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

Из уравнений (18) и (19) видно, что средняя ширина рабочего участка 6, а следовательно, его длина а и площадь находятся в за­ висимости от длины стокосбросного участка В. Вместе с тем от В зависит показатель противоэрозионной устроенности К, на вёличину которого М0ЖНО влиять путем соответствующего устройства лесных насаждений и их границ. Эта. зависимость неодинакова для разных типов В и R. Если для донных и донно-угловых рабо­ чих участков 6= 0,5 В, то для склоново-угловых

Это значит, что при донных R длина стокосбросных участков В равна 2b (до 46).

Чем шире фронт поступления и прохождения потока под поло­ гом леса, тем меньше его глубина, скорость и эродирующая энер­ гия. > _

Расчеты, выполненные по известной формуле V = C Y R i (где V — скорость потока, м/сек; С—коэффициент для захламленных русел, равный 1,75; R — гидравлический радиус; і — уклон), показывают,' что увеличение ширины потока от 1 до 20 м и одновременно умень­ шение его глубины с 50 до 2,5 см при і= 1° уменьшает скорость течения воды от 1,3 до 0,12 м/сек, при 10° — от 3,85 до 0,37 м/сек 'и при 30° — от 7,30 до 0,70 м/сек.

В условиях хорошо развитой лесной среды и склонов, защи­ щенных травянистой растительностью, начальная скорость может быть допустима в пределах 0,5—1,0 м/сек и больше. Это значит, что при начальной глубине потока 5 см сброс стока можно допу­ скать на облесенный склон крутизной до 15°.

В связи с тем, что ширина потока в момент поступления его -в лес равна длине стокосбросного участка границы В, его-глубина,

гг усСК

т. е. гидрологическая нагрузка n q = —^ - , также зависит от противоэрозиопного устройства лесного насаждения.

Зависимость длины рабочего участка от его типа и величина уклона

Кроме отмеченных уже факторов, значительное влияние на форму и длину рабочих участков оказывает изменение величины их продольных уклонов. При больших уклонах и скоростях тече­ ния, превышающих критические, рабочие участки имеют форму узкого/русла, и наоборот, значительное уменьшение уклона при­ водит к расчленению потока на многочисленные рукава и расши-

рению рабочего участка. Таким образом, чем больше уклон обле­ сенного склона, тем уже рабочий участок, чем меньше уклон, тем он шире. Изменение местных уклонов вызывает соответствующие изменения в ширине рабочих участков.

Величина уклонов рабочих участков является одним из важ­ ных факторов, от которых зависит их длина. Однако на длину проникновения потока в лес, кроме уклона, влияют расход воды, ширина и глубина потока, характер лесной обстановки и другие условия. Это затрудняет установление количественной зависимо­

до 20%. Это подтверждает наличие между ними прямой зависи­ мости. Если представить эту зависимость графически, разместив по оси у длину, а по х — уклоны, то она выразится уравнением прямой y=ax-ï-b.

На основе аналитических расчетов установлена достоверная тес­ нота связи с коэффициентом корреляции 0,87±0,20. Уравнение ре­

На основе этого уравнения вычислены значения длины донных рабочих участков на каждый градус уклона (табл. 3).

Из данных табл. 3 видно, что даже при водосборах до 5 га длина донных рабочих участков достигает больших величин.

а с увеличением скорости потока происходит деформация лесной подстилки.

Длина рабочих участков, вычисленная для уклонов через Г на основе уравнения у = 6,3л' — 35

Длина рабочего участка зависит от его типа. При площади водо­ сборов до 26 га и уклонах донных рабочих участков от 5 до 20% эта зависимость выражается уравнением регрессии

В табл. 4 приведены данные, вычисленные на основе уравнений (23, 24). Из них видно, что длина рабочих участков при распылен­ ном сбросе примерно в 2 раза меньше, чем при донном, следова­

тельно, и минимальная ширина насаждения может быть также уменьшена на эту величину.

Т а б л и ц а 4

Вычисленная длина рабочих участков в зависимости от типа стокосбросных участков

Мощность потока, а следовательно, и длина рабочего участка зависит не только от уклона, но также и от площади его водо­ сбора.

Достоверная зависимость а от і и F была установлена на основе фактических данных. Коэффициент корреляции этих трех переменных величин г=0,9+0,02, а уравнение регрессии этой ли­ нейной зависимости имеет вид

Это уравнение дает возможность вычислить длину рабочих уча­ стков при b до 20 м, і до 0,25 и К до 10 га.

Отложение смытой почвы на рабочих участках леса

При размещении границ горизонтально или с небольшим от­ клонением значительная часть продуктов эрозии задерживается выше стокоударной границы, а также выше стокосбросного уча­ стка.

Процесс отложения происходит в результате: а) потери ско­ рости потока (подпор, расчленение, расширение и распыление, уменьшение массы воды в связи с фильтрацией, задержанием под­ стилкой, провалом в пустоты, заполнением углублений); б) задер­ жания частиц почвы при процеживании воды сквозь подстилку и травянистый покров; в) задержания растительных остатков опав­ шими ветками, кустарником и стволами деревьев.

Н. Ю. Дахновской, в Придонецких естественных дубравах основ­ ная масса почвы откладывается на 5—10 м ниже стокосбросных участков границ (табл. 5).

Из данных табл. 5 видно, что с ростом крутизны увеличивается не только общая длина рабочих участков (с 20 до 100 м для дон­ ного и с 20 до 70 м для распыленного сброса стока), но также длина участков, где происходит аккумуляция смытой почвы.

Для условий донного сброса в ложбинах прослеживается пря­ мая зависимость длины аккумулирующей части донных рабочих участков от их уклонов. Она может быть выражена, с некоторым приближением, уравнением

1,2 — постоянное эмпирическое число.

Длина проникновения смытой почвы в лес при различных условиях поступления потоков

Для распыленного (горизонтального и наклонного) сброса стока эта зависимость от уклонов длины аккумулирующих рабочих участков в приведенных данных прослеживается не так четко. Например, при увеличении уклона с 10,4 до 32,4% длина участка отложения ила увеличилась только па 1 м. Возможно, это обус­ ловлено более быстрой потерей скорости и большим задержанием его выше границы.

Непостоянство расходов и скоростей потоков, деформация под­ стилки и ее заиление, образование новых элементов микрорельефа,

между длиной аккумулирующих участков и их уклоном. При зна­ чительных скоростях течения воды смытая почва начинает откла­ дываться на разных расстояниях ниже стокосбросного участка. Это значит, что начальная скорость здесь достаточная, чтобы транспортировать все продукты смыва. Дальность переноса почвы зависит также от крупности агрегатов и их устойчивости. Пыле­ ватые частицы переносятся на большие расстояния.

Важной в практическом отношении особенностью широкофроптального распыленного сброса стока в лес является отложение ■смытой почвы в непосредственной близости от стокосбросного участка границы. Это способствует быстрой разгрузке потока от твердого стока, в результате чего сохраняется фильтрационная способность подстилки и почвы на нижерасположенной части ра­ бочих участков.

Следует отметить, что при интенсивном и систематическом от­ ложениях большого количества смытой почвы лесная среда не мо­ жет восстанавливаться и лес теряет свою мелиорирующую способ­ ность. Больше того, аккумулятивные формы микрорельефа часто становятся преградой на пути движения стока в лес, а также при­ чиной вторичной концентрации стока,

Мелиоративные нагрузки рабочих участков

При любых условиях поступления полевого стока и его про­ хождения под пологом леса только рабочие участки леса имеют контакт с потоками воды, которые под влиянием лесной среды расчленяются, растекаются, задерживаются кустарниками, мерт­ вым и живым покровом, просачиваются и впитываются подстил­ кой и почвой. Еще на меньшей площади леса кольматируются продукты эрозии. Следовательно, при всех основных расчетах необходимо учитывать возможность зарегулирования его не всей облесенной поверхностью, а только рабочими участками.

Чтобы поток прекратил свою разрушительную работу, необхо­ димо уменьшить его энергию на единицу площади до такой сте­ пени, чтобы ей могла противостоять лесная среда. Механизм вза­ имодействия эродирующих и противостоящих им сил весьма слож­ ный. Способность потока разрушать мелиорирующую среду, как уже отмечалось, зависит не только от количества стока, цо также от его изменчивой структуры. Под влиянием различных условий кинетическая энергия потока на пути движения может ослабляться или усиливаться даже при постоянном расходе воды (например, при сужении и увеличении глубины русла). В конечном итоге, если мелиорирующая среда леса на какой-то площади в доста­ точной степени уменьшает массу воды и скорость ее движения, разрушающая его способность сводится к безопасному минимуму или полностью ликвидируется. Это приводит к тому, что на рабо­ чем участке леса устанавливается относительное равновесие между мелиорирующей средой и мелиоративной нагрузкой.

Если рабочие участки леса и поступающий на них сток рас­ сматривать не по частям, а в целом, то можно представить себе мелиоративную нагрузку потоков как осредненную величину. Эта величина, при других равных условиях, прямо пропорциональна площади водосбора, питающего поток, и обратно пропорциональна площади рабочего участка (К. Л. Холупяк, 1951)

сива), имеющего ряд рабочих участков, определяется как средняя суммарная величина

I

где /Ис — средняя мелиоративная нагрузка насаждения, м2/м2 или

га (м2)\

SF — суммарная площадь водосборов, м2 или га\ 2R — суммарная площадь рабочих участков, м2.

Например, при EF= 1099 га и ЪК—1,38 га Мс Великоанадольского лесного массива равна 0,08 га/м2, или 800 м2/м2, т. е. весьма высокая.

Мелиоративная гидрологическая нагрузка может быть выра­ жена также через суммарное количество стока:

Qсум

~ R ~ ’

(29)

где Mq— мелиоративная гидрологическая нагрузка, мг/м2; Qсум — количество стока, поступающее с водосбора, иг3;

R — рабочая площадь, иг2.

В этом случае могут быть учтены запасы воды в сугробах снега.

Интенсивность мелиоративной нагрузки Му может быть полу­ чена путем замены суммарного расхода модулем стока (л/сек/га) или расходом в единицу времени соответствующей обеспеченности

Однако, как уже отмечалось, гидрологические способы бпределения мелиоративных нагрузок сопряжены с большими труд­ ностями. Для получения зависимости площади рабочих участков от расходов необходимо провести сложные многолетние стаци­ онарные наблюдения за стоком, а также скоростью фильтрации воды в местах прохождения потоков. Значительный интерес в этом отношении представляют результаты исследований, выполненных Г. Ф. Басовым и И. П. Сухаревым в Каменной Степи на стаци­ онарных стоковых площадках (И. П. Сухарев, 1966). Однако и в этих исследованиях, как и во многих других, не учитывалась площадь лесных насаждений, принимавшая непосредственное уча­ стие в приеме полевого стока и трансформации энергии потоков. Вместе с тем И. П. Сухарев отмечает наличие концентрации стока под влиянием рельефа и неравномерность поступления стока под полог лесного насаждения.

Известно, что. суммарный расход Qcум и расход в единицу вре­ мени Qсек является' функцией площади питания стока (водо­ сбора F). Поэтому М также зависит от F. К- П. Воскресенский (1956, с. 6) отмечает, что «в одном и том же географическом районе различия в стоке с малых водотоков разных размеров могут харак­

теризоваться величиной площади водосбора». Водосбор является одним из основных параметров гидрологических расчетов.

Всестороннее изучение состояния мелиорирующей среды на

личины, интенсивности и структуры стока ливневых и талых вод за период существования лесного насаждения. На основе таких исследований устанавливается также способность того или иного насаждения противостоять разрушительным силам потоков при

различных водосборах и условиях их сброса на облесенные склоны.

Применение предложенной автором методики определения ме­ лиоративных нагрузок дает возможность в короткое время .опредёлить для различных почвенно-климатических условий стокорегу­ лирующую способность искусственных и естественных лесных на­ саждений при различной величине водосборов и уклонов рабочих участков. Полученные таким образом параметры могут быть использованы для расчета при проектировании почвозащитных насаждений.

Независимо от того, какая из вышеприведенных формул—(27), (29) или (30) — будет применена для определения мелиоративной нагрузки, во всех случаях на основе характеристик рабочих участ­ ков можно решать вопрос об их мелиорирующей способности и определить минимальную ширину лесных насаждений. Многолет­ нее взаимодействие потоков со средой, трансформирующей ее' энергию, а также возможность получить необходимое количество вариантов и повторность обеспечивают достаточно высокую досто­ верность расчетных данных. Вполне понятно, что параллельное применение других методов исследований (в том числе стационар­ ных наблюдений в естественных, условиях на водосборах и искус­ ственных площадках с помощью дождевания, сброса искусствен­ ных потоков и т. п.) дало бы возможность более глубоко изучить этот вопрос

Мелиоративная нагрузка, при которой поток теряет свою эро­ дирующую способность под влиянием лесной среды (или другого вида фитомелиофонда), считается допустимой. Определение такой нагрузки дает возможность установить площадь и длину рабочих участков для данных условий, что необходимо для научно обосно­ ванного проектирования стокорегулирующих почвозащитных меро­ приятий.

Зависимость между мелиоративной нагрузкой и уклоном

Выше уже отмечалось наличие прямой зависимости между длиной рабочего участка и его уклоном. Чем больше уклон, тем больше кинетическая энергия потока, тем больший путь он пройдет под пологом леса, пока эта энергия будет погашена под влиянием мелиорирующей среды. Между мелиоративной нагруз­ кой М и уклоном рабочих участков і существует обратная зависи­ мость. Впервые она установлена в 1954 г. (К. Л. Холупяк, А. А. Чер­ нышев, 1956; К. Л. Холупяк, 1961). Для этой цели детально были изучены условия работы 23 рабочих участков ложбинного типа с допустимыми мелиоративными нагрузками — от 12 до 69 м2/м2,

сводосборами от 0,5 до 24,0 га (табл. 6).1

1Представляет интерес зависимость между М и ливнями той или иной обес­ печенности, однако она не отражает влияния весеннего стока.

Допустимые мелиоративные нагрузки при различных условиях сброса и прохождения потоков в лесных насаждениях

Для графического анализа эти данные нанесены на координат­ ную сетку (рис. 19). По оси абсцисс отложены величины уклонов, а по оси ординат — соответствующие им мелиоративные нагрузки. Характер распределения точек и направление прямой подтвер­ ждают наличие обратной связи между М и і.

В результате обработки данных методом математической ста­ тистики установлен коэффициент корреляции между мелиоратив­

также подтверждает высокую тесноту связи и достоверность. Уравнение регрессии этой линейной зависимости имеет следующий вид:

М = 7 3 -2 5 3 і. (31)

На основе уравнения (31) вычислены мелиоративные нагрузки на каждый градус уклона і. Результаты этих вычислений приве­ дены в табл. 7 и на графике (рис. 19).

Из табл. 7 видно, что при увеличении уклона рабочего участка допустимая нагрузка уменьшается на 4—6 м2/м2. На основе таб­ лицы, а также по графику можно определить допустимую на-

грузку для данных условий при любом уклоне. Например, при уклоне 3° tgi'=0,052, М= 60. ~

При водосборах более 10 га и крутизне рабочих участков 14—15° даже естественные многоярусные насаждения с хорошо, развитым подлеском при концент­ рированном донном сбросе полевого стока не могут обеспечить его пол­

эрозии. В этих случаях допусти­ мые нагрузки должны быть незна­ чительные, а ширина насаждений намного превышать длину берегов балок.

Очень часто полевой сток, пре­ жде чем поступить в лес, встречает

’на своем путизадернелую полосу земли, расположенную вдоль опушки. Пройдя через лесное наса­ ждение, поток, при условии его не­ полного зарегулирования, снова вы­