Сток воды в лесу

Осадки, не испарившиеся с почвы, частью стекают с неё поверхностным путём, частью просачиваются. Сток занимает важнейшее место в перераспределении влаги под влиянием леса.

Поверхностный сток воды в реке происходит с площади так называемого бассейна или водосбора. Водосбором называется поверхность земли, ограниченная водораздельной линией, проходящей по наиболее повышенным точкам местности так, что выпадающие на неё атмосферные осадки стекают поверхностным путём в одну речную систему. Просочившиеся же в почву и грунт атмосферные осадки стекают в реки подземным путём. Этот подземный сток имеет нередко другую водораздельную линию, не совпадающую с поверхностным водоразделом. Для маленьких рек площадь водосборов или бассейнов, называемых элементарными, незначительна и измеряется лишь сотнями гектаров. Система же элементарных бассейнов, постепенно увеличиваясь, достигает очень значительной площади. Так, бассейн Волги составляет полтора миллиона квадратных километров.

В европейской равнине СССР с бассейнов Днепра и Дона воды стекают в Чёрное море; с бассейнов Волги и Урала - в Каспийское море; с бассейна Западной Двины - в Балтийское море; с бассейна Северной Двины - в Белое море. В бассейнах Чёрного и Каспийского морей воды стекают из увлажнённой области лесов в безлесные степи, где сосредоточено выращивание зерна. Бурный вешний паводок в бассейнах Чёрного и Каспийского морей уносит огромную, подавляющую часть всего годового расхода воды в реках, а быстрый поверхностный сток воды вызывает смыв плодородных частей почвы.

Поэтому задачей регулирования водного режима европейской равнины СССР должно быть уменьшение быстрого поверхностного стока и увеличение медленного внутрипочвенного стока, равномерно питающего поля водой. В этом перераспределении стока лесам принадлежит значительная регулирующая роль. В гидрологии сток выражается модулем стока, показывающим в литрах количество воды, стекающей в одну секунду с одного квадратного километра бассейна. Годичный сток со среднерусской равнины уменьшается по мере движения от средних широт к югу - к устьям Волги и Урала, Дона и Днепра. В верховьях этих рек модуль стока составляет 7 - 8 л в секунду с 1 кв. км, на юге он уменьшается, доходя до 1 л и даже меньше.

После Великой Октябрьской социалистической революции, благодаря широкому строительству гидроэлектрических станций, проведены водомерные наблюдения в сборных бассейнах наших главнейших рек. Нам нужны также станции для изучения стока с малых водосборов, чтобы устанавливать в стоке роль отдельных категорий земельных площадей.

Николай Степанович Нестеров (1860 - 1926). Профессор лесоводства в Сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева (1900 - 1926). Выдающийся деятель по лесному опытному делу в СССР

Постоянные наблюдения над стоком в лесопокрытом малом водосборе были организованы в 1906 г. проф. Н. С. Нестеровым под Москвой, в лесу опытной дачи Сельскохозяйственной академии им. Тимирязева. Площадь этого водосбора составляет 116 га, почва - тяжёлый суглинок, благоприятствующий наибольшему поверхностному стоку. На протяжении 40 лет водосбор неизменно покрыт на 74% густым, преимущественно хвойным лесом; остальная часть водосбора - открытая сельскохозяйственная площадь. Находящийся здесь исток реки Жабенки объединяет поверхностные воды и часть почвенных вод (рис. 43). Средний годичный сток с этого лесопокрытого водосбора выражается модулем в 2 л в секунду с 1 кв. км, или слоем воды в 67мм в год. Это - сток с элементарного бассейна маленькой реки, входящей в бассейн реки Москвы (площадью в 8 170 кв. км), находящийся в центре русской равнины. Средний многолетний сток с бассейна реки Москвы в три раза превышает сток в элементарном бассейне; он составляет 6 - 7 л в секунду с 1 кв. км.

Рис. 43. Исток реки в лесопокрытом элементарном бассейне. Москва, Сельскохозяйственная академия им. К. А. Тимирязева, исток р. Жабенки

Резервный запас влаги (буфер) в почве и грунтовых водах пополняется во влажные годы и, наоборот, расходуется в засушливые. Наличие этого запаса в лесопокрытом бассейне обусловливает запоздание в величине стока, которое составляет один год, благодаря чему происходит как бы самострахование лесопокрытого бассейна от засух. Между тем в степной полосе, где резервный запас влаги отсутствует или очень незначителен, существует тесная прямая зависимость между величиной стока и количеством атмосферных осадков, выпавших за данный гидрологический год.

Весеннее половодье является периодом наибольшего стока. В бассейне реки Москвы за 53-летний период (1880 - 1933) было 14 лет с высокими и наивысшими уровнями весенней воды (превышающими 766 см у Бабьегородской плотины в городе Москве; при высоте уровня воды от 750 см раньше, до сталинской реконструкции столицы, в городе затоплялись Дорогомиловская и Бережковская набережные). При весеннем снеготаянии из Москвы-реки во время половодья, длящегося в среднем 25 дней, стекает 72% всего годичного расхода воды.

В безлесной местности происходит наибольший расход снеговой воды. В лесистом же бассейне различие в сроках таяния снегового покрова на площадях открытых и находящихся под лесом понижает среднюю скорость таяния, а, следовательно, и максимальный сток, норма которого в зависимости от лесистости района снижается до 50%.

Рис. 44. Схема разлива вешних вод в зависимости от облесённости бассейна

Размер весеннего половодья и его продолжительность зависят от запаса снеговой воды к концу зимы, от температуры воздуха, определяющей таяние снежного покрова, от температуры почвы, обусловливающей просачивание талых вод в почву, и от осеннего увлажнения почвы перед установлением снежного покрова. Разрушительная сила весеннего паводка¹ зависит от неблагоприятного сочетания всех этих причин. Наличие лесов и распределение их в бассейнах имеет в этих случаях существенное значение (рис. 44). Приведём для примера ход весеннего паводка в районе Сельскохозяйственной академии им. Тимирязева в 1908 г., когда на реке Москве произошло наводнение, по своему размеру и разрушительному действию небывалое на протяжении целого столетия. Первый подъём вешних вод в бассейне реки Жабенки (14 - 23 апреля), давший 32% всего весеннего стока, состоял на 80% из талых вод с обнажённых полей и других открытых площадей. Модуль этого стока достигал 123 л в секунду с 1 кв. км. Через короткое время после этого максимума (с ночи на 23 апреля до ночи на 25 апреля) началось небывалое наводнение на реке Москве. В это время в нашем водосборе уже происходил спад полевой воды и начался сток воды из редин на южных склонах, составивший 24% всего вешнего стока; но в густых сосновых жердняках снежный покров достигал высоты 40 см. Затем начался медленный сток воды исключительно с лесопокрытых площадей, сначала из березняков, затем из сосняков и позднее всего из ельников. Весь этот сток с лесопокрытых площадей водосбора составил около половины (44%) всего вешнего стока и длился 17 дней из всех 30 дней этого паводка. Таким образом, наличие хвойных насаждений и соответствующее размещение их по южным и северным склонам в бассейне удлиняет осенний сток почти на 20 дней. Наличие лесов весьма существенно влияет на равномерное распределение общего количества талых вод в речном бассейне в течение продолжительного срока, обнимающего 3 - 5 недель; этим самым понижается также высота максимального уровня паводка.

¹ (История изобилует фактами сильнейших разрушений, производимых весенним половодьем. Наводнения большой силы, причинившие огромные бедствия, отмечены и в недавние годы. В марте 1947 г. на значительной площади Англии произошло наводнение, затопившее 40 тысяч акров пахотных земель, засеянных озимой пшеницей, и оно оказало серьёзное влияние на производство продовольствия. В марте 1947 г. в окрестностях Праги произошло сильное наводнение, причинившее ущерб в 70 млн. крон. В мае 1946 г. разлив рек Ефрата и Тигра охватил всю пригодную для земледелия площадь между Багдадом и Басрой. Ущерб, нанесённый урожаю фиников, составил около 10 тыс. фунтов стерлингов, Тысячи бездомных людей с детьми и домашним имуществом кочевали с места на место. Весною 1940 г. поднятие уровня воды в Дунае и Саве угрожало затоплением наиболее плодородных областей Югославии. В марте 1936 г. в США произошло наводнение, равного которому не было с 1889 г. Оно охватило 12 штатов. Быстрое таяние снегов вместе с сильными дождями вызвало разлив целого ряда больших рек. 150 тыс. человек лишились крова. Ряд городов оказался без воды и электрической энергии. Телеграфное и железнодорожное сообщение прервалось. Убытки исчислялись сотнями миллионов долларов. Одной из основных причин этой катастрофы явилось систематическое, в течение многих лет уничтожение лесов. В 1931 г. в Китае вешними водами была затоплена площадь 16 провинций в 200 тыс. кв. км. Наводнение разрушило строения, мосты, затопило сельскохозяйственные угодья и испортило сельскохозяйственную продукцию, достаточную для прокормления 20 млн, человек в течение целого года)

Рис. 45. Сбережение вешних вод облесением прудов. Воронежская область, Каменная степь

Апрельский (и частью майский) сток является наибольшим месячным стоком и характеризуется чрезвычайно высоким модулем, составляющим в Лесной опытной даче Сельскохозяйственной академии им. Тимирязева в среднем 16,6 л в секунду с 1 кв. км, между тем как в остальные месяцы он не достигает и 1 л. Модуль максимального суточного стока в этом водосборе составляет в среднем 83 л в секунду с 1 кв. км, а в реке Москве он в два раза больше - 155 л в секунду (в среднем за 57 лет наблюдений - с 1876 по 1932 гг.). Пик половодья в речной системе, по сравнению с пиком в малом элементарном водосборе, запаздывает до трёх суток. Такое запоздание характеризует время, необходимое для стекания воды с малых водосборов в сборный бассейн, обнимающий систему водосборов; в этом случае лесистость первичных водосборов приобретает большое значение.

На размер максимального стока влияют причины метеорологические и географические; к последним относятся характер рельефа и состояние поверхности почвы. Обе эти группы причин видоизменяются на лесопокрытых площадях, которые в полосе хвойных и смешанных лесов северных областей и северного Заволжья сильно уменьшают пик весеннего паводка. Замедление таяния здесь бывает значительным, и уменьшение пика паводка может достигать 50%. Поэтому сохранение и разведение лесов в центральной полосе европейской части СССР, где берут начало и проходят верхнее течение Волга, Дон и Днепр (с их притоками), очень важно для питания водою этих рек, а, следовательно, и полей в лесостепной и степной полосе.

Для оценки роли леса в водном режиме местности важен размер среднего стока воды с бассейна, называемый коэффициентом стока и выражаемый в процентах от средней многолетней суммы осадков.

В лесных местностях средний коэффициент стока незначителен. При весьма благоприятных в нашем водосборе почвенных условиях средний многолетний коэффициент поверхностного стока составляет 13%; остальная вода, просачиваясь, стекает медленно через грунт, питая смежные площади и реки в летний период. На пахотных же землях, и особенно на лугах, поверхностным путём стекает 28 - 32% осадков, а на почвах под усиленным выпасом скота сток воды достигает 49% осадков.

Посадка лесов в пределах бассейна и содержание земель в целинном состоянии уменьшают годовой коэффициент стока; но главным образом это влияет на сезонное распределение годового стока воды, уменьшая его весною, когда поля в воде не нуждаются, и увеличивая его летом, когда потребность в воде на полях особенно возрастает.

Рис. 46. Лесопокрытая береговая полоса реки. Горьковская область, река Керженец

Важное значение для регулирования водного режима рек имеет правильное распределение лесов по территории водосборного бассейна, причём наличие лесов существенно необходимо прежде всего на водораздельных и прибрежных площадях (рис. 45, 46, 47). Растянутый во времени и незначительный по объёму поверхностный сток воды с облесённых водоразделов обеспечивает питание водой полевых культур летом, в период наибольшей их потребности во влаге. При необлесённом же водоразделе происходит короткий и значительный весенний сток, что вызывает недостаток влаги летом для питания хлебов.

Рис. 47. Обезлесенная береговая полоса реки. Минская область, река Свислочь