Модели поведения лесных массивов при воздействии на них ветровых нагрузок

УДК 630*421:614.8
Авторы Ребко Дмитрий Вячеславович
Камлюк Андрей Николаевич, кандидат физико-математических наук, доцент
Борисевич Сергей Анатольевич, кандидат технических наук
Аннотация Проведен обзор двух механико-эмпирических моделей HWIND и GALES, используемых в настоящее время для определения ветровой нагрузки на деревья и скорости ветра, при которой произойдет выворот деревьев или повреждение стволов. В модели GALES вычисляется аэродинамическая шероховатость и смещение нулевой плоскости лесных насаждений. Обе величины позволяют подсчитать действующий на дерево изгибающий момент для любой скорости ветра и предсказать скорость ветра, при которой произойдет выворот дерева или повреждение его ствола. В модели HWIND момент, возникающий от ветровой нагрузки на крону дерева, вычисляется из предположения, что профиль скорости ветра имеет логарифмический характер. Прочность на изгиб ствола дерева и момент сопротивления корневой системы опрокидыванию дерева находятся на основании эксперимента, что позволяет рассчитать скорость ветра необходимую для выворота дерева и разрушения ствола. Проведено сравнение двух моделей и указано направление их усовершенствования.
Ключевые слова ветровая нагрузка; выворот деревьев; повреждение ствола; критическая скорость ветра; опасное напряжение; изгибающий момент
  Литература
1. Schelhaas, M.-J. Natural disturbances in the European forests in the 19th and 20th centuries / M.J Schelhaas G.-J. Nabuurs, A. Schuck // Global Change Biology – 2003. – Vol. 9, Iss. 11. – Pp. 1620-1633.
2. Gardiner, B. Destructive Storms in European Forests: Past and Forthcoming Impacts. Final report to European Commission / B. Gardiner, K. Blennow, J.-M. Carnus, P. Fleischer, F. Ingemarson, G. Landmann, M. Lindner, M. Marzano, B. Nicoll, C. Orazio, J.-L. Peyron, M.-P. Reviron, M.-J. Schelhaas, A. Schuck, M. Spielmann, T. Usbeck // DG Environment – 2010. – Pp. 12-30.
3. Schelhaas, M.-J. Assessing risk and adaptation options to fires and windstorms in European forestry / M.-J. Schelhaas, G. Hengeveld, M. Moriondo. G.J. Reinds, Z.W. Kundzewicz, H. terMaat, M. Bindi // Mitig Adapt Strateg Glob Change. 15. – Pp. 681-701.
4. Albrecht, A. How does silviculture affect storm damage in forests of south-western Germany? Results from empirical modeling based on long-term observations / A. Albrecht, M. Hanewinkel, J. Bauhus, U. Kohnle // Eur J Forest Res – 2012. – Vol. 131. – Pp. 229-247.
5. Gardiner, B. The stability of different silvicultural systems: a wind-tunnel investigation / B. Gardiner, B. Marshall, A. Achim, R. Belcher, C. Wood // Forestry – 2005. – Vol. 78, No. 5. – Pp. 471-484.
6. Valinger, E. Factors affecting the probability of windthrow at stand level as a result of Gudrun winter storm in southern Sweden / E. Valinger, J. Fridman // Forest Ecology and Management – 2010. – Vol. 262. – Pp. 398-403.
7. Schmidt, M. An inventory-based approach for modeling single-tree storm damage – experiences with the winter storm of 1999 in southwestern Germany / M. Schmidt, M. Hanewinkel, G. K?ndler, E. Kublin, U. Kohnle // Canadian Journal of Forest Research – 2010. – Vol. 40(8). – Pp. 1636-1652.
8. Peltola, H. A mechanistic model for assessing the risk of wind and snow damage to single trees and stands of Scots pine, Norway spruce, and birch / H. Peltola, S. Kellom?ki, H. V?is?nen, and V.-P. Ikonen // Canadian Journal of Forest Research. – 1999. – Vol. 29. – Pp. 647-661.
9. Ancelin, Ph. Development of an individual tree-based mechanical model to predict wind damage within forest stands / Ph. Ancelin, B. Courbaud, Th. Fourcaud // Forest Ecology and Management. – 2004. – Vol. 203. – Pp. 101-121.
10. Gardiner, B. Comparison of two models for predicting the critical wind speeds required to damage coniferous trees / B. Gardiner, H. Peltola, S. Kellomaki// Ecological Modelling. – 2000. – Vol. 129. – Pp. 1-23.
11. Nicoll, B. Anchorage of coniferous trees in relation to species, soil type, and rooting depth / B. Nicoll, B. Gardiner, B. Rayner, A. Peace // Canadian Journal of Forest Research. – 2006. – Vol. 36. – Pp. 1871-1883.
12. Gardiner, B.A. ForestGALES 2 – a PC-based Wind Risk Model for British Forests. User Guide. Forestry Commission /B.A.Gardiner, J. Suarez, A. Achim, S.E. Hale, B.C. Nicoll // Edinburgh. – 2004.
13. Raupach, M.R. Simplified expressions for vegetation roughness length and zero-plane displacement as functions of canopy height and area index. /M.R.Raupach //Boundary Layer Meteorology. – 1994. – Vol. 71. – Pp. 211-216.
14. Forestry Commission, Operational Guidance Booklet No. 9 «Thinning» (Internal Guidance). / Forestry Commission // Edinburgh – 2010.
15. Byrne, K.E. Critical Turning Moments and Drag Equations for British Columbia Conifers. / K.E. Byrne // MSc thesis. University of British Columbia, Vancouver, Canada. – 2005.
16. Cucchi, V. Modelling the windthrow risk for simulated forest stands of maritime pine (PinuspinasterAit.). / V. Cucchi, C. Meredieu, A. Stokes, F. de Coligny, J. Suarez, B. Gardiner // Forest Ecology and Management – 2005. – Vol. 213. – Pp. 184-196.
17. Kamimura, K. Developing a decision support approach to reduce wind damage risk e a case study on sugi [Cryptomeria japonica (L.f.) D.Don] forests in Japan. / K. Kamimura, B. Gardiner, A. Kato, T. Hiroshima, N. Shiraishi // Forestry. – 2008. – Vol. 81. – Pp. 429-446.
18. Mikklesen, S.K. «Stormfald» : a Further Developed Version of ForestGALES Tested under Danish Conditions. / S.K. Mikklesen // MSc Thesis. University of Copenhagen, Copenhagen, Denmark. – 2007.
19. Moore, J.R. Assessing the risk of wind damage to plantation forests in New Zealand / J.R. Moore, A.R. Somerville // N. Z. For. – 1998. – Vol. 31. – Pp. 25-29.
20. Ruel, J.-C. Estimating windthrow risk in balsam fir stands with the ForestGALES model. / J.-C. Ruel, C.P. Quine, S. Meunier, J. Suarez // For. Chron. – 2000. – Vol. 76. – P. 329-337.
21. Gardiner, B.A. Field and wind tunnel assessments of the implications of respacing on tree stability / B.A. Gardiner, G.R. Stacey, R.E. Belcher, C.J. Wood // Forestry. – 1997. – Vol. 70 (3). – P. 233-252.
22. Raupach, M.R. Drag and drag partition on rough surfaces / M.R.Raupach // Boundary Layer Meteorol. – 1992. – Vol. 60. – Pp. 375-395.
23. Ray, D. The effect of soil water-table depth on root-plate development and stability of Sitka spruce / D. Ray, B.C. Nicoll // Forestry. – 1998. – Vol. 71 (2). – P. 169-182.
24. Орлов, С.А. Исследование коэффициента сопротивления элементов кроны кедровой сосны / С.А. Орлов, Л.А. Шрагер // Вестник Томского государственного университета, Математика и механика. – 2011. – № 2 (14). – C 103-110.
25. Vollsinger, S. Wind tunnel measurements of crown streamlining and drag relationships for several hardwood species. / S. Vollsinger, S.J. Mitchell, K.E. Byrne, M.D. Novak, M. Rudnicki // Canadian Journal of Forest Research. – 2005. – Vol. 35. – P. 1238-1249.
26. Mayhead, G.J. Some drag coefficients for British forest trees derived from wind tunnel studies / G.J.Mayhead // Agricultural Meteorology. – 1973. – Vol. 12. – Pp. 123-130.
27. Борисевич, С.А. Определение сопротивления движению кроны дерева / С.А. Борисевич, А.Н. Камлюк, Д.В. Ребко // Труды БГТУ, Сер.VI физ.-мат. науки и информ. – 2013. – № 6 (162) – C. 34-36.
28. Halea, S.E. Comparison and validation of three versions of a forest wind risk model / S.E. Halea, B. Gardinera, A. Peacea, B. Nicolla, Ph. Taylora, St. Pizzirania // Environmental Modelling & Software. – June 2015. – Vol. 68. – Pp. 27-41.
29. Dupont, S. A simple wind-tree interaction model predicting the probability ofwinddamage at stand level / S. Dupont // Agricultural and Forest Meteorology. – 15 August 2016. – Vol. 224. – Pp. 49-63.
30. Locatelli, T.Variance-based sensitivity analysis of a wind risk model – Model behaviour and lessons for forestmodelling / T. Locatelli, St. Tarantola, B. Gardiner, G. Patenaude // Environmental Modelling & Software. – January 2017. – Vol. 87. – Pp. 84-109.
31. Duponta, S. Wind damage propagation in forests / S. Duponta, D. Pivatoa, Y. Bruneta // Agricultural and Forest Meteorology. – 15 December, 2015. – Vol. 214-215. – Pp. 243-251.
32. Locatelli, T. Modelling wind risk to Eucalyptus globulus (Labill.) stands / T. Locatelli, B. Gardiner, St. Tarantola, B. Nicoll, J.-M. Bonnefond, D. Garrigou, K. Kamimura, G. Patenaude // Forest Ecology and Management. – 1 April, 2016. – Vol. 365. – Pp. 159-173.