Современная экологическая обстановка в отдельных странах и регионах оставляет желать лучшего. Миссия нашего сайте — обеспечить русскоязычных жителей планеты Земля актуальной информацией о защите окружающей среды, экологической безопасности и экологии в целом.

Полезные ресурсы и публикации:
-

С.В. Комонов, Е.Н. Комонова
Ветровая эрозия и пылеподавление

Курс лекций. - Красноярск: Изд-во СФУ, 2008. - 192 с.

Предыдущая

Глава 1. Ветровая эрозия

1.5. Факторы ветровой эрозии почв

1.5.4. Растительность

Растительность - наиболее легко поддающийся воздействию человека фактор ветровой эрозии. Именно с растительностью связаны основные надежды в деле охраны от ветровой эрозии. Растительность оказывает влияние и на свойства грунта и на свойства воздушного потока. Влияние растений на ветровую эрозию весьма многообразно, но в большинстве случаев положительно.

1.5.4.1. Противодефляционная стойкость агробиогеоценозов

При взаимодействии с растением структура воздушного потока изменяется: увеличивается интенсивность турбулентности и уменьшается средняя скорость. Слой, в котором увеличилась интенсивность турбулентности, называется - турбулентным следом. Турбулентный след, образующийся за группой растений, выполняет роль буфера, который ведет как бы к расслоению пограничного слоя атмосферы, сопровождающемуся ослаблением турбулентного обмена между выше- и нижележащими слоями воздуха. Степень изменения воздушного потока зависит от скорости набегающего потока и от структуры растительного покрова. Чем больше высота растительного покрова, тем больше расстояние, на котором проявляется его воздействие на воздушный поток. Это расстояние является сложной функцией не только высоты, но и формы и механических свойств растений, а также скорости набегающего потока.

Чем больше скорость, тем длиннее турбулентный след растения в потоке. Снижение скорости ветра наблюдается не только в подветренной зоне, но и в наветренной. Итак, вокруг одиночного растения, обтекаемого воздушным потоком, образуется зона, в которой скорость ветра снижена по сравнению со скоростью в набегающем потоке. Полезной частью этой зоны будет та, в которой скорость будет меньше, чем критическая для данного грунта. Ее можно назвать защитной зоной.

Если растения расположить так, что их защитные зоны займут всю поверхность грунта, он будет полностью защищено от выдувания.

Увеличение скорости ветра приводит к уменьшению зоны, защищаемой отдельным растением. Поэтому может быть достигнута такая скорость, при которой, несмотря на наличие растительности, начнется перенос грунта ветром. Эта скорость и будет критической для данного агробиогеоценоза. Исходя из общих соображений следует ожидать увеличения критической для грунта данного поля скорости ветра с увеличением суммарной поверхности покрывающей его растительности или пожнивных остатков (при условии неизменности свойств грунта). Это подтверждается опытами в аэродинамической установке, на основании которых была получена следующая формула:

                                   (4)

где     - пороговая скорость ветра (см/с) на высоте  см от поверхности грунта;

 - количество растений (при высоте среза 15 см) в кг/га (в опытах оно изменялось в пределах 0-4000 кг/га);

 - содержание в грунте комков крупнее 1 мм.

В данном случае аэродинамические свойства растений выражены не суммарной площадью элементов растения в единице объема воздуха, а весом. Этот показатель хотя и несет меньше информации, но более широко используется, поскольку его легче определить. Однако положение об увеличении противодефляционной стойкости агробиогеоценоза с увеличением плотности растительного покрова справедливо не во всем диапазоне возможных значений плотности. В диапазоне очень малых значений плотности растительного покрова, при низкой интенсивности турбулентности набегающего потока увеличение плотности растительного покрова сопровождается увеличением опасности ветровой эрозии. При этом опасность эрозии в условиях одинаковой плотности растительного покрова тем больше, чем длиннее и тоньше листья.

Снижение противодефляционной стойкости агробиогеоценоза в результате появления всходов можно объяснить тем, что ядро турбулентного следа ростков в воздушном потоке располагается непосредственно у грунтовой поверхности. При этом средняя скорость ветра в непосредственной близости к грунтовой поверхности уменьшается, однако увеличивается интенсивность турбулентности, а с ней и мгновенные скорости.

Увеличение опасности ветровой эрозии связано, с превышением максимальными пульсациями критической для грунта данного агробиогеоценоза скорости.

Для того, чтобы снизить опасность ветровой эрозии грунта необходимо обеспечить условия для достаточного снижения средней скорости в ядре турбулентного следа или для вытеснения его на достаточную высоту над поверхностью.

1.5.4.2. Трансформация полей метеорологических величин под действием растительности

Рассмотрим, как меняются поля метеорологических величин под действием переменной шероховатости, созданной растительностью.

При движении воздушного потока вдоль линии ABCDEF (рисунок 4), пересекающей участки поверхности с разной шероховатостью, характеристики потока изменяются в зависимости от шероховатости. В области потока BKLC, формирующейся под влиянием новой поверхности ВС, характеризующейся параметром шероховатости  можно выделить слой BCL, полностью приспособившийся к условиями новой шероховатости.

Слой BKLC, называемый внутренним пограничным слоем, следует рассматривать как слой, возмущенный относительно начального состояния.

В данном случае начальное состояние потока сформировалось под влиянием участка АВ, характеризуемого параметром шероховатости . Толщина поверхностного слоя, полностью приспособившегося к новой шероховатости, составляет около 10% от толщины внутреннего пограничного слоя. В пределах слоя, приспособившегося к новой шероховатости на участке ВС, вертикальный профиль продольной средней скорости описывается логарифмической зависимостью с параметром шероховатости . В невозмущенном потоке (выше линии АВКР) он описывается той же зависимостью с параметром шероховатости .

Рисунок 4 - Схема строения приземного слоя атмосферы

Лесополоса, расположенная на участке DE, служит препятствие ветру. При взаимодействии с лесополосой воздушный поток сильно изменяется.

Степень изменения воздушного потока зависит от скорости и других характеристик невозмущенного потока, от характеристик лесополосы (высоты, ветропроницаемости и формы поперечного профиля) и от шероховатости поверхности почвы на участке EF.

Взаимодействие потока с лесополосой осуществляется в процессе огибания одной частью потока лесополосы сверху и сбоку и прохождения другой части сквозь лесополосу. При этом за лесополосой образуется область потока, характеристики которой зависят от условий взаимодействия потока с лесополосой. В этой области под влиянием шероховатости участка EF формируется новый внутренний пограничный слой

EFN, в пределах которого в свою очередь формируется слой EFM, полностью уравновешенный с поверхностью EF, характеризуемой параметром шероховатости . Характеристики потока в слое FEDCLKP зависят от конструкции лесополосы. Важнейшей характеристикой лесополосы является ее высота. Чем больше высота, тем больше эффективное расстояние. Под эффективным расстоянием понимают максимальное расстояние от лесополосы в подветренную сторону, на котором заметно ослабление ветра. Ослабление считают заметным, если оно составляет не менее 10% от скорости в невозмущенном потоке.

Другим важнейшим свойством лесополосы является ее проницаемость для воздушного потока: чем более проницаема лесополоса, тем большую долю воздушного потока она пропускает сквозь себя и тем меньшую долю отклоняет вверх и в сторону.

Проницаемость лесополосы зависит от суммарной площади поверхности листьев, ветвей и стволов в объеме лесополосы. Измерение площади поверхности листьев, ветвей и стволов - чрезвычайно трудоемкая процедура. Обычно ее заменяют определением ажурности лесополосы, под которой понимают величину отношения площади просветов в продольном профиле лесной полосы в облиственном состоянии к его общей площади. Ажурность тесно связана с проницаемостью для ветра (чем больше ажурность, тем больше ветропроницаемость), поэтому ее можно использовать в качестве меры ветропроницаемости. Ажурность, а с ней и проницаемость для воздушного потока, зависят от состава древесных пород, числа рядов в полосе, густоты насаждения в ряду, выражаемой числом стволов на погонный километр.

Кроме того, проницаемость зависит и от расстояния между рядами, от угла атаки ветра и от формы поперечного сечения лесополосы.

Наилучшей формой для ажурных полос считается прямоугольная, для продуваемых - треугольная.

Область влияния лесополосы на поток обнаруживается и с наветренной и с подветренной сторон. Причем область, расположенная с наветренной стороны, во много раз меньше области, расположенной с подветренной стороны. Чем больше проницаемость полосы, тем меньше зона влияния, расположенная с наветренной стороны.

Характер возмущений в потоке при встрече с лесополосой зависит от ее проницаемости. Если полоса плотная, то характер ее обтекания потоком близок к характеру поперечного обтекания уступа на твердой поверхности, обращенного навстречу потоку. При обтекании такого уступа, образуется зона торможения потока. Из этой зоны вниз отклоняется струя, которая образует вихрь с горизонтальной продольной осью.

Над уступом также образуется зона с вихрем. Эти вихри периодически отрываются от уступа и уносятся потоком, образуя вихревые дорожки в подветренной зоне потока.

Аналогия между процессами обтекания плотной лесной полосы и уступа на твердой поверхности, конечно, неполная, так как даже плотная полоса характеризуется проницаемостью, доходящей до 15%.

Наличие проницаемости у лесополосы еще больше осложняет картину ее обтекания воздушным потоком, поскольку в этом случае каждое дерево выступает в качестве индивидуального препятствия потоку.

Картина протекания воздушного потока сквозь лесополосу осложняется еще и геометрией стволов, ветвей, листьев, неравномерностью их распределения по объему лесополосы, наличием нескольких рядов деревьев в лесополосе. В результате этого вихревые дорожки, образующиеся за каждым индивидуальным препятствием, взаимодействуя между собой, дают сложную картину турбулентного следа, образующегося за лесополосой. На рисунке область следа ограничена линией FEDCLKP. Размеры и форма этого следа в значительной степени определяются проницаемостью лесополосы, а от протяженности следа зависят эффективное расстояние и протяженность защитной зоны лесополосы.

При взаимодействии лесной полосы с потоком происходит замедление потока и связанное с ним уменьшение кинетической энергии движения, частично превращающейся в тепловую энергию, а частично - в энергию турбулентных пульсаций.

В среднем влияние полезащитных лесополос на свойства воздушного потока прослеживается до расстояния, в 10-50 раз превышающего высоту лесополосы Н в подветренную сторону, и на высоту 4-5 Н над лесополосой. Минимум продольной средней скорости в подветренной зоне обнаруживается на расстоянии, равном 2-7 Н, тем дальше от лесополосы, чем больше ее проницаемость, а за плотными лесополосами - непосредственно у подветренного края. "Глубина" минимума тем больше, чем меньше проницаемость лесополосы. Поскольку эффективное расстояние прямо пропорционально ветронроницаемости лесополосы, а степень снижения скорости ("глубина" минимума) - обратно пропорциональна, существует некоторая оптимальная проницаемость, определяющая эффективность зашиты от ветра. Ей соответствует ажурность в пределах 20-40%.

Ширина полезащитной полосы оказывает влияние на продуваемость и, следовательно, на ее эффективность. Начиная с некоторой величины (8-10 м), ширина лесополосы не оказывает непосредственного влияния на величину эффективного расстояния, поэтому полосы можно делать узкими, добиваясь оптимальной проницаемости. Проницаемость измеряется в течении года в результате сбрасывания листвы. Это приводит к снижению эффективного расстояния в 1,3-1,8 раза и к уменьшению степени снижения средних горизонтальных скоростей ветра в 1,2-2,8 разя в подветренной зоне протяженностью 0-30 Н.

Лесные полосы позволяют предотвратить ветровую эрозию грунта или существенно снизить ее интенсивность только при условии, что они образуют систему. Две полезащитные лесополосы образуют систему, если они расположены параллельно друг другу на таком расстоянии, при котором турбулентный след одной из них достигает другой. Эффективное расстояние, т.е. расстояние, на котором можно обнаружить турбулентный след, зависит от проницаемости лесополосы и от характеристик потока, в первую очередь от его скорости. Поэтому две полосы с характерными для них конструкциями и расстоянием друг от друга при одной скорости ветра образуют систему, а при другой - нет.

Эффективность лесополос зависит от угла атаки ветра: чем меньше направление ветра отклоняется от перпендикуляра к полосе, тем больше эффективность системы. Чем меньше направление ветра отклоняется от направления лесополосы, тем меньше ее эффективность; однако она никогда не равна нулю. Полоса, даже параллельная ветру, снижает его скорость, однако эффективность ее при этом составляет примерно 25% от эффективности при поперечном ветре.

Скорость ветра в системе лесополос уменьшается с увеличением расстояния от края системы. Однако при фиксированном расстоянии между лесополосами это уменьшение не беспредельно. Увеличение числа моделей лесополос в системе сверх 10 не сопровождалось дальнейшим уменьшением скорости ветра в межполосном пространстве. Это свидетельствует о том, что любая система лесополос на определенном расстоянии от края приходит в равновесие с внешним потоком воздуха. Само же это расстояние зависит от конструкции лесополос, удаленности их друг от друга, шероховатости поверхности в межполосном пространстве, скорости ветра и других факторов.

Мерой эффективности лесополос служит снижение скорости ветра в защитной зоне не менее, чем на 10%. Применительно к оценке цротиводефляционной эффективности одиночных лесополос этого критерия недостаточно. В таком случае целесообразно использовать расстояние от лесополосы, на котором скорость ветра не превышает допустимую величину. Следовательно, при оценке эффективности одиночной лесополосы необходимо определить дополнительный фактор - критическую для почвы скорость ветра, которая в свою очередь является основой для определения допустимой скорости. При оценке противодефляционной эффективности системы лесополос необходимо учитывать еще один фактор, способность лесополосы фильтровать воздушный поток и тем самым предотвращать возникновение лавинного эффекта.

Помимо воздействия на скорость ветра растительность оказывает влияние и на другие метеорологические величины приземного слоя, такие, как температура и относительная влажность воздуха, которые опосредованно, через влажность поверхностного слоя грунта влияют на его противодефляционную стойкость. Наиболее отчетливо влияние растительности прослеживается в случае с влажностью.

Предыдущая