Содержание к диссертации
Введение
1 Природные особенности правобережья волгоградской области, влияющие на эксплуатацию автомобильных дорог 10
1.1 Природные условия правобережья Волгоградской области 10
1.2 Особенности образования снежного покрова на территории региона 13
2 Теоретические основы лесомелиоративного обустройства автомобильных дорог 17
2.1 Особенности перераспределения снежного покрова под влиянием различных факторов 17
2.2 Мониторинг придорожных ландшафтов на основе данных дистанционного зондирования и геоинформационных технологий 25
3 Объект, программа и методика исследований 39
3.1 Объект исследований 39
3.2 Программа и методика исследований 41
4 Закономерности распределения снежного покрова в полосах отвода автомобильных дорог 50
4.1 Характер распределения снежного покрова на территории прохождения автомобильных дорог при различном ветровом режиме 50
4.2 Перераспределение снегоотложений в полосах отвода автомобильных дорог под воздействием защитных лесонасаждений 102
5 Геоинформационный анализ состояния придорожных лесных насаждений 123
6 Технологии улучшения состояния дорожно-транспортного комплекса правобережья волгоградской области 140
6.1 Мероприятия по повышению эксплуатационных показателей автомобильных дорог 140
6.2 Мероприятия по улучшению состояния придорожных лесных насаждений 143
6.3 Экономическая эффективность применения данных дистанционного зондирования при оценке придорожных комплексов .151
Заключение 154
Рекомендации производству 156
Список литературы 157
- Особенности образования снежного покрова на территории региона
- Мониторинг придорожных ландшафтов на основе данных дистанционного зондирования и геоинформационных технологий
- Программа и методика исследований
- Перераспределение снегоотложений в полосах отвода автомобильных дорог под воздействием защитных лесонасаждений
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Происходящее в последнее время определенное изменение климатических условий региона привело к обострению воздействия неблагоприятных погодных условий на состояние дорог и их эксплуатационные характеристики. Так, зимой 2012 г. имели место массовые снегозаносы полотна трассы Волгоград – Сызрань, приведшие к достаточно продолжительному полному перерыву автоперевозок. Осложняют управление транспортными средствами сильные боковые ветры, явления гололедицы и др.
В связи с этим нами были поставлены на проработку вопросы оценки состояния придорожных лесных насаждений, эффективности выполнения ими защитных функций, выявления необходимости проведения мероприятий, обеспечивающих максимальный многофункциональный эффект.
Степень разработанности темы. По направлениям, близким к теме исследования, выполнено значительное число разработок. В данной области знаний (преимущественно по созданию и содержанию защитных лесонасаждений вдоль железных дорог) опубликовано значительное количество научных статей, есть монографии, однако существующие для железных дорог рекомендации, не могут применяться для создания лесонасаждений для автодорожных магистралей, отличающихся как значительно меньшей шириной полосы отвода, так и особенностями эксплуатации.
Основные цели и задачи исследования. Оценка эффективности придорожных лесонасаждений правобережья Волгоградской области в предупреждении и снижении отрицательного воздействия снежных заносов на транспорт, выполненная на основе полевых исследований, данных дистанционного зондирования и геоинформационного картографирования дорожно-транспортных комплексов Волгоградской области.
Задачи:
– выявить основные особенности распределения направлений метелевых ветров в регионе исследования, влияющие на эксплуатационные показатели автомобильных дорог;
– рассчитать обеспеченность распределения снега относительно автомо-
бильных дорог в пределах региона исследования;
– проанализировать влияние защитных лесных полос на распределение снежного покрова в полосах отвода автомобильных дорог;
– дать оценку современного состояния придорожных лесных насаждений на основе полевых исследований и данных дистанционного зондирования;
– предложить комплекс мероприятий по повышению эксплуатационных показателей автомобильных дорог за счет улучшения состояния придорожных лесных насаждений.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые разработаны теоретические основы и методика расчета объема снегоприноса на различные элементы автомобильных дорог и в полосу отвода по метеоданным (свидетельство № 2015619128) и программа визуализации результатов моделирования динамики де-градационных процессов на основе картографо-аэрокосмического мониторинга для заданной территории ландшафтного районирования (свидетельство № 2015610503); предложен способ картографирования экотонов (патент № 2507602) и технология закрепления откосов насыпи автомобильной дороги (патент № 2549637).
Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость результатов исследований заключается в том, что выявлены особенности распределения направлений метелевых ветров, и рассчитана обеспеченность снегопри-носа к автомобильным дорогам. Изучено влияние придорожных лесных насаждений на защищенность транспортно-дорожного комплекса федеральной трассы М-6 Астрахань – Москва и Р-228 Волгоград – Сызрань от снегозаносимости.
Практическая значимость работы состоит в том, что материалы, полученные с применением технологий геоинформационных систем (ГИС), в частности, обеспеченность защиты автомобильных дорог придорожными лесными насаждениями, могут являться основанием для принятия решений по созданию новых и реконструкции существующих лесных полос, обеспечивающих улучшение эксплуатационных показателей автомобильных дорог.
В работе использован алгоритм расчета на ЭВМ для массива свыше 180 тыс. данных (программа №2015619128), интегрирующий аэрокосмические, картографические, полевые и камеральные методы исследований (патенты № 2507602 "Способ картографирования природных переходных зон (экотонов)" и № 2549637 "Способ закрепления откосов насыпи автомобильной дороги").
Результаты реализации диссертационной работы будут способствовать разработке мероприятий по созданию устойчивых защитных лесных насаждений в пределах Волгоградской области с использованием аэрокосмических и геоинформационных технологий.
Методология и методы исследований. Методология исследований осно-
вана на системном подходе к их проведению. Использовались типовые методики, применяемые в лесомелиорации, инженерном снеговедении, аэрокосмических исследованиях, геоинформационном картографировании, статистическом моделировании и лесоводстве.
На защиту выносятся следующие основные положения работы:
– теоретические основы и методика расчета снегоприноса в системе "автодорога – лесная полоса" (свидетельство № 2015619128);
– особенности влияния на распределение снежного покрова защитных лесных насаждений на автомобильных дорогах Волгоградской области;
– методическое обоснование геоинформационного анализа современного состояния придорожных лесных насаждений правобережья Волгоградской области (свидетельство № 2015610503, патент № 2549637).
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность работы базируется на применении статистических методов обработки результатов в программном комплексе "Statistica-6.0", в том числе корреляционно-регрессионного анализа. Результаты исследований докладывались на международных, всероссийских конференциях: "Современные проблемы географии, экологии и природопользования" (Волгоград, 2012); "Молодежь и научно-технический прогресс в дорожной отрасли юга России" (Волгоград, 2013, 2014, 2015); "Агролесомелиорация в системе адаптивно-ландшафтного земледелия: поиск новой модели" (Волгоград, 2013); "Антропогенная трансформация геопространства: история и современность" (Волгоград, 2013, 2015).
Личный вклад. Автор по данной проблеме проводил исследования с 2012 г. Были разработаны программа и методика исследований, проведены полевые снегомерные и почвенно-лесомелиоративные исследования по повышению эффективности приемов защиты автомобильных дорог от снежных заносов защитными лесными насаждениями.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 21 научных работ общим объемом 8,4 п.л., личное участие автора – 6,7 п.л., в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для публикаций материалов кандидатских диссертаций, а также 2 патента на изобретение и 2 свидетельства о гос. регистрации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, 6 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 186 страницах, содержит 50 таблиц, 24 рисунка, библиографический список из 217 наименований, в том числе 6 – на иностранных языках.
Особенности образования снежного покрова на территории региона
Снежный покров оказывает большое влияние на многие природные процессы: формирование температурного режима прилегающего слоя воздуха и почво-грунтов, накопление в них влаги и их промерзание.
Следствием обильных снегопадов могут быть осложнения в хозяйственной деятельности вследствие снегозаносов на дорогах, затрудняющие автодорожное и железнодорожное сообщение.
В Волгоградской области, особенно в северной зоне, около 20-30% осадков выпадает в твердом виде. Весеннее увлажнение почвогрунтов зависит от наличия значительного запаса воды в снеге и создает благоприятные условия для роста придорожных защитных лесных насаждений.
Обычно снежный покров устанавливается в середине ноября – начале декабря при отрицательных среднесуточных температурах воздуха. В отдельные холодные зимы снежный покров появляется раньше относительно климатического срока, в теплые зимы – значительно позже. Нередко происходит задержка в установлении снежного покрова вследствие отсутствия осадков. Снег удерживается на территории области в течение 80-120 дней и полностью сходит в конце марта – начале апреля. В отдельные зимы устойчивого снежного покрова не наблюдается. В районе Котельниково вероятность этого явления составляет 20%, в районе Волгограда, Калача-на-Дону, Суровикино – 10%. Севернее линии Слащевская – Фро-лово – Быково снежный покров устанавливается практически каждую зиму.
Из-за большой изменчивости дат образования устойчивого снежного покрова в различные годы большое значение имеет информация о частоте и пределах возможных их изменений. Поэтому, кроме средних и крайних (самая ранняя и самая поздняя) дат образования устойчивого покрова необходимо использование вероятностных характеристик, или обеспеченности этого явления.
После образования устойчивого снежного покрова высота его постепенно увеличивается. Начало зимы характеризуется небольшой мощностью снежного покрова (2-3 см). Наиболее интенсивный рост его высоты наблюдается от декабря к январю. Максимальной величины снежный покров достигает во второй – третьей декаде февраля. В северных районах области высота снега составляет 13-16 см, в южных районах 8-9 см, в районе Волгограда – 12 см.
Для оценки эффективности придорожных лесонасаждений особый интерес представляют данные о максимальной высоте снежного покрова за зиму. Средняя из наибольших высот снежного покрова в северной половине территории области составляет 18-21, на юге до 12-14 см. Максимальная высота в соответствующих районах достигает 38-42, минимальная – до 5-9 и 2 см.
Одной из характеристик снежного покрова является его плотность. В зави 15 симости от нее меняется теплопроводность и запас воды в снегоотложении, используемые в гидрологических расчетах. Плотность свежевыпавшего снега в период установления снежного покрова невелика и составляет 0,17-0,19 г/см3. В течение зимы под влиянием частых оттепелей, уплотнения ветром она постепенно увеличивается и в начале – середине марта перед таянием составляет 0,27-0,31 г/см3.
В начале зимы запас воды в снеге небольшой и составляет 10-20 мм, затем возрастает и к концу февраля или в первой декаде марта достигает на севере области, характеризующейся устойчивым снежным покровом, 40-55 мм, а в центральных и южных районах – 23-30 мм. Средний запас воды в многоснежные зимы в соответствующих районах составляет 62-74 и 40-51 мм. Самый большой запас воды в снеге наблюдался зимой 1966-1967 гг. и достигал в районе Волгограда в конце первой декады февраля 140 мм при среднедекадной высоте снежного покрова 52 см.
Перераспределение снежного покрова под воздействием ветра определяется не только его скоростями, но и наличием граничных препятствий. Участок местности между двумя граничными препятствиями является участком снегопереноса, а расстояние от одного граничного препятствия до другого по направлению господствующих ветров – длиной полосы снегопереноса.
С увеличением расстояния переноса при некотором предельном значении этого расстояния потери снега при переносе окажутся равными первоначально снесенной массе снега: весь снесенный с единицы площади снег как бы растеряется во время переноса.
"В реальной обстановке переноса изолированной массы снега никогда не бывает, снос снега происходит с полосы большой длины, представляющей собой множество последовательно расположенных участков территории" [131].
Следовательно, во время снегопереноса с любой площади при любых условиях весь снесенный с нее снег никогда не может быть полностью принесен к какому-либо участку дороги. Всегда имеют место потери снега при переносе, и потому количество принесенного снега всегда будет меньше. Интенсивность снегопереноса (расход ветроснегового потока) зависит от особенностей участка полосы снегопереноса, его плотности и температуры снега, температуры воздуха, наличия твердой настовой корки, шероховатости поверхности снежного покрова, направления и скорости ветра, их изменчивости, наличия местных препятствий, степени загрязнения снега и ряда других факторов.
Условия, определяющие интенсивность снегопереноса на одном и том же участке, могут быть различными. В результате объемы снегопереноса даже в один и тот же период времени и при одинаковой скорости ветра бывают различными даже на двух параллельных полосах, отстоящих одна от другой буквально на расстоянии нескольких десятков метров. Тем более, что это различие будет иметь место как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, но в нижних слоях ветроснегового потока интенсивность снегопереноса всегда больше, чем в более верхних [131].
Насыщение ветрового потока снегом при большей скорости ветра происходит на протяжении определенного периода времени. Выпадение снега происходит почти мгновенно, когда уменьшается скорость ветра в связи с порывистостью (кратковременными изменениями скорости и направления ветра на ровном месте), а также в связи со встречей преград и углублений.
Мониторинг придорожных ландшафтов на основе данных дистанционного зондирования и геоинформационных технологий
Многочисленными исследованиями установлено, что основной перенос снега при отсутствии снегопада происходит в слое воздуха над поверхностью земли или снежного покрова до 0,5 м. При этом движущийся вблизи земной или снежной поверхности воздух испытывает трение об эту поверхность, в результате чего скорости ветра на разной высоте от поверхности различны [81, 105, 126, 127, 131].
По данным А.К. Дюнина [81], "с уплотненной и приглаженной поверхности звездчатого снега отрыв отдельных частиц происходит при скорости ветра 8,93 м/сек, смещение – при 18,70 м/сек, сильный перенос – при 26,40 м/сек."
"Величина минимальной скорости ветра для переноса снега зависит от наличия на снегосборной площади растительности. Так, если над снежным покровом выступают стебли травы, то скорость равна 4,4 м/сек, а если трава находится под снегом – 3,6 м/сек." [81].
На перенос снега по поверхности снежного покрова во время снегопада, сопровождающегося ветром, оказывают влияние температура и влажность воздуха, гладкость поверхности, по которой переносится снег, форма и величина выпадающих снежинок, рельеф местности.
В зависимости от различных условий минимальная скорость ветра, необходимая для отрыва и переноса снега, колеблется в весьма широких пределах – от 1,4 до 22,0 и более м/сек.
Под интенсивностью переноса снега (твердым расходом метели) понимают вес снега в граммах, проносящегося в одну секунду через один квадратный метр поперечного сечения ветроснегового потока [131, 226, 228].
Для определения ветровых нагрузок на различные конструкции и сооружения за расчетную принимают максимальную скорость ветра заданной обеспеченности. В инженерных расчетах также учитывают скорость ветра при порывах, в результате которых резко возрастает динамическая нагрузка на конструкцию или транспортный объект. Ряд исследователей считают, что энергия воздушного потока пропорциональна квадрату его скорости, другие – кубу скорости [46, 47, 81, 105, 121]. Увеличение скорости на 4-5 м/с сопровождается возрастанием энергетической нагрузки на препятствие в несколько раз, поэтому при характеристике сильных ветров необходимо приводить данные не только о его средней скорости, но и о скорости при порывах.
Расчетные скорости за год 95%-ной обеспеченности (ежегодные) составляют 14 м/с, 50%-ной (один раз в два года) 20 м/с и 5%-ной (один раз в 20 лет) 29 м/с. Скорости соответствующей обеспеченности при порывах достигают 18, 27 и 31 м/с, т. е. существенно больше.
Защитные лесные насаждения автомобильных дорог – это биоинженерные объекты из деревьев и кустарников [89-92, 204].
Многолетний опыт эксплуатации автомобильных дорог показал, что придорожные защитные лесонасаждения являются самым надежным, долговечным, экологичным и экономичным средством их защиты от неблагоприятных природных явлений, в первую очередь снежных заносов. Однако этот метод защиты дорог нуждается в постоянном совершенствовании.
Исследованные [31, 59, 121, 123, 124, 147, 206] закономерности возникновения и протекания метелей, аэродинамические свойства насаждений, материалы по динамике отложения метелевого снега и выявленные на этой основе особенности взаимодействия снеговетрового потока с насаждениями различного строения позволили разработать теоретическую основу мероприятий по содержанию, созданию и эксплуатации снегозадерживающих лесонасаждений. Она может быть сформулирована следующим образом: все виды придорожных защитных лесонасаждений в районах с выраженной деятельностью метелевых ветров необходимо создавать и постоянно содержать в определенной степени ветропроницаемыми по всему вертикальному профилю со стороны поля и практически ветронепроницаемыми со стороны дороги. Внутренние части насаждения должны занимать по этому показателю промежуточное положение.
Часто имеющая место неравномерность отложения метелевого снега внутри лесонасаждений - это их характерная особенность и, вместе с тем, наиболее значимый недостаток. Для предупреждения снеголома и создания необходимого во-дообеспечения всего насаждения в течение вегетационного периода необходима его конструкция, обеспечивающая к началу снеготаяния относительно равномерное снегоотложение по всей ширине насаждения. Это возможно лишь при равномерном уменьшении интенсивности метели (снеговетрового потока), проходящей через это насаждение. Исходя из этого идеального случая и воспользовавшись количественной взаимосвязью между скоростью метелевого ветра и величиной несомого в нем снега, выражаемой (по Д. М. Мельнику) зависимостью i=cv3, где / -интенсивность метели и с - коэффициент пропорциональности, была выведена формула расчета хода изменения скорости ветра внутри насаждений [126, 127]: Vn = 3 K.lOOo/0 (1) где vn - расчетная скорость ветра в данной точке; v - полевая скорость ветра; п - порядковый номер (считая от полевой опушки насаждения) какой-то одной из равноудаленных друг от друга точек внутри насаждения; К - постоянная величина уменьшения интенсивности метели. Построенная по этой формуле кривая уменьшения скорости ветрового потока показывает, что для равномерного распределения метелевого снега по всей ширине насаждения скорость ветра внутри него в полевой части посадок должна затухать плавно (снижение лишь на 4,5%), несколько более сильно в средней и очень резко - в придорожной. Следовательно, с позиций предотвращения снеголома снегозадерживающие лесонасаждения должны быть наиболее ветропроницаемыми в полевой части с последующим, сначала плавным, а затем ускоряющимся нарастанием плотности в придорожных рядах.
Расчетная кривая снижения скорости ветра внутри сплошных насаждений или из нескольких лесополос позволяет оценивать аэродинамические свойства лесных насаждений любых конструкций. Так как системы полосных насаждений снижают скорость ветра в полевой части посадок (при наличии в них кустарников) в 15-20 раз сильнее, чем это требуется для равномерного отложения снега, практически нельзя получить в натуре равномерное отложение снега по всей ширине насаждения. Увеличив ветропроницаемость полевой части насаждений, можно лишь в ней снизить высоту снежных валов и сосредоточить часть метеле-вого снега в глубине насаждения в неопасных для деревьев и кустарников местах (например, в межполосных пространствах).
Наиболее глубокие исследования аэродинамических и снегозадерживающих пород различных категорий защитных лесонасаждений были выполнены лабораторией защитных лесонасаждений ВНИИ железнодорожного транспорта и научно-исследовательской лабораторией Новосибирского института инженеров железнодорожного транспорта [81]. Их результаты, разработки и выводы, использующиеся в качестве основополагающих для проведения более глубоких и детальных научных исследований и проработок, а также работ, выполняемых в других природных зонах, состоят в следующем. Кустарники обладают в 2-3 раза большими ветроослабляющими и снегозадерживающими свойствами по сравнению с деревьями. Для полного очищения снеговетрового потока от снежных частиц достаточно 3-5 сомкнутых рядов древесных пород. Дальнейшее увеличение числа рядов в полосе не имеет смысла. Зона, в пределах которой за полосами всегда происходит осаждение метелевого снега, равняется 5-7 высотам полос. Процесс осаждения снега из снеговетрового потока начинается при малейшем уменьшении скорости ветра. Наиболее значительное снижение скорости воздушного потока происходит в наветренной стороне крайней к полю лесополосы при наличии кустарниковой опушки. Регулирование характера снегоотложения внутри железнодорожных снегозадерживающих насаждений должно осуществляться, прежде всего, изменением ветропроницаемости полос в нижнем их ярусе и размеров межполосных пространств [16].
Программа и методика исследований
На этом участке принос снега при северном ветре в 2005-2006 гг. единственный раз за 10 лет составил 0,5 м3.. Результативность ветра С-В направления в плане снегозаноса был тоже несущественным. В 2011-2012 гг. сумма приноса снега им составила 0,9 м3; в 2013-2014 г. – 0,2 м3. Наиболее интенсивно переносил снег восточный ветер, он встречался в 50% случаях из 100. Доля Ю-В ветра за 10 лет составила 30% от приносимого снега. Он наблюдался в 2009-2010, 2011-2012 и в 2014-2015гг., его скорость не превышала 6-7 м/с. Ветер южного румба сыграл значимую роль в переносе снега в 2010-2011, 2011-2012 и 2014-2015 гг. Его преобладающая скорость была от 6 до 8 м/с. В 2005-2006 гг. ЮЗ ветер при вероятности 40% имел преобладающую скорость 7 м/с; в 2010-2012 гг. – 6 м/с; в 2014-2015 гг. – 6;7; 9 м/с. Ветер западного румба при вероятности 20% характеризовался скоростями 6 м/с в 2010-2012 гг. и 7 м/с в 2010-2011 гг. Ветер С-З румба со скоростями 6-7 м/с участвовал в снегопереносе с 30% вероятностью в 2005-2008 и 2010-2011 гг.
Данные объема снегоприноса к дороге нами были сгруппированы по ее правой и левой сторонам (таблица 7). Величины снегоприноса, м3/м (с учетом сторон дороги) в убывающей последовательности приведены в таблице 8. Таблица 7 – Объемы снегоприноса к дороге на тестовом полигоне "Новая Паника"
Полученные с использованием программы Eсxel данные представлены графически. Для этого, используя метод наименьших квадратов, вручную строили графики, у которых на горизонтальной оси с билогарифмической шкалой была нанесена вероятность превышения P(%), а вертикальной с логарифмической шкалой – объемы снегоприноса (W) (рисунок 4). Расчетный объем снегоприноса при 5% вероятности составил с востока от дороги 4 м3/м, а с запада – 1,2 м3/м.
Следующим объектом на дороге М-6 был участок "Михайловка" с координатами: 51 08 11 с.ш., 42 10 55 в.д. Метеоданные на этот участок были взяты с 01.12.2011 г. по 15.04.2015 г. по Михайловской, а с 01.12.2005 по 01.12.2010 гг. по Фроловской метеостанции. Расстояние между ними 46,5 км. По данным приборов спутниковой навигации (Михайловка – 50 06 с.ш., 43 13 в.д.; Фролово – 49 48 с. ш., 43 40 в.д.) объекты можно считать расположенными в допустимых пределах.
В таблице 9 приведены показатели повторяемости метелевых ветров по направлениям и скоростям с 2011 по 2015 гг. Так как скорость ветра по румбам по данным Фроловской метеостанции была проанализирована в предыдущем объекте, представляем данные только по Михайловке. Повторяемость метелевых ветров зимой в 2011-2012 гг. не превышала 6 м/с, преобладали ветры В и Ю-З румбов. В 2012-2013 гг. метелевых ветров с условиями, перечисленными выше, не наблюдалось. В 2013-2014 гг. доминировал ветер северного румба со скоростями 6 и 8 м/с. В 2014-2015 гг. зафиксированные на станции ветры, имевшие скорость 6 м/с были С; В; Ю румбов; 7 м/с – южного румба и 8 м/с – Ю-З румба.
Данные по направлениям при скоростях ветров 6 м/с с учетом плотности снега и температурных показателей представлены в таблице 10. Они коррелируют со значениями предыдущей таблицы 9. Согласно методике, по данным таблиц 10 и 6 (данные с 2005-2010 гг.), нами был выполнен расчет данных для таблицы 11, рассчитанный по румбам за год (м3/м). Вероятность распределения снега относительно дороги представлена в таблице 12. На рисунке 5 представлены построенные с использованием метода наименьших квадратов на клетчатке графики вероятности обеспеченности снегоприноса для тестового полигона "Михайловка" на снегозаносимые участки с левой и правой сторон дороги. Расчетный максимальный объем снегоприноса слева от дороги раз в 10 лет составляет 1,8 м3/м, а справа от дороги 1,5 м3/м.
Новоаннинский участок дороги на трассе М-6, расположенный вблизи границы с Воронежской областью, ориентирован на С-С-З (румб 22). Данные для расчета снегоприноса были взяты с Урюпинской метеостанции с 01.12.2000 по 01.12.2004 гг. и Новоаннинской – с 01.12.2008 по 01.12.2015 гг. Координаты – 5042 51 с.ш., 4231 21 в.д. Повторяемость основных ветров по румбам и сумма снегоприноса для участка дороги М-6 представлена в таблицах 13, 14.
Суммарные объемы снегоприноса в 2005-2006 гг. были наибольшими при ветрах восточного (14,95 м3/м) и юго-восточного (10,98 м3/м) направлений, далее в порядке убывания: юго-западного (7,08 м3/м); северо-западного (4,11 м3/м); западного (3,95 м3/м). Восточное направление снегопереноса было небольшим и составило 1,92 м3/м. В 2006-2007 гг. основная масса снегоприноса происходила ветрами Ю-З (7,97 м3/м) и Ю (3,35 м3/м) румбов. Принос ветра западного румба составил, как и в предыдущий год, 3,35 м3/м. Скорость ветра в 2005-2007 гг. достигала 12-14 м/с. При этом, в 2006-2007 гг. снегоприносы ветрами С; С-В; В и Ю-В направлений были незначительными. В 2007-2008 гг. определенный вклад в сне-гопринос внесли ветры всех направлений, но с разной степенью участия. Наибольший снегопринос был осуществлен ветрами восточного направления и составил 17,52 м3/м, их скорость достигала 12 м/с. Ветры западного румба со скоростями до 12 м/с обеспечили объем снегоприноса за год 15,75 м3/м. Снегопринос ветрами северо-западного направления, достигавшими скорости 13 м/с, составил 11,36 м3/м.
В 2008-2009 гг. объемы снегоприноса были небольшими, максимальный (5,5 м3/м) пришелся на ветры западного направления со скоростями порядка 8 м/с. Средняя скорость ветра в эти годы была минимальной за 10-летний период и составила 9 м/с.
В 2009-2010 гг. скорость ветра достигала 16 м/с, выделяясь из выборки за 2005-2015 гг. Преобладали ветры восточного направления с объемом снегоприно-са до 54,51 м3/м. При Ю-В направлении ветра суммарный снегопринос за год со 76
ставил 36,19 м3/м (при скорости ветра до 14 м/с). Северо-западный ветер принес 14,73 м3/м снега при скорости до 16 м/с.
В 2010-2011 гг. снегопринос был значительно меньшим, чем в предыдущие годы. Максимальный объем 27,28 м3/м имел место при восточном направлении и скорости ветра до 12 м/с, значительный при западном ветре – 14,45 м3/м.
В 2011-2013 гг. в объеме снегоприноса восточный ветер оставался доминирующим: в 2011-2012 гг. – 37,69 м3/м, в 2012-2013 гг. – 23,07 м3/м. Снегопринос ветра С-В направления в 2011-2012 гг. составил 28,02 м3/м, Ю-В направления -16,63 м3/м. В 2012-2013 гг. снегопринос ветром С-В румба составил 8,35 м3/м, Ю-В – 6,10 м3/м. Остальные направления ветра существенной роли в приносе снега не сыграли. В 2013-2015 гг. основным определяющим снегопринос направлением ветра было восточное (в 2013-2014 гг. – 42,58 м3/м; в 2014-2015 гг. – 18,01 м3/м). В течение обеих зим максимальная скорость ветра была 13 м/с. В 2013-2014 гг. кроме ветра восточного румба значительный снегопринос определялся ветрами западного (23,47 м3/м) и юго-западного (21,34 м3/м) направлений.
Принос снега северо-западным ветром составил 13,27 м3/м; северным – 7,94 м3/м, что тоже было значимым, особенно в сравнении с 2006-2007 гг., когда аналогичную величину составил максимальный снегопринос при Ю-З направлении ветра. В 2014-2015 гг. сумма объемов снегоприноса ветрами всех направлений была на уровне значений одного порядка, кроме ранее описанных значительно более высоких В и Ю-В (14,85 м3/м), а также С-З (на порядок ниже – 0,72 м3/м).
В целом за 10-летний период определяющим в снегоприносе был восточный ветер. Объем снегоприноса к дороге ключевого участка "Дубовка", рассчитанной по румбам за год представлен в таблице 17.
Перераспределение снегоотложений в полосах отвода автомобильных дорог под воздействием защитных лесонасаждений
Используя полученные материалы, составляют ландшафтную и производную оценочные карты. ЦМР строится по данным базы отметок и регулярной ячеисто-узловой модели отметок, нанесенной на космокарту. Построение трехмерной цифровой модели рельефа по координатам и отметкам производится в специализированном графическом редакторе, позволяющем преобразовать цифровые значения в трехмерное изображение (Global Mapper 14.0, Surfer 11.0 и др.).
Выделение ландшафтов целесообразно проводить по результатам морфоди-намического анализа на основе операции построения пластики рельефа, заключающейся в установлении по ЦМР границ между выпуклыми и вогнутыми формами рельефа.
На заключительном этапе составления карты пластики рельефа проводится геокодирование и корректировка границ контуров с использованием основных ландшафтных профилей. Результат – карта типов местоположений придорожной территории.
Для оценки показателей рельефа анализируемого тестового полигона и визуализации цифровой модели создается трехмерная модель пластики рельефа, которая дает представление о топологии полигона, разделяя его на взаимосвязанные элементы и обеспечивая необходимую наглядность.
После создания модели пластики рельефа выполняются операции морфоди-намического анализа, т.е. фиксация, классификация и определение закономерностей взаиморасположения элементарных поверхностей.
Созданная на основе ЦМР изолинейная карта дает возможность выявить и визуально представить линии равных высот, необходимые для предварительного проектирования придорожных защитных лесных полос.
Наложение ландшафтной карты на ЦМР позволяет получить цифровую модель ландшафта (ЦМЛ) и другие тематические карты: долевого участия склонов различной экспозиции, углов наклона и направлений линий тока талых и дождевых вод, лесопригодности почв, эрозионной расчлененности территории и т.д.
В результате комплекса геоинформационных исследований создается геоинформационный слой - электронная ландшафтная карта с тематической картографической и атрибутивной информацией.
Изучение особенностей рельефа по разработанной цифровой модели дает возможность выявления аналитических зависимостей, используемых для описания устойчиво повторяющихся закономерностей, рассчитать уклоны склонов и их протяженность в любом направлении, являющихся основой для создания ландшафтных планов.
Так, в междуречье рек Волга и Иловля преобладающими являются территории с высотами 50-150 м, занимающие около 80% этой площади. Территория, имеющая высоту 120 м, составляет около 22% от общей площади.
Анализ карты углов наклона склонов показал, что основной фон составляют территории с крутизной склонов от 0 до 3, среднее значение 1,6, стандартное отклонение 1,7. Эта карта обеспечивает выявление наиболее расчлененных территорий и выбор объектов для дальнейшей разработки планов по их лесозащитному обустройству [165].
Карты типов элементарных поверхностей рельефа применяют в качестве основы, которую дополняют географической информацией. В качестве последней используют материалы полевых исследований на ключевых участках, которые предусматривают построение ландшафтно-экологических профилей.
В результате поконтурного определения состояния существующих лесонасаждений создаются оценочные карты с использованием геоинформационного программного комплекса Maplnfo, которые отражают их территориальное распределение и биометрические показатели, позволяющие определять очередность проведения необходимых мероприятий.
Разработанная геоинформационная технология мониторинга состояния полосы отвода автомобильной дороги и прилегающей местности с произрастающими придорожными защитными лесными полосами обеспечивает получение необ 128
ходимой информационной и аналитической среды для всесторонней разработки обоснованных мероприятий по рациональному обустройству транспортных магистралей и прилегающей территории.
Для определения геоморфологических особенностей полосы отвода автомобильной дороги М-6 дано цифровое описание расчетных характеристик рельефа (Приложения А-Л).
Геоинформационный анализ состояния придорожных ландшафтов заключается в том, что данные фотографических, сканерных и других аэрокосмических съемок несут комплексную географическую характеристику земной поверхности и представляют физиономические параметры придорожных ландшафтов различных таксономических уровней; во-вторых, нарушенные или деградированные антропогенным воздействием ландшафты по данным АКФ довольно хорошо отличаются по фототону, рисунку, текстуре фотоизображения от ненарушенных природных комплексов; в-третьих, в настоящее время в стране накоплен громадный банк данных АКФ.
Используя аэро- и космические методы, можно осуществить оценку природно-экономического потенциала территории в 3-4 раза быстрее при затратах в 12-15 раз меньше, чем при традиционных методах [116, 164].
Придорожные лесные насаждения являются важнейшими объектами дорожной инфраструктуры. Их основным назначением является предотвращение или снижение воздействия на автомобильные дороги неблагоприятных факторов внешней среды, в первую очередь снегозаноса и бокового ветра, и защита прилегающих территорий от вредного воздействия выбросов поллютантов автомобилей токсичных соединений и тяжелых металлов. Эффективное выполнение этих функций зависит от соответствия параметров, конструкции и породного состава насаждения природно-климатическим условиям территории и интенсивности движения транспортных средств.
Методика геоинформационного анализа биометрических показателей состояния придорожных лесных полос базируется на компьютерном дешифрировании космоснимков. При этом сами насаждения рассматриваются как физиономичный объект инфраструктуры. Визуальное дешифрирование предполагает сопоставление изображения на снимке с эталонным. В качестве признаков дешифрирования древесной растительности используются текстура, форма падающей тени, рисунок изображения, а также образованные сочетанием растительных сообществ и закономерностями их взаимного расположения чередования приуроченности насаждений к формам рельефа. Искусственные древесные насаждения распознаются на фотоснимках по цвету, относительно темному тону и зернистой структуре. Для искусственных придорожных насаждений региона исследований характерна линейная (полосная) структура [62].
Цифровое отображение придорожных защитных лесных полос, так же как и защитных лесных насаждений, представляет собой совокупность пикселей, содержащих весь оптический диапазон отраженных световых волн.
Для определения по снимкам основных таксационных показателей насаждений и выявления их взаимосвязи с дешифровочными признаками выполняют эталонирование лесных насаждений. При предварительном визуальном анализе изображения выделяют и обозначают контуром территорию, занимаемую насаждением (1), границы полога рядов в кулисах (2) и калибровочного участка полога (3) (рисунок 16). Состояние полога древостоя в рядах характеризуют его шириной, сомкнутостью и однородностью [164, 207].
По наличию, частичному или полному отсутствию естественного листового покрова древостоя определяют состояние отдельных деревьев в ряду. Оценивая по фототону изображения состояния древостоя в отдельных рядах насаждений, устанавливают сохранность лесных культур и общее состояние древесной растительности на отдельных участках, а также всего насаждения (по варьированию диаметров кроны и по сохранности древостоя).
Для анализа оценки состояния лесонасаждения по снимку необходимо выбрать параметры оценки, которые, с одной стороны, хорошо определяются по изображению, а с другой, позволяют комплексно отразить показатели древостоя.