CC BY
53
УДК 631.6; 630*266; 631.559
ПОТЕРИ СНЕГА НА ВЕТРО-МЕТЕЛЬНУЮ СУБЛИМАЦИЮ И СНОС В ОТКРЫТЫХ И ЛЕСОМЕЛИОРИРОВАННЫХ АГРОЛАНДШАФТАХ СТЕПНОЙ ЗОНЫ
В.И. Панов, кандидат географических наук - Поволжская агролесомелиоративная опытная станция -филиал ФНЦ агроэкологии РАН, Самара, aglos163@ mail.ru
Ветро-метельная сублимация и ветровой снос снега с незащищённых вспаханных полей составляют большие суммарные величины потерь снеговой воды за зиму - около 50-80 мм или 40-60% выпавших атмосферных осадков. Лес из лиственных деревьев под своим пологом на 100% защищает снег от потерь - он является эталоном защиты. Система защитных лесных полос на пахотных полях
В решении проблем э колого-эрозионной безопасности и повышения продуктивности аграрного производства важная роль 3 принадлежит вопросам Щ управления и регулирова- Щ ния элементами водного баланса (атмосферными1 осадками, поверхностным I стоком, инфильтрацией, ис-1 парением).
Особо важная роль при- ' надлежит первичной приходной части водного баланса - атмосферным осадкам, особенно снежному покрову (твёрдые осадки холодного периода года), накапливающемуся в течение нескольких месяцев и за это время подвергающемуся сильным и многократным воздействиям ветра, метелей, оттепелей и морозов.
С равнинных незащищённых полей снег легко сдувается сильными ветрами и переносится снежно-ветровыми полифазными потоками на значительные расстояния, в результате чего в них происходят активные процессы его измельчения (эрозия снега), усиленной сублимации (возгонки), переноса и отложения уцелевшей части в овраги, балки, в различные преграды (лесные насаждения и др.). Для активного управления снежным покровом надо знать закономерности его формирования на плоском равнинном и пересечённом эрозионном рельефе с различными элементами ландшафта (пашня, многолетние травы, лес, кустарники, суходольные пастбища, лесомелиорированные угодья и др.). На снегоотложение и его потери в природной среде воздействует много факторов. Их необходимо изучить, проанализировать, дать количественную и качественную оценку, что позволит установить все причинно-следственные связи в процессах, определить, как и на что надо воздействовать для наиболее эффективного управления ими.
Объекты и методы исследований. Важнейшим методом изучения параметров снежного покрова и потерь снега в течение зимы принят метод натурных маршрутных снегосъёмок в различных агро-фонах и агроэколандшафтах. Были изучены 4 варианта водораздельных ландшафтов:
1 - незащищённое сельскохозяйственное поле с разными агрофонами;
2 - лесомелиорированное сельскохозяйственное поле с размещением полезащитно-стокорегу-лирующих лесных полос через 500 м;
3 - лесомелиорированное поле с размещением полезащитно-стокорегулирующих лесных полос через 250 м;
(в лесоаграрных ландшафтах) уменьшает потери снега до 75-95%.
Ключевые слова: снежный покров, лесомелиорация, степные агроэколандшафты, ветро-метельная сублимация (возгонка), пересечённый и равнинный рельеф, лесные полосы, полифазные снежно-ветровые потоки, диспергирование (измельчение) снега, метели, снегомерные маршрутные съёмки.
4 - лесной массив из лиственных древесных и кустарниковых пород, где под деревьями нет переноса снега.
На таких объектах на территории опытного хозяйства Поволжской АГЛОС ведутся ежегодные наблюдения с 1964 года и по настоящее время. Методика проведения маршрутных снегомерных сне-госъёмок принята в методических руководствах ВНИАЛМИ. За длительный период исследований суммарная протяжённость снегомерных маршрутов превысила 850 км. Этот подход был положен в основу при разработке программы и методики исследований снежного покрова в незащищённых и лесомелиорированных агроэколандшафтах.
Целью исследований является выявление закономерностей снегопереноса, ветро-метельной сублимации и снегоотложения на склоновых землях, разработка научных основ и модели распределения снега в ландшафтах для управления эрозион-но-гидрологическим процессом.
Важная роль в снегонакоплении и снегосбе-режении отводится растительности, защитным лесным насаждениям и мульчирующим методам. Поэтому необходимо проводить параллельно снегомерные измерения на разных угодьях - на пашне без растительного покрова и с ним (озимые, многолетние травы, стерня, кустарниковые заросли, леса, лесные полосы). Немногими исследованиями (А.К. Дюнин, И.А. Кузник, В.И. Панов и другие) обращено внимание на такую малоизученную составляющую потерь снега с полей (помимо его сноса и переотложения в оврагах, балках, на опушках лесов и лесных полос, у дорог и в населённых пунктах), как его сублимация при ветро-метельном переносе при низовых метелях или позёмках, но, особенно, при верховых или общих метелях (буранах). По полученным первым предварительным результатам, потери эти весьма велики и за зиму могут достигать с распаханных полей (без растительного покрова и при отсутствии защитных лесных полос) величины 60-80 мм и более. Это значит, что на этом поле недополучат, как минимум, 5-9 ц/га урожая в переводе на зерно пшеницы (зерновой продукции).
Результаты исследований. По постоянным многолетним снегомерным маршрутам, проложенным в 4 типичных ландшафтах на разных элементах эрозионного рельефа, в конце зимы проводились снегосъёмки. Обобщённые материалы снегосъ-ёмок за 1975-2012 годы приведены в таблице. На незащищённом, открытом для ветров и метелей, поле снег за длительный зимний период постоянно подвергался всевозможным воздействиям разнонаправленных и разных по скорости ветровых потоков, морозных позёмок, верховых метелей, температурных перепадов с осадками (оттепели,
гололёдные явления, наледи, ледяные дожди и др.], Таблица - Средние параметры снежного покрова в различных агроэколандшафтах в конце зимы на Поволжской АГЛОС за период 1975-2012 годы (Самарская область]
Виды агроэколаншафтов, Высота снега, см Плотность снега, г/см3 Снего- запасы, мм
1. Незащищённое (открытое, без лесополос.) водораздельное поле (зябь, стерня) 20 0,29 58
2. Лесомелиорированное поле, л/п через 500 м 39 0,28 110
3. Лесомелиорированное поле, лесополосы через 250 м 44 0, 28 122
4. Центр лесного массива 52 0,25 130
Приведённые в таблице данные свидетельствуют о том, что снег в разных ландшафтах формировался в течение зимы по-разному. К концу зимы на открытом поле с зябью сформировался снежный покров высотой 20 см с плотностью снега 0,29 г/ см3 и влагозапасом 58 мм (580 м3/га). Это типичное снегонакопление и типичные снегопотери для зяблевых незащищённых полей. В качестве эталона для сравнения взят такой вид ландшафта, где ветры и метели не способны переносить снег - это лесной массив. Там снежный покров имеет совсем другие параметры: высота снега 52 см, плотность 0,25 г/ см3, влагозапас в снеге 130 мм (1300 м3/га). Таким образом, потери снега на незащищённом поле составили 72 мм. Это очень большие непродуктивные потери. Если по установленным усреднённым нормативам на формирование 1 ц зерна необходимо затратить 10 мм (100 м3) влаги, то на незащищённом поле будет недополучено 6-7 ц/га зерна.
Лесные полосы, а особенно их системы, защищают снег от сноса и переноса, причём лучший результат дают полосы, размещённые не редко друг от друга (500-700 м и больше], а на оптимальном расстоянии (200-400 м], что подтверждают показатели снежного покрова на лесомелиорированных полях. Суммарные потери снега на них значительно ниже, чем на незащищённом пахотном поле (820 мм]. Таким образом, снежный покров очень из-
Барьерный
систем защитных лесонасажден снегопереноса и ветро-мстел
№' = 140 мм
менчив от влияния на него многих факторов. Очень большая роль в сохранении снега на месте его выпадения принадлежит растительному покрову, его высоте и густоте в зимний период, а также наличию и степени защищённости степного агроценоза защитными лесными полосами.
При ветровом воздействии на снег происходит не только снос и перенос его, но и ветро-метельная сублимация (возгонка или испарение молекул воды с поверхности ледяных кристаллов, минуя жидкую фракцию]. Это явление слабо изучено и предстоит получать новые данные для его объяснения. По приведённым выше результатам среднемноголетние потери снега на сублимацию достигают 60-80 мм и более.
Проводящиеся многие годы снегомерные съёмки в разных ландшафтах (незащищённая, открытая ветрам пашня, лесомелиорированные поля, лесной массив] позволили выявить ранее незамеченное явление - ветро-метельную сублимацию снега (В.И.Панов, 1979, 1989], теоретически обоснованную А.К.Дюниным (1963].
Многие годы считалось, что при ветрах и метелях снег только сносится с мест его выпадения и без каких-либо потерь переносится к местам его окончательного отложения. Однако расчёты показывают, что если бы он полностью сохранялся при переносе, то в местах его отложения (балки, преграды] образовались бы настоящие, без преувеличения, горы. Но в реальности этого нет: Маршрутные сне-госъёмки показали, что у различного рода преград содержится от 10 до 16 (18]% снятого (снесённого] ветром снега (И.А. Кузник, И.С. Гришин, В.И.Панов]; остальной снег в процессе переноса измельчается в снежно-ветровых потоках (происходит диспергирование ледяных кристаллов до самых мельчайших наноразмеров, что во много раз увеличивает их суммарную поверхность] и сублимации испаряется.
Агролесомелиоративные защитные насаждения в сочетании со снегозадержанием способны значительно уменьшить непроизводительные потери снега на сублимационное испарение. Упрощённая схема предельного снегопереноса снежинок и защитного снегозадерживающего (барьерного] действия систем защитных лесных полос с разной степенью эффективности (сокращения потерь снега] приведена на рисунке.
эффект
ий па полях по снижению
ьной сублимации снега.
50- 60% Накопление воды в снеге 55 — 70 ММ _ _ 1
Рисунок - Барьерный эффект от систем защитных лесонасаждений по снижению снегопереноса и
ветро-метельной сублимации снега
Заключение. Таким образом, исходя из полученных результатов проведённых исследований, можно сделать следующие выводы.
1. Снежный покров представляет собой твёрдые атмосферные осадки из разнородных по структуре слоёв снега, кристаллов льда, перемешанных иногда с пылью и разными загрязняющими веществами. Он формируется в течение всего холодного периода, длящегося в степной зоне Среднего Поволжья 3-5 месяцев (более 100-140 суток) под воздействием многих факторов естественного и антропогенного происхождения, что отражается на его величине, структуре, качестве.
2. В отличие от жидких атмосферных осадков, выпадение которых носит сравнительно краткосрочный характер (обычно от нескольких минут до нескольких часов) и сразу же впитывающихся в почву на месте их выпадения, твёрдые атмосферные осадки (снег, снежная крупа, ледяные иглы) обладают большой парусностью и легко переносятся ветром, причём часто после выпадения на землю они ветром сдуваются с места выпадения и перемещаются в снежно-ветровых потоках по поверхности снега волочением, сальтацией (прыжками по воздуху с касанием земной поверхности) и в турбулентных шнуровых приземных струях. Всё это приводит к переносу и перераспределению снега, формированию неравномерного снежного покрова.
3. Долгое время считали, что снег ветрами, метелями и позёмками только сметается (сдувается) с полей в овраги, балки и к разным преградам. Однако исследованиями установлено, что при переносе происходит так называемая ветро-метельная сублимация или возгонка снега, при которой его значительная часть испаряется в атмосферу и бесполезно теряется для данной территории. Сред-немноголетняя её величина, вместе с перенесённым снегом, находится в пределах 50-80 мм.
4. Важнейшим элементом защиты полей от ветро-метельных потерь снега на сублимацию и снегоперенос являются системы полезащитно-стокорегулирующих лесных полос, создаваемые контурно (с учётом пересечённого рельефа), по границам полей и рабочих участков, на оптимальном расстоянии друг от друга. Каждая лесная полоса становится механической преградой на пути снежно-воздушного потока, разделяет его на отдельные отрезки, замедляет до нуля его взвесене-сущую скорость и отлагает снег внутри лесной полосы и в прилегающей к полосе части поля - зоне затишья (снежного шлейфа).
5. Оптимальная ширина межполосного поля определяется теоретически и экспериментально на местности, исходя из двух главных факторов: полу-
чения минимальных потерь снега с защищённого поля и достаточно удобных для работы средств механизации и работающих агрегатов. Многолетние наблюдения за снегоотложением на лесомелиори-рованных полях показали, что на пологих пахотных склонах до 3-4° оптимальная ширина межполосного поля в чернозёмной степи Среднего Поволжья лежит в пределах 250-350 (400) метров. Среднем-ноголетние потери с лесомелиорированных полей шириной 250-500 м составили соответственно 3-17 мм (не более 10-15% от суммы зимних осадков), что в 5-7 раз меньше, чем с незащищённых полей.
6. Ветро-метельная сублимация снега ещё мало изучена. Не совсем ясна физика этого сложного и многопланового гидротермического процесса, не ясна роль как отдельных факторов, так и их си-нергетическое целостное проявление (единство). В более углубленном познании сублимационных процессов большую помощь могут оказать методы моделирования. Начаты экспериментальные работы по имитационному моделированию ветро-ме-тельной сублимации (возгонки) снега, созданы и испытаны установки моделирующие сублимацию снега. Проведены серии натурных опытов и получены первые результаты, позволяющие дать ориентировочную величину сублимационных потерь снега в течение всего зимнего периода.
Литература:
1. Глебова М.Я. Климатические особенности условий переноса снега /М.Я. Глебова //Снежный покров, его регулирование и роль в народном хозяйстве.- М. Изд-во АН СССР, 1962. - с. 162-172.
2. Дюнин А.К. Механика метелей. /А.К. Дюнин.- Новосибирск, Изд-во СО АН СССР ,1963. - 380 с.
3. Дюнин А.К.В царстве снега. /А.К Дюнин. - Новосибирск: Наука, Сиб.отд. 1983. - 161 с.
4. Котляков В.М. Снежный покров Земли и ледники. /В.М Котляков - Л: Гидрометеоиздат,1968. - 479 с.
5. Кузьмин П.П. Формирование снежного покрова и методы определения снегозапасов. /П.П Кузьмин. - Л.: Гидрометеоиздат. 1960. - 172 с.
6. Кузник И.А. Агролесомелиоративные мероприятия, весенний сток и эрозия. /И.А Кузник. - Л., Гидрометеои-здат, 1962. - 220 с.
7. Снег: справочник. Перевод с англ. Под ред. чл.-кор. АН СССР В.М. Котлякова. М.,1993. - 112 с.
8. Мельник Д.М. О комплексном снегозадержании и практических мерах по его внедрению /Д.М. Мельник //Снежный покров, его регулирование и роль в народном хозяйстве. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. - с.183-188.
9. Панов В.И. Метельная сублимация снега //Методы исследования водной эрозии в противоэрозионной лесоме-лирации. /В.И. Панов //Сб. научн. трудов ВНИАЛМИ вып. 1 (96). - Волгоград. - с. 162-171.
10. Рихтер Г.Д. Проблемы изучения снега и снежного покрова /Г.Д Рихтер. //Снег и талые воды, их изучение и использование. М.: Изд-во АН СССР, 1956. - с. 5-12.
THE LOSSES OF SNOW DUE TO SNOW-DRIFTING-WIND SUBLIMATION AND SNOW DRIFTS IN OPEN AND FOREST AMELIORATED AGRO LANDSCAPES OF THE STEPPE ZONE
Panov, V. I., K.G.N. - Volga Agro-Forestry Melioration Station, affiliate of FSC of Agroecology RAS, Samara
Snow-drifting-wind sublimation and snow drifts from unprotected plowed fields account for large total losses of snow water throughout winter—about 50-80 mm or 40-60% of the amount of precipitation fallen. Leaf-bearing forest's canopy prevents show losses by 100%, being the etalon of protection. The systems of protective forest belts on plowed fields (in agro-forest landscapes) decreases snow losses by 75-95%.
Keywords: snow cover, forest amelioration, steppe agro landscapes, snow-drifting-wind sublimation, broken-ground and plain reliefs, protective forest belts, polyphase snow-wind streams, dispersion (grinding) of snow, snow-blowing winds, snow-measuring route surveys.
