5.2. Режим теплообмена в деятельном слое болот

До недавнего времени в связи с отсутствием достаточно надежных приборов для определения потока тепла в грунт последний определялся обычно расчетным путем, в частности, по зависимости типа

(}=-РХ т-^-, (5.12)

где (2 — тепловой поток, кал; Р — площадь поперечного сечения теплово­го потока, см²; % — коэффициент теплопроводности, кал/(см-с-°С);

т — время, с; градиент температуры I по глубине г.

Для вычисления теплопотока по формуле (5.12) необходимы очень детальные (по времени и глубине) и качественные наблюдения за темпе­ратурой торфяной залежи, а также данные о величине коэффициента теплопроводности. В связи с тем что градиенты температуры в деятель­ном слое торфяной залежи сильно меняются как во времени, так и по глубине, расчет потока тепла в торфяную залежь по вышеприведенной зависимости является весьма трудоемким.

Широкое внедрение в практику исследований теплового режима поч­во-грунтов тепломера АФИ [136] позволило получить достаточно обшир­ный экспериментальный материал по величинам теплопотока в деятель­ном слое различных болот ЕТС и Западной Сибири.

Наблюдения за режимом теплообмена в деятельном слое торфяной залежи Западно-Сибирских болот проводятся ГГИ с 1964 г. В 1964 г. теп- лобалансовые исследования велись на болотном массиве в районе оз. Нумто на участке с многолетнемерзлыми грунтами. В 1965—1966 гг. эти наблюдения проводились на Мортымьинском болотном массиве в грядово-мочажинном комплексе, а в 1967—1970 гг.— на Самотлорском

145

болотном массиве в грядово-озерковом и сфагново-кустарничково-сосно- вом микроландшафтах. В 1972 г. в бассейне р. Правой Хетты были про­ведены наблюдения за теплопотоком в деятельном слое (в слое сезонно­го оттаивания) минеральных почво-грунтов.

Сведения о пунктах наблюдений за теплопотоком, глубинах установ­ки тепломеров, а также о периоде наблюдений приводятся в табл. 5.2. Результаты экспериментальных исследований, выполненных на указан­ных выше массивах, представлены в табл. 1—5 приложения 16.

К калНсм²")

Рис. 5.7. Ход потока тепла 0 и радиационного баланса Н в тече- •-г- ние суток на болотном массиве в районе оз. Нумто. Сфагново-ку-

старничково-лишайниковый микроландшафт, 1964 г.

/—9/УШ, 2—20/УП1, 3-6/1Х.

Используя эти данные, рассмотрим режим теплообмена в деятельном слое торфяной залежи по болотным зонам (с севера на юг).

На рис. 5.7 приведен график изменения величины теплопотока в тече­ние суток на болоте с многолетней мерзлотой. Как видно из этого рисун­ка, направление теплопотока в суточном ходе меняется: в дневные часы (светлая часть суток) поток направлен в торфяную залежь, в ночное вре­мя — из торфяной залежи. В периоды смены направлений теплопотока, что обычно наблюдается в утреннее и вечернее время, он равен нулю. В светлую часть суток ход теплопотока в основном определяется ходом радиационного баланса. Однако наблюдается некоторое запаздывание в наступлении экстремальных значений теплопотока. Максимальная вели­чина теплопотока в это время обычно наблюдается в 13—15 ч. Причем абсолютная величина его в период интенсивного прогревания торфяной залежи в 3—4 раза больше максимальной величины теплопотока в ноч­ное время.

Поток тепла в торфяную залежь в условиях вечномерзлых грунтов от­носительно велик и в отдельные сутки достигает 16% величины радиаци­онного баланса. Это в значительной степени объясняется большими гра-

146

Пункты наблюдений за теплопотоком в торфяные и минеральные почво-грунты

Таблица 5.2

Наименование болотного массива	Местоположение болотного массива	Болотный микроландшафт	Элемент микрорельефа, иа котором установлены тепломеры	Глубина установки тепломера, см	Период наблюдений	Сроки наблюдений	Примечание
			Торфяные грунты
Без названия	оз. Нумто	Сфагново-ку- старничково- лишайниковый	Межкочечное пони­жение	2,5	VIII—IX 1964 г.	Наблюдения серий­ные (12 сроков в сутки)	Зона круп­нобугрис­тых болот
Мортымьин- ский	Бассейн р. Му- лымьи, д. Мор- тымья	Грядово-моча- жинный	Повышение (моховая подушка на гряде)	2,5	VI—IX 1965 г.	В 6 сроков с прове­дением серийных наблюдений (12 сроков в сутки)
					VI—IX 1966 г.	В 8 сроков
Самотлор- ский	Междуречье Ваха и Ватинского Егана (оз. Ле­нинградское)	Грядово-озер- ковый	Межкочечное пони­жение на гряде	2,5 20		В 3 и 4 срока с одновременной ре­гистрацией тепло­потока на электро­литических интег­раторах Х-603. Эпи­зодически серий­ные наблюдения (24 срока в сутки)	Зона выпук­лых (сфаг­новых) олиго­трофных болот
			Повышение (моховая подушка на гряде)	2,5 20	VI 1967 г.— IX 1968 г. VII 1969 г.— IX 1970 г.
		Сфагново-ку- старничково- сосновый	Повышение (моховая подушка)	2,5	X 1969 г.— V 1970 г.	В 4 срока с одновре­менной регистра­цией теплопотока на электролитиче­ских интеграторах Х-603

Продолжение та б л 5.2

Наименование болотного массива	Местоположение болотного массива	Болотный микроландшафт	Элемент микрорельефа, на котором установлены тепломеры	Глубина установки тепломера,см	Период наблюдений	Сроки наблюдений	Примечание
Без назва­ния	Левобережье р. Правой Хет­ты, пос. Панго­да	Л Суходольны й- участок, по­крытый ку- старничково- мохово-ли- шайниковой растительно­стью	Минеральные по Ровная площадка	ч в о-г р у н т На поверх­ности по- чво-грун- та под мо­ховой и лишайни­ковой рас­тительно­стью вы­сотой 5— —7 см	ы VIII 1972 г.	В 4 срока с одновре- | менной регистра­цией теплопотока на электролитиче­ских интеграторах Х-603	Зона плоско­бугристых болот

диентами температуры и высокой влажностью верхнего слоя залежи. Среднее его значение 10,5 кал/(см²-сутки), полученное по отдельным эпизодическим измерениям, составляет 7% величины /?.

В табл. 2 приложения 16 приведены данные по теплопотоку в верхнем слое суходольных участков, покрытых лишайниковой и моховой расти­тельностью. Толщина растительного слоя (живые и отмершие части рас­тений), под которым были установлены тепломеры, составляет 5—7 см. Сравнение данных, приведенных в табл. 2 приложения 16, показывает, что теплопоток на участках суходола, покрытых лишайником, почти вдвое больше, чем на участках с моховой растительностью. Последнее можно объяснить, по-видимому, более высокой влажностью верхнего растительного слоя на участках с лишайником. Ввиду отсутствия данных о радиационном балансе поверхности в период измерения теплопотока (табл. 2 приложения 16) сравнить величины С?, полученные на болоте и суходоле в рассматриваемой зоне, не представляется возможным.

Наиболее полные сведения о режиме теплообмена сибирских болот получены по центральной части Западно-Сибирской равнины, которую занимает зона выпуклых олиготрофных (сфагновых) болот. Наблюдения за теплопотоком в этой зоне проводились на Мортымьинском болотном массиве, расположенном в бассейне р. Конды, и на Самотлорском масси­ве, залегающем на водоразделе рек Ваха и Ватинского Егана. Измерения теплопотока выполнялись с помощью тепломеров АФИ, установленных на разных элементах микрорельефа и на различных глубинах (см. табл. 5.2).

Полученные данные позволяют достаточно детально рассмотреть ре­жим теплообмена в торфяной залежи указанных выше болот в течение суток, теплого сезона и года в целом.

Суточный ход теплообмена в торфяной залежи четко делится на две части: на теплообмен в светлое время суток, когда поток тепла направлен в торфяную залежь, и на теплообмен в ночное время, когда направление потока тепла меняется на обратное. В период прогревания торфяной

Таблица 5.3

Экстремальные значения теплотока в торфяную залежь (кал/(см³ • ч.)) на Мортымьинском болотном массиве. Грядово-мочажинный комплекс (гряда)

Год, месяц, декада	Приток тепла,		<31		Отток тепла,		<3*	О.ср <Э*ср
	наиболь­ший	наимень­ший		средний	наиболь­ший	наимень­ший	средний
1965 VII 1	3,14	0,88		2,06	—1,02	—0,06	—0,54	3,8
2	2,99	0,32		1,81	—1,20	—0,30	—0,74	2,4
3	1,67	0,30		0,86	—0,98	—0,21	—0,54	1,6
VIII 1	3,59	0,62		1,65	—1,21	—0,22	—0,85	1,9
2	2,91	0,44		1,23	—1,31	—0,12	—0,63	2,0
3	1,27	0,34		0,70	—1,03	—0,48	—0,70	1,0
IX 1	1,42	0,29		0,91	—3,39	—0,07	—0,97	0,94
2	1,87	0,39		0,91	—0,74	—0,05	—0,42	2,2

149

Продолжение табл. 5.3

Год, месяц, декада	Приток тепла			Отток тепла,			«'СР З'ср
	наиболь­ший	наимень­ший	средний	наиболь­ший	наимень­ший	средний
1966VI 3	1,98	0,71	1,69	—1,16	-0,08	—0,77	2,2
VII 1	2,09	0,46	1,49	—1,21	—0,39	—0,76	2,0
2	2,53	0,97	2,05	—1,32	-0,61	—0,95	2,2
3	1,62	0,59	1,17	—0,94	—0,25	—0,55	2,1
VIII 1	1,87	0,54	1,49	—1,09	—0,40	—0,72	2,1
2	1,52	0,82	1,06	—0,72	—0,24	—0,49	2,2
3	1,16	0,14	0,76	—0,86	—0,29	—0,63	1,2
IX 1	1,31	0,62	0,94	—0,84	—0,24	—0,44	2,1

залежи (май — сентябрь) приток тепла в нее в светлую часть суток всег­да больше оттока тепла за ночь (рис. 5.8), в период же ее охлаждения (октябрь, ноябрь) —наоборот (рис. 5.9). В зимний период (декабрь — апрель) наблюдается только отток тепла из залежи.

Соотношения максимальных величин притока и оттока тепла ф1 и ф2 за сутки приведены в табл. 5.3. Данные этой таблицы показывают, что в период интенсивного прогревания торфяной залежи (июнь, июль) сред­ние за декаду величины максимального притока в 2—3 раза превышают величины максимального оттока тепла. Разница же в максимумах при­тока и оттока за отдельные сутки значительно больше. Однако по абсо­лютной величине приток тепла в залежь даже в самые теплые дни летне-

Таблица 5.4

Экстремальные значения теплопотока в торфяную залежь (кал/(см² ■ ч)) на Самотлорском болотном массиве. Грядово-мочажниный комплекс (гряда)

Дата	Микро­рельеф	Глуби­на ус­тановки тепло­мера,см	Приток тепла				Отток тепла				Суточная амплитуда теплопо­тока, кал/(см'ч)
			наи­боль­ший	наи­мень­ший	сред­ний	наи­боль­ший		наи­мень­ший	средний
1968	Понижение	2,5	1,48	0,06	0,96	—0,86		—0,16	—0,49	2,34
5дан	«	20	0,57	0,02	0,31					0,55
	Повышение	20	0,74	0,04	0,32					0,70
6/УШ	Понижение	2,5	1,90	0,14	1,11	—0,64		—0,05	—0,39	2,54
	«	20	0,57	0,10	0,34					0,47
	Повышение	20	0,79	0,14	0,42					0,65
28/	Понижение	2,5	0,85	0,11	0,54	—0,90		—0,18	—0,63	1,75
VIII
	<	20	0,06	0,0	0,03	—0,26		—0,01	—0,16	0,32
	Повышение	20	0,10	0,0	0,06	—0,34		—0,04		0,44

150

Продолжение табл. 5.3

Дета	Микро­рельеф	Глуби­на ус­танов­ки теп­ломера , см	Приток тепла			Отток тепла			Суточная амплитуда теплопото­ка, кал/(см*ч)
			наи­боль­ший	наи­мень­ший	сред­ний	наиболь­ший	наимень­ший	средний
1969	Понижение	2,5	3,12	0,03	1,22				3,09
5/УП
	«	20	1,50	0,58	1,02				0.92
	Повышение	2,5	2,13	0,04	0,96	—0,40	—0,20	—0,30	2,53
	с	20	1,51	0,54	0,93				0.97
24/УШ	Понижение	2,5	2,36	0,01	1,23	—1,03	—0,07	—0,55	' 3,39
	<	20	0,58	0,0	0,21	—0,18	—0,04	—0,13	0,76
	Повышение	2,5	2,10	0,16	1,14	—1,18	—0,06	—0,57	3,28
	<	20	0,44	0,01	0,22	-0,11	—0,07	—0,09	0,55
1970	Понижение	2,5	3,34	0,13	1,11	—0,67	0,0	—0,11	4,01
29/У1П
	«	20	1,43	0,25	0,82				1,18
	Повышение	2,5	1,95	0,06	0,78	—0,47	—0,16	—0,34	2,42
	«	20	0,98	0,0	0,51				0,98

го периода очень мал (не более 3,6 кал/(см² • ч)) и составляет всего лишь 10% величины радиационного баланса.

Максимальная амплитуда суточных колебаний ф в верхнем 3-санти­метровом слое залежи на рассмотренных болотах Западной Сибири, по данным экспедиционных наблюдений, довольно велика и составляет до 4,01 кал/(см²-ч) (табл. 5.4). С глубиной амплитуда уменьшается, в 20см от поверхности болота она не превышает 1,18 кал/(см²-ч). Как видно из табл. 5.4, на повышенных элементах микрорельефа (кочках) амплитуда теплопотока в 1,5 раза меньше, чем на пониженных элементах (запади­нах).

Наибольший интерес при оценке тепловых ресурсов болот представ­ляет суммарный теплопоток С? за сутки, декаду, месяц. На рис. 5.10 по­казан ход теплопотока в течение теплого периода года, на этом же гра­фике приведены данные по радиационному балансу.

Ход теплопотока, как видно из рисунка, повторяет ход радиационного баланса. Используя это обстоятельство была построена связь между ве­личинами теплопотока и радиационного баланса для различных элемен­тов микрорельефа поверхности болот (рис. 5.11—5.13). Разброс точек на графике довольно велик, что объясняется влиянием на величину теп­лопотока ряда других факторов, например обводненности торфяной за­лежи. Полученные связи могут быть использованы как расчетные для определения декадных и месячных значений теплопотока по данным о радиационном балансе. Точность расчета ф по этим графикам для пони­женных элементов микрорельефа составляет 52 кал/(см²-декада), для по­вышенных—31 кал/(см²-декада), в среднем для болота — 90 кал/(см²-ме- сяц). По графику (рис. 5.13) вычислены среднемесячные значения тепло­потока для ряда пунктов центральной части Западно-Сибирской равни­ны и составлены карты месячных значений ф за теплый период года

151

Я кал/(см* ч) 60

Рис. 5.8. Ход чотока теп­ла <5 и радиационного баланса Я в течение су­ток на Мортымьинском болотном массиве. Гря- дово-мочажинныи комп­лекс, гряда, 1965 г.

/-ЗОЛ'!. 2—16/\'П, 3 —19/УП1, 4-18/1Х.

йкал/(см²-ч

0,1

7-13 13-19 19-1 «

Рис. 5.9. Ход потока тепла <2 в те­чение суток на Самотлорском бо­лотном массиве. Сфагново-кустар- ничково-сосновый микроландшафт.

/—9/Х-69 г., 2-10/1-70 г.

20ч

/? налЦш^г- сутки)

Рис. 5.10. Ход потока тепла <2 и радиационного баланса Я в течение теплого периода года на Самотлорском болотном массиве. Грядово-озерковый комплекс, гряда, 1969 г.

1 — понижение на гряде, 2 — повышение на гряде.

Рис. 5.12. Зависимость теплопото­ка 0 от радиационного баланса Я.

1 — Самотлорский болотный массив, грядово-озерковый комплекс, повыше­ние на гряде; 2—Мортымьинский бо­лотный массив, грядово-мочажшшый комплекс, повышение на гряде.

Окал/(см*-декада) 200 г

100

-100

1000

2000

3000/?кал/(см -декада)

Рис. 5.13. Зависимость теплопото­ка С} от радиационного баланса К. Микролапдшафты мохово-леспой и моховой групп, облесенные гряды комплексных микроландшафтов.

йкал/(см^г-месяи,)

Рис. 5.14. Карта месячных значений теплопотока в торфяную залежь для болотных микроландшафтов мохово-лесной и моховой групп н для гряд комплексных микроланд­шафтов. Июнь.

154

вв 72 78

Рис. 5.15. Карта месячных значений теплопотока в торфяную залежь для болотных микроландшафтов мохово-лесной и моховой групп и для гряд комплексных микролаид-

шафтов. Июль.

Рис. 5.16. Карта месячных значений теплопотока в торфяную залежь для болотных микроландшафтов мохово-лесной и моховой групп и для гряд комплексных микролапд-

шафтов. Август.

Рис. 5.17. Карта месячных значений теплопотока в торфяную залежь для болотных микролаидшафтов мохово-лесной и моховой групп и для гряд комплексных микроланд­шафтов. Сентябрь.

(рис. 5.14—5.17) для болотных микроландшафтов мохово-лесной и мо­ховой групп, а также для гряд болотных комплексов.

Ход потока тепла в торфяную залежь в течение года на Самотлорском болотном массиве показан на рис. 5.18. Как видно из этого рисунка, в го­довом ходе прослеживается один максимум, приходящийся на начало ле­та (июнь), и один минимум, который наблюдается в начале зимы (де­кабрь). В период максимума наибольшие суточные величины теплопото­ка достигают 46,3 кал/(см²-сутки) (приток), в период минимума — 44,2 кал/(см²*сутки) (отток). В начале весны (май) и середине осени

1°С 20

-20 Нем 40

й о

§

ас а

400 О

-400

VII 'V///¹ /X ¹ X ¹ Л/ 'X// ¹ I ¹ II 411 ¹IV ¹ V ¹ VI '.V// 'Ш¹ 1969 1970

Рис. 5.18. Ход потока тепла в торфяную за­лежь <2, температуры воздуха I и высоты снеж­ного покрова к в тече­ние года на Самотлор­ском болотном массиве. Грядово-озерковый комп­лекс, гряда.

1 — понижение 2 — повышение

гряде, гряде.

(сентябрь) наблюдаются дни, в которые суточные величины теплопотока равны нулю. В эти дни происходит смена направления потока в годовом ходе от отрицательного к положительному (весной), и наоборот (осенью). Период с положительным теплопотоком (притоком) длится 140 дней, с отрицательным теплопотоком (оттоком) — 225 дней. Величины притока тепла в торфяную залежь болот и оттока из нее за 1969—70 гг. оказались очень близкими: расхождение составило 24 кал/год в сторону положи­тельного теплопотока. По температурным условиям рассматриваемый год был близок к среднему: средняя температура воздуха за холодный период была на 0,7° С выше нормы, за теплый период — на 2,3° С ниже нормы. Однако, если рассматривать величины теплопотока отдельно на повышенных и пониженных элементах микрорельефа, то можно заметить, что приток тепла за год на понижениях примерно на 700 кал больше, чем отток, на повышениях—наоборот (табл. 5.5). Отсюда следует, что роль микрорельефа в прогревании и охлаждении торфяных залежей болот весьма велика.

158

Таблица 5.5

Годовые значения теплопотока в торфяную залежь Самотлорского болотного массива (северная часть зоны выпуклых олиготрофных болот)

Характер тепло­	Период наблю­	Продолжи­	Теплопоток <2 кал /(см®.		период)
потока	дений	тельность пе­риода, сутки	на пониже­нии	и а повыше­нии	средний
Отток	Осень-зима 1969—70 гг.	225	1200	1547	1374
Приток	Весна-лето 1970 г.	140	1936	860	1398
Расхождение	—	—	+736	—687	+24