Клименко Д.Е., Черепанова Е.С.

Клименко Д.Е., Черепанова Е.С.

Пространственное моделирование величин предельной емкости безвозвратного удержания дождевых осадков лесами на малом водосборе

Учет фактической величины дождевых осадков, поступающих под полог древостоев таежной зоны, является важнейшим условием корректных гидрологических расчетов максимальных расходов воды малых рек. Это связано с тем, что в формировании речного стока принимает участие лишь часть дождевых осадков, проникшая через полог леса на почву. В статье приводятся результаты физического моделирования процесса максимального удержания дождя на кронах таежных древостоев Среднего Урала (Россия), результаты картографирования величин перехвата и определяющих его факторов для модельного водосбора. Результаты исследования позволяют понять генезис формирования максимального стока дождевых паводков, что важно в условиях современного развития разного рода гидрологических моделей. Авторами произведено картографирование породного состава, высоты и сомкнутости крон лесов на основе космических снимков, аэрофотопланов и результатов полевых исследований. Разработана методика картографирования потерь осадков на растительности, что представляет несомненный интерес для повышении качества гидрологических моделей, используемых в мировой практике.

Дождевая вода удерживается на кронах в капельном виде (размеры капель изменяются от 10.6 до 18.6 мг). Удельное водоудержание (масса на единицу площади листовой поверхности) определяется шероховатостью листовых пластин (хвои). Полное удержание капель на кронах определяется площадью листовой поверхности и интенсивностью осадков. Максимальная масса водоудержания на кронах единичных лиственных деревьев достигает 77 кг, (3.0-4.0 мм в расчете на проекционную площадь кроны), хвойных – от 24.8 до 58.0 кг (1.9 до 5.9 мм). Учет величин безвозвратных потерь имеет большую практическую значимость в оценке баланса влаги в почвенном слое под пологом леса, а также паводочного стока малых рек.

На основе разработанной картографической модели перехвата дождевых осадков, генетическими методами выполнен расчет гидрографа единичного дождевого паводка для модельного водосбора р. Решетка. Учет потерь осадков на задержание кронами позволяет снизить предельные погрешности расчетов максимальных паводочных расходов воды со 126 до 25%.

Ключевые слова лесная гидрология; картографирование; ГИС-технологии; лесоведение; дождевые паводки; моделирование; перехват осадков кронами

Введение

Потери дождевых осадков на кронах лесообразующих пород являются одной из составных частей расходной части водного баланса лесных территорий, и, наряду с потерями на испарение с площади листовой поверхности, определяют количество влаги, поступающей под полог лиственных древостоев, характер увлажнения грунтов и расчетные характеристики паводочного стока малых водосборов лесопокрытых территорий. Единых методов оценки предельной емкости перехвата осадков лиственными породами не существует, а также не существует способов оценки пространственной структуры этих потерь. Опубликованные результаты эмпирических исследований выражают величину предельной емкости удержания в зависимости от массы листьев, что затрудняет использование этих результатов в расчетах элементов водного баланса лесных участков. Перехват дождевых осадков, так и их испарение физически осуществляется поверхностью листовых пластин, и корректные оценки емкости удержания можно установить на основе связей только с площадью листовой поверхности древостоев.

Целью настоящего исследования является пространственная оценка предельной емкости удержания жидких осадков на кронах древостоев.

В настоящем исследовании авторами выполнены эмпирические оценки предельной емкости удержания влаги древесными породами в расчете на единицу площади листовой поверхности, и приведен результат картографической интерпретации полученных результатов в расчетах предельного слоя удержания влаги в пределах покрытого лесом водосбора.

Изученность вопроса

Первые известные исследования потерь осадков единичных ливней на кронах древостоев выполнены в США (Horton, 1919) и Швейцарии (Buhler, 1891) в конце XIX – начале XX вв. Исследования опирались на материалы параллельных наблюдений по полевым осадкомерам, установленным одновременно под средней частью крон отдельных лиственных пород и на открытых участках. В лаборатории Хортона в 1917-19 гг. определены величины максимального водоудержания на кронах 12 видов лиственных пород (клен, вяз, ива, ясень, бук, американская липа, дуб, тсуга канадская, сосна, гикори, конский каштан, яблоня), изменяющиеся от 0,5 до 2,9 мм в расчете на проекционную площадь крон. Установлено, что в первые минуты дождя на кронах удерживается от 70 до 100% выпадающих осадков (т.е. доля просочившихся осадков с момента начала дождя до момента полного водонасыщения крон деревьев составляет 25-30%). Общая модель Хортона определяет величину перехвата как разницу между осадками, просочившимися под полог леса, и влагу, удержанную на кронах и затраченную на испарение с листовой поверхности.

Важнейшие закономерности перераспределения осадков пологом леса были выявлены к началу XX в. в исследованиях Эбермайера, Гоппе, Н.С. Нестерова, С.Д. Охлябинина и др. Задержание осадков растительным покровом и последующее их испарение находятся в прямой зависимости от размеров и свойств поверхности смачивания. Максимальные величины водоудержания на кронах, по исследованиям разных авторов, существенно различаются. По данным Bele J. (Bele, 1975, 1980), еловые древостои могут перехватывать до 3.6 мм слоя осадков единичного ливня. В.В. Рахманов (Рахманов В.В., 1981) определил емкость задержания для хвойных насаждений (ель, пихта) в пределах 2-4 мм (в отдельных случаях – до 6-8 мм).

Суммарный перехват связан с возрастом, составом, таксационным запасом насаждений, определяющими площадь листовой поверхности, и количеством атмосферных осадков. Небольшие дожди (0.5-1.5 мм) полностью перехватываются пологом насаждений; максимальная влагоудерживающая способность высокоплотных хвойных древостоев составляет 10-12 мм (Онучин А.А., 2003).

На сегодняшний день известно несколько моделей водоудержания дождевых осадков на кронах древостоев за время дождя (за вычетом стволового потока воды, составляющего не более 10% суммарного перехвата). Наиболее распространены среди них модели Хортона, Мерриана, Джексона, Гэша, Фан (Gash et al., 1995; Pypker et al., 2012; Klaassen et al., 1998; Link et al., 2004; Herbst et al., 2008; Muzylo et al., 2009).

В настоящем исследовании авторами проведен комплекс экспериментальных работ по искусственному созданию капель на листовых пластинах отдельных ветвей, определению максимальной массы удерживаемой воды и подсчету площади листовой поверхности анализируемых образцов, определению предельных размеров капель и их краевых углов и определению эмпирических зависимостей между площадью листовой поверхности отдельных пород и максимальной массой удерживаемой воды.

 

Таблица 1 – Характеристика существующих зарубежных моделей перехвата дождевых осадков кронами древостоев

 

Автор модели, год разработки	Аналитическое выражение величины перехвата	Параметры модели	Краткие преимущества модели
Р. Хортон, 1919		I – потеря при перехвате осадков (мм); t – продолжительность выпадения осадков (мин.); S – максимальная емкость перехвата (мм); E – скорость испарения перехваченной воды (мм/мин.); P –количество осадков на открытых участках (мм).	Определяет величину перехвата осадков как сумму потерь за время выпадения осадков (потерь на наполнение крон) и потери за время после окончания дождя (на испарение)
Merriam, 1960			Учитывает уменьшение объема перехвата при увеличении количества осадков за счет заполнения предельной емкости крон
Джексон, 1975		a, b, c – эмпирические коэффициенты, косвенно учитывающие потери на испарение, площадь листовой поверхности пород и характеристики древостоев
Гэш, 1979, 1995	Проникновение дождя до насыщения крон: ; После насыщения крон: . . IW – количество осадков, которые испаряются за время смачивания купола: .	Величина осадков за время от начала дождя на открытой местности (PG, мм) и под пологом древостоев (Pn, мм), предельный запас воды в кронах (S, мм), доля осадков, проникших под полог леса (p), отношение среднего значения скорости испарения к средней интенсивности дождевых осадков (E/R) за расчетный момент времени, точка насыщения крон (Ps, мм)	Наиболее распространенной моделью перехвата дождевых осадков, используемой в в Северной Америке [23]. ограничена следующими предположениями, изложенными Гашем [3]: 1) ливни представляют собой индивидуальные события, разделенные достаточно длительными бездождными периодами, достаточными, чтобы позволить кронам полностью высохнуть; 2) метеорологические условия постоянны на протяжении ливня; 3) до максимального насыщения крон осадки под полог леса отсутствуют.
Фан, 2007		Р – осадки, выпадающие на открытой местности (мм), S – максимальный слой удержания влаги кронами деревьев на единицу площади (мм), β – индивидуальный для участка древостоя эмпирический коэффициент, отражающий однородность площади листовой поверхности отдельных пород, возрастной, породный состав и бонитет участка леса, α –коэффициент полноты древостоя (коэффициент, отражающий отношение проекционной площади крон к площади лесопокрытой территории).	Описывает перехват осадков (I, мм) за время ливня от нулевого значения до достижения величины предельного водонасыщения крон древостоя (S, мм), зависящего от пород древостоя, площади листовой поверхности, полноты насаждения. Величина предельного водонасыщения крон устанавливается как точка перелома зависимости потерь на перехват кронами от суммы выпадающих осадков за время единичного ливня In=f(P)

 

Модели Гэша и Фан следует считать наиболее современными способами расчета перехвата дождевых осадков кронами древостоев. При фактическом перехвате осадков единичного ливня в размере 33,2% от суммы осадков, расчеты по модели Гэша дают величину перехвата на уровне 35,9%, а по модели Фэн – 53,6%.

Особенностью всех моделей является то, что они опираются на материалы эмпирических наблюдений над дождевыми осадками под кронами, а не на результаты физического моделирования по удержанию влаги на листовых пластинах. Ни одна из моделей не оперирует объективными величинами массы капель на листовых пластинах и площади листовой поверхности, которые удалось получить авторам настоящего исследования путем искусственного дождевания ветвей, их взвешивания и последующего подсчета площадей листьев.

Результаты и обсуждение

Выводы

На основании серии экспериментов по искусственному дождеванию пород деревьев установлены предельные величины удельного удержания влаги на листовых пластинах в ходе дождя. Удельная масса удержания в расчете на 1 м2 листовой поверхности определяется характером поверхности листовой пластины и, прежде всего, типом жилкования. Для листьев, имеющих перисто-сетчатое жилкование (вяз, черемуха), удержание в 2-3 раза больше (180-200 г/м2), чем для листьев перисто-краевого типа жилкования (береза, осина; 27-100 г/м2). Общая масса удержания определяется площадью листовой поверхности в момент выпадения дождя, различной для разных пород деревьев, возрастом и высотой древостоев.

В ходе экспериментов площадь листовой поверхности определялась для «нормальной» листовой пластины в репрезентативной выборке (для выборки определялись статистические параметры площади листа: норма, коэффициенты вариации и асимметрии). Количество листьев на опытной ветви определялось путем ручного подсчета. Статистические погрешности определения суммарной площади при этом не превышали 11%. Погрешности определения массы удерживаемой влаги составляли 4.3%.

Полученные величины, выраженные в характеристиках слоя удержанных кронами осадков, были визуализированы на картах. Подобные карты, построенные по разработанной авторами методике, могут быть использованы при расчете элементов водного баланса участков смешанных лесов, максимальных ливневых расходов воды с лесных водосборов. Кроме того, принимая во внимание тот факт, что дождевые осадки, удержанные кронами, расходуются только на испарение, данный способ оценки пространственного распределения потерь осадков может быть использован для оценки месячных сумм жидких осадков в виде поправок к суточным величинам дождевых осадков.

На основании экспериментов по искусственному орошению ветвей установлены параметры зависимости между площадью листовой поверхности (LA, м²) и максимальной массой удерживаемой воды (m, г). На основе зависимостей и данных по площадям листовой поверхности расчетных водосборов появляется возможность рассчитать величину перехвата за время выпадения дождя, а также потери на испарение с площади кроны, распределенные в пространстве.

Наблюдения над осадками под кронами хвойных (на четырех дождемерах) и на открытой местности (один дождемер), проводившиеся в октябре 2017 г., подтвердили расчетные величины водоудержания. По данных полевых дождемеров М-99 установлено, что кроны еловых деревьев (80 лет, II класс бонитета) перехватывают 2-4 мм дождевых осадков. Метеорологические наблюдения требуют продолжения с привлечением самописцев дождя (плювиографов).

Разработанный авторами способ оценки и картографирования безвозвратных потерь осадков кронами древостоев может быть использованы в моделировании паводочного стока малых рек лесной зоны Урала. Учет величины безвозвратных потерь осадков на кронах древостоев позволяет существенно повысить точность расчетов паводочного стока малых рек генетическими методами.

Список литературы

О картировании

Данилин И.М. Лазерное профилирование лесного полога // Лесоведение. 2003. №6. С. 64-69

Курбанов, Э.А. О.Н. Воробьев, C.А. Меньшиков, Л.Н. Смирнова Распознавание лесных насаждений и доминирующих древесных пород Пензенской области по данным спутника Sentinel-2 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. – 2018. – Т. 15. – № 5. – С. 154-166.

Сухих В.И. Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве: Учеб. для вузов Йошкар-Ола: МарТТУ, 2005. 392 с.

О зарубежных моделях перехвата

Horton, R.E. (1919). Rainfall Interception. Monthly Weather Review, 47(9), 603-623. https://doi:/10.1175/1520-0493(1919)47<603:RI>2.0.CO;2

Buhler, Dr. A. (1891). Swiss Central Bureau for Forest Research Investigation. Proceedings. 1(1). Contains detailed results of Adiisbeig and other Swiss stations

Gash, J.H.C., Lloyd, C.R. & Lachaud, G. (1995). Estimating Sparse Forest Rainfall Interception with an Analytical Model. Journal of Hydrology, 170(1-4), 79-86. https://doi:10.1016/0022-1694(95)02697-N

Thomas, G. Pypker, Catherine S. Tarasoff & Hong-Suk Koh (2012). Assessing the Efficacy of Two Indirect Methods for Quantifying Canopy Variables Associated with the Interception Loss of Rainfall in Temperate. Hardwood Forests Open Journal of Modern Hydrology, 2(2), 29-40. https://doi: 10.4236/ojmh.2012.22005

Klaassen, W., Bosveld, F. & Water, E. de (1998). Water Storage and Evaporation as Constituents of Rainfall Interception. Journal of Hydrology, 212-213, 36-50. https://doi:10.1016/S0022-1694(98)00200-5

T. E. Link, M. H. Unsworth and D. Marks, “The Dynam-ics of Rainfall Interception by a Seasonal Temperate Rain- forest,” Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 124, No. 3-4, 2004, pp. 171-191. doi:10.1016/j.agrformet.2004.01.010

M. Herbst, P. T. W. Rosier, D. D. McNeil, R. J. Harding and D. J. Gowing, “Seasonal Variability of Interception Evaporation from the Canopy of a Mixed Deciduous Forest,” Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 148, No. 11, 2008, pp. 1655-1667. doi:10.1016/j.agrformet.2008.05.011

Muzylo, A., P. Llorens, F. Valente, J.J. Keizer, F. Domingo, and J.H.C. Gash. (2009). A review of rainfall interception modelling. Journal of Hydrology 370: 191-206.

О гидрологии

Голубцов В.В. Моделирование стока горных рек в условиях ограниченной информации. Алматы, 2010. 232 с.

Грошев Б.И., Синицын С.Г., Мороз П.И., Сеперович И.П. Лесотаксационный справочник. М.: Лесная промышленность, 1980. 288 с.

Онучин А.А. Влагооборот горных лесов Сибири (локальные и региональные особенности): дисс. …д-ра биол. наук. Красноярск, 2003. 222 с.

Рахманов В.В. Лесная гидрология: Обзор // Итоги науки и техники. Сер. Лесоведение и лесоводство. М., 1981. 181 с.

Utkin A.I., Ermolova L.S. & Utkina I.A. (2008). The surface area of forest plants: the nature, parameters, use. Nauka, 290 p.

Shvidenko A.Z., Shchepashchenko D.G., Nil'sson S. & Buluy YU.I. (2008). ables and models of the growth and productivity of plantations of the main forest-forming species of Northern Eurasia. Reference Materials / Federal Forestry Agency, Intern. Institute of Applied Systems Analysis. Moscow, 886 p.

Bele J. Prispevek ke zjistokani strat vody intercepcnim vyparem ve smrkovych porostech (1975). Lesnictvi, 21(48), 633-652.

Bile J. (1980). Tvorba zasob snihuve smrkove hospodarske skupine. Lesnictvi, 26(53), 729-736.

Zhao Pan, Floriane Weyer, William G. Pitt, Nicolas Vandewalle, Tadd T. Truscott. (2018). Drop on a bent fibre. Soft Matter, 432. https://doi.org/10.1039/C7SM01729D.

 

Klimenko, D.E., Ostakhova, A.L. (2018). Modeling Of Rain Losses On The Crowns Of Coniferous Stands Of The Urals. Practical Geography and XXI Century Challenges. International Scientific and Practical Conference, 4-6 June 2018, Moscow. Conference Book. – Moscow: Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, - 2018. pp. 416-418 (https://yadi.sk/d/3hFZnoTc3VUDnW).

Klimenko, D.E., Ostakhova, A.L. & Tuneva, A. (2019). Experimental Data on Maximum Rainfall Retention on Crowns of Deciduous Tree Species of the Middle Ural (Russia). Forests, 10(2):183. https://doi.org/10.3390/f10020183.

Клименко Д.Е., Остахова А.Л. Моделирование потерь дождевых осадков на кронах хвойных древостоев // Лесоведение, 2020. №4.

 

Клименко Д.Е., Черепанова Е.С.