Оценка емкости безвозвратного удержания дождевых осадков кронами деревьев

Формирование максимальных расходов воды дождевых паводков на малых водотоках лесной зоны определяется поступлением ливневых осадков на поверхность водосбора, разного рода потерями, склоновым стокообразованием и его трансформацией в гидрограф стока в замыкающем створе (Голубцов В.В., 2010). К числу наиболее существенных начальных потерь относится перехват дождевых осадков кронами хвойных и лиственных пород, а также потери перехваченных осадков на испарение с листовой поверхности крон.

С целью оценки пространственного распределения дождевых осадков, перехваченных кронами хвойных древостоев, выполнен комплекс экспериментальных, картографических и лабораторных исследований, метеорологических наблюдений по оценке водоудержания на фитомассе лесообразующих пород Среднего Урала. В качестве экспериментального полигона выбран лесной водосбор р. Решетка у с. Новоалексеевское (площадь водосбора F=32.0 км²). Водосбор расположен в Свердловской обл., в 31 км к западу от метеостанции Екатеринбург; створ оборудован пунктом наблюдений Росгидромета, действующим с 1946 г. по сей день (рис. 1). Основные гидрографические характеристики водосбора: средневзвешенный уклон водосбора 33,1‰; лесистость 82% (из которой 72% площади приходится на сосну; 8% – на березу; 2% – на другие породы (ель, осина, липа и др.); озерность 0%; заболоченность 0%; средняя высота 22 м. Древесные породы рассматриваемой территории относятся к фенотипу весенне-летне-осенне-зеленых с периодом зимне-весеннего покоя. Вегетация длится со второй декады мая до первой декады октября. Максимального развития зеленая масса лиственных древостоев достигает к концу первой декады июля. В этот период площадь листовой поверхности максимальна; этот период соответствует периоду наибольшей частоты дождевых осадков. В пределах эталонного водосбора проведен комплекс полевых и камеральных работ по уточнению лесотаксационных характеристик древостоев (высоты, породного состава) и гидрографические работы. Разработана методика оценки потерь осадков на кронах древостоев за время прохождения ливней различной интенсивности, выполнена ее апробация.

Рис. 1 – Местоположение расчетного бассейна р. Решетка на карте России

Удержание жидкости (дождевых осадков или конденсационной влаги) на листовой поверхности древесных пород осуществляется в капельном виде и обеспечивается за счет поверхностных энергий на границах раздела фаз «твёрдое тело»-«газ»-«жидкость».

В связи с тем, что большая часть жидких осадков удерживается на хвое и листовых пластинах, в первую очередь решаются задачи по определению биометрических показателей древостоев:

- масса листвы на 1 га (F₁, т/га);

- индекс листовой поверхности (отношение площади листвы к площади, покрытой лесом) (LAI, га/га);

- площадь листовой поверхности (суммарная площадь односторонней поверхности хвои или листьев) (LA, га);

- количество и средние размеры листьев и хвоинок.

Учитывается класс бонитета лесов, запас стволовой древесины, степень сомкнутости крон.

При оценке средних размеров хвои и листвы использован подход, предложенный Уткиным А.И. и др. (Уткин А.И. и др., 2008): формирование репрезентативных выборок хвоинок и листьев (100 единиц), их обмеры автоматизированными средствами (сканирование изображений и последующие измерения площади, длины, ширины средствами AutoCAD). На основании измерений определялись статистические параметры (норма, коэффициент вариации C_v, коэффициент асимметрии C_s) размеров хвои и листвы анализируемых пород (табл. 2).

Таблица 2 – Статистические параметры размеров листвы (хвои) отдельных пород (II класс бонитета, возраст 60-100 лет)

Величины фитомассы листвы и хвои устанавливаются на основании таблиц хода роста и таблиц биологической продуктивности полных древостоев (Швиденко А.З. и др., 2008), результатов полевых лесотаксационных обследований, с использованием экспериментальных данных (Уткин А.И. и др., 2008) по площадям поверхности лесных растений, а также космических снимков и крупномасштабных карт. Класс бонитета лесов определен на основании полевых исследований (сведений по высоте и возрасту древостоя) с использованием табл. М.М. Орлова.

Определение LAI произведено на основе баз данных и эмпирических зависимостей, выявленных Уткиным А.И. и др. (табл. 2), на основе величины фитомассы (F ₁, т/га) пород как древостоя LAI =f(F ₁).

Общая площадь листовой поверхности (LA, га) определяется как:

,                                                                                                            (1)

где S – площадь участка леса (га), k – полнота насаждения (в долях от единицы)

Полнота насаждения и его бонитет на модельном водосборе р. Решетки определены на основании полевого обследования, с использованием таблиц М.М. Орлова.

Величина фитомассы (F ₁, т/га) для различных по породному составу участков водосбора определена в зависимости от их возраста и класса бонитета: таблицы М.М. Орлова переведены в аналитический вид и оценка возраста лесов определенного бонитета произведена на основе данных о высоте древостоя (рис. 2).

Рис. 2 – Связь возраста древостоев с их средней высотой в зависимости от класса бонитета

Для модельного водосбора по материалам полевых работ установлено, что преобладающий класс бонитета лесов – II. На основе (Швиденко А.З. и др., 2008) в аналитическом виде установлены зависимости величины фитомассы (зеленой массы и массы ветвей) (F ₁, т/га) от возраста древостоев для различных по породному составу насаждений, имеющих II класс бонитета. На водосборе р. Решетки преобладают сосновые древостои, доля ели незначительна (не более 10% общей площади хвойных насаждений). Среди лиственных пород преобладают береза и осина. В качестве смешанных лесов с преобладанием той или иной породы приняты леса с долей лиственных или хвойных не менее 25%. Исходя из указанных соотношений, выполнен расчет кривых зависимости фитомассы от возраста древостоев (рис. 3).

Как видно, для рассматриваемого водосбора в условиях достаточно однородного видового состава древостоев, зависимости величины F ₁ от возраста для разных участков весьма близки и могут быть записаны единым уравнением вида:

F₁=11,7•ln(T) – 22,8.                                                                                                     (2)

Учитывая представленные выше зависимости высоты деревьев от их возраста, оценка F ₁ для II класса бонитета лесов может быть выполнена по уравнению:

                                                                   (3)

Рис. 3 – Зависимость величины фитомассы от возраста пород (II класс бонитета)