растущие деревья как приборы для экологического мониторинга

УДК 504.064; 502.9; 630*0
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].
а
б
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).
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. Вопервых, 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 физикохимических 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.