СПОСОБ ОБСЛЕДОВАНИЯ АКВАТОРИИ ВОДНОГО ОБЪЕКТА ПРИ РАЗВЕДКЕ ЗАТОНУВШЕЙ ДРЕВЕСИНЫ Российский патент 2005 года по МПК G01V9/00 B65G69/20 

Изобретение относится к способам статистической оценки объема и качества скоплений древесины в водных объектах и может быть использовано как предварительная стадия технологических процессов обнаружения и подъема затонувшей древесины для установления мест залегания скоплений топляка, определению характера залегания и количества затонувшей древесины, а также степени замытости ее наносами.

Известен способ оценки объема и качества скоплений затонувшей древесины по створам (способ линейных пересечений или способ створов), разработанный сотрудниками Московского государственного университета леса [1]. Суть способа створов заключается в том, что на характерном участке водного объекта (преимущественно малая не судоходная лесосплавная река), где залегают скопления бревен, разбивают необходимое для исследований число поперечных створов. Бревна, лежащие на линиях створов, учитываются, затем по этим бревнам и дают оценку всему скоплению. После чего распространяют полученные данные на всю исследуемую акваторию водного объекта. Площадь акватории определяется для меженного периода по лоциям лесосплавной реки или путем инструментальной съемки. Гидрометрические створы располагаются перпендикулярно фарватеру или береговой линии реки и составляют небольшой процент от обследуемой водной акватории. Количество створов выбирается в зависимости от конкретных условий на местности, но не менее 5 и не более 20 штук. Расстояние между близлежащими створами должно быть не менее 10-50 метров, длина створа составляет ширину реки, минимальная площадь должна составлять 100 м².

Недостатком данного способа является сложность определения расположения бревен на крупных магистральных реках и водохранилищах, низкая точность количественной и качественной оценки (35% по сравнению со способом сплошного пересчета бревен в скоплении).

Известен способ разведки залегания затонувшей древесины пробных площадок, разработанный специалистами Центрального научно-исследовательского института лесосплава [2, 3]. Данный статистический способ оценки объема залегания топляка с систематическим типом выборки, рекомендуется действующей инструкцией по мелиорации лесосплавных рек [3]. Суть способа заключается в том, что выбирается определенное число пробных площадок на лесосплавной реке, составляющих небольшой процент от площади обследуемой акватории, по которым устанавливают объем топляков и распространяют эти данные на всю исследуемую акваторию водного объекта. Площадь акватории определяется для меженного периода по лоциям лесосплавной реки или путем инструментальной съемки. Площадки имеют форму вытянутого прямоугольника, пресекающего перпендикулярно весь таксационный участок от одного берега до другого или расположенного вдоль береговой линии (ленточные пробные площадки). Ширина пробной площадки должна быть 5-10 метров, минимальная площадь - 100 м², а их число устанавливается из предпосылок математической статистики [2, 3].

Недостатком данного способа является повышенная сложность учета всего многообразия бревен, залегающих в скоплении и, соответственно, низкая точность количественной и качественной оценки, а также то, что площадки располагаются на акватории исследуемого водного объекта хаотично без какой-либо упорядоченности, что очень неудобно при производстве работ.

Задачей, решаемой заявителями, является разработка более точного способа оценки объема и качества скоплений затонувшей древесины, применимого к любым водным объектам (большим магистральным и судоходным рекам, водохранилищам, озерам). Предлагаемый нами способ разведки залегания затонувшей древесины в водном объекте основан на математической идее “латинского квадрата” [4] с применением методики рационального планирования эксперимента [5], выбранный в качестве прототипа.

Латинский квадрат [8] применяется при планировании сельскохозяйственных экспериментов. Так, например, для выявления совместного влияния двух факторов, каждый из которых может принимать пять различных значений, число возможных сочетаний составляет 5²=25.

Развивая дальше метод латинского квадрата [5], предложено искать зависимость прочности горных пород не от двух, а от четырех факторов и так планировать эксперимент, чтобы ни в одной строке и ни в одном столбце не было повторных сочетаний (фиг.1). Большой комбинаторный квадрат состоит из 5²=25 средних квадратов, каждый из которых в свою очередь тоже разбит на 5²=25 малых квадратов или клеток (фиг.2). Таким образом, всего имеется 5⁴=625 клеток по полному числу сочетаний четырех влияющих факторов а, b, с, и. Номер столбца средних квадратов соответствует номеру варианта фактора а (фиг.1), а номер строки средних квадратов - номеру варианта фактора с. Из 25 возможных сочетаний факторов в и (1 в каждом из средних квадратов выбирают только один, обозначенный зачерненной клеткой; причем в каждой строке и в каждом столбце должна быть только одна такая клетка.

Нетрудно убедиться, что для каждого из значений одного из факторов, например для а=1, все значения прочих факторов встречаются одинаково часто. Так в этом случае b=3, 4, 5, 2, 1, с=1, 2, 3, 4, 5 и d=1, 2, 3, 5, 4.

Поэтому при определении результатов для а=1 влияние трех других факторов усреднится и результат будет соответствовать b≈3, с≈3, d≈3. В приведенной схеме (фиг.4) такое усреднение может быть осуществлено для любого значения фактора а, b, с или d.

Производя такое усреднение для каждого из значений фактора а, можно найти зависимость результата только от этого фактора при нейтрализации факторов а, с и d.

Меняя порядок усреднения, можно из одних и тех же данных 25 опытов найти влияние всех четырех первичных факторов. Таким образом, данная методика планирования экспериментов позволяет заменить полное число сочетаний влияющих факторов, равное 625 вариантов, всего лишь 25 специально подобранными сочетаниями вариантов и сократить объем экспериментов в 25 раз.

В патентной и научно-технической литературе подобных способов разведки затонувшей древесины в водном объекте нами не обнаружено.

Способ разведки структуры залегания затонувшей древесины методом латинского квадрата состоит из следующих этапов:

1) выбора характерного водного объекта для натурного обследования, который проводится совместно с представителями лесосплавных предприятий по усредненным для региона факторам: действующей технологии лесосплава; породном составе сплавляемой древесины; средневзвешенной продолжительности лесосплавных работ; наличия запаней, рейдов приплава и верхних складов; типичности гидрологического режима водного объекта; возможности использования топлякоподъемной техники;

2) построения на лоцманской карте участка водной акватории, выбранного для обследования водного объекта, латинского квадрата с неповторяющимися сочетаниями клеток по всем горизонтальным строкам и вертикальным столбцам (фиг.1) и способности принимать очертания обследуемого участка водного объекта;

3) закрепления латинского квадрата на акватории водного объекта и береговой линии геодезическими или иными знаками, плавающими на поверхности буями, поплавками и др.;

4) контрольного обследования гидроэхолотом акватории водного объекта, где находится обозначенный нами латинский квадрат [5, 6, 7];

5) подъем затонувшей древесины из воды на акватории водного объекта в пределах обследуемых квадратов (фиг.2 и 3) и инвентаризация бревен поштучно, с учетом проведения качественной оценки, включающей определение: породного состава в процентах от общего объема по двум признакам - лиственная и хвойная; по длине и диаметру бревен; по качеству - деловая и дровяная; по степени замытости древесины речными наносами полностью или частично;

6) усреднение и пересчет результатов экспериментальных исследований с использованием методики рационального планирования экспериментов по методу латинских квадратов [5];

7) определение поправочных коэффициентов: по общему объему затонувшей древесины Кw; по породному составу древесины Кп; по качеству древесины Кд; по замытости речными наносами Кз;

8) распространение полученных поправочных коэффициентов на весь подлежащий обследованию водный объект.

Для проверки точности способа разведки залегания затонувшей древесины методом латинского квадрата были проведены экспериментальные исследования в гидротехнической лаборатории Марийского государственного технического университета на физических моделях в масштабе М 1:20.

Распределение и вычерчивание латинских квадратов осуществлялось на горизонтальной поверхности гидравлического лотка. При этом наложение палетки (прозрачной бумаги с начерченными на ней квадратами) осуществлялось с обязательной корректировкой расположения боковой границы латинского квадрата относительно сторон лотка. В границах квадратов производился поштучный пересчет количества и качества обнаруженной затонувшей древесины. Во время проведения лабораторных экспериментов моделировались: различные типы водных объектов; сортиментный состав; характер распределения скоплений затонувших лесоматериалов по дну водного объекта [7, 9, 11]. В результате проведенных опытов количество бревен, участвовавшее в опытах, составило от 100 до 250 штук, длины моделировались от 2,0 м до 7,0 м, а диаметры от 0,06 м до 0,42 м и более. По площади занимаемой акватории моделировались два участка со следующими размерами: первый 1000×500 м и второй 500×500 м. Каждый опыт повторялся не менее 5 раз, после чего результаты суммировались и усреднялись, при этом распределение модельных бревен по дну гидравлического лотка проводилось несколькими анонимными исследователями.

На первом участке размерами 1000×500 м точность оценки полученных данных объема затонувшей древесины по сравнению со способом сплошного пересчета составила для способа створов - 74,6%, а для способа латинских квадратов - 83,9%. На втором - 500×500 м по методу створов - 66,7%, а по методу латинских квадратов - 91,9%. При сравнении этих методов между собой оказалось, что разница в точности оценки бревен в первом случае между двумя способами составила - 9,3%, а во втором случае - 25,2% в пользу способа латинских квадратов, т.е. в среднем предлагаемый нами способ точнее способа створов на 17,3% [7, 9, 11].

Способ разведки залегания скоплений затонувшей древесины в водном объекте методом латинского квадрата используется следующим образом. Сначала производится наложение большого квадрата, состоящего из 625 клеток, на лоцманскую карту рассматриваемой акватории водного объекта. Затем из них выбирается 25 клеток с неповторяющимся сочетанием характеристик и пересечений сторон, в одной из таких клеток чертится и накладывается на лоцманскую карту выбранного характерного участка водного объекта латинский квадрат. Таким образом, для каждого из 25 средних латинских квадратов опыты проводятся только в одном, соответствующем одной зачерненной клетке (фиг.1). Это позволяет уменьшить потребное количество экспериментов в 25 раз в соответствии с теоретическими исследованиями [5, 9, 10]. При необходимости накладываемые на лоцманскую карту латинские квадраты принимают точные конфигурации подлежащего обследованию площади акватории водного объекта, т.е. в натуре (фиг.2).

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Карпачев С.П. Теория и технология статистической оценки объема и качества скоплений древесины в водоемах: Автореф... докт. техн. наук; 05.21.01.; МГУЛ. - М, 1995. -38 с.

2. Методика оценки количественного и качественного состава затонувшей древесины. - Л.: ЦНИИЛесосплава, 1989. - 35 с.

3. Статистический метод оценки объема залегания топляка. Инструкция по мелиорации лесосплавных рек и альбом типовых конструкций русловыправительных сооружений. ВСН-10-87. Часть 1: Инструкции и приложения. - Л.: Минлесбумпром СССР, 1987. - 44 с.

4. Маркова Е.В., Лисенков А.Н. Комбинаторные планы в задачах многофакторного эксперимента. - М.: Наука, 1979. - 345 с.

5. Протодьяконов М.М., Тедер Ф.И. Методика рационального планирования эксперимента. - М.: Наука, 1970. - С.8. (прототип).

6. Кобяков Ю.С. и др. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Ленинград: Судостроение, 1986. - 272 с.

7. Роженцов А.П. и др. Использование метода латинских квадратов для определения полей залегания и запасов затонувшей древесины. //Материалы 53-й межвуз. студ. научн.-техн. конф. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. - Вып.8, ч.2 - С.74-77.

8. Миллер, Э.В. Метод планирования экспериментальных исследований со статистической обработкой результатов. Тезисы докладов, вып.III. - М.; Ин-тут горного дела АН СССР, 1960. (прототип).

9. Тарасов, Н.М. Статистическая оценка скоплений затонувшей древесины методом латинских квадратов. /Н.М.Тарасов, А.П.Роженцов, П.Ф.Войтко. // Мелиорация и водное хозяйство. - Москва, 2003. - №5. - С.38-40.

10. Войтко, П.Ф. Программа и методика исследований состава затонувшей древесины на водоемах Республики Марий Эл. /П.Ф.Войтко, А.П.Роженцов //Труды МарГТУ вып.6 Деп. в ВИНИТИ В-98 №2737 от 03.09.98 г. - Йошкар-Ола, МарГТУ, 1998. - С.145-150.

11. Тарасов, Н.М. Технология обнаружения и оценки качества затонувшей древесины в водных объектах Республики Марий Эл. /Н.М.Тарасов, А.П.Роженцов, И.Н.Гайсин, П.Ф.Войтко. // Мелиорация и водное хозяйство. - Москва, 2003. - №5. С.41-45.

Изобретение относится к способам статистической оценки объема и качества скоплений затонувшей древесины в водных объектах и может быть использовано для обнаружения (уточнения) мест залегания скоплений топляка, определению характера залегания отдельных бревен в скоплении, их количества и качества, степени замытости затонувшей древесины наносами. Согласно заявленному способу после разбивки акватории большим комбинаторным латинским квадратом, состоящим из 625 квадратов-клеток, исследования затонувшей древесины проводятся только в 25 непересекающихся между собой квадратах с последующим распространением полученных результатов на всю акваторию водного объекта. Латинский квадрат в такой точке способен принимать очертания обследуемого участка водного объекта. Технический результат: повышение точности получаемых результатов. 4 ил.

Способ обследования акватории водного объекта при разведке затонувшей древесины на отдельные характерные участки, включающий заложение в них 625 квадратов и выделение 25 квадратов непересекающихся между собой и соответствующих каждой клетке с неповторяющимся сочетанием характеристик и пересечений сторон лоцманской карты для обследования затонувшей древесины, отличающийся тем, что разбиение акватории водного объекта на отдельные квадраты-клетки производится в соответствии с математической идеей латинского квадрата, которая включает выбор характерного водного объекта для натурного обследования, построение на лоцманской карте участка водной акватории, выбранного для обследования водного объекта, латинского квадрата с неповторяющимися сочетаниями по всем горизонтальным строкам и вертикальным столбцам, закрепление латинского квадрата на акватории водного объекта и береговой линии, контрольное обследование гидроэхолотом акватории водного объекта, где находится обозначенный латинский квадрат, усреднение и пересчет результатов экспериментальных исследований с использованием методики рационального планирования экспериментов по принципу латинских квадратов, определение поправочных коэффициентов, распространение полученных поправочных коэффициентов на весь подлежащий обследованию водный объект.