книги из ГПНТБ / Холупяк К.Л. Устройство противоэрозионных лесных насаждений

в талом состоянии и поэтому способны поглощать большое коли­ чество воды. При наличии пустот высокая нифильтрационная спо­ собность почв сохраняется даже в условиях промерзания лесной почвы на значительную глубину. Этому способствует также гидро­ статическое давление, возникающее в результате образования стол­ бов воды в пустотах.

Выпирание грунта вокруг древесных стволов и выше поверх­ ностных корней создают в лесу многочисленные бугристые повы­ шения, которые наряду с впадинами способствуют расчленению потоков, изменению их направления,'уменьшению глубины и их скорости, а также образованию на склонах прудков подпорного типа и усилению фильтрации воды. В искусственных насаждениях значительную водорегулирующую роль играют посадочные ямы, борозды, разъемные впадины и другие формы искусственного нано- и микрорельефа. Емкость лесного микрорельефа при уклоне 0,01— 0,02 может достигать слоя 20 см (Н. Ф. Созыкни, 1955).

Особенно высоким водозадерживающим свойством обладает торфообразная масса полуразложившегося нижнего слоя под­ стилки. Часть воды удерживается в виде пленок между слипши­ мися листьями.

Подстилка должна обладать водозадерживающей и водопро­ пускной способностью. Рыхлость и водопроницаемость подстилки повышается, если в ее образовании, кроме лиственных, участвуют хвойные породы.

Для покрытия расхода на фильтрацию в лесу необходимы ливни интенсивностью 1—3 ммімин в течение двух часов. Такие ливни бывают только на юге СССР продолжительностью 5—10 мин (Дл Л. Арманд, 1961). Это значит, что практически нет ливней, которые не поглощались бы лесными почвами.

Многолетние лесные насаждения на обыкновенных черноземах (Каменная Степь) поглощают воду в количестве от 338 до 554 лім2,

в 20 раз больше, чём в поле (Г. Н. Басов, 1954; М. И. Львович, 1950).

Интенсивность впитывания воды в лесу зависит от почвенных условий. Для серых лесных почв слой инфильтрации в 9—10 раз меньше, чем для выщелоченных черноземов и темно-каштановых

На о.блесенных склонах сток не только проникает в подстилку, но и движется внутри ее. Такой внутриподстилочный сток в горных условиях составляет от 9,5 до 33% количества осадков (Н. И. Ро­ щин, 1938). Он способствует растеканию воды без деформации под­ стилки (К. Л. Холупяк, 1949).

В условиях высокой фильтрационной способности насаждения способствуют накапливанию запасов воды за счет полевого стока и постепенно тающего снега в сугробах. Так, уровень воды под на­

саждениями в Каменной Степи в период 1891—1952 гг. повысился на 1,9 м (Г. Ф. Басов, 1954).

Мелиоративные свойства лесных почв зависят от возраста, а также от породного состава и производительности насаждений. Чем выше бонитет леса, тем лучше физические свойства почвы: порозность, влагоемкость, воздухоемкость, фильтрация (Б. Д. Жил­ кин, 1957).

Насаждения, предназначенные для регулирования поверхност­ ного стока, должны иметь густой подлесок, который в 2—4 раза уменьшает его величину (А. М. Бурыкин, 1955).

Влияние лесной среды на потоки проявляется весьма разнооб­ разно. Прежде всего происходит их растекание, расчленение, рас­ пыление, увеличение ширины, уменьшение глубины и скорости, ослабление транспортирующей способности и эродирующей силы. Этому способствуют уменьшение расхода вследствие больших по­ терь на фильтрацию в подстилку, пустоты и почву, а также увели­ чение тормозящей роли шероховатости.

Лесная среда является мощным противоэрозионным фактором. Чтобы преодолеть ее сопротивление, поток должен обладать в 35— 40 раз большей энергией размыва, чем на пашне (В. Н. Лидов, Е. М. Николаевская, Е. Д. Сабо, 1957). Смыв с обнаженной почвы при одинаковой крутизне склонов в 33,1 тыс. раз интенсивнее, а по­ тери воды в 491 раз больше, чем в лесу (X. Беннет, 1958). Это, наряду с уже отмеченными свойствами, ставит лесомелиоративный фонд на первое место по своему стокорегулирующему и почвоза­ щитному значению.

Уменьшение расхода и скорости потока, наличие мелких впа­ дин, а также подпорные явления в лесу создают благоприятные условия для аккумуляции смытой почвы и растительных остатков, поступающих с полей. Основная масса твердого стока, поступаю­ щего с полей, задерживается лесом на протяжении первых 6— 15 м (Ф. Н. Короткевич, 1940; Г. А. Харитонов, 1954; А. М‘. Буры­ кин, 1955).

Кольматирующая способность леса в значительной мере зависит от водопроницаемости лесной почвы. Чем больше потери воды на фильтрацию, тем скорее и больше откладывается ила. Заиление подстилки и многочисленных пустот и понижений приводит к рез­ кому снижению фильтрационной и кольматирующей способности. Следует отметить, что кольматаж смытой почвы не может быть бесконечным. Под влиянием аккумуляции происходит образование' новых элементов микрорельефа, изменяющих условия поступления и распределения стока в лесу.

ЛУГОМЕЛИОРАТИВНЫЙ ФОНД

' К этому фонду относятся участки земли, покрытые естественной луговой растительностью, защищающей почву от эрозии. Такие за­ луженные участки могут иметь форму полос (закрайки вдоль опу­ шек лесных насаждений, границ балок и оврагов, обочины дорог,

П

буферные полосы и т. п.) или участков различной величины и кон­ фигурации (залуженные склоны, берега и дно гидрографической сети).

Травянистая растительность скрепляет корнями почву, увеличи­ вая ее противоэрозионную устойчивость, защищает ее от ударов капель дождя, прикрывает стеблями стенки и дно русла, распыляет ручейки и потоки, уменьшая тем самым скорость их течения, спо­ собствует кольматажу продуктов эрозии, задерживает часть осад­ ков на своей поверхности. Эти и многие другие полезные свойства растительности дают возможность широко использовать ее для за­ щиты почвы от эрозии, восстановления ее плодородия, а также для использования эродированных земель сельским хозяйством. Наи­ более эффективной в почвозащитном отношении является естест­ венная луговая растительность, имеющая равномерную густоту

иобразующая плотную дернину. При хорошем развитии травостоя он представляет собой густую сетку или гребенку, которая задер­ живает частицы почвы. Возникающий подпор также способствует уменьшению скорости и отложения ила.

Кольматаж значительного количества продуктов эрозии задернелой полоской, размещенной перед лесом, во много раз увеличи­ вает его мелиоративную эффективность. Травы задерживают твер­ дый сток главным образом в результате уменьшения скорости стока

имеханического задержания почвенных агрегатов. Фильтрация воды в почву на задернелых, уплотненных склонах играет в этом процессе подчиненную роль. Подпор, создаваемый травами, способ­ ствует также аккумуляции значительного количества смытой почвы выше границы трав.

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ФИТОМЕЛИОФОНД

В комплексе почвозащитных мероприятий на пахотных склонах должна широко использоваться почвозащитная способность самих сельскохозяйственных культур. Зерновые колосовые и крупяные культуры сплошного сева при условии хорошего их развития, спо­ собны ослабить энергию эродирующих потоков и кольматировать смытую почву. Еще большее защитное значение имеют многолет­ ние травы, применяемые в полевых и особенно в почвозащитных севооборотах. Вместе с тем в связи с уплотнением почвы сток с этих агрофонов достигает больших размеров, чем на зяби. Поэтому бо­ лее выгодно, если зябь и пропашные культуры размещены выше колосовых и крупяных сплошного сева. Так, посев ржи полосами шириной 6,5 м через 40 м поперек склона (6—8°) уменьшает смыв почвы, достигающий при ливне (47 мм) 188 м3, в 4 раза (М. Н. За­ славский, 1955).

Подводя итоги краткой характеристики основных мелиоратив­ ных свойств различных видов фитомелиофонда, можно сделать следующие выводы.

Наиболее высокой стокорегулирующей и почвозащитной эффек­ тивности фитомелиофондов (в том числе и лесомелиоративного)

можно достигнуть при условии правильного их размещения на местности (организации территории — О) и комплексного примене­ ния агротехнических (Л), агромелиоративных (£ ),лугомелиоратив­ ных (Г), лесомелиоративных (Л) и гидротехнических (Г) меропри­ ятий. Суммарная эффективность этого комплекса (Э) схематически может быть выражена уравнением

Э = 0 + А + Е + Т + Л + Г.

Чем выше эффективность мероприятий (указанных в начале уравнения), тем меньше нагрузка, а следовательно, и меньше удельный вес последующих звеньев системы.. Правильное определе­ ние защитных параметров каждого из приемов возможно только во взаиморасчетной связи с другими, с учетом зональных и мест­ ных условий, а также их технико-экономических характеристик.

ГРАНИЦЫ ЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОГО ФОНДА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СТОК И ЭРОЗИЮ

Поверхностный сток талых и ливневых вод зависит от величины, интенсивности и продолжительности осадков, характера распреде­ ления' и таяния снега, почвенно-геологических и топографических условий, растительного покрова, агрофона и многих других факто­ ров. Даже краткий перечень зональных и местных условий, от кото­ рых зависит сток с водосборов, указывает на всю сложность его учета в целях регулирования.

Изменчивой структуре стока соответствуют разные скорости те­ чения, расходы воды и другие гидродинамические параметры. На открытых, безрусловых распаханных склонах средняя скорость оте­ кания стока по данным H. Е. Долгова равна 0,2—0,5 м/сек, а ско­ рость руслового добегания— 1,0 м/сек (Д. Л. Соколовский, 1959). Скорость стекания по бороздам в 7 раз выше, чем на ровной по­ верхности, причем энергия стока увеличивается в 50 раз (Д. Л. Арманд, 1955). Данные многолетних наблюдений за сто­ ком с малых водосборов весьма ограниченны (Д. Л. Соколов­ ский, 1959). Они частично получены путем определения максималь­ ных расходов по следам паводков в сухих оврагах, логах и балках (К. П. Воскресенский, 1956).

Для расчета противоэрозионных гидротехнических сооружений в настоящее время используются нормы стока, определенные на основе гидрографов рек, режим которых резко отличается от ма­ лых водосборов (К. П. Воскресенский, 1956). Так как фактических данных по склоновому стоку ещё очень мало, основные элементы для гидрологических расчетов ширины лесных насаждений практи­ чески отсутствуют (Б. А. Аполлов, 1951). Вместе с тем проектиро­ вание стокорегулирующих и противоэрозионных лесов невозможно без конкретного учета влияния рельефа на структуру и направление

Сток обычно имеет весьма сложный путь движения, поэтому для практического решения задач по регулированию поверхност­ ного стока недостаточно исходить только из представления, что ливневые и талые воды движутся от водораздела до гидрографиче­ ского звена по «линиям тока», т. е. перпендикулярно горизонталям. Следует учитывать, что чем мельче масштаб топографической карты, тем проще на ней наметить «линии тока», тем меньше, как правило, они соответствуют действительному направлению стока. Практически действительное направление стока лишь в отдельных случаях совпадает с «линиями тока», которые были положены в основу всех расчетов. Недостаточность такого метода расчета признана самим его автором, который утверждает, что при пере­ хвате рубежами стока ручьи «не станут течь по линии тока, а в ту сторону, куда направлен уклон такой межи или рубежа». Этим он и объясняет образование многочисленных береговых размывов (А. С. Козменко, 1954).

Сброс концентрированного стока с искусственных водосборов на опасные в эрозионном отношении элементы рельефа является одной из основных антропогенных причин интенсивного развития современной эрозии (К- Л. Холупяк, 1962). Вместе с тем в ряде случаев отвод стока рубежом от очага смыва или размыва приво­ дит к их ослаблению или полному прекращению.

Различные виды рубежей, при соответствующем их размещении на склоне, способны не только перераспределять сток в пределах одного естественного водосбора, но также переводить его, через то­ пографический водораздел двух смежных водосборов. В результате перераспределения стока и его кинетической энергии очаги интен­ сивной эрозии часто возникают на таких местах, где при естествен­ ных условиях стока установился профиль равновесия. Аналогичный эффект имеет место при перераспределении снега, которое проис­ ходит по законам аэродинамики (К. Л. Холупяк, 1972).

Таким образом, величина, направление, структура стока на склонах и условия подхода его к стокоударным границам фитомелиофонда зависят от совместного влияния естественных и искусст­ венных форм поверхности.

Эродирующие потоки, поступающие к стокоудариым границам фитомелиофонда, могут быть водосборного, сбросного и смешан­ ного типов питания.

Распыленный сток или потоки воды подходят к границе леса под различным углом. На своем пути они встречают разнообраз­ ные виды прирубежного линейного микрорельефа, а также полосы естественного залужения, лесную опушку и лесную с(зеду. Если вода не может преодолеть эти препятствия, она собирается в по­ токи и движется вдоль границы, что способствует развитию сущест­ вующих и образованию новых форм эрозионного рельефа.

И

КЛАССИФИКАЦИЯ ГРАНИЦ И ОПУШЕК ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ

ПО УСЛОВИЯМ ПОДХОДА К НИМ СТОКА

В зависимости от рельефа и способа размещения на склонах лесных насаждений их границы находятся в различном положении по отношению к прилегающим полевым угодьям и направлению поступающего с них поверхностного стока. Сток может быть на­ правлен под тем или иным углом к границам (рис. 1, а и б), дви­ гаться параллельно им (рис. 1, в) или отходить от них (рис. 1, г

и

Рис. 1. Сток движется к границе леса:

а —под прямым углом; б —под углом меньше 9üe; в — парал­ лельно границе вдоль склона; г н д — от границы леса, вниз склона; е — по горизонтали к водораздельной линии: ж —на­ клон к водораздельной липни

и д). Возможности и условия регулирования стока в каждом из перечисленных случаев различные.

Границы леса, к которым подходят дождевые и талые воды, на­ зываются с т о к о у д а р н ы м и , обозначаются они буквой L. Они могут занимать различные положения па склонах, при которых ве­ личина угла между направлениями горизонталей и границами а может меняться от 0 до 90°. Когда а = 0 , границы размещаются по горизонтали. Такие границы с продольным профилем, не име- -ющим уклона, или если он небольшой и распространяется на незна­ чительном протяжении, названы с т о к о у д а р и о-г о р и з о и т а л ь- н ы м и. Наиболее простым примером такого размещения на по­ перечно-прямом склоне может служить граница АБ (рис. 1, а).

В этих случаях сток с полевого водосбора, имеющего ровную по­ верхность, движется, как это показано стрелками, в направлении наибольших уклонов, перпендикулярно к горизонтали и к границе АБ, т. е. под углом ß=90°.

Границы, размещенные под углом к горизонталям местности, названы с то ко уд а р но-н а к л о н ны м и. К таким границам сток подходит под углом ß<90°. На рис. 1, б приведен пример размеще­ ния границы с отклонением от горизонтали на 45°. В этом случае она занимает среднее (диагональное) положение между возмож­ ными двумя крайними.

В тех случаях, когда граница леса размещена под прямым углом по отношению к направлению горизонталей (ß = 0°), сток с полевых угодий к ней не подходит, а движется параллельно ей. Если величина их уклона t'i равна уклону склона I, то такие гра­ ницы называются п р о д о л ь н ы м и (рис. 1, б).

К границам, совмещенным с водораздельными линиями, сток также не подходит. Наоборот, он направлен в противоположную' от них сторону (рис. 1, г и ô). Отход стока от водораздельной границы происходит под углом у, величина которого зависит от

п о д з а щ и т н ы м и . Степень их защиты от полевого стока и смы­ той почвы зависит от мелиорирующей способности леса. Подзащит­ ные границы, как и стокоударные, бывают горизонтальными (рйс. 1, е) и наклонными (рис. 1, ж). Полевой сток от них отходит так же, как и от водораздельных границ, под углом уц и уг, завися­ щим от величины угла сц. В тех случаях, когда через эти границы сток не поступает с облесенного водосбора, они играют роль ис­ кусственных водоразделов для иижерасположенных склонов. Вместе с тем таяние приопушечных сугробов снега может усилить эрозию на этих склонах.

Если вдоль границ леса размещены опушки, то они обычно имеют большую протяженность и относительно малую ширину. Характер­ ная для опушек линейность и различное положение по отношению к направлению полевого стока дает основание делить их анало­ гично границам на стокоударные, горизонтальные и наклонные, водораздельные и продольные, подзащитные горизонтальные и на­ клонные.

Стокоударные лесные опушки первыми участвуют в приеме по­ левого стока, оказывают большое влияние на отложение снега и продуктов эрозии, на формирование эрозионно-аккумулятивного микрорельефа и на условия прохождения потоков под полог леса. Вместе с границами лесные опушки (особенно кустарниковые) со­ здают сложные рубежи. Они служат буфером между участками пашни и леса, на которых происходят различные, часто противо­ положные по своему характеру, процессы. Воздействуя на эти про­ цессы, они меняют их направленность, интенсивность, а также спо-

подпруживание потоков, что способствует сбросу их в лес. Переме­ щение участков сброса под влиянием различных причин благопри­ ятствует расширению фронта сброса стока в насаждение.

При уменьшении уклона происходит заиление русла, его выполажпванне и боковой перелив стока через наклонные стокосброс­ ные участки границы. Уклон границы уменьшается прямо пропор-

Рис. 2. Основные типы стокосбросных участков:

а — горизонтальные; 6 — наклонные; в — наклонные при одинаковой крутизне; г — доииогоризонтальные; о — донно^поперечные; е — донно-угловые; ж — склоново-угловые; з — наклонные склоново-угловые; и — концевые

аномально уменьшению угла между ее направлением и горизонталями. Это происходит в тех случаях, когда:

, 1. Уменьшаются продольные уклоны поверхности земли (рис. 2, б). Стокоудариая наклонная прямолинейно расположенная граница АБ на участке ДА пересекает вогнутую, более пологую часть склона. В этом месте происходит уменьшение скорости и вее­ рообразный боковой сброс стока под полог насаждения. Так как, стокосброспой участок В имеет продольный уклон, то он относится к типу н а к л о и н ы х.

2.Меняется направление границы (рис. 2, в). В этом случае склон имеет одинаковую крутизну. Уменьшение уклона границы на отрезке ДА происходит в результате такого изменения ее на­ правления, при котором уменьшается угол а. Часть прирубежного потока, движущегося вдоль границы ДА, сбрасывается в лес через наклонный стокосбросной участок В.

3.Меняется направление горизонталей. При прямолинейном размещении наклонных стокоударных границ на склонах сложной формы их уклоны меняются в зависимости от направления горизон­ талей. В тех местах, где уклон границы значительно уменьшается, возникает наклонный стокосбросной участок.

4.Одновременно меняется направление границы и горизонта­ лей. Уменьшение уклонов и образование наклонных стокосброс­ ных участков происходит па склонах как прямой, так и сложной

формы, при совмещении поворотов отдельных участков наклонных стокоударных границ с изменением направления горизонталей.

Чем реже расположены стокосбросные участки и меньше их протяженность, тем больше собирается воды вдоль наклонной гра­ ницы и тем опаснее сброс прирубежных потоков.

В районах со сложным рельефом стокоударные границы естест­ венных и особенно искусственных насаждений часто пересекают дно прогибов, ложбин и логов. Донный поток в этих случаях по­ ступает под полог леса через участок границы, пёресекающеп русло. В гидрологическом отношении он является смоченным пери­ метром русла потока. В зависимости от способа размещения д о н ­

ные стокосбросные участки бывают горизонтальными, попереч­ ными, наклонными и угловыми.

Д о н н о - г о р и з о н т а л ь н ы е с т о к о с б р о с н ы е у ч а с т к и образуются при горизонтальном размещении границы (рис. 2, г). В этом случае сток поступает через участок В лишь с головного во­ досбора /; с боковых частей .водосбора /і и /2 сток поступает под полог лесного насаждения через горизонтальные стокосбросиые участки аА и 6Б.

Д о н н о-п о п е р е ч н ы е с т о к о с б р о с н ы е у ч а с т к и возни- . кают при поперечном способе размещения границы АБ на склоне поперечно-вогнутой формы. Сток собирается к участку В не только с центральной части водосбора /, но и с боковых его участков Д и /г (рис. 2, д). Такие условия стока с искусственного водосбора способствуют усилению эрозии.

До н н о - у г л о в ы е стокосбросные участки образуются при угловом способе размещения границ, способствующему уменьше­ нию ширины В, т. е. потока, поступающего в лес (рис. 2, е). К та­ кому стокосбросному участку сток поступает не только с голойпого искусственного водосбора /, отграниченного снизу наклонными границами А Д и БД, но также со смежных водосборов /і и Д. Пло­ щадь этих «чужих» водосборов может достигать больших раз­ меров.

С к л о н о в о - у г л о в ы е стокосбросные участки могут иметь место на склонах различной формы, а также на водоразделах. На