Особенности формирования стока с болотных массивов среднего Приобья

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА С БОЛОТНЫХ МАССИВОВ СРЕДНЕГО ПРИОБЬЯ

Барановский В.И.

Гидрологические особенности болотных экосистем, в отличие от других природных образований определяются различной водоудерживающей способностью различных видов торфа и наличием в торфяных залежах двух физически и биологически неадекватных горизонтов - верхнего, или деятельного торфогенного слоя и относительно инертного органогенного тела, являющегося продуктом многовековой деятельности первого слоя (Герасимов, 1937; Скрынникова, 1955; Иванов К.Е., 1957; Лопатин В.Д., 1954). Особенности формирования стока с болотных массивов как раз и обусловлено взаимоотношением этих двух горизонтов по параметрам водопропускной способности.

В деятельном слое торфяной залежи происходит впитывание атмосферных осадков, фильтрационное стекание воды по склону болотного массива, подток воды к испаряющей поверхности и поглощение ее корневыми системами растений. Верхней границей деятельного слоя является поверхность растительного покрова болота, а нижней - линия, практически совпадающая со средним многолетним уровнем грунтовых вод верховодки в теле болотных массивов. Толщина его, по данным Е.М.Ивановой (1967), колеблется в пределах от 10 до 80 см, а на междуречных поверхностях Сургутского Полесья в бассейне рек Лямин и Ай-Пим не превышает 20 см. Самый верхний слой деятельного горизонта глубиной 3-8 см состоит из вертикально и наклонно расположенных стеблей мха, кустарничков и трав. Поры (капилляры) между стеблями растений имеют преимущественно вертикальную и наклонную ориентацию. Под живым моховым покровом расположен слой, в котором отмершие стебли мха находятся в стадии перехода из вертикально-наклонного в горизонтальное положение из-за физического смятия и содержит огромное количество пор различной величины и направленности. Величина этого слоя обычно от 5 до 20 см в разных микроландшафтах. Ниже располагается слой торфа с горизонтальной ориентацией частиц отмерших растений в более плотной упаковке. Помимо механического уплотнения на структуру торфяного слоя оказывают влияние биохимические процессы, в результате которых образуются сложные коллоидные комплексы гумусовой природы, определяющие гидрофильно-гидрофобные свойства торфа.

Органогенно-инертная зона представляет собой нижний горизонт торфяной залежи от верхнего среднемноголетнего уровня грунтовых вод до подстилающего минерального слоя. Торфяная залежь постоянно насыщена влагой и состоит из двух компонентов - органического вещества и воды. Считается (Иванов, 1957), что ниже уровня грунтовых вод водопроводимость остается постоянной в отличие от верхнего деятельного слоя, где горизонтальная фильтрация прекращается при падении уровня грунтовых вод и затем возобновляется при его повышении.

Количество связанной воды в торфе не остается постоянным, а меняется в зависимости от влажности, температуры, степени разложения и ботанического состава торфа.

С гидрологической точки зрения наибольший интерес представляет гравитационная вода, т.к. только она перемещается в порах деятельного слоя торфяной залежи под влиянием капиллярных сил или под действием силы тяжести. Исследования показывают (Курдюмов С.В., 1943), что под влиянием силы тяжести весовая влажность торфа снижается с 91 до 88 %. Влажность 88 % соответствует среднему влагосодержанию торфов после того, как была удалена вода, которая может стечь путем фильтрации под влиянием собственного веса. Дальнейшее снижение влажности достигается только посредством испарения воды из торфа. Таким образом, не более трех процентов всей воды, связанной в болотном массиве, участвует в фильтрационном стоке, тогда как остальная часть находится в связанном состоянии и концентрируется преимущественно в пределах инертного горизонта. Благодаря этому основную роль в процессе стекания воды с болотных массивов играет деятельный слой, в котором некапиллярная вода стекает по всей территории болота фильтрационным потоком в зависимости от уклона поверхности до тех пор, пока не истощатся запасы свободной воды (Иванов К.Е., 1957).

При обследовании верховых болотных массивов средней тайги Западной Сибири на границе торфа и минерального грунта выявлен плотный закольматированный горизонт мощностью от 5 до 20 см, сдерживающий фильтрацию болотных вод и водообмен с подстилающими грунтами, что не дает возможности осуществляться стоку в вертикальном направлении. В связи с этим, основная часть влаги стекает с болот не русловым стоком через систему болотных водотоков, а путем горизонтальной фильтрации в относительно небольшом верхнем слое торфяной залежи (М.И. Нейштадт, 1977). Снижение уровня грунтовых вод до нижней границы деятельного горизонта приводит к полному прекращению стока с болота и к уменьшению его до незначительной величины. Небольшое количество воды, которое поступает в ручьи через инертный горизонт не компенсирует даже того количества влаги, которое непосредственно испаряется с поверхности внутриболотных топей и ручьев. В результате водоотдача болотного массива за его пределы в зимние и летние периоды при низком стоянии уровня грунтовых вод прекращается. Это подтверждено многолетними наблюдениями над стоком со сфагновых верховых болот (А.Д. Дубах, 1936), из которых следует, что продолжительность летнего периода с полным прекращением стока составляет 50-60 дней, а зимний бессточный период находится в пределах 110-170 дней. Регулярные обследования многочисленных ручьев, питание которых происходит с грядово-мочажинных микроландшафтов, показали, что с июня по сентябрь сток полностью прекращался. Совершенно очевидно, что в наибольшей степени наличие длительных бессточных периодов как в летние, так и в зимние месяцы характерно для олиготрофных болотных массивов, водоснабжение которых имеет исключительно атмосферное происхождение.

Таким образом, если рассматривать болотный массив по отношению к его внешним водоприемникам как своего рода водоем, обладающий определенным запасом воды и регулирующий сток в ручьях и речках, вытекающих из него, то этот запас оказывается очень небольшим, равным количеству несвязанной воды, заключенной в деятельном слое болота. Остальные запасы воды, представляющие осмотическую и капиллярную влагу в деятельном слое, а также заключенную в инертной, преобладающей части залежи, удерживаются в болотном массиве и не участвуют в питании ручьев и рек. Это свидетельствует о том, что практически даже растворимые химические соединения не выносятся за пределы торфяной залежи и остаются в ней навечно.

В характеристике величин, определяющих водный баланс систем верховых болотных массивов, важное значение имеет роль испарения. Проведенные наблюдения в течение 6 лет за водным балансом систем грядово-мочажинных выпуклых болотных массивов показали, что в расходной части баланса на долю стока приходится 25 %, на испарение - 75 %. Сток по отношению к величине испарения составляет 32 %, а в летние месяцы (с мая по сентябрь) сток от испарения составляет в среднем всего 7,2% (Иванов К.Е., 1957). Таким образом, основная доля в водном балансе падает на испарение и значительно меньшая - на сток. Так в районе Сытомино (Сургутское Полесье) средняя величина испарения с сфагново-кустарничковых микроландшафтов за май-сентябрь составляет 291 мм, а в зоне олиготрофных болот на водоразделе р. Лямин и Пима средняя многолетняя величина испарения за летние месяцы достигает 316 мм. Максимум испарения приходится на июнь, июль и август, когда фильтрационный сток в эти месяцы практически прекращается.

Необходимо отметить, что величина испарения зависит от типов болотных микроландшафтов, составляющих болотные водосборы. Но в любом случае испарение с мочажин на 50 % выше, чем с гряд. Сравнительные исследования показали, что величина испарения с грядово-мочажинных и топяных болотных ландшафтов превосходит среднюю величину испарения с суходолов для того же района на 20-50 %. Коэффициент стока на незаболоченных речных водосборах в среднем составляет 0,42, для болотного водосбора - только 0,23. Эти данные свидетельствуют о том, что олиготрофные грядово-мочажинные болота характеризуются пониженным стоком и повышенным испарением, в отличие от суходольных территорий.

Гидрологическая сеть болотных массивов также развита, как сеть суходольных территорий и состоит из тех же элементов строения - водоемов и водотоков. Однако по своему происхождению они подразделяются на первичные, возникшие до образования болотных массивов, и вторичные, возникшие в процессе развития болотных массивов.

Дно первичных ручьев, речек и озер состоит из минерального грунта, покрытого илистыми отложениями. С течением времени берега этих водных образований по мере развития болотных массивов, занимающих междуречные поверхности, заторфовывались и в настоящее время высота их в Сургутском Полесье составляет от 0,5 до 1,5 м.

Вторичные речки и ручьи являются результатом формирования современных болотных массивов. Как правило, они связаны с внутриболотными водоемами - озерами, либо с топями, откуда берут свое начало. Воды, фильтрующиеся по этим топям, собираются постепенно в одно русло и отводятся к границам болотных массивов, далее попадая в первичные водотоки. Скорость течения воды в них обычно незначительная. Чаще всего образование вторичных ручьев наблюдается в сильно обводненных грядово-мочажинных и мочажинно-топяных комплексах. Русло их вырабатывается преимущественно в перпендикулярном направлении к грядам - наиболее своеобразным малым формам поверхности, присущим только болотным ландшафтам с повышенной обводненностью.

Образование различных типов топей, озерков, вторичных озер и водотоков зависит от величины и формы фильтрационного потока, что тесно связано с особенностями рельефа болотных массивов. Рельеф определяет образование различных типов растительных ассоциаций, которые также влияют на водопропускную способность деятельного горизонта. Особенно это четко прослеживается при сравнительном изучении причин образования грядово-мочажинных комплексов. Отмечено, что при больших уклонах болотных массивов (в пределах 0,004-0,017) и при малых (0,0004-0,0009) образования гряд и мочажин не происходит. Причиной возникновения гряд и мочажин, ориентированных перпендикулярно линиям стока, является неравномерность распределения проточности верхних слоев деятельного горизонта. Это возникает при внедрении в однородную растительную ассоциацию других видов растений, создающих участки с более плотной дерниной и меньшей водопроводностью. При среднем диапазоне уклонов (0,0006-0,0003) вся масса стекающей воды фильтруется через деятельный горизонт, захватывая самые верхние слои. В этих условиях ежегодно имеет место фильтрационный водообмен в корнеобитаемом слое и растительность находится под влиянием резко неравномерного распределения проточности, приводящего к образованию ориентированных элементов микрорельефа.

При повышенных уклонах (0,004-0,017) средние уровни грунтовых вод стоят на глубинах 20-30 см от поверхности понижений микрорельефа. Поэтому вся масса воды, стекающая в болотных микроландшафтах, фильтруется по наиболее глубоким слоям деятельного горизонта, а верхние слои при этом не затрагиваются. Следовательно, неравномерность скоростей фильтрации и проточности, обуславливающая ориентированное формирование западин и гряд, минимальная. При низких уклонах участков болот (0,0004-0,0009) основная масса воды стекает поверхностным, а не фильтрационным потоком. Поскольку неравномерность водопроводимости в деятельном слое отсутствует, поэтому условия питания растений и кислородный обмен однороден по всей площади питания растений.

Следовательно, в болотных микроландшафтах, в которых господствующее значение имеет поверхностный сток или сток в нижних слоях деятельного горизонта, расчленение поверхности болота на правильно ориентированные элементы не происходит.

В этих микроландшафтах сохраняется либо пологий, либо кочковатый микрорельеф, обусловленный определенным составом растительных ассоциаций. Н.И. Пьявченко (1956, 1963) рассматривает проточность воды как основной показатель, определяющий тип водно-минерального питания растений и общий характер фитоценозов, которые он подразделил на 3 экологических ряда: грунтовый (проточный), атмосферно-грунтовый (слабо-проточный) и атмосферный (застойный). Е.А. Романова (1960) тесно увязывает величину уклона почвенной поверхности и проточность. При наибольших уклонах (0,004-0,01) уровень воды находится на глубине 30-45 см и высота деревьев в этом лесном микроландшафте превышает 6 м. При меньших уклонах (0,001-0,004), но при таком же уровне воды, как в первом случае, высота деревьев варьирует от 3 до 6 метров; и там, где уклон выражен слабо, а уровень воды приближается к поверхности, высота деревьев не превышает трех метров.

Аналогичные данные по соотношению величин уклонов с различными микроландшафтами приводит Иванов К.Е. (1953). Так мочажины сфагново-шейхцериевые имеют уклон поверхности 0,0012, а сфагново-пушициево-шейхцериевые 0,0018. У грядово-мочажинно-озеркового комплекса величина уклона колеблется от 0,0006 до 0,0030 (средняя 0,0013), а у грядово-озеркового комплекса средняя величина составляет 0,0017. Однако по данным Ф.З. Глебова (1988) абсолютно строгой зависимости уклонов поверхности от скорости фильтрации воды и производительности древостоев не существует и все обуславливается более сложным характером сочетания этих факторов. Исследования проводили на верховом олиготрофном болоте с использованием радиоактивного изотопа. Изотоп был запущен на 25 см ниже уровня воды и впоследствии был обнаружен только в направлении максимального уклона поверхности. За 14 дней, в зависимости от уклона поверхности, изотоп прошел от 8 до 35 сантиметров, что соответствует скорости 0,6-2,5 см/сутки, т.е. за месяц радиоактивный изотоп может переместиться в торфяной залежи не более 1 метра.

Полученные небольшие скорости фильтрации по сравнению с опубликованными таблицами в монографии К.Е. Иванова (1953) подтверждают исследования других авторов, которые определяли скорость фильтрации в поверхностном слое торфяной залежи с помощью радиактивных изотопов (Валарович, Чураев, 1960; Смоляк и др., 1972). Так в березняке осоко-сфагновом скорость фильтрации была 3 см/сутки, а в сосняке пушициево-сфагновом фильтрацию воды вообще обнаружить не удалось. По-видимому, это связано с тем, что Иванов К.Е. определял коэффициенты фильтрации в лабораторных условиях на больших монолитах и скорость фильтрации вычислялась косвенным путем, а не прямыми измерениями, как это делали с помощью радиактивных изотопов. Следует также отметить, что интенсивность стока с болотных массивов в дренирующие ручьи и речки не изменяется в период весеннего половодья. Средние уклоны поверхности болотных вод вдоль линий стекания, направленных к рекам, в период весеннего половодья остаются близкими к уклонам поверхности этих вод в летнюю межень. Причем такие болотные массивы никогда не заливаются речными водами, включая их периферийные участки, непосредственно примыкающие к рекам. Обычно полностью затапливаются, в период высокого стояния уровней воды в реках, болотные массивы пойменного залегания. Однако, эти болота составляют незначительные площади по сравнению с массивами водораздельного залегания и, следовательно, у основной части болотных междуречных систем происходит обычный самотечный сброс воды.

Анализ вышеприведенных данных исследований многих ученых болотоведов позволяет прийти к выводу, что сложные массивы олиготрофных болот, расположенных на плоских водораздельных поверхностях Сургутского Полесья, содержат большие объемы воды, которая слабо сбрасывается в открытую речную сеть, и большая ее часть расходуется на испарение. Таким образом, в случае попадания нефтяных загрязнений на поверхность олиготрофных болот, многочисленных озер и озерков, велика вероятность их локализации именно в силу низких коэффициентов фильтрации влаги. Экологическую опасность представляют собой загрязнения территории водоемов, пойм и первой надпойменной террасы ручьев и рек, а так же топей выклинивания и внутриболотных озер, соединенных с реками открытыми водотоками. В связи с этим при определении границ водоохранных зон этих водных объектов необходимо, чтобы они совпадали с естественными границами примыкающих к ним болотных массивов, характеризующихся активными водопропускными свойствами. Формальный подход выделения водоохранных зон вдоль водоемов и водотоков в этих условиях никак не решает вопроса эффективной защиты их от техногенного воздействия.

В связи с существующей различной проточностью экосистем возникает целесообразность выявления болотных массивов, размещение в которых техногенных объектов станет опасным не только для функционирования этих массивов, но и природных экосистем, удаленных от них. Поэтому для снижения ущерба воздействия техногенных факторов, размещаемых на болотных территориях необходимо знать структуру болотных массивов и степень экологической опасности функционирования техногенных объектов в каждой болотной системе. В связи с этим при разработке проекта обустройства нефтегазового месторождения необходимо провести картографирование болотных систем и их оценку по показателю проточности.

Выделенные болотные массивы по показателю проточности и ранжированные по степени экологической опасности в случае функционирования в них техногенных объектов и будет являться основой для принятия решений по снижению ущерба при обустройстве нефтегазовых месторождений. Болотные же массивы, характеризующихся высокой проточностью будут выполнять роль водоохранных зон. В них можно допустить размещение техногенных объектов, но при условии выполнения всех мер, препятствующих распространению отрицательных последствий. Традиционные водоохранные зоны следует выделять только вокруг водотоков или проточных озер, руководствуясь современными нормативами, предусмотренных для гидрографической сети суходольных территорий.

сток болотный загрязнение экологический

Литература

Валарович Н.П., Чураев Н.В. Исследования торфа при помощи радиактивных изотопов. - М.: Изд-во АН СССР, 1960. - 198 с.

Герасимов Д.А. О принципах классификации, разведки и картирования торфяных месторождений // Почвоведение, 1937, № 5.

Дубах А.Д. Очерки по гидрологии болот. ГГИ, 1936.

Иванов К.Е. Основы гидрологии болот лесной зоны. - Л.: Гидрометеоиздат, 1957. - 500 с.

Иванова Е.М. Распределение надземного стока в реки по территории Западной Сибири и некоторые особенности его формирования. - Труды Гос. гидрол. ин-та, 1967, вып. 139.

Курдюмов С.В. О формах соединения воды в торфе в связи с вопросами сушки. - Торф. промышленность, 1943. - № 4.

Лопатин В.Д. Гладкое болото (торфяная залежь и фации). Уч. зап. ЛГУ. Сер. Геогр. наук. - 1954. - № 186, вып. 9, сб. 1. - С. 95-181.

Нейштадт М.И. Научные предпосылки освоения болот Западной Сибири. - М.: Наука, 1977. - 226 с.

Пьявченко Н.И. Опыт классификации заболоченных лесов. Академику В.Н. Сукачеву к 75-летию со дня рождения. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1956. - С. 463-480.

Пьявченко Н.И. Лесное болотоведение. - М.: Изд-во АН СССР, 1963.- 192 с.

Скрынникова И.Н. Еще раз о принципах классификации торфяно-болотных почв // Почвоведение, 1955, № 9.

Смоляк Л.П., Петров Е.Г., Русаленко А.И. Некоторые вопросы водного режима болот. - В кн.: «Фитоценотические исследования в Белоруссии». Минск: Наука и техника, 1972. - С. 64-79.

Размещено на Allbest.ru