Несмотря на то что охранная роль лесов давно известна, в силу экономических, политических и социальных факторов ей долгое время не уделялось должного внимания. В настоящей статье предпринята попытка раскрыть значение лесов для регулирования бурных русловых потоков в Швейцарских Альпах.
Влажный климат высокогорных районов Швейцарии определяется главным образом господствующими западными воздушными потоками, которые приносят фронтальные дожди летом и снег зимой. В целом осадки довольно равномерно распределены в течение года и их сумма увеличивается с высотой. По мере удаления от передовых хребтов в Пред-альпах количество осадков уменьшается, поэтому климат внутренних альпийских долин менее влажный. Если средняя годовая сумма осадков в Предальпах составляет около 2500 мм, то во внутренних горных альпийских долинах — лишь около 1500 мм; зима там длится 7—8 месяцев, а летний сезон сокращается до 4—5 месяцев. На больших высотах, наоборот, лето длится 8—9 месяцев, зима — 3—4 месяца.
Верхняя граница леса в Швейцарских Альпах обычно располагается на высотах от , 1800 до 2200 м над уровнем моря, и на этой границе средние температуры воздуха в январе колеблются от —6 до —10°С, в июле—от 6 до 10°С. Вечные снега и ледники находятся на высотах свыше 2500 м над уровнем моря.
Эти сезонные климатические контрасты оказывают влияние на водный режим высокогорий. В неледниковых районах зимой сток воды невелик, а весной (апрель—май) он возрастает не только за счет дождевых осадков, но главным образом за счет снеготаяния. Летом в связи с выпадением осадков наблюдаются резкие, но непродолжительные паводки. Они могут достигнуть угрожающих масштабов только в случае совпадения с паводками, обусловленными снеготаянием в начале лета. Примерно 65—75% среднего годового стока приходится на долю осадков, выпадающих в горно-лесных и субальпийских районах.
Проявление бурных паводков зависит не только от климатических, но в гораздо большей степени от геологических и гидрогеологических факторов. В Швейцарии горные русловые потоки преимущественно приурочены к районам, сложенным относительно легко размываемыми породами пониженной водопроницаемости. Эти потоки многочисленны в ряде районов Предальп, а также в восточной части Швейцарских Альп, где распространены довольно легко разрушаемые осадочные породы.
Там, где нет лесов и крутые склоны летом подвергаются интенсивному выпасу, а зимой — воздействию сурового климата, идет разрушение горных пород, стимулирующее ускоренную эрозию
Хозяйственная деятельность человека тоже сказывается на гидрологических особенностях территории (включая режим горных потоков), и в первую очередь расчистка земель для обработки. Основание крестьянских хозяйств в горах началось еще в XI в. и продолжалось по XV в. Вначале этот процесс сводился только к созданию пашен, затем наступила эпоха использования альпийских лугов под пастбища. В результате верхняя граница леса во многих частях Альп понизилась на 150—200 м. В то время как в некоторых районах происходило сведение лесов, в других — предпринимались ле-соохранные меры. Еще в XIV в. отдельным лесопокрытым территориям придавалась функция защиты от лавин и горных потоков. Развитие крестьянских хозяйств в более влажных районах Альп, по всей вероятности, не способствовало резкому усилению эрозии. Разрушительные последствия эрозии и паводков, вызванные горными потоками, участились только в связи с возросшим спросом на древесину со стороны промышленности, размещенной в равнинных районах Швейцарии, где недоставало лесных ресурсов. Растущее население высокогорных районов начало вырубать леса и поставлять древесину для развивающейся стекольной и металлургической промышленности, на топливо и даже на экспорт. Таким образом, много лесов было сведено на крутых склонах гор, где их следовало бы сохранять. При этом склоны становились неустойчивыми, что способствовало формированию русловых потоков в течение лишь нескольких лет с обильным выпадением дождей. Последствиями явились эрозия и паводки.
Полностью облесенный боковой склон выше подвергся размыву и осыпанию после обильного паводка. Без укрепления этого склона обломки будут и далее перемещаться вниз, забивая русло потока, а это может вызвать в следующий раз наводнение
На незакрепленных склонах эрозия — естественный процесс
Такие крутые эродируемые склоны должны быть вновь облесены только после механического укрепления
Небольшой поток, удерживаемый благодаря деревянным «ступеням» в своем русле вплоть до впадения в главную реку
Сообщения о значительных наводнениях появились в первой половине XIX в., но политическая обстановка в Европе тогда не позволяла внести изменения в сложившуюся систему использования земель вплоть до 1848 г., когда состоялся Венский конгресс. С тех пор население предупреждали о предстоящей опасности, а еще спустя 20 лет начались работы по регулированию стока. Наводнения, происшедшие в 1870—1880 гг., убедили правительство Швейцарии, что медлить больше нельзя. В 1874 г. была принята новая статья Конституции страны, обеспечившая правительству право общего надзора в сфере водного и лесного хозяйства. На этой основе через два года было разработано первое лесное законодательство, дополненное в 1902 г. Это обеспечило высокогорным лесам защиту от уничтожения. В частности, рубки таких лесов были объявлены вне закона, были выделены большие средства на лесовосстановительные мероприятия и регулирование горных русловых потоков.
Нынешнее состояние лесов и вод в Швейцарских Альпах — результат длительного развития социально-экономических процессов при постоянном воздействии сурового климата и неблагоприятных геологических условий.
Леса в высокогорных районах
Рост древесных пород замедляется на больших высотах и особенно близ верхней границы леса. С этой особенностью постоянно сталкиваются лесоводы, стремящиеся создать полноценные древесные насаждения в целях защиты от лавин, русловых потоков, камнепадов. Выяснение экологии различных типов лесов имеет важное значение. В зависимости от высоты и микроклимата в Швейцарских Альпах можно выделить три основных типа лесов.
Поток стабилизирован, перенос донных наносов уменьшился, русло не углубляется, боковые склоны закреплены растительностью. Размеры поперечного сечения плотин говорят о масштабах паводкового стока
Субальпийский еловый лес. Достигает верхней границы леса и характерен для наиболее влажных горных районов, где поднимается выше 1500 м над уровнем моря. Основная лесообразующая порода — ель (Picea abies), нередко вместе с лиственницей (Larix decidua).
Прибор для регистрации интенсивности и продолжительности дождевых осадков
Леса из кедровой альпийской сосны и лиственницы, распространенные на абсолютных высотах от 1700 до 2000 м в центральных, менее влажных горных долинах. Среди основных лесообразующих пород, кроме кедровой альпийской сосны (Pinus cembra) и лиственницы, встречается горная сосна (P. rnonta-па), а на меньших высотах — ель.
Пихтовые леса нижней части субальпийского пояса и верхней части горно-лесного пояса (1000—1500 м). Здесь господствует благородная пихта (Abies alba). В прошлом вследствие интенсивных рубок и выпаса скота происходило вторжение ели, которая во многих местах вытеснила пихту.
Только один представитель лиственных пород образует чистые насаждения в высокогорье, хотя и в ограниченной степени. Это зеленая ольха (Atnus viridis), очень быстро осваивающая свежеэродированные участки.
На рост, естественное возобновление и посадки лесных пород сильно влияют различные природные явления. При отсутствии специальных защитных мер возобновлению лесной растительности весьма препятствуют лавины. Если же они начинают формироваться у верхней границы леса или ниже ее, применение деревянных сооружений, пусть недолговременных, оказывается достаточным, чтобы защитить лес от скользящего сверху снега и лавин, пока они не набрали большой мощности.
Водомерный пост, где непрерывно регистрируют скорость течения руслового потока, который становится бурным во время паводка. Здесь необходимы надежные защитные сооружения
Русло потока всегда изобилует обломочным материалом
Близ гребней или на открытых местах сильные ветры — еще один важный фактор, влияющий на рост и развитие лесных пород в высокогорных районах. Помимо того, использование лесов под пастбища также наносит вред деревьям и кустарникам и в настоящее время запрещено законом.
Серия водозадерживающих плотин из дерева и камня укрепляет часть руслового потока, имеющего большую крутизну падения. Вдоль склонов — недавние посадки ольхи для закрепления почвы
В этой связи возникает необходимость введения ряда лесоохранных мероприятий. При проведении рубок в горах всегда необходимо иметь в виду роль древостоев в защите от лавин, оползней и камнепадов. Лесовозобновление можно осуществлять только на небольших участках, где обеспечиваются достаточное укрытие и охрана молодых деревьев. Часто приходится проводить различные лесокультурные мероприятия, чтобы предотвратить внезапные резкие изменения в развитии высокогорных насаждений. Естественно, для этого необходимы дороги, однако прокладка их сопряжена с вырубкой деревьев и легко способствует развитию эрозии.
В связи с восстановлением лесов, уничтоженных в результате вырубок и воздействия горных русловых потоков, лавин или выпаса скота, возникают новые проблемы, как, например: подготовка участка для саженцев, дренаж переувлажненных территорий, обеспечение защиты от снегопадов, сильных ветров, мороза и других климатических факторов, а также, по мере необходимости, укрепление склонов. Для успешного лесовозобновления в высокогорье важное значение приобретает подбор соответствующих древесных пород, выбор саженцев по возрасту и происхождению. Надо отметить также сложные биологические проблемы, связанные с влиянием промысловых животных, насекомых-вредителей и грибковых заболеваний.
Беречь лес, ухаживать за ним, создавать полноценные и устойчивые защитные лесонасаждения — значит, прежде всего, бороться за естественную регуляцию стока воды в горах.
Формирование русловых потоков и роль леса
Если в местностях, сложенных легкоразрушаемыми породами, избыточное количество осадков не успевает впитываться и просачиваться в почву, возникает обильный поверхностный сток на крутых склонах. При этом происходит усиленная эрозия, донные наносы перемещаются вниз по русловым потокам и концентрируются в их низовьях, что вызывает обширные наводнения в долинах. Степень опасности и соответственно необходимость регулирования стока определяются повторяемостью этих явлений. Когда они возникают только раз в 20 лет или еще реже, естественные процессы во многих районах Швейцарских Альп оказываются в состоянии предотвратить ускоренное развитие эрозии. Если, однако, повторяемость более частая, то естественной «самозащиты» недостаточно.
Разливы русловых потоков в крутосклонных горных местностях определяются двумя основными факторами: выпадением интенсивных дождей и низкой инфильтраци-онной (впитывающей) способностью почвы. Пока нам еще мало известно, как влияют леса на выпадение интенсивных дождей, и поэтому мы никак не можем повлиять на этот процесс. Следовательно, нам приходится мириться с существующими климатом и распределением осадков. Это замечание всецело относится также к геологическим и геоморфологическим особенностям водосборных бассейнов. А вот условия инфильтрации могут измениться с изменением характера и типа землепользования, возведение же инженерных сооружений может преобразовать рельеф русла. Оба эти мероприятия успешно используются при регулировании русловых потоков.
Влияние лесов на улучшение инфильтрационных свойств почвы, а следовательно, и на ограничение формирования русловых потоков признавалось всегда, но еще в начале нынешнего столетия на международном уровне происходили длительные дебаты по поводу осуществления мероприятий лесокультурного и лесо-восстановительного характера в целях регулирования горных потоков. Больше всего спорили о возможности замены инженерных сооружений лесопосадками. Никакие исследования в то время не могли ответить на этот вопрос. Поэтому можно в полной мере оценить предусмотрительное постановление правительства Швейцарии о финансировании плана совместного проведения обоих мероприятий, Эта принципиальная установка, принятая в 1902 г., сохраняет свое значение и в настоящее время: инженерные работы по регулированию русловых потоков сочетаются с биологическими мероприятиями.
С 1902 г. в двух водосборных бассейнах (Раппенграбен и Шпербельграбен в долине Эмменталь) началось изучение воздействия лесов на водный режим территории. Эти наблюдения без перерыва ведутся до сих пор в течение 70 лет.
Каковы же важнейшие особенности влияния леса на водосборные бассейны горных русловых потоков?
Оказалось, что деревья, наземная растительность и лесная подстилка не дают дождевым каплям расплываться по поверхности почвы. Поры лесной почвы впитывают влагу. Эрозия, следовательно, сводится к минимуму до тех пор, пока почва не достигнет полного насыщения.
Лесной полог препятствует такому насыщению. Он образует очень большие поверхности, перехватывающие и задерживающие атмосферные осадки. После очередного просыхания полога эта способность вновь восстанавливается. Но, конечно, значительная часть влаги задерживается только при обычном дожде; при резком же увеличении количества и интенсивности осадков перехват влаги лесным пологом в большинстве случаев незначителен.
Попавшее в лес большое количество влаги расходуется на суммарное испарение. Летом лесная почва расходует много влаги в периоды между дождями и потому имеет некоторый дефицит водного баланса. При благоприятных физических свойствах почвы значительная часть ливневых осадков может просачиваться в нее, что соответственно уменьшает поверхностный сток и возможность эрозии. Этот процесс, однако, оказывается также ограниченным в случае выпадения исключительно обильных осадков.
В целом мы установили, что в Швейцарских Альпах лес уменьшает пополнение влагой русловых потоков при обычном и даже несколько повышенном выпадении осадков, тогда как при более обильных осадках он не в состоянии предотвратить разлива вод. Поэтому в Швейцарских Альпах одного облесения недостаточно для постоянного регулирования русловых потоков.
Средства регулирования русловых потоков
Регулирование горных русловых потоков преследует две основные цели: защиту земель, прилегающих к нижним течениям этих потоков, от наводнений и улучшение водного режима путем сокращения эрозии и переноса донных наносов.
В районах с неустойчивыми склонами и гравитационным сползанием грунта предварительно необходимо проводить закрепление склонов перед облесением. Это одна из ключевых задач для успешного регулирования стока, поскольку уменьшается эрозия и значительно сокращается поступление крупнообломочного материала и мелкозема в основное русло. В зависимости от механических свойств почвы можно рекомендовать дренаж и механическое укрепление склонов. Последнее может быть осуществлено либо биологическим путем с использованием как живого, так и мертвого растительного материала, либо путем возведения сооружений из плотных горных пород или бетона. Если перемещение грунта по склону сокращаетеся последующее облесение имеет благоприятные шансы на успех, поскольку корни деревьев обеспечивают достаточную механическую устойчивость поверхности склонов.
Другое средство улучшения условий инфильтрации в водосборном бассейне руслового потока — рациональное использование земель. При правильной организации территории пастбища отгораживают от лесов. Если это хорошо дренируемые участки, то на них почти или вовсе не возникает уплотнения грунта при утаптывании его животными. Помогает также ограничение размеров поголовья скота и сроков выпаса. В лесах следует рационально организовать заготовку древесины, запретить сплошные рубки и непрерывное пользование, а древесные растения должны быть самых разных возрастов. Стабилизация русел и долгосрочное регулирование стока требуют создания инженерных сооружений, основанных на знании гидравлики и механики переноса осадков. В верхних частях русловых потоков возводят главным образом водозадерживающие плотины и террасированные сооружения, чтобы уменьшить крутизну падения русла и боковых склонов. Характер сооружений определяется оценками паводкового стока и воз-можностямтг~ттеремвщения донных наносов. Поскольку такие оценки сильно колеблются от места к месту, большое значение приобретает эмпирическое изучение местных условий. Гидравлические параметры установить гораздо проще, чем изучить не менее важные факторы — гидрологическое воздействие климата, геологическое строение, состояние почв, растительности и землепользования.
За последние сто лет испробовано немало сооружений, сделанных из камня, дерева, железа, бетона, железобетона и разных сочетаний этих материалов. Если вначале применялись более трудоемкие каменные конструкции, то современные методы строительства основываются преимущественно на употреблении железобетона,
Заключение
В итоге более чем столетней работы по активному регулированию русловых потоков в Швейцарских Альпах удалось достигнуть больших успехов в ограничении паводков и эрозии. В то же время, принимая во внимание угрозу наводнений при растущем объеме туристических и торговых перевозок через Швейцарские Альпы, а также при росте численности сезонного населения в этом высокогорном крае, надо констатировать, что еще предстоит большая работа по дальнейшему регулированию русловых потоков.
Ганс Келлер
швейцарский ученый, доктор наук
Наука и человечество. 1975. Сборник - М.: Знание, 1974. С. 111-125.