Статья: Анализ положений сквозной технологии на основе энергетических лесных плантаций

Обработка данных проводилась на основании «принципа ближайшего соседа». Для решения использовался агломеративным иерархическим алгоритмом классификации. В качестве расстояния между объектами принято обычное евклидово расстояние.

Важным условием успешного создания энергетических плантаций и планирования их территории является разумная организация переработки древесных отходов, возникающих при выращивании плантационных деревьев и переработки древесного сырья для получения конечной продукции. Чтобы решить задачу переработки тонкомерных древесных материалов эффективно, рекомендуется использовать мобильные рубильные машины.

При выборе наилучшего варианта рубильного оборудования, применяемого в условиях энергетических лесных плантаций нами использовались общелогические методы исследования в части анализа режимов работы рубильного оборудования для переработки древесного сырья, который позволил установить, что в настоящее время выпускаются рубильные машины со следующими типами механизмов резания: древесины резания: дисковые, барабанные, роторные, молотковые дробилки, шредеры. [19,20]

Образцами для сравнительного анализа конструкции рубильного оборудования послужили по 2 экземпляра данных типов рубильных машин [21,22,23]. Всего для анализа представлено 10 рубильных машин.

Сравнительный анализ режимов работы рубильных машин проводился методом k-средних, разработанным Маккуином (1967) и на данный момент является одним из наиболее широко используемых неиерархических методов.

Количество кластеров в методе k-средних должно быть определено методом локтя, который является распространенным способом определения соответствующего количества кластеров. С каждым новым кластером общая вариация в каждом кластере становится все меньше и меньше. В крайнем случае, когда кластеров столько, сколько точек, результат равен нулю. В табл. 2. представлены данные для сравнительный анализ режимов работы рубильных машин.

Таблица 2. Сравнительный анализ режимов работы рубильных машин

Table 2. Comparative analysis of chipperoperating modes

Источник: открытые данные производителей оборудования

Source: open data from equipment manufacturers

При проведении анализа использовались положения проектных решений по созданию, выращиванию и использованию лесных плантаций, изложенные в работе Л.И. Загидуллиной [24].

Суть предложенного метода заключается в определении затрат на выращивание культур в лесной плантации в сравнение с полученным доходом от реализации щепы, произведенной из плантационной древесины.

При проведении исследований нами рассматривались проектные мероприятия по созданию энергетических лесных плантаций на участке заброшенных сельскохозяйственных земель площадью 24 га, расположенных на территории ОГУ «Вязовский лесхоз» (рис.1).

Рисунок 1. Местоположение участка для проведения проектных работ по энергетическому плантационному лесоразведению

Figure 1. Location of the site for plantation afforestation project works

Источник: Гугл-карты

Source: GoogleMaps

Лесорастительные условия данного участка будут способствовать обеспечению наилучших показателей лесовыращивания, так он расположен в пойме реки, где влажная почва способствует быстрому росту деревьев.

Участок (категория территории), выбранный для создания проекта, относится к - залежным землям, лесополосам, бывшим сельскохозяйственным землям, старым невосстановленным лесополосам основных видов и пустошам с удаленными или сгнившими пнями, участкам без естественного возобновления, где возможно постоянное культурное выращивание деревьев. На площади участка предлагается сплошная обработка участка трактором Беларус-3522 с мульчером SERRAT FX5 T2000.

Результаты

Выбор породы. В результате расчета данных, приведенных в табл. 1 образовано 3 кластера: S(1,2,4,10), S(3,9), S(5,6,7,8). В первый кластер вошли 4 породы: сосна обыкновенная, лиственница сибирская, береза повислая, клен остролистный.

Первый кластер представлен породами, имеющими высокую плотность древесины и среднюю по выборке теплоту сгорания. Второй кластер представлен двумя породами:ясень ланцетный,дуб черешчатый.

Результаты иерархической классификации объектов представлены на рис. 2 в виде дендрограммы [25]. Это породы имеющие наивысшие показатели в выборке плотности древесины и теплоты сгорания.

В третий кластер вошли следующие 4 породы: ольха черная, осина, тополь бальзамический, ива древовидная. Это группа быстрорастущих пород, которые имеют небольшую плотность древесины, но высокие показатели в своей группе теплоты ее сгорания.

Рисунок 2.Иерархическая классификация пород по плотности древесины в абсолютно-сухом состоянии и теплоты её сгорания

Figure 2: Results of hierarchical classification of species according to wood density in absolutely dry state and its calorific value

Источник: Собственные вычисления авторов

Source: Authors' owncalculations

Поэтому руководствуясь значениями теплоты сгорания древесной биомассы пород, данного кластера закладка энергетических плантаций наиболее благоприятна с применением быстрорастущих пород ивы и тополя, входящих в один кластер. Саженцы данных пород в первые годы жизни имеют высокие показатели роста и накопления биомассы.

Для создания лесных плантаций мы предлагаем использовать тополь бальзамический - это растение, способное поглотить в два раза больше углекислого газа, чем любые другие привычные виды, применяемые для озеленения. Кроме того, оно сокращает уровень шума и загрязнения воздуха в 1,5 раза. Заметим, что одно дерево тополя в день вырабатывает столько кислорода, сколько восемь лип, шесть дубов, пять кленов или тринадцать елей.

Тополь отличается стремительным ростом, исключительной устойчивостью к загрязненности атмосферы и солености почвы, а также не требует особого ухода. Все эти факторы сделали его лучшим вариантом для использования в быстром озеленении [26].

Поэтому при разработке положений сквозной технологии подготовки энергетических ресурсов при плантационном лесовыращивания нами предполагалось, что в качестве посадочного материала можно использовать саженцы-барбателлы тополя бальзамического с нормой высадки 2200 шт/ га, которые довольно часто используют за рубежом для закладки энергетических плантаций. Барбателла представляет собой черенковый саженец с однолетним побегом и двулетней корневой системой.

Уход за энергетическими лесными плантациями проводится машинами, которые могут производят работы в рядах с различным расстоянием между деревьями. Технология создания энергетических лесных плантаций во многом схожа с обычным лесоразведением, однако основное отличие заключается в использовании крупномерных саженцев [27,28].

Выбор посадочного материала имеет ключевое значение при выращивании энергетических лесных плантаций. При этом необходимо учесть происхождение семян и вегетативного материала, генотип деревьев и целевое назначение плантаций.

На примере плантаций, где основной целью является получение плодов кедра, ореха и других культур, следует отбирать особей с высокой плодоносностью, крупными плодами, а также небольшой высотой ствола, чтобы наклон ствола был минимальным [29,30].

Для выращивания древесины с быстрым темпом прироста необходимо выбирать деревья с большой высотой и диаметром. Также важно учитывать происхождение семян, поскольку нерайонированные семена могут создать нежелательные качества в регионе выращивания. Плантации, созданные с использованием нерайонированного материала, могут также стать неустойчивыми к внешним факторам окружающей среды [31,32].

При выборе участка для закладки энергетических лесных плантаций наибольшее внимание следует уделять плодородности почвы. Перед посадкой растений проводятся планировка участка и тщательная обработка почвы. Также обеспечивается оптимальный водный режим почвы, для чего на переувлажненных участках проводится мелиорация с помощью дренажных борозд глубиной до 40 см.

Для улучшения минерального питания растений используются различные удобрения, а также проводятся известкование и подкисление почв по необходимости. Размещение растений на площади плантаций зависит от биологических особенностей деревьев или кустарников и от целевого назначения культур [33,34].

Выбор рубильного оборудования. В результате расчета данных, приведенных в табл. 2, образовано 4 кластера: S(5,7), S(8,9,10), S(3),S(1,2,3,6) (рис.3,4).

В первый кластер вошли 2 машины: дробилка молотковая МД 5Ч5,мульчер FAE DML.

Рисунок 3. Зависимость для выбора количества кластеров при сравнительном анализе режимов работы рубильных машин

Figure 3: Dependence for selecting the number of clusters in the comparative analysis of chopping machine operation modes

Источник: Собственные вычисления авторов

Source: Authors' owncalculations

Первый кластер представлен машинами, имеющими наименьшие показатели режимов работы. Второй кластер представлен тремя измельчителями: шредер ОШВ 600,молотковая дробилка СМД-112,шредер РРМ-1.

Рисунок 4.Иерархическая классификация рубильного оборудования по режимам работы

Figure 4: Hierarchical classification of chopping equipment by operating modes

Источник: Собственныевычисленияавторов

Source: Authors' owncalculations

Это машины, имеющие средние показатели режимов работы в выборке максимального размера перерабатываемой древесины, производительности и установленной мощности. В третий кластер вошли одна машина: Skorpion 350 SDB. Этот кластер характеризуют высокие значения максимального размера перерабатываемой древесины и средние значении я производительности и установленной мощности.

В четвертый кластер определились следующие рубильные машины: Рубмастер МОБИ-300,РРМ - 9,Gandini 30/60 TPS и мульчер Serrat FX4 T2300. Данная группа рубильного оборудования обладает наивысшими показателями в выборке максимального размера перерабатываемой древесины, производительности и установленной мощности (рис.5).

Проведенный анализ показал, что эффективное образование древесной биомассы достигается при выращивании энергетических плантаций лиственных пород с последующей рубкой в течение 30 лет. Именно при таком сроке выращивания возможно получить максимальное количество древесной массы, превышающее показатели более длительного процесса.

Например, при двух оборотах рубки в течение 30 лет древесная масса образуется на 13-16% больше, чем при непрерывном выращивании до 60 лет. Увеличение времени выращивания до 80 лет нецелесообразно, поскольку прирост древесной биомассы за этот период в 2,3-2,7 раза меньше, чем за первые 20 лет.

Кроме того, необходимость выращивания энергетической плантации до 30 лет объясняется интенсивным возобновлением после рубки, что позволяет получить следующие поколения без особых затрат и с более качественным ростом, а также высокой способностью молодых растений поглощать углерод. Величина его годового депонирования превышает или приближается к 2 тоннам в гектаре [35].

Анализируя результаты динамики роста тополя бальзамического по годам можно отметить, что в возрасте 4 лет его диаметр составляет от 2,0 до 2,2 см и каждый последующий год прирост составляет 1 см. Таким образом, достигая к 18 летнему возрасту диаметра 14,3 см.

Поэтому для переработки древесного сырья, полученного с энергетических плантаций тополя бальзамического целесообразно использовать машины, обладающие большим диапазоном размеров измельчаемого сырья, к которым можно отнести рубильное оборудование, входящее в кластер с машинами, обладающими наивысшими значениями показателей режимов работы для переработки продукции плантационных лесов. Рассматривая конструктивные особенности этих машин и требования, предъявляемые к топливной щепе можно рекомендовать к применению дисковые рубильные машины.

В случае с измельчителями тракторного типа маломощные дисковые дробилки обычно используются в качестве навесного и прицепного оборудования из-за их небольшого веса. Напротив, более мощные устройства, такие как дисковые или барабанные машины с усовершенствованными системами подачи, чаще устанавливаются на прицепах [36,37]. Большинство прицепов способны развивать скорость до 80 километров в час на дорогах общего пользования, а тяжелые прицепы оснащены тормозами и световыми приборами.

Рисунок 5.Идентификация кластеров при сравнительном анализе параметров конструкций рубильных машин

Figure 5: Identification of clusters in comparative analysis of chipper design parameters

Источник: Собственные вычисления авторов

Source: Authors' owncalculations

К преимуществам прицепной техники также относится возможность установки бункера для сбора щепы, который обычно оснащен подъемно-поворотной системой для обеспечения быстрой разгрузки.

На основе изложенного можно сделать вывод, что для переработки древесного сырья, полученного с энергетических лесных плантаций, наиболее целесообразно использовать прицепные рубильные машины.