Ветрозащитная способность лесных полос

Наблюдениями в лесостепных условиях установлено, что на заветренной опушке леса скорость ветра значительно меньше, чем в открытом поле, что благотворно сказывается на урожайности сельскохозяйственных культур. Это свойство леса в дальнейшем использовалось для борьбы с ветрами и засухой. Экспедицией В. В. Докучаева для изучения ветрозащитных свойств лесных полос были заложены на опытных участках лесные полосы шириной от 6 до 200 м. В результате исследований свойств этих полос оказалось, что узкие лесные полосы отличались наибольшей эффективностью. Если дальность ветрозащитного действия лесных опушек и широких лесных полос простиралась на расстояние, равное 10-15 высотам леса, то за узкими лесными полосами она достигала 30-40 высотам деревьев и больше. При этом выявилось, что ветрозащитное действие находится в большой зависимости от конструкции лесных полос. Под конструкцией понимается сложение лесной полосы, характеризуемое размерами и распределением просветов по вертикальному профилю, т. е. ветропроницаемостью лесного насаждения. Конструкция зависит от ширины лесной полосы и ее ярусности. Чем шире полоса, тем меньше в ней просветов и ее ветропроницаемость.

Обычно выделяют следующие основные конструкции, между которыми могут быть промежуточные (рис. 23).

Непродуваемая конструкция отличается почти полным отсутствием просветов на боковой поверхности лесной полосы. Ширина таких полос более 20 м, насаждение многоярусное, но может быть и простым. Основная масса потока ветра обтекает такую полосу сверху; сквозь нее проходит не более 25-30% ветрового потока.

Ажурная конструкция характеризуется равномерным размещением просветов (разной крупности) на боковой поверхности лесной полосы. Площадь просветов составляет 25-35% площади стены леса. Ширина таких полос 15-20 м; насаждения сложные. Основная часть потока воздуха проходит сквозь такую ажурную стену, а остальная обтекает ее сверху.

Продуваемая конструкция отличается от ажурной большей плотностью вверху и середине бокового профиля и более крупными просветами внизу. Площадь просветов достигает 60-70%. Ширина таких лесных полос 5-15 м; насаждение двухъярусное, без подлеска или с низким кустарником. Основная часть потока воздуха проходит сквозь низ такой полосы, а остальная обтекает ее сверху.

Я. А. Смалько предложил под ажурностью лесной полосы понимать общую площадь просветов, выраженную в процентах к площади боковой поверхности, а под конструкцией — величину и характер распределения просветов на этой поверхности.

В таблице 23 приведена современная классификация конструкций лесных полос.

Кроме различной ветропроницаемости и ее характера, дальность ветрозащитного влияния лесных полос, или, как говорят, их ветровая тень, определяется еще природой ветрового потока.

Воздух на земном шаре непрерывно перемещается из областей высокого давления в области низкого давления, обтекая поверхность земли. Движение воздушного потока может быть ламинарным и турбулентным.

Ламинарное (спокойное) движение бывает в том случае, если отдельные частички воздуха движутся параллельно поверхности земли и друг другу. Такое состояние движения бывает редко.

Турбулентное (вихреобразное) движение наблюдается, если отдельные части потока движутся в различных направлениях, вызывая порывистость ветра, без изменения общего направления движения воздушного потока. Такое движение воздуха является обычным. Различают термическую и динамическую турбулентность.

Термическаятурбулентность наблюдается в том случае, если поверхность земли теплее воздуха; воздух, нагреваясь у поверхности земли, расширяется и поднимается вверх, а ему на смену опускается плотный, более холодный. В результате этого процесса происходит перемешивание воздуха.

Динамическаятурбулентность вызывается повышенной скоростью движения воздуха и шероховатостью поверхности земли. При ударах и отражении частиц воздуха неровными поверхностями земли воздушный поток непрерывно перемешивается. Чем больше скорость ветра, тем заметнее турбулентность его движения.

Рассмотрим, как изменяется движение воздушного потока и его скорость под влиянием лесных полос разных конструкций.

Лесная полоса, находясь на пути движения воздушного потока, вызывает большие изменения в его структуре и скорости, физическая сущность которых очень сложна и полностью еще не раскрыта. Но то, что изучено, дает возможность правильнее оценить выбор той или иной конструкции лесной полосы для более эффективной защиты полей от ветра.

Изменение общего характера движения воздуха под влиянием лесной полосы изучают при помощи пуска дыма или уравновешенных шаров-пилотов. Дым и шары делают видимыми отдельные струи воздуха и позволяют проследить их движение. При подходе к лесной полосе часть воздушного потока поднимается вверх, обтекает ее и раздваивается: одна часть продолжает движение вверху, другая опускается за полосой. Часть потока проходит сквозь лесную полосу, раздробляется на мелкие струи, уменьшает свою скорость и продолжает движение за полосой, постепенно перемешиваясь с перевалившей через верх полосы другой частью воздушного потока.

Непродуваемую лесную полосу воздушный поток обтекает только сверху и почти сразу же обрушивается за нею. Некоторое представление о ветроломном действии лесных полос дает рисунок 26. По мере увеличения ажурности полосы (процент площади просветов) просачивание воздуха сквозь нее станет возрастать, а переваливание через верх полосы уменьшаться. Но характер движения потока воздуха будет зависеть не только от степени ажурности, но еще и от конструкции, т. е. от того, как размещены просветы, равномерно или сосредоточены и нижней части лесной полосы.

Для выяснения дальности влияния лесных полос разных конструкций измерялась скорость ветра на высоте 1-2 м от земли на разных расстояниях от полосы. Такие измерения проводят в перпендикулярном направлении к полосе как с наветренной, так и с заветренной ее стороны. Точки для измерения скорости ветра для удобства обобщения материалов наблюдений выбирают на расстояниях, измеряемых не метрами, а высотой (Н) лесной полосы, обычно 5Н, 10Н 15Н и т. д.

В результате таких исследований еще в 30-х годах были выявлены особенности действия полос разных конструкций на снижение скорости ветра и дальность их влияния. Лучшей конструкцией оказалась ажурная.

Дальнейшее изучение ветрозащитных свойств лесных полос проведено в 50-х годах Я. А. Смалько, который обобщил материалы прежних лет, уточнил понятие конструкций лесных по­лос и применил новую методику исследования. Скорость ветра измерялась им на разных высотах от поверхности земли — 1, 2, 5,10 и 15 м с использованием специальных мачт одновременно в разных пунктах. Результаты этих наблюдений приведены на рисунке 27, где изолиниями показаны зоны равных скоростей в процентах от скорости ветра в открытом поле.

На рисунке видно, что влияние лесной полосы непродуваемой конструкции на снижение скорости ветра в приземном слое (1 м) простирается на расстояние до 40 Н, ажурной — до 45 Н, про­дуваемой — до 50 Н. Зона наиболее эффективного действия, где скорость ветра снижается на 70% и более, достигает у непродуваемой лесной полосы 15 Н, у ажурной — 20 Н и продуваемой — 25 Н.

Влияние лесных полос на воздушный поток простирается в высоту до 3 Н. Линия, соединяющая точки наибольшего снижения скорости ветра на разных удалениях от полосы, у непродуваемой конструкции начинается на опушке (0) и затем круто поднимается вверх, заканчиваясь на расстоянии 47 Н на высоте 12 м; у ажурной соответственно начинается на расстоянии 5 Н (наименьшая скорость) и заканчивается на расстоянии 52 Н на высоте 8 м; у продуваемой соответственно 6Н и 60 Н на высоте 8 м. Таким образом, наибольшая дальность ветрозащитного действия лесных полос разных конструкций наблюдается не уземной поверхности, а примерно на уровне высоты лесной полосы.

С наветренной стороны защитное влияние полос всех конструкций достигает по горизонтали 10-15 Н, а эффективная защита — не более 5 Н. Вместе со снижением скорости воздушного потока в горизонтальном направлении уменьшается и его турбулентность.

Следовательно, наиболее эффективной конструкцией лесных полос в пределах исследованных высот насаждений 7-9 м и скоростей ветра 5-8 м/сек на высоте 2 м является продуваемая с оптимальной ажурностью, когда просветы занимают 35% площади вертикального профиля лесной полосы и сосредоточены в ее нижней части, занимая там 60-70% площади. Эффективная дальность действия такой полосы равна 5 Н с наветренной и 25 Н с заветренной стороны. Эффективность полосы такси конструкции, или так называемая ветрозащита, меняется в зависимости от степени ажурности и скорости ветра, как это видно из данных таблицы 24.

При оптимальной ажурности (35%) и несколько ниже ее с возрастанием скорости ветра с 4 до 8 м/сек увеличивается дальность действия лесной полосы, а ветрозащита, характеризуемая средним процентом снижения скорости ветра в зоне 0-30 Н, остается почти без изменения или несколько уменьшается. При ажурности больше оптимальной с возрастанием скорости ветра уменьшается как дальность влияния, так и ветрозащита лесной полосы. При одной и той же скорости ветра с увеличением или уменьшением ажурности по сравнению с оптимальной сокращаются дальность влияния и ветрозащита лесной полосы.

При больших скоростях ветра (15-20 м/сек) дальность ветрозащитного влияния лесных полос увеличивается до 80 Н (по Я. А. Смалько). При этом надо иметь в виду, что такая скорость ветра, даже будучи снижена в 2 раза, может вызвать повреждения посевов и почвы.

Лесные полосы в безлистном состоянии вследствие увеличения степени ажурности снижают в 2-3 раза ветрозащиту в зоне 0-30 Н. Эффективность лесных полос разных конструкций приведена в таблице 25.

Ветрозащита насаждений без листьев снижается у лесных полос непродуваемых конструкций примерно в 1,5 раза, у ажурных и продуваемых — в 2 раза и аллейных — в 3 раза. Это необходимо иметь в виду при создании лесных полос в районах, где наблюдаются зимние черные бури. При этом надо учитывать не только общую ветрозащиту, но и характер изменения ее в зоне 0-30 Н. В этом отношении плотные лесные полосы, создающие резко выраженную неравномерность в уменьшении скорости ветра, считаются неудовлетворительными. Аллейные полосы оказались малопригодными для борьбы с суховеями и черными бурями, так как у них проницаемость ветра при больших его скоростях резко возрастает.

Приведенные данные по ветрозащите получены в основном при исследовании одиночных лесных полос. При создании системы таких полос, как показали исследования И. К. Винокуровой в Институте сельского хозяйства центрально-черноземной полосы им. В. В. Докучаева, их ветрозащитное влияние возрастает на 10-15%.