Повышение эффективности лесопользования при подготовке лож водохранилищ (на примере богучанской гэс)
На правах рукописи
Даниленко Ольга Константиновна ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕСОПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ЛОЖ ВОДОХРАНИЛИЩ (НА ПРИМЕРЕ БОГУЧАНСКОЙ ГЭС) 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Братск – 2008 2
Работа выполнена в Братском государственном университете.
доктор технических наук, профессор
Научный консультант:
Угрюмов Борис Иванович доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Дойников Александр Николаевич доктор технических наук, профессор Григорьев Игорь Владиславович Сибирский научно
Ведущая организация:
исследовательский институт лесной и целлюлозно-бумажной промышлен ности (СибНИИ ЦБП)
Защита состоится «30» октября 2008 г. в 1000 часов на заседании диссертационно го совета ДМ 212.018.03 в Братском государственном университете по адресу:
665709, г. Братск, ул. Макаренко, 40, БрГУ, аудитория 112.
Просим Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями направлять по адресу: 665709, г. Братск, ул. Макаренко, 40, БрГУ, факс (3953) 33-20 08 ученому секретарю совета Чжан С.А.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БрГУ.
Автореферат разослан « » сентября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат сельскохозяйственных наук, доцент С.А. Чжан
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Экосистема реки Ангары за последний пятидесятилетний период претерпела значительные изменения, обусловленные главным образом, ан тропогенным воздействием. Основными причинами быстро развивающихся дест руктивных процессов в экосистеме и ухудшения качества воды были: молевой и плотовой сплав леса, химическое загрязнение водоема промышленными предпри ятиями Иркутска, Ангарска, Братска, Усть-Илимска, Усолья-Сибирского, Коршуни хи, Рудногорска и др., создание каскада гидроэлектростанций. В настоящее время на реке Ангаре уже сформированы Иркутское (1956-1960), Братское (1961-1967), Усть Илимское (1975-1977) водохранилища. В результате строительства гидроузла Богу чанской ГЭС на реке Ангаре будет создано водохранилище, четвертое в ангарском каскаде, что приведет к новым масштабным изменениям на значительном отрезке реки. Последствия гидротехнического строительства проявляются в изменении температурного и гидрологического режима и условий жизнедеятельности озерной и прибрежной экосистем, а также подтоплении прибрежных лесов и усилении бере говой абразии. В связи с этим в Ангаро-Енисейском регионе значительно возрастает актуальность для лесного хозяйства и лесозаготовительной отрасли разработки тео рии и надежных методов оценки проекта в плане экологического ущерба и разра ботки технических мероприятий по снижению их экологического воздействия.
Цель работы. Разработать инженерные мероприятия по повышению эффектив ности лесопользования при подготовке лож водохранилищ при строительстве и экс плуатации гидротехнических сооружений.
Задачи исследования:
1. Произвести оценку качества воды реки Ангара при проведении различных степеней лесосводки.
2. Разработать теоретическое обоснование элементов технологии лесопользова ния при подготовке лож водохранилищ.
3. Разработать и обосновать методику исследования изменения прироста древо стоев береговой полосы вследствие изменения экологических условий произраста ния.
4. Выявить математические зависимости влияния компонентного состава древе сины, заготавливаемой на побережьях водохранилища, на ее эксплуатационную ценность.
5. Разработать технологические мероприятия для проведения лесосводки, рубок обновления и переформирования в береговой зоне водохранилищ.
Научная новизна работы. Рассчитан прогнозный качественный состав воды Бо гучанского водохранилища для различных вариантов лесосводки. Определена взаи мосвязь динамики радиального прироста древостоев в зоне влияния водохранилища с параметрами подтопления. Определена математическая связь между уклоном бе рега и шириной зоны подтопления в соответствии формированием подпора. Полу чены корреляционные зависимости выходных параметров варки с компонентным составом исходной древесины.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты прогнозной расчетно-аналитической оценки качества воды реки Ангары при проведении различных вариантов лесосводки.
2. Математическая взаимосвязь изменения радиального прироста древостоев в связи с изменением гидрологического режима водохранилищ.
3. Аналитические зависимости для определения технологических свойств заго тавливаемой древесины при проведении лесосводки в ложе водохранилища.
4. Комплекс инженерных методов, направленных на повышение экологической безопасности при подготовке лож водохранилищ.
Достоверность научных исследований. Достоверность полученных результатов обусловлена использованием последних достижений в области методов исследова ний и применением современной экспериментальной и измерительной базы. Выво ды и результаты исследований основаны на фундаментальных положениях матема тической статистики и анализа и подтверждаются адекватностью математической модели, математической обработкой результатов экспериментальных исследований с применением ЭВМ.
Практическая значимость. Разработаны технические и технологические реше ния по подготовке ложа строящегося Богучанского водохранилища, внедрение ко торых обеспечит снижение негативного влияния от строительства гидротехнических сооружений на лесные экосистемы. Полученные корреляционные зависимости слу жат математической моделью определения эксплуатационной ценности древесины, заготавливаемой на берегах водохранилищ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладыва лись и обсуждались на международных конференциях: «Актуальные проблемы лес ного комплекса» (Брянск, 2006, 2007), «Экология и жизнь» (Пенза, 2006), межрегио нальной научно-технической конференции «Естественные и инженерные науки развитию регионов» (Братск, 2007), на всероссийских конференциях: «Водохозяйст венный комплекс России: состояние, проблемы, перспективы» (Пенза, 2004), «Ок ружающая природная среда и экологическое образование и воспитание» (Пенза, 2007), на всероссийском научно-техническом семинаре «Экологическая безопас ность регионов и риск техногенных аварий и катастроф» (Пенза, 2006).
Работа выполнена в разрезе единого заказ-наряда федерального агентства по об разованию РФ «Разработка основ рационального природопользования на базе мони торинга лесных экосистем, подверженных техногенному воздействию» (2002- гг.), а также по российской инновационной программе «Биологические системы, биотехнологические процессы и переработка растительного сырья» (2002-2007 гг.).
Публикации: по результатам диссертационного исследования опубликовано печатных работ, из них 1 в издании рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, шести глав, ос новных выводов и рекомендаций и списка литературы. Общий объём работы со ставляет 175 страниц и включает 30 иллюстраций, 29 таблиц и список литературы из 234 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит актуальность, научную новизну, апробацию работы. Постав лены цель и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на за щиту, обоснована практическая значимость работы.
1. Состояние вопроса. Одним из последствий создания водохранилищ на рав нинных реках является подтопление. В большинстве случаев оно оказывает отрица тельное влияние на сельское и лесное хозяйство, строительство, транспортное ос воение территории, рекреацию. Проблема, имеющая прямой выход на охрану геоло гической среды в зонах влияния водохранилищ, - это проблема защиты лесов. Бере га водохранилища не являются естественными очертаниями затопленной речной до лины, а значит и растительность, присущая прибрежной полосе равнинных рек, в данном случае отсутствует.
Леса прибрежной полосы - особая категория защитных насаждений, поэтому требуется разработка соответствующих технологий, не противоречащих норматив ным документам, регулирующим вопрос освоения древесины в данных условиях.
Необходимость проведения рубок в береговой полосе водохранилищ назрела давно. Это позволит вовлечь предприятиям лесного комплекса дополнительные ис точники ценного сырья в условиях истощенных лесосырьевых баз, а также снизит степень негативного влияния колебаний уровня воды водохранилищ на береговую кромку и прибрежные территории. Различным видам рубок в защитных лесах по священы работы многих исследователей Вялых Н.И., Чибисов Г.А., Граубе Я.А., Ливанов А.П., В.В. Фёдоров, В.А. Васюков, К.К. Демин, Орлов М.М., Петров А.П., Нагорная М.П., Патякин В.И., Григорьев И.В., Рунова Е.М., Угрюмов Б.И., Жук А.Ю., Новоселов А.В. и др..
В водоохранных лесах проводятся рубки обновления и переформирования, на правленные на усиление и сохранение водоохранных свойств этих лесов, своевре менное и рациональное использование запасов перестойных и спелых древостоев.
Согласно Наставлениям по рубкам ухода в лесах Восточной Сибири, в защитных лесах проводятся преимущественно сплошные и выборочные рубки обновления и переформирования, обеспечивающие надежное возобновление ценных пород и ус тойчивость древостоев. Сплошные рубки проводятся в усыхающих и поврежденных пожарами, вредителями и болезнями насаждениях, а также в перестойных древосто ях, теряющих защитные свойства.
Поскольку берега Богучанского водохранилища во многом представлены укло нами крутизной 20-30° и более, целесообразно рассмотреть способы заготовки дре весины в горных условиях.
2. Программа и методика исследований. Для обоснования и разработки техно логии освоения древесины по берегам Богучанского водохранилища была разрабо тана программа и методика исследований:
1. Для обоснования проведения лесосводки и лесоочистки производился расчет количества органических и неорганических веществ, выделяемых в воду при дли тельном нахождении древесины в воде. Расчеты по определению концентраций во дорастворимых веществ, поступающих в воду из затапливаемого почвенно растительного покрова, выполнялись с использованием балансового метода Плеш кова-Браславского А.П., позволяющего учитывать переменное во времени поступ ление вещества, а также реальные условия первоначального заполнения и эксплуа тации водохранилища.
2. С целью обоснования проведения рубок обновления и переформирования в древостоях по берегам водохранилищ изучалась реакция прироста сосны на водо хранилище Усть-Илимской ГЭС, которое можно считать аналогом водохранилища Богучанской ГЭС (БоГЭС), для чего выбирались участки на различных уровнях влияния водохранилища, на которых возрастным буравом из модельных деревьев брались образцы. Теоретические и натурные исследования, проведенные в зоне воз действия водохранилища БоГЭС и в зоне воздействия его тест-аналога действующе го Усть-Илимского водохранилища, которое было затоплено в 1975 году, выявили значительное сходство лесорастительных условий прибрежной части водохрани лищ, наиболее подверженных прямому воздействию. Они адекватны друг другу по геотектонике и геоморфологии, климатическим, почвенным и лесорастительным ус ловиям, особенностям русла реки, современной и древней долинам и их обрамле нию, реальным и актуальным растительности и животному миру, находятся в одной лесорастительной провинции и лесохозяйственном районе.
3. Для изучения химических и технологических свойств древесины использова лись модельные деревья, срубленные на участках, которые будут являться берего вой зоной водохранилища БоГЭС. Для получения более достоверных результатов образцы брались из различных частей дерева. Изучение химических свойств свеже срубленной древесины проводились по общепринятым методикам, отбор и подго товка образцов проводились согласно требованиям стандартов.
Были исследованы следующие вопросы: получение сульфатной целлюлозы из технологической щепы различных пород древесины;
определение выхода и степени делигнификации полученной целлюлозы;
определение механических показателей целлюлозы.
Для варок сосновой, лиственничной, кедровой, еловой, березовой и осиновой древесины щепа готовилась вручную в лаборатории СибНИИЦБП. Там же проводи лись варки щепы на лабораторной экспериментальной установке.
3. Характеристика объекта исследований. Данная глава посвящена физико географической характеристике района исследования, гидрологической характери стике и характеристике состава и свойств воды р. Ангара, а также теоретическому исследованию факторов, формирующих сток и качество воды р. Ангара.
Северное Приангарье относится к подзоне южной тайги. Основным типом расти тельности являются хвойные леса. Почвы дерново-подзолистые;
буротаежные;
дер ново-карбонатные;
подзолистые иллювиально-гумусовые, подзолы глееные торфя ные и торфянистые;
таежные торфянисто-перегнойные высокогумусовые неоглее ные. Основные древесные породы – сосна обыкновенная и лиственница сибирская.
По ботанико-географическому районированию этот район относится к Среднеси бирской макропровинции и выделяется в самостоятельную Ангарскую провинцию.
Для определения в ложе водохранилища запасов древесины под лесосводку и ле соочистку (табл.1), а также запасов древесины в зоне затопления и подтопления ис пользовались данные учета лесного фонда, лесоустроительные и таксационные ма териалы последнего лесоустройства. В приплотинной части ложа БоГЭС и на дру гих участках, с которых начиналась лесосводка, к настоящему времени сформиро вались молодняки с запасом древесины 50-100 м3/га. Ежегодный прирост древесины в молодняках составляет ориентировочно 3 м3/га. Подсчеты показывают, что запасы древесины на залесенной части будущего водохранилища за 10 лет могли увели читься на 1 млн.м3. На 1 кв. км зеркала водохранилища БоГЭС будет приходиться как минимум 5-6 тыс. м3 древесины.
Таблица Лесопокрытые и закустаренные площади и объемы древостоя в зоне затопления водохранилища Богучанской ГЭС Объем древостоя, млн. м3 ниже отметки Вид древостоя Лесопокрытая и закустарен ная площадь, тыс.га ниже между ниже 178 м 185 м 200 м 208 м 178 м 190 и 208 208 м м Свежерастущий - - - 4,79 6,50 10,97 13, Сухостой - - - 0,36 0,49 0,83 1, Всего 45,0 55,2 126,5 5,15 6,99 11,80 14, Результаты проведенных аналитических исследований качества воды реки Анга ры на территории Красноярского края дают основание утверждать, что разбавляю щая и самоочищающая способность реки Ангары по нефтепродуктам, фенолам и железу практически исчерпана на всем протяжении реки по территории Краснояр ского края. Вода р. Ангара – III класса качества, пригодна только для использования ее в промышленности для специальных целей после очистки. Содержание общего органического вещества (по величине ХПК) на участках реки у с. Кежма и пос. Бо гучаны, в среднем, равно 23,0 – 23,6 мг/л.
4. Исследование процессов взаимодействия лесных и водных экосистем при затоплении водохранилищ. Степень и продолжительность влияния затопленной древесной растительности на качество воды определяется следующими факторами:
1. массой древесной растительности, затапливаемой постоянно в мертвом объеме водохранилища;
2. массой древесины, затапливаемой периодически в зоне сработ ки;
3. породой деревьев;
4. зараженностью древостоя гнилью, ее преобладающим ти пом и степенью гниения;
5. объемами (мертвого, сработки, общего) водохранилища;
6. режимом первоначального заполнения водохранилища;
7. эксплуатационным ре жимом сработки и наполнения водохранилища;
8. проточностью водохранилища и отдельных масс воды в нем (застойных и мелководных зон, придонных слоев воды);
9. температурой воды с учетом стратификации;
10. временем нахождения древесины в полностью затопленном состоянии;
11. температурой воздуха в периоды сработки и наполнения водохранилища;
12. содержанием растворенного кислорода в зоне во дохранилища.
Для описания процесса загрязнения водной среды еще не существует достаточно простых моделей, широко применяемых для практических расчетов, поэтому по общепринятой методике для описания процесса распространения веществ, выделяе мых в воду из древесины, воспользуемся уравнениями гидрогазодинамики (уравне ние турбулентной диффузии).
k L0e kt1 e k2t D0e k2t D(t ) k 2 k1 (1) Где L(0) и D(0) – начальные значения концентрации водорастворимых органи ческих веществ (ВРОВ) и дефицита кислорода при t = 0;
k2 – постоянная реаэрации, единица ее измерения (день)-1;
k1 – постоянная отбора кислорода.
Скорость разложения ВРОВ пропорциональна их концентрации L (если присут ствует достаточно кислорода):
dL k 1 L dt (2) Моделирование загрязнения водной среды рассматривалось на примере двух взаимодействующих групп: вода, содержащая растворенный кислород, и вымывае мые из древесины органические вещества.
Согласно разработанной методике, расчеты выполнялись для четырех вариан тов: 1 – лесосводка не осуществляется, в водохранилище Богучанской ГЭС затапли вается весь лес зоны затопления в объеме 14,5 млн. м 3;
2 – проектное решение – под затопление оставляется 2,0 млн. м3 леса, расположенного на различных высотах зо ны затопления вплоть до отметки нормального подпорного уровня (НПУ) 208 м;
3 – с вариантом дополнительной лесосводки - под затопление оставляется 1,13 млн. м леса ниже отметки 190 м.;
4- под затопление остается 2,0 млн. м3 (так же, как и по проекту): свежерастущего в объеме 1,2 млн. м3, расположенного ниже отметки м, и сухостоя в объеме 0,8 млн. м3 ниже отметки 200 м.
В результате расчетов получены общие количества водорастворимых веществ, содержащихся в древесной массе, которые представлены в таблице 2 и изображены графически на рис. 1.
Таблица Общее количество ВРОВ, поступающих в воду при затоплении Богучанского во дохранилища Объем древесины, млн. м3 Количество водорастворимых веществ, т 14,50 2,0 1,13 Количество водорастворимых веществ 200 выделяемых в воду, тыс. т 1 вариант 2 вариант 3 вариант Рис.1. Количество водорастворимых веществ, выделяемых в воду при различных вариантах лесосводки В таблице 3 приведены результаты расчетов по определению суммарного коли чества водорастворимых веществ, поступающих в воду водохранилища ежегодно рассчитанных по следующим формулам:
C t C 0 1 B C д В (3) Р Сд Vпр Vисп Vос (4) Где В - коэффициент водообновления;
Vпр, Vисп, Vос, V0,Vt – объемы соответст венно притока, испарения, осадков, полный в начале расчетного интервала времени, полный в конце расчетного интервала времени.
Таблица Суммарное количество водорастворимых веществ, поступающих в водохранилище при отсутствии лесосводки и лесоочистки Pд, т Pд/Vпр, В (Pд/Vпр)В Сс, С0(1-В) Сt, Водность Наполне Годы мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л года ние водо храни лища 1 18060 0,181 1 0,181 0 0 0,181 маловод. + 2 30100 0,303 0,961 0,291 0,181 0,007 0,298 маловод + 3 36770 0,372 0,899 0,334 0,298 0,030 0,364 маловод + 4 35580 0,353 0,824 0,291 0,364 0,064 0,355 маловод + 5 31230 0,310 0,824 0,255 0,355 0,062 0,317 маловод + 6 25300 0,236 0,843 0,199 0,317 0,050 0,249 маловод + 7 20160 0,186 0,843 0,158 0,249 0,039 0,197 сред. водн. + 8 16580 0,155 0,843 0,131 0,197 0,031 0,162 сред. водн + 9 14260 0,133 0,843 0,112 0,162 0,025 0,137 сред. водн + 10 12590 0,117 0,843 0,099 0,137 0,022 0,121 сред. водн + На рис.2 показаны расчетные концентрации водорастворимых веществ, выде ляемых в воду при различных вариантах лесосводки, полученных по результатам расчетов.
Проектный объем затопления 0,05 млн.куб.м (2 вариант) Концентрации, мг/л 0, Объем затопления 2 млн.куб.м ниже +УВБ = 185м (4 вариант) 0, Объем затопления 1,13 млн.куб.м.
0, (3 вариант) 0, ПДКв 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Годы Рис.2. Максимальная концентрация водорастворимых веществ.
Интенсивность потребления кислорода в зависимости от температуры воды рас считывалась по следующим зависимостям:
При температуре воды до 100С:
V др вод 5, от 0, V (5) При температуре воды более 10 С:
V др вод от 0, 25738 5, V (6) Где V, Vдр – объемы соответственно водохранилища и древесины;
вод - темпе ратура воды.
При расчете количества веществ, поступающих в воду, использовались сле дующие зависимости:
- Количество таннидов:
Pтаннидов= таннидов· mдр.кор (7) - Количество смолистых веществ:
Pсмол= смол · mдр (8) - Количество азотсодержащих веществ:
Pазот= азот · (mдр.зелен+ mдр.вет.) (9) - Количество фосфорсодержащих веществ:
Pфосфор= фосфор · mдр. (10) Где таннидов, смол, азот, фосфор – содержание водорастворимых веществ в поч венно-растительном покрове;
mдр.кор, mдр, mдр.зелен, mдр.вет. – масса соответственно кор ней, древостоя, древесной зелени, ветвей.
Анализ современного состояния воды реки Ангара и данных прогнозных расче тов показывает, что вода Богучанского водохранилища в период его формирования и в последующие годы, даже при оставлении 15-25% лесной растительности, не бу дет соответствовать гигиеническим нормативам, установленным для водоемов в пунктах водопользования населения.
Залесненные долины и лога, периодически затопляемых и подтопляемых участ ков в результате сезонной сработки и пополнения водохранилища, вследствие низ котоварности произрастающих на них древостоев обычно не подвергаются лесо сводке и очистке, либо лесосводка проводится выборочными рубками с изъятием части запаса древесины. Изменение гидрологического режима, микроклиматических условий и влажности почвенного покрова прибрежной территории водохранилища оказывает влияние на высшую растительность, как самого водоема, так и прибреж ных территорий. Долины и лога таких водотоков испытывают в результате сезонной сработки периодическое затопление и подтопление большей части корнеобитаемого слоя древесных растений. Задача прогноза подпора грунтовых вод сводится к по строению кривой депрессии, сопряженной с новым базисом дренирования – водо хранилищем, основываясь на положении кривой депрессии до подпора. При гори зонтальном положении водоупорного ложа (схематический гидрогеологический раз рез междуречья представлен на рис.3) проф. Каменским предложено следующее уравнение кривой депрессии грунтовых вод в междуречном массиве:
h12 h22 w h2 h12 x[ ( L x)] L k (11) где h – искомое превышение уровня грунтовых вод над водоупором в расстоя нии х от берега реки А;
h1 и h2 - превышение уровней воды в реках А и В над водо упором;
L – ширина междуречья;
w – инфильтрационное питание, т.е. количество воды, просачивающееся сверху через единицу площади поверхности земли в едини цу времени;
k – коэффициент фильтрации водоносного пласта (в той же размерно сти, что и величина w).
Схематический гидрогеологический разрез междуречья при формировании под пора представлен на рис. 5.Обозначив через у – ординату уровня грунтовых вод в расстоянии х1 от берега водохранилища и через у1 и у2 соответственно превышение уровня водохранилища А и В над водоупором. Тогда уравнение кривой депрессии после подпора:
y 2 y2 L1 x1 h 2 h12 h12 h y 2 y12 x1 1 Lx x L L1 (12) В частном случае, если берега рек крутые и при подпоре воды в реках переме щение урезов воды в горизонтальном направлении незначительно (участок распола гается между двумя заливами), то х1 х и L1 L. Тогда, будем иметь:
Lx 2x y 2 h2 ( y12 y12 ) ( y2 h2 ) L L (13) Формулы (12) и (13) являются уравнениями кривых депрессии грунтовых вод после их подпора, обобщающими ряд частных случаев гидрогеологических условий.
Если водохранилище устраивается на одной реке (А), другая река (В) сохраняет бытовые условия, в данном случае очевидно, что в формуле (12) у2 = h2, поэтому:
y 2 h2 L1 x1 h 2 h12 h12 h y12 x1 1 y Lx x L L1 (14) Рис. 3 Схематический гидрогеологи- Рис.4. Схематический гидрогеологический ческий разрез междуречья при гори- разрез формирования подпора на речных зонтальном водоупоре. террасах Рис. 5. Схематический гидрогеологический разрез междуречья при формировании подпора.
И соответственно в случае крутых берегов водохранилища:
LL x y h 2 y12 h (15) Если ширина междуречья значительно превышает ширину зоны возможного под топления, т.е. величины L и L1, то тогда уравнение кривой депрессии будет иметь вид:
x12 y12 h h y x (16) Если при этом склоны водохранилища крутые и перемещение береговой линии после устройства водохранилища незначительно, то х1 х:
y12 h 2 h y (17) Формулы (16) и (17) отвечают условиям одностороннего дренажа грунтового по тока, область питания которого настолько удалена от рассматриваемого участка, что расход потока в пределах участка может считаться величиной постоянной.
Схематический гидрогеологический разрез формирования подпора на речных террасах представлен на рис. 4. Тогда уравнение кривой депрессии для речных тер рас будет иметь следующий вид:
x 2 a 2 x x y y12 h 2 h12 x(2 a x) (18) Обычно, прилегающая к реке полоса попадает в зону постоянного затопления в связи с увеличением меженных уровней реки по сравнению с естественными в ре зультате осуществления регулирования сезонного и многолетнего стока. Ширина этой полосы невелика и составляет десятки метров. Проанализировав статистиче ские данные по параметрам водохранилищ Ангарского каскада ГЭС (результаты анализа представлены графически на рис. 6), была выявлена зависимость ширины зоны подтопления от уклона берега, которая может быть описана простой однофак торной моделью имеющей вид:
b n 3. 557 i б 0, 9228 (19) b сп 3. 557 i в 1, 04 (20) Где bп – ширина зоны подтопления;
iб – уклон берега;
bсп – ширина зоны сильного подтопления;
iв – уклон берега вблизи уреза водохранилища.
1400 b, м b, м 600 0 0,005 0,01 0,015 0, 0 0,005 0,01 0,015 0, i, % i, % а б – статистические данные;
– кривая аппроксимации Рис. 6. Связь уклона берега с шириной зоны подтопления (а) и подзоны сильного подтопления (б) В связи с повышением уровня грунтовых вод и образования зоны подтопления были проведены исследования изменения радиального прироста вследствие затоп ления Богучанского водохранилища.
Ведущим компонентом лесных экосистем района исследований является древо стой. Исследования кернов показали, что колебания приростов в различных услови ях зоны влияния тест-аналога в целом синхронизированы по годам, но существенно различаются по величине. Результаты натурных исследований представлены на рис.7.
По результатам натурных исследований модельных деревьев были получены следующие зависимости прироста от параметров подтопления:
0. z 1 138. 3 n (21) 0. z 2 248. 1 n (22) z 3 247. 8 n 0. 3742 (23) Где z1, z2, z3 – среднегодовой прирост за трехлетие в % от прироста до создания водохранилища соответственно в зонах сильного, умеренного и слабого подтопле ния;
п – порядковый номер трехлетия после создания водоема.
Зона слабого подтопления Зона умеренного Z, % воздействия Зона сильного подтопления Сглаженные кривые 1 2 3 4 5 6 7 8 9 n Рис. 7. Динамика радиального прироста сосен по трехлетиям в подзонах сильного, умеренного и слабого подтопления Все древостои, редины и в целом аборигенную древесную растительность в зоне возможного подтопления целесообразно вырубать не только при лесосводке, но и с воды в первые 3 – 5 лет после затопления. В зоне подтопления необходимо назна чать в рубку древостои, затопляемые вследствие выхода грунтовых вод в замкнуто пониженных участках, среди них в первую очередь ельники, затем сосняки и лист венничники, и, наконец, лиственные насаждения всех эксплуатационных возрастов.
Далее назначаются в рубку подтопляемые древостои последовательно: спелые, при спевающие и средневозрастные насаждения ели заболоченных типов леса, затем со сны, лиственницы и лиственных пород тех же возрастов и типов леса, которые резко снизят прирост и вряд ли могут перестроить в этом возрасте свою экологию приме нительно к новым условиям обитания. Затем объектом рубок главного пользования будут спелые древостои последовательно в типах леса: сложных, кисличниках, зе леномошниках, брусничниках. Рубки ухода в подтопляемых насаждениях должны носить реконструктивный характер. Объектом ухода должны стать более устойчи вые породы в смешанных молодняках, которые легче приспосабливаются к изме нившемуся гидрологическому режиму и могут в дальнейшем увеличить прирост. В таких условиях в первую генерацию целесообразна адаптация лиственных древосто ев. На площадях умеренного подтопления возможна и адаптация хвойных. В молод няках ели и особенно сосны для повышения продуктивности должны удаляться вы соковозрастные деревья.
5. Экспериментальное исследование возможности использования древесины, заготавливаемой при проведении рубок в водоохранных лесах, в качестве сы рья для ЦБП. В районе проведения лесосводки в ложе водохранилища БоГЭС был проведен отбор модельных образцов древесины на ключевых участках-полигонах.
Из района исследования было отобрано 230 модельных деревьев. Средняя полнота насаждений – 0,64, средний возраст хвойных насаждений – 143 года, лиственных – 70 лет, средний бонитет – III,7. Результаты проведенных исследований представле ны в таблице 4.
Таблица Химический состав основных пород древесины, произрастающих в различных лесосырьевых базах.
Наименование Содержание, % от а.с. древесины лесосырьевой целлюлозы лигнина смол и водораст- пенто- золы базы жиров воримых занов веществ Сосна Усть-Илимская 49,43 28,15 4,05 2,68 8,26 0, Братская 49,70 27,40 7,90 2,60 7,40 0, Богучанская 51,83 26,09 4,77 3,09 7,30 0, Лиственница Усть-Илимская 41,90 26,73 2,61 11,54 7,84 0, Братская 44,80 25,50 3,30 15,40 6,90 0, Богучанская 47,35 25,26 2,34 10,47 6,56 0, Ель Усть-Илимская 50,42 27,70 2,28 2,22 7,97 0, Братская 51,80 28,90 2,60 1,90 7,50 0, Богучанская 51,70 28,00 2,06 1,96 6,84 0, Пихта Усть-Илимская 47,23 30,73 2,51 2,97 6,41 0, Братская 50,20 30,00 3,70 3,10 6,70 0, Богучанская 51,41 28,40 2,83 3,19 5,84 0, Кедр Усть-Илимская 47,91 25,44 5,65 4,27 6,97 0, Братская 50,50 26,00 8,00 4,90 8,20 0, Богучанская 50,71 25,50 4,91 6,04 5,74 0, Осина Братская 51,60 19,90 4,40 3,20 19,00 0, Богучанская 52,43 18,59 3,25 2,25 20,85 0, Береза Братская 48,80 20,20 3,30 1,60 25,10 0, Богучанская 48,70 18,77 2,89 2,52 25,49 0, Из проведенных исследований следует, что по своему химическому составу дре весина сосны Богучанской лесосырьевой базы (БЛБ) наиболее близка к сосне Брат ской лесосырьевой базы. Отличие состоит в большем содержании целлюлозы Кюршнера.
По выходным параметрам варки видно, что из сосны БЛБ можно получить небе леные целлюлозы с общим выходом ~ на 2% выше, чем из сосны Братской лесо сырьевой базе (44,6 и 42,5% от абсолютно сухой древесины соответственно), грани цы которых географически близко расположены, что объясняется повышенным со держанием целлюлозы в исходной древесине (51,8 и 49,7% от абсолютно сухой дре весины соответственно).
Целлюлозы, полученные из кедровой древесины БЛБ практически не отличаются по своим характеристикам от таковых из кедра других баз. Из лиственницы БЛБ по лучены целлюлозы с общим выходом ~ на 0,5-0,8% выше, чем из лиственницы, про израставшей в других лесосырьевых базах, что также является следствием повы шенного содержания целлюлозы в древесине БЛБ.
По механическим показателям целлюлозы древесины БЛБ (табл.5) не отличаются от механических показателей древесины других лесосырьевых баз Таблица Выходные параметры варок древесины различных пород № Порода Выход Общий Степень Показатели механической прочности небе леных целлюлоз при размоле до 600ШР п/п сорти- выход делиг рован- целлю- нифика- Разрывная Сопро- Сопро- Сопро ной лозы, % ции по длина, м тивление тивление тивление целлю- от а.с. перман- излому, раздира- продав лозы, % древе- ганатно- ч.д.п. нию, Н ливанию, от а.с. сины му числу кПа древе сины 1 Лист- 40,7 41,8 28,0 6000-7300 1700-3300 1,23-1,78 324- венница 2 Кедр 42,6 44,0 30,0 8100-8800 3000-4000 0,93-1,13 481- 3 Сосна 43,3 44,6 31,0 8500-9500 2700-4000 0,91-1,25 505- Результаты сульфатных варок древесины сосны, полученные при варке отдель ных деревьев, были подвергнуты математической обработке методом множествен ной корреляции (расчеты производились с помощью пакета MathCad). Были полу чены регрессионные уравнения, позволяющие связать выходные параметры варки с компонентным составом исходной древесины:
Для сосны:
y 1 27,064 0,562 x1 0,313 x 2 0,039 x 3 0,336 x (24) Общий выход целлюлозы – компонентный состав (25) y 2 18,12 1,8475 х1 1,311039 x3 1,549 x Степень делигнификации – компонентный состав Для лиственницы:
y 1 45,9226 0,0693x1 0,412 x 2 0,211x 3 0,089 x 4 0,218 x (26) Общий выход целлюлозы – компонентный состав y 2 38, 4 0,267 x1 0, 475 x 2 0,7839 x 3 0,15 x 4 0,0146 x (27) Степень делигнификации – компонентный состав Где х1 – целлюлоза;
х2 – пентозаны;
х3 – смола;
х4 – лигнин;
х5 – водорастворимые вещества, (% от абсолютно сухой древесины).
Экспериментальная проверка полученных уравнений показала их корректность для расчета выходных параметров сульфатных варок древесины хвойных пород в широком диапазоне изменения химического состава древесины вышеуказанных по род. (Fр=2,58 Fтабл=1,89) 6. Инженерные методы по повышению экологической безопасности при под готовке лож водохранилищ. В берегозащитных полосах шириной до 300 м в за претных полосах вдоль рек (включая их истоки), озер, водохранилищ уход в молод няках рекомендуется проводить интенсивностью до 50% (сомкнутость снижается до 0,4—0,5), а при прореживаниях и рубках обновления полнота не должна снижаться менее 0,7. Вырубаются ветровальные породы (ель, пихта), крупные перестойные де ревья, которые могут вываливаться, лиственные, а также сильно наклонившиеся де ревья. Подлесочные породы и примесь лиственных пород до 3 ед. состава рекомен дуется сохранять. В опушечных (прилегающих к берегу) частях полос (30—50 м) проводятся только санитарные рубки.
На основании анализа литературных источников и результатов проведенных ис следований, а также руководствуясь нормативной документацией, приведем основ ные моменты разработанной технологии (рис. 8, 9):
Рис.8. Технологическая схема проведения рубок обновления и переформирования насаждений в прибрежной полосе лесов водоохранной зоны Богучанского водо хранилища (зимние условия, южная экспозиция, пологий склон).
Рис. 9. Технологическая схема проведения рубок обновления и переформирова ния насаждений в прибрежной полосе лесов водоохранной зоны Богучанского водохранилища (летние условия, пологий склон).
1. На всей площади, уходящей под постоянное затопление, необходимо прове дение полной лесосводки и лесоочистки, а по береговой полосе будущего водохра нилища проведение рубок по обновлению и переформированию древостоев.
2. Целями рубок обновления и переформирования насаждений в пятидесятимет ровой прибрежной полосе водоохранной зоны лесов являются: перевод хвойных на саждений в мягколиственные, присущих естественным речным и озёрным ланд шафтам, уборка перестойных насаждений, укрепление берегов водохранилищ за счет сохранения корневой системы.
3. В древостоях с мелким подростом, особенно в зимний снежный период при ширине полос 30-35 метров целесообразно применять технологию разработки лесо сек двухленточными пасеками. Указанная технология обеспечивает лучший лесово дственный эффект за счет уменьшения в два раза количества волоков и частичного сохранения подроста в местах прохода валочно-пакетирующей машины, а также за счет укрепления волоков порубочными остатками при работе в бесснежный период.
4. В древостоях без подроста, произрастающих на супесчаных и песчаных поч вах, допускается применение технологии разработки лесосек на базе валочно пакетирующей машины ЛП-19 лентами, перпендикулярными лесовозному усу с ук ладкой пачек деревьев под углом к направлению трелевки (следу машины).
5. Система машин: валка деревьев бензопилой «STIHL-066», обрезка сучьев на лесосеке бензопилой "STIHL-036", трелёвка трактором ТТ-4М с чокерным оборудо ванием, раскряжёвка хлыстов на сортименты бензопилой «STIHL-066», погрузка че люстным погрузчиком ЛТ-65Б, вывозка автолесовозами КамАЗ-4310 - может быть рекомендована для освоения лесосек на крутых склонах, при этом раскряжевку не обходимо проводить на погрузочных площадках, т.к. на крутых склонах раскряжев ка на лесосеке затруднена. При отсутствии сухопутных путей к лесосеке технология рубки ведется по варианту с транспортировкой древесины по водным путям.
6. При технологии рубки, проводимой по варианту с системой машин: валка де ревьев бензопилой «STIHL-066», обрезка сучьев на лесосеке бензопилой «STIHL 036», трелёвка хлыстов на берег машиной для воздушной (канатной) трелёвки МЛ 43, раскряжёвка хлыстов на сортименты бензопилой «STIHL-066», погрузка сорти ментов на баржи манипулятором топлякоподъёмника ЛС-41А - минерализация поч вы сводится к минимуму, а процент сохранения достигает максимума, при этом при крутизне склонов 250 и более трелевка деревьев ведется как за комель, так и за вер шину.
7. В условиях крутых склонов и световых экспозиций на последних необходимо создавать максимально плотные, смешанные и многоярусные насаждения с участи ем в их составе 70% кустарников, что обеспечит: скрепление поверхности склонов, отенение, задержание снега, его замедленное таяние и равномерное проникновение влаги в грунт, снижение испарения, устранение поверхностного стока воды в общее повышение плодородия почв склонов, что в свою очередь скажется на производи тельности насаждений.
8. После проведения комплекса лесосечных работ в береговой полосы во дохранилищ целесообразно оставлять вырубаемые площади под естественное во зобновление.
9. Исследования обосновали целесообразность, и необходимость проведения сплошной рубки деревьев в полосе шириной пять метров от кромки штормового ус тупа независимо от лесорастительных и почвенно-грунтовых условий. В остальном же, разрабатываемые технологические процессы должны базироваться на устояв шихся и общепринятых тенденциях в области лесозаготовительного производства и лесосплава.
ВЫВОДЫ 1. Определены расчетным путем колебания концентраций водорастворимых ве ществ в воде Богучанского водохранилища при полном отсутствии лесосводки и лесоочистки ложа, значения будут находиться в пределах 0,121 0,339 мг/л, фенолов – 0,0048 0,0248 мг/л., что означает, что вода водохранилища Богучан ской ГЭС в течение 5-6 лет в период его формирования не будет соответство вать гигиеническим нормативам, установленным для водоемов в пунктах водо пользования населения.
2. Предложена методика и выполнены экспериментальные и аналитические ис следования изменения радиального прироста модельных деревьев вследствие колебаний уровня водохранилища, по результатам которых получена матема тическая зависимость динамики радиального прироста от параметров подтоп ления.
3. Выявлена математическая связь уклона берега водохранилища с шириной зоны подтопления, что позволило классифицировать берега водохранилища лесной зоны применительно к прогнозу подтопления 4. Получены корреляционные зависимости выходных параметров варки целлюло зы с компонентным составом исходной древесины и доказано экспериментами, что древесина, заготавливаемая при проведении лесосводки, лесоочистки, руб ках обновления и переформирования по берегам Богучанского водохранилища, будет служить ценным сырьем для получения сульфатных целлюлоз.
5. Разработаны инженерные мероприятия по проведению лесосводки, лесоочист ки, адаптивной перестройке молодых ценозов, внедрение которых позволит по высить экологическую безопасность при проведении подготовки ложа Богучан ского водохранилища.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Даниленко, О.К. Прогноз изменения древесной растительности под влиянием за топления ложа Богучанского водохранилища [Текст] / О.К. Даниленко, Б.И. Уг рюмов // Вестник Московского государственного университета леса / Москов ский гос. ун. леса. – Мытищи, 2007. – вып. № 4(53). – С. 32-37. (авторский вклад – 3 стр.) Статьи и материалы конференций 2. Даниленко, О.К. Обзор проблематики последствий для окружающей среды строительства и эксплуатации гидросооружений [Текст] / О.К.Даниленко // Пятая студенческая научно-техническая конференция: сб. матер. / Братский гос. техн.
ун-т. - Братск, 2004.- С. 9-13.
3. Даниленко, О.К. Проблемы по защите окружающей среды, связанные со строи тельством Богучанской ГЭС [Текст] / О.К.Даниленко // Вторая Всероссийская научно-практическая конференция: сб. матер. / Пензенская гос. с.-х. акад. – Пен за, 2004. – С. 31- 4. Даниленко, О.К. Анализ качества воды р. Ангары [Текст] / О.К. Даниленко, Б.И.
Угрюмов // Всероссийский постоянно действующий научно-технический семи нар: сб. статей / Пензенская гос. с.-х. акад. – Пенза, 2006. – С. 93- 5. Даниленко, О.К. Гидрохимический анализ качества воды реки Ангары [Текст] / О.К. Даниленко, Б.И. Угрюмов, М.А. Доленко // Всероссийская научно техническая конференция: сб. статей / Братский гос. техн. ун-т. - Братск, 2006. Том 1.- С. 101-102.
6. Даниленко, О.К. Исследование современного состояния реки Ангары [Текст] / О.К.Даниленко, Е.М. Рунова, М.А. Доленко // Всероссийская научно-техническая конференция: сб. статей / Братский гос. техн. ун-т. - Братск, 2006.- Том 1.- С.87 89.
7. Даниленко, О.К. Прогноз температурного режима р. Ангары в нижнем бьефе Бо гучанской ГЭС [Текст] / О.К. Даниленко, Б.И. Угрюмов // ХI Международная научно-практическая конференция: сб. статей / Пензенская гос. с.-х. акад. – Пен за, 2006. – С. 200-201.
8. Даниленко, О.К. Оценка медико-биологических последствий строительства Бо гучанской ГЭС [Текст] / О.К. Даниленко, Б.И. Угрюмов // Всероссийская научно техническая конференция: сб. статей / Братский гос. техн. ун-т. - Братск, 2006. Том 1.- С. 112-114.
9. Даниленко, О.К. Экологические последствия строительства Богучанской ГЭС [Текст] / О.К. Даниленко, А.Н. Миронов, Б.И. Угрюмов // Всероссийская научно практическая конференция: сб. статей / Пензенская гос. с.-х. акад. – Пенза, 2006.
– С. 84-86.
10. Даниленко, О.К. Прогноз качества воды в водохранилище и нижнем бьефе Богу чанской ГЭС при различных вариантах лесосводки [Текст] / О.К. Даниленко, Б.И.
Угрюмов // Международная научно-техническая конференция: сб. науч. тр. / Брянская гос. инжен.-технол. акад. - Брянск, 2006. – вып. 15. – С. 75-76.
11. Даниленко, О.К. К вопросу экологического состояния водоемов Иркутской об ласти [Текст] / О.К. Даниленко, Б.И. Угрюмов // VII Всероссийская научно практическая конференция: сб. статей / Пензенская гос. с.-х. акад. – Пенза, 2007.
– С. 15-17.
12. Даниленко, О.К. Влияние затопления Богучанского водохранилища на продук тивность древостоев береговой полосы [Текст] / О.К. Даниленко, Б.И. Угрюмов, Р.И. Яремчук // Международная научно-техническая конференция: сб. науч. тр. / Брянская гос. инжен.-технол. акад. - Брянск, 2007. – вып. 17. – С. 129-132.
13. Даниленко, О.К. Влияние затопления лож водохранилищ на продуктивность дре востоев береговой полосы / О.К. Даниленко, Б.И. Угрюмов // Всероссийская на учно-техническая конференция: сб. трудов / Братский гос. техн. ун-т. - Братск, 2007.- С. 65-66.
14. Даниленко, О.К. Химико-физическая оценка древостоев, подверженных воздей ствию Ангарского каскада ГЭС [Текст] / О.К. Даниленко, Б.И. Угрюмов, А.Д.
Сергеев // Международная школа конференция: избран. лекции / Воронежская гос. лесотехн. акад. - Воронеж, 2007. – Том 2. – С. 118-122.
15. Угрюмов, Б.И. Пути повышения эффективности использования водных и лесных ресурсов Приангарья [Текст] / Б.И. Угрюмов, О.К. Даниленко // 13-я Междуна родная научно-практическая конференция: доклады / Международная акад. наук высш. шк., Сибирская акад. наук высш. шк. - Томск, 2007. – С. 85-88.
Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью, просим направлять по адресу:
665709, Иркутская обл., г. Братск, ул. Макаренко 40, Братский государственный университет ученому секретарю диссертационного совета Чжан С.А.
телефон-факс: 8-(3953)33-20- Даниленко Ольга Константиновна ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕСОПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ЛОЖ ВОДОХРАНИЛИЩ (НА ПРИМЕРЕ БОГУЧАНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 25.09.08. Формат 60х84 1/ Печ. л. 1,0 Тираж 100 Заказ Типография Братского государственного университета 665709, Иркутская обл., г. Братск, ул. Макаренко