Размещено на http://www.allbest.ru/

Воронежский Государственный Университет

Теоретические и методические основы оценки ресурсов поверхностных вод в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения европейской части России

25.00.27. - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации в виде научного доклада

на соискание ученой степени

доктора географических наук

Мишон Виталий Михайлович

Воронеж 2007

Работа выполнена на кафедре гидрологии суши и природопользования Воронежского государственного университета

Официальные оппоненты:

доктор географических наук Бабкин Владимир Иванович

доктор географических наук Коронкевич Николай Иванович

доктор сельскохозяйственных наук Кумани Михаил Владимирович

Ведущая организация - Институт водных проблем Российской академии наук

Защита состоится 13 ноября 2007 г. в 13-30 часов, ауд. 408, на заседании диссертационного совета ДМ 212.036.02 при Воронежском государственном педагогическом университете по адресу: 394043, Воронеж, ул. Ленина, 86.

Отзывы на автореферат просьба присылать по адресу: 394043, Воронеж, ул. Ленина, д.86, ученому секретарю диссертационного совета В.И. Шмыкову

Автореферат разослан ___ октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.И. Шмыков

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Водные ресурсы в рассматриваемых зонах определяются в основном величиной весеннего поверхностного стока малых рек и временных водотоков, часто называемого местным стоком. Уровень хозяйственного освоения здесь водных ресурсов характеризуется в первую очередь, степенью использования вод местного стока и, во вторую очередь, запасами воды в прудах и водохранилищах (статические водные ресурсы). Поэтому детальное изучение закономерностей формирования и распределения снежных ресурсов и местного стока, разработка методов их расчета и оценки для зон недостаточного неустойчивого увлажнения представляют большой научный и практический интерес. Однако фундаментальные исследования снежных ресурсов и ресурсов местного весеннего стока для важнейшего в хозяйственном отношении крупного индустриально-аграрного региона России, каким является Черноземный центр, отсутствуют.

Предполагаемая диссертация, в виде научного доклада, представляет собой попытку восполнить этот пробел. Работа состоит из трех частей. В ее первой части дана оценка основного стокообразующего фактора - максимального за зиму запаса воды в снежном покрове. Вторая часть диссертации посвящена анализу формирования и методам расчета местного весеннего стока. Третья часть - статическим водным ресурсам - прудам и водохранилищам и регулированию ими местного стока.

Цель и задачи исследования. Основной целью диссертации является разработка теоретических и методических основ количественной оценки распределения снежных ресурсов на основных элементах ландшафта: в поле, лесу, лесных полосах, в овражно-балочной сети; разработка системы поправок к зональной величине местного стока на азональные условия его формирования; разработка нового метода расчета подземного стока в период весеннего половодья; разработка метода расчета коэффициента вариации для малых рек.

В соответствии с основной целью исследования были решались следующие задачи:

1) Разработка метода картирования снегозапасов в районах с развитой овражно-балочной сетью и островной лесной растительностью;

2) Исследование гидрологической роли рельефа местности, в том числе высот местности, экспозиции склонов, уклона, расчлененности территории;

3) Выявление условий формирования и расчёт количественных данных о снежных ресурсах в лесах, в лесных полосах в зависимости от геоморфологических, климатических условий, с учетом мелиоративного взаимодействия полос; снегозапас картирование сток лесной

5) Оценка средних многолетних и вероятностных снежных ресурсов с учетом неравномерности залегания на местности;

6) Разработка метода гидрологического районирования с построением карты гидрологических районов Центрального Черноземья и описанием основных морфометрических, климатических и гидрологических характеристик районов;

8) Разработка метода расчета подземного стока в период весеннего половодья;

9) Разработка методики расчета коэффициента вариации весеннего стока для условий зон недостаточного и неустойчивого увлажнения ;

10) Оценка гидрологической роли овражно-балочной сети;

12) Разработка системы поправок к зональным условиям формирования местного стока на влияние азональных факторов: рельеф, лес, лесные полосы, почвенного покрова, карста и др.;

13) Разработка методики расчета весеннего стока рек и временных водотоков с учётом влияния на сток азональных факторов;

14) Дать оценку статическим водным ресурсам прудов и водохранилищ Центрального Черноземья, показать их вклад в общие ресурсы поверхностных вод и регулирование местного стока;

15) Разработка методики совместного картографирования динамических и статических ресурсов поверхностных вод.

Исходные материалы и методы исследований. В настоящих исследования использованы опубликованные материалы многолетних наблюдений опорной сети гидрометеорологических и водно-балансовых станций, на парных водосборах приводимые по программе МГД, материалы специальных снегомерных съемок в оврагах и балках, лесах и лесных полосах, материалы аэрофотосъемок схода снежного покрова в бассейне одной из средних рек Среднерусской возвышенности, фондовые материалы различных проектных и научно-исследовательских институтов и организаций. Все использованные материалы в полнее надежны и большая часть их опубликована. В работе, опубликованных автором, на них имеются ссылки.

Для оценки снежных ресурсов и ресурсов местного стока использованы методы: балансовый, гидролого-климатический интерполяционный, статистический.

Научная новизна и практическое значение исследований. Разработанные методы и полученные результаты являются новыми. Получены новые знания о распределении снежных ресурсов по основным элементам географического ландшафта. Эти результаты целесообразно использовать в курсах лекций по гидрологии суши и гидрофизике, а также в научной деятельности.

Предлагаемый путь составления карт снегозапасов в районах со значительным расчленением рельефа и островной лесной растительностью может быть успешно использован в оперативной работе гидропрогнозистов.

Предложенные методы, методики и модели могут быть использованы не только для оценки ресурсов поверхностных вод Центрального Черноземья, но и для прилегающих территорий.

Предмет защиты. Предметом защиты и научной новизной являются разработанные автором: 1) метод расчета стока малых рек и временных водотоков, количественно учитывающий влияние азональных факторов на величину зонального стока; 2) метод расчета подземного стока в период весеннего половодья; 3) метод расчета коэффициента вариации весеннего стока для неизученных рек; 4) метод построения карт наибольших за зиму снегозапасов для территорий со значительной густотой овражно-балочной сети и островной лесной растительностью; 5) подход к оценке снегоохранной роли леса и, особенно, лесных полос. 6) методология современного картографирования динамических и статических ресурсов поверхностных вод.

Основные защищаемые положения. На защиту вынесено восемь групп научных положений и результатов исследований:

1. Снежные ресурсы как основной фактор формирования водных ресурсов.

2. Расчет снежных ресурсов в условиях расчлененного рельефа и островной лесной растительности.

3. Основы гидрологического районирования.

4. Подземный сток в период весеннего половодья и метод его расчета.

5. Зональный, азональный и аномальный весенний сток.

6. Учет основных азональных и аномальных факторов при расчете местного стока.

7. Метод расчета коэффициента вариации весеннего стока.

8. Методология совместного картографирования динамических и статических ресурсов поверхностных вод.

Апробация работы.

Полученные результаты исследований и основные положения диссертации докладывались и были предметом обсуждений на Всесоюзных и Всероссийском гидрологических съездах, на съездах Географического общества СССР (секция Гидрологии и Климатологии), на Всесоюзных и Всероссийских конференциях, на Межрегиональных и Региональных конференциях и совещаниях, на Областных научно-практических конференциях и семинарах:

Всесоюзные и Всероссийский гидрологические съезды: IV - г. Ленинград, 1976 г.; V - г. Ленинград. 1988 г.; VI - г. С.-Петербург, 2004 г.

Съезды Географического общества СССР: IV - г. Ленинград, 1975 г.; VII - г. Фрунзе, 1980 г.

Всесоюзные и Всероссийские конференции и совещания: „Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях" (М.. 1987 г.); „Комплексное освоение водохранилищ" (М, 1965 г.); „Гидрологические исследования ландшафтов'" (г. Новосибирск, 1986 г.); „Территориальная организация общества и управления в регионах" (г. Воронеж, 2002 г.); „Современные проблемы исследований водохранилищ" (г. Пермь, 2005 г.); „Современные проблемы водохранилищ и их водосборов" (г. Пермь, 2007 г.).

Межрегиональные и региональные научно-технические и научно- практические конференции: «Антропогенные ландшафты ЦЧО» (г. Воронеж, 1972 г.); „Антропогенные ландшафты Центральных Черноземных областей и прилегающих территорий" (г. Воронеж, 1975 г.); „Экологические основы природопользования в бассейне Дона" (г. Ростов на Дону, 1980 г.); „Территориальная организация общества и управление в регионах" (г. Воронеж, 1990 г.); „Рациональное использование и охрана водных ресурсов Липецкой области" (г. Липецк, 1993 г.); „Экология бассейна Дона" (г. Воронеж. 2005 г.).

Межвузовские конференции: 17 научно-техническая конференция (г. Ровно. 1968 г.); „Территориальная организация народного хозяйства крупного экономического района в условиях новых форм хозяйствования" (г. Воронеж, 1990 г.); „Столетие экспедиции В.В.Докучаева в Каменной степи" (г. Воронеж, 1992 г.).

Областные научно-практические конференции и совещания: „Картирование стока рек и временных водотоков" (г. Воронеж, 1976 г.); „Борьба с эрозией почв в Воронежской области" (г. Воронеж, 1965 г.); „Природные ресурсы Лискинского района Воронежской области и их рациональное использование" (г. Лиски, 1977 г.); „Воронежское водохранилище" (г. Воронеж, 1985 г.); „Природные ресурсы Воронежской области, их воспроизводство, мониторинг и охрана" (г. Воронеж, 1995 г.); „Комплексное изучение, использование и охрана Воронежского водохранилища" (г. Воронеж, 1996 г.).

Межфакультетские семинары Воронежского Государственного Университета по проблеме: „Концепция биогеосферных исследований состояния и динамики природной среды в условиях интенсивного воздействия антропогенных факторов на территории ЦЧР" (г. Воронеж, 2002; 2003 г.г.).

Результаты исследований неоднократно обсуждались на годичных (1967-2007г.г.) конференциях Воронежского Государственного Университета и Воронежского Государственного Аграрного Университета (1976 г.; 1980 г.; 1991 г. и др.).

Основные результаты научных исследований опубликована в 12 монографиях (4 коллективных, 3 - в соавторстве), 5 учебных пособий и 60- ти научных публикации.

Содержание работы

Снежные ресурсы как основной фактор формирования водных ресурсов.

В лесостепной и степной зонах снегозапасы представляют собой главный фактор формирования речного стока. Снежный покров увлажняет почвогрунты и пополняет запасы подземных вод. Эта функция снежного покрова имеет большое значение для развития растительности и подземного питания рек. Воздействуя соответствующим образом на снежный покров, можно добиться улучшения водного и теплового режимов почвы, изменения сроков начала и конца вегетации растений, регулирования сроков начала весенних сельскохозяйственных работ и уменьшения эрозионной способности поверхностных вод. Сток снегового половодья временных водотоков, не имеющих подземного питания, является единственным источником заполнения прудов и малых водохранилищ водой.

Из всех климатических характеристик снежного покрова (высота, даты образования и разрушения, продолжительность таяния и др.) и водно-физических (плотность, теплопроводность, водоудерживающая способность, и т.д.) важнейшим интегральным стокообразующим показателем является максимальные снегозапасы. Определенные для конкретной территории (района, зоны или водосбора реки), они характеризуют снежные ресурсы этой территории.

Роль рельефа в формировании и распределении снежных ресурсов

Анализ многочисленных материалов наблюдений опорной сети гидрометеорологических станций европейской территории России показывает, что на величину снегозапасов при прочих равных условиях (географическое положение, одинаковая лесистость водосборов и др.) существенное влияние оказывает высота местности, а также экспозиция склонов.

О.А. Дроздов, проанализировав материалы наблюдений над осадками 2000 гидрометеорологических станций, пришел к выводу, что на европейской территории СССР на каждые 100 м повышения местности количество осадков в среднем увеличивается на 50 мм. Указания на возрастание снегозапасов с высотой местности содержатся в работах Мишона (1966, 1971, и др.).

Увеличение количества осадков с высотой местности обусловлено адиабатическим изменением состояния атмосферы. Подъем воздуха на ветроударных склонах возвышенностей сопровождается понижением его температуры, конденсацией водяных паров и выпадением обильных осадков, в том числе твердых. Зимой влияние высоты местности на количество осадков резче, чем летом, так как летом воздух менее насыщен водяным паром, облака образуются на большой высоте, где амплитуды колебаний линий токов в значительной степени затухают.

В пределах Европейской равнины даже относительно небольшие возвышенности (100-140 м), как, например, Волыно-Подольская, Среднерусская, Валдайская, Приволжская и др., вызывают некоторое увеличение количества осадков по сравнению с их величиной на окружающей местности. Считается, что на западных и юго-западных склонах холмов и небольших нагорий, обращенных к влагоносным ветрам, осадков выпадает больше, чем на восточных склонах, находящихся в "ветровой тени". Однако это положение справедливо лишь для летних и годовых осадков. Многолетние материалы снегомерных съемок на склонах Среднерусской возвышенности показывают, что на западных склонах при прочих равных условиях снегозапасы меньше, чем на восточных (Мишон, 1966, 1988).

Одна из причин более высоких снегозапасов на восточных склонах Среднерусской возвышенности по сравнению с западными - характер ветровой деятельности в зимний период. Другой причиной, обусловливающей более высокие снегозапасы на ее восточных склонах, является большая продолжительность залегания снежного покрова. Средняя продолжительность залегания снега на восточных склонах этой возвышенности увеличивается от 117 суток в южной, степной части до 129 суток в северной, лесостепной, а на западных склонах - соответственно только от 108 до 121 суток.

Распределение снежных запасов зависит также от орографических условий изучаемой территории, которые характеризуются сочетанием трех крупных орографических форм рельефа - Среднерусской возвышенности, Окско-Донской равнины и западных склонов Приволжской возвышенности. Среднерусская возвышенность на западе и резко отделенная от нее реками Дон и Воронеж Окско-Донская равнины на востоке, ограниченная по периферии западными склонами Приволжской возвышенности, составляют основную особенность рельефа Центра европейской территории России.

Перепад высот на рассматриваемой территории от 90-100 м БС в пределах Окско-Донской равнины до 310 м БС на Среднерусской возвышенности создает значительные азональные отклонения в распределении осадков. Влияние рельефа на твердые осадки проявляется, в частности, ярко выраженной зависимостью максимальных снегозапасов от высоты местности и ее экспозиции. Построенная по данным 48 метеорологических станций зависимость средних многолетних (1944-1984 гг.) наибольших за зиму снегозапасов S_max от высоты местности в пределах Среднерусской возвышенности выражается двумя прямыми, соответствующими различным ее склонам (рис. 1). Одна линейная зависимость объединяет группу точек, характеризующих данные метеостанций центрального плоскоместного района и восточных склонов этой возвышенности (бассейны Сосны, Оскола, Девицы и др.), другая - ее западных склонов (бассейны Оки и Сейма).

Рис. 1 Зависимость средних (1944-1984 гг.) максимальных за зиму снегозапасов от высоты местности на восточных (1) и западных (2) склонах Среднерусской возвышенности

Зависимости вполне удовлетворительно аппроксимируются линейным уравнением вида

S_max = aH - b,

где а - параметр, определяющий значение градиента изменения максимальных снегозапасов по высоте, а = 0,4 мм/м; Н - высота местности, м; b - эмпирический параметр. Для восточных склонов Среднерусской возвышенности b - 24 мм, для западных b = 0.

Рис. 2 Зависимость средних (1950-1980 гг.) максимальных за зиму снегозапасов от высоты местности на полевых водосборах Нижнедевицкой (1) и Болховской (2) воднобалансовых станций и на заселенных водосборах обеих станций (3)

Для указанных станций связь средних (1950-1980 гг.) максимальных за зиму снегозапасов со средней высотой водосборов рек и логов представлена тремя прямыми (рис. 2). Порядок расположения на рисунке зависимостей S_max = f(H) не противоречит сказанному выше о преобладании снегозапасов на восточных склонах возвышенности, так как в данном случае основная роль принадлежит не экспозиции склонов, а широте местности. Болховская станция расположена на 270 км северо-западнее Нижнедевицкой, и зональные снегозапасы на ее территории больше (96 мм), чем на территории Нижнедевицкой станции (80 мм).

В пределах равнин и низменностей со средней высотой менее 150 м, где относительные превышения невелики, вертикальной зональности в распределении снегозапасов нет. Неравномерность залегания здесь вызвана другими азональными факторами. Вопрос о влиянии рельефа на вариацию снегозапасов во времени для равнинных территорий с относительно невысокими возвышенностями не изучен. Материалы многолетних наблюдений на 20 водосборах Нижнедевицкой и Болховской станций показывают, что между коэффициентом вариации максимальных снегозапасов C_vs и высотой местности Н имеется тесная обратная линейная связь, которая четко выражена лишь для районов с высотой местности более 150 м БС. В районах ниже указанного предела вертикальная зональность в распределении максимальных снегозапасов отсутствует.

В соответствии с географическим положением, рельефом местности, экспозицией по отношению к метелевым ветрам и продолжительностью залегания снежного покрова, на территории Центрального Черноземья по условиям снегонакопления можно выделить четыре области (Мишон, 1971). Наиболее благоприятные условия для накопления снега имеются на западных склонах Приволжской возвышенности (водосборы рек Ворона, Хопер). Там наблюдается наибольшая (134-143 суток) продолжительность залегания снега: она на 15-20 суток больше, чем на Среднерусской возвышенности, и на 10-11 суток больше, чем на Окско-Донской низменность. В благоприятных условиях снегонакопления находятся повышенные части бассейна Дона, расположенные в пределах восточных склонов Среднерусской возвышенности (реки Сосна, Тим, Любовша и др.). Менее благоприятны условия снегонакопления на водосборах рек западных склонов Среднерусской возвышенности (реки Ока, Сейм, Свапа и др.). Максимальные снегозапасы здесь при прочих равных условиях на 20-25 мм меньше, чем в бассейнах первой и второй групп. Наконец, наименее благоприятные условия снегонакопления имеют водосборы рек, сток которых формируется только в пределах Окско-Донской низменность (реки Битюг, Икорец, Савала и др.). Максимальные снегозапасы на указанных водосборах на 30-40% меньше, чем на возвышенных частях бассейна Дона.

Снегозапасы на склонах разных экспозиций

На характер распределения снежного покрова оказывают влияние не только рельеф местности и очевидные различия таких угодий, как, например, поле, лес, кустарник, лесные полосы, или изменения высоты растительного покрова (озимь, стерня, залежь и т.д.), но и экспозиция склонов.

Основными физическими причинами, которые обусловливают разницу в снегозапасах на склонах различных экспозиций, являются ветровой перенос снега и зимние оттепели.

Дифференциация снегозапасов в зависимости от экспозиции склонов необходима для решения ряда практических задач, связанных с использованием местного стока для лиманного орошения и накопления воды в прудах, а также для планирования работ по снегозадержанию на снегосдуваемых склонах, вычисления динамики схода снежного покрова с различных типов местности, расчетов поступления талых вод на поверхность водосбора и других целей.

Снегомерные съемки в районах Нижнедевицкой и Болховской воднобалансовых станций показывают, что на распределение снегозапасов полевых склонов различных экспозиций, помимо метеорологических условий зимы существенное влияние оказывают особенности геоморфологического строения и размеры морфологических элементов водосборов, их форма и ориентация по отношению к господствующим ветрам. На основании обобщения материалов многолетних наблюдений на 25 водосборах обеих станций нами получены средние значения коэффициента снегонакопления для различно экспонированных склонов.

На водосборах Нижнедевицкой воднобалансовой станции средний многолетний коэффициент снегонакопления на южных склонах изменяется от 0,72 (лог Малютка) до 1,07 (руч. Ясенок), на северных - от 1,27 (лог Барсук) до 1,66 (лог Малютка). Еще больше разнятся его значения для западных и восточных склонов. Для юго-западных склонов логов Барсук и Татьянин средние значения коэффициента снегонакопления равны 0,98 и 1,82. Столь большое их различие вполне объяснимо, если учесть, что до 80% склонов лога Татьянин - аномально крутые с уклоном 120%о, а склоны лога Барсук- пологие (Мишон, 1971).

Снегозапасы в овражно-балочной сети

В условиях сильно расчлененной местности лесостепной и степной зон ежегодно в гидрографической сети скапливается большое количество снега. Особенно велика роль снега, накопленного в овражно-балочной сети в малоснежные зимы, когда за его счет практически полностью формируется весеннее половодье.

С водораздельных пространств, наветренных склонов холмов и приовражных плато снег сдувается в понижения рельефа - овраги, балки, лощины, русловую сеть, а также в зоны его перехвата - опушки лесов, лесные полосы, изгороди, валы искусственного снегозадержания и т.д. Перенос рыхлого свежевыпавшего снега начинается при скорости ветра над снежной поверхностью 2,4м/с, в исключительных случаях - 1,3м/с. Слежавшийся снег требует для своего отрыва значительно большей скорости ветра - до 5 м/с. Основная масса снега (до 95%) переносится во время поземок на высоте 10-15 см от поверхности земли.

При наличии в бассейнах рек значительных площадей, занятых оврагами и балками, неучет снега, снесенного в них ветром, приводит к большим погрешностям в расчетах и прогнозах весеннего стока. Например, в условиях центральной лесостепи и севера степной зоны неучет снега, снесенного в овраги и балки, приводит к уменьшению фактических снегозапасов до 30% и более (Мишон, 1970, 1971, 1979).

Вследствие множества факторов, воздействующих на снегонакопление в пониженных формах рельефа, расположенные на ограниченной территории с однообразными физико-географическими и климатическими условиями овраги и балки могут накапливать разное количество снега. Так, на величину сноса снега в пониженные формы рельефа, помимо ширины овражно-балочной сети и климатических условий, большое влияние оказывают густота гидрографической сети, определяющая размеры площади снегосбора оврагов и балок, крутизна прилегающих склонов и их форма, облесенность и ориентация оврагов и балок по отношению к направлению господствующих ветров зимой.

Для оценки снегозапасов в овражно-балочной сети и пространственно-временной изменчивости коэффициента снегонакопления нами были использованы материалы многолетних (1952-1984 гг.) сетевых снегосъемок в 90 оврагах и балках Центрального Черноземья и юга Нечерноземной зоны. По морфометрическим и геоморфологическим характеристикам, а также ориентации по отношению к направлению господствующих ветров овраги и балки типичны для данного района. Средняя ширина оврагов - не менее 30-40 м, балок и логов - от 40-50 до 220-230 м. Наблюдениями были охвачены все основные орографические формы рельефа - Среднерусская и Калачская возвышенности, Окско-Донская низменность и западные склоны Приволжской возвышенности.

Рис. 3 Средние значения коэффициента снегонакопления в овражно-балочной сети (1) и лесах (2)

Цифры в кружках - номера гидрологических районов Центрального Черноземья

По результатам указанных снегомерных съемок определены средние многолетние наибольшие за зиму снегозапасы в овражно-балочной сети S_об, коэффициент вариации снегозапасов C_vS, коэффициент снегонакопления Ко6 и коэффициент вариации коэффициента снегонакопления C_vk. Как правило, наибольшие снегозапасы в поле и в овражно-балочной сети скапливаются одновременно.

Пространственно-временной анализ показал, что достаточно четкой зональной закономерности в распределении снегозапасов в овражно-балочной сети S_o6 и коэффициента снегонакопления К_об на территории Центрального Черноземья не наблюдается (рис. 3). Для районов с одинаковым эрозионным расчленением (Окско-Донская равнина - бассейны Цны, Битюга и др.) значения коэффициента снегонакопления в оврагах и балках колеблются от 1,13 до 3,32, для районов с разным расчленением (Среднерусская возвышенность - р. Свапа, Окско-Донская равнина - р. Савала) коэффициент снегонакопления имеет примерно одинаковые значения- 1,90-1,93. Это объясняется влиянием на величину сноса снега многих факторов, в том числе и таких (размер снегосборной площади, ширина оврагов и балок и т.д.), в распределении которых по территории отсутствует зональная закономерность. Вместе с тем, если рассматривать снегозапасы в овражно-балочной сети и значения коэффициента снегонакопления осредненными для достаточно больших площадей (например, для гидрологического района или административной области), в их распределении по территории можно отметить тенденцию увеличения с юго-запада на северо-восток. Так, снегозапасы в оврагах и балках увеличиваются от 83 мм на юго-западе Воронежской области до 181 мм на северо-востоке Тамбовской. Осредненные значения коэффициента снегонакопления овражно-балочной сети по административным областям изменяются следующим образом: Белгородская-1,64; Воронежская- 1,81; Курская - 1,82; Орловская - 1,89; Тамбовская - 2,02; Липецкая - 2,14 (см. рис. 3).

В оврагах и балках Центрального Черноземья к началу весеннего половодья в среднем за многолетний период накапливается 27,2 % всех снегозапасов, или 4,49 км³ талой воды. Наибольшее накопление снега - 33,5 % (0,81 км³) наблюдается в Липецкой области, где оврагами и балками занято 20,4 % площади. Далее по степени снегонакопления следуют Белгородская (32,3 %, или 0,67 км³) и Орловская (30,4%, или 0,76 км3) области, где площади овражно-балочной сети составляют соответственно 24 и 19,4 %. Большое количество снега (24,5 %, или 0,62 км³) аккумулируется в пониженных формах рельефа Курской области (площадь оврагов и балок 16 %). В Тамбовской и Воронежской областях с овражностью 14,4 и 11,9 % соответственно в оврагах и балках накапливается 23,6 и 18,7 % снега, или 0,91 и 0,72 км³ соответственно талой воды.

Между овражностью водосборов и величиной сноса снега в овраги и балки существует достаточно тесная линейная зависимость: на 1 % овражности приходится в среднем около 1,1 мм снегозапасов, накопленных овражно-балочной сетью (Мишон, 1966). Коэффициент снегонакопления для того или иного оврага или балки зависит от снежности зимы, метеорологических условий зимнего периода (частота и продолжительность метелей и поземок), состояния поверхности снежного покрова (ледяная корка, наст и т.д.), а также от частоты, интенсивности и продолжительности зимних оттепелей, во время которых снег на полях стаивает быстрее, чем в овражно-балочной сети. Поэтому при оттепелях, даже при отсутствии переноса снега в пониженные формы рельефа, значения коэффициента снегонакопления возрастают. Поскольку перечисленные факторы изменяются от года к году, изменяются и значения снегозапасов в овражно-балочной сети S_об и коэффициента снегонакопления К_об.

Формирование снегозапасов в лесу и лесных полосах.

Снегозапасы в лесу.

Для анализа условий формирования, расчетов и прогнозов весеннего стока большое значение имеет правильная оценка роли леса в накоплении твердых атмосферных осадков (снега, инея, изморози). В лесостепной и степной зонах залесенность водосборов малых рек и временных водотоков может быть высокой и значительно отличаться от средних зональных значений. Поэтому при расчете максимальных снегозапасов на таких водосборах, особенно с островным характером распространения леса, продуваемого ветром на всю ширину, обязательно должна учитываться их доля в общей площади лесных массивов. Поскольку снегомерные съемки на лесных участках охватывают незначительную часть малых водосборов, представляет интерес определение соотношения запасов воды в снежном покрове в лесу и на окружающей ровной местности и возможность использования данных снегомерных съемок на полевых участках для вычисления снегозапасов в лесу.

Процесс накопления снега в лесу является сложной функцией многих факторов и прежде всего его таксационных характеристик (породного состава лесонасаждений, полноты, ярусности, возраста, сомкнутости лесного полога), а также метеорологических условий периода снегонакопления.

Основные факторы, которые обусловливают разницу в снегозапасах в поле и в лесу, следующие: большее количество выпадающих осадков над лесом, связанное с изменением шероховатости подстилающей поверхности при натекании воздушных масс на лесной массив; различная интенсивность снеготаяния в поле и в лесу во время зимних оттепелей; ветровой перенос снега с поля в лес; разница в испарении с поверхности снега в поле и в лесу; благоприятные условия для конденсации водяных паров в лесу. Перечисленные факторы способствуют увеличению снегозапасов в лесу.

Среди факторов, оказывающих отрицательное влияние на снегонакопление в лесу, назовем лишь один - задерживание снега кронами деревьев с последующим его испарением.

Небольшие перелески и кустарники, продуваемые ветром на всю глубину, аккумулируют перенесенный с полей снег не только на опушках, но и на большей части занимаемой ими площади. Их продуваемости способствует и то, что леса в основном лиственные, с оголенной зимой кроной. Снегозаносимость таких лесов высокая. Лишь в бассейнах Воронежа, Цны, Хопра, Северского Донца и на северо-западе Орловской области имеются относительно крупные лесные массивы, в глубине которых накопление снега происходит только за счет непосредственного выпадения твердых осадков. Эти лесные массивы занимают 60-70% от площади всех лесов.

По данным многолетних наблюдений Нижнедевицкой (1949-- 1982 гг.) воднобалансовой станции средние многолетние снегозапасы к началу весеннего половодья на полевых водосборах изменяются от 57 мм (лог Малютка) до 96 мм (руч. Ясенок), в то время как на всех частично залесенных водосборах- от 106 мм (лог Круглый) до 125 мм (лот Ивкин). Ближе всего к средним были снегозапасы 1953 г., когда на всех полевых водосборах они оказались меньшими, чем на любом из частично залесенных водосборов. В исключительно малоснежные зимы, как, например, в 1969 г., когда запасы воды в снеге составляли лишь 25% нормы, а на отдельных водосборах - еще меньше (лог Малютка - 20%), на полевых водосборах они изменялись от 16 мм (лог Малютка) до 26 мм (лог Барский), а на частично залесенных - от 29 мм (лог Ивкин) до 48 мм (лог Круглый). Самые высокие снегозапасы (лог Ивкин - 300% нормы) зарегистрированы в 1968 г.: на полевых водосборах они изменялись от 171 мм (лог Малютка) до 222 мм (лог Барсук), на частично залесенных - от 204 мм (лог Круглый) до 241 мм (лога Ивкин и Медвежий).

Из приведенных данных следует, что независимо от циклонического или антициклонического типа атмосферной циркуляции снегозапасы на полевых водосборах всегда меньше, чем на частично залесенных. Исключение составляет лишь лог Круглый, где в силу местных особенностей снегозапасы в отдельные годы, в том числе и многоснежном 1968 г., были несколько меньше, чем на полевом логе Барсук.

В целом снегозапасы на безлесных водосборах в мало-, средне- и многоснежные зимы соответственно равны 20, 80 и 197 мм, на частично залесенных- 34, 112 и 228 мм. Разница в снегозапасах частично залесенных и полевых водосборов по мере увеличения снежности зимы возрастает (от 14 мм в малоснежную зиму до 31 мм - в многоснежную). Однако приведенные абсолютные величины снегозапасов еще не говорят о том, что снегонакопительная роль леса в многоснежную зиму проявляется в большей степени, чем в малоснежную.

Для выяснения этого вопроса рассмотрим коэффициент снегонакопления К_л, представляющий собой отношение снегозапасов в лесу к снегозапасам на полевых участках. В среднем для группы залесенных водосборов Нижнедевицкой станции коэффициент Кл для малоснежной зимы равен 1,70, средней по снежности - 1,40, многоснежной - 1,15. Иными словами, в малоснежную зиму снегозапасы на залесенных водосборах в среднем на 70% больше, чем на полевых, в среднюю по снежности зиму- на 40%, в многоснежную - только на 15%. При средней залесенности логов 45% запас воды в снежном покрове на 1% лесистости в малоснежную зиму увеличивается на 1,6%, в среднюю по снежности - на 0,9%, многоснежную - на 0,3%.

Таким образом, снегонакопительная роль леса в наибольшей степени проявляется в малоснежные зимы, в наименьшей степени - в многоснежные.

Данные снегомерных съемок на водосборах воднобалансовых станций и парных водосборах, охватывающие лишь небольшую часть рассматриваемой территории, недостаточны для всесторонней характеристики пространственно-временного распределения снегозапасов в лесу. В связи с этим большой интерес представляют материалы массовых многолетних (1952-1984 гг.) снегомерных съемок в лесу, проведенных по единой стандартной методике на опорной сети гидрометеорологических станций. Для оценки снегозапасов в лесу проанализированы результаты снегосъемок всех 50 гидрометеорологических станций, расположенных в различных физико-географических условиях рассматриваемой территории, которые достаточно полно охватывают характерные для Центрального Черноземья лесные участки (Мишон, Быцань, 1981).

По данным указанных снегосъемок для лесов с различными таксационными характеристиками был определен коэффициент снегонакопления К_я максимальных снегозапасов. Установлено, что наибольшие по сравнению с полем снегозапасы наблюдаются в лиственных взрослых лесах средней густоты. Коэффициент снегонакопления для таких лесов изменяется в пределах 1,30-1,70 при среднем значении 1,50. Для отдельных густых лиственных лесов он достигает 1,90. Задерживающее влияние густого хвойного взрослого леса близко к задерживающему влиянию лиственного молодого леса средней густоты. К_л изменяется от 1,20 до 1,60 при среднем значении соответственно 1,43 и 1,40. Далее по степени снегонакопления идут яблоневые взрослые сады средней густоты, сосновый молодой лес и редкой густоты сад: значения К_л для них соответственно равны 1.37, 1,30 и 1,30. Наименьшим значением коэффициента снегонакопления, равным 1,20, характеризуются смешанные леса редкой и средней густоты.

Анализ фактических данных доказывает, что строгой зональной закономерности в распределении снегозапасов в лесу S_л и в изменении коэффициента снегонакопления К_л в целом на рассматриваемой территории не наблюдается (см. рис. 3). Это вполне естественно, поскольку и снегозапасы, и коэффициент снегонакопления в определенной степени зависят от таксационных характеристик леса, в распределении которых по территории также отсутствует какая-либо закономерность. Если рассматривать снегозапасы в лесу и значения коэффициента снегонакопления осредненными для достаточно больших площадей, можно отметить их увеличение с юго-запада на северо-восток. Так, снегозапасы в лесу возрастают от 81 мм на юго-западе Белгородской области до 127 мм на северо-востоке Тамбовской области.

Из анализа данных снегосъемок следует, что амплитуда колебания коэффициента снегонакопления К_л по территории невелика и за редким исключением не превышает 1,10-2,40. Почти в 75% случаев значения этого коэффициента не выходят за пределы 1,30-2,00, что позволяет использовать при расчете аккумуляции снега в лесу его среднее значение, равное 1,60.

Снегозапасы в лесных полосах

На формирование снежного покрова лесные полосы оказывают более существенное влияние, чем аналогичный по площади и породному составу лесной массив, так как они воздействуют не только на площадь, занимаемую самой полосой, но и на рядом расположенные полевые участки. Являясь наиболее долгодействующим и мощным снегозадерживающим средством, полезащитные насаждения существенно изменяют состояние натекающего на них воздушного потока, создают особые условия для отложения и таяния снега на полях, что в конечном счете, положительно сказывается на плодородии сельскохозяйственных угодий. В настоящее время площадь таких насаждений в Центральном Черноземье уже превысила 400 тыс. гектаров. Под защитой лесных полос находится 14% пашни.

Накопление снега в лесных полосах и на примыкающих к ним полях зависит от конструкции насаждений, их высоты, ширины, длины, направления по отношению к господствующим ветрам, характера и размера снегосборной площади, расстояния между полосами, а также от метеорологических условий зимы: скорости ветра, количества и распределения во времени осадков и других факторов.

По конструкции лесные полосы подразделяют на плотные (непродуваемые), ажурные (продуваемые только внизу) и продуваемые (по всей высоте). Иногда выделяют еще умеренно-ажурные и ажурно-продуваемые. Основанием для отнесения полосы к той или иной группе служит отношение площади сквозных просветов в полосе к площади основного профиля.

Основными параметрами лесных полос являются высота, ширина, длина. От высоты зависит размер ветроумеряющего воздействия, по ней определяют границы облесенных участков и т.д.

Лесные полосы в Каменной степи представлены системами двух посадок - старых (взрослых) и молодых. Система старых посадок расположена в юго-западной части Каменной степи на водосборах Селекцентровской, Хорольской и Безымянной балок. Она состоит из ветроломных, водорегулирующих и прибалочных лесных полос, посаженных в 1893-1903 гг. экспедицией профессора В.В. Докучаева. Основные полосы системы ориентированы в меридиональном направлении, вспомогательные - в широтном. Средняя лесистость этой части составляет около 20%. К системе молодых насаждений условно можно отнести посадки, созданные главным образом в 1950-1965 гг. Ориентация лесополос здесь такая же, как и в старой системе. Облесенность этой части 4%. Система располагается на водосбоpax балок Высокая, Травопольная и Степная. Два первых из них находятся на севере, третий - на юго-западной окраине Каменно-степного оазиса.

Итак, по месту положения (центральное или окраинное), возрасту посадок (старые или молодые) и защищенности (интегрального показателя П₃, зависящего от длины, высоты, площади и конструкции лесополос) водосборы Каменной Степи могут быть разделены на две группы по три водосбора в каждой. Первая группа водосборов (центральных со старыми лесными полосами) имеет среднюю защищенность 135%. Лесные полосы находятся в полном ветроумеряющем взаимодействии. К этой группе можно отнести также водосбор Хорольской балки (П₃ = 71%), так как он расположен в центре системы и с наветренной стороны его окаймляет относительно молодая лесная полоса, благодаря чему защищенность быстро прогрессирует. За последние 20 лет она увеличилась примерно на 25%. Средняя защищенность водосборов второй группы 46%. Лесные полосы здесь не находятся в полном ветроумеряющем взаимодействии, и, следовательно, водосборы относятся к системе со слабым взаимодействием лесных полос.

С увеличением показателя защищенности снегозапасы на водосборе увеличиваются (рис. 4). Происходит это вследствие уменьшения скорости ветра и снижения турбулентного обмена воздуха в приземном слое, что в итоге приводит к сокращению испарения со снежного покрова. Известно, например, что на облесенных полях устраняется возможность зарождения пыльных бурь, сокращается испарение с поверхности почвы и снежного покрова.

В отличие от водосбора в целом в лесных полосах с ростом их защищенности снегозапасы сокращаются. Обращает на себя внимание большое различие (в 2,5-3 раза) в снегозапасах при малой (П₃ = 40-60 %) и большой (П₃ = 160-180 %) защищенности. К моменту, когда высота насаждений в системе слабого взаимодействия достигает 24-27 м, и она превращается в систему полного взаимодействия, снегозапасы в лесных полосах уменьшаются до 120-140 мм, а на водосборе в целом увеличиваются на 5-6 мм.

Четко выраженной связи между шириной лесополос и величиной аккумулированных в них снегозапасов не обнаруживается, так как снегонакопление зависит не столько от ширины и структуры полос, сколько от структуры всей системы и положения отдельных полос в ней. Однако в целом все же прослеживается тенденция уменьшения снегонакопления с ростом ширины лесных полос.



Рис. 4 Зависимость средних многолетних снегозапасов от показателя защищенности водосборов (сплошная линия) и лесных полос (штриховая линия) Каменной Степи. Цифры у точек - номера водосборов

Так, на водосборе Степной балки с полосами шириной 20 м снегозапасы равны 300 мм, на водосборе Травопольной балки при ширине полос 26 м они составляют 220 мм. В среднем в лесных полосах шириной 20-30 м, составляющих слабо взаимодействующую систему, они равны 277 мм, в полосах шириной 37-47 м, входящих в полностью взаимодействующую систему, 114 мм. При этом на водосборах с большей защищенностью и даже с большей средней шириной лесных полос снегозапасы меньше.

Снегоохранная роль леса и лесных полос

Вопрос о сохранении снежных ресурсов лесом и лесными полосами практически не изучен. Между тем их роль в этом процессе довольно значительна. Как уже указывалось, количество снега, накапливающегося в лесу к началу весеннего снеготаяния в 1,5-2 раза превышает снегозапасы в поле. В лесостепной и степной зонах разница в снегозапасах лес - поле составляет в среднем 60 %. Однако рассмотренными выше факторами, обусловливающими различие в снегозапасах сопоставляемых ландшафтных форм, объяснить такую большую разницу в снегозапасах нельзя. Более благоприятные условия конденсации водяных паров в лесу по сравнению с полем дают небольшую добавку к снегозапасам. Невелик и ветровой снос снега в леса. С другой стороны, уменьшение запасов снега в поле после метелей и поземок в ряде случаев значительно превышает его количество, аккумулируемое в результате общего ветрового сноса лесными опушками и пониженными формами рельефа.

Балансовые расчеты показывают, что кроме описанных ранее факторов существует еще какой-то, благодаря которому (только ему одному) снегозапасы в лесу, по крайней мере, на 20-30 % больше, чем в поле. Сказанное наводит на мысль о присущей лесу и лесным полосам еще одной функции - снегоохранной, заключающейся в существенном ветроумерении и, как следствие этого, сокращении по сравнению с полем потерь снега на испарение при метелях и поземках.

Хорошо известно, что испарение с плоской поверхности снежного покрова невелико и за весь зимний сезон в лесостепной и степной зонах не превышает 20-25 мм, или примерно 0,2 мм/сут (Кузьмин, 1960; Мишон, 1979). О малой величине испарения снега при отсутствии метелей и поземок свидетельствуют фактические наблюдения Каменностепной гидрометеорологической обсерватории. Например, ни в один из дней января 1980 г. возгонка снега за дневные часы не превышала 0,2 мм (ночью наблюдалась конденсация водяных паров), в феврале - 0,12 мм, и только в начале марта она достигла 0,28 мм. По иному протекает процесс испарения, когда снег раздроблен, диспергирован в атмосфере или разделен на отдельные снежинки, окруженные воздушной средой. В этом случае испарение идет интенсивно, так как мелкие ледяные кристаллы испаряются очень быстро.

Ускоренное испарение поднятого и перемещаемого метелью и поземками снега происходит по двум причинам. Во-первых, поверхность летящей частицы открыта со всех сторон, тогда как поверхность снежинки, лежащей на снежном покрове, только с одной. Во-вторых, летящие снежинки перемещаются относительно воздушной среды за счет пульсации скорости ветра и относительного движения частиц в воздушном потоке. Обдувание снежинки ветром ускоряет их испарение. Метельный поток создает благоприятные условия для диспергирования твердой фазы. Турбулентный массообмен приводит к непрерывному удалению с поверхности летящей снежинки насыщенных паров с заменой их более сухим воздухом. При метелях съем пара с поверхности снега с учетом летящих снежинок оказывается на 1 - 2 порядка больше, чем при безветрии.

При метелевом переносе снега значительная его часть испаряется. Поскольку скорость ветра, частота и сила метелей в лесу и на полях, обрамленных лесными полосами, меньше, чем в открытом поле, потери снега на испарение в лесу также меньше, чем в поле.

Сокращение метелевого испарения лесом и лесными полосами происходит не только в результате их ветроумерения и снижения ими турбулентности воздушного потока, но и за счет уменьшения испарения при ограничении дальности перемещения снежинок. В Докучаевском оазисе Каменной Степи дальность переноса снежинок не превышает 630 м (размеры межполюсных клеток 450 х 630 м²), что почти в три раза меньше предельной дальности переноса снега, при достижении которой снежинка полностью испаряется. Близкие результаты имеем и для других систем лесополос.

Расчет снежных ресурсов в условиях расчлененного рельефа и островной лесной растительности.

Методика составления карт снегозапасов

Известно, что в районах с значительным эрозионным расчленением рельефа и островной лесной растительностью, в частности в лесостепной и степной зонах, ни один из существующих способов снегомерных работ на сети гидрометеорологических станций, взятый в отдельности, не обеспечивает достаточной точности определения снегозапасов, особенно на водосборах малых рек и временных водотоков (Комаров, 1955; Мишон, 1966; Паршин, 1953),

С развитием и совершенствованием снегомерных работ совершенствовалась и методика построения карт снегозапасов. Не вдаваясь в подробный анализ путей повышения точности снегомерных работ, отметим, что в настоящее время мы располагаем массовыми многолетними (с 1943 по 1965г.) материалами снегомерных съемок на полевых участках но треугольнику и многолетними (с 1963 по 1984 г.) материалами ландшафтно-маршрутных снегосъемок [Нежиховский, 1957]. К тому же на опорной сети гидрометеорологических станций накоплен обширный материал снегомерных съемок в овражно-балочной сети и под пологом леса, позволяющий в сочетании с указанным снегосъемками в поле разработать более усовершенствованную методику составления карт снегозапасов.

Применяемые на практике карты снегозапасов в зависимости от принципов, лежащих в основе их построения, и характера использованных материалов наблюдений за снежным покровом можно разделить на четыре типа.

Карты, основанные на результатах снегомерных съемок на полевых участках, в оврагах, балках, под пологом леса и учете площади овражно-балочной сети и леса. К ним относится «Карта максимальных запасов воды в снежном покрове центральных черноземных областей» В. М. Мишона (1960, 1976).

Общий запас воды в снеге на водосборе или в районе гидрометеорологической станции

где n - число характерных участков; S_i - запас воды в снежном покрове на различных элементах ландшафта и угодий (в поле, лесу, лесных полосах, оврагах, балках и т. д.); f_i - вес каждого угодья по отношению к общей площади водосбора или района станции, выраженный в долях единицы. Имея в виду, что f_i = 1 - (f₂+f₃+…+f_n), преобразуем уравнение, в результате чего получим:

S = S1 [1+f₂ () + f₃ () + … +f_n ()]

Обозначим отношение снегозапасов в оврагах и балках к снегозацасам в поле S₂/S₁ через К_0б, отношение снегозапасов в лесу к снегозанасам в поле S₃/S₁ - через Кл, отношение снегозапасов в лесных полосах к снегозапасам в поле S₄/S₁ - через К_лп и т. д. Тогда уравнение примет следующий вид:

...