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.