбора локальных алгоритмов и расчетных формул для различных подзадач проектирования, с разработанными алгоритмами поиска и обнаружения ошибок в собранных и подготовленных данных, с разработанной технологией проектирования с высокими показателями производительности, качества и эффективности.
3. Разработана гипертекстовая информационная система для теплового хозяйства Республики Карелия, которая должна облегчить поиск необходимых документов при решении задач различного уровня. Эта система уже используется во многих общеэнергетических исследованиях, в том числе и при написании раздела «Политика в области энергетики» при разработки «Концепции социально-экономического развития Республики Карелия».
4. Приводится уточнение методики расчета баланса атмосферного углерода на территории Карелии, отличающейся от известных учетом выбросов углерода с осушенных болот, занимающих в Карелии до 15% болотного фонда.
5. Построена и исследована математическая модель заготовки, транспортировки и использования топливного торфа. Проведенные численные исследования на модели для условий Северного Приладожья показали предпочтительность концентрированного освоения ограниченного числа торфяных месторождений перед осуществляемыми попытками освоения разрозненных месторождений небольшой мощности. Возможности модели не исчерпываются полученными результатами моделирования. Методический и программный аппарат моделирования может быть легко адаптирован к количественной оценке решений по использованию на территории нескольких видов местного топлива - торфяного и древесного. Внедрение результатов Система «КАНАЛ» принята в Государственный Фонд алгоритмов и программ с подтверждением новизны разработки, внедрена в Карельском, Архангельском, Ленинградском, Орловском, Белорусском филиалах института «Союзгипролесхоз», экспонировалась на ВДНХ. Автор за разработку системы и ее внедрение награжден серебряной медалью ВДНХ (удостоверение № 24300, постановление № 526-Н от 29 августа 1989 г.). За счет использования систем в проектных организациях заметно снизились трудоемкость проектных работ, количество арифметических и методических ошибок (полное отсутствие рекламаций по расчетной части проектов). Эффективность систем программ подтверждена решениями приемочных комиссий. Разработанная гипертекстовая информационная система по топливно-энергетическому хозяйству Карелии использовалась при проведении ряда исследований по проблемам общей энергетики, в том числе и при написании следующих работ и документов: - раздела «Политика в области энергетики» «Концепции социально-экономического развития Республики Карелия на период 2002-2006-2010г.г.»[49, 57]; - «Концепции социально-экономического развития Республики Карелия на период 1999-2002-2010 гг.» [24, 25]; - BIPIR-programme. The Bio-fuel potential from forest and wood industry in the regions in the North West Russia, 1999 [85, 86]; - раздела «Республика Карелия» в Российско-Скандинавском проекте по разработке сценариев устойчивого развития топливно-энергетического комплекса Северного экономического района РФ, 2001 [58]; - ТАСИС-проекта ERUS-9701 «Устойчивое теплоснабжение приграничных районов Республики Карелия», 2000 [27], «Анализ и оценка выбросов в атмосферу углекислого газа при сжигании топлива в Республике Карелия», 2000 [71]; - раздела «Технико-экономическое и экологическое обоснование использования местных видов топлива в Карелии» в ТАСИС-проекте ERUS 9504 «Развитие местных источников энергии в республике Карелия», 1998 [70,93]. Разработанная информационная система использовалась при написании некоторых разделов монографий «Энергетика Карелии» [11], «Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России» [6], содержащих систематическое изложение проблем общей энергетики Карелии и России. Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались на: - Всесоюзной научной конференции «Автоматизация проектирования гидроэнергетических и водохозяйственных объектов» (Ленинград, 1983); - научно-практической конференции «Применение вычислительной техники в научных исследованиях и проектировании» (Петрозаводск, 1986); - юбилейной научной конференции КарНЦ РАН (к 250-летию РАН) (Петрозаводск, 1999); - Четвертом международном семинаре по биоэнергетике «GREEN ENERGETICS: from modern technology to the new philosophy» (Иоэн-cyy, Финляндия, 2000); - научно-практической конференции «Устойчивое развитие региона: лесопромышленный комплекс» (Петрозаводск, 2000); - Пятом международном семинаре «Российские технологии для индустрии. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии». (С.Петербург, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, 2001); - Международной конференции «Перспективы использования механизмов Киотского протокола к Рамочной конвенции ООН по изменению климата для реализации проектов в сфере энергетики и энергосбережения» (Петрозаводск, 2001); - Всероссийской научной школе «Математические методы в экологии» (Петрозаводск, 2001); - научной конференции «Карелия и РФФИ» (Петрозаводск, 2002); - семинаре по биоэнергетике «Bioenergy Network Meeting» (Иоэнсуу, Финляндия, 2003). Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 16 научных работ [2, 12, 13, 15, 17-19, 21, 22, 27, 28, 66, 76-78, 87]. Автор работы выражает глубокую благодарность научному руководителю к.т.н. Борисову Г.А. за идеи и рекомендации. Автор работы также выражает благодарность заведующему лабораторией д.ф.-м.н., проф. Заике Ю.В. за научные консультации и поддержку исследований, коллегам по лаборатории, особенно Воиновой Г.В., Леонтьевой Т.Ф., Сюкияйнен Р.А., Андреевой СП. за многолетнее сотрудничество по созданию автоматизированных систем проектирования линейных сооружений. Автор выражает искреннюю признательность к.ф.-м.н., доц. Вдови-цыну В.Т. и д.ф.-м.н., проф. Павлову Ю.Л. за рекомендации и критические замечания по работе.
Формирование болотных биогеоценозов, классификация, структура торфа
Болотные биогеоценозы характеризуются большим разнообразием типов - от открытых болот и топей до заболоченных лесов. Поэтому использование болотных биогеоценозов включает в себя использование их элементов (леса, торфа, осушенных болотных территорий). Структура болотного биоценоза с точки зрения хозяйственного использования складывается из надземной части (растительность), верхнего слоя торфяника - очеса, разложившегося торфа и минерального дна. Кроме того, все эти структуры характеризуются разной степенью насыщенности водой [3].
Разнообразие типов, структурных частей, наземной растительности, параметров составляющих делают возможным чрезвычайно разнообразное использование болотных биогеоценозов для нужд человека.
Торф - ценнейший природный биологический материал. Из всех видов это самые молодые залежи твердых топлив, образующиеся естественным образом, путем разложения отмерших частей деревьев, кустарников, трав и мхов, в условиях повышенной влажности и ограниченного доступа кислорода. Процесс образования твердых видов топлива можно разделить на стадии и представить в следующем виде:
Сухое вещество торфа состоит из продуктов распада, растительных остатков и минеральных включений. Растения - торфообразователи могут принадлежать к различным ярусам растительных сообществ. Все они при определенных условиях - торфообразователи. Отдельные слои торфа включают остатки нескольких торфообразователей, поэтому он разнороден по ботаническому составу.
Группы растений атмосферного питания образуют торф верхового типа, а торфообразователи, питающиеся грунтовыми водами, - низинный. В зависимости от возраста и условий образования (исходный материал, климатические условия) торф имеет различную степень разложения и цвет от светло-коричневого до коричнево-черного. От этих же условий зависит его структура, кислотность, влагоемкость, содержание макро- и микроэлементов, энергетическая ценность и другие параметры.
При образовании торфа растения после отмирания, как уже было отмечено выше, попадают в сильно увлажненную, бедную кислородом среду. Здесь они полностью не разлагаются, как в почве, а только частично, поэтому их остатки накапливаются из года в год.
Принцип образования торфяной залежи представлен в следующей схеме: Торф по условиям образования делится на верховой, низинный и переходный [53]. Верховой торф состоит из сфагновых (белых) мхов, пушицы, багульников и других растений, мало требовательных к пище и воде.
К низинному торфу относятся разложившиеся зеленые мхи (гип-новые), осоки, тростники, вейники, хвощи и древесные породы. Переходный торф занимает промежуточное положение между верховым и низинным. На переходных болотах растут сфагновые и зеленые мхи (низинные и верховые), осока, пушица, багульник и др.
Торфяник состоит из двух слоев. Верхний, очень неглубокий, известен под названием очес и состоит из живых растений сфагнума. Мощность его обычно не более 30 см, но на болотах Прибеломорья доходит до 1,5 м. Выпадающие осадки быстро проходят сквозь этот слой. Вся остальная масса торфяника, залегающая под очесом, называется торфом. Он состоит из спрессованных остатков сфагнов и других болотных растений. Вода сквозь него движется крайне медленно, обычно не более 1 м в день.
Различают торф и по степени его разложения: слабо-, средне- и сильноразложившийся. Различный исходный материал и обширный диапазон изменения условий торфонакопления являются причиной многообразия свойств торфа, что определяет широкий спектр его применения.
Торф - частично возобновляемая биомасса, образование, накопление и разложение которой происходит и в настоящее время. По дан ным некоторых авторов [31, 32, 39] годичный прирост торфа в Карелии оценивается при различных условиях в 0,4-1,5 мм/год. По более поздним данным в Карелии площадь заболоченных земель увеличивается на 600-900 га, а средняя толщина торфяной залежи за счет прироста биомассы мхов, травы, древесных растений на 0,44-0,8 мм [39]. По происхождению и химическому составу торф занимает промежуточное положение между древесной биомассой и ископаемыми углями. Содержание углерода составляет: в горючей древесной биомассе около 50-51%, в горючей массе торфа - 55-58%, у отечественных углей - 65,5-91,2%, соответственно и содержание кислорода: в горючей древесной биомассе - 42-48%, в горючей массе торфа - 32-36%, у отечественных углей - 2,1-26,5% [84, 90]. Биомасса болотных растений приобретает свойства и качества топливного торфа через сотни и тысячи лет. Предельный возраст самых древних болот в Карелии 9,5-13 тыс. лет [54].
Происходит и заболачивание уже осушенных территорий ввиду того, что не производится должный уход за этими территориями, т.е. идет прирост торфяных запасов, заболачивание земель с выводом ранее осушенных из хозяйственного оборота. Ввиду этого торф как энергоноситель может быть отнесен к частично возобновляемым источникам энергии.
Возможности вторичного использования торфяных залежей в Карелии
Использование любого болотного массива для заготовки топливного торфа приведет к созданию выработанных площадей через 15-20 лет.
Основные возможности вторичного использования выработанных торфяников в Карелии широко перекликаются с сегодняшним опытом в Финляндии - лесоводство, сельское хозяйство, образование озер и заболоченных территорий [68]. Сельскохозяйственное использование
По данным Государственного отчета по состоянию окружающей природной среды в Республике Карелия, опубликованного в 2001 году, сельскохозяйственные земли занимают общую площадь 218 000 га или 1,26% территории. С 1990 г. сельскохозяйственное производство в республике, снизилось примерно до 55%. В то время Карелия на 80% само обеспечивалась продуктами питания. Этот показатель сегодня упал до 40%). Государственная политика Российской Федерации заключается в увеличении объема производства сельскохозяйственной продукции и увеличении уровня самообеспечения, что является одной из причин для рассмотрения вторичного использования выработанных торфяников для сельского хозяйства. Лесоводство
В Республике Карелия естественные лесные массивы на торфяных залежах занимают 18 200 км . В этих лесах насаждения сосны составляют 57% от общей территории; насаждения ели - 36%; насаждения березы, осины и ольхи занимают 7% [68]. Маловероятно, что эти пропорции могут повлиять на вторичное использование выработанных торфяников в Карелии для лесоводства. Финские исследования показали, что сосна и береза являются самыми удачными видами растений на территориях выработанных торфяников. Норвежская ель не использовалась в качестве одной из первоначальных культур из-за преобладания на торфяниках поздних морозов.
Опыт осушения безлесных торфяников для лесоводства в Карелии показал, что невозможно достичь быстрого роста леса, не выполнив ряд условий. Эти условия: необходимое понижение уровня грунтовых вод, достаточная густота высаживания рассады и использование правильных удобрений. Такие же условия необходимо соблюдать, чтобы обеспечить успешное развитие лесных насаждений на выработанных торфяных территориях.
Режим дренирования, установленный при выработке топливного торфа, должен положительно влиять на рост леса при условии, что основные дренажные водостоки поддерживаются в чистоте и являются функциональными. Глубина торфа играет основную роль, и финский опыт показывает, что слой торфа 20-30 см - это максимальный слой, который следует оставлять. Если глубина торфа больше, корни деревьев не смогут проникать в подстилающую минеральную почву и будет необходимо повторное удобрение насаждений.
Остаточный торф в основном не содержит достаточного количества фосфора и калия. Добавление удобрений, содержащих эти элементы обеспечивает выживание как естественных побегов, так и пикированной рассады.
Специалисты поделили Карелию на три основные болотные зоны: северную, среднюю и южную. В случае крайней необходимости заготовку торфа можно вести в любой из них, но на первом этапе предпочтительнее в южной Карелии. Причины, как всегда, экономические. Болота северной зоны - Прибеломорье, Кемский район - не подвергались мелиорации. Влажность торфа здесь составляет 90-95%.
Реализация программных комплексов проектирования осушительной мелиорации
Автор принимал участие в разработке следующих систем: система автоматизированного проектирования объектов лесоосу-шения «КАНАЛ» [2, 17, 21, 22, 34, 35, 64, 65, 66, 76, 77, 78]; система автоматизированного проектирования объектов сельскохозяйственной осушительной мелиорации «АГРОКАНАЛ» [10, 35, 63, 75]; система автоматизированного проектирования реконструкции осушительной сети «РОСА» [19, 20, 27, 28, 67].
В дальнейшем изложении более подробно будем останавливаться на тех компонентах систем, в которых алгоритмы и/или программы разработаны автором. Назначение системы «КАНАЛ»
Система по автоматизированному проектированию объектов лесо-осушения «КАНАЛ» служит для назначения положения и расчета элементов линии дна канала, вычисления объемов земляных и подготовительных работ, разравнивания кавальеров, для проведения гидрологических и гидравлических расчетов, вывода чертежа продольного профиля канала, вывода итоговых ведомостей объемов строительных работ на объект в целом. Назначение системы «АГРОКАНАЛ»
Система по автоматизированному проектированию объектов сельскохозяйственной мелиорации («АГРОКАНАЛ») осуществляет проектирование положения продольного профиля открытого канала и закры того коллектора, производит гидравлический расчет каналов, для открытых каналов после вывода продольного профиля выводится ведомость объемов земляных работ по данному каналу, для закрытых коллекторов — ведомости подбора диаметров трубок, подсчет объемов земляных работ и способы защиты от заиления. Назначение системы «РОСА»
Система предназначена для расчета проектных сечений и проектного дна реконструируемого канала, расчета и вывода поперечных и продольных профилей каналов, ведомостей земляных и трассоподгото-вительных работ по каждому каналу, а также сводной ведомости земляных работ на объект реконструкции в целом.
Все три системы имеют много общего и каждая определенные специфические особенности, что определяется объектом исследования и технической базой реализации систем.
Рассмотрим принципы создания систем на примере системы «КАНАЛ». В этой системе реализуются системные принципы: включения, системного единства, развития, комплексности, информационного единства.
Принцип включения предусматривает, что требования к созданию, функционированию и развитию системы определяются со стороны более сложной, включающей в себя организационной системы. Система «КАНАЛ» является подсистемой системы автоматизированного проектирования линейных сооружений в лесной промышленности и лесном хозяйстве и привязывается к процессу проектирования в этих отраслях в части согласованных по составу, объему и времени информационных потоков на входе подсистемы, по форме и объему на выходе подсистемы, действующих нормативных документов.
Принцип системного единства состоит в том, что на всех стадиях создания, функционирования и развития целостность системы должна обеспечиваться связями между подсистемами, а также функционирова ниєм подсистемы управления. Связи между подсистемами определяются общностью программного обеспечения процедур обработки данных, со-подчиненностью блока гидрологии и гидравлики для нужд дорожного проектирования.
Принцип развития требует, чтобы система разрабатывалась и функционировала как развивающаяся система. Для этого в системе должно предусматриваться наращивание и совершенствование компонентов и связей между ними. В соответствии с этим принципом предусмотрено модульное построение программного обеспечения и нормативной базы данных со специальными процедурами для актуализации нормативов.
Принцип комплексности требует, чтобы в системе обеспечивалась связность проектирования отдельных элементов и всего объекта в целом на всех стадиях проектирования. Для этого в подсистемах должны предусматриваться компоненты, осуществляющие комплексное согласование и контроль характеристик элементов и объекта в целом. С учетом принципа комплексности выбрана структура алгоритмов, полностью в которой формализованы все связи между алгоритмами для типовых ситуаций и предусмотрены управляющие воздействия на них.
Принцип информационного единства состоит в том, что в подсистемах, средствах обеспечения и компонентах должны использоваться термины, символы, условные обозначения, способы представления информации, установленные в отраслях соответствующими нормативными документами. Формирование нормативно-справочной информации осуществляется с учетом принципа информационного единсЪштема «РОСА» по своим реализованным функциям является частью системы «КАНАЛ», поэтому остановимся на описании систем «КАНАЛ» и «АГРОКАНАЛ». Режимы работы систем
В системах предусматривается два режима работы: «вариант проектировщика» и «компьютерный вариант». Для работы в режиме «вариант проектировщика» традиционным образом назначаются переломы линии дна канала и в соответствии с ними ведутся дальнейшие этапы проектирования. Для работы в режиме «компьютерный вариант» переломы линии дна канала определяются программно с оптимизацией объема земляных работ. Если в каких-то точках предполагается закрепить отметку дна канала, то заполняется для данного пикетажного значения графа «Отметка проектного дна канала». Примеры рассчитанных продольных профилей каналов приводятся в приложении 2.
Математическое моделирование заготовки и транспортировки торфа
В период до 1994 г. торф в Карелии для энергетических целей не добывался. Имеющийся в республике опыт осушительной мелиорации болот, транспорта удобрительного торфа и древесной технологической щепы, использования ее в отопительных установках позволили получить экономические оценки заготовки, транспортировки и использования энергетического торфа с учетом имеющихся условий [70]. Технология и техника для производства энергетического торфа
В работах [45 69, 82, 92, 93] рассмотрены технические, технологические и финансово-экономические аспекты заготовки топливного торфа в Финляндии и Ирландии. Кроме того, в этих работах изложены экономические оценки использования импортной техники для условий конкретных торфяных месторождений южных районов Карелии. При развитии добычи торфа более вероятно использование отечественных машин и механизмов из-за наличия в стране многолетнего опыта их серийного выпуска и эксплуатации, обученных кадров, системы снабжения запасными частями, нормативной базы для проектирования. Кроме того, отечественные технологии и торфодобывающие машины были прототипами для финских. Дальнейшее развитие последних привело к переходу с гусеничной на широкопрофильную колесную базу, которая дала значительный рост их производительности. Однако навесные и прицепные механизмы торфодобычи на колесной базе уступают гусеничным по проходимости на грунтах с низкой несущей способностью, которая появляется у торфа в дождливые периоды его заготовки. В связи с этим не только отечественные, но и ирландские системы торфозаготовительных и мелиоративных машин работают на гусеничной базе [70].
В Карелии имеется многолетний опыт производства подстилочного и удобрительного торфа для использования в сельском хозяйстве, объем заготовки которого в конце 80-х г.г. достигал 500 тыс. т сырца в год. Заготовкой торфа занимались передвижные мелиоративные колонны и совхозы в большинстве районов республики, где имеются подготовленные к эксплуатации торфяные поля площадью более 1 300 га. Еще более значителен опыт проведения гидромелиоративных работ для сельского и лесного хозяйства. Исходя из этого опыта и пользуясь имеющейся нормативной базой, проведена финансово-экономическая оценка проектов освоения месторождений торфа, определены затраты при подготовке месторождений - строительство подъездной дороги, сводка леса, сооружение осушительной сети, строительство вспомогательных объектов - пожарных бассейнов, отстойников, площадок для складирования торфа и т.д., выдержка его в течение трех лет. Основное производство будет оцениваться на основе актуализированных цен на серийно выпускавшиеся и выпускаемые торфозаготовительные машины и трактора. При добыче фрезерного торфа отечественный комплект торфодобывающих машин работает на базе гусеничных тракторов ДТ-75 БС с болотоходным движителем - гусеницей увеличенной ширины и оснащенных двигателем повышенной мощности 90 л. с. Состав комплекта машин для добычи фрезерного торфа, их технико-экономические характеристики даны в табл. 3.3. Исходя из сравнения данных табл. 3.3 нет оснований утверждать, что отечественные машины уступают по производительности финским. Уступает по производительности в 1,6-2,3 раза лишь фрезерующая машина МТФ-13. Поэтому в комплекте отечественных машин на сопоставимый с финским комплектом объем сезонного производства в 75 тыс. м потребуются дополнительно еще одна такая машина и трактор. Зато в соотношении цен на эти машины явное пре имущество у отечественных, что в совокупности с повышенной проходимостью, обеспечением запасными частями, подготовленностью к их обслуживанию кадров и возможностью организации их производства на машиностроительных заводах Карелии предопределяет предпочтение отечественным машинам. При замене в расчетах финского комплекта машин отечественными, учитывая их производительность, следует взять дополнительную фрезерующую машину и на один валкователь меньше [70].
Для перевозки фрезерного и кускового торфа разработан и серийно выпускается автоторфовоз в виде седельного саморазгружающегося гидравлического полуприцепа на базе тягача МАЗ-5930 с емкостью ку-зова 30 м . Его отличие от щеповозов заключается в том, что из-за пылевидных фракций торфа кузов выполнен закрытым. Так как удельный вес кускового торфа и древесной щепы одинаковы, то более распространенные и в настоящее время практически неиспользуемые щеповозы могут быть использованы для перевозки торфа таким же образом, как и для перевозки сухих опилок, - путем затягивания загруженного торфом кузова брезентовым покрытием. При равенстве удельного веса, цены и нормы транспортировка торфа и щепы будут одинаковыми. Сопоставление себестоимости перевозки древесной щепы в отечественных условиях (дороги, щеповозы, автотягачи) показывает, что она в 4 раза выше финской. Это получается за счет вдвое более высокой скорости и вдвое более высокой рейсовой нагрузки у последней, получающейся при использовании автопоезда по схеме «полуприцеп + прицеп».
