伐区楞场位置决策研究
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摘要:对影响伐区楞场位置的因素进行详细的分析,从木材生产经济效益的角度出发,提出对于不同的集材方式,以确定最佳的伐区楞场位置的数学模型。结合漳平市双洋镇的6个伐区小班加以实践。实践表明在一定的条件下,采用索道、板车、担筒三种集材方式楞场的最佳位置伸入伐区的程度从小到大。这个数学模型对于山区的伐区楞场位置的确定有一定的适用范围。
关键词:伐区楞场位置;林道;集运材综合费用
收稿日期:2010-07-15
作者简介:陈小春(1975―),男,福建漳平人,工程师,主要从事森林资源评估与伐区设计工作。
中图分类号:S7
文献标识码:C
文章编号:1674-9944(2010)08-0185-04
1 引言
伐区楞场是汇集从采伐山场下来的木材,经贮存后,转换成另一种搬运方式的场所,是集运材的中间环节,起着承上启下的作用。其位置选择的恰当与否,直接影响集材和运材的距离,关系到集材与运材生产效率能否提高及生产成本能否降低的问题。传统的做法是根据伐区的地形情况,将伐区楞场选在较平坦、干燥的地带,却很少把伐区楞场的位置与集运材联系起来进行综合研究,特别是如何较准确地确定伐区楞场的最佳位置,使其集运材综合费用最低。本文以集运材综合费用为目标函数,应用多变量求极值的方法,研究最佳的伐区楞场位置,进行初步的应用分析。
2.1 林道总费用回归模型
影响林道修建费用的主要因素是林道的路基修建费。从路基修建费的构成看,无论是土石方费,还是防护工程费,都与线路经过的林地的地形特征密切相关。因此要建立起林道修建费与地形特征间的定量关系,必须知道比降(R.D)和沟谷密度(V)这两个构成地形的主要因素。以沟谷密度和比降为变量的林道修建费用的回归模型为,
y.0=-81.45+2.06r.D+20.35v(1)
式中y.0为单位长度林道修建费(元/m);r.D为伐区平均比降(%);v为伐区平均沟谷密度(个/km2)。
2.2 平均集材距离
伐区楞场位置的确定与平均集材距离有着密切的关系,影响集材距离因素主要有蓄积量、地形条件。由于要计算每个伐区楞场所吸引的小班的平均集材距离,因此,采用加权平均法计算平均集材距离l.P为:
l.P=∑ni=1Q.i(1+η)(x.ic-x.L)2+(y.ic-y.L)2∑ni=1Q.i (2)
式中η为集材道展线系数,山区取0.3,丘陵取0.2;x.ic,y.ic为第i个小班的中心点坐标(m);x.i,y.i为伐区楞场的中心坐标(m);Q.i为第i个小班的蓄积量(m3)。求每个小班的中心坐标,先描出小班对应的地形图,再求其对应的形心位置。即任一小班用一平面图形表示,在伐区的平面内选取一对直角坐标轴(x,y)。其原点的坐标为(0,0)。小班图形内任取一微元面积dA,这微元面积与两坐标轴的距离分别为x和y。积分求得小班所对应的平面图形的形心坐标为:x.i=∫.AxdAA,y.i=∫.AxdAA
2.3 林道伸入伐区的长度
林道伸入伐区的长度多少直接影响到集运材综合费用,因此确定其合理的长度是非常关键的,其计算式为:l.D=(1+η)(x.L-x.D)+(y.L-y.D)2(3)
式中η为林道展线系数,按η=-1.1116+05391n(v)计算,x.D,y.D为原有伐区林道末端的坐标(m)。
2.4 不同的集材方式对伐区楞场位置的确定模型
集材段的成本在伐区木材生产成本中占有很大的比例,集材成本与集材距离和集材方式有关。集材距离缩短,集材效益提高,但可能增加了林道的修建费。相反,林道长度缩短,可能增加集材成本。所以对于不同的集材方式,应综合考虑集材距离与林道长度之间的关系,即确定最佳伐区楞场位置,使伐区的集运综合费用最低。其决策模型为
minC.Z=C.j+C.D(4)
式中C.Z为伐区楞场所吸引范围的集运材综合费用(元);C.j为集材费用(元);C.D为林道修建费(元)。
伐区单位面积节省的可变成本与集材方式、地形条件、资源情况等有关。目前我国南方林区的集材方式主要有索道集材、拖拉机集材、板车集材以及担筒集材等几种。但由于手扶拖拉机易受地形条件的限制,当地面纵坡超过25°时,林道修建费大,作业安全系数降低生产率低,我国南方山地的坡度一般都大于25°,很少使用手扶拖拉机集材。因此在这里只考虑了索道集材、板车集材以及担筒集材3种。
2.4.1 索道集材
架空索道由于是空中运输,可以穿越山岭,跨越河流,对地形的通过能力和适应能力强,可适合地形较复杂,坡度45°以下,集材距离小于900m的不同采伐方式的伐区。但由于索道其本身属性限制,存在机动性能差,吸引范围、集材和集材宽度都受到一定限制,安装转移耗工时,以及钢索耗用量大等缺点。
索道集材成本主要由固定成本和可变成本组成。其表示成一元回归方程为:
C.S=a.j+b.jl.P(j=1,2,3分别表示松、杉、杂的参数)
式中的a.j,b.j分别为索道集材的固定成本和可变成本,可根据树种和伐区实际作业条件从《山地村道网生态经济系统研究》的表4.4选取。因此采用索道集材方式的集材综合费用为:
C.SZ=(a.j+b.jl.P) ∑ni=1Q.i+L.DY.O.
式中S.SZ为集运材总费用;Q.i为第i个小班的蓄积量。把公式(1),(2),(3)代入上式得:
C.SZ=a.j+b.j∑ni=1Q.i(1+η)(x.ic)-x.L2+(y.ic-y.L)2∑ni=1Q.i∑ni=1Q.i+
(-8451+206R.D+2035V)(1+η)(x.L-x.D)2+(y.L-y.D)2。(5)
此式的左边含有两个求知数x、y,属于多变量函数极值的算法,可采用迭代的算法,即每次以一定的步长达到一个最小值,然后缩小步长,再精确到一个最小值,直至步长达到要求为止。
2.4.2 手板车集材
手板车集材是南方集体林区普遍使用的集材方式,适用于森林资源分散,单株材积小,经营规模小的集体林区集材,手板车载重量为0.6m3左右,重车下坡1~5°。板车集材成本由集材人工费、板车折旧费和板车道修建费分摊组成。其计算式为:
C.b=13.6+2500(1+η′)d.32q.0+8.97×10-3l.Pλ,
式中η′为板车道展线系数,一般地形条件取0.2,困难条件取0.3;d.32为板车道修建定额,一般地形条件取22m/工作日,困难地形取17m/工作日;λ为树种修正系数,松、杉、杂分别取1,0.83,1.25。
因此采用手板车集材的运材总费用为:
C.bZ=13.6+2500(1+η′)d.32q.0+8.97×
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10-3l.Pλ∑ni=1Q.i+Y.0L.P。
把公式(1),(2),(3)代入得C.bZ=13.6+2500(1+η′)d.32q.0+8.97×10-3×∑ni=1Q.i(1+η)
(x.L-x.D)2+(y.L-y.D)2λ
(8145+206R.D+2035V)(1+η)(x.L-x.D)2+(y.L-y.D)2.(6)
2.4.3 担筒集材
担筒集材是人力集材,每次集材量不大,集材距离短,速度慢,劳动强度大,受地形条件的影响大,一般的集材距离不超过200m。其集材成本主要由人工费和担筒道修建费组成,其经验计算式为:
C.d=6.54+0.92l.P+2500d.42q.0λ(元/m3).
式中d.42为担筒修建定额,一般地形条件取22m/工作日,困难地形条件取17m/工作日。因此采用担筒集材的集运材综合总费用为:
C.dz=6.54+0.92l.P+2500d.42q.0λ∑ni=1Q.i+L.PY.0.
把公式(1),(2),(3)代入上式得:
C.bZ=6.54+0.092×∑ni=1Q.i(1+η)x.ic-x.D)2+(y.2+y.D)2)λ
+(81.45+2.06R.D+20.35V)(1+η)(x.L-x.D)2+(y.L-y.D)2.(7)
3 伐区楞场位置的经济决策系统
计算机决策系统是在计算机上应用关系型数据库开发的伐区楞场经济决策支持系统。系统以所提供的数学模型为基础,结合多变量函数极值的算法,即迭代等数值方法构成。系统能根据所提供的伐区的地形信息、资源信息(蓄积量)、集材方式等,对其进行技术、经济分析,以集运材综合费用最低为目标,来确定合理的伐区楞场的位置。
3.1 系统的组成
系统优化决策模型是以综合费用最低为目标,对不同的集材方式进行伐区楞场位置的优选,解决全局最优问题。其决策模型为minC.Z=C.j+C.D,式中的C.j所研究的伐区楞场所吸引的林地面积的主伐集材总费用,C.D为林道修建费,根据集材方式的不同按式(5),(6),(7)进行计算,来确定最佳伐区楞场位置。其系统结构见图1。
2010年8月 绿 色 科 技
第8期
图1 系统结构框图
图2 小班平面图
3.2 系统应用于实例分析
3.2.1 研究伐区概况
以漳平市双洋镇的6个伐区小班为研究对象。其平面图如图2所示,其中D(370,580)为原有林道末端的坐标。分别采取索道集材,板车集材,担筒集材三种不同集材方式来确定其伐区的最佳位置。伐区全部采取皆伐方式,树种有杉、松等。坡度为25~30°,详细情况见表1。
表1 小班因子一览表
大班小班小班面积/hm2树种组成树龄平均胸径/cm平均树高/m单位蓄积量/m3•hm-2每亩株数小班蓄积量/m3
1421.2010荷4316.012.0124.5110150
14313.6010杉2517.014.0201.0852733
1440.8610建2512.010.5160.5155139
1456.0010杉3220.216.5304.0781826
1342.5010马3826.018.5288.055712
1354.5310杉2419.016.0256.5751162
由于所研究伐区所修建的林道的年运量有限,所以林道以修建林区便道更为合理,参数见表2。
表2 林道参数
平均比降r.D/%平均沟谷密度v/个•km-2林道展线系数η集材道展线索系数η′林道造价/元•m-1
47.802.900.410.3075.80
3.2.2 利用模型对所研究的伐区进行计算
根据伐区的地形和资源分布情况,整个伐区选3个楞场。利用上述的数学模型分别进行计算,其计算结果见表3。其中固定成本指集材成本中不随伐区楞场位置的改变而改变的那部份,可变成本指集材成本中随伐区楞场位置的改变而改变的那部份。
表3 计算结果
楞场编号集材方式固定成本/元可变成本/元林道修理费/元综合费用/元伐区楞场位置
xy
索道集材14151.503730.221068.7818950.5360 560
Ⅰ板车集材25779.914404.781068.7831253.47360 560
单筒集材10540.2421640.7319707.3351888.3250 440
索道集材22490.1327962.0121508.7871960.98180 490
Ⅱ板车集材31319.0528868.2222007.5360187.27180 480
单筒集材17517.6036485.0932505.6786508.36-20 300
索道集材16370.8241414.6035415.1893200.6-150 450
Ⅲ板车集材2880.8837786.7337330.88103926.39-140 400
单筒集材13157.5957955.3941572.66112685.64-190 420
3.3 试验结果分析
3.3.1 集材方式对楞场位置的影响
从表3的计算结果可得采用索道集材、板车集材、担筒集材3种集材方式的集运综合总费用分别为126119.34,146967.47,157296.64;其对应的林道费用为57992.74,60407.19,93785.66;对应的林道费用/总费用分别为46%,41%,59.5%。以上的数据表明该伐区分别采用了上述的3种采伐方式,索道的总费用和林道费用最少,板车次之,担筒最多。伐区楞场的位置伸入伐区的程度从大到小为单筒集材、板车集材、索道集材。即采用索道集材与板车集材时,为了使伐区的集运材综合总费用最小,伐区楞场应先在伐区的边缘,若采用单筒集材,伐区楞场应伸入伐区。
3.3.2 敏感性分析
影响确定伐区楞场位置的不确定因素很多,构成集运材综合费用的所有费用和效益项目都在某种程度上带有一定的不确定性。通过对其进行敏感性分析,可以了解某种因素的变化对伐区楞场位置的选择的影响,从而得出外部各种条件变化后,其位置的相应变化情况。以表3为基本数据,以蓄积量和地形这两个主要因素分别变动+10%与-10%对伐区楞场位置的影响情况中可以看出,因素变动10%,对3种集材方式的林道伸入伐区的程度大小排列顺序没有影响,即索道小于板车小于担筒。
从蓄积量和地形这两种主要因素分别变动了10%后伐区楞场位置的变化幅度的大小,可知影响程度比较大的是索道和板车,担筒几乎没有受到影响。
敏感性分析表明,集材方式的选择、伐区的地形条件及蓄积量对确定伐区楞场位置的影响程度较大。在一定的条件下,采用了上述三种集材方式伐区楞场位置深入伐区程度大小是担筒最大,索道最小,板车次之;且索道和板车受各因素的影响比较大,担筒的影响很小。(见表4和表5)。
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表4 敏感性分析Ⅰ
集材方式
楞场编号
索道集材ⅠⅡⅢ
板车集材ⅠⅡⅢ
担筒集材ⅠⅡⅢ
+10%坐x标y
240430180420-150420370540240440-170410240430-20300-190420
+10%坐x标y
280450180420-170440350550230440-160420240430-20300-190420
表5 敏感性分析Ⅱ
集材方式
楞场编号
索道集材ⅠⅡⅢ
板车集材ⅠⅡⅢ
担筒集材ⅠⅡⅢ
+10%坐x标y
230420180420-150420370580240450-170420240430-20300-190420
+10%坐x标y
260440190410-160430360580250440-170430240430-20300-190420
4 结语
由于集材方式选择的不同,同一伐区楞场最佳位置的选择也不同。采用索道集材、板车集材、担筒集材方式,伐区楞场的位置伸入伐区的程度从大到小。建议为了使集运材的总费用最低,采用索道集材时,林道修建不宜过长,单筒集材时,林道应修建长一点,即应伸入伐区。提高林业的经济效益是当今林业发展的一个重要战略目标。如何决策好伐区木材生产是提高林业经济效益的关键,伐区楞场位置和林道网的合理确定与伐区木材生产的经济效益存在着极为密切的关系。通过对伐区楞场位置的决策,确定其最佳的位置,是提高伐区木材生产的经济效益的一项重要措施。
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