Гидрологический режим болот

Движение воды на болотах происходит путем фильтрации в деятельном слое. Скорость движения воды (см/с) можно рассчитать по формуле Дарси:

v=K_ф I (3.54)

где K_ф – коэффициент фильтрации торфяной залежи; I – уклон уровня грунтовых вод в болоте. Значение K_ф обычно находится в пределах 10^–2 —10^–6 см/с. Коэффициент фильтрации быстро уменьшается с глубиной в зависти от степени разложения растительных остатков и самого торфа. С ростом разложения K_ф быстро уменьшается вследствие уменьшения размеров пори увеличения содержание мелких фракций торфа. В слое толщиной около одного метра коэффициент фильтрации изменяется в тысячи и десятки тысяч раз в зависимости от типа микроландшафта и элемента микрорельефа [13]. Разложившийся торф, залегающий на глубине более 0.8 – 1.0 м от поверхности, характеризуются очень низкой водопроводимостью, что практически исключает потери воды на впитывание в грунты, подстилающие торфяное болото.

Зимой деятельный слой болота в условиях холодного и умеренного климата обычно промерзает и водоотдача болота резко уменьшается.

Болота имеют специфическую гидрографическую сеть, включающую топи, болотные водоемы и болотные водотоки.

Топи – это сильно переувлажненные участки с разжиженной торфяной залежью. Здесь практически отсутствует деятельный слой, и уровень грунтовых вод стоит выше поверхности торфа. Выделяются проточные и застойные топи. Проточные топи нередко дают начало болотным речкам, вытекающим за пределы болота. Застойные топи являются начальной стадией образования вторичных озер.

К. болотным водоемам относятся болотные озера и озерки. Бо­лотные озера – это относительно крупные водоемы (площадью 1 – 50 км² и больше, глубинами до 10 м), имеющие торфяные берега и острова, иногда плавающие моховые сплавины. Озерки имеют меньшие размеры и часто располагаются большими группами, вклю­чающими десятки, а иногда и сотни озерков. Водоемы в болотах бывают первичными, существовавшими до начала форми­рования болота, и вторичными, возникшими уже в процессе заболачивания.

Болотные водотоки (речки и ручьи) представлены как заторфованными и зарастающими первичными водотоками, суще­ствовавшими еще до образования болота, так и вторичными, сформировавшимися в процессе болотообразования. И те и другие способствуют дренажу болот. Течение воды во вторичных водотоках обычно очень медленное.

Водный баланс болота складывается из приходной части, включающей атмосферные осад­ки х, приток поверхностных у₁ и подземных (грунтовых) вод w₁ и из расходной части, включающей испарение z, поверхностный у₂ и подземный w₂отток. За расчетный интервал времени (Dt) в болоте может произойти накопление воды или ее сработка (Du).

С учетом сказанного общее уравнение водного баланса болотного массива запишется в виде:

х + у₁ + w₁ = z + y₂ + w₂ + Du (3.55)

Для верхового болота, питающегося атмосферными осадками, члены у₁ и w₁ равны нулю.

Изменение запаса воды в болоте Du может быть представлено через изменение уровня грунтовых вод в торфяной залежи

Du = aDH, DH=Du/a , (3.56)

где а равно либо коэффициенту водоотдачи μ (при снижении уровня грунтовых вод), либо дефициту влажности d (при повышении уровня).

Поскольку μ и d в различных болотных микроландшафтах различны, суммар­ное изменение запаса влаги в деятельном слое болота определяется как средневзвешенная величина

Согласно исследованиям В.В. Романова, главная статья расходования воды в болотах – это испарение с поверхности болота, включая транспирацию растительностью. Вклад испарения в расходование воды с болота достигает 100 % для низинных бессточных болот в аридной зоне и около 50 % – для болот в северных районах зоны избыточного увлажнения.

Методику расчета испарения с болот разработал В.В. Романов [22]. В ее основе лежит оценка радиационного баланса, учет типа болотного микроландшафта и уровня болотных вод. Испарение с болот возрастает с севера на юг и зависит от типа болота (евтрофные болота испаряют воды больше, чем олиготрофные), от высоты стояния уровня болотных вод (при высоком стоянии уровня испарение приближается к величине испаряемости).

В условиях умеренного климата наибольшее количество воды испаряют сфагново-осоковые и лесные топи (до 600 мм за лето), наименьшее — сфагновые болота с кустарнич­ками (до 300 мм за лето). Лесные болотные мик­роландшафты испаряют больше, чем моховые. Испарение с мочажин обычно на 40—60 % превышает испарение с гряд. В целом в зоне избыточного увлажнения испа­рение с низинных болот превышает испарение с верховых болот на 10-15% [13, 19, 22].

Уровни грунтовых вод на болотах (уровни болотных вод) большую часть года стоят близко к поверхности понижений (мочажин, пространств между кочками) – на глубине 0 – 1 м. Изменение условий питания и расходования влаги в болоте приводит к колебаниям уровня грунтовых вод, который быстро реагирует на изменения составляющих водного баланса.

На болотах в условиях умеренного климата России в весеннее время идет пополнение запасов влаги в основном в результате снеготаяния. Уровень болотных вод весной повышается, достигая максимальных значе­ний обычно в апреле – мае, в лесотундре и тундре в начале июня. В этот период сток с болот резко возрастает. В летнее время происходит расходова­ние влаги в основном путем испарения и частично стока. Некоторое пополнение запасов влаги в болоте и сопутствующее повышение уровня болотных вод наблюдаются осенью в период дождей. Минимальные уровни болотных вод наблю­даются в феврале – начале марта, на крайнем севере в апреле-начале мая. Типичный ход колебаний уровня грунтовых вод в условиях умеренного климата (по К. Е. Иванову) представлен на рис. 3.61.

Высота стояния уровня грунтовых вод и его колебания зависят от типа болотных микроландшафтов и рельефа поверхности болота. Нижний горизонт деятельного слоя болот приблизительно соответствует положению среднего многолетнего минимального уровня болотных вод. В лесных микроландшафтах этот уровень стоит на глубине 59 –61 см от поверхности понижений болота, в моховых – на глубине 39 см, в мохово-травяных на глубине 24 – 30 см.

Средний максимальный уровень болотных вод в лесных микроландшафтах стоит на глубине 7 – 14 см от поверхности понижений болота, в моховых микроландшафтах поднимается к самой поверхности, а в мохово-травяных – поднимется на 7 – 14 см выше поверхности понижений. Уровень грунтовых вод на моховых болотах наиболее высокий, а амплитуда его колебаний наименьшая.

Тепловой режимторфяныхзависит от климатических усло­вий. Важную роль играет теп­лоемкость и теплопроводность торфа, зависящие от соотношения объемов органического вещества, воды и воздуха в торфяной залежи. Чем больше содержание воды в торфе, тем боль­ше и его теплоемкость, значит тем медленнее он нагревается и остывает.

В условиях умеренного климата суточный ход температуры в деятельном слое торфяного болота заметен лишь до глубины 15–25 см, а сезонные колебания температуры отмечаются до глубины 3–3,5 м. Величина суточных и сезонных колебаний температуры в тор­фяном болоте меньше, чем в минеральном грунте, и она уменьшается с увеличением влажности грунта.

Непосредственно на поверхности болота суточные колебания температуры вследствие малой переда­чи теплоты в глубь торфяной залежи могут быть очень велики, что способствует повышенному испарению в дневные часы и ранним осенним заморозкам в ночные часы. Высыхание поверхности болота увеличивает опасность его возгорания.

Рис. 3.61. Сезонные колебания уровня болотных вод относительно по­верхности болота

В условиях холодного и умеренного климата замерзание болот наступает, в среднем, через 15–17 дней после устойчивого перехода температуры воздуха через 0 °С. Болота замерзают позже небольших озер и рек. Наиболее интенсивно торфяная толща промерзает при небольшой толщине снежного покрова. Согласно исследованиям Государственного гидрологического института, к концу зимы толщина мерзлого слоя торфа на грядах в среднем в 1,5 раза больше, чем ни мочажинах. Максимальная толщина мерзлого слоя на крупно-бугристых торфяниках достигает 60—65 см. На территории России толщина мерзлого слоя торфа на болотах возрастает с юго-запада на северо-восток, что объясняется в основном понижением температуры воздуха и увеличением длительности зим­него периода в этом направлении.

Оттаивание болот протекает различно в разных болотных микроландшафтах. Помимо климатических условий, оно зависит от глубины промерзания и толщины снежного покрова. В лесотундре и тундре, в зоне вечной мерзлоты максимальная глубина слоя сезонного протаивания на болотах составляет 0.2 – 0.7 метра, глубже этого слоя следуют мерзлые торфяники.

Наиболее заболоченной территорией России является Западно-Сибирская равнина. Длительное весеннее половодье – характерная особенность водного режима рек этой территории. В годы с высоким половодьем уровни речных вод поднимаются на 6 –10 м, причем каждый дополнительный метр подъема уровней воды в условиях плоского рельефа приводит к затоплению и подтоплению обширных территорий.

В результате таяния снега и выпадения осадков в период снеготая­ния формируется основная составляющая половодья — сток талых вод. Уравнение водного баланса, отражающее формирование этой составля­ющей, может быть представлено в следующем упрощенном виде:

(3.57)

где S — запас воды в снеге; х— осадки за период снеготаяния и в пер­вые дни после сода снега; Р — суммарные потери талого стока.

Выполненные расчеты элементов водного баланса по территории Западной Сибири, входящих в уравнение (3.57), дают возможность оценить потери талого стока Р, рав­ные разности между по­ступлением воды (S+x) и стоком (У). В табл.3.12 приведены средние значения составляющих водного ба­ланса речных бассейнов Западно-Сибирской равнины. В южных районах рассматриваемой территории отмечается возрас­тание потерь с увеличением заболоченности и лесистости. Так, в заболоченных и лесистых бассейнах Северобарабинской низменности потери талого стока достигают 110-115 мм. В бассейне р. Вагай, где увеличивается доля безлесных и незаболоченных про­странств, потери стока снижаются на 20-25 мм. Аналогичная картина характерна и для притоков Вагая (р. Балахлей и др.). На юге Васюганья (pp. Икса, Чая, Парабель) потери талого стока примерно такие же, как и в заболоченной Барабе (110-120 мм).

Север­нее (pp. Васюган, Демь­янка, Б. Юган) потери снижаются (90-100 мм), что объясняется большей увлажненностью и более интен­сивным эрозионным расчленением территории.

В возвышенных и. лучше дренированных бассейнах Приуралья (pp. Ница, Мучай) потери стока не превышают 90 мм. Близкая величина потерь отмеча­ется в пре­делах возвышенности Люлин-Вор (бассейн р. М. Сосьва). Наимень­шая величина потерь (77 мм) зафиксирована в бассейне р. Таза, чему способствует распространение в этом бассейне моренных возвышен­ностей, значительная расчлененность рельефа, переувлажнение поверхности и вечная мерзлота.

Таблица 3.12

Характеристика элементов водного баланса в бассейнах рек Обь-Иртышского междуречья

Самые значитель­ные потери талого стока приурочены к районам зандровых и озерно-аллювиальных равнин, отличающихся особенно плоским рельефом, сплошной заболоченностью, широким распространением озер. Это бассейны рек Лямина, Агана, Тром-Егана, Надыма, где потери талого стока составляют 115-130 мм.

Приведенный анализ показывает, что снижение заболоченности на фоне возрастания дренированности территории приводит к снижению потерь стока талых вод.

Поглощение талых и дождевых вод на болотах происходит по типу емкостного задержания в верхнем деятельном слое. Согласно [5], на юге крупнейшего в мире Васюганского болота (южная тайга и заболоченная лесостепь Обь-Иртышского междуречья) после сухой осени водоудерживающая емкость просохшего деятельного горизонта болот может задержать на 100 мм талой воды больше, чем после избыточно увлажненного летне-осеннего периода. В последнем случае уровни воды на болотах в конце осени стоят у самой поверхности, т.е. болото до предела заполнено водой.

Для бассейнов рек Пур и Таз (лесотундра и тундра), где ежегодно обеспечивается предельно высокое осеннее увлажнение болт, емкостное задержание и потери талых вод практически не изменяется по годам.

По вопросу о влиянии болот на речной сток единой точки зрения у гидрологов долгое время не было. Усили­ями в основном отечественных гидрологов (К. Е. Иванов, И.А. Шикломанов и др.) к настоящему времени сложились следующие пред­ставления.

1. Вследствие повышенного испарения и транспирации с заболоченных территорий в реки поступает меньше стока, чем с сопредельных незаболоченных земель. Важно отметить, что различие в испарении с поверхности болот и незаболоченных земель растет с уменьшени­ем общей увлажненности территории. Так, в тундре испарение с болот и незаболоченных земель в усло­виях избыточного увлажнения мало отличается. Различие возраста­ет в лесной зоне и наибольшего значения достигает в степной, полупустынной и пустынной зонах, где с заболоченных зе­мель теряется на испарение значительно больше воды, чем с сопре­дельных сухих территорий.

2. Следствием осушения болот должно стать уменьшение испарения и увеличение стока, причем тем большее, чем южнее расположен осушенный болотный массив. Дополнительной причиной увеличения среднего стока непосредственно в результате осушения болот служит сработка вековых запасов болотных вод. Однако, впоследствии испарение с осушенных массивов, может возрасти тем сильнее, чем больше будет транспирировать культурная растительность на осушенных землях. Величина стока тогда может даже уменьшиться по сравнению с его величиной до осушения.

3. Влияние болот на весенний сток неоднозначно. С одной стороны, болота, поглощая влагу во время снеготаяния, уменьшают весенний сток, и, следовательно, осушение болот, улучшая дренаж, должно привести к увеличению весеннего стока. Однако не­обходимо учитывать, что осушенные болота могут иметь лучшую аэрацию грунта, что приводит к увели­чению потерь талых вод на инфильтрацию и испарение и к умень­шению весеннего стока. Поэтому осушение болот, согласно И. А. Шикломанову, в одних случаях ведет к увеличению, а в дру­гих к уменьшениювесеннего стока. Необходимо учитывать, какие ландшафты сформируются после осушения болот, и в каком направлении они будут использоваться человеком.

4. Болота не способствуют увеличению меженного стока: летом они испаряют много воды. По этой причине в результате снижения уровня болотных вод и соответствующего падения коэффициента фильтрации сток с болот падает практически до нуля. Зимой болота вообще могут не давать стока в связи с промерзанием деятельного слоя. Поэтому осушение болот выравнивает колебания стока в течение года, иногда увеличивая (по И. А. Шикломанову, в 1,5—2 раза) минимальные расходы воды в меженный период.

5. Болота оказывают влияние на химический состав речных вод. Реки, текущие с верховых болот, питающихся атмосферными осадками, имеют воды гидрокарбонатного класса. Они содержат очень мало минеральных веществ, но зато обогащены органическими веществами, гуминовыми кислотами, продуктами разложения органических веществ. Болотные воды неблагоприятны для развития высших водных организмов, поэтому осушение болот должно способствовать улуч­шению качества речной воды.

6. Вопрос о влиянии осушения болот на различные характеристики речного стока (максимальный, минимальный, средний, внутригодовое распределение, качество вод) решается неоднозначно. Нельзя терять из вида естественную тепловлагообеспеченность территории, глубину вреза русел, геологическое строение зоны активного водообмена. И главное, следует учитывать, как изменятся гидрологические условия вновь созданных ландшафтов в соответствии с целями, которые были поставлены, и мероприятиями, которые будут или были реализованы после осушения болот.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: