Устойчивость деревьев и насаждений к воздействию ветра: математические модели и анализ натурных данных

• Автор: Филенкова, Нина Викторовна
• Шифр специальности: 05.13.01, 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 135 с. : ил.

1.1. Ветроустойчивость одиночного дерева.

1.1.1. Механические модели.

1.1.2. Факторы, влияющие на ветроустойчивость.

1.2. Ветроустойчивость дерева с учетом ближайшего окружения.

1.2.1. Программный комплекс НУ1Ж

1.2.2 Программный комплекс РогезАЬЕ

1.3. Ветроустойчивость насаждения в целом.

1.3.1 Применение нейронных сетей для оценки ветроустойчивости

Выводы к главе

Глава 2. Механическая модель ветроустойчивости одиночного дерева первый уровень модели ветроустойчивости насаждения.

2.1. Колонна на упругом основании под действием горизонтальной нагрузки .

2.2. Упруго закрепленный стержень под действием поперечной нагрузки
2.3. Анализ ветроустойчивости дерева на основе механических моделей.
Выводы к главе
Глава 3. Модели ветроустойчивости древостоев
3.1. Ветроустойчивость дерева с учетом ближайшего окружения второй уровень модели ветроустойчивости насаждения
3.1.1. Параметры мезомодели.
3.1.2. Функция парциальной экологической полезности.
3.1.3. Биогруппа
3.2. Ветроустойчивость насаждения в целом третий уровень модели ветроустойчивости насаждения.
3.2.1. Тип насаждения.
3.2.2. Горизонтальная структура насаждения
3.2.3. Моделирование влияния типа посадок на ветроустойчивость насаждения
Выводы к главе
Глава 4. Анализ натурных данных о вывале деревьев на основе разработанных моделей.
4.1. Таксационные характеристики исследуемых пробных площадей.
4.2. Анализ параметров модели второго уровня ветроустойчивости древостоя учет ближайшего окружения
4.2.1. Аллометрия пробных площадей
4.2.2. Относительная высота дерева над пологом насаждения.
4.2.3. Число соседних деревьев.
4.2.4. Общая функция экологической полезности для исследуемых пробных площадей.
4.2.5. Число вывалившихся или обломанных ближайших соседей.
4.2.6. Влияние размера субкластсра на ветроустойчивость дерева
4.3. Анализ параметров модели третьего уровня ветроустойчивости
насаждения в целом
4.3.1. Вывал деревьев кластера в зависимости от числа соседних деревьев
4.3.2. Относительная локальная площадь кластера.
4.3.3. Относительная площадь полога кластера
4.3.4. Периметр кластера
4.3.5. Фрактальная размерность кластеров.
4.3.6. Радиальная функция распределения
4.4. Планирование устойчивых к ветру насаждений
Выводы к главе 4.
Выводы.
Заключение.
Библиографический список.
Библиографический список.
Приложение
Приложение
Приложение
Введение


В данной главе рассмотрены различные подходы к моделированию задачи ветроустойчивости дерева и насаждений, используемые в настоящее время в мировой практике. Приводятся модели, описывающие ветроустойчивость одиночного дерева с последующими усложнениями и рассмотрением влияния ближайшего окружения на ветроустойчивость дерева и, наконец, переходом к ветроустойчивости насаждения в целом. Ветроустойчивость дерева изучается уже много лет 3, 4. Механические аспекты ветровала имеют фундаментальный биологический интерес, особенно физические свойства ствола, которые вносят ощутимый вклад в способность дерева противостоять действующим нагрузкам 5, 6. Полученные этими и другими авторами результаты применялись для изменения механических свойства саженцев в ходе их онтогенетического развития, для лучшего приспособления к особенностям условий произрастания 7, 8, 9. Для выявления реальных особенностей ветровала некоторые исследования по ветроустойчивости дерева проводились экспериментально, например, при измерении скорости ветра одновременно измерялись напряжения волокон в поверхности изогнутого ствола , или использовался специальный экспериментальный вывал дерева . Такие исследования весьма трудоемки, и в связи с этим необходимо разрабатывать универсальные методы для детального моделирования механических свойств дерева и моделирования его упруго механических реакций, вызванных действующим ветром. Любая попытка моделировать ветровал должна быть основана на понимании механики ветровала и влияния различных факторов. Традиционно изгиб дерева под действием ветра моделируется консолью под действием поперечной нагрузки , , . Это предположение основывалось на нескольких основных приближениях. Длина стержня должна быть много больше диаметра. Разные авторы это превышение оценивали поразному от раз до раз . Тогда растяжением можно было пренебречь и рассматривать случай чистого изгиба. При этом в начальном положении поперечное сечение можно было рассматривать плоским и перпендикулярным к оси изгиба ствола. Для большинства деревьев это справедливо изза их гибкости. Поэтому напряжение волокон пропорционально расстоянию от нейтральной оси, которая определяется линией нулевого напряжения. Деформация древесины ствола описывается согласно закону Гука т. Е определяет отношение между напряжением и относительным удлинением сН1, и напряжение а Ее. В отсутствии нагрузки стержень сохраняет прямолинейное состояние. Эффективная составляющая внешней силы действует перпендикулярно оси ствола. С точки зрения прочности конструкция типа консоли невыгодна, так как второй конец консоли не закреплен. Но у деревьев нет выбора, поскольку растут деревья вертикально, и свободный конец ствола вершина находится в воздушной среде. Для такой конструкции характерны значительные величины изгибающих моментов, особенно в случаях, когда действующие силы сосредоточены вблизи свободного конца, что как раз и имеет место у деревьев. Из теории упругости известен ряд уравнений для определения элементов изгиба упругой консоли. Е модуль упругости материала ВДОЛЬ ВОЛОКОН, I момент инерции сечения. Мех, г Ягг. Величина и распределение действующих на дерево сил ветра и изгибающего момента зависят от формы и размеров кроны, высоты ее расположения и густоты, а также от скорости ветра. Элементарные силы от ветра, действующие на каждую ветвь, ствол, хвоинки и листья, могут быть приведены к одной равнодействующей силе Я. ЛгС, 1. Со коэффициент сопротивления, безразмерная величина 5 площадь вертикальной проекции кроны миделевое сечение, м2 р плотность воздуха, равная 1, кгм3 V скорость ветра, мс г высота ствола дерева, м. Аэродинамические свойства кроны дерева зависят от скорости ветра, и соответственно существует большой разброс коэффициента сопротивления СоНа основании экспериментальных данных было получено параболическое уменьшение, начиная с 0,7 в штиль и до 0, при скорости ветра V мс. Получен оценочный полином Со 0, 0,у 0,у2. Со 0,6 ель, средней густоты 0,5, редких 0,4 . Считают, что расчетные силы ветра являются статическими, отсутствует передача усилий от ветвей к стволу, и поэтому пренебрегают моментом кручения изза возможной асимметрии кроны.