CC BY
78
УДК 502.057: 004.67
Мустафин Р.Ф., Хабиров И.К., Султанова Р.Р., Раянова А.Р.
Башкирский государственный аграрный университет, Россия E-mail: mustafin-1976@mail.ru ; Ilkhabirov@mail.ru. ; vestnik-bsau@mail.ru
ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА НА ЗАПАСЫ СНЕЖНОГО ПОКРОВА И ВЛАГИ
НА ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ
Леса играют большую роль в круговороте воды, обогащают атмосферу кислородом и поддерживают баланс в природе, а также леса выполняют водоохранные, защитные, противоэрозионные, санитарно-гигиенические, оздоровительные, рекреационные функции. Изучение запасов снега, их определение является важным составляющим жизненного цикла леса.
Исследования запасов снежного покрова проводились на лесных участках ГУ Уфимского лесничества, которое включает в себя девять участковых лесничеств: Демское, Покровское, Уфимское, Чишминское, Юматовское, Ново-Троицкое, Благовещенское, Орловское, Благоварское статистическим, математическим расчетом, а также анализом литературных источников.
В ходе исследований была проведена снегомерная съемка и полученные данные обработаны в геоинформационных системах. Наблюдения за показателями высоты снежного покрова на лесных участках представлены за 2015-2016 года с октября по апрель. Определяли высоту, плотность и структуру снежного покрова. Исходя из полученных данных, определили запас воды, содержащийся в снежном покрове, за каждый исследуемый месяц. Затем была составлена сводная таблица по результатам полевых и камеральных работ. Далее, используя ГИС-технологии, произведена оцифровка топографической карты лесных участков и близлежащей территории, затем на нее нанесены результаты исследований.
Ключевые слова: лес, лесные участки, запас снежного покрова, запасы воды, полевые работы, камеральные работы, ГИС-технологии, Уфимский район.
Леса являются уникальными и одним из наиболее важных экосистем на Земле. Доля лесов в Республики Башкорстан составляет около 38%, а в горах Башкирского Урала лесистость в отдельных местах достигает 90%. Одной из важнейших характеристик ландшафта лесных территорий в зимний период являются свойства снегового покрова - его мощность и плотность. По мнению А.А. Молчанова [1], основным ключевым фактором являются исследования запасов снега на сток, а также накопления запасов внутрипочвенной влаги. От этих показателей зависит как глубина промерзания грунта, так и запас содержащейся в снегу воды. В настоящее время, в век технического прогресса, особое внимание обращается геоинформационным технологиям. Исключением не является исследование снегового запаса. Например проведен-ние авиационной гамма-съемки в Республике Башкортостан в 2016 и 2017 годах позволило оценить точную толщину снежного покрова в труднодоступных и горных районах. Методика позволяют произвести эффективную обработку результатов снегомерной съемки, то есть результаты достигаются за кротчайшие сроки и являются более точными. Поэтому использование геоинформационных технологий в исследовании снегового запаса лесных терри-
торий является актуальным при определении продуктивности лесов.
В качестве объекта исследования были выбраны снежный покров лесных участков территории Республики Башкортостан за 2015-2016 года.
Целью исследования является выявление закономерностей формирования снежного покрова и определение запасов снега на лесных территориях Уфимского района Республики Башкортостан с использованием геоинформационной съемки.
Методика
Исследования проводились в 2016 году в Республике Башкортостан, во время подготовки к весеннему половодью. В ходе проведения исследования были использованы материалы авиационной гамма-съемки для наиболее точного прогнозирования прохождения половодья. Водосборную площадь р. Белая поделили на 4 кольца облёта общей протяженностью 2200 км. Маршрут охватил водосборные площади реки Уфа (от истока до створа Павловского гидроузла), реки Нугуш (от истока до створа Нугушского гидроузла), рек Сим и Инзер, а также реки Белая (от истока до створа Юмагу-зинского гидроузла). Маршруты облёта были сформированы таким образом, чтоб охватить
горно-лесные зоны республики, где формируются основные запасы воды в снеге, и количество гидрологических створов Башгидромета является недостаточным [2], [3].
При ежедневных наблюдениях за снежным покровом определялись:
- степень покрытия окрестности станции снежным покровом (выражаемая в баллах);
- характер залегания снежного покрова на местности (записывался в виде кода);
- структура снега (записывался в виде кода);
- высота снежного покрова на метеорологической площадке или на выбранном участке вблизи станции (выражаемая в см).
При снегосъемках на каждом выбранном маршруте определялись:
- высота снежного покрова (среднюю из установленного числа измерений);
- плотность снега (среднюю из установленного числа измерений);
- структура снежного покрова (наличие прослоек льда, воды и снега, насыщенного водой);
- характер залегания снежного покрова на маршруте;
- степень покрытия снегом маршрута;
- состояние поверхности почвы под снегом (мерзлая, талая).
Результаты и обсуждение
Нами установлено, что сезонные осадки в городском округе город Уфа за 10 лет составляют 517 мм, из них весной - 18,4%, летом -33,6%, осенью - 28,0%, зимой - 20,0%. За период с 1 сентября 2015 года по 30 апреля 2016 года
было проведено 176 наблюдений за высотой снежного покрова. Средняя высота составила 21,8 см, а максимальная высота - 46 см (данный показатель был 04.03.16). Изменение высоты снежного покрова лесных участков с октября по апрель представлено ниже в таблице 1.
Наблюдения за снежным покровом состоял из ежедневных наблюдений за изменением (динамикой) снежного покрова и периодических снегосъемок для определения снегонакопления и запаса воды на элементах природного ландшафта (поле, лес, балки, овраги).
В результате анализа продуктивности лесов от запасов снежного покрова, выявлено усиленное произрастание сосновых насаждений. Из таблицы 1 видно, что наименьшие накопление запасов снега наблюдается с ровным рельефом местности. С увеличением температуры атмосферного воздуха (средняя от -1,1 до 4,9 °С), которая наступает ранее, чем в горной местности происходит увеличение плотности снегового покрова. Измерение толщины снега в труднодоступных местах в снегомерных постах вручную на метеостанциях Башгидромета не позволяла определить в точности запасы снегового покрова, погрешности составляли от 0,2 м до 0,31 м [4]-[6]. Авиационная гамма-съемка показала точную толщину снежного покрова в ровных рельефах местности, а также в труднодоступных горных районах, применение этого способа подтвердило точность до мм определить толщину снега. Обработка материалов программным продуктом Мар1п1о 10.5 доказала достоверность плотности снегового покрова, запасов воды.
Таблица 1 - Показатели высоты снежного лесных территорий покрова за период с 1.10.15 г. по 12.04.16 г. городского округа город Уфа
Месяц Среднее знач. снежного покрова, см Максимальное значение снежного покрова, см Количество наблюдений снежного покрова
Октябрь 1,7 3 9
Ноябрь 3,8 9 28
Декабрь 10,3 21 32
Январь 29,9 39 32
Февраль 41,9 45 29
Март 34,4 46 32
Апрель 2,9 13 10
Мустафин Р.Ф. и др.
Влияние рельефа на запасы снежного покрова и влаги...
Общий запас сосновых насаждений в республики составляет более 3,2 млн. м3, в том числе в смешанных лесах - 1,2 млн. м3. Наиболее продуктивными являются горные местности либо возвышенности, на которых сосредоточено 746 тыс. м3 сосновой древесины. Это подтверждается тем, что на этих высотах снеговые запасы больше и условия произрастания более благоприятны. Все это позволяет сделать вывод, что в низинах, в поймах рек, в местах с высоким уровнем грунтовых вод, на высоте менее 200 м сосновые насаждения характеризуются высокой продуктивностью.
Наиболее продуктивными являются западные и юго-восточные склоны, что объясняется более подходящими условиями для роста древостоев: более теплыми, чем северные и северо-восточные; более увлажненными, чем южные направления. Определение основных характеристик снежного покрова на элементах ландшафта производились на выбранных и закрепленных на местности снегомерных маршрутах. Маршруты должны быть характерными для окружающей местности, в нашем случае, маршруты соответствовали условиям формирования снежного покрова леса.
В лесных районах и в местности с ровным рельефом, на небольших полях, располагающихся среди лесов, выбирали полевой маршрут длиной 1000 м. Лесной маршрут прокладывали по наиболее характерным для данного района участкам леса в виде прямой длиной 500 м. Если в лесу преобладало хвойные породы деревьев, то маршрут прокладывали среди хвойных деревьев; если лиственные породы - среди лиственных. Начало лесного маршрута выбирали не ближе чем в 100 м от края леса. При малых размерах лесного участка прокладывали две линии общей протяженностью 500 м; первая начинается на расстоянии 100 м от края леса, а вторая - параллельно первой на расстоянии 25-50 м от нее в глубь леса.
После выполнения измерений, подчитывали плотность снежного (ё, кг/м3) покрова и запас воды (2, кг/м3) в нем по формулам:
2 = 10* н *а,
ср '
(2)
Б = т /V,
ср
(1)
где Н - средняя высота снежного покрова
(м). ср
Учитывая, что мы не проводили измерения по определению массы и объема снега, изучили, какую плотность мог бы иметь снег в зависимости от температуры атмосферного воздуха [7]-[12]. Пушистый легкий снег, выпавший в относительно морозную погоду с температурой воздуха около -10 °С имел плотность порядка от 95 до 100 кг/м3. В конце осени и в начале зимы удельный вес снега, лежащего на горизонтальных и слабо наклонных поверхностях, обычно составлял 160±40 кг/м3. В моменты продолжительных оттепелей удельный вес снега существенно начинал расти (снег «садился» как весной), достигая иногда значений в 700 кг/м3. Именно поэтому в более теплых районах плотность снега оказался больше, чем в холодных северных местностях. К середине зимы снег уплотнился под действием солнца, ветра и от давления верхних слоев сугробов на нижние слои. Удельный вес становился равным 280±70 кг/м3. К концу зимы под действием более интенсивного солнца и февральских ветров плотность снежного наста составило равной 380±110 кг/м3, иногда достигая 580 кг/м3. Весной перед обильным таянием удельный вес «мокрого» снега составило 750±100 кг/м3, приближаясь к плотности льда - 917 кг/м3.
Согласно вышеприведенным нами исследованиям вес снегового покрова в городском округе город Уфа в среднем составило около 500 кг/м3 (рисунок 1).
Исходя из результатов, мы рассчитали запасы воды по формуле (2), содержащейся в снежном покрове за каждый исследуемый месяц [8], [9]. Расчеты проводили по усредненным показателям высоты снежного покрова:
2 = 10* 0,017*160 = 17 кг/м3;
о ' '
2 = 10* 0,038*170 = 64,6 кг/м3;
н ' ' '
2 = 10* 0,103*200 = 206 кг/м3;
д
2 = 10* 0,299*280 = 837,2 кг/м3;
я ' ' '
Ъ. = 10* 0,419*400 = 1676 кг/м3;
ф ' '
2 = 10* 0,344*750 = 2505 кг/м3;
м ' '
2 = 10* 0,029*900 = 261 кг/м3.
где т - масса снега,
ср
V - объем (по снегомеру).
Полученные данные систематизировали в единую таблицу 2.
Далее, используя программное обеспечение MapInfo 10.5, производили оцифровку топографической карты неизвестного масштаба, привязанная в проекции UTM WGS 84 для облегчения переноса данных с GPS.
После оцифровки картографические данные экспортировали в ArcGis для дальнейшей обработки. Первым этапом производили интерполяцию методом Натурального соседства (Natural neighbor), по результатам которой составили обзорную карту [13]—[15]. С помощью инструмента 3D Analys построили профили маршрутов. На втором этапе, на основе полученных данных интерполяции получили карту углов наклона и экспозиции склонов. Также составили TIN-модель.
Выводы
По результатам проведенных исследований были сделаны следующие выводы: снегомерная съемка лесных участков крайне важна для исследования как геоморфологических, так и метеорологических процессов, а также определения продуктивности лесов. Температура атмосферного воздуха за период наблюдений с 1 октября 2015 года по 12 апреля 2016 года составила -2,26° С, среднее значение снегового запаса на территории леса - 17,87 м, плотность снегового покрова - 408,57 кг/м3 и запас воды содержащийся в снеге - 795,26 кг/м3. Большая часть лесопокрытой площади в исследованиях располагалось на склонах от 1 до 3 °С увеличением крутизны местности средний продуктив-
Рисунок 1 - Плотность снегового покрова на территории лесных участков
Таблица 2 - Сводная таблица по результатам полевых и камеральных работ по исследованию снежного покрова на территории лесных участков
Месяц Температура атмосферного воздуха, оС Среднее значение снежного покрова, м Плотность снегового покрова, кг/м3 Запасы воды, кг/м3
Октябрь -2,2 1,7 160 17
Ноябрь -2,6 3,8 170 64,6
Декабрь -5,5 10,3 200 206
Январь -11,7 29,9 280 837,2
Февраль -4,6 41,9 400 1676
Март -1,1 34,4 750 2505
Апрель до 12.04 +4,9 2,9 900 261
Среднее значение -2,26 17,84 408,57 795,26
Мустафин Р.Ф. и др.
Влияние рельефа на запасы снежного покрова и влаги..
ный запас сосновых насаждений уменьшался. Проанализировав запасы снега снежного покрова различными методиками исследований позволило осуществить мониторинг запаса, но и факторы влагонакопления и регулирования во-
дных режима. Использование ГИС-технологий значительно упрощает анализ материалов снегомерной съемки, а так же помогло представить полученные данные в наиболее наглядной форме.
10.05.2017
Список литературы:
1. Молчанов, А.А. Гидрологическая роль леса / А.А. Молчанов. - М.: Изд-во АН СССР, 1960. - 468 с.
2. Загитова, Л.Р. Особенности влияния метеорологических факторов на сток в бассейне реки Белой / Л.Р. Загитова // Межведомственный сборник материалов, посвященных Всемирному дню водных ресурсов. Отдел водных ресурсов по Республике Башкортостан Камского бассейнового водного управления. - Уфа, 2011. - С. 87-89.
3.Загитова, Л .Р. Климатические и почвенно-геоботанические условия формирования стока в бассейне р. Белой / Л .Р. Загитова // Аграрная наука в инновационном развитии АПК: материалы международной научно-практической конференции, посвященной 85-летию Башкирского государственного аграрного университета, в рамках XXV Международной специализированной выставки «Агрокомплекс-2015». - Башкирский государственный аграрный университет, 2015. - С. 210-214.
4. Загитова, Л.Р. Особенности загрязнения реки Зиган объектами нефтедобычи / Л.Р. Загитова, Р.Ф. Мустафин // Межведомственный сборник материалов, посвященных Всемирному дню водных ресурсов. - Уфа, 2012. - С. 63-66.
5. Калинин, Н. А. Моделирование процессов снегонакопления и снеготаяния на водосборе Воткинского водохранилища с использованием модели WRF-ARW / Н.А. Калинин, А.Н. Шихов, Е.М. Свиязов // Журнал Метеорология и гидрология, Издательство: Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии «Планета». - Москва, 2015. - С. 57-68.
6. Мустафин, Р.Ф. Состояние р. Яманъелга в районе куста нефтедобывающих скважин / Р.Ф. Мустафин // Межведомственный сборник материалов, посвященный Всемирному дню водных ресурсов. - Уфа, 2013. - С. 34-36.
7. Пьянков, С.В. Исследование динамики процессов снеготаяния методами геоинформационного моделирования (на примере территории Пермского края) / С.В. Пьянков, А.Н. Шихов // Вестник Удмуртского университета, серия биология. науки о земле. - Издательство: Удмуртский государственный университет, Ижевск. - 2013. - С. 123-131.
8. Шикломанов, И.А. Влияние хозяйственной деятельности на речной сток / И.А. Шикломанов. - Л., Гидрометеоиздат, 1989. -С. 334.
9. Baumgarther, A. Einfluss energetischer Faktoren auf Klima, Produktion und Wassrumsalz in bewalden Einzugsgebieten / A. Baumgarther // XV JUFRO Congress, Proceedings. - USA.
10. Flemming, G. Wald und Wasser in weltweiter Uberschau / G. Flemming // Wiss, Z. T. U.. - 17. - Dresden - 1968. - Р. 16-58.
11. Leiton, L. Precipitations and Forests / Leiton L and Rodda // Procttdings of the Joint FAO/USSR. International symposium on Forest Influeces and Watershed Management. - FAOUN. USSR, Moscjw. - 1970. - Р. 37-48.
12. Ryzhkov, I.B. Quantitative consideration of tree-shrub vegetation in slope-stability analysis / I.B. Ryzhkov, A.A. Arslanov, R.F. Mustafin // Springer Science+Business Media New York. - 2014. - P. 145-146.
13. Indicadores biologicos da qualidade do solo em sistema agrossilvopastoril no noroeste do estado de minas geral / M.N. Claudia, L.G. Renato, M.S. Fatima, F.D. Alexandre // Cienc. agrotec. - Lavras. - V. 33, n. 1/ - 2009. - Р. 105-112.
14. Franco, A. Trace Elements in Soils of Urban Areas / A. Franco, B. Mattia // Water Air Soil Pollut. - 11 November. - 2009. - Р. 23.
15. PGEs and other traffic-related elements in roadside soils from Sao Paulo, Brazil / C.P. Morcelli et al. // Science of the Total Environment. - 2005. - Р. 81-91.
Сведения об авторах:
Мустафин Радик Флюсович, декан факультета природопользования и строительства Башкирского государственного аграрного университета, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент 450001, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34, (347)2280871, e-mail: mustafin-1976@mail.ru
Хабиров Ильгиз Кавиевич, профессор кафедры почвоведения, ботаники и селекции растений факультета агротехнологий и лесного хозяйства Башкирского государственного аграрного университета,
доктор биологических наук, профессор 450001, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34, (347)2785611 e-mail: Ilkhabirov@mail.ru
Султанова Рида Разябовна, профессор кафедры лесоводства и ландшафтного дизайна факультета агротехнологий и лесного хозяйства, Башкирского государственного аграрного университета,
доктор сельскохозяйственных наук, профессор 450001, г Уфа, ул. 50-летия Октября, 34, (347)2280814, e-mail: vestnik-bsau@mail.ru
Раянова Анжелика Рамисовна, аспирант второго года обучения кафедры природообустройства, строительства и гидравлики факультета природопользования и строительства Башкирского государственного аграрного университета 450001, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34, anzhelika.rayanova@mail.ru
