A new methodological approach to evaluation of mechanical resistance of green plantings in urban environments

Full Text

Введение

Древесные насаждения являются важнейшей составляющей современных городов. Они участвуют в поддержании жизнедеятельности и формировании облика города, очищении воздушной среды, улучшении микроклимата, создании комфортных условий жизни горожан. Рекреационная, эстетическая, санитарно-гигиеническая, санационная и другие экологические и средообразующие функции зелёных насаждений определяются свойствами самих растений и их сообществ, среди которых: поглощение углекислого газа и выделение кислорода в ходе фотосинтеза; испарение влаги при транспирации, в результате которой регулируется водный и температурный режимы; выделение фитонцидов – биологически активных веществ, которые подавляют или полностью прекращают рост и развитие болезнетворных микроорганизмов; фиксирование пылевых частиц на поверхности листьев и поглощение ими газов; формирование электрического поля и образование отрицательных аэроионов кислорода; изменение температуры и влажности воздуха и почвы под пологом насаждений; поглощение энергии ветра, вибраций почвы и акустического шума, накопление снега; создание среды обитания для различных групп организмов; положительное влияние на эмоциональное состояние человека.

Эффективное использование и полноценное выполнение функций зелёных насаждений возможно лишь в случае, если составляющие их растения обладают высокой жизнеспособностью, а условия произрастания в городской среде соответствуют их биологическим потребностям и экологическим особенностям. В промышленных городах древесная растительность подвергается значительной техногенной нагрузке: запыление, загазованность, загрязнение и засоление почв, грунтовых и почвенных вод. В результате ослабленные деревья теряют жизнеспособность, постепенно усыхают и отмирают значительно раньше, чем в естественной среде обитания. Вовремя не убранные повреждённые растения или их части могут обламываться под действием собственного веса или ветровых нагрузок, становятся опасными для здоровья и жизни горожан, приносят экономические убытки.

В Донецке изучение этих биолого-экологических особенностей растений является одной из основных научных задач. За десятки лет работы Донецкого ботанического сада и Донецкого национального университета его учёными были опубликованы не только научные статьи и монографии, но и ряд практических рекомендаций для предприятий зелёного строительства [1–22].

Цель работы – разработать новый методический подход к определению степени аварийности деревьев в населённых пунктах на основе учёта оценки механической устойчивости древесных растений и данных современных инструментальных методов исследований, которые могут быть использованы службами, осуществляющими мониторинг состояния и уход за зелёными насаждениями.

Задачи: 1) разработать алгоритм нового методического подхода определения степени аварийности деревьев; 2) провести диагностику состояния деревьев основных пород, используемых в озеленении города Донецка, с применением комплекса методик, включающих классические и современные методы оценки состояния аварийности древесных растений в городской среде; 3) обосновать необходимость внедрения новых методов контроля состояния аварийности деревьев в городских условиях на примере модельного дерева; 4) разработать шкалу и бланк оценки аварийности дерева в условиях города.

Материал и методы исследований

В настоящее время практикуется использование современной системы контроля состояния зелёных насаждений, которая предусматривает комплекс организационных мероприятий, обеспечивающий эффективный контроль, прогноз состояния зелёных насаждений с учётом экологической ситуации региона.

При оценке древесных насаждений нами были использованы следующие методы:

1. Визуальный (осмотр дерева с земли, осмотр дерева с подъёмом на ствол, осмотр местности);
2. Ретроспективный (изучение исполнительной и проектной документации по строительным и ландшафтным работам, изучение ветровой особенности и нагруженности данного участка местности, выявление предыдущих случаев падения деревьев);
3. Инструментальный:

3.1. Инструментальный инвазивный контроль:

а) взятие керна прирастным буром (Бурав Пресслера);

3.2. Прямое испытание биомеханических свойств дерева (прочность и устойчивость) – «Pulling test» (помимо инструментального, этот метод имеет наиболее значимую составляющую числового моделирования).

Диагностика при помощи прирастного бурава. Согласно приложению 4а к действующим «Правилам создания, содержания и охраны зелёных насаждений города Москвы» [23] с помощью кернов, извлечённых буром из дерева, можно установить поражённость гнилью. Процент здоровой и гнилой древесины определяется по формуле:

где r – радиус ствола в месте отбора керна; l – длина участка здоровой древесины на керне.

Одним из вариантов интерпретации данных, полученных при проведении исследований с помощью бура, является шкала, представленная в табл. 1.

Таблица 1 – Шкала оценивания результатов измерений для извлечённого керна

Для оценки прочности и механической устойчивости древесных растений в урбанизированных городах использовали следующие параметры:

P_cr и m_cr – предельно допустимая нагрузка и масса, при действии которых ствол начинает деформироваться или обламывается:

где I – момент инерции сечения, l – длина ствола, g – ускорение силы тяжести.

H_cr – критическая высота ствола, при достижении которой действие собственного веса привело бы к необратимой деформации или облому [24]:

где С – коэффициент соотношения массы кроны и ствола, d – диаметр основания ствола.

Критическая длина ствола или побега, при достижении которой действие собственного веса или минимальной нагрузки привело бы к деформации или крушению:

RRB – относительное сопротивление изгибу [25]:

где r – радиус основания ствола, E – модуль упругости, ρ – плотность древесины.

Модуль упругости древесных волокон определяется по величине изгиба цилиндра обрезанной ветви, горизонтально защемлённой в тисках, в ответ на приложение силы F на её свободном конце по формуле [10]:

где C – жёсткость цилиндра, l – его длина, d – диаметр.

Жёсткость ствола, побега (С) рассчитывается как:

где m – масса приложенного груза, g – ускорение силы тяжести, х – смещение свободного конца цилиндра.

В частности, способность сопротивляться изгибу определяется как произведение модуля упругости (MOЕ) и второго момента сечения (I) ствола (11). Аналогичным образом, способность к сопротивлению скручивания определяется как произведение модуля сдвига G и полярного момент инерции площади J, который называется жёсткостью при кручении [26]:

где , , r – радиус.

Высоту дерева измеряли с помощью электронного высотомера – HEC Haglof, угол отхождения от ствола в программе – AxioVisionRel. 4.8, взятие кернов осуществлялось с помощью приростного бурава Haglof (Швеция).

Результаты исследований и их обсуждение

В качестве объекта исследования были выбраны деревья основных пород, используемых в озеленении города Донецка (Betula pendula Roth, Quercus robur L., Quercus rubra L., Populus alba L., Populus nigra L., Populus boleana Laiche, Acer platanoides L., Acer negundo L., Fraxinus excelsior L., Robinia pseudoacacia L., Gleditsia triacanthos L. и др.). Были охвачены различные места произрастания этих деревьев на территории города (насаждения вдоль автомагистралей, селитебная и парковая зоны, санитарно-защитные зоны промышленных предприятий и др.). Учитывались следующие показатели: критический возраст в условиях региона; угол наклона ствола от вертикали (оценивается по трём градациям: а) 10% и менее, б) 11–40%, в) более 40%.); наличие морозобоин, дупел, развилок, раковых повреждений, плодовых тел дереворазрушающих грибов, видимых повреждений корневой системы в результате строительных работ; архитектоника кроны (развитость кроны, асимметрия, сомкнутость, состояние листовых пластинок, усыхание ветвей); заселённость ствола вредителями; процент ядровой гнили (оценивается по трём градациям: а) ≥80, б) 40–79, в) 5–39); режим посещения территории (рекреационная нагрузка), направление возможного падения в сторону возможного скопления людей (рассматривается при выявлении скрытых гнилей); отношение диаметра к длине ствола; биомассы надземной части к критической массе с учётом угла наклона и ядровой гнили; механическая устойчивость к статическим нагрузкам; механическая устойчивость к динамическим нагрузкам.

На основе анализа массивов экспериментальных данных состояния пород деревьев, был выработан новый методический подход к оценке состояния зелёных насаждений. Это подход, с одной стороны, является высоко информативным и научным, с другой – упрощает работу специалистов благодаря конкретно заданным параметрам диагностики. Преимуществом данного подхода также является его дешевизна. Конкретный пример использования разработанного подхода диагностики состояния зелёных насаждений рассмотрен на модельном дереве платана кленолистного, произрастающего на территории Донецкого ботанического сада.

Визуальный осмотр. При наличии ветра наблюдается незначительное по амплитуде раскачивание ствола; присутствуют усыхающие скелетные ветви в кроне, ствол повреждён морозобоинами, имеется дупло, от которого распространяется гниль; угол наклона ствола от вертикали ~20%; крона асимметрична.

Инструментальный инвазивный контроль (взятие керна прирастным буром). Известно, что резкое снижение устойчивости дерева происходит, когда толщина стенки живой древесины составляет менее 15% от радиуса ствола. Для исследуемого дерева процентное соотношение ядровой гнили к живой составляло 58% (2 класс, см. табл. 1). За последние 10 лет (2007–2017) прирост варьировал от 0,3 до 0,5 см, что может говорить о том, что ранняя диагностика аварийности с помощью инструментальных методов могла бы устранить скрытую гниль в начале её распространения и на сегодняшний день аварийность дерева была бы минимальная.

Исследование ветровой устойчивости. Дерево расположено в слабо продуваемом месте, однако с учётом изменяющегося климата и при появлении в зимний период сильных порывистых ветров аварийность растения высока. К статическим нагрузкам растение устойчиво. Также необходимо учесть, что растение произрастает вблизи тепличного комплекса, запасного выхода из главного корпуса и эта территория входит в экскурсионный маршрут.

Биомеханические исследования. Модуль упругости платана составил 4,3 ГН/м², что является высоким показателем для степной зоны. Отношение биомассы к критической массе надземной части находится в пределах нормы, однако, учитывая процент гнили (58%), следует снизить высоту и массу кроны для обеспечения механической устойчивости всего дерева.

После всех проведённых исследований и расчётов составляется общая таблица, согласно разработанному нами бланку, для оценки механической устойчивости дерева (табл. 2). Данный бланк можно использовать в полевых условиях и на его основе составлять «Экспертное заключение» об аварийности дерева. Оно всегда будет носить вероятностный характер вне зависимости от применяемых методов. Наличие инструментального оборудования позволяет лишь повысить верность оценки.

Для оценки аварийности мы предлагаем 10-балльную шкалу (тестовую, полевую) со следующими признаками:

1. Критический возраст в условиях региона (если критический –1б, если нет +1б).
2. Угол наклона ствола от вертикали (оценивается по трём градациям: а) 10% и менее, б) 11–40%, в) более 40%).
3. Наличие морозобоин, дупел, развилок, раковых повреждений, плодовых тел дереворазрушающих грибов, видимых повреждений корневой системы в результате строительных работ (при наличии –1б).
4. Архитектоника кроны (развитость кроны, асимметрия, сомкнутость, поврежденность листовых пластинок, усыхание ветвей).
5. Заселённость ствола вредителями (при наличии –1б).
6. Процент ядровой гнили (оценивается по трём градациям: а) ≥80, б) 40–79, в) 5–39).
7. Режим посещения территории (рекреационная нагрузка), направление возможного падения в сторону возможного скопления людей (рассматривается при выявлении скрытых гнилей).
8. Отношение диаметра к длине ствола; биомассы надземной части к критической массе с учётом угла наклона и ядровой гнили.
9. Механическая устойчивость к статическим нагрузкам.
10. Механическая устойчивость к динамическим нагрузкам.

Таблица 2 – Бланк оценки механической устойчивости древесных растений на примере платана кленолистного

Примечание. * – отмечены параметры, измерить которые возможно только современными методами исследования; ** – оценка степени опасности дерева производится путём сложения с различными весовыми коэффициентами, числового выражения различных влияющих факторов.

Для исследуемого платана кленолистного оценка составила 3б, что говорит о его высокой аварийности. Однако при проведении мероприятий, таких как обеззараживание, от вредителей, кронирование (снижение массы, парусности) и создание недоступности к проникновению внутрь ствола вредителей, влаги и т.д., его аварийность снизится. Разработанная шкала оценки аварийности деревьев в городской среде представлена в таблице 3.

Таблица 3 – Шкала оценки аварийности древесных растений

Выводы

Для достоверной оценки зелёных насаждений в городских условиях необходимо применять комплексный подход, включающий использование визуального и инструментального методов, учёта биомеханических параметров устойчивости растений в условиях техногенной нагрузки, эдафо-климатических условий.

В зоне повышенной плотности населения и автотранспорта необходимо использовать максимальное количество методик для вынесения экспертного заключения с долей вероятности >80%. Без инструментальных методов оценки деревьев, экспертное заключение не может быть достоверным и носит только рекомендательный характер.

С помощью комплексного подхода при диагностике платана кленолистного установлен достоверный уровень его аварийности.

Разработаны методический алгоритм, шкала и бланк оценки аварийности дерева в условиях города, которые могут быть использованы в практической работе службами, осуществляющими мониторинг состояния и уход за зелёными насаждениями.

Отдельную благодарность сотрудники ГУ «Донецкий ботанический сад» и ГОУ ВПО «Донецкий национальный университет» выражают руководителю региональной группы общественного мониторинга ОНФ по проблемам экологии и защиты леса в Московской области Хлынову Антону Юрьевичу за помощь и предоставление инструментального оборудования для выполнения исследований.

About the authors

Vladimir Olegovich Kornienko

Email: dayterry@rambler.ru

senior lecturer of Biophysics Department

Svetlana Anatolyevna Prikhodko

Author for correspondence.
Email: dbs-svetlana@mail.ru

candidate of biological sciences, senior researcher, director

References

Supplementary files