Прогнозная модель воздействия трелевочной системы на лесной почвогрунт в сложных сезонно-климатических условиях

УДК

630*372/375

DOI:

10.37482/0536-1036-2020-5-131-144

Аннотация

Традиционно в Российской Федерации лесозаготовительные работы в основном проводятся в зимний период. Это связано с преобладанием в лесном фонде площадей с заболоченными и переувлажненными почвогрунтами (III и IV категории), работа техники на которых в теплый период года затруднена, а иногда и невозможна. Работа лесозаготовительных предприятий в лесах криолитозоны, характеризующихся резко континентальным климатом, с сильными морозами в зимний период, осложнена тем, что при температуре ниже –40 °С лесные машины не рекомендуется эксплуатировать из-за высокой вероятности поломок металлоконструкций и гидравлической системы. При этом в теплый период года большая часть лесосек на мерзлотных почвогрунтах становится трудно проходимой для тяжелых лесных машин. Получается, что удобный период для проведения лесозаготовительных работ в лесах криолитозоны достаточно небольшой. Это часто приводит к необходимости работы в так называемый период межсезонья, когда температура воздуха становится положительной и начинаются процессы оттаивания верхнего слоя почвогрунтов. Это же касается и лесозаготовительных предприятий, не работающих в условиях мерзлотных почвогрунтов, например в Ленинградской, Новгородской, Псковской, Вологодской областях и др. Наблюдаемое потепление климата вызывает существенное сокращение периода устойчивой зимней заготовки. Частые переходы температуры через 0 °С в зимний, осенний и весенний периоды приводят к необходимости также работать в период межсезонья, во время оттаивания почвогрунтов лесосек. В сложных сезонно-климатических условиях, к которым в первую очередь следует отнести межсезонные периоды в целом и наличие вечной мерзлоты в частности, учесть в математических моделях особенности процессов промерзания и оттаивания грунта и их влияние на характер процесса раз рушения весьма затруднительно. В статье показано, что при разработке долгосрочных прогнозных моделей показателей циклического взаимодействия трелевочной системы с лесным почвогрунтом в сложных климатических условиях проведения межсезонных лесозаготовительных работ с целью повышения их надежности необходима оперативная корректировка расчетных параметров на базе учета фактических опытных данных на заданном шаге циклов.

Сведения об авторах

С.Е. Рудов¹, канд. техн. наук; ResearcherID: AAC-9563-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9900-0929
В.Я. Шапиро², д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: AAC-9658-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6344-1239
И.В. Григорьев³, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: S-7085-2016,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5574-1725
О.А. Куницкая³, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: AAC-9568-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8542-9380
О.И. Григорьева², канд. с.-х. наук, доц.; ResearcherID: AAC-9570-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5937-0813
¹Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного, Тихорецкий просп., д. 3, К-64, Санкт-Петербург, Россия, 194064; e-mail: 89213093250@mail.ru
²Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербург, Россия, 194021; e-mail: shapiro54vlad@mail.ru, grigoreva_o@list.ru
³Арктический государственный агротехнологический университет, 3-й км, д. 3, ш. Сергеляхское, г. Якутск, Россия, 677007; e-mail: silver73@inbox.ru, ola.ola07@mail.ru

Ключевые слова

мерзлый почвогрунт, оттаивающий почвогрунт, лесозаготовка, трелевочная система, уплотнение почвогрунта, деформация почвогрунта

Для цитирования

Рудов С.Е., Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Куницкая О.А., Григорьева О.И. Прогнозная модель воздействия трелевочной системы на лесной почвогрунт в сложных сезонно-климатических условиях // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 5. С. 131–144. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-5-131-144

Литература

1. Катаров В.К., Сюнёв В.С., Ратькова Е.И., Герасимов Ю.Ю. Влияние форвардеров на лесные почво-грунты // Тр. лесоинж. фак. ПетрГУ. 2012. Т. 9, № 2. С. 73–81. [Katarov V.K., Syunev V.S., Ratkova E.I., Gerasimov Y.Y. Impact of Wood Forwarding on Forest Soils. Trudy lesoinzhenernogo fakul’teta PetrGU [Resources and Technology], 2012, vol. 9, no. 2, pp. 73–81].
2. Ковалева Н.В., Катаров В.К., Ратькова Е.И. Исследование влияния циклов «замораживание – оттаивание» на характеристики лесных почво-грунтов, используемых при строительстве лесных дорог // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2, № 3-3(8-3). С. 176–180. [Kovaleva N.V., Katarov V.K., Ratkova E.I. “Freezing and Defrosting” Effect on Characteristics of Forest Soils Used in Forest Road Construction. Aktual’nyye napravleniya nauchnykh issledovaniy XXI veka: teoriya i praktika, 2014, vol. 2, no. 3-3(8-3), pp. 176–180]. DOI: 10.12737/4221
3. Прядкин В.И. Воздействие экологичной шины на почву // Вестн. Воронеж. гос. техн. ун-та. 2011. Т. 7, № 3. С. 198–200. [Pryadkin V.I. Influence of the Harmless Tire on Ground. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of Voronezh State Technical University], 2011, vol. 7, no. 3, pp. 198–200].
4. Роман Л.Т., Царапов М.Н., Котов П.И., Волохов С.С., Мотенко Р.Г., Черкасов А.М., Штейн А.И., Костоусов А.И. Пособие по определению физикомеханических свойств промерзающих, мерзлых и оттаивающих дисперсных грунтов. М.: КДУ, 2018. 188 с. [Roman L.T., Tsarapov M.N., Kotov P.I., Volokhov S.S., Motenko R.G., Cherkasov A.M., Shteyn A.I., Kostousov A.I. A Guide for Determining the Physical and Mechanical Properties of Freezing, Frozen and Thawing Dispersed Soils. Moscow, KDU Publ., 2018. 188 p.].
5. Рудов С.Е., Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Куницкая О.А., Григорьева О.И. Особенности взаимодействия трелевочной системы с оттаивающим почвогрунтом // Лесной вестник / Forestry Bulletin. 2019. Т. 23, № 1. С. 52–61. [Rudov S.E., Shapiro V.Y., Grigorev I.V., Kunitskaya O.A., Grigoreva O.I. Interaction Features of Skidding System with Thawing Soil. Lesnoy vestnik [Forestry Bulletin], 2019, vol. 23, no. 1, pp. 52–61]. DOI: 10.18698/2542-1468-2019-1-52-61
6. Сюнёв В.С., Катаров В.К. Воздействие процессов лесозаготовок на лесную среду Северо-Западного региона РФ // Тр. лесоинж. фак. ПетрГУ. 2008. № 7. С. 120–121. [Syunev V.S., Katarov V.K. Wood Harvesting Processes Impact on the Forest Environment on the North-West of the Russian Federation. Trudy lesoinzhenernogo fakul’teta PetrGU [Resources and Technology], 2008, no. 7, pp. 120–121].
7. Сюнёв В.С., Катаров В.К. Особенности формирования инфраструктуры лесосек // Тр. лесоинж. фак. ПетрГУ. 2010. № 8. С. 151–152. [Syunev V.S., Katarov V.K. Features of Forming the Infrastructure of Cutting Areas. Trudy lesoinzhenernogo fakul’teta PetrGU [Resources and Technology], 2010, no. 8, pp. 151–152].
8. Сюнёв В.С., Коновалов А.П., Селиверстов А.А. Сравнение эффективности технологий лесозаготовок на основе экспертного анализа // Учен. зап. Петрозав. гос. ун-та. Сер.: Естеств. и техн. науки. 2008. № 3(94). С. 89–93. [Syunev V.S., Konovalov A.P., Seliverstov A.A. Comparison the Effectiveness of of Logging Technologies Based on Expert Analysis. Uchenyye zapiski Petrozavodskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennyye i tekhnicheskiye nauki [Proceedings of Petrozavodsk State University. Natural & Engineering Sciences], 2008, no. 3(94), pp. 89–93].
9. Сюнёв В.С., Ратькова Е.И. Методика прогнозирования воздействия лесозаготовительных машин на почвогрунты в межсезонные периоды // Учен. зап. Петрозав. гос. ун-та. Сер.: Естеств. и техн. науки. 2012. № 6(127). С. 70–74. [Syunev V.S., Rat’kova E.I. Methods Prognosticating Harvesters’ Impact on Soil during Transitional Seasons. Uchenyye zapiski Petrozavodskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennyye i tekhnicheskiye nauki [Proceedings of Petrozavodsk State University. Natural & Engineering Sciences], 2012, no. 6, pp. 70–74].
10. Сюнёв В.С., Соколов А.П. Применение логистического подхода к решению задач управления лесозаготовительным производством // Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. 2016. Т. 3, № 1. С. 447–452. [Syunev V., Sokolov A. Use of a Logistical Approach to the Wood Harvesting Planning Performance. Al’ternativnyye istochniki energii v transportno-tekhnologicheskom komplekse: problemy i perspektivy ratsion al’nogo ispol’zovaniya [Alternative Energy Sources in the Transport-Technological Complex: Problems and Prospects of Rational Use], 2016, vol. 3, no. 1, pp. 447–452]. DOI: 10.12737/17771
11. Finnegan J., Regan J.T., de Eyto E., Ryder E., Tiernan D. Healy M.G. Nutrient Dynamics in a Peatland Forest Riparian Buffer Zone and Implications for the Establishment of Planted Saplings. Ecological Engineering, 2012, vol. 47, pp. 155–164. DOI: 10.1016/j.ecoleng.2012.06.023
12. Gerasimov Yu., Katarov V. Effect of Bogie Track and Slash Reinforcement on Sinkage and Soil Compaction in Soft Terrains. Croatian Journal of Forest Engineering, 2010, vol. 31, no. 1, pp. 35–45.
13. Grigorev M., Grigoreva A., Grigorev I., Kuniсkaya O., Stepanova D., Savvinova M., Sidorov M., Tomashevskaya E., Burtseva I., Zakharova O. Experimental Findings in Forest Soil Mechanics. EurAsian Journal of BioSciences, 2018, vol. 12, iss. 2, pp. 277–287.
14. Ivanov V.A., Grigorev I.V., Gasparyan G.D., Manukovsky A.Y., Zhuk A.Yu., Kunitskaya O.A., Grigoreva O.I. Environment-Friendly Logging in the Context of Water Logged Soil and Knob-and-Ridge Terrain. Journal of Mechanical Engineering Research and Developments, 2018, vol. 41, no. 2, pp. 22–27. DOI: 10.26480/jmerd.02.2018.22.27
15. Kleibl M., Klvač R., Lombardini C., Porhaly J., Spinelli R. Soil Compaction and Recovery after Mechanized Final Felling of Italian Coastal Pine Plantations. Croatian Journal of Forest Engineering, 2014, vol. 35, no. 1, pp. 63–71.
16. Manukovsky A.Y., Grigorev I.V., Ivanov V.A., Gasparyan G.D., Lapshina M.L., Makarova Yu.A., Chetverikova I.V., Yakovlev K.A., Afonichev D.N., Kunitskaya O.A. Increasing the Logging Road Efficiency by Reducing the Intensity of Rutting: Mathematical Modeling. Journal of Mechanical Engineering Research and Developments, 2018, vol. 41, no. 2, pp. 35–41. DOI: 10.26480/jmerd.02.2018.36.42
17. Rudov S., Shapiro V., Grigorev I., Kunickaya O., Druzyanova V., Kokieva G., Filatov A., Sleptsova M., Bondarenko A., Radnaed D. Specific Features of Influence of Propulsion Plants of the Wheel-Tire Tractors upon the Cryomorphic Soils, Soils, and Soil Grounds. International Journal of Civil Engineering and Technology, 2019, vol. 10, iss. 1, pp. 2052–2071.
18. Valera D.L., Gil J., Agüera J. Design of a New Sensor for Determination of the Effects of Tractor Field Usage in Southern Spain: Soil Sinkage and Alterations in the Cone Index and Dry Bulk Density. Sensors, 2012, vol. 12, iss. 10, pp. 13480–13490. DOI: 10.3390/s121013480
19. Wästerlund I., Andersson E. Increased Harvesting Operation Using Adapted Ground Pressure to Soil Conditions. 17th International Conference of the International Society for Terrain Vehicle Systems. Blacksburg, VA, ISTVS, 2011, pp. 521–527.
20. Zhuk A.Yu., Hahina A.M., Grigorev I.V., Ivanov V.A., Gasparyan G.D., Manukovskii A.Yu., Kunickaya O.A., Danilenko O.K., Grigoreva O.I. Modelling of Indenter Pressed into Heterogeneous Soil. Journal of Engineering and Applied Sciences, 2018, vol. 13, iss. 8 SI, pp. 6419–6430. DOI: 10.36478/jeasci.2018.6419.6430

Ссылка на английскую версию:

A Predictive Model of the Impact of the Skidding System on Forest Soil in Severe Climatic Conditions

A PREDICTIVE MODEL OF THE IMPACT OF THE SKIDDING SYSTEM ON FOREST SOIL IN SEVERE CLIMATIC CONDITIONS

S.E. Rudov¹, Candidate of Engineering; ResearcherID: AAC-9563-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9900-0929
V.Ya. Shapiro², Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: AAC-9658-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6344-1239
I.V. Grigorev³, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: S-7085-2016,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5574-1725
O.A. Kunitskaya³, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: AAC-9568-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8542-9380
O.I. Grigoreva², Candidate of Agriculture, Assoc. Prof.; ResearcherID: AAC-9570-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5937-0813
¹Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny, Tikhoretskiy prosp., 3, K-64, Saint Petersburg, 194064, Russian Federation; e-mail: 89213093250@mail.ru
²St. Petersburg State Forest Engineering University named after S.M. Kirov, Institutskiy per., 5, Saint Petersburg, 194021, Russian Federation; e-mail: shapiro54vlad@mail.ru, grigoreva_o@list.ru
³Yakut State Agricultural Academy, sh. Sergelyakhskoye, 3-y km, 3, Yakutsk, 677007, Russian Federation; e-mail: silver73@inbox.ru, ola.ola07@mail.ru

In the Russian Federation logging operations are traditionally carried out in winter. This is due to the predominance of areas with swamped and water-logged (class III and IV) soils in the forest fund, where work of forestry equipment is difficult, and sometimes impossible in the warm season. The work of logging companies in the forests of the cryolithozone, characterized by a sharply continental climate, with severe frosts in winter, is hampered by the fact that forest machines are not recommended to operate at temperatures below –40 °C due to the high probability of breaking of metal structures and hydraulic system. At the same time, in the warm season, most of the cutting areas on cryosolic soils become difficult to pass for heavy forest machines. It turns out that the convenient period for logging in the forests of the cryolithozone is quite small. This results in the need of work in the so-called off-season period, when the air temperature becomes positive, and the thawing processes of the soil top layer begin. The same applies to the logging companies not operating in the conditions of cryosolic soils, for instance, in the Leningrad, Novgorod, Pskov, Vologda regions, etc. The observed climate warming has led to a significant reduction in the sustained period of winter logging. Frequent temperature transitions around 0 °C in winter, autumn and spring necessitate to work during the off-season too, while cutting areas thaw. In bad seasonal and climatic conditions, which primarily include off-season periods in general and permafrost in particular, it is very difficult to take into account in mathematical models features of soil freezing and thawing and their effect on the destruction nature. The article shows that the development of long-term predictive models of indicators of cyclic interaction between the skidding system and forest soil in adverse climatic conditions of off-season logging operations in order to improve their reliability requires rapid adjustment of the calculated parameters based on the actual experimental data at a given step of the cycles.
For citation: Rudov S.E., Shapiro V.Ya., Grigorev I.V., Kunitskaya O.A., Grigoreva O.I. A Predictive Model of the Impact of the Skidding System on Forest Soil in Severe Climatic Conditions. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 5, pp. 131–144. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-5-131-144

Keywords: frozen soil, thawing soil, logging, skidding system, soil compaction, soil deformation.

Поступила 03.07.19 / Received on July 3, 2019