«Ю. В. Карпечко, Н. Л. Бондарик ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫХ РАБОТ В ТАЕЖНОЙ ЗОНЕ ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРА РОССИИ Петрозаводск 2010 УДК 630*116: 630*228.81 (470.1./2) ББК 43.4 (231) К 26 ...»

КАРЕЛЬСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ИНСТИТУТ ВОДНЫХ ПРОБЛЕМ СЕВЕРА

KARELIAN RESEARCH CENTRE

RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES

NORTHERN WATER PROBLEMS INSTITUTE

Ю. В. Карпечко, Н. Л. Бондарик

ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ

ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫХ

РАБОТ В ТАЕЖНОЙ ЗОНЕ

ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРА РОССИИ

Петрозаводск 2010 УДК 630*116: 630*228.81 (470.1./2) ББК 43.4 (231) К 26 Гидрологическая роль лесохозяйственных и лесопромышленных работ в К таежной зоне Европейского Севера России / Карпечко Ю. В., Бондарик Н. Л.

Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2010. 225 с.: табл. 47, рис. 42. Библиогр. 248 назв.

ISBN 978-59274-0437- Монография посвящена актуальным вопросам гидрологии – формированию речного стока в производных и коренных лесах. Приведена характеристика хозяйственной деятельности в лесу. Дано обоснование классификации лесов с точки зрения их гидрологической роли. Предложены методы расчета таксационных характеристик, необходимых для решения гидрологических задач. Рассмотрены методологические аспекты и предложены методы оценки изменения элементов водного баланса в результате лесопромышленной и лесохозяйственной деятельности (рубки главного пользования, рубки ухода, гидролесомелиорация). Предложены оригинальные методы расчета транспирации, испарения жидких и твердых атмосферных осадков с полога леса и испарения с наземного покрова. Рассмотрены особенности формирования элементов водного баланса в производных и коренных лесах, и даны оценки гидрологической роли рубок главного пользования и рубок ухода, в том числе и в условиях изменения климатических характеристик. Получена оценка изменения испарения и стока после проведения гидролесомелиорации. Впервые расчетным путем получена антропогенная составляющая испарения и стока в производных лесах Карелии.

Монография может быть полезна для специалистов гидрологов, лесоводов, экологов, преподавателей и студентов, обучающихся по специальностям гидрология суши, лесное хозяйство и экология.

The monograph is devoted to hydrology pressing questions – the formation of runoff in secondary and climax forests.

The characteristic of forest management activities is presented. The substantiation of classification of forests from the point of view of their hydrological role is given. Techniques of calculation of forest inventory parameters necessary for the decision of hydrological problems are offered. Methodological aspects are considered and the techniques of estimation of change of elements of water budget as a result of forest industry and forest management activities (clean cutting, thinning, forest reclamation) are offered. Original techniques of calculation of transpiration, evaporations of a liquid and solid precipitation from forest canopy and evaporation from the ground cover are offered. Features of formation of water budget elements in secondary and climax forests are considered. Estimations of a hydrological role of clean cutting and thinning (including estimations for changing climatic conditions) are given. The change of evaporation and runoff after forest reclamation is estimated. The anthropogenic component of evaporation and of runoff in secondary forests of Karelia is calculated for the first time. The monograph can be useful for experts in hydrology, silviculture, ecology, for teachers and the students training in specialties of hydrology, forestry and ecology.

Исследования проводились при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 02-05-97510-р2002север_а), Научного совета ОНЗ РАН (программы фундаментальных исследований «Изменения природно-территориальных комплексов России в зонах интенсивного техногенного воздействия», проект 9 и «Природные и социально-экономические факторы изменения окружающей среды России», проект 12).

Финансирование издания осуществлено Российским фондом фундаментальных исследований (грант 10-05-07050-д).

ISBN 978-59274-0437- УДК 630*116: 630*228.81 (470.1./2) ББК 43.4 (231) © Ю. В. Карпечко, Н. Л. Бондарик, © Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН, © Карельский научный центр РАН,

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................. 1. Характеристика лесных биогеоценозов ЕСР................ 1.1. Лесной фонд и характеристика хозяйственной деятельности в лесу............................................... 1.2. Коренные и производные леса.......................... 1.3. Классификации лесов по определяющим их гидрологическую роль факторам................................... 1.4. Определение таксационных характеристик древостоя...... 1.5. Зависимость продуктивности леса от климатических характеристик............................................. 2. Методы оценки влияния лесопромышленных и лесохозяйственных работ на водный баланс территории.................. 2.1. Методологические аспекты оценки преобразования водного баланса в результате деятельности человека в лесу......... 2.2. Методы оценки влияния различных рубок на элементы водного баланса......................................... 2.3. Методы оценки влияния гидролесомелиорации на элементы водного баланса...................................... 2.3.1. Расчет изменения годового стока с болота и речного водосбора из-за гидролесомелиорации.............. 2.3.2. Расчет дополнительного стока с осушаемой и смежной территорий..................................... 2.3.3. Методы оценки изменения суммарного испарения с болота и заболоченного леса после проведения гидротехнической мелиорации............................ 3. Расчет суммарного испарения с леса....................... 3.1. Транспирация древостоем............................. 3.1.1. Суммарная за теплый период и за год среднемноголетняя транспирация древостоем...................... 3.1.2. Интенсивность транспирации древостоем........... 3.2. Испарение атмосферных осадков, задержанных пологом леса 3.2.1. Задержание пологом леса влаги от единичного дождя и испарение этой влаги............................. 3.2.2. Усредненная величина испарения осадков с полога леса за теплый сезон............................... 3.2.3. Испарение твердых атмосферных осадков с полога хвойного леса................................... 3.2.4. Сравнение методов определения испарения осадков с полога леса за год.............................. 3.5. Сравнение методов определения среднемноголетней величины испарения с леса................................. 4. Особенности формирования элементов водного баланса в лесах 4.1.1. Возрастная динамика транспирации и суммарного испарения с леса и влияние на нее лесорастительных условий и продуктивности древостоя.................

4.1.2. Связь условий произрастания, продуктивности и породного состава леса с транспирацией и суммарным 4.1.5. Относительное и абсолютное изменение испарения в 4.1.6. Оценка пространственного распределения испарения с 4.2. Изменение водно-физических характеристик и водного режима почвогрунтов после рубок......................... 5. Формирование элементов водного баланса в осушаемых лесах 6. Сток с водосборов, покрытых производными (эксплуатируемыми) лесами.............................................

ВВЕДЕНИЕ

Формирование водных ресурсов в лесной зоне в значительной степени определяется особенностями трансформации атмосферных осадков и солнечной радиации лесными биогеоценозами. В свою очередь проблема рационального использования лесных ресурсов требует изучения функционирования лесного биоценоза и влияния на этот процесс обусловливающих его факторов, среди которых значительное место занимает влага. Поэтому исследования вопросов, посвященных гидрологической роли леса, важны как для гидрологии, так и для лесоведения. Такая взаимосвязь нашла отражение в научной литературе. Большой вклад в изучение гидрологических процессов в лесу внесли известные российские гидрологи, лесоводы и ученые, работающие на стыке этих наук:

Г. Н. Высоцкий [39], И. С. Шпак [214], А. А. Молчанов [128, 131], С. Ф. Федоров [194], О. И. Крестовский [98], В. В. Рахманов [159], Ю. Л. Раунер [158], Н. И. Руднев [165], Н. А. Воронков [37] и многие другие. Достаточно полные и подробные обзоры и анализы результатов изучения гидрологической роли леса с рассмотрением методов исследований представлены В. В. Рахмановым [159], С. Ф. Федоровым и С. В. Маруничем [197].

Таежная зона Европейского Севера России (ЕСР), в которую входят Архангельская, Вологодская, Мурманская области и республики Карелия и Коми, представляет собой интересный полигон для исследования влияния леса на гидрологические процессы. Этот интерес порождается высокой залесенностью территории, разнообразием климатических условий, породного состава и продуктивности деревьев, а также большой пространственной изменчивостью степени освоенности территории. Здесь значительные площади занимают производные (эксплуатируемые) леса, где заготавливается необходимая для хозяйства древесина и уже неоднократно произошла смена древостоя. Однако встречаются и коренные (девственные) леса, куда по разным причинам заготовитель еще не добрался. Наличие девственных лесов характеризует, в первую очередь, слабую освоенность территории, что объясняется низкой плотностью населения.

Большая протяженность исследуемой территории как с севера на юг (~800–1100 км), так и с запада на восток (~1500–1600 км) сопровождается пространственной изменчивостью климатических характеристик, что создает условия для изучения их влияния на продуктивность древостоя и на гидрологические процессы в лесу.

Пространственная вариация природных условий, включающих климат, геологию, рельеф и плодородие почв, обусловливает соответствующий состав и распределение растительности. В широких пределах меняется по региону продуктивность лесных экосистем, повышаясь в соответствии с ростом температуры воздуха с севера на юг.

Лесная растительность, являясь продуктом климата, оказывает, в свою очередь, некоторое влияние на формирование метеорологических условий региона. Она относится к одним из главных факторов формирования на данной территории различных микроклиматических условий. Гидрофизические процессы, протекающие в лесных экосистемах, играют определяющую роль в формировании режима и абсолютных величин элементов водного баланса.

В областях и республиках, расположенных на территории ЕСР, лесная промышленность является одной из ведущих отраслей экономики. Лесохозяйственные работы и заготовка древесины здесь относятся к основным видам хозяйственной деятельности, поэтому формирование лесных экосистем происходит на значительных площадях под влиянием антропогенного фактора.

Рубки и выжигание лесной растительности относятся к наиболее древним видам хозяйственной деятельности. Леса ЕСР подвергались интенсивной эксплуатации уже с XVI века. С развитием в середине XIX столетия лесопильной промышленности потребность в древесине значительно возрастает. Наибольшее развитие лесопромышленные работы получили с внедрением в 30-х годах прошлого столетия сплошных концентрированных рубок [56]. Все это приводило и ведет к сокращению лесной площади в целом и доли девственных лесов в частности.

До настоящего времени лес во всем мире рассматривается как возобновляемый ресурс древесины, поэтому лесоэксплуатация коснулась значительной части лесного фонда. На европейской территории России воздействие промышленных рубок испытали свыше 60% лесов [46]. По данным Европейской лесной комиссии, мировой объем лесозаготовок постоянно увеличивается на 0.5–3% в год [127]. Поэтому резкое сокращение лесозаготовок в 90-е годы в России может смениться интенсивным ростом объема вырубаемого леса. Вместе с тем, как уменьшение, так и увеличение интенсивности рубок ведет к изменению структуры лесного фонда (распределение площади лесного фонда по возрастным категориям и по породному составу) на водосборе, что сопровождается преобразованием его водного баланса.

Средообразующая роль эксплуатируемых лесов меняется с возрастом. По составу растительных сообществ и интенсивности протекающих в них процессов они на каждом этапе своего развития отличаются от девственных, поэтому очень важным становится вопрос о допустимом соотношении площадей естественных и преобразованных биогеоценозов с точки зрения их экологических функций. Большие проблемы в оценке и прогнозе влагооборота в лесу возникают в связи с преобразованиями условий произрастания растительности, вызванными долгопериодными колебаниями климатических характеристик.

Следует подчеркнуть, что всякие преобразования в лесных экосистемах, вызванные лесохозяйственными (рубки ухода, мелиорация) и лесопромышленными работами (рубки главного пользования), в наибольшей степени отражаются на водном режиме малых рек, которые также часто становятся объектами водохозяйственной деятельности. В частности, на них сооружаются водохранилища для небольших ГЭС, а, по мнению некоторых ученых [20], строительство малых и средних ГЭС является одним из возможных направлений развития энергетики в Карелии.

Заметное влияние на сток более крупных рек может оказать преобразование возрастной структуры древостоя на большой площади, что происходит при резких и продолжительных изменениях интенсивности эксплуатации лесного фонда.

Получение объективной оценки влияния характеристик леса на элементы водного баланса конкретного водосбора представляет собой достаточно сложную задачу. В некоторой степени это объясняется несовершенством методик, направленных на решение данной проблемы, но в большой степени связано с трудностями получения необходимой информации. В настоящее время известно, что испарение с леса, а, следовательно, и сток с залесенных водосборов, зависят от различных характеристик древостоя: от породы, возраста, условий произрастания и продуктивности. Вместе с тем до недавнего времени информацию о распределении покрытой лесом площади водосборов по преобладающим породам, классам возраста и бонитета получить было очень сложно. Поэтому многие исследования гидрологической роли леса посвящены изучению зависимостей, в частности, стока от наиболее доступной характеристики – лесистости [37, 66, 149, 159 и др.], хотя, нужно отметить, что приведенные значения этого показателя включают в себя существенные в некоторых случаях ошибки. Недостатки такого подхода показаны О. И. Крестовским [98]. Однако эти исследования сыграли большую роль в лесной гидрологии. Они показали, что влияние леса на гидрологические процессы многогранно и определяется не только его наличием на водосборе. Нужно отметить, что и до сегодняшнего дня роль основных характеристик леса (породный состав, тип леса, продуктивность и даже возраст) далеко не в полной степени освещена. Однако в настоящее время с внедрением различных компьютерных технологий получение информации о характеристиках леса, определяющих гидрологические процессы на конкретном водосборе, с технической точки зрения не представляет больших сложностей, что может способствовать развитию гидрологии леса.

Представленные в данной работе результаты исследований относятся к той части территории России, где основными породами являются сосна, ель и береза. Данное обстоятельство является ограничивающим фактором для использования приведенных здесь моделей на большой части лесной зоны России. Вместе с тем авторы надеются, что отличия породного состава изучаемого леса не станут препятствием для применения в других регионах некоторых их идей, методологических и методических разработок.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ ЕСР

Большая часть территории ЕСР расположена в северо- и среднетаежной подзонах [96] (рис. 1.1, табл. 1.1), что свидетельствует о достаточно суровых климатических условиях в целом, определяющих соответствующую продуктивность лесных биогеоценозов и породный состав древостоя (табл. 1.2). Заметная доля территорий северных административных образований (Архангельская, Мурманская области и Республика Коми) относится к зоне тундры.

Распределение таежной зоны по территориям Средняя лесистость территории ЕСР составляет около 47%. По регионам она колеблется от 34% для Мурманской и Архангельской областей до 69% для Республики Коми. Величины лесопокрытых площадей и распределение основных пород древостоя по республикам и областям ЕСР приведены в табл. 1.2.

Рис. 1.1. Физико-географическое районирование ЕСР (по [96]) А – зона тундры: I – подзона арктических тундр; II – подзона кустарничковых и мохово-лишайниковых тундр; III – подзона кустарничковых тундр и предтундрового редколесья. Б – зона тайги: IV – подзона северной тайги; V – подзона средней тайги; VI – подзона южной тайги. В – зона смешанных лесов. Границы: 1 – зон;

2 – подзон Распределение покрытых лесом земель по основным Доминирующими породами являются хвойные, причем в Республике Карелия и в Мурманской области преобладают сосняки, а на остальной территории региона наибольшую часть залесенной площади занимают ельники. Хвойные породы вместе с березняками представляют практически всю лесопокрытую часть лесного фонда в данных субъектах РФ. На долю остальных пород в Карелии и Мурманской области приходится менее 1%, в Коми и Архангельской области – соответственно около 5 и 1% и только в Вологодской области их доля возрастает до 9%. Следовательно, сосняки, ельники и березняки на территории ЕСР являются средоформирующими породами.

Участие лиственных пород в формировании лесных биогеоценозов увеличивается с севера на юг. Это обусловлено, с одной стороны, изменением климатических условий и плодородия почв, с другой – возрастанием интенсивности лесорубочных работ в южном направлении, а лесовосстановление, особенно ельников, часто идет через лиственные породы.

Заготовка древесины в лесу осуществляется посредством рубок, которые разделяются на рубки главного пользования и рубки промежуточного пользования (рубки ухода). Гидрологическая роль рубок зависит от их вида.

Рубками промежуточного пользования решаются задачи по улучшению породного состава древостоя, повышению качества и устойчивости насаждений, сохранению и усилению средозащитных и средообразующих свойств леса, увеличению размера потребления древесины с единицы площади и сокращению сроков выращивания высокопродуктивного хозяйственно-ценного спелого древостоя. К ним относятся рубки ухода за молодняками (осветление, прочистки), прореживания и проходные рубки [135]. Уходу за лесом начали уделять большое внимание в середине 60-х годов XX века. Площадь территории, затронутой этими рубками, менялась по годам, однако она никогда не превышала 1% лесопокрытой площади. В частности, в лесах Карелии в наиболее благоприятные периоды ее доля достигала только 0.6%. В этой связи становится очевидным, что отражение этих работ на гидрологических процессах можно наблюдать только на малых водосборах.

Уход за молодняками (осветление и прочистки) в зависимости от климатических характеристик и условий произрастания проводят до 20–30 лет. Он направлен, во-первых, на формирование наиболее выгодного с хозяйственной точки зрения состава древостоя, что заключается в освобождении хвойных деревьев от заглушающего влияния лиственных пород, во-вторых, в ходе его выполнения создается оптимальная для роста густота и более равномерное размещение деревьев по площади.

При прореживании, выполняемом в зависимости от климатических условий в возрасте древостоя от 21 до 50 лет, осуществляется отбор деревьев, лучших по скорости роста, форме ствола и качеству древесины, и создаются оптимальные условия для их роста.

Завершающим этапом отбора деревьев лучшего качества являются проходные рубки, которые в хвойных лесах проводятся в возрасте древостоя свыше 40–50 лет. Рубки ухода должны заканчиваться в хвойных лесах за 20 лет, а в лиственных – за 10 лет до наступления возраста, при котором проводятся рубки главного пользования.

При всех видах рубок рекомендуется вырубать в зависимости от лесорастительных и климатических условий в среднем 25–35% от запаса древостоя [135].

При выполнении рубок промежуточного пользования меняются радиационные характеристики леса, породный состав, полнота древостоя и запас древесины, а, следовательно, и соотношения величин испарения различными частями леса. Причем снижение транспирации древостоем, являющейся основной расходной частью водного баланса в высокопродуктивных лесах, в которых и выполняются рубки ухода, приводит к уменьшению суммарного испарения, что будет показано ниже. Кроме того, работа лесозаготовительной техники на площади, отводимой для технологических коридоров (около 20% площади лесосеки), приводит к изменению в них водно-физических свойств почвогрунтов, что в той или иной мере также отражается на формировании стока.

Рубками главного пользования осуществляется заготовка древесины и замена спелого или переспелого леса молодым. Количество заготавливаемой древесины при этом в конкретном регионе соответствует объему расчетной лесосеки (объем вырубаемого древостоя). Для определения последнего существует множество подходов, основным принципом которых является поддержание неистощимого лесопользования, что достигается при соответствии между объемами вырубаемого и прирастающего древостоя [171].

В зависимости от организации и технологии выполнения рубок главного пользования они подразделяются на сплошные, постепенные и выборочные. Два последних способа по своим гидрологическим последствиям занимают промежуточное положение между рубками промежуточного пользованиями и сплошными, что является одним из объяснений малого внимания к ним в гидрологической литературе и в данной работе.

Наибольшее распространение в лесоизбыточных районах России, к которым относится территория Европейского Севера, имеют сплошные рубки, предназначенные для заготовки древесины в больших объемах [12, 102]. При этом способе весь древостой удаляется за один прием в течение короткого периода с площади до 200 га, а перемещение лесозаготовительной техники сопровождается преобразованием водно-физических свойств почвогрунтов и нарушением состояния наземного растительного покрова, что приводит к коренным изменениям условий формирования элементов водного баланса. Хотя такие резкие преобразования происходят на ограниченной территории, они могут оказывать существенное влияние на формирование стока с малых водосборов. Площадь ежегодных рубок, проводимых в 90-х годах в регионах ЕСР, и их доля от лесопокрытой части лесного фонда приводится в табл. 1.3. Учитывая продолжительность облесения вырубок и роста древостоя, данная и нижеприведенная информация дает представление о состоянии лесного фонда в исследуемом регионе в настоящее время.

Средняя площадь рубки главного пользования леса в областях и республиках ЕСР за 1986–1990 годы В Карелии максимальное количество древесины было заготовлено в 1967 году (по данным В. И. Саковца). В 60-е годы XX века древесины вырубалось больше, чем предусмотрено расчетной лесосекой, в 70–80-е годы объем лесозаготовок приближался к допустимо возможной величине, а в 90-е годы произошло резкое сокращение объема рубок (табл. 1.4). Такое распределение соотношения между расчетной лесосекой и фактическим объемом вырубаемой древесины характерно для всего региона, и только в Республике Коми расчетная лесосека использовалась не полностью даже в периоды интенсивной эксплуатации лесного фонда [52, 183].

Динамика объема лесозаготовок по главному пользованию Показатели Расчетная млн м Объем лесозаготовок, 12.9 17.4 18.5 15.6 14.3 11.0 10.4 9.3 6.0 6.4 6. млн м Площадь вырубок, 109.4 146.4 136.1 118.2 106.7 81.5 29.9 31.3 33.9 32.3 31. тыс. га В первую очередь лес вырубался в обжитых районах и вдоль транспортных путей: крупных рек и озер, железных и автомобильных дорог. Поэтому в настоящее время на этих участках произрастают молодые леса, которые часто, особенно в более южных районах, представлены лиственными породами.

Лесовосстановление на вырубках и других не покрытых лесом площадях осуществляется как естественным, так и искусственным путем.

Для возможно более полного восстановления леса на всей площади вырубок большое внимание в лесном хозяйстве уделяется искусственному лесовосстановлению (созданию лесных культур).

Хотя нужно отметить, что лесопользование в таежной зоне долгое время считалось неистощимым, поэтому до начала XX века лесопосадки практически не проводились. Резкое возрастание объема лесокультурных работ в таежной зоне ЕСР отмечается в 1966– 1970 годах. О развитии этих работ на всей территории ЕСР можно судить по Карелии (табл. 1.5).

Динамика лесокультурных работ в Карелии, тыс. га [48–51, 75] Естественное возобновление леса на вырубках или пожарищах является составной частью общего поступательного природного процесса и экономически выгоднее по сравнению с искусственным лесовосстановлением. Его интенсивность определяется многими факторами, к основным из которых относятся тип вырубленного леса, состав древостоя и биологические особенности деревьев.

В ряде случаев восстановление леса естественным путем протекает очень медленно, хотя в целом, как отмечается Т. И. Кищенко и И. Ф. Козловым для Карелии [91], идет удовлетворительно.

Только на 11% всей площади вырубок восстановление леса естественным путем не происходит. Однако часто вырубки хвойных пород, особенно это заметно в ельниках, на первых этапах зарастают лиственными породами (березой и осиной), которые на последующих этапах развития заменяются материнским древостоем [75, 113, 162]. Более успешно и быстро восстанавливаются сосновые леса суходольных местоположений в северной и среднетаежной подзонах. По различным исследованиям в условиях Карелии при естественном лесовозобновлении за десятилетний период хвойными породами зарастают от 39 до 45% вырубок [64, 91]. Зарастание вырубок еловых лесов на 85% площади лесосек происходит лиственными породами.

В связи с многофакторностью процесса возможны различные пути развития лесного биогеоценоза после рубки даже одинакового типа леса. Большое влияние на лесовосстановление оказывает технология рубок, определяющая размер вырубки и наличие подроста. На небольших по площади вырубках, а также на больших с сохранившимся подростом, восстановление леса происходит обычно хвойными материнскими породами древостоя.

По И. С. Мелехову, число этапов в формировании постоянного типа леса, соответствующего условиям местопроизрастания, может быть четыре и более [12]. Первым этапом в развитии типа леса является тип вырубки. Второй этап – облесившаяся вырубка с сомкнутым молодняком. При этом породный состав деревьев может соответствовать условиям местопроизрастания и, следовательно, вырубленному материнскому лесу или быть представленным лиственным древостоем. В последнем случае имеют место третьи и четвертые этапы развития леса [12].

Типы вырубок отличаются по видам растений, населяющих их, по интенсивности и направлению преобразования растительного покрова. Эти различия обусловлены расположением в рельефе местности, механическим составом и плодородием почв, их водным и тепловым режимом, микроклиматическими характеристиками. В частности, в северо- и среднетаежной подзонах Мурманской области и Карелии выделяют 14 типов вырубок, на формирование которых не оказывали влияние пожары, и 6 паловых вариантов [162].

Особенностью ЕСР является наличие большой площади заболоченных лесов и болот, где древостой характеризуется низкими темпами роста и низкими запасами древесины. Большая заболоченность территории обусловлена высокой увлажненностью и сравнительно низкой испаряемостью (табл. 1.6). Климатические условия, а также бедность почв и материнских пород Севера карбонатами кальция определяют преобладание здесь низкопродуктивных верховых типов болот, и только в Мурманской области, видимо, вследствие большой расчлененности рельефа и больших уклонов, определяющих высокую проточность, верховые болота занимают менее 10% от площади всех болот (табл. 1.6).

Площадь болот и заболоченных лесов и распределение болот Область, республика Влияние климатического фактора на формирование типов болот и торфа иллюстрируется рис. 1.2, где представлена полученная с использованием данных С. М. Новикова и Л. И. Усовой [141] зависимость доли низинного торфа в регионе от индекса сухости (отношение остаточного члена радиационного баланса к осадкам).

Следствием неблагоприятного для развития сельского и лесного хозяйств водного режима почв на значительной части территории является широкое развитие гидромелиоративных работ. Осушение болот в России для расширения площадей сельхозугодий ведется уже более 200 лет [94]. В конце XIX века в Олонецкой губернии были начаты и гидролесомелиоративные работы [121, 192].

Наибольшее развитие гидротехническая мелиорация получила в бывшем СССР, в том числе и на Европейском Севере, в 60-е годы, и эти работы интенсивно проводились до 1990 года. К концу этого периода площадь переувлажненных земель, осушенных для лесного хозяйства, достигла на Европейской части России более 3.5 млн га [215], около 50% этой величины составила площадь осушенных лесов на ЕСР. Гидротехническая мелиорация проводилась как на минеральных землях, так и в заболоченных лесах и на слабооблесенных и безлесных болотах. В Карелии площадь мелиорируемых болот и заболоченных лесов для лесного хозяйства в году превышала 700 тыс. га, более 40% этой площади занимали болота. Вследствие перевода части земель сельскохозяйственного назначения и лесного фонда в ведение сельских (поселковых) администраций и в категорию земель запаса, а также выделения охранных зон, площадь земель, учитываемая как осушенная, сократилась [40, 50, 90].

Доля низинного торфа, % Рис. 1.2. Зависимость доли низинного торфа в регионе от климатического фактора Следует отметить, что период, в который интенсивно развивались мелиоративные работы в России, характеризуется высокими темпами строительства осушительных систем и в ряде стран Западной Европы. Так, например, в Швеции пик мелиоративных работ приходится на 1984 год. В этот год там было осушено 70 000 га переувлажненных земель [237]. В дальнейшем интенсивность мелиоративных работ снизилась в связи с изменением взглядов на экологическую роль переувлажненных территорий. Однако во многих странах (в США, Польше, Великобритании, Дании, Нидерландах и некоторых др.) осушено к настоящему времени более 60% болот и заболоченных земель [115, 116]. Низкая освоенность переувлажненных земель в регионах ЕСР иллюстрируется табл. 1.7.

Освоенность болот и заболоченных земель в отдельных регионах Страна, регион На первых этапах развития гидролесомелиорации для ускорения сбросов излишков воды и понижения уровня почвенно-грунтовых вод (УПГВ) использовалась регулирующая осушительная сеть с глубиной каналов 1.0–1.5 м и расстоянием между ними 120– 200 м. При таком способе осушения снижение уровня воды наблюдалось только в приканавной полосе и желаемого лесоводственного эффекта не получали. В дальнейшем проводили сгущение сети, доводя в отдельных случаях расстояние между осушителями до 40 м. Эта величина зависит от климатических условий, определяющих водный режим осушаемого объекта, поэтому она является зональной и уменьшается с юга на север. Для Карелии В. М. Медведева рекомендует при глубине каналов 0.6–1.0 м расстояние между ними принимать в зависимости от глубины и вида торфа, механического состава подстилающих грунтов в пределах 30–90 м [121].

Применение такой редкой осушительной сети и сравнительно мелких каналов возможно только при небольших нормах осушения.

По существующим требованиям к началу роста корневой системы (в южной Карелии конец мая) УПГВ не должен быть выше 20– 25 см. На уже мелиорированных лесных участках Карелии средние за вегетационный сезон уровни вод редко опускаются ниже 50 см [121]. При таком положении не приходится ожидать большой величины дополнительного стока после строительства осушительной сети. Этот вывод будет подтвержден приведенными ниже результатами расчетов. Важной особенностью гидролесомелиоративного освоения болот и заболоченных лесов в России является сохранение естественного растительного покрова.

Понижение УПГВ на болотах и заболоченных лесных участках приводит к изменению водно-воздушного режима и водно-физических свойств верхних слоев осушенных почвогрунтов, и создаются условия для повышения их продуктивности.

Эффект гидролесомелиорации зависит от возраста насаждений в год осушения, продолжительности осушения и плодородия почв (тип леса (болота). Чем больше питательных веществ в почве и моложе древостой перед началом осушения, тем значительнее изменяется его прирост по диаметру и в высоту. На бедных почвах верховых болот прирост деревьев менее существенный.

Анализ, выполненный нами по опубликованным данным [10, 121], показывает, что при продолжительности осушения более 10 лет основными факторами, определяющими интенсивность среднегодового прироста сосны, являются тип леса до осушения и возраст древостоя. Продолжительность осушения в этом случае уже не оказывает существенного влияния. Наиболее значительную роль возраст играет в лесах моложе 80 лет (рис. 1.3).

Разброс точек, особенно в той части кривой, которая характеризует реакцию молодняка на осушение, объясняется влиянием на интенсивность прироста древостоя продуктивности (типа) осушаемого болота. При осушении даже в молодом возрасте низкопродуктивных болот увеличения прироста не отмечается (рис. 1.3).

Увеличение лесохозяйственной эффективности может быть достигнуто за счет большего потребления элементов минерального питания и влаги. При совпадении благоприятных условий (возраст и тип леса) дополнительный прирост древесины достигает 10 м3/га в год, однако, в реальных условиях этот показатель составляет 0.7–2 м3/га в год [94]. В Карелии, в среднем по всем типам болот, в результате гидролесомелиорации получен дополнительный прирост древесины в 1 м3/га в год [90]. Для среднетаежной подзоны авторами работы [11] дана оценка изменения лесорастительных условий в результате гидролесомелиорации (табл. 1.8).

Увеличение высоты древостоя Рис. 1.3. Зависимость прироста древостоя в высоту в результате мелиорации (отношение измеренной высоты древостоя после мелиорации к его высоте в естественных условиях) от возраста до осушения сфагновый, таволговый сфагновый, осоково-сфагновый Кустарничково-сфагновый, сфагновый табл. 1.12.

Средний запас и средний годичный прирост древесины на 1 га Самым теплым на территории ЕСР регионом является Вологодская область, она и характеризуется наиболее высокими запасами и приростами древостоя. Для самой холодной Мурманской области эти показатели более чем в 2 раза ниже (см. табл. 1.12). Количественным показателем условий произрастания, определяющих запас и прирост древостоя, является класс бонитета. Поэтому для прогнозных оценок и расчетов влияния колебаний и изменений климата на испарение с леса первоочередной задачей является получение зависимостей класса бонитета от температуры и осадков.

Анализ связи между продуктивностью древостоя и климатическими факторами (атмосферными осадками и суммой активных температур выше 10 °С) для территории Европейской части России для хвойных лесов был выполнен Н. И. Казимировым и др. [154, 155]. В этих работах приводятся аналитические зависимости классов бонитета ели и сосны от указанных климатических факторов.

Для березняков материал был собран нами по многочисленным опубликованным источникам.

Выполненный с помощью множественной линейной регрессии анализ показал, что изменчивость классов бонитета насаждений лесной зоны России на 80–95% определяется изменением суммы температур и почти не зависит от атмосферных осадков. Для зоны высокого увлажнения, к которой можно отнести территорию ЕСР, влияние колебаний осадков на интенсивность роста древостоя должно быть еще меньше. Этот вывод в некоторой степени соответствует результатам дендрологических исследований А. А. Молчанова [129], который заключает, что в условиях Севера ширину годичного кольца лимитирует температура воздуха, а осадки не оказывают влияния на вариацию прироста древесины. Данный вывод относится к Карельскому перешейку, для южной части Карелии выделить роль температуры и осадков А. А. Молчанову не удалось.

Полученный для таежной зоны вывод о преобладающем влиянии на продуктивность древостоя температуры позволил нам рассмотреть зависимости класса бонитета только от одного этого фактора. Нужно отметить, что при выводе эмпирических уравнений использовалось не принятое в лесоводстве обозначение класса бонитета, а уже примененное ранее (раздел 1.4), поэтому функциями искомых уравнений являются показатели класса бонитета (Kl).

Наиболее надежно связи Kl = f(T>10) аппроксимируются логарифмическими уравнениями (рис. 1.5) вида Kl = a + bln(T>10).

Зависимости, полученные нами по данным Н. И. Казимирова и др. [154, 155] для хвойных лесов, являются очень тесными. Коэффициенты корреляции линеаризованных связей для всех рассматриваемых типов леса превышают 0.97. Это обусловлено тем, что в указанных работах приведены осредненные для административных областей по типам леса классы бонитетов. Построенные для березняков связи вида (1.17) по данным, полученным для каждого типа конкретного леса, характеризуются меньшими коэффициентами корреляции. Однако для наиболее распространенной в северных лесах зеленомошной группы типов они колеблются от 0.6 до 0.8.

Наибольшие отклонения эмпирических точек от аппроксимирующих зависимостей вида (1.14) отмечаются при суммах температур, превышающих 2500 (рис. 1.5), т. е. южнее исследуемой территории. Следовательно, данные зависимости вполне пригодны для прогнозирования изменения класса бонитета при повышении или понижении температуры воздуха на территории ЕСР.

Класс бонитета Рис. 1.5. Зависимость производительности сосняков черничного (1), брусничного (2), верескового (3), долгомошного (4), багульникового (5) и сфагнового (6) от суммы температур выше +10 °С Для перехода от среднегодовой температуры воздуха (Tm) к сумме температур выше +10 °С использовалось уравнение Уравнение (1.15) получено по данным метеорологических станций севера и северо-запада Европейской части России [185].

Вариации параметров уравнения (1.14) обусловлены некоторой пространственной изменчивостью факторов, влияющих на тип леса и продуктивность древостоя: рельефа места произрастания, гидрогеологических условий, водно-физических характеристик почвогрунтов и плодородия почв. В табл. 1.13 приведены регрессионные коэффициенты, полученные для наиболее распространенных на ЕСР типов сосняков, ельников и березняков.

Коэффициенты регрессии (a) и (b) уравнения (1.14) Багульниковый -12.54 2. Лишайниковый -10.86 1.80 -12.64 2. Из (1.14) следует, что изменение класса бонитета при изменении температуры воздуха определяется по уравнению:

где T1 >10 и T2 >10 – суммы температур выше +10 °С до и после потепления.

Тесная связь между характеристикой теплообеспеченности и классами бонитета подтверждает сделанный ранее вывод о том, что в пределах лесной зоны изменения интенсивности роста деревьев каждого типа леса зависят в основном от тепловых ресурсов. Используемая нами сумма активных температур выше +10 °С является объективным показателем тепловых условий роста растений [24], поэтому полученные зависимости, по-видимому, могут быть справедливы и для других регионов. Интересно отметить, что для различных пород, произрастающих в Швеции, была получена достаточно тесная зависимость продуктивности древостоя от суммы температур выше 5 °С, которая в работе [240] представлена прямолинейной, что, по-видимому, можно объяснить небольшими изменениями аргумента.

Полученные связи позволяют сделать ряд важных выводов о влиянии тепла на интенсивность роста исследуемых пород древостоя. В большей степени реагируют на колебания температуры почти во всех рассматриваемых типах ельники, а в наименьших пределах при изменении температуры воздуха изменяется продуктивность березняков.

Реакция на температуру воздуха возрастает у всех пород с улучшением лесорастительных условий: наименьший отклик наблюдается в низкопродуктивных багульниковых и сфагновых типах леса, а наибольший – в черничных и брусничных (см. табл. 1.13). Вид зависимости (1.14) показывает, что температурный градиент бонитета в каждом типе леса снижается с увеличением суммы температур и, следовательно, среднегодовой температуры воздуха.

Возможные изменения классов бонитета при изменении температуры воздуха (Т) в северной и средней подзонах тайги Тип леса ° Черничный -1 -0.7 -0.8 -0.6 -0.5 -0.6 -0.4 -0.4 -0.4 -0. Брусничный -1 -0.6 -0.6 -0.6 -0.4 -0.5 -0.4 -0.3 -0.4 -0. Долгомош- -1 -0.6 -0.6 -0.3 -0.4 -0.4 -0.2 -0.3 -0.3 -0. Сфагновый -1 -0.4 -0.4 -0.1 -0.3 -0.3 -0.1 -0.2 -0.2 -0. Примечание. *С учетом доли каждого типа леса данной породы.

Значительное влияние температуры воздуха на ширину годичных колец отмечено и в работе [210]. Однако авторы отмечают, что в отдельных регионах и при определенных климатических условиях (в частности, при уменьшении продолжительности вегетационного периода) влияние температуры воздуха может быть отрицательным.

Для основных пород древостоя, произрастающего в Республике Карелия и Мурманской области по (1.16) с учетом (1.15), были рассчитаны изменения классов бонитета при изменении температуры воздуха (T = –1; T = 1; T = 2) (табл. 1.14). Для настоящего времени средняя годовая температура воздуха в таежной зоне Мурманской области принята равной –0.6 °С, в Карелии в северной подзоне тайги – +1.0 °С и в средней подзоне – +2.4 °С.

В большей степени на изменения температуры воздуха в указанных пределах отреагируют леса северной подзоны тайги Мурманской области. Здесь класс бонитета сосняка черничного и ельника черничного при увеличении среднегодовой температуры воздуха на 2 °С возрастет более чем на единицу (см. табл. 1.14). Следует, однако, отметить, что при снижении температуры изменения продуктивности будут происходить в тех же, или даже больших пределах, но с обратным знаком. Наименьшие преобразования при изменении температуры воздуха, как это выше уже отмечалось, будут наблюдаться в низкопродуктивных лишайниковых и сфагновых лесах всех пород.

2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ

ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫХ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫХ

РАБОТ НА ВОДНЫЙ БАЛАНС ТЕРРИТОРИИ

2.1. Методологические аспекты оценки преобразования водного баланса в результате деятельности человека в лесу С появлением в девственном лесу человека, вооруженного лесозаготовительной техникой, начинается новый этап существования и развития данного биогеоценоза. При этом все происходящие с ним изменения в той или иной степени находят отражение в водном балансе. Самые существенные изменения связаны с рубками главного пользования (сплошными) и гидролесомелиорацией. Заметные преобразования водного баланса происходят иногда и после рубок ухода. Преобразования после сплошных рубок и гидролесомелиорации занимают длинный отрезок времени, который в зависимости от интенсивности протекающих процессов, определяющих условия формирования, динамику и соотношения элементов водного баланса, можно разделить на три периода: период воздействия, переходный и период динамической стабилизации [84]. Каждый из этих периодов характеризуется определенным видом и интенсивностью преобразовательных процессов, а также величиной (и даже направлением) изменения элементов водного баланса. Поэтому учет временной структуры при гидрологическом исследовании антропогенных факторов необходим, что подчеркивал и Н. И. Коронкевич [95].

В течение периода воздействия при рубках главного пользования удаляется практически вся древесная растительность с площади до 200 га. Это ведет к преобразованию теплового баланса лесного участка и резкому снижению испарения, изменению режима влагозапасов почвогрунтов зоны аэрации и грунтовых вод. Сразу же после окончания сплошных рубок суммарное испарение с данного участка сокращается почти на 50% от величины влагопотребления бывшим лесом.

Снижение испарения с вырубки происходит в основном вследствие удаления деревьев, но некоторый вклад в этот процесс вносит и уничтожение растительности наземного покрова в местах передвижения лесозаготовительной техники (места погрузки древесины и технологические коридоры (волоки). Кроме изменения испарения на формирование стока влияет и уплотнение верхних горизонтов почвы, особенно на погрузочных площадках и на волоках.

При проведении рубок ухода удаляется только небольшая часть древостоя (до 30–35% от его запаса [135]). Технологические коридоры, где происходят основные нарушения почв и наземного растительного покрова техникой, занимают около 20% площади лесосек. Необходимо отметить, что рубки ухода являются составной частью эксплуатации лесов. Их проведение не ведет к существенным преобразованиям биогеоценоза и процессов, определяющих его функционирование, хотя, несомненно, лес реагирует на вторжение в его жизнедеятельность. Ухудшение водно-физических свойств почвогрунтов может компенсироваться древостоем, как об этом пишет С. Н. Сенов [172], увеличением массы корней и хвои.

Об изменении продуктивности древостоя в результате рубок ухода однозначного мнения в литературе нет. Наши расчеты, основанные на опубликованных данных о снижении запаса древесины и отсутствии интенсификации ее прироста, свидетельствуют о снижении транспирации древостоем и испарения задержанных кронами осадков и об увеличении испарения с наземного покрова. В целом эвапотранспирация снижается, и ее сокращение при этом зависит от продуктивности древостоя и начального потребления им влаги, а также от количества вырубленных деревьев. В большинстве случаев снижение не превышает 10–15%, и при отсутствии интенсификации прироста биомассы возрастная динамика испарения не меняется, поэтому его пониженное значение в сравнении с незатронутым рубками лесом сохраняется, как показывают расчеты, в течение нескольких лет. Вместе с тем нельзя исключать того, что возможное увеличение массы корней и хвои должно привести к увеличению влагопотребления и компенсировать снижение испарения.

Следует подчеркнуть, что после рубок промежуточного пользования преобразования элементов теплового и водного баланса происходят в ограниченных и сравнительно узких пределах на фоне последовательных изменений этих элементов, обусловленных естественным развитием лесного биогеоценоза. Это, по нашему мнению, делает выделение периодов развития после рубок ухода не всегда целесообразным, так как не способствует уточнению гидрологических оценок последствий данного вида деятельности человека.

При гидролесомелиорации основное воздействие направлено на изменение режима и запасов почвенно-грунтовых вод. В результате строительства осушительной сети понижается УПГВ и меняется водно-воздушный режим в верхних горизонтах осушаемых почвогрунтов, что отражается на состоянии древостоя и в большей степени в первое время – на состоянии наземного растительного покрова. Происходит угнетение гидрофильных видов растений и начинается перестройка видового состава всей наземной растительности [53, 54], что сопровождается снижением испарения. Понижение УПГВ и уплотнение торфа в образовавшейся зоне аэрации сопровождается сбросом так называемых «вековых» запасов вод в осушительную сеть.

Все вышеизложенное показывает, что результирующим эффектом всего происходящего в лесу в период воздействия как при лесохозяйственных (рубки ухода и гидролесомелиорация), так и при лесопромышленных (рубки главного пользования) работах, с гидрологической точки зрения, является, как правило, снижение испарения и увеличение стока. В наименьшей степени испарение изменяется в этот период при гидролесомелиорации.

Продолжительность периода воздействия данных видов хозяйственной деятельности зависит от объективных и субъективных факторов и чаще всего ограничивается несколькими месяцами и не превышает одного года.

Состояние лесных геокомплексов в переходный период, который наступает после воздействия, является наименее устойчивым для конкретных физико-географических условий. В этот период наблюдается интенсификация всех процессов, направленных на возврат данного геокомплекса в старое или переход в новое, отвечающее измененным условиям состояние. Продолжительность этого периода зависит от формы воздействия, окружающей природной среды и вида геокомплекса. Форма воздействия в нашем представлении определяет вероятность возврата геокомплекса к прежнему состоянию [84]. Вероятность его возврата в прежнее состояние связана также с количеством компонентов-реципиентов.

После завершения лесопромышленных работ на вырубке практически не остается элементов хозяйственной деятельности, которые препятствовали бы возврату геокомплекса в прежнее или близкое к нему состояние. Данная форма воздействия определена нами как мягкая [84]. Поскольку основным компонентом-реципиентом является растительность, то о продолжительности переходного периода можно судить по интенсивности лесовосстановления. Зарастание древостоем, близким по составу к существовавшему до рубок, может протекать десятилетия, хотя лесовосстановление на значительной части площадей вырубок завершается уже через 10 лет после удаления древостоя [142]. По данным С. С. Зябченко [64], через 10 лет в среднем по Карелии зарастает 81%, а через 15 лет – 91% вырубок. Эти величины близки к возможному, обусловленному природными условиями уровню естественного лесовосстановления [91].

Интенсивность зарастания вырубок определяет интенсивность изменения элементов водного баланса. Наибольшее увеличение суммарного испарения отмечается в первые 5 лет (рис. 2.1). За этот период относительная величина испарения с вырубки (в сравнении с испарением со спелого леса) в среднем возрастает от 45 до 74%, а с 10-летней вырубки испаряется уже около 90% от величины эвапотранспирации со спелого леса. Представленная на рис. 2.1 зависимость построена по опубликованным данным, полученным в различных климатических условиях в пределах лесной зоны, в том числе и в Карелии. В соответствии с ростом испарения происходит последовательное снижение стока с вырубки.

Вышеизложенное свидетельствует о том, что продолжительность переходного периода при лесопромышленной деятельности можно ограничить 10–15 годами. За эти годы суммарное испарение с вырубки приближается к величине, входящей в интервал ее колебаний, характерных для данных климатических условий.

Доля испарения Рис. 2.1. Зависимость относительной величины испарения (относительно спелого леса) от возраста вырубки При гидролесомелиорации новое состояние геокомплекса закрепляется осушительной сетью каналов и дрен. Основными компонентами-реципиентами при данном виде деятельности, как указано выше, являются грунтовые воды и тесно связанные с ними водовмещающие породы. Происходящие с этими компонентами изменения отражаются на растительном покрове. В переходный период при осушении лесных переувлажненных угодий отмечается уменьшение гидрофильных видов растений и увеличение массы и проективного покрытия видов, присущих суходольным лесам [53, 54, 225]. Происходят изменения, приводящие к увеличению транспирации в древесном ярусе уже в первые годы: отмечается изменение радиационных свойств древесной зелени, увеличивается доля поглощенной солнечной радиации, возрастают интенсивность фотосинтеза и транспирационная активность [93, 121, 153, 180]. В большей степени это проявляется вблизи осушительных каналов. Однако эти выводы в отношении древесного яруса справедливы в полной мере только для молодых деревьев. На естественное снижение интенсивности биологических процессов у старого древостоя улучшение водно-физических свойств почвогрунтов повлиять практически не может. Заметное положительное влияние на прирост древостоя в высоту мелиорация оказывает в том случае, если его возраст, как это показано выше, не больше 80 лет (см. рис. 1.3).

В торфянике на осушаемых болотах и заболоченных лесных участках интенсифицируются микробиологические процессы.

Вследствие усиления минерализации органического вещества происходит накопление зольных элементов в поверхностных горизонтах почвы. Продолжающиеся процессы сработки и уплотнения торфа сопровождаются дополнительным сбросом воды в осушительную сеть. Интенсивность и объем этих преобразований зависят в основном от нормы осушения. Изменение наземной растительности и древостоя происходят медленно и растягиваются во времени, поэтому за окончание второго этапа при гидротехнической мелиорации принимают затухание интенсивных преобразований водно-физических характеристик почвогрунтов, обусловливающих достаточно высокий дополнительный сток с болот. Для северных условий продолжительность этого периода ограничивается 3–5 годами [88, 169].

В этот период при осушении молодого древостоя наиболее вероятно некоторое увеличение суммарного испарения, которое будет компенсироваться дополнительным поступлением воды в осушительную сеть из зоны уплотнения торфа, поэтому заметного изменения стока с осушаемого болота в этом случае наблюдаться не будет. При осушении спелого и перестойного древостоя в этот период можно ожидать увеличения стока.

В целом относительная продолжительность периодов воздействия и переходного невелика. Происходящие в это время изменения, часто на сравнительно небольших территориях, почти не влияют на влагооборот крупных бассейнов. С практической точки зрения наибольший интерес вызывает оценка гидрологической роли деятельности человека в лесу в период динамической стабилизации.

Период динамической стабилизации начинается после облесения вырубки и образования сомкнутого полога (спустя 10–15 лет после рубок) и в эксплуатируемых лесах продолжается до даты начала новых рубок, отделяемых от предыдущих примерно столетним периодом. В лесах с климатическими условиями, близкими к карельским, в большинстве случаев к этому времени создается самый высокий запас фитомассы и отмечается высокий прирост стволовой древесины [69], что определяет формирование наименьшего стока на залесенных водосборах.

Если по каким-то причинам эксплуатируемый ранее лесной участок исключается из лесопользования, то возникший на вырубке лес может в ходе последовательных сукцессий достичь климаксовой стадии развития – своего наиболее устойчивого состояния.

Однако этот процесс развития лесного биогеоценоза может продолжаться несколько столетий [35].

Рост продуктивности молодого и средневозрастного древостоя в результате проведения гидролесомелиорации, начавшийся в переходный период, продолжается в период динамической стабилизации.

По мнению В. М. Медведевой, значительные изменения отмечаются в лесах, осушаемых 50–60 лет [121]. Анализ, выполненный нами, также показал, что достоверную информацию о влиянии гидролесомелиорации на элементы водного баланса можно получить на участках, осушаемых более 10 лет, т. е. в период динамической стабилизации.

Период динамической стабилизации является наиболее продолжительным, поэтому связанные с ним изменения элементов водного баланса представляют наибольший интерес.

Выше было показано, что гидрологическую роль лесов целесообразно оценивать дифференцированно по типам с учетом класса бонитета и возраста. Причем формирование возрастной динамики и структуры производного леса рассматривается только после рубок, хотя принципиальной разницы по подходу к оценке влияния на гидрологические и гидрофизические процессы между всеми катастрофическими для леса факторами (рубки, ветровалы, массовое размножение вредителей, пожары и т. д.) практически нет.

Каждый тип коренного леса конкретного бонитета представляет собой однородный по условиям формирования элементов водного баланса участок. В производных лесах на однородность условий формирования водного баланса оказывает влияние возраст древостоя, поэтому в данном случае в качестве однородного можно рассматривать участок, представленный однотипным, однобонитетным и одновозрастным лесом.

Следует отметить, что с учетом типизации лесов южной подзоны тайги А. А. Книзе и О. И. Крестовский [92] исследовали влияние структуры лесного фонда на водность рек. В работе [86] типизация лесной растительности использовалась при оценке изменения испарения с лесов Восточной Фенноскандии под влиянием изменения климата. На этой же методологической основе оценивалось изменение элементов водного баланса в результате гидролесомелиорации [90]. Однако возможность использования среднемноголетнего значения испарения с леса конкретного возраста (существующего один год) вызывает сомнение, и поэтому ниже приведены дополнительные обоснования.

Испарение с леса можно рассматривать как случайную функцию от времени, так как его изменения во времени происходят под влиянием многих факторов, которые, учитывая природу их происхождения, можно принимать за случайные. К основным из таких факторов относятся колебание погодных условий, изменение интенсивности биологических процессов в зависимости от погоды и возраста деревьев, пространственное распределение различных по возрасту и продуктивности деревьев, пространственное распределение продуктивности почвы и др. Данный вывод не противоречит определению случайной функции, которое, используя обычно применяемые обозначения, можно представить в следующем виде [68]:

где X (t) – случайная функция двух аргументов – времени t и элементарного события ; – пространство элементарных событий, образующих множество; T – множество значений времени t, являющегося аргументом случайной функции X (t); – множество возможных значений случайной функции.

Основными факторами, определяющими пространственную изменчивость испарения коренным лесом в конкретных климатических условиях, как это следует из раздела 1.3, являются условия произрастания и продуктивность древостоя (тип леса и бонитет), для производного леса к таким факторам относится и возраст древостоя.

Для удобства обобщения значений испарения лесной фонд, относящийся к определенному району с однородными климатическими условиями, следует рассматривать как множество, элементами которого являются участки, в частности, коренного леса, одного и того же типа и класса бонитета. Рассчитанное за интервал времени испарение для участка конкретного типа леса и класса бонитета можно представить как реализацию случайной функции.

При оценке влияния хозяйственной деятельности на водные ресурсы интерес представляют среднемноголетние значения элементов водного баланса. Для коренного леса, где временная устойчивость возрастного и породного состава обусловливает устойчивость условий формирования элементов водного баланса, усредненная за ряд лет для каждого типа и класса бонитета величина представляет собой среднее для каждой реализации испарение.

Формирование годовых величин элементов водного баланса на участках конкретного бонитета и типа коренного леса можно рассматривать как стационарные случайные процессы, обладающие эргодическими свойствами [68]. В этом случае средние величины испарения и стока могут быть получены не только по одной реализации (по одному участку леса) за достаточно продолжительный отрезок времени, но и при осреднении по многим расположенным в одинаковых климатических условиях участкам (реализациям) одного и того же типа и класса бонитета.

В производных лесах, большая часть которых эксплуатируется, интенсивность и пределы изменений биометрических характеристик древостоя в период лесовосстановления также являются функцией типа леса и класса бонитета, поэтому реализации элементов водного баланса в однотипных одновозрастных и однобонитетных лесах, расположенных в одинаковых физико-географических условиях, также обладают свойством эргодичности. Поэтому среднемноголетнее значение испарения конкретного возраста может быть определено по различным выборкам (различным участкам). Такое представление придает «легитимность» понятию среднемноголетнего значения элемента водного баланса производного леса конкретного возраста и позволяет определить это значение.

2.2. Методы оценки влияния различных рубок Леса, где ведется заготовка древесины, характеризуются, как отмечалось выше, интенсивным в первые пять лет после рубок и достаточно плавным в последующие годы преобразованием состава и свойств растительного покрова, что обусловливает аналогичную динамику элементов водного баланса. Кроме того, на возрастную динамику элементов водного баланса могут накладываться изменения, вызванные рубками ухода. Однако в силу их мелкомасштабности по доле вырубаемого запаса и по площади проведения (см. табл. 1.3, а в последние годы, в частности в Карелии, площадь, затронутая рубками ухода, составляет менее 0.5% от лесопокрытой площади) эти изменения часто играют незначительную роль в колебаниях водных ресурсов на фоне естественных преобразований стокоформирующих факторов. По-видимому, этим объясняется отсутствие внимания со стороны гидрологов, занимающихся лесной гидрологией и хозяйственной деятельностью в лесу, к рубкам ухода. Немаловажным объяснением такой «невнимательности» гидрологов может служить и сложность сбора необходимой для выполнения таких работ информации для конкретного водосбора.

Для оценки изменения среднемноголетней величины годового стока в результате различных рубок предлагается равенство, основанное на решении составленных для условий до рубок и после их проведения уравнений водного баланса:

где dYi и dEi – изменение стока и испарения i-той лесосеки спустя лет после рубки, мм; Ysl i и Esl i – сток и испарение с i-той вырубки возраста, мм; Yf i и Ef i – сток и испарение с i-той лесосеки до рубки деревьев, мм; dYs i – дополнительный сток, вызванный изменением водно-физических свойств почвогрунтов, спустя лет после рубок.

В уравнении (2.2) имеется в виду, что динамика испарения после рубок характеризует все происходящие в лесу процессы, природного и антропогенного происхождения. При оценивании изменения стока по (2.2) величина осадков принимается одинаковой и равной климатической норме как для покрытого древесной растительностью участка, так и для вырубки. Это допущение оправдывается тем, что, по мнению С. Ф. Федорова [194], увеличение годовой суммы осадков лесом по сравнению с лугом составляет всего 5%. Вместе с тем исследования С. Ф. Федорова [194], а также наши [87] показали, что количество осадков на поляне или на вырубке зависит от размера лишенного древостоя участка. Все это порождает значительные сложности при учете изменения осадков над вырубками в гидрологических расчетах, так как при этом нужно еще учитывать влияние на антропогенную составляющую осадков динамику зарастания вырубки со всем многообразием путей лесовосстановления.

По нашему мнению, такое усложнение расчетов не приведет к повышению точности оценки изменения стока. Кроме того, существует еще один важный аргумент в пользу более простого подхода к оценке. Разница в осадках объясняется усилением турбулентности воздушного потока над лесом за счет повышенной шероховатости залесенной местности. На исследуемой территории, особенно в Карелии и на Кольском полуострове, в большинстве случаев определяющее влияние на шероховатость местности оказывает рельеф.

Поэтому удаление древесной растительности здесь со сравнительно небольшой площади при сплошных рубках может не повлиять на кинематику воздушного потока.

Для всего водосбора, на котором имеются несколько разновозрастных вырубок, а доли площади каждой вырубки равны fi, изменение стока составит При решении целенаправленных задач по исследованию влияния рубок промежуточного пользования на испарение и сток исходное (до рубок) значение испарения определяется для того участка производного леса, где выполняются эти работы, до их выполнения. Таксационные характеристики древостоя после рубок определяются с учетом проведенных работ. Оценка изменения стока может быть получена также по (2.2) и (2.3).

Оценкой влияния рубок главного пользования, проводимых в производных лесах, на испарение и сток является разница между их исходными величинами и величинами, полученными для каждого конкретного возраста в период развития леса после рубок.

Начальные значения элементов водного баланса для леса определяются, как правило, для момента, предшествующего рубкам. Чаще всего данный участок эксплуатируется уже многие годы и даже десятилетия, поэтому формирование состава и структуры древостоя произошло под влиянием деятельности человека. Возраст коренных лесов составляет 300 и более лет [35], следовательно, перестройка достигшего возраста рубки производного леса с соответствующим преобразованием водного баланса при «благоприятных»

условиях будет продолжаться более 200 лет. Поэтому полученная оценка для каждого типа и класса бонитета производного леса будет зависеть не только от возраста восстанавливаемого леса, но и вырубленного. При таких условиях ее нельзя принимать в качестве объективного показателя роли человека в преобразовании водного баланса лесного водосбора. Данная оценка показывает произошедшее изменение относительно гидрологических условий, характерных для спелого производного леса, поэтому ее можно принимать как относительную. Нужно отметить, что основной объем древесины заготовляют в производных лесах, которые занимают большую часть освоенной территории таежной зоны ЕСР, поэтому относительная оценка представляет наибольший интерес при решении различных водохозяйственных задач.

Если заготовка древесины выполняется в коренном лесу, то при оценке влияния этого вида деятельности на испарение и сток рассчитывается разница между их исходными величинами, полученными для конкретного коренного леса (или другого коренного леса того же типа и класса бонитета, что и вырубаемый), и величинами, вычисленными для каждого конкретного возраста в период развития леса после рубок. Такую оценку мы предлагаем называть абсолютной.

Сложность получения такой оценки заключается в том, что для многих типов коренных лесов отсутствуют таксационные описания, позволяющие вычислять входящие в расчетные уравнения параметры. Расчеты, выполненные нами ранее, свидетельствуют о близости значения суммарного испарения с перестойных эксплуатируемых сосняка брусничного и ельника черничного и с коренных лесов соответствующих типов [19]. Такой результат согласуется с возрастным распределением запасов древесины в коренных лесах, где преобладают древостои в возрасте более 200 лет, и, повидимому, близость значений суммарного испарения с перестойных производных и коренных лесов характерна и для остальных типов.

В работах О. И. Крестовского динамика стока с водосборов в период лесовосстановления рассматривается по отношению к среднерайонной величине (норме) [98]. Однако для водосборов, покрытых производными лесами, этот подход является не совсем удобным, так как на таких водосборах норма стока зависит не только от климатических факторов, но и от изменчивости по годам расчетной лесосеки в данном регионе, что определяет преобразование возрастной структуры лесного фонда, а, следовательно, и вариацию стока.

2.3. Методы оценки влияния гидролесомелиорации 2.3.1. Расчет изменения годового стока с болота и речного водосбора из-за гидролесомелиорации Получить количественную оценку изменения стока после гидролесомелиорации можно, основываясь на уравнениях водного баланса до и после выполнения мелиоративных работ.

Величина усредненного за многолетний период годового стока с болота и заболоченного леса в объемных единицах до осушения определяется по уравнению:

где Vb – результирующая величина стока из торфяной залежи, м3;

Fb – площадь осушаемого участка, км2; P – осадки, выпадающие на осушаемый участок, мм; Ytr – поверхностный приток на болото, мм; Uhor – подземный боковой приток на болото, мм; Eb – испарение с исследуемой территории до осушения, мм; Uvb – вертикальный подземный водообмен через дно болота до его осушения, мм.

После проведения мелиоративных работ уравнение водного баланса преобразуется за счет появления дополнительного стока непосредственно с осушаемого участка и с прилегающей территории и изменения остальных элементов. Для этого случая сток с осушаемого болота и его водосбора определяется по следующему уравнению:

Ybp) + 103Fls Yls, где Vd b – сток спустя лет после мелиорации, м ; Ed b и Uvd b – испарение и подземный водообмен спустя лет после проведения мелиоративных работ, мм; Uch – дополнительный приток грунтовых вод в осушительную сеть при ее заглублении в подстилающие торфяник водоносные горизонты после лет осушения, мм; Ybp – величина дополнительного стока непосредственно с осушаемого болота, обусловленная снижением УПГВ, понижением поверхности болота и уплотнением торфяника спустя лет после начала осушения, мм; Yls – слой сработки грунтовых вод на смежной территории при понижении УПГВ на осушаемом участке спустя лет после начала осушения, мм; Fls – площадь смежной с осушаемым участком территории, на которой отмечается снижение уровня грунтовых вод (УГВ).

В уравнениях (2.4) и (2.5) осадки принимаются одинаковыми как для осушаемых, так и неосушенных площадей, допустимость чего подтверждена рядом работ, в том числе и исследованиями О. Г. Сорочан [182]. Для климатических условий исследуемой территории снижение УГВ на прилегающей к болоту местности практически не отражается на величине суммарного испарения, поэтому как поверхностный, так и подземный приток на болото после его осушения можно принимать постоянным. Изменение стока с осушаемого переувлажненного участка в этом случае будет равно:

dV = 103(Fb(Uch – Ed b + Eb – Uvd b + Uvb + Ybp) + FlsYls) = 103(Fb(dE + Uch + + dU + Ybp) + FlsYls), где dV – разница между объемами стока с болота или заболоченного леса после лет мелиорации и до мелиорации, м3; dE и dU – разница между величинами испарения и подземного водообмена до и после лет мелиорации, мм.

Для оценки изменения стока с речных водосборов результаты расчета по (2.6) удобнее представлять в мм слоя, разделив правую часть на площадь водосбора. После соответствующих преобразований получаем уравнение:

dY = fb (dE + Uch + dU + Ybp)+ flsYls, где fb и fls – соответственно доли осушаемого болота и смежной с ним территории, на которой произошло понижение УГВ.

Величины dU и Uch влияют на изменение стока непосредственно с болота и малых с небольшой врезанностью русел рек, на водосборах которых располагается осушаемое болото. Для достаточно крупных рек с замкнутыми водосборами изменение стока рассчитывается по следующему уравнению:

dY = fb (dE + Ybp) + fls Yls.

Наши оценки показали, что в условиях Карелии площади осушаемого для сельскохозяйственных целей болота и зоны его влияния на окружающей территории можно с некоторой долей погрешности принимать равными [89]. О соизмеримости этих площадей в условиях Белоруссии отмечалось в [211]. В. Ф. Шебеко, основываясь на своем огромном опыте, пришла к выводу, что использование метода аналогов дает более надежные результаты, чем существующие расчетные методы [211]. Правда, ее вывод относился к проблеме определения ширины зоны влияния осушаемого болота, но так как этот параметр является основным при определении площади, то данный вывод можно использовать более широко. Следует отметить, что равенство площадей принималось С. М. Новиковым и Ж. С. Гончаровой при составлении прогноза изменений водных ресурсов крупных рек СССР под влиянием осушительных мелиораций [140]. Для условий, когда площади осушаемого болота и зоны влияния равны между собой, уравнения (2.6\) и (2.7) можно представить в следующем виде:

Критическую площадь бассейнов, разделяющую их на малые с незамкнутым водным балансом и на большие, можно установить, анализируя зависимости стока от площади водосбора, так как для малых рек характерно отличие их стока от зонального. По величине минимального стока А. В. Владимиров [31] предлагает относить к малым все реки, модуль минимального стока которых зависит от площади бассейна и возрастает с увеличением последнего. С учетом этого критерия для большей части территории ЕСР к малым А. В. Владимиров относит реки с площадями бассейнов менее 1200–1500 км2 [31]. Очевидно, что особенности взаимосвязей глубоких горизонтов подземных вод с речными влияют на пространственные вариации годового стока рек в меньшей степени, чем минимального. Поэтому величина критической площади бассейнов, выше которой практически не наблюдается увеличение годового стока с ростом дренированности, может быть значительно меньшей. Этот вывод в наибольшей степени относится к зоне достаточного увлажнения. А. М. Владимиров также отмечает, что полное дренирование водоносных горизонтов происходит в диапазоне площадей водосборов от 100 до 200 км2 [31]. Отсутствие влияния глубины врезанности русла на сток с водосборов, превышающих по размеру 200 км2, отмечал для финских рек П. Сеуна [245].

На рис. 2.2 приведена зависимость модуля стока рек Карелии от площади водосбора. На этом графике наибольший разброс точек наблюдается в диапазоне площадей 0–30 км2. Для рек с большей площадью водосборов врезанность русла обеспечивает полный приток грунтовых вод, характерный для данной местности. Благодаря этому сток с их водосборов соответствует климатическому. Кроме того, на крупных водосборах доля стока с площадей, заключенных между подземными (Fun) и поверхностными (Fsur) водосборами, значительно ниже, чем на малых. Это обеспечивает уменьшение пространственной вариации стока таких рек, вызванной частично колебаниями разницы (Fun – Fsur) на малых водосборах. Для Новгородской области, по данным наблюдений на водосборах Валдайского филиала ГГИ, О. И. Крестовским было установлено, что величина площади, с которой наступает стабилизация модуля стока, близка к карельской и равна 50 км2 [100].

Если на основании изложенного принять, что на территории ЕСР при F > 30–50 км2 увеличение глубины русла не вызывает заметного дополнительного грунтового притока и доля стока с возможной площади (Fun – Fsur) при данных геоморфологических и гидрогеологических условиях невелика, то при сооружении осушительной сети на болотах часто можно ожидать увеличения стока в Карелии на реках с F < 30 км2.

Модуль стока, л/скм Рис. 2.2. Зависимость модуля стока рек Карелии от площади водосбора Предложенная выше величина критической площади подтверждается и воднобалансовыми расчетами для бассейнов некоторых рек Карелии. Так, например, расчеты для реки Томицы (F = 30.5 км2, fос = 15%) [5] свидетельствуют об отсутствии заметного влияния на элементы водного баланса дополнительного притока (стока) при наличии значительного притока (более 100 мм в отдельные годы) к осушаемому торфянику «Вилга», лежащему в бассейне этой реки [6]. В то же время, дополнительный годовой приток грунтовых вод к водосборам рек Ревзеноя (F = 16.4 км2) и Алганоя (F = 14.5 км2), включающим осушенные участки Корзинской низины, по нашим расчетам составляет в среднем за многолетний период соответственно 87 и 53 мм.

В заключение необходимо упомянуть об утверждении Д. Л. Соколовского о том, что в зоне достаточного увлажнения только на стоке очень малых рек возможно проявление неполноты врезанности их русел [181].

Таким образом, при оценке изменения годового стока в результате гидротехнической мелиорации по данным наблюдений на малых реках (для ЕСР F < 30–50 км2) статистическими методами или методами активного эксперимента следует иметь в виду, что полученные результаты можно использовать только в схожих физикогеографических условиях и для таких же по размеру рек. Кроме того, нужно учитывать, что даже после окончания переходного периода может продолжаться понижение поверхности торфяника, как это происходит на осушаемом для сельскохозяйственных целей болоте [89], и, следовательно, поступление дополнительного стока. Учет динамики постмелиоративных изменений в стоке в полной мере возможен при использовании формулы (2.6\\) для рек с площадью водосборов менее 30–50 км2 и формулы (2.7\) для рек с площадью водосборов более 30–50 км2.

Малым рекам в силу их многочисленности и уязвимости при антропогенной нагрузке уделяется большое внимание. При этом в настоящее время используют различные подходы к их выделению, что создает сложности при применении информации, полученной в различных регионах [2]. В этой связи наиболее оправданным является подход, указанный выше. Использование степени влияния азональных факторов на сток в качестве критерия выделения малых водосборов предлагается и в работе А. Г. Косицкого [97].

2.3.2. Расчет дополнительного стока с осушаемой Впервые приближенная оценка дополнительного стока, образовавшегося в результате гидротехнической мелиорации с осушаемого торфяника (Ybp) и прилегающей территории (Yls), была выполнена С. М. Новиковым и Ж. С. Гончаровой [140], в основном по данным наблюдений на болотах Белоруссии, осушенных для сельскохозяйственного использования. Эта оценка учитывалась при составлении ими предварительного прогноза возможных изменений стока после проведения гидромелиоративных работ для крупных рек СССР. В последние годы несколько уточненным методом была получена оценка динамики дополнительного стока с освоенного и используемого для выращивания многолетних трав болота Карелии за многолетний период [89].

Величина стока Ybp определяется как сумма водоотдачи из осушаемого слоя при понижении УПГВ (dYz) и количества воды, содержащейся в слое осадки и сработки торфяной залежи (dYdH) [140]:

Слой воды, сбрасываемый из осушаемого слоя почвогрунтов, рассчитывается по разности:

где Ynb – количество влаги почвогрунтов в слое, высота которого равна разности среднегодовых УПГВ до осушения и после, мм;

Yd – количество влаги в том же слое после мелиорации, мм.

Влагозапасы в осушаемом слое до мелиорации соответствуют полной влагоемкости, поэтому для определения Ynb используется уравнение:

где Wfw% – величина полной влагоемкости почвогрунтов в слое осушения в % от объема; Z – разность среднегодовых УПГВ до осушения и после, см.

Изменение влаги по высоте в слое осушения над УПГВ зависит от метеорологических факторов и капиллярных сил. Для данных расчетов распределение влаги в зоне аэрации можно принять равновесным, которое определяется действием только капиллярных сил. При определении среднегодовых значений это соответствует реальным условиям, так как снижение запасов влаги по отношению к равновесному в летний период в верхних горизонтах почвогрунтов компенсируется превышением их в зимний и весенний сезоны, поэтому значение Yd для торфяника можно вычислять по уравнению [88]:

Yd = (Wfw% /0.012)(1 – exp(–0.0012Z).

Для минеральных почвогрунтов значение Yd определяется по следующему уравнению [88]:

где w% – коэффициент водоотдачи, %; Zk – высота капиллярного поднятия, см.

Слой воды, образующий дополнительный сток с болота из слоя осадки и сработки торфа, определяется по уравнению:

где dHp – величина осадки и сработки торфяной залежи, м; W% – влагозапасы в слое осадки и сработки, в % от объема.

Ориентировочно величину dHp принимают равной 10–15% от глубины канала для плотного торфа и 30–40% – для рыхлого торфа [124]. Следует отметить, что существующие методы расчета осадки торфа предназначены для тех случаев, когда осушение выполняется для сельскохозяйственных целей. Для гидролесомелиорации, вследствие особенностей ее проведения, расчеты по существующим уравнениям [124] дают завышенные результаты.

Слой стока при понижении УГВ на смежной с осушаемым болотом территории равен произведению осредненной величины сработки уровня (dZls) на коэффициент водоотдачи (w):

Снижение уровня грунтовых вод на прилегающей территории (dZls) зависит от понижения УГВ в створе ловчего канала или глубины заложения дрен, от рельефа и водно-физических свойств водовмещающих грунтов. Для расчета этой величины на любом расстоянии х от ловчего канала по результатам исследования в Белоруссии предложено много формул. Некоторые из них, не учитывающие гидрогеологические характеристики местности, могут использоваться только в условиях, близких к тем, где они были получены, различия между другими заключаются в степени учета влияния коэффициента уровнепроводности [114]. Наибольшее распространение получила формула, предложенная С. Ф. Аверьяновым [117]:

где erfc(z) – функция параметра z; dZl0 – понижение УГВ в створе ловчего канала, м.

При определении dZlsx для конкретного расстояния от границы осушаемого болота (ловчего канала) дальность действия осушительной системы на смежной территории следует принимать, основываясь на расчетах и эмпирических данных [211]. Осредненная величина ширины зоны влияния составляет 1.2–1.5 км [117], но в благоприятных случаях это расстояние может превышать 3 км [114]. По мнению В. Ф. Шебеко, в зависимости от гидрогеологических условий исследуемой территории и снижения УПГВ на болоте ее следует принимать в пределах от 0.5 до 4.0 км.

Параметр z определяется по формуле:

где a – коэффициент уровнепроводности, м2/сут; x – расстояние от ловчего канала до расчетного места, м; t – продолжительность развития кривой депрессии на прилегающей территории, сут.

При изменении z от 0 до 2 значение функции erfc(z) уменьшается от 1 до 0.0047. Для его определения предложены таблицы [117].

Для приближенной оценки функции erfc(z) можно использовать аппроксимирующее табличные значения выражение:

Коэффициент уровнепроводности вычисляется по известному соотношению:

где kf – коэффициент фильтрации, м/сут; hgwm – средняя по пласту и времени мощность грунтовых вод.

Коэффициент фильтрации можно принимать из обобщенных для различных условий данных. Это значение для разнозернистых моренных песков с включениями гальки, гравия и валунов составляет 10–15 м/сут, в мелкозернистых и среднезернистых песках он изменяется от 0.2 до 6 м/сут, в супесях – от 0.1 до 0.01 м/сут, в суглинках – от 0.004 до 0.1 и в ленточных глинах – от 0.001 до 0.05 [138].

Коэффициент водоотдачи зависит от вида грунтов и их гранулометрического состава. Для приближенных расчетов используются обобщенные для различных грунтов значения, которые изменяются от 0.25–0.35 для крупнозернистых и гравелистых песков до 0.01–0.06 для тяжелых суглинков и глин [33, 124, 125]. В работе [140] значение коэффициента водоотдачи принято равным 0.2, что соответствует песчаным и супесчаным грунтам. При наличии данных наблюдений за стоком в ловчем канале и за уровнем грунтовых вод, дренируемых этим каналом, средний коэффициент водоотдачи может быть определен по формуле:

где Ylc – величина стока воды в ловчем канале, соответствующая суммарному подземному притоку, мм; dZc – понижение УГВ на водосборе, происходящее только за счет стока в дренирующую сеть, мм.

2.3.3. Методы оценки изменения суммарного испарения с болота и заболоченного леса после проведения гидротехнической мелиорации Изменение суммарного испарения под влиянием гидролесомелиорации заболоченного леса или залесенного болота определяется по уравнению:

где dEt, dEi и dEs – разница транспирации древостоем, испарения осадков с полога леса и испарения с наземного покрова до и после лет мелиорации.

Эффективность гидролесомелиорации оценивается изменением интенсивности роста и развития древостоя, а эти определяющие интенсивность испарения с леса процессы зависят в большой степени от возраста леса и продолжительности его осушения. Поскольку рост переувлажненного леса продолжался бы, хотя и с меньшей интенсивностью, и без вмешательства человека, то объективную оценку гидрологической роли мелиорации можно получить только при сравнении величин составных частей суммарного испарения с осушенного и неосушенного леса одинакового возраста. Это необходимо, конечно, только для тех случаев, когда неосушенные заболоченные леса эксплуатировались. При этом таксационные характеристики леса после мелиорации определяются в поле, а для случая, если бы лес оставался в естественном, ненарушенном состоянии, возрастные изменения его таксационных характеристик могут быть установлены по таблицам М. М. Орлова [108] или по региональным таблицам [107]. Следует отметить, что в спелых эксплуатируемых лесах изменения таксационных характеристик в естественном состоянии практически не происходят, поэтому при оценке преобразования испарения в результате осушения определение массы листвы и листового индекса допускается выполнять по наблюдаемым до осушения значениям средней высоты древостоя и запаса стволовой древесины.

Для безлесных или слабооблесенных болот испарение с них до проведения мелиоративных работ при отсутствии наблюдений определяется по методу В. В. Романова, изложенному в [160]. После облесения осушаемых болот испарение можно определять по изложенному в главе 3 методу при наличии таксационных характеристик появившегося древостоя.

Для водосборов, на которых гидролесомелиорация проводилась на различных типах болот и лесов, изменения испарения и стока рассчитываются дифференцированно. Величина изменения, как испарения, так и стока в целом с водосбора определяется с учетом доли каждого типа осушаемых объектов:

где dEi – изменение испарения с i-го болота после осушения, мм;

fi – доля площади i-го болота на водосборе.

3. РАСЧЕТ СУММАРНОГО ИСПАРЕНИЯ С ЛЕСА

При решении различного рода гидрологических задач для залесенной местности наибольшую проблему представляет определение испарения с леса. Это связано с тем, что лес представляет собой сложный объект, включающий различный по породному составу, возрасту и продуктивности древостой, а также различную по видовому составу растительность наземного покрова. Все это многообразие растительного покрова и всевозможные его преобразования, происходящие как естественным путем, так и в результате хозяйственной деятельности, непосредственно отражаются на испарении. Достаточно подробный перечень применяемых в практике в настоящее время в России и за рубежом методов определения испарения с леса приведен в [32, 125, 160]. Их основным недостатком является то, что в большинстве из доведенных до практического использования методов почти не учитывается многообразие лесов, описываемое биометрическими и биофизическими характеристиками. Применение существующих ныне моделей испарения, где при определении транспирации древостоем подробно учитываются его влияющие на водопотребление характеристики [22, 187, 221, 223, 234, 239 и др.], предполагает наличие достаточно большого объема информации о растительном покрове и о метеорологических условиях в лесу. К сожалению, в настоящее время при решении практических задач получение этого материала часто связано с непреодолимыми трудностями.

В нашей стране для определения испарения с леса рекомендуется и до последнего времени широко используется метод, основанный на зависимости относительной величины испарения с леса от радиационного индекса сухости [125, 160]. Однако и в нем из всех особенностей лесов, влияющих на формирование элементов водного баланса, учитывается только породный состав.

Это исключает применение данного метода для гидрологических оценок хозяйственной деятельности в лесу (гидролесомелиорации, рубок ухода и главного пользования), которая приводит к образованию определенного цикла развития леса, характеризуемого изменением видов растительного покрова, возраста древостоя и запасов фитомассы.

При решении задач, связанных с исследованием влияния хозяйственной деятельности на гидрологические процессы в лесу, наиболее целесообразным является дифференцированный подход к рассмотрению испарения различными элементами леса, что позволяет учесть влияние на влагооборот особенностей их развития. В этом случае эвапотранспирация представляется в виде суммы трех слагаемых [92, 98, 194 и др.]:

где Et – транспирация древостоя; Ei – испарение задержанных пологом леса атмосферных осадков; Es – испарение с наземного покрова.

Уравнение (3.1) позволяет учитывать влияние на испарение разнообразия таксационных характеристик древостоя в различных типах леса и возрастные изменения растительного покрова в эксплуатируемых лесах. Все применяемые в настоящее время для определения слагаемых этого уравнения методы в зависимости от временного шага можно разделить на две группы: 1) расчет испарения за сутки и более короткие интервалы времени [187, 223, 234 и др.] и 2) расчет сезонных и годовых величин испарения [90, 92, 98 и др.]. Такое разделение определяет и необходимый объем информационной базы. Удлинение временного шага позволяет обойтись меньшим количеством более доступных материалов, в то время как использование моделей с короткими временными шагами ограничивается в настоящее время возможностями получения необходимой для расчетов информации, что естественно сдерживает применение их для решения практических задач.

3.1.1. Суммарная за теплый период и за год среднемноголетняя Метод коэффициентов транспирационной активности Для расчета среднемноголетней величины транспирации древостоем за вегетационный период и за год используется простая зависимость:

где Ktr – коэффициент транспирационной активности, равный для сосны, ели и березы 19, 8.5 и 35 мм/т соответственно [90, 92].

Наличие зависимости между транспирацией и массой листвы была показана многими исследователями [73, 164, 194, 196]. Тесная связь между относительной величиной потенциальной транспирации за месяц, определенной по методу Пенмана-Монтейса [239], и листовым индексом показана в работе [243]. До практического использования при расчетах суммарного испарения с леса этот подход был доведен О. И. Крестовским [92, 98] при оценке влияния рубок и структуры лесного фонда на водность рек. С уточненными параметрами данный метод использовался при оценке влияния гидролесомелиорации и возможного потепления на элементы водного баланса речных водосборов Карелии и Фенноскандии [86, 90, 231].

В указанных выше работах подчеркивалось установленное эмпирическим путем постоянство коэффициента транспирационной активности Ktr для одних и тех же пород во времени и по территории и его независимость от метеорологических и климатических факторов. Этот факт с физиологической точки зрения подтверждает Л. К. Кайбияйнен [73]. На основании наличия тесной корреляционной связи между площадью активной ксилемы ствола и массой хвои он делает вывод о том, что постоянство проводящей способности единицы площади ксилемы (проводящие ткани растений) обеспечивает постоянство транспирационной способности единицы массы листвы. Колебания удельной транспирации за вегетационный сезон возможны в ограниченных пределах, так как сверху они ограничены естественной проводимостью ксилемы, что сдерживает интенсивность транспирации в самых благоприятных для этого процесса условиях. Свидетельствами наличия нижнего предела объема транспирируемой влаги служат увеличивающийся в засушливые периоды опад хвои в лесах и снижение площади поперечного сечения ксилемы у деревьев тех типов, где хуже условия влагообеспечения [73].

Коэффициент транспирационной активности в (3.2) показывает количество транспирируемой за вегетационный сезон влаги единицей массы листвы, и является усредненным для различных метеорологических условий показателем скорости и объема перемещения влаги от корня к листьям по проводящим тканям растения – ксилеме. Утверждение о постоянстве коэффициента транспирационной активности справедливо только для усредненных за многолетний период метеорологических условий. Полученные Л. К. Кайбияйненом некоторые колебания скорости перемещения влаги по ксилеме и ее объема за вегетационный сезон, а также коэффициента транспирационной активности по конкретным годам в сосняках разных типов объяснялись им влиянием меняющихся метеоусловий [73].

В частности, небольшое снижение скорости потока пасоки и некоторое уменьшение коэффициента транспирационной активности в один из сезонов он объяснял влиянием повышенного количества осадков. Учитывая, что для дождливого сезона характерно меньшее поступление солнечной радиации и пониженное значение дефицита влажности воздуха, такое объяснение можно признать соответствующим существующим представлениям о процессе транспирации и об определяющих его факторах.

Действие регулирующей системы прослеживается с помощью формулы для расчета транспирации древостоя, используемой в [234], которую после подстановки известных физических констант можно представить в виде суммы двух слагаемых:

Et = [0.622raBV /(1005(rs + ra) + 1555ra)]+[0.8LAId /(1005(rs+ra)+1555ra)].

Первое слагаемое (3.3) отражает влияние лучистой энергии солнца, а второе – дефицита влажности воздуха на транспирацию.