Коэффициент пористости - это отношение объема пор к объему, занимаемому только почвенными частицами, в единице объема почвы. Этот коэффициент уменьшается по мере уплотнения почвы при возрастании рекреационных нагрузок, что снижает водопроницаемость почв и изменяет характеристики поверхностного стока при дождевании (таблица 5).
Особенности формирования стока на бурых лесных почвах были следующими. На площадке 1.1 (контроль) сток на водосливном лотке появился в виде капель на 10 минуте (9 мин 52 с) после начала дождевания.
На площадке 1.2 сток возник на 9 минуте дождевания (8 мин 43 с). Он формировался в виде пелены воды в нижней части площадки.
Таблица 5 - Показатели стока при дождевании (слой дождя 100 мм, на площадке 3.3 - 106 мм)
|
Номер пробы |
, чел./га |
Слой, мм |
Коэффициент стока |
Время дождя, мин |
Интенсивность дождя, мм/мин |
Уклон площадки |
||
|
впитывания |
стока |
|||||||
|
Проба 1 |
||||||||
|
1.1 |
0,0 |
99,9 |
0,1 |
0,001 |
30 |
3,33 |
0,4245 |
|
|
1.2 |
1,0 |
91,8 |
8,2 |
0,082 |
29 |
3,45 |
0,4770 |
|
|
1.3 |
3,0 |
23,2 |
76,8 |
0,768 |
30 |
3,33 |
0,4877 |
|
|
1.4 |
5,0 |
33,8 |
66,2 |
0,662 |
30 |
3,33 |
0,4275 |
|
|
1.5 |
7,0 |
33,8 |
66,2 |
0,662 |
28 |
3,57 |
0,4142 |
|
|
1.6 |
9,0 |
23,0 |
77,0 |
0,770 |
30 |
3,33 |
0,4421 |
|
|
1.7 |
11,0 |
31,0 |
69,0 |
0,690 |
28 |
3,57 |
0,4245 |
|
|
Проба 2 |
||||||||
|
2.1 |
0,0 |
99,99 |
0,01 |
0,0001 |
30 |
3,33 |
0,3640 |
|
|
2.2 |
1,0 |
95,1 |
4,9 |
0,049 |
30 |
3,33 |
0,3640 |
|
|
2.3 |
3,0 |
19,7 |
80,3 |
0,803 |
30 |
3,33 |
0,4142 |
|
|
2.4 |
5,0 |
24,0 |
76,0 |
0,760 |
30 |
3,33 |
0,3939 |
|
|
2.5 |
7,0 |
20,0 |
80,0 |
0,800 |
30 |
3,33 |
0,4877 |
|
|
2.6 |
9,0 |
15,5 |
84,5 |
0,845 |
32 |
3,13 |
0,4986 |
|
|
2.7 |
11,0 |
18,1 |
81,9 |
0,819 |
30 |
3,33 |
0,4877 |
|
|
Проба 3 |
||||||||
|
3.1 |
0,0 |
100,0 |
0,0 |
0,000 |
30 |
3,33 |
0,3443 |
|
|
3.2 |
1,0 |
100,0 |
0,0 |
0,000 |
30 |
3,33 |
0,3249 |
|
|
3.3 |
3,0 |
105,9 |
0,1 |
0,0009 |
30 |
3,53 |
0,3839 |
|
|
3.4 |
5,0 |
93,6 |
6,4 |
0,064 |
30 |
3,33 |
0,3443 |
|
|
3.5 |
7,0 |
59,0 |
41,0 |
0,410 |
30 |
3,33 |
0,3249 |
|
|
3.6 |
9,0 |
55,7 |
44,3 |
0,443 |
30 |
3,33 |
0,3939 |
|
|
3.7 |
11,0 |
44,8 |
55,2 |
0,552 |
30 |
3,33 |
0,3640 |
На площадке 1.3 сток образовывался через 40 с после начала дождя и проходил в виде мелких ручейков. При этом в нижней части площадки возникли микротерраски из фрагментов подстилки, которые периодически прорывались и вновь возникали. В начале дождевания на поверхности площадки обнажились мелкие корешки растений, а в дальнейшем - щебень и дресва, играющие роль мульчи. После прекращения дождя время добегания стока равнялось 47 с.
На площадке 1.4 сток возник через 40 с после начала дождя и сосредоточился в ручейках, которые вырабатывали микрорусла. Углублению этих микрорусел препятствовали щебень и мелкие обломки сланца, которые отмылись на поверхности под ударным воздействием капель дождя. Время добегания стока равнялось 1 минуте.
Площадка 1.5 отличалась тем, что сток сформировался на 38-й с от начала дождевания, а время добегания стока равнялось 1 мин 12 с. Ручейки на площадке образовались на второй минуте, но углублению их русел препятствовал слой щебня, отмытый при дождевании.
На площадке 1.6 начало стока зафиксировано на 31-й с дождевания. На 6-й минуте на поверхности отмылась сеть корней, которая сдерживала эрозию, однако микрорусла возникли на 10-й минуте. Развитие этих микрорусел сдерживалось слоем отмытого щебня. Время добегания воды на площадке составило 1 мин 4 с.
На площадке 1.7 сток проходил так же, как и на предыдущей площадке, но время добегания равнялось 1 мин 43 с.
На темно-бурых лесных почвах на площадке 2.1 (контроль) сток на 22-й минуте дождевания возник в виде капель, которые попадали на водоприемный лоток при разбрызгивании капель дождя при ударе о поверхность лесной подстилки.
На поверхности площадки 2.2 сохранились три поврежденных растения мелкого подроста граба. Сток возник в виде капель на 7-й минуте дождевания, а на 8-й минуте на водосливе образовался ручеек, который вновь сменился каплями. Такая спорадическая смена ручейков и капель продолжалась до 15-й минуты, когда на водосливе сформировался постоянный ручеек воды. Время добегания стока составило 17 с.
На поверхности площадки 2.3 также сохранились три поврежденных растения мелкого подроста граба. Сток в виде ручейка сформировался через 1 мин 20 с после начала дождя. На 7-й мин на поверхности дождевания стали отмываться щебень и обломки сланца. Микрорусла стока выработались только на 25-й мин дождевания. Время добегания стока составило 2 мин 2 с.
На площадке 2.4 сток возник на 30-й с дождевания в виде системы мелких струек, которые на 7-й мин выработали микрорусла. На 25-й минуте образовались 2 микрорусла. В их устьях возникли микрорезервуары перед скоплениями фрагментов подстилки, ранее втоптанных в почву и отмытых дождем. Прорыв этих микрорезервуаров произошел в конце стока. Время добегания стока составило 2 мин 17 с.
На площадке 2.5 повторился такой же характер формирования стока.
На площадке 2.6 сток образовался на 12-й с дождевания. Микрорусла стока возникли на 10-й мин, в дальнейшем сток проходил так же, как и на площадках 2.4 и 2.5.
На площадке 2.7 сток возник на 10-й с дождевания. На 12-й минуте выработались три микрорусла стока. В дальнейшем образовалась ячеистая поверхность дождевания под ударами капель. Такая поверхность заплывала и вновь возникала в продолжение дождя. Время добегания стока составило 1 мин 33 с.
На желто-бурых почвах площадок 3.1 и 3.2 стока практически не было. На площадке 3.3 на 11-й минуте дождевания в нанорельефе верхней части площадки возникли лужицы воды, а на 22-й минуте началось ее передвижение. В нижней части площадки сохранились фрагменты лесной подстилки, которые впитывали стекающую воду. Следует учесть, что с 15-й минуты дождевания наблюдался естественный дождь низкой интенсивности (6 мм). Слой стока на площадке составил 0,1 мм.
На площадке 3.4 капли стока на водосливе появились на 6-й минуте, а ручеек - на 7-й минуте. На площадке сформировался террасовидный микрорельеф из фрагментов подстилки, что сдерживало передвижение стока. При прорыве и восстановлении микрорельефа расход стока пульсировал на 15-25-й минутах дождевания. Время добегания стока равнялось 26 с.
На площадке 3.5 сток появился на 43-й с дождевания. Расход стока возрос на 2-й минуте дождевания, а на 4-й минуте возникли лужицы воды в нанорельефе. На 7-й и 20-й минутах лужицы прорывались, что временно увеличивало расход. На 25-й минуте почва стала оползать, и произошел прорыв всей системы лужиц воды, что резко увеличило расход. Время добегания стока составило 1 мин 11 с.
На площадке 3.6 при моделировании рекреационной нагрузки на поверхности обнажился корень бука, возле которого сохранились фрагменты подстилки, втоптанные в почву. Сток начался на 27-й с дождя, расход достиг максимума на 12-й минуте. Время добегания стока равнялось 1 мин 9 с.
На площадке 3.7 сток возник через 46 с после начала дождя, и его расход увеличился благодаря прорыву лужиц воды на 4-й минуте дождевания. Начиная с 14-й минуты начался процесс спорадического образования и прорыва лужиц (микрорезервуаров) воды, что способствовало пульсации расхода. Время добегания стока составило 1 мин 16 с.
В целом на желто-бурых лесных почвах при дождевании поверхностный сток по вариантам рекреационных нагрузок был ниже, чем на бурых и темно-бурых почвах, что связано с более высокой сохранностью лесной подстилки при меньшей крутизне склонов.
Анализируя данные таблиц 3-5, заключаем, что наиболее тесные связи обнаружены между коэффициентами стока (), воздушно-сухой массой ЛП + ЖНП (, т/га) и коэффициентами пористости ():
- бурые лесные почвы (проба 1):
при 0,907 ± 0,067; (2)
- темно-бурые лесные почвы (проба 2):
при 0,972 ± 0,021; (3)
- желто-бурые лесные почвы (проба 3):
при 0,645 ± 0,221. (4)
В уравнениях (2)-(4) принято, что - множественный коэффициент корреляции. Эти уравнения линейные и обратные, т. е. с уменьшением массы лесной подстилки и живого напочвенного покрова, а также коэффициентов пористости увеличиваются коэффициенты стока при ливнях. Очевидно, что этот процесс будет нарастать по мере увеличения рекреационных нагрузок и уклонов местности (крутизны склонов), так как остатки лесной подстилки и живого напочвенного покрова при увеличении уклонов усиленно передвигаются вниз по склону, а минерализованная почва уплотняется при замазывании ее поверхностного слоя под шагами туристов.
В связи с этим определим множественную связь между рекреационной плотностью, коэффициентами стока и уклонами местности:
- бурые лесные почвы (проба 1):
при 0,849 ± 105;
- темно-бурые лесные почвы (проба 2):
при 0,930 ± 0,051;
- желто-бурые лесные почвы (проба 3):
при 0,953 ± 0,035.
Обобщающее уравнение для исследуемых авторами лесов было получено ранее [11]:
при 0,737 ± 0,101. (5)
Уравнение (5) решим в графической форме (рисунок 2).
1 - = 0,2679 (15°); 2 - = 0,364 (20°); 3 - = 0,4663 (25°)
Рисунок 2 - Связь рекреационной плотности с коэффициентами стока
По данным рисунка 2 и уравнению (5), в исследуемых лесах при ливнях поверхностный сток не формируется на склонах крутизной ? 15° (уклон ? 0,2679) при рекреационных плотностях ? 3,2 чел./га; при крутизне 20° (уклоне 0,364) - при плотности 1,7 чел./га; при крутизне 25° (уклоне 0,4663) - при плотности 0,2 чел./га. На более крутых склонах при ливнях ожидается нарастание поверхностного стока по мере увеличения рекреационных нагрузок.
При этом будет увеличиваться эрозия почв, что можно проследить по данным таблицы 6, из которых видно, что на вариантах 1.1 и 2.1 (без рекреационных нагрузок) минимальная мутность стока постоянна во времени (ее определяли в образцах сточной воды, скопившейся в водоприемной емкости стоковых площадок за весь период стока). Эта вода оказывалась в емкости в результате разбрызгивания дождевых капель, падающих на листву живого напочвенного покрова и попадающих на поверхность водоприемного лотка.
Таблица 6 - Характеристики эрозии почв при дождевании
|
Вариант |
Уклон |
Мутность стока, г/л |
Средняя мутность, г/л |
Эрозия, т/га |
|||||
|
Начало стока |
5 мин стока |
10 мин стока |
15 мин стока |
Окончание стока |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
Проба 1 |
|||||||||
|
1.1 |
0,4245 |
0,10 |
0,10 |
0,10 |
0,10 |
0,10 |
0,10 |
0,0001 |
|
|
1.2 |
0,4770 |
1,10 |
0,45 |
0,38 |
0,18 |
0,15 |
0,45 |
0,0369 |
|
|
1.3 |
0,4877 |
5,10 |
4,05 |
1,95 |
0,50 |
0,25 |
2,37 |
1,8202 |
|
|
1.4 |
0,4275 |
3,96 |
2,60 |
1,45 |
0,30 |
0,20 |
1,70 |
1,1254 |
|
|
1.5 |
0,4142 |
3,90 |
1,81 |
0,80 |
0,20 |
0,17 |
1,37 |
0,9069 |
|
|
1.6 |
0,4421 |
4,50 |
1,80 |
1,15 |
0,40 |
0,30 |
1,63 |
1,2551 |
|
|
1.7 |
0,4245 |
4,40 |
2,60 |
1,10 |
0,36 |
0,36 |
1,76 |
1,2144 |
|
|
Проба 2 |
|||||||||
|
2.1 |
0,3640 |
0,10 |
0,10 |
0,10 |
0,10 |
0,10 |
0,10 |
0,0001 |
|
|
2.2 |
0,3640 |
0,14 |
0,15 |
0,38 |
0,46 |
0,62 |
0,35 |
0,0171 |
|
|
2.3 |
0,4142 |
0,18 |
0,30 |
0,50 |
0,56 |
0,66 |
0,44 |
0,3533 |
|
|
2.4 |
0,3939 |
0,90 |
1,08 |
1,27 |
1,46 |
1,56 |
1,25 |
0,9500 |
|
|
2.5 |
0,4877 |
1,50 |
1,80 |
2,03 |
2,30 |
2,78 |
2,08 |
1,6640 |
|
|
2.6 |
0,4986 |
1,60 |
1,90 |
2,50 |
3,00 |
3,10 |
2,42 |
2,0449 |
|
|
2.7 |
0,4877 |
1,60 |
1,98 |
2,80 |
3,40 |
3,60 |
2,68 |
2,1949 |