Растущие деревья как приборы для экологического мониторинга

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Растущие деревья как приборы для экологического мониторинга

П.М. Мазуркин, С.В. Герасимов, А.А. Ефимов

Марийский государственный технический университет,

г. Йошкар-Ола, Россия

Изобретения [1-8] относятся к способам экологического и технологического мониторинга ультразвуковых свойств древесины в растущем состоянии. Они могут быть использованы в инженерной экологии и природоохранном обустройстве территорий.

В растущем дереве делается, по крайней мере, одно отверстие, в которое вставляется многоканальный ультразвуковой датчик с разъемом для подсоединения электромагнитного возбудителя (рис. 1). Отверстие выполняется по радиусу ствола или ветви растущего дерева, а многоканальный датчик в виде цилиндра из органического стекла с наклеенными по бокам двумя рядами пъезоэлементами вставляется в отверстие и закрепляется в нем клеем, например жидким стеклом. На рис. 1 показаны схемы расположения двух многоканальных датчиков вдоль волокон дерева на базовом расстоянии L [6].

Рис. 1. Схемы расположения: а - двух многоканальных датчиков вдоль ствола; б - волн ультразвука вдоль волокон древесины при включении одного датчика и многих приемников

После визуального осмотра древостоя выбирают учетное дерево, на котором, например, на высоте 1,3 м выбирают зону измерения 1 и высверливают отверстие 3. Лучше всего для многолетнего экологического мониторинга отверстие высверлить в сентябре-ноябре, чтобы датчик мог «врасти». После плотной посадки корпуса 4 с пъезоэлементами 6 в годичные слои древесины замеры будут точными. При необходимости корпус датчика обмазывают жидким стеклом (силикатным клеем), что позволяет обеспечивать хороший контакт пъезоэлементов с древесиной.

Так можно изучать на растущих деревьях динамику свойств у группы годичных слоев, приходящихся на один пъезоэлемент, а затем сопоставлять скорость ультразвука с изменением параметров окружающей среды. Поэтому экологический и технологический виды мониторинга совмещаются, так как удается измерять изменение свойств у древесины по годичным слоям. Это позволяет изучать деревья как в нормальных или иных условиях, например, при сильном загрязнении атмосферы выбросами от химических и металлургических предприятий, так и через поведение живой древесины распознавать поведение окружающей природной среды. Положительный эффект заключается в том, что одно просверленное отверстие в дереве позволяет многие годы получать наиболее полную информацию о биологическом состоянии этого дерева в разные фазы его развития. Это существенно повышает точность измерений, причем по одним и тем же группам годичных слоев на стволе или ветви растущего дерева.

По патенту [7] на стволе или ветви растущего дерева выполняются с двух его боков пазы с торцами, параллельными друг другу и симметрично расположенными относительно оси дерева. Пазы выполняются в виде поверхности цилиндра, например, с помощью торцовой фрезы, с диаметром, превышающим диаметр датчиков ультразвукового прибора.

На рисунке 2 приведена схема реализации предлагаемого способа на стволе растущего крупномерного дерева (в среднем и старом возрасте).

дерево экологический мониторинг ультразвуковой

Рис. 2. Схема расположения углублений в стволе дерева

На рисунке 3 показана схема измерения времени прохождения ультразвука на расстояние L датчиками ультразвукового прибора, например типа УК-14П.

Рис. 3. Схема ультразвукового испытания дерева

На стволе 1 или ветви 2 растущего дерева с двух его сторон (рис. 2, 3) выполняются пазы 3, например цилиндрической формы. К торцам 4 пазов прижимаются датчики 5 ультразвукового прибора. По показаниям прибора определяется время прохождения ультразвука на расстояние L по зоне 6 замеров. По скорости ультразвука оценивают состояние растущего дерева.

Изобретение [8] относится к отраслям потребления технической древесины и может быть использовано при сертификации древесины отведенных в рубку деревьев непосредственно на корню, а также круглых лесоматериалов в условиях лесозаготовок и первичной деревообработки. Оно применимо при контроле качества круглых лесоматериалов в различных условиях их хранения, строительных изделий из бревен в виде столбов, деталей деревянных мостов и других сооружений. Изобретение может быть также использовано в инженерной экологии при оценке экологического состояния и экологического режима территории худшими по техническому качеству деревьями (сухостойными, больными, с гнилью и пр.), которые в дальнейшем подлежат рубке в ходе проведения мероприятий по уходу за лесом и природным ландшафтом как мероприятия по природообустройству.

На стволе дерева или бревна, находящегося в различных строительных сооружениях, с одной или нескольких сторон поперек волокон делаются, по крайней мере, два паза с перемычкой между ними, не меньшей длины стандартного образца, то есть более 300 мм. Ширина паза рассчитана на размещение датчика переносного ультразвукового прибора, а при определении глубины паза учитывается возможность изготовления из образовавшейся между двумя пазами перемычки нескольких стандартных образцов сечением 20х20 мм.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в совмещении методов ультразвукового и прочностного испытания технической древесины от растущего состояния до стандартных образцов, которые ранее применялись в основном на предприятиях механической обработки древесины.

На рисунке 4 показана часть ствола (дерева, столба, опоры, бревна и пр.) с перемычкой и пазами, вид сбоку.

а б

Рис. 4. Схема расположения перемычки и пазов на стволе дерева: а - вид сбоку; б - вид спереди

На рисунке 5а приведена схема с двумя перемычками и тремя пазами. Это позволяет сопоставлять результаты измерений и вычислять средние значения скорости ультразвука по нескольким местам измерения. На рисунке 5б изображена схема испытания перемычки и расположения датчика и приемника колебаний переносного ультразвукового прибора в пазах.

а б

Рис. 5. Схемы расположения перемычек:

а - две перемычки с тремя пазами; б - схема расположения датчиков в пазах

На рисунке 6 показана отколотая перемычка технической древесины, вид с торца, с линиями разметки для изготовления стандартных образцов сечением 20х20 мм.

Рис. 6. Схема раскроя перемычки на стандартные образцы древесины

На стволе 1 отведенного в рубку дерева или бревна, находящегося в каком-то состоянии (в штабеле, в строительной конструкции в виде деревянного моста и др.), например, с одной стороны делаются пазы 2, между которыми размещается перемычка 3 в виде сегмента ствола длиной L, не меньшей 300 мм.

На торце 4 перемычки, изготовленной, например, фрезерованием или пилением, обеспечивающим высокое качество поверхности, прижимают датчик 5 переносного ультразвукового прибора (рис. 5). В связи с этим ширину паза делают такой, чтобы можно было разместить в нем ультразвуковой датчик (приемник). После проведения серии ультразвуковых испытаний технической древесины перемычки у некоторой части деревьев или бревен откалывают по поверхности 6 по дну обоих пазов, например, топором. Затем сегмент ствола в виде отделенной от ствола перемычки распиливают с учетом допусков на чистовую обработку стандартных образцов 7.

Стандартные образцы, изготовленные из одной перемычки, вначале подвергают ультразвуковым испытаниям, например, по прототипу. После этого образцы 20х20х300 мм испытывают на изгиб, а отрезки части стандартных образцов (после их озвучивания) - на сжатие вдоль волокон (или в других направлениях при специальной схеме раскроя).

Затем полученные данные сопоставляют и вычисляют поправочные коэффициенты. С их помощью продолжают экологический мониторинг изделия из бревен или растущих деревьев, отведенных в рубку (отвод лесосеки, как «изделия» лесохозяйственного производства, может произойти за несколько лет до самого процесса рубки). Расчет прочностных показателей продолжают с поправочными коэффициентами, учтенными в ходе ультразвукового испытания технической древесины на прочность.

Предлагаемый способ расширяет технологические возможности ультразвукового метода испытания технической древесины, по крайней мере, в двух направлениях. Во-первых, появляется практическая возможность прямого испытания стандартных образцов на ультразвуковые показатели и параметры механической прочности. Эти две группы экспериментальных данных позволяют получить переходные коэффициенты от известных справочных данных о прочности технической древесины к ультразвуковым показателям. Во-вторых, появляется возможность сопоставления значения ультразвуковых показателей на двух объектах - на стандартных образцах и на древесине перемычки на дереве, причем на одной и той же древесине.

Предлагаемый способ позволяет в дальнейшем отказаться от стандартных образцов и перейти на мониторинг древесины в растущем состоянии. В этом случае появляется возможность оперативной сертификации древесины на корню, быстрое выявление ее технического качества и экологически эффективного выхода наиболее ценных ассортиментов.

Библиографический список

1. Мазуркин П.М. Экологический мониторинг (Способы испытания деревьев): Учеб. пособие. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. 224 с.

2. Мазуркин П.М. Дендрометрия. Статистическое древоведение. Учеб. пособие. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. Ч. 1 и 2. 308, 205 с.

3. Мазуркин П.М. Статистическая экология: Учеб. пособие Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. 308 с.

4. Винокурова Р.И., Мазуркин П.М., Тарасенко Е.В. Закономерности физико-химических параметров древесины растущего дерева. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. 187 с.

5. Мазуркин П.М., Герасимов С.В. Способ ультразвукового испытания несущей способности растущих деревьев. Патент № 2228608. Опуб. 20.05.2004. Бюл. № 14.

6. Герасимов С.В., Мазуркин П.М. Способ ультразвукового испытания годичных слоев растущего дерева и лесоматериалов. Патент № 2242866. Опуб. 27.12.04. Бюл. № 36.

7. Мазуркин П.М., Колесникова А.А., Ефимов А.А. Способ ультразвукового испытания древесины растущих деревьев. Патент № 2224416. Опуб. 27.02.2004 Бюл. №6.

8. Мазуркин П.М., Колесникова А.А., Ефимов А.А. Способ ультразвукового испытания технической древесины. Патент № 2224415. Опуб. 27.02.2004 Бюл. №6.

Размещено на Allbest.ru