Кульчицька-Жигайло Наталія Ігорівна (Національний лісотехнічний університет України )
ВПЛИВ ЛІСІВ НА ФОРМУВАННЯ МАКСИМАЛЬНОГО СТОКУ ДОЩОВИХ ПАВОДКІВ З МАЛИХ ГІРСЬКИХ ВОДОЗБОРІВ
Науковий напрям: Науки про Землю
Ключові слова: гірські ліси, регулюваня стоку, паводки.
Гірські ліси є потужним гідрологічним чинником. Лісова гідрологія вивчає вплив лісу на вологообіг зайнятих лісом територій та формуваня стоку з водозборів різної лісистості [1, 2, 3, 4, 10, 12], у міжнародній організації лісівників IUFRO функціонують секції 8.01.09 «Гідрологічні процеси та стихійні лиха» та 8.03.03 «Господарювання на водозборах та планування землекористування». Проте і на сьогодні кількісна оцінка стокорегулюючих можливостей лісів залишається актуальною проблемою [3, 5, 9, 12]. Катастрофічні повені на річках Українських Карпат у 1998, 2002 і, особливо, 2008 роках вкотре привернули увагу науковців і громадськості до здатності лісових екосистем зменшувати масштаби цих стихійних лих чи запобігати їм.
Одним з методів аналізу стокорегулюючої функції лісів є порівняння стоку води з водозборів різної лісистості під час висоководних фаз водного режиму. Для цього обладнують водомірними пристроями створи двох (або більше) водозборів, один з яких повністю заліснений, а другий – безлісний чи малолісний [4, 9]. Цей метод, на відміну від методу активного експерименту [5, 7], не виключає похибок, спричинених неоднаковістю морфометричних та грунтових характеристик водозборів, проте при недалекому їх розташуванні в межах однорідних ландшафтів ці похибки є мінімальними [4].
Перші такі дослідження у 1903 році були організовані в Ементалі (Швейцарія) професором А. Енглером [11]. Вивчався стік води з водозборів Шпербельграбен (залісений) і Раппенграбен (малолісистий). З 1961 року спостереження відновлені і продовжуються. В Україні подібні роботи проводились з 1961 по 1985 роки на дослідних водозборах Йойковець і Глибокий яр Закарпатської водно-балансової станції (ЗВБС).
Метою роботи було на основі доступних первинних матеріалів спостережень проаналізувати стік дощових паводків з водозборів різної лісистості та оцінити стокорегулюючий вплив лісу.
Для оцінки формування окремих дощових паводків з залісених та безлісних водозборів необхідні дані про величину дощів (мм) на водозборах та витрату води Q (м3/с) в створі через короткі відтинки часу (години й хвилини). В роботі використано матеріали унікальних багаторічних спостережень ЗВБС, які до цього часу не аналізувалися в такому ракурсі - в монографії І. С.Шпака [8] на основі даних до 1966 року оцінювався вплив лісу на водний баланс. Крім того, для аналізу задіяні сучасні дані про стік з швейцарських водозборів Шпербельграбен та Раппенграбен, які можна отримати в режимі on line на сайті www. hydrodaten. admin. ch. Характеристики водозборів приведені в табл. 1.
На основі матеріалів гідрологічних щорічників ЗВБС в Microsoft Excel створювалась база даних про хід дощів, що сформували паводки різної величини у 1969, 1972, 1973, 1976, 1982 роках та про хід стоку в цей період, проаналізовано по 17 паводків, одночасно сформованих на обидвох водозборах. Окрім того, база даних поповнюється нами впродовж 16 місяців матеріалами з Інтернету про стік із згаданих вище швейцарських водозборів, для яких проаналізовано по 5 паводків
Таблиця 1
Характеристики досліджуваних водозборів
№ п/п | Назва річки | Площа водозбору, км2 | Середня ширина водозбору, км | Середня висота водозбору над рівнем моря, м | Середній ухил водозбору, 0/00 | Рілля (с/г угіддя), % | Пасовища, сінокоси, % | Ліси, % |
1. | Йойковець | 0,39 | 0,3 | 630 | 436 | 0 | 0 | 92 |
2. | Глибокий Яр | 0,28 | 0,4 | 550 | 306 | 51 | 45 | 0 |
3 | Шпербельграбен | 0,54 | 0,50 | 1063 | 276 | 0 | 0 | 98 |
4 | Раппенграбен | 0,596 | 0,74 | 1141 | 171 | 0 | 43 | 53 |
Лісовкрита площа водозбору Йойковець представлена одноярусними ялиновими деревостанами 50-60 річного віку ІІ-го бонітету, повнота 0,6-0,7. Деревостани швейцарських водозборів також ялинові І-го бонітету, проте дво - трьохярусні, сформовані в результаті характерної для Швейцарії системи комплексних вибіркових рубань, які тепер запроваджуються в гірських лісах України.
Аналіз стоку з водозборів Йойковець і Глибокий яр показав, що можна виділити три типи паводків:
1) паводки після короткочасного випадання великої кількості дощів, що характеризуються інтенсивним підйомом рівня модуля стоку і відносно швидким їх спаданням;
2) паводки після більш тривалих дощів з дещо меншою інтенсивністю; збільшення та спадання водності водостоків відбулося повільніше;
3) паводки, які зумовлені кількома великими дощами, що випадають після нетривалої (до однієї - двох діб) перерви.
З усіх проаналізованих нами паводків першої групи можна розглянути, як приклад, паводок 10-13.09.1973 р. (рис. 1). При практично однаковій кількості опадів (39-38 мм) максимальний модуль стоку з безлісного водозбору Глибокий Яр у три рази більший, ніж із залісненого Йойковець.
При тривалішому випаданні дощів (друга група паводків) на малих водозборах також спостерігається стокорегулюючий вплив лісів. Під час паводку 30.09 – 3.р., коли випало 33-35 мм дощу максимальний модуль стоку з безлісного водозбору становив 553,6 л/с*км2, а з залісненого – 84,6 л/с*км2 (рис. 2). Звертає увагу більш тривале спадання паводкової хвилі з залісненого водозбору Йойковець, що, можливо, зумовлене повільнішим віддаванням води в русло лісовою екосистемою у порівнянні з полем.
Рис. 1. Гідрографи стоку з водозборів ЗВБС паводку першого типу (10 – р.)
Паводки третьої групи в Карпатах найчастіше є причиною руйнівних повеней, тому з точки зору екологічної безпеки вони найцікавіші для аналізу, прикладом може бути паводок 28.05 – 1. р. (рис. 3). Після випадання в другій половині дня 28.05 опадів величиною 25-30 мм водність обох потоків збільшилася: на безлісному водозборі Глибокий Яр модуль стоку зріс з 13,9 до 239,3 л/с*км2, а на залісненому Йойковець – з 14,4 до 102,6 л/с*км2. Отже, при практично однакових модулях стоку в передпаводковий період (14 л/с*км2) на безлісному водозборі він зріс у 17,1 рази, а на залісненому – у 7,3 рази.
Рис. 2. Гідрографи стоку з водозборів ЗВБС паводку другого типу (30.09 – 3.р.)
Спадання паводкової хвилі відбувалося інтенсивніше на водозборі Глибокий Яр – до кінця доби 29.05 модуль стоку становив лише 42,9 л/с*км2, тобто його значення зменшувалося на 8,5 л/с*км2 за годину. Одночасно на водозборі Йойковець – на кінець 29.05 модуль стоку дорівнював 66,7 л/с*км2 , тобто спадав з інтенсивністю 1,6 л/с*км2 за годину.
Після невеликого бездощового періоду під кінець дня 30.05 та в середині дня 31.05 знову випали дощі величиною 38 мм на водозборі Глибокий Яр та 26 мм на водозборі Йойковець. Позаяк ґрунтова складова лісової екосистеми на той час вже була в певній мірі насичена водою, ці опади, співрозмірні з величиною попередніх, спричинили більше зростання стоку води. На безлісному водозборі пік модуля стоку сягнув 1121 л/с*км2, а на залісненому – лише 394 л/с*км2. При однаковому часі випадання дощів на обох водозборах максимум гідрографа на безлісному водозборі Глибокий Яр наступив на чотири години швидше ніж на залісненому Йойковець. Ця різниця є суттєвою, враховуючи невелику площу водозборів і нетривалий час добігання води до розрахункового створу.
Спадання паводкової хвилі знову було значно інтенсивніше на безлісному водозборі і до кінця доби 01.06 модуль стоку з безлісного водозбору становив 79 л/с*км2, а на залісненому – 141 л/с*км2.
Отже, для паводків всіх трьох груп залісненість водозбору відіграє суттєву роль у зменшенні витрат води, а отже й модуля стоку, особливо на малих водозборах. Проте серед опрацьованих нами паводків зустрічаються випадки, коли максимальний паводкоий стік з залісненого водозбору Йойковець був більший ніж з безлісного водозбору Глибокий яр, особливо якщо на залісненому водозборі були дещо більші опади. Проте таких випадків серед загальної кількості проаналізованих було лише 2 (12%). Вони спостерігаються переважно після значного попереднього зволоження водозбору, коли різниця у водопроникності ґрунтів лісових і нелісових екосистем нівелюється.
Максимальні модулі паводкового стоку з більш залісеного швейцарського водозбору Шпербельграбен були менші, ніж з малолісистого Раппенграбен у всіх шести проаналізованих паводках (рис. 4). За досліджувані 16 місяців для даних водозборів зафіксовані лише паводки першого та другого типів.
Рис. 4. Гідрографи стоку паводку 14.10 – 15 р.
з швейцарських водозборів Шпельберграбен і Раппенграбен
Для аналізу різниці у формуванні максимальних витрат та модулів стоку за паводок з водозборів різної лісистості розраховано коефіцієнт К як відношення максимального модуля стоку за паводок до величини опадів, що спричинили паводок. Цей коефіцієнт відрізняється від коефіцієнта стоку, бо в ньому фігурує не кількість води, що стекла (вона може бути великою при тривалому стоянні середніх рівнів води), а максимальний миттєвий модуль стоку, на який здійснюють розрахунки гідротехнічних споруд.
Рис. 3. Гідрографи стоку з водозборів ЗВБС паводку третього типу (28.05 – 01.06. 1976 р.)
Величини коефіцієнтів для всіх проаналізованих паводків для українських та швейцарських водозборів приведені у таблиці 2. Як бачимо, однакові дощі зумовлюють менші максимальні витрати на залісених водозборах.
Таблиця 2
Діапазон значень коефіцієнта К для досліджуваних водозборів
Група паводків | Величина коефіцієнтів К | |||
Водозбори ЗВБС | Швейцарські водозбори | |||
Глибокий яр | Йойковець | Раппенграбен | Шпербельграбен | |
I-а група | 7,5 – 11,5 | 2,5 – 6,5 | 9,7 – 18,2 | 5,1 – 13,4 |
II-а група | 8 – 13 | 1,5 – 3,5 | 4,3 – 9,9 | 3.6 – 5.3 |
III-я група | 25 – 29 | 13,5 – 17,5 | Не спостерігались |
В цілому на основі отриманих результатів можна стверджувати, що на малих гірських водозборах площею до 1 км2 при величині дощів до 70 мм і різному характері їх випадання хвойні ліси (як середньовікові, так і багатоярусні різновікові) відіграють значну стокорегулюючу роль, зменшуючи максимальні паводкові витрати води в 2 – 7 разів. Різниця між величиною коефіцієнту К є більшою для карпатських досліджуваних водозборів, (лісистість яких 0% та 92%), ніж для швейцарських (лісистість 53% та 98%), тобто і часткова залісеність водозбору має позитивний стокорегулюючий вплив.
Наші висновки узгоджуються з даними В. Олійника [5] щодо стокорегулюючих можливостей ялинових лісів до величини опадів 70-80 мм. Відзначимо, що вплив лісів на стік більший на малих водозборах з неглибоким врізом русла, ніж на великих річкових басейнах [8], тому дослідження слід продовжити для водозборів більшої площі ЗВБС та гірських кантонів Швейцарії, що не включають в себе льодовики. Слід враховувати різне розташування лісів на частково залісених водозборах та їх лісотаксаційні характеристики.
Отримані результати можуть бути використані при розробленні пакету нормативних документів для організації ведення природоохоронного лісового господарства в горах з врахуванням меж річкових водозборів з метою максимального використання стокорегулювального впливу лісу.
Список використаних джерел і літератури
1. Водоохоронні лісонасадження/А. Г.Міхович, , єв та ін.-К.:Урожай, 19с.
2. Воронков лесов в охране вод.-Ленинград: Гидрометеоиздат, 19с.
3. Кульчицький – Жигайло І. Є., Є. Вплив лісу на формування зимових паводків в Бескидах // Науковий вісник НЛТУ України, 2007. – Вип. 17.1. – С.
4. Молчанов роль леса.-Москва: Из-во АН СССР, 19с.
5. Олійник роль лісів Карпат під час катастрофічних паводків // Науковий вісник. Лісівницькі дослідження в Україні.- Львів: УкрДЛТУ, 2002, вип.12.4. – С. 48 – 52.
6. Поляков роль горных лесов Карпат и Крыма и пути оптимизации при антропогенном воздействии. - Симферополь: Основы, 2003. – 220 с.
7. Гірські ліси – регулятори водного режиму. – Ужгород: Карпати, 1984. – 104 с.
8. Шпак леса на водный баланс водосборов. Киев: Наукова
думка, 19с.
9. Chang M. Forest hydrology. An introduction to Water and Forests. Second Edition.-Boca Raton, London, New York: Taylor & Francis Grop, 2006. – 474 p.
10. Chelcy R. Ford, James M. Vose. Tsuga canadensis (l.) Carr. Mortality will impact hydrologic processes in southern Appalachian forest ecosystems// Ecological Applications, 17(4), 2007, - pp. 1156 – 1167.
11. Engler A. Einfluss des Waldes auf den Stand der Gewaesser/Mitteilungen der Schweizerischen Zentralanstalt fuer das forstliche Versuchwesen. XII. Band.-Zurich: Kommissionsverlag von BEER & Co, 19p.
12. Sulinski J., Jaworski A. Bilans wodny lasu w praktyce lesnej//Las i woda. Referaty i materially pokonferencyjne. - Krakow, 1998. – S.
13. www. hydrodaten. admin. ch.
