Pădurile şi ciclul hidrologic – elemente de hidrologie forestieră

Prezenţa pădurilor influenţează distribuţia şi circulaţia apei şi îmbunătăţeşte calitatea ei. Există aproximativ 4,2 ´ 10⁹ ha de pădure pe glob, care acoperă circa o treime din suprafaţa uscatului. Aceasta reprezintă în jur de 80% din suprafeţele forestiere din perioada preagricolă. În ultimele decenii, suprafeţele forestiere din ariile temperate au rămas aproximativ constante, dar în zonele tropicale, defrişările s-au situat la 17 ´ 10⁶ ha/an în anii 1980 şi probabil, cel puţin la acelaşi nivel în anii 90.

Procese care intervin în ciclul apei în păduri

1. 1. Intercepţia

Coronamentul acţionează ca o barieră în calea precipitaţiilor. O parte din apa de precipitaţii este interceptată de către coronament, de unde se scurge, parţial, în lungul trunchiurilor, picură de pe frunze, sau se evaporă în atmosferă. O altă parte trece direct prin spaţiile libere din frunziş, ajungând la nivelul solului. Aici, o parte din apa care atinge suprafaţa terenului este reţinută de litieră (stratul de frunze moarte). Toate aceste fenomene realizează o reducere a cantităţii de precipitaţii care ating solul şi o redistribuire a apei.

Componentele intercepţiei

, unde I_F este intercepţia forestieră, I_C este intercepţia datorată coronamentului, iar I_L este intercepţia datorată litierei.

Partea din precipitaţii care atinge solul mineral se numeşte precipitaţie efectivă – P_E. Constituie diferenţa între precipitaţia totală căzută deasupra coronamentului – P_G şi intercepţia forestieră:

Pierderea prin intercepţie

Precipitaţiile interceptate de coronament şi litieră se pierd în atmosferă prin evaporare.

Intercepţia datorată coronamentului:

Aproximativ 10-20% din cantitatea anuală de precipitaţii este pierdută prin I_C. Această valoare depinde de capacitatea evaporativă a aerului (temperatură, vânt), caracteristicile precipitaţiilor (durată, cantitate totală, stare de agregare) şi de vegetaţie. În general, I_C se exprimă prin formula empirică

, unde a şi b sunt coeficienţi de regresie; a poate fi considerat ca reprezentând stocarea în coronament (cantitatea de apă ce rămâne în coronament după ce ploaia şi scurgerea de pe frunze şi trunchiuri au încetat), iar b este echivalentul ratei de evaporare a apei interceptate în timpul ploii. Capacităţi de stocare în învelişul vegetal: conifere – 0,3-6,6 mm, foioase – 0,03-2,0 mm, tufişuri – 0,3-2,0 mm, ierburi – 1,0-1,5 mm.

Intercepţia datorată litierei

Aceasta este mult mai redusă decât I_C. Mărimea sa depinde de grosimea litierei, capacitatea de a reţine apa, rata de evaporare, umiditatea iniţială a litierei. În general, litiera reţine 1-5% din precipitaţiile anuale (< 50 mm). Deşi litiera reduce cantitatea de precipitaţii care atinge solul, mai importante sunt efectele care favorizează meţinerea umidităţii şi infiltrarea: reduce viteza de scurgere la suprafaţă, ceea ce oferă mai mult timp solului pentru a absorbi apa de şiroire. De asemenea, protejează solul împotriva impactului picăturilor de ploaie şi a vântului, reducând eroziunea şi umbreşte solul, reducând evaporaţia. Astfel, păstrarea umidităţii solului prin reducerea evaporaţiei poate compensa I_L. Scurgerea de suprafaţă şi eroziunea, în zonele cu litieră, sunt mult mai reduse faţă de zonele fără litieră. Unger & Parker (1976) au arătat că o litieră de 1 cm grosime poate reduce evaporaţia potenţială la 46%, respectiv la 17% şi 6% pentru grosimi ale litierei de 3 cm, respectiv 5 cm. Litiere de 3 cm grosime sunt comune în păduri.

1. 2. Scurgerea în lungul trunchiurilor şi căderea apei din coronament

Valorile acestor parametri depind de specie, vârstă, densitate, anotimp şi caracterisiticile precipitaţiilor. Se apreciază că apa care ajunge la sol în felul acesta, în unele cazuri depăşeşte 80% din precipitaţii. Aproximativ 2-5% din P_G se scurge în lungul trunchiurilor. Deşi cantitatea este mică, are importanţă ecologică, pentru că apa ajunge direct în zona ocupată de rădăcinile arborelui.

1. 3. Fenomene asociate
2. Condensarea în coronament

În ariile de coastă sau în zonele montane, contactul între ceaţă sau nori şi coronament dă naştere condensării. Apa, acumulată astfel, cade sub formă de picături pe sol. Tipul, densitatea şi mărimea frunzelor, ca şi orientarea pantelor, influenţează condensarea. Cele mai eficiente, sub aspectul condensării, sunt frunzele aciculare (pin, molid, brad). Ca un caz extrem, se citează un nivel al precipitaţiilor de 3300 mm/an sub o pădure de pin în Hawaii, în timp ce în zonele deschise s-au înregistrat 1270 mm/an.

Captarea apei din ceaţă poate fi utilizată artificial pentru creşterea resurselor de apă. Ex.: Chungungo este un mic sat situat într-o zonă deşertică de pe coasta chiliană. S-a instalat un sistem de 75 de reţele din polipropilenă, asemănătoare unor plase de volei. Aceste „capcane de ceaţă” alimentează nişte recipiente, în care apa este clorinată. Apoi este condusă printr-o conductă de 6,5 km lungime, pe cale gravitaţională, până în sat. Anterior, cei 200 de săteni depindeau de un camion-cisternă, care îi alimenta o dată pe săptămână, cu 13 l apă/om´zi. Actualmente, sistemul de condensare furnizează 53 l apă/om´zi, la jumătate de preţ faţă de cisternă.

1. Reducerea transpiraţiei

Apa interceptată se dispune ca un film subţire pe suprafaţa frunzelor. Acesta împiedică pierderea apei din frunze prin transpiraţie.

1. Bariere mecanice

Coronamentul constituie o barieră mecanică pentru fenomenul de transfer al unor substanţe. Reduce viteza vântului, imobilizează particulele în suspensie şi praful, încetineşte căderea picăturilor de ploaie.

1. Alte efecte

Creşterea umidităţii aerului, împiedicarea evapoaţiei din sol, îmbunătăţirea climatului pentru plante şi animale, îmbunătăţirea mediului înconjurător pentru oameni.

Contribuie pădurile la creşterea cantitativă a precipitaţiilor?

Argumente:

ü  aerul cald, trecând peste pădure, poate să se răcească, iar vaporii de apă condensează, favorizând precipitaţiile;

ü  morfologia coronamentului poate să încetinească masele de aer, dar aerul care vine din spate continuă să se mişte cu aceeaşi viteză. Aceasta poate crea turbulenţe verticale, însoţite de răcirea aerului şi condensare;

ü  cota terenului creşte cu o valoare egală cu înălţimea arborilor;

ü  apariţia precipitaţiilor cere prezenţa vaporilor de apă în atmosferă. Pădurile pun în libertate o mare cantitate de vapori, prin transpiraţie.

Numeroşi autori afirmă că precipitaţiile sunt mai mari în zonele împădurite faţă de cele deschise cu până la 10% sau chiar 20%. Alţii spun că acest efect nu există, sau chiar că tăierea arborilor conduce la creşterea precipitaţiilor.

Este dificil de făcut o evaluare foarte exactă a efectului pădurilor asupra nivelului precipitaţiilor, pentru că posibilităţile experimentale sunt insuficiente. O suprafaţă nu poate fi examinată simultan, cu şi fără pădure. Sunt necesare, în continuare, studii de caz locale şi simulări complexe pe calculator.

Influenţa pădurilor asupra vaporizării

Pierderea de apă ce se produce prin trecerea apei în stare de vapori se numeşte evaporaţie, când are loc pe suprafeţe acvatice, de zăpadă sau sol, respectiv transpiraţie, când are loc la suprafaţa frunzelor. Cele două procese însumate dau evapotranspiraţia.

Procesul de evaporare implică un transfer de masă şi energie. La temperaturi mai mari de 0ºC, moleculele de apă sunt active şi se deplasează în diferite direcţii. Unele vor părăsi suprafaţa apei, ridicându-se în aer, iar altele vor trece din aer în apă. Cantitatea netă care trece din aer în apă se numeşte evaporare, iar cea care trece din aer în apă se numeşte condensare. Când este atins un echilibru, iar cele două fluxuri sunt egale, punctul respectiv se numeşte de saturaţie.

În cazul suprafeţelor acoperite de vegetaţie, după ce umiditatea solului se reduce şi evaporaţia încetează, procesul de transpiraţie continuă, deoarece plantele aduc apă din adâncime prin sistemul de rădăcini.

Evapotranspiraţia potenţială (EP)– pierderea totală de apă sub formă de vapori, de pe o suprafaţă acoperită de vegetaţie de talie joasă şi constantă, cu alimentare nelimitată. EP este limita superioară a evapotranspiraţiei, în condiţii cliamtice date. Este folosită adesea pentru calculul şi managementul resurselor hidrice. Pentru suprafeţe mici, utilizarea EP este nerelevantă, datorită numeroaselor variabile care intervin.

Pentru calculul EP, cel mai adesea se foloseşte formula empirică a lui Thorntwaite:

,         unde

T_m este temperatura medie anuală,

I este suma indicilor de căldură

K este un coeficient de ponderare în funcţie de lungimea zilei.

Cea mai precisă metodă pentru determinarea directă a evapotranspiraţiei foloseşte lisimetrul. În principiu, lisimetrul constă dintr-un recipient care monitorizează bilanţul apei, într-un bloc izolat de sol, aflat în condiţii naturale. Cu ajutorul lisimetrului poate fi măsurată cantitatea şi calitatea apei percolate. În recipientul cu sol este planatată vegetaţie, pentru a simula condiţiile naturale. Apa percolată prin profilul de sol este colectată la partea inferioară a recipientului. Variaţia cantitativă a apei din blocul de sol este măsurată prin cîntărire directă (lisimetre amplasate pe balanţe) sau volumetric (lisimetre flotante).

Se admite că în zonele împădurite, în majoritatea cazurilor, evapotranspiraţia este foarte mare. În sol, evaporaţia este activă doar până la adâncimi de cca 20 cm. Rădăcinile plantelor, vehiculează apă de la adâncimi mult mai mari. Arborii pot să îşi extindă sistemul radicular până la adâncimi de 5 m şi pe distanţe până la 15 m faţă de trunchi. Evapotranspiraţia pe un anumit teritoriu depinde foarte mult de compoziţia specifică a vegetaţiei.

Influenţa pădurilor asupra apelor subterane

1. În terenuri accidentate

În general, în zonele montane, structura geologică este mai complicată decât în regiuni de câmpie. Din această cauză, suprafaţa freatică poate avea o formă neregulată, iar influenţa vegetaţiei asupra nivelului freatic este greu de apreciat. Există mai mulţi factori, cu efecte antagoniste, care influenţează oscilaţiile nivelului freatic:

ü  Suprafeţele înclinate favorizează scurgerea de suprafaţă şi defavorizează infiltraţia.

ü  În timpul iernii, prezenţa vegetaţiei prelungeşte perioada cu strat de zăpadă şi favorizează infiltraţia. În acest fel, nivelul freatic urcă.

În urma defrişărilor, în unele cazuri s-a observat dispariţia izvoarelor, ceea ce denotă coborârea nivelului freatic. În alte cazuri, nivelul freatic s-a ridicat.

1. În terenuri plane

În zonele plane, unde condiţiile geologice sunt mai uniforme şi mişcarea apei subterane este mai lentă, prezenţa pădurilor provoacă reducerea nivelului freatic.

În zone mlăştinoase, reducerea nivelului freatic prin plantarea de păduri poate fi binefăcătoare. Se citează metoda călugărilor trapişti de la Fontana, în apropiere de Roma, care au plantat o specie de eucalipt cu creştere rapidă şi rădăcini adânci, pe un teren mlăştinos. Nivelul freatic a coborât cu 1 m, eliminând astfel populaţia de ţânţari cauzatori de malarie.

Eliminarea freatofitelor poate să apropie pânza freatică de suprafaţă. Zona nesaturată se reduce, creîndu-se condiţii anaerobe, care împiedică dezvoltarea rădăcinilor, întârzie creşterea arborilor şi împiedică regenerarea pădurilor, datorită umidităţii excesive.

Influenţa pădurilor asupra scurgerii de suprafaţă

Tradiţional, pădurile au fost considerate moderatori ai scurgerii de suprafaţă, diminuând nivelele ridicate ale cursurilor de apă şi ridicându-le pe cele foarte reduse. Studii efectuate în ultimul secol, au nuanţat această opinie. În urma defrişărolor, nivelele maxime de după furtuni pot să crească, să rămână constante, sau chiar să scadă în unele cazuri. Acest comportament depinde de deranjarea structurii iniţiale a solului, intensitatea şi distribuţia tăierilor, intensitatea şi distribuţia furtunilor, tipul de precipitaţii etc. În cele mai multe cazuri, însă, efectul moderator este dominant.

Influenţa pădurilor asupra eroziunii solului

Vegetaţia este considerată un mijloc eficient, economic, permanent şi care necesită o întreţinere relativ redusă, de a controla eroziunea solului şi transportul sedimentelor.

Efecte mecanice:

ü  Coronamentul interceptează ploaia şi reduce energia cinetică a picăturilor de apă.

ü  Litiera protejează solul, reducând impactul picăturilor şi blocând scurgerea de suprafaţă.

ü  Sistemul de rădăcini şi materia organică măresc coeziunea solului, sporindu-i stabilitatea.

Efecte hidrologice:

ü  Intercepţia reduce cantitatea de precipitaţii care atinge solul mineral.

ü  Transpiraţia reduce umiditatea solului.

ü  Prezenţa litierei favorizează infiltraţia.