3.3. Водно-физические свойства деятельного слоя болот

Водно-физические свойства торфяной залежи неосушенных болот За­падно-Сибирской равнины изучены слабо. Имеющиеся в работах [52, 53, 67] экспериментальные характеристики капиллярной влагоемкости, во­доотдачи и водопроводимости торфяной залежи ряда низинных болотных массивов получены по ограниченному числу образцов и монолитов, вследствие чего они могут существенно отличаться от их средних значе­ний в соответствующих микроландшафтах. Кроме того, они не увязаны с морфологическими характеристиками деятельного слоя, что почти исключает возможность их распространения по территории. Поэтому такие экспериментальные данные практически могут быть использованы только для приближенной оценки вероятных изменений той или иной из указанных характеристик по глубине в поьерхностном слое залежи.

Более детальное и широкое изучение водно-физических свойств дея­тельного слоя торфяной залежи сибирских болот началось с 1966 г. Западно-Сибирской экспедицией Государственного гидрологического ин­ститута в районах нефтяных и газовых месторождений Тюменской обла­сти, расположенных в зоне выпуклых олиготрофных (сфагновых) болот. Целью этих исследований являлось определение для различных типов болотных микроландшафтов средних или расчетных значений капилляр­ной влагоемкости, водоотдачи и водопроводимости деятельного слоя торфяной залежи.

Исследование водно-физических свойств деятельного слоя проводи­лось одновременно с изучением его строения. Все экспериментальные данные с возможно более высокой точностью привязывались к СПБ_г и элементам микрорельефа. Это позволило рассмотреть влияние микро­рельефа и связанной с ним изменчивости ботанического состава расте- ний-торфообразователей на структуру материала в деятельном слое раз­личных микроландшафтов и установить некоторые общие закономерно­сти изменения водно-физических свойств материала в поверхностном слое залежи.

Полученные результаты были использованы для усовершенствования общей методики ведения исследования деятельного слоя болотных ми­кроландшафтов и разработки методических приемов экспериментально­го определения расчетных значений капиллярной влагоемкости, водоот­дачи и водопроводимости торфяной залежи.

75

3.3.1. Капиллярные свойства. Под капиллярными свойствами грунта понимается его способность поднимать жидкую воду и удерживать не­которое количество последней над уровнем грунтовых вод благодаря подъемной силе поверхностного натяжения менисков во внешних порах.

Способность торфяной залежи всасывать и поднимать воду на неко­торую высоту принято выражать величиной сосущей силы ¹ Р или по­тенциалом почвенной влаги ² (Ф), а количество воды, которое тот или иной слой залежи способен удерживать в своих порах при различной глубине уровня болотных вод — капиллярной влагоемкостью этого слоя И7_к(/>), где Р — отрицательное гидростатическое давление в капилляр­ных порах в см вод. ст., численно равное глубине уровня воды относи­тельно середины слоя.

В торфяной залежи над уровнем болотных вод всегда находится не­которое количество влаги, которая по форме взаимодействия с органи­ческим скелетом мохового очеса (торфа) не относится к категории ка­пиллярно-связанной воды. В данном случае имеется в ьиду: вода углов пор, удерживаемая между чешуйчатыми листьями мха силами поверх­ностного натяжения и расклинивающего давления; вода внутри клеток отмерших и живых растений и вода в виде пленок на поверхности частиц. Часть этой воды удерживается в сфагновом очесе и торфе низкой степе­ни разложения очень слабыми силами и может участвовать в естествен­ных процессах перемещения влаги в торфяной залежи. Поскольку разде­ление связанной воды на ее категории и выделение последних в «чистом виде» оказывается весьма сложным, при эспериментальном определении кривых капиллярной влагоемкости №(Р) к категории капиллярной воды условно относят всю слабосвязанную воду.

Рассмотренные выше характеристики капиллярных свойств торфя­ной залежи Ф и (Р) могут определяться разными методами и с применением различных приборов. Определение же их в деятельном слое торфяной залежи чаще всего производится по методу капилляриметров, который позволяет получить подробную характеристическую функцию

■ др = } (Р) распределения объемов связанной воды по величине сил,

удерживающих ее в порах сфагнового очеса (торфа), для любого доста­точно тонкого (толщиной 5 см) слоя торфяной залежи.

Экспериментальные функции =/С³) ^или вычисленные по ним

кривые другие(где V и 5 — объем и площадь сечения

пор радиусом г) используются для расчета коэффициентов водоотдачи торфяной залежи, высоты капиллярного поднятия воды и кривых распре­деления равновесной влажности в зоне аэрации, капиллярной влагопро- водности.

¹ Сосущая сила 1 — характеристика натяженности влаги в почвенных капилля­рах, обусловленной действием менисковых сил, равная логарифму абсолютной вели­чины отрицательного гидростатического давления в см вод. ст., измеренного на данной высоте относительно уровня болотных вод.

² Потенциал почвенной влаги — количество работы, которое необходимо затратить для того, чтобы переместить единицу массы воды от свободной ее поверхности (уров­ня), где запас потенциальной энергии воды условно принимается равным нулю, на ту или иную высоту над этой поверхностью. Вследствие того что масса воды, заключен­ная в единице объема, равна единице, потенциал почвенной влаги численно равен аб­солютной величине отрицательного гидростатического давления Р, выраженного в см

вод. ст.

76

Между отрицательным гидростатическим давлением Р (или 1 дР и Ф) и равновесной влажностью № отдельных слоев торфяной залежи могут быть получены эмпирические связи № (Р). Такие связи используются в основном как тарировочные кривые при производстве наблюдений за влажностью в соответствующих слоях торфяной залежи с помощью вла- гопотенциометров.

Однородные слои торфяной залежи, имеющие одинаковую пористую структуру, образуют одну общую для них связь№(Р). Однако в подавля­ющем большинстве болотных микроландшафтов пористая структура мо­хового очеса и торфа в деятельном слое залежи не остается одинаковой как в вертикальном (по глубине), так и в горизонтальном (в плане) на­правлениях в связи с естественной изменчивостью в этих же направле­ниях плотности укладки частиц органического скелета и видового соста­ва очеса. Поэтому связи ХР (Р) в общем их виде для построения профи­лей равновесной влажности в деятельном слое залежи не используются. Такие профили могут быть построены по связям более совершенным, учи­тывающим фактические изменения пористой структуры материала в этом слое залежи.

Для изучения общих закономерностей изменения влагоемкости № (Р) мохового очеса и торфа в деятельном слое верховых болот вследствие естественного уплотнения органического скелета при торфообразовании в ГГИ были проведены специальные эксперименты по исследованию свя­занной воды, удерживаемой отдельными частицами (живыми и отмер­шими растениями сфагновых мхов) и различными по плотности и бота­ническому составу образцами торфяной залежи с ненарушенной струк­турой. Значительная доля образцов, предназначенных для данного ис­следования, была отобрана из деятельного слоя верховых болот Запад­ной Сибири, в бассейне р. Конды.

Экспериментальная часть исследования выполнялась с помощью капилляриметров с гидравлической системой отсоса связанной воды по методике, изложенной в Наставлении [136]. В результате были получе-

Д1Г

ны эмпирические криьыед-р- = [(г) в диапазоне изменения отрицатель­ного гидростатического давления Р от 0 до 150 см вод. ст. Вычисленные по ним значения влагоемкости (Р), исследованных образцов торфяной залежи и отдельных частиц мохового очеса приводятся в таблицах при­ложения 4.

Данные табл. 3.11, полученные путем интегрирования эксперимен­тальных функций др- = [(Р) по диапазонам отрицательного гидроста­тического давления, показывают, что общее содержание слабосвязанной воды (переходящей в свободное состояние при изменении Р от 0 до 100 см вод. ст.) зависит от объемного веса абсолютно сухого вещества (р г/см³) сфагнового очеса (торфа) и существенно уменьшается с уплот­нением органического скелета образцов. В рассматриваемых примерах при изменении объемного веса сухого вещества от 0,0202 до 0,0816 г/см³ общее содержание слабосвязанной воды уменьшилось почти в два раза (от 86,0 до 47,5%). Из этих же данных видно, что с уплотнением органи­ческого скелета в моховом очесе происходит резкое сокращение суммар­ного объема и числа наиболее крупных пор с капиллярным натяжением Р=0-И0 см вод. ст. и увеличение числа пор меньшего размера с капил­лярным натяжением Р = 10-ь-40 см вод. ст. Увеличивается также число мелких пор с капиллярным натяжением Р = 50-4-100 см вод. ст. Однако

77

Таблица 3.11

Количество связанной воды, отсосанной из разных по плотности (р г/см⁸) образцов сфагнового очеса и торфа при последовательном ступенчатом изменении отрицательного гидростатического давления от 0 до 100 см вод. ст.

Интервалы изменения Р,	р г/см3
	0,0202			0,0417		0,0567		0,0816
см вод. ст.	а	б	а		б	а	б	а	б
0—10	66,9	77,8	31,5		44,7	9,7	15,8	4,3	9,0
10—20	8,4	9,8	16,1		22,8	17,8	29,1	10,3	21,7
20-30	3,2	3,7	6,8		9,6	10,2	16,7	8,4	17,7
30-40	2,2	2,6	3,0		4,3	6,3	10,3	6,0	12,6
40—50	1,1	1,3	3,5		5,0	4,9	8,0	3,9	8,2
50—70	2,0	2,3	4,6		6,5	7,1	11,6	6,7	14,1
70—100	2,2	2,6	5,0		7,1	5,2	8,5	7,9	16,6
0—100	86,0	100	70,5		100	61,2	100	47,5	100

Примечание, а—количество связанной воды в % от объема образца; б — то же в % от объема всей отсосанной воды.

общее содержание подвижной воды в мелких порах остается еще очень малым по сравнению с крупными порами. Кроме того, суждение о каче­ственной перестройке пористой структуры мохового очеса при его уплот­нении было получено на основании анализа данных, приведенных в табл. 3.12. Это следует из сопоставления величин общей объемной влажности № (Р) структурных образцов и вычисленной наибольшей предельной вла­гоемкости частиц ^част (Р), которую они могли бы проявить в тех же образцах очеса при условии свободной укладки без механического сжа­тия и уплотнения. Соответствующие вычисления для четырех образцов с равномерно увеличивающимся объемным весом сухого вещества приво­дятся в табл. 3.12.

Из полученных данных видно, что разность №(Р) — №_част(Р), отобра­жающая количество воды в образце сверх влагоемкости частиц, умень­шается по мере уплотнения скелета очеса и сокращения размера внешних пор между частицами. Для образца с объемным весом сухого веще­ства 0,0816 г/см³ эта разность имеет отрицательный знак. Последний указывает на то, что при столь плотной укладке частицы уже не прояв­ляют своей наибольшей влагоемкости из-за механического сжатия и уменьшения расстояний между чешуйчатыми листьями на ветках и стеблях мха.

Таким образом, приведенный выше анализ экспериментальных дан­ных показал, что капиллярная влагоемкость (Р) сфагнового очеса и слаборазложенного торфа, а также влагоемкость ^част(Р) частиц (растений) в их составе зависят от степени уплотнения органического скелета в единице объема торфяной залежи. При этом общее количество слабосвязанной воды, удерживаемой в углах пор между структурными формами частиц и в порах между растениями, приходящееся на едини­цу веса сухого органического вещества, по мере уплотнения очеса умень­шается, а энергия связи системы вода — органическое вещество увеличи­вается. Экспериментальные данные свидетельствуют также о том, что

78

Таблица 3.12

Общая влагоемкость 1V {Р) (в процентах) образцов сфагнового очеса и торфа, характеризующихся различным уплотнением органического скелета р, и влагоемкость частиц Нечаст (Р) (в процентах) в их составе при разном отрицательном гидростатическом давлении Р

	р г/см3
	0,0202			0,0417			0,0567				0,0816
н о										С 1 ^ 1 & 1
о г и о.	Ш (Р)	и я в1 &	1 и 1 Я Л ЕР & 1		С н и га V ь	с & & 1		Ш (Р)	5Г н у га 3* &			МУ(Р)	С н и а 3* &	1 ^ 1 а я & 1
0	98,5	32,3	66,2	97,2	66,7	30,5		96,2	90,7	5,5		94,5	130,5	—36,0
5	49,0	28,8	20,2	87,2	59,5	27,7		93,9	80,9	13,0		92,7	116,5	—23,8
10	31,6	24,7	6,9	65,7	51,1	14,6		86,5	69,5	17,0		90,2	100,0	—9,8
15	26,4	23,3	3,1	55,5	48,2	7,3		74,1	65,6	8,5		86,0	94,4	—8,4
20	23,2	22,1	1,1	49,6	45,6	4,0		68,7	62,0	6,7		79,9	89,3	-9,7
30	20,0	19,8	0,2	42,8	40,9	1,9		58,5	55,6	2,9		71,5	80,0	-8,5
40	17,8	17,5	0,3	39,8	36,1	3,7		52,2	49,1	3.1		65,5	70,6	—5,1
50	16,7	15,5	1,2	36,3	32,0	4,3		47,3	43,5	3,8		61,1	62,6	—1,0
70	14,7	13,2	1,5	31,7	27,2	4,5		40,2	37,0	3,2		54,9	53,3	1,6
100	12,5	12,0	0,5	26,7	24,7	2,0		35,0	33,6	1,4		47,0	48,3	-1.3
130	11,2	10,9	0,3	24,2	22,5	1,7		31,7	30,6	1,1

слабосвязанная вода в углах пор и капиллярная вода в порах между час­тицами удерживается в сфагновом очесе силами одного и того же по­рядка.

Рассмотренные выше изменения характеристики распределения сла­босвязанной воды в очесе при его уплотнении позволяют объемную влажность в зоне аэрации деятельного слоя залежи представить как функцию двух независимых переменных: отрицательного гидростатичес­кого давления Р, действующего на связанную воду, и объемного веса су­хого вещества р, являющегося показателем величины уплотнения орга­нического скелета в единице объема,

№ = Г(Р, Р). (3-2)

На рис. 3.16 приьедены графики связи экспериментальных значений равновесной влажности в образцах мохового очеса с различным объемным весом сухого вещества р при отрицательном гидростатичес­ком давлении Р, равном 10 и 150 см вод. ст. Для промежуточных значе­ний Р в диапазоне 10<//у<150 см вод. ст. связи Ш_Р (р) являются столь же тесными. Эти графики показывают, что объемная влажность при значениях действующего на связанную воду отрицательного гидро­статического давления Р от 0 до 150 см вод. ст. находится в линейной за­висимости от объемного веса сухого вещества:

- т_Р р, (3.3)

где — объемная влажность в %; пгр — коэффициент удельной влаго­емкости, характеризующий запас равновесной влаги в образце на едини­цу веса твердой фазы очеса (г/г абсолютно сухого вещества).

79

ЮОг

80

60

40

20

	/ / / А /	и/ —У.-8 ° /о.'оо
	/ ■ * / ■/ *	•У •г • г о » •
4 <' / /.	*' / / ••/ уЧ /оо
/ 1 / ,1	1 >	• ~ У.
/к/'		• 1 0 2 1 3

Из рис. 3.16 видно, что эксперимен­тальные данные образуют две связи ЧРр = гп_р р с разными угловыми коэффи­циентами т для одних и тех же значе­ний Р. Связь II построена по опытным данным, полученным по образцам сфаг­нового очеса и торфа с преобладанием ЗрН. }изсит и ЗрН. апдизИ^оНит, а связь I — по данным, полученным по образ­цам из мочажин и западин на избыточно увлажненных участках болот, сложенных ЗрН. ЬаШсит, йизешит и сизрШа1ит (очесом и торфом). С ростом абсолютной величины отрицательного гидростатиче­ского давления разница между угловыми коэффициентами связей I а II уменьша-

Рис. 3.16. Графики связи =/ (р) при различном отрицательном гидростатическом давлении Р.

Болото Ламмин-Суо: / — сфагново-кустарничково-пуши- цевый, облесенный сосной н сфагново-пушнцевый микро­ландшафты и гряды в грядово-мочажинном комплексе. Болото в бассейне р. Конды (болотный пост Мортымья, в районе озер Сырковое н Няр-Тов-Тур); 2 — сфагново- кустарничковый, облесенный сосной мнкроландшафт, ... . _п . , гряды сфагново-кустарничковые, облесенные сосной; 3 —

О и,Ос 0,4ч- р ЦСМ* мочажины сфагново-пушнцево-шейхцериевые в грядово-

мочажинном комплексе.

ется, и при |Р|>70 см вод. ст. значения этих коэффициентов практиче- чески становятся равными.

Связи между и р являются достаточно тесными и характеризу­ются коэффициентами корреляции г от 0,75 до 0,96.

Из того же рисунка видно, что данные, полученные по образцам тор­фяной залежи западно-сибирских и европейских болот образуют единые связи №р=т_рр, что указывает на универсальность последних.

Дальнейший анализ экспериментальных данных показал, что между коэффициентами удельной влагоемкости т и абсолютной величиной отрицательного гидростатического давления |Р) имеется тесная корре­лятивная связь, которая аппроксимируется уравнением

т = е^п~^{к 1е р} , (3.4)

где е — основание натуральных логарифмов, пак — коэффициенты для рассмотренных выше групп видов сфагнового очеса, значения которых устанавливаются по опытным данным. Для образцов сфагнового очеса (торфа) с преобладанием ЗрН. /изеит и ЗрН. ащизЩоНит п = 8,33; к= =0,870, а для образцов ЗрН. ЬаШсит, ЗрН. йизепшт и ЗрН. сизрШаЫт /г = 8,96; к= 1,165.

В соответствии с выражениями (3.3) и (3.4) формула для определе­ния равновесной влажности в зоне аэрации деятельного слоя будет иметь вид

= е^п~^к1еР_{

(3.5)

Вычислить полную влагоемкость очеса (торфа) формула не позво­ляет, так как при Р = 0 Р=± со. В этом случае надо предварительно получить значение т_Р = 0 по следующему выражению, ограничивающему верхний предел коэффициента влагоемкости:

80

тр=о - ЮО (3-6)

где у_т — удельный вес (плотность) органического вещества, который для сфагнового очеса и слаборазложившегося торфа в среднем равен 1,5 г/см³. Тогда

= т_Р=о Р- (3.7)

Для упрощения операции вычисления влажности по формуле (3.5) на рис. 3.17 приводятся расчетные графики для сильно и слабо обводнен­ных торфов. На этих графиках верхняя наклонная прямая (№_п) соответ­ствует значениям полной влагоемкости очеса (торфа) по формуле (3.7) в зависимости от величины р.

Рис. 3.17 Универсальные графики для определения равновесной влажности в зоне аэрации деятельного слоя верховых болот. а — для сфагнового очеса и торфа с преобладанием ЗрН. !и$сит, ЗрН. апци$ЩоИит; б — для мочажин и других переувлажненных участков с преобладанием ЗрН. ЬаШсит, ЗрН. йизепи, 8рН. си$рШа(шп.

Формула (3.5) выведена путем исследования коррелятивных связей №=/(р, Р). Поскольку эти связи были получены по ограниченному экспе­риментальному материалу (данные 48 опытов) значения вычисленные по формуле (3.5), включают в себя некоторую ошибку, обусловленную недостаточно точным определением средних значений коэффициента удельной влагоемкости т. Указанную ошибку приближенно можно опре­делить, воспользовавшись известным в вариационной статистике приемом оценки вероятных отклонений средней выборочной величины от ее истинных значений по имеющимся экспериментальным данным.

Выполненный расчет показал, что эта ошибка ±Д№р при уровне доверительной вероятности р = 0,9 составляет 1,4—3,1% в зависимости от величины Р (табл. 3.13).

Таблица 3.13

Вероятная ошибка ± Д1Ур=о,э расчета влажности по формуле (3.5) при различных значениях Р

Р см вод. ст 5 10 15 20 25 30 40 50 70 100

АДИ^о.э % 2,8 2,6 3,1 3,0 2,5 2,4 2,2 2,0 1,4 1,4

81

Проверка формулы (3.5) осуществлялась путем сопоставления рас­четного и естественного профилей равновесной влажности в зоне аэрации торфяной залежи при глубине уровня болотных вод 47 см ниже поверх­ности болота в сфагново-кустарничково-пушицевом, облесенном сосной, микроландшафте. Контрольные значения влажности по глубине зоны аэрации, а также объемный вес сухого вещества определялись по четы­рем монолитам, отобранным из торфяной залежи при равновесном со­стоянии влаги с уровнем болотных вод. Профили влажности, вычислен­ные по формуле (3.5) и построенные по данным контрольных определений,

10

20

30

АО

50 Нем I

"ч'Ч ЙЧ»	"X.			•,+, Д,х 1 о 2
	«	\ ••• * !	о| Д
	• •	•	о Д Т,
	• «	•	\ •-РО ч	х X N
лУровет	Воды	• ч.-		\ \ 0 1 1.

ио

Рис. 3.18. Профили рав­новесной влажности и объемного веса абсолют­но сухого вещества в зо­не аэрации торфяной за- Микроландшафт сфагно- ня болотных вод 47 см. лежи при глубине уров- во-кустарничковый, обле­сенный сосной.

/ — данные непосредствен­ных определений по разным монолитам; 2 — влажность, рассчитанная по формуле = еп — к Р_р

60

И/%

0,01 0,03 0,05 рг/см³

а также экспериментальные кривые р = /(Я), по которым произведен расчет влажности, приведены на рис. 3.18.

Рисунок показывает, что расчетная влажность соответствует ее значе­ниям, полученным по непосредственным измерениям, или находится в пределах варьирования естественной влажности на данной глубине дея­тельного слоя.

Формула (3.5) является обобщенным математическим выражением сложной физической связи №=/(р, Р) для мохового очеса и слаборазло- жившегося торфа верховых болот. Ею можно пользоваться для расчета профилей равновесной влажности в зоне аэрации деятельного слоя при различной глубине уровня болотных вод. Для этого нужны лишь сведе­ния о содержании сухого вещества в виде кривых р = ДЯ). Расчет вели­чин № ведется отдельно для каждого однородного слоя. При этом вместо значений Р принимается глубина уровня болотных вод относительно сере­дины рассматриваемого слоя.

Формула (3.5) может применяться также для расчета величины водо­отдачи из любого тонкого слоя торфяной залежи, обусловленной сниже­нием уровня болотных вод [35].

82

3.3.2. Водоотдача. Изменение запаса влаги в зоне аэрации торфяной залежи болотных массивов определяется величиной водоотдачи, завися­щей от положения уровня болотных вод.

В понятие „водоотдача" отдельными авторами часто вкладывается несколько различный смысл [35]. Поэтому необходимо подчеркнуть, что в данной работе под водоотдачей понимается способность полностью насыщенного водой грунта отдавать часть содержащейся в нем воды (свободной и связанной) под действием отрицательного гидростатиче­ского давления, вызванного снижением уровня грунтовых вод.

Процесс водоотдачи из болотных массивов происходит под действием ряда факторов и зависит в основном от структуры, пористости и разме­ров пор торфяного грунта, а также от его коллоидно-химических свойств, определяющих силы связи воды с органическим скелетом мохового очеса и торфа.

В процессе водоотдачи участвуют все слои зоны аэрации торфяной залежи. Однако доля участия каждого из этих слоев в общем объеме отдаваемой влаги различна. Она определяется величиной отрицательного гидростатического давления, действующего в каждом слое, при данном изменении глубины уровня болотных вод и силами связи между твердым скелетом торфа и водой, заключенной в порах. Поэтому водоотдача V(г) торфяной залежи, обусловленная снижением уровня воды от х_п—1 до слагается из п элементарных объемов воды ДУр, вытекающих из каждо­го частного тонкого слоя зоны аэрации торфяной залежи под действием отрицательного гидростатического давления Р, численно равного рас­стоянию от середины слоя до уровня воды (Р = г — Н см):

У^г„ = АУ⁽р¹⁾ + А Уд, (3.8)

Р= 1 ^У

^я=" Л у"^¹

где 2 —водоотдача из зоны аэрации торфяной залежи, являю-

Р = 1

щаяся функцией величины Р\ АУ_Д — дополнительный объем воды, отжа­тый из толщи торфяной залежи, находящейся ниже уровня болотных вод

Водоотдача деятельного слоя торфяной залежи, которому свойствен­ны резкие изменения по глубине пористой структуры материала, является величиной переменной, зависящей от глубины залегания уровня болот­ных вод. Поэтому ее характеристикой служит кривая связи величины водоотдачи (в мм слоя к) или послойных коэффициентов водоотдачи |г С уровнем болотных ВОД 2, 1г = }(г)- Послойный коэффициент водоот­дачи |_г представляет собой отношение толщины слоя воды к, стекающей из зоны аэрации, к величине снижения уровня болотных вод Дг от неко­торого начального положения г\ до конечного г₂:

Ь=ТГ = !(*)• (3-9)

Эти характеристики водоотдачи могут быть получены с достаточной точностью по методу дренирования колонн торфяной залежи или вычис­лены по изменению запаса влаги в зоне аэрации [35, 36].

Экспериментальное изучение процесса водоотдачи из деятельного слоя верховых болот Западной Сибири показало, что кривые связи по­

¹ При малом значении Р, действующего иа связанную воду, ДУ_д не оказывает существенного влияния на общую величину коэффициента водоотдачи.

83

слойных коэффициентов водоотдачи с глубиной уровня болотных вод полученные по данным опытов с отдельными колоннами торфя­ной залежи, могут характеризовать водоотдачу деятельного слоя только на микроучастках, занимаемых отдельными элементами микрорельефа. При этом для различных элементов микрорельефа (микроучастков) кри­вые |г=/(Х) изменяются в зависимости от высоты поверхности микро­участков относительно СПБ*. При одинаковой высоте последних указан­ные кривые практически совпадают.

Таким образом, единичные кривые %,г = К^г) не могут характеризовать водоотдачу микроландшафта в целом. Для этого необходимо построить осредненную кривую Ъ = К^г) с учетом изменений этой характеристики по площади в зависимости от высоты разных элементов микрорельефа относительно СПБ₂. Поэтому монолиты (колонны) торфяной залежи для построения частных кривых Ъ=К^г) отбирались из деятельного слоя за­лежи на микроучастках с разным по высоте микрорельефом.

Микроучастки, на которых должны были отбираться монолиты, опре­делялись с помощью интегральной кривой распределения высот микрорельефа [35, 36]. По этой же кривой определялись высота выбран­ных микроучастков относительно СПБ_г и площадь, которую они зани­мают, в процентах от площади микроландшафта (Рм)-

Как показал анализ хода уровней болотных вод, в период весеннего половодья они поднимаются выше поверхности понижений микрорелье­фа, в результате чего межкочечные понижения оказываются залитыми водой. Поэтому осредненные значения послойных коэффициентов водоот­дачи в горизонте развития микрорельефа вычислялись с учетом доли площади его вертикального сечения, занятой моховым очесом (Рт), и до­ли площади, составляющей межкочечные понижения {Рев). Последние получали по интегральной кривой распределения высот микро­

рельефа [35]. В соответствии с этим расчет послойных значений коэффи­циента водоотдачи для деятельного слоя микроландшафта с учетом его микрорельефа |_г производился по формуле

где — послойные значения коэффициентов водоотдачи на глубине г от СПБ_г, снимаемые со всех п частных кривых |_г=/(г); Р_м— часть площади микроландшафта, выраженная в процентах от всей его площади, харак­теризуемая данной частной кривой водоотдачи. Значения Р_м, Рт, Рев устанавливались по интегральной кривой №(х) распределения высот микрорельефа в данном микроландшафте.

Произведенная в работе [35] оценка погрешности расчета средних послойных коэффициентов водоотдачи по экспериментальным частным кривым позволила сделать вывод что для построения осреднен-

ной кривой =!(г) с относительной вероятной погрешностью Р$=о,9= = 10% необходимо отбирать из деятельного слоя микроландшафтов (не­комплексного строения) от шести до восьми монолитов торфяной залежи в зависимости от мощности горизонта развития микрорельефа. В комп­лексных же микроландшафтах для построения осредненной кривой Ъ=Н^г) с такой же точностью потребуется несколько большее число монолитов, которое устанавливается на основе анализа изменчивости

Т к СВ

Тоо~ 100 '

(3.10)

84

характеристик водоотдачи деятельного слоя в составляющих комплексов: грядах и мочажинах. При этом гряды и мочажины рассматриваются от­дельно и для них определяются необходимые количества монолитов.

Подробное экспериментальное исследование водоотдачи деятельного слоя грядово-мочажинного и грядово-мочажинно-озеркового комплексов, выполненное одновременно с изучением горизонта развития микрорелье­фа и состава растительности в этих микроландшафтах, показало, что дея­тельный слой гряд по строению горизонта развития микрорельефа и ха­рактеру изменчивости кривых водоотдачи 1г=!(г) аналогичен деятельно­му слою однородных (некомплексных) микроландшафтов, обладающих теми же растительными ассоциациями. Поэтому на грядах необходимо отбирать такое же количество монолитов, как и в однородном микро- Ландшафте с тем же типом растительных сообществ и идентичным рас­пределением высот микрорельефа \У(х).

Эти же исследования показали, что многие крупные мочажины гря­дово-мочажинных комплексных микроландшафтов в зоне олиготрофных болот Западной Сибири имеют сложное строение. В составе мочажины имеются разные участки, отличающиеся между собой микрорельефом, высотой над уровнем болотных вод и видовым составом растительности. Например, широко распространенные здесь сфагново-осоково-шейхцерие- вые мочажины имеют слегка повышенные окрайки с кочковатым микро­рельефом, сложенные сфагново-осоковым очесом, и низкие более обвод­ненные, иногда с открытой водной поверхностью, центральные части, сложенные очень рыхлым сфагново-шейхцериевым или сфагновым оче­сом. Они различаются и по средним кривым водоотдачи Ъ = (кри­вые з, и на рис. 3.19). Вместе с тем из опытных данных, приведенных на этом рисунке, видно, что послойные значения полученные по моноли­там, отобранным из залежи однотипных участков мочажин, варьируют очень слабо. Это обстоятельство указывает на высокую устойчивость свя­зей внутри этих участков и позволяет ограничиться минимальным коли­чеством монолитов (порядка 1—2) при экспериментальном исследовании водоотдачи того или иного участка в составе мочажин. Средние кривые 1м⁼!(г) для мочажин в целом рассчитываются по частным кривым = =К^г) Д^ля однотипных участков с учетом фактического соотношения их площадей.

Для определения доли площади микроландшафта, занятой мочажина­ми и их различными участками, используются интегральные кривые рас­пределения высот микрорельефа а(х) и У7(х)_т. Последняя кривая строит­ся на основании дифференциальной кривой распределения высот микро­рельефа на грядах ¹ <а(х)_т=~. Обе кривые приводятся обычно на одном

графике (рис. 3.19). По этим кривым определяются относительно СПБ_г гряд² интервалы высот, в которых находится поверхность однород­ных участков микроландшафта. На рис. 3.19 в интервале высот от 2=*макс до г=х₀ находится поверхность гряд, а в интервале высот от г = х₀ до г = х\ поверхность переходов от гряд к мочажинам и окраек мо­чажин, а от г—Х\ до г=х_мт1 — поверхность центральных частей моча­жин. (Здесь х₀ — ордината самой низкой точки поверхности гряд на про-

¹ При вычислении параметров этой кривой значения п_х принимаются только для гряд, а значение N берется общим для гряд и мочажин.

² СПБг гряд — условная поверхность, проходящая на высоте средних отметок гряд, вычисляемых по ординатам профиля микрорельефа х (I) иа его отрезках, сответству- ющих грядам.

85

О 0,2 0,1 О,В 0,8 Кг

Рнс. 3.19. Экспериментальные кривые водоотдачи (от а до и), полученные по методу дренирования колонн торфяной залежи. Микроландшафт грядово-моча- жинно-озерковьгй. Болото в районе оз. Сымту-Лор, в бассейне р. Агаиа.

/ и 2 — интегральная 1У(;с) и дифференциальная ш(х) кривые распределения высот мик­рорельефа; 3—. кривая №(х) распределения высот микрорельефа на грядах; 4 и 5 —сред­ние кривые 6г ⁼ /Ч^г) Д^ля микролаидшафта в целом и отдельно для гряд вместе с мо­чажинами, без озерков.

филе вертикального сечения горизонта развития микрорельефа х(1)\ Х[ — ордината наивысшей точки поверхности центральных частей моча­жин на профиле х(1).) Тогда процент площади микроландшафта, заня­той грядами, будет равен окрайками мочажин — — и мочажинами непосредственно — 100 —

Рассмотренные выше методические приемы экспериментального опре­деления типовых расчетных характеристик водоотдачи деятельного гори­зонта болотных микроландшафтов разработаны в ГГИ на основе данных комплексного изучения этого слоя залежи (его строения и водно-физиче- ских свойств материала) на олиготрофных болотах Западно-Сибирской равнины.

Исследование водоотдачи в целях получения расчетных характери­стик Ь, = 1(г) было выполнено в 14 микроландшафтах, входящих в состав различных болотных систем и отдельных массивов, расположенных в бассейне р. Конды (вблизи пос. Мортымья и г. Урай), на водоразделе рек Ваха и Ватинского Егана (в районе оз. Самот-Лор), а также в пре­делах водосборов рек Агана (в районе оз. Сымту-Лор) и Ватинского Егана. Это исследование проводилось в микроландшафтах, имеющих наибольшее распространение в зоне выпуклых олиготрофных (сфагно­вых) болот Западно-Сибирской равнины.

Все полученные экспериментальные характеристики водоотдачи дея­тельного слоя залежи приведены к СПБ_г соответствующих микроланд­шафтов.

Значения средних послойных коэффициентов водоотдачи образую­щих расчетную кривую %г = К^г), Для однородных (некомплексных) мик­роландшафтов вычислялись по формуле (3.10). По этой же формуле были вычислены координаты осредненных кривых Ъ,г = Н^г) Д^ля типологи­чески разных участков в составе комплексных микроландшафтов: от­дельно для гряд ^г(г) и для мочажин ^(г), а в случае комплексного строения мочажин (при наличии в их составе участков, отличающихся растительным покровом и обводненностью) — дополнительно для их окраек ^о.м(г) и центральных частей |ц._м(г). Эти дифференцированные характеристики водоотдачи деятельного слоя залежи для различных со­ставляющих комплексных микроландшафтов приводятся в табл. 1 при­ложения 5.

При наличии сведений о процентном соотношении площадей, занятых грядами (5_Г), озерами (5₀) и мочажинами (5_М) или их окрайками ' (Зо м) и центральными частями (З_ц._м), данными, содержащимися в табл. 1 приложения 5, можно воспользоваться для расчета средних кри­вых при любом соотношении составляющих комплексных микро­ландшафтов. Расчет ведется по формуле

1г ^г ~Ь ^о.м Ч^* ^ц.м 5р у"о 114

Результаты расчета осредненных характеристик водоотдачи деятель­ного слоя залежи, в виде координат кривых ^=/(2), приводятся для исследованных однородных микроландшафтов в табл. 2, а для комп­лексных — в табл. 3, 4, 5 приложения 5. Последние три таблицы состав­лены для грядово-мочажинно-озеркового, грядово-мочажинного и грядо- во-озеркового комплексных микроландшафтов, имеющих различное соот­ношение площадей гряд, мочажин и озерков. При этом соотношения

87

площадей 5_Г, 5_М и 5₀ были подобраны такими, какие наиболее часто встречаются в комплексных микроландшафтах указанных типов в преде­лах зоны олиготрофных (сфагновых) болот Западно-Сибирской равнины. В табл. 6 приложения 5 приведены координаты осредненных кривых = вычисленные по данным различных литературных источников, содержащих материалы экспериментального исследования водоотдачи деятельного слоя торфяной залежи ряда болотных массивов в зоне мезо- трофных (осоково-гипновых) болот и в зоне вогнутых евтрофных (трост­никовых) и засоленных (травяных) болот.

Использованные для составления табл. 6 приложения 5 характери­стики водоотдачи были получены по монолитам (колоннам) торфяной залежи или рассчитаны по кривым изменения капиллярной влагоемкости

различных слоев торфяной залежи.

Из-за недостаточного количества повторных определений характеристик водоотдачи в одном и том же микро­ландшафте, осредненные их значения в табл. 6 приложения 5 получены с мень­шей точностью, чем данные табл. 2—5 того же приложения. Поэтому их.мож­но использовать лишь в приближенных расчетах, в частности, при вычислении изменения влагозапасов торфяной за­лежи неисследованных болот.

Рассмотрим вопрос о возможности распространения полученных экспери­ментальных характеристик водоотдачи деятельного слоя торфяной залежи на чеизученные болотные массивы.

На рис. 3.20 приведены эксперимен­тальные кривые 1г = !(г) для сфагново- кустарничково-соснового микроланд­шафта четырех различных болотных массивов, расположенных в разных районах центральной части Западно- Сибирской равнины: в бассейнах рек Конды и Ватинского Егана, на водо­разделе Ваха и Ватинского Егана и в бассейне р. Агана. На первых двух массивах данный микроландшафт ха­рактеризуется наличием обширных сфагново-кустарничково-пушицевых за­падин шириной 5—7 м, представляю­щих собой начальную стадию образо­вания мочажин; на последних двух — такнх западин нет. Из рис. 3.20^ видно, что экспериментальные кривые 1г=1(г) для микроландшафтов, имеющих со­вершенно одинаковое строение гори­зонта развития микрорельефа, практи­чески совпадают. Отклонения коэффи­циентов водоотдачи \_г от их средних

Рис. 3.20. Экспериментальные кривые (г) для сфагиово-кустариичко- во-сосновых микроландшафтов четы­рех болотных массивов с различным

строением зоны микрорельефа. 1 и 3 — микроландшафты без обширных мочажнн (бассейны рек Ватинского Егана и Конды); 2 и 4 — микроландшафты с от­дельными мочажинами в микрорельефе (водораздел рек Ваха и Ватинского Егаиа, бассейн р. Агана).

88

значений в слое |₂»составляют 2—4%, т. е. примерно равны ошибке экспе­риментального определения этих кривых.

Вместе с тем из рис. 3.20 видно, что экспериментальные кривые, отно­сящиеся к тому или другому варианту данного типа микроландшафта, образуют две осредненные кривые 1г* = !(%), расходящиеся в диапазоне глубин от 2 = 0 до г=—45 см, который'соответствует нижней половине горизонта развития микрорельефа. Наибольшее расхождение между по­слойными значениями |_г* на этих глубинах составляет 25% их средней величины. Ниже и выше этого диапазона глубин обе кривые |г* = /(2) сливаются в одну.

Аналогичная ^артина была получена при совмещении эксперимен­тальных кривых 1г = ?(г) для двух сфагново-кустарничковых облесенных сосной микроландшафтов, несколько различающихся по строению гори­зонта развития микрорельефа. Один из них (расположенный на болотном массиве в бассейне р. Конды) имеет отдельные обширные западины (мо­чажины), другой (находящийся на водоразделе рек Ваха и Ватинского Егана) — не имеет таких западин. Наибольшие отклонения коэффициен­тов от их средних значений |_г* в данном случае составили 13—14%. Причем эти отклонения имеют место, так же как и в рассмотренном выше микроландшафте, в диапазоне глубин, соответствующем нижней полови­не горизонта развития микрорельефа.

Совмещение экспериментальных кривых водоотдачи деятельного слоя залежи для грядово-мочажинных комплексов (имеющих приблизительно

5_Г 50% 5_Г 55% \ , одинаковые отношения = и = ^г] болотных систем,

занимающих водораздельные пространства рек Ваха и Ватинского Егана и находящихся в среднем течении р. Ватинского Егана, показало, что эти кривые очень близки и отклоняются от их средней кривой 1г* = !(г) не более чем на 5—6%. Для сравниваемых грядово-озерковых микроланд­шафтов (имеющих отношение |г = находящихся в бассейне р. Ага­на и на водоразделе рек Ваха и Ватинского Егана, эти отклонения со­ставляли менее 5%.

Рассмотренные выше результаты подтверждают одно из главных по­ложений общей теории строения болотных ландшафтов — о постоянстве значений гидрофизических характеристик деятельного слоя торфяной залежи в микроландшафтах одного и того же типа (или одного и того же варианта данного типа) — и позволяют рассматривать их как типо­вые характеристики, которые могут быть распространены на соответ­ствующие микроландшафты, расположенные на других неисследованных болотных массивах данной природной зоны.

Приведенные в табл. 2—6 приложения 5 коэффициенты водоотдачи \г=К^г) могут быть использованы для определения величины суммар­ных изменений запаса влаги А3 в деятельном слое болот за любой проме­жуток времени при наличии данных об уровнях болотных вод. Расчет величины ДЗ в миллиметрах слоя воды ведется при этом по следующей формуле:

АЗ = 10 ПА

^гн

(3.12) 89

где АЗ выражается в мм, г_а и г_к — глубины уровня болотаых вод (в см) от СПБ₂ в начале и конце расчетного периода времени, |₂ — послойные значения коэффициента водоотдачи в интервале глубин от г_и до г_к, сни­маемые с кривой 1г=!(г) для данного микроландшафта.

Данные табл. 2—6 приложения 5 могут использоваться также для определения глубины уровня болотных вод г_к при том или ином расчет­ном значении суммарного изменения запаса влаги в деятельном слое залежи:

?_к г,, -г Аг =-■ г_н Гер. взв АЗ, (3.13)

где ^ср.взв — среднее взвешенное значение коэффициента водоотдачи в интервале глубин уровня от г_н до г_к. Практически величина Аг определя­ется путем последовательного суммирования йЗ — элементарных изме­нений запаса влаги на единицу снижения уровня от йЗ = %г_айг до йЗ = = 1г_кйг, т. е. до глубины г_к, при которой 2 йЗ = АЗ.

3.3.3. Водопроводимость. Водопроводимость деятельного слоя торфя­ной залежи, как и его водоотдача, является основной физической харак­теристикой при исследованиях и расчетах водного режима болот. Чис­ленной характеристикой водопроводимости служит коэффициент фильт­рации, который получают экспериментальным путем.

Исследование водопроводимости деятельного слоя залежи на боло­тах, расположенных в зоне многолетней мерзлоты по имеющимся у нас сведениям, не проводилось. Поэтому составить даже качественную ха­рактеристику водопроводимости торфяной залежи полигональных, пло­скобугристых и крупнобугристых болот не представляется возможным.

Относительно широкие экспериментальные исследования фильтраци­онных свойств деятельного слоя торфяной залежи проведены экспедицией ГГИ в Западной Сибири в зоне олиготрофных болот. За 8-летний период (с 1965 по 1973 г.) в полевых условиях проведены определения коэффи- ентов фильтрации верхнего слоя торфяной залежи на различных болот­ных микроландшафтах в районе бассейна р. Конды, на междуречье Ваха и Ватинского Егана в бассейнах рек Ватинского Егана, Агана и на меж­дуречье Пима и Тромъегана.

При исследовании водопроводимости коэффициенты фильтрации оп­ределялись в фильтрационном лотке на крупных монолитах торфа с не­нарушенной структурой и непосредственно в торфяной залежи методом восстановления уровня воды в скважине после откачки [126, 136].

Первый метод использовался для определения коэффициентов фильт­рации в верхнем 50—60-сантиметровом слое торфяной залежи, второй — в основном для получения величин коэффициента фильтрации более глу­боких слоев залежи.

Подробное описание конструкции лабораторного фильтрационного лотка, методики определения коэффициентов фильтрации на крупных мо­нолитах и метода восстановления уровня воды в скважине дано в На­ставлении [136].

В экспедиционных исследованиях, выполненных в зоне выпуклых оли­готрофных болот, использовался полевой фильтрационный лоток. Особен­ности методики проведения опытов в этом лотке по сравнению с описан-

¹ Толщина деятельного слоя болот в условиях вечной (миоголетией) мерзлоты для одного и того же типа болот является величиной переменной (во времени) и опреде­ляется глубиной оттаивания торфяной залежи.

90

ной в Наставлении обусловлены некоторыми отличиями его конструкции и условиями производства опытов непосредственно в поле. Ниже приво­дится краткое описание этих особенностей.

Отобранный в фильтрационный лоток монолит полностью насыщался водой и выдерживался в таком состоянии 1—1,5 ч, после чего проводи­лась таксация микрорельефа на монолите в 40—50 точках. Продолжи­тельность опыта на каждом монолите составляла 1—3 дня и зависела от водопроводящей способности испытуемого монолита. Опыты велись при уклонах воды в лотке 0,002—0,0005, которые несколько превышают сред­ние уклоны поверхности болотных вод в некоторых микроландшафтах. Однако специально проведенные контрольные измерения показали, что повышенные значения уклонов, при которых выполнялись опыты в поле­вых условиях, не оказывают заметного влияния на точность определения коэффициента фильтрации благодаря строгому соблюдению ламинарного режима движения жидкости в натуре и в опытах.

Расход воды, протекающей (фильтрующейся) через монолит, опреде­лялся объемным способом при каждом последовательном снижении уров­ня воды в лотке. Величина снижения уровня в верхней части монолита (в верхних слоях), обладающей большой водопропускной способностью, составляла 2—3 см, в нижней части монолита — 5—10 см. Время вы­держки уровня воды на каждом горизонте перед началом измерения рас­хода, необходимое для установления равновесного распределения влаги в зоне аэрации, постепенно увеличивалось по мере снижения уровня от 5—10 мин в верхних слоях монолита до 1,0—1,5 ч — в его нижних слоях.

Выбор мест для отбора монолитов, привязка монолитов к расчетной поверхности микроландшафта (РПМ) и первичная обработка данных опыта производились в соответствии с требованиями Наставления [136].

По данным опытов на фильтрационных лотках определялись средние коэффициенты фильтрации к₀ и строилась кривая зависимости к₀ = 1(Н) (Н — толщина фильтрующего слоя) для каждого монолита. Путем гра­фического дифференцирования зависимости ко=[(Н) определялись по­слойные значения коэффициентов фильтрации к_х и строилась кривая к_г= =1(г) (г — уровень болотных вод).

Построение обобщенной кривой послойных коэффициентов фильтра­ции для каждого микроландшафта велось путем осреднения частных кри­вых послойных коэффициентов фильтрации, полученных по отдельным монолитам, отобранным в данном болотном микроландшафте с таким расчетом, чтобы они перекрывали друг друга по высоте отбора. При по­строении обобщенной кривой коэффициенты фильтрации, соответствую­щие полуповерхностному и поверхностному стоку в монолитах не учиты­вались ввиду того, что на рассматриваемых болотах такого стока, как правило, не наблюдается. Для построения обобщенной кривой использо­вались данные не менее чем по 6—7 монолитам, а в большинстве случаев 10—12 частных кривых к_г=}(г). Кривые послойных коэффициентов фильтрации, характеризующие величины водопроводимости элементар­ных слоев торфяной залежи на различных глубинах, позволяют сравни­вать и обобщать экспериментальные данные, полученные в разных типах болотных микроландшафтов. Коэффициенты фильтрации, как показыва­ют экспериментальные данные, очень изменчивы не только по глубине, но и по площади микроландшафта, что объясняется большой неоднород­ностью структуры торфяной залежи под различными элементами микро­рельефа. При сравнении послойных коэффициентов фильтрации отдель­ных монолитов, отобранных на разных болотных массивах с одной и той

91

же высоты относительно расчетной поверхности микроландшафта, оказа­лось, что в половине всех случаев отклонения от среднего превышают 100%, наибольшее отклонение достигает 190%•

Для деятельного слоя торфяной залежи грядово-мочажинно-озерко- вого комплекса, где было отобрано и испытано 18 монолитов торфа, по­лученные экспериментальные данные подверглись статистической обра­ботке. Для каждого уровня воды г (через 1 см) были подсчитаны: сред­нее арифметическое значение послойного коэффициента фильтрации к_г,

среднее квадратическое отклонение а, коэффициент вариайииС_г, =

ь_г

средняя квадратическая погрешность среднего арифметического о~ = рт^-Естественная вариация коэффициентов фильтрации к_г очень

велика. В пределах зоны (горизонта) развития микрорельефа С„ коэффи­циентов фильтрации достигают 1,2—1,8, ниже этой зоны, где структура торфяной залежи боле однородна, значения С® снижаются и на глубине 35—47 см от СПБ составляют всего лишь 0,4—0,6. Изменение величины средней квадратической ошибки от в общих чертах повторяет ход коэф­фициентов вариации: в пределах зоны развития микрорельефа она ко­леблется от 25 до 40%, ниже имеет тенденцию к снижению [80].

Использование приемов математической статистики при определении необходимого количества опытов для получения заданной точности оцен­ки к_г указывает на необходимость отбора очень большого числа моноли­тов для получения рассматриваемой характеристики со средней квадра­тической ошибкой менее 30%. Чтобы уменьшить среднюю квадратиче- скую ошибку определения к_х, например в 2 раза, количество испытывае­мых монолитов должно быть увеличено в л² раз. Так, еслисг7 = 30% (по­лученную при осреднении коэффициентов фильтрации 10 монолитов) надо уменьшить до 15%, количество испытываемых монолитов должно быть увеличено до 100. Такой путь повышения точности определения к_г в данном случае весьма трудоемок и практически мало реален.

Опыт работы по изучению фильтрационных свойств деятельного слоя верховых болот показывает, что для микроландшафтов с зоной развития микрорельефа порядка 50—60 см достаточно надежную кривую &₂ = = }(г) можно получить и при относительно небольшом числе использо­ванных монолитов (10—12), если при отборе монолитов помимо микро­рельефа учитывать еще и характер распределения растительного покрова. В данном случае на намеченных уровнях отбора монолитов выбираются наиболее характерные для этих высот участки (по составу растительного покрова) и отбирается по два монолита торфа на каждом уров­не от СПБ. Учет характера микрорельефа и растительного покрова при отборе монолитов позволяет получить наиболее типичные для исследуе­мого микроландшафта частные кривые к_г={(г), а на их основе и более надежную обобщенную кривую к₂=!(г).

Подтверждением вышесказанного в известной степени может служить сравнение кривых к_г = }(г), полученных по разному количеству моноли­тов. В грядово-мочажинно-озерковом комплексе было отфильтровано 18 монолитов торфа, взятых на шести разных высотах от СПБ (по три монолита на каждой высоте). Монолиты отбирались с учетом характера распределения растительного покрова. Кривые к₂=!(г), подсчитанные по 18, 12 и 6 монолитам, различаются в пределах 15%. Оценить точность определения коэффициентов фильтрации деятельного слоя болотных мик­роландшафтов можно и путем сравнения наблюденных уровней болотных

92

вод с уровнями, вычисленными по уравнению водного баланса, для рас­чета стока по которому используется метод фильтрационных характери­стик и полученные данные о коэффициентах фильтрации залежи. Резуль­таты такого сравнения будут рассмотрены несколько ниже.

Как уже отмечалось выше, послойные коэффициенты фильтрации позволяют сравнивать водопроводимость деятельного слоя торфяной за­лежи различных болотных микроландшафтов, расположенных на одном и том же болотном массиве, и однотипных микроландшафтов, располо­женных на разных болотных массивах. Последнее особенно важно при решении вопросов, связанных с распространением полученных экспери­ментальных характеристик на неисследованные болотные массивы. Такое распространение возможно потому, что вариация коэффициентов фильт­рации, которая зависит в основном от характера растительного покрова и микрорельефа, в однотипных микроландшафтах практически оди­накова.

В период экспедиционных работ ГГИ в зоне выпуклых олиготрофных болот Западной Сибири были проведены экспериментальные исследова­ния на лотках 180 монолитов торфа с ненарушенной структурой, взятых из 21 болотного микроландшафта (в том числе: пять — сфагново-кустар- ничково-сосновых; три — грядово-мочажинных; четыре — грядово-озер- ковых; два — сфагново-кустарничковых, облесенных сосной; два — сос- ново-сфагново-кустарничковых; грядово-мочажинно-озерковый; сфагно- во-кустарничково-пушицевый, облесенный сосной и сухостоем; сфагново- осоково-пушицево-кустарничковый, облесенный сухостоем и редкой сосной; лишайниково-сфагново-кустарничковый; сфагново-осоково-шей- хцериевый (топи)). Описание микроландшафтов, где велись исследова­ния фильтрационных свойств, приведено в приложении 1.

В комплексных микроландшафтах коэффициент фильтрации опреде­лялся отдельно для гряд и для мочажин. Значительный эксперименталь­ный материал, полученный по целому ряду микроландшафтов, в том числе и однотипных, но расположенных на разных массивах, позволил про­верить высказанное в работах [82, 83] положение об устойчивости водно- физических свойств деятельного слоя торфяной залежи однотипных болотных микроландшафтов, независимо от местоположения его на разных болотных массивах.

С этой целью было проведено сравнение графических зависимостей &2=}(г) однотипных микроландшафтов.

Как уже отмечалось в самом начале данного раздела, эксперимен­тальные работы велись в разных речных бассейнах этой обширной болот­ной зоны в основном по одной и той же методике с использованием одно­го и того же фильтрационного лотка. Некоторое отклонение от используе­мой методики (в части распределения монолитов при отборе и назначе­ния их количества) было допущено при работах на болотных массивах в бассейне р. Конды. Поэтому при обобщении зависимостей к_г=!(г) для отдельных микроландшафтов предпочтение отдавалось кривым, полу­ченным более детальным методом.

Приведенное сравнение показало, что не всегда зависимости к_г = {(г), полученные в одних и тех же микроландшафтах, близки друг к другу и мо­гут быть обобщены (рис. 3.21). Бывают случаи, когда различие в вели­чинах к_х при одном и том же значении г по сравниваемым кривым к_г= ~!(г) довольно велико. Детальный анализ строения микроландшафтов привел к выводу, что, несмотря на одинаковые названия болотных мик­роландшафтов (тип микроландщафта определяется либо при наземном

93

обследовании, либо -по аэрофотоснимкам), они все-таки несколько раз­личаются по некоторым характеристикам: высоте зоны развития микро­рельефа, характеру распределения растительности, глубине торфяной залежи и степени разложения торфа. Последняя определяется в основ­ном условиями дренирования залежи. Различие в указанных выше характеристиках и является причиной различных зависимостей к_г = [(г) в однотипных микроландшафтах.

& I —°

о

-4 -8 -12 -16 -20 -.24 -28 -32 -35

-10 V

-44.

1 I

У

А

- о • //

? ; /

_Л /

I ' / I

/

I ••

I /

о 2

О

10 20 30 4О

. 1 1 _

50 еа

70 80 к_хсм1с

Рис. 3.21. Совмещенные кривые к={(г) для сос- ново-сфагново-кустарничкового микроландшафта.

1 — бассейн р. Ваха, 2 — бассейн р. Конды.

При анализе материалов было установлено, что одним из основных факторов, определяющих форму кривой к_х={(г), является высота зоны развития микрорельефа: чем больше высота этой зоны, тем кривая к₂= = !(г) более полога, и наоборот.

Характер растительного покрова также оказывает заметное влияние на коэффициенты фильтрации залежи, особенно в верхних ее слоях. На основании сравнения зависимостей послойных коэффициентов с учетом перечисленных выше характеристик однотипных микроландшафтов ока­залось возможным объединить кривые к₂=1(г) по четырем из пяти сфаг- ново-кустарничково-сосновых микроландшафтов (рис. 3.22). Из четырех объединенных кривых левая характеризует фильтрационные свойства сфагново-кустарничково-соснового микроландшафта, расположенного в

94

Рис. 3.22. Совмещенные кривые к={(г) для сфагново-кустарничково - соснового микролаид-

шафта. / — бассейн р. Ваха, 2 — бассейн р. Ватинского Ега- ма, 3 — бассейн р. Агана, ■4 — междуречье Пнма н Тромъегана, 5 —■ бассейн р. Агана (хорошо дренируемый микроландшафт).

20 24 28 Кг СМ/С.

районе междуречья Пнма и Тромъегана. Коэффициенты фильтрации здесь оказались несколько ниже, чем в других районах, по-видимому, из- за наличия в моховом покрове микроландшафта лишайника (до 10%).

Кривая к_г—!(г) пятого болотного микроландшафта, исследованного в бассейне р. Агана, значительно отклонилась влево от остальных кривых. Заниженные коэффициенты фильтрации в этом микроландшафте можно объяснить лишь условиями расположения микроландшафта, обусловли­вающими интенсивное его дренирование. Рассматриваемый микроланд­шафт, занимающий относительно небольшую площадь, расположен между двумя ручьями и поэтому хорошо дренируется. В приложении 6 рас­четные фильтрационные характеристики по этому микроландшафту при­ведены отдельно.

95

В связи с невозможностью выделить и дешифрировать на аэрофото­снимке те особенности структуры микроландшафта (высота зоны разви­тия микрорельефа, характер распределения растительности, глубина торфяной залежи, степень разложения торфа), которые оказывают неко­торое влияние на вариацию послойных коэффициентов фильтрации в однотипных микроландшафтах, четыре рассматриваемые кривые к_х= — !(^г) (^см- рис. 3.22) объединены и представлены в виде обобщенной кривой. Координаты ее, приведенные в приложении 6, могут быть исполь­зованы для характеристики фильтрационных свойств деятельного слоя торфяной залежи в сфагново-кустарничково-сосновом микроландшафте зоны выпуклых олиготрофных болот Западно-Сибирской равнины.

Грядово-мочажинные комплексы, исследованные в бассейнах Ваха и Ватинского Егана, по структуре очень близки между собой. Кривые к_х= = по этим комплексам показаны на рис. 3.23. Расхождение между ними незначительное, поэтому они объединены в одну кривую, координа­ты которой приведены в приложении 6. В бассейне р. Конды грядово-мо- чажинный комплекс в отношении фильтрационных свойств исследовался менее детально, поэтому коэффициенты фильтрации его деятельного слоя сравнивались с коэффициентами фильтрации двух вышерассмотренных комплексов по отдельным монолитам. Все сравниваемые кривые к_г={(г) расположились достаточно близко друг от друга, что свидетельствует об устойчивости этой характеристики для данного микроландшафта, незави­симо от местоположения последнего.

На рис. 3.23 даны также совмещенные кривые к_г = 1(г) сфагново-ку- старничковых, облесенных сосной микроландшафтов, расположенных в бассейнах рек Ваха и Конды. По описанию, эти микроландшафты сходны между собой. Кривые к₂=1(г), как видно из рис. 3.23, близки. Однако ввиду того что в бассейне р. Ваха водопроводимость залежи исследова­лась более детально, чем в бассейне р. Конды, в качестве расчетной при­нята кривая, полученная для бассейна Ваха (приложение 6).

Исследования фильтрационных свойств деятельного слоя в сосново- сфагново-кустарничковом микроландшафте проводились также в бассей­нах рек Ваха и Конды. Совмещенные кривые к_г = }(г) этих микроланд­шафтов представлены на рис. 3.21. Согласно описанию, рассматриваемые микроландшафты различаются лишь по зоне развития микрорельефа: в первом районе высота зоны развития 65—70 см, во втором — 40 см. Это различие и обусловливает разные формы кривых, в результате чего объединить их не представляется возможным, и расчетные значения ко­эффициентов фильтрации приводятся для обоих микроландшафтов (при­ложение 6).

Следует отметить, что сосново-сфагново-кустарничковые микроланд­шафты с зоной развития микрорельефа 60—70 см приурочены обычно к окрайкам болотных массивов, с зоной развития около 40 см — к большим внутриболотным озерам.

Водопроводимость торфяной залежи в грядово-озерковом комплексе изучалась на болотных массивах бассейнов рек Ваха и Агана и между­речья Пима и Тромъегана, причем в бассейне р. Агана исследования про­водились отдельно в центральных необлесенных частях рассматриваемого комплекса и на его облесенных окрайковых участках. Грядово-озерковые комплексы перечисленных районов по структуре несколько различа­ются между собой. В бассейне р. Ваха этот комплекс характеризуется обширными неправильной формы грядами, не ориентированными отно­сительно друг друга, и расположенными между ними озерками. Вокруг

96

озер небольшие полосы сплавины. Обычно такие комплексы характерны для центральных частей болотных систем. Грядово-озерковые комплексы в бассейне р. Агана имеют хорошую ориентацию гряд и озерков, необле- сенные центральные части комплекса и облесенные окрайковые участки с более развитым микрорельефом. Такого типа комплексы располагаются

2_тСМ

ного комплекса (1,2) и сфагново-кустарничкового, облесенного сосной

микроландшафта (3, 4). / — бассейн р. Ваха, 2 — бассейн р. Ватинского Егана, 3 — бассейн р. Ваха, 4—

бассейн р. Конды.

обычно на склонах болотных массивов. На междуречье Пима и.Тромъ- егана грядово-озерковый комплекс характеризуется узкими (до 10-^—20 м шириной), четко ориентированными грядами без сплавинного окаймле­ния и более широкими озерами правильной вытянутой формы.

Вследствие различий в структуре рассмотренных выше болотных ком­плексов кривые к_г=1(г),. построенные для этих комплексов, отличаются друг от друга и не могут быть объединены (рис. 3.24). Однако возможг

4 Зак. 3185

97

гюсть дешифрирования на аэрофотоснимках всех указанных разновидно­стей этих комплексов позволяет пользоваться в расчетной практике че­тырьмя полученными кривыми к_г=!(г) (см. приложение 6).

Таким образом, проведенный анализ зависимости послойных коэффи- тиентов фильтрации для различных микроландшафтов зоны выпуклых

1% нз&1/г

Рис. 3.24. Совмещеийые кривые к_г—[(г) для гряд грядово-озеркового комплекса.

/ — бассейн р. Ваха, 2 — бассейн р. Агана (окрайко- вые участки комплекса), 3 — междуречье Пнма и Тромъе­гана, 4 — бассейн р. Агана (центральные участки ком­плекса).

олиготрофных болот Западной Сибири подтвердил положение К. Е. Ива- зова [83] о сходстве водопроводимости деятельного слоя однотипных мик- эоландшафтов, расположенных в различных географических районах. Зто обстоятельство позволяет использовать полученные зависимости и для характеристики фильтрационных свойств совершенно неисследо­ванных болот центральной части Западно-Сибирской равнины.

Послойные коэффициенты фильтрации для наиболее распространен­ных болотных микроландшафтов зоны выпуклых олиготрофных болот, полученные на основании экспериментальных данных, приведены в при- южении 6.

<8

Для микроландшафтов, на которых производились опыты по опреде­лению коэффициентов фильтрации методом восстановления уровня воды в скважине после откачки, подсчитаны послойные коэффициенты фильт­рации более глубоких слоев торфа. При этом обработка материалов по­левых наблюдений выполнена по рекомендациям, приведенным в Настав­лении [136].

В качестве иллюстрации на рис. 3.25. показана нижняя часть кривой к_г = [(г), построенная по экспериментальным данным, полученным при опытах на крупных монолитах в фильтрационных лотках и непосредст­венно в торфяной залежи (метод восстановления уровня).

О 0,008 0,016 0,024 0,032 0,040 к_гсм/с 0,2 [ 1 1 1 | 1 1 | 1

0,4-

1,0*- 2_РПМСК

Рис. 3.25. Нижняя часть кривой к₂ = { (г).

1 — кг получены методом фильтрации крупных монолитов, 2—к_г получены методом вос­становления уровня воды в скважине после откачки.

Расчетные значения среднего коэффициента фильтрации к₀ для основ­ных болотных микроландшафтов зоны выпуклых олиготрофных болот даны в приложении 6. При расчете к₀ толщина деятельного слоя г₀ при­нята численно равной среднемноголетнему минимальному уровню, в ре­зультате чего коэффициенты фильтрации более глубоких слоев залежи, полученные по методу восстановления уровня воды в скважине, не вошли в расчет среднего коэффициента фильтрации.

Приведенные в приложении 6 значения коэффициентов фильтрации деятельного слоя торфяной залежи могут быть использованы при раз­личных гидрологических расчетах, и в частности при расчетах стока с болот [83].

Как известно, для вычисления стока со всего болотного массива или с какой-либо его части, кроме фильтрационных характеристик, надо рас­полагать данными по уровням болотных вод, а также типологической картой болотного массива и гидродинамической сеткой линий стекания фильтрационных вод, которые составляются по материалам аэрофото­съемки [83].

Сток с болотного массива, согласно предложенному К. Е. Ивановым методу [83], рассчитывается по контуру, ограничивающему этот болотный массив, по зависимости

(^-'^Ор (3.14)

/= 1

где С? — фильтрационный расход, протекающий через весь контур; 5 — количество микроландшафтов, пересекаемых контурам; С}} — фильтраци­

99

онный расход, протекающий через контур в пределах одного микроланд­шафта, определяемый по формуле

<2_; = 2<Ъ_н = 2<7*з>па-/, (3.15)

1 1

где <7г — единичный фильтрационный расход (на единицу длины контура стекания) при уровне болотных вод гспв; а — угол между направлением контура и направлением линии тока в точке их пересечения; I — длина контура в пределах постоянного угла а; — нормальная (к контуру) составляющая единичного расхода; п — количество участков, на которые разбит контур в пределах одного микроландшафта.

Выражение для единичного расхода имеет следующий вид:

Яг — (²о — ²) I» (3.16)

где г₀ — г — толщина фильтрующего слоя при уровне гспв; 2₀ — толщи­на деятельного слоя; 1 — частный уклон поверхности болотных вод; к₀ — средний коэффициент фильтрации в слое г₀ — г, определяемый по выра­жению

ко= (3.17)

где к_г — послойный коэффициент фильтрации.

При расчете стока с микроландшафтов, имеющих сильно расчленен­ный микрорельеф и относительно высокое стояние уровня (выше поверх­ности понижений), уклон поверхности болотных вод принимается величиной переменной, зависящей от уровня болотных вод. Для грядо- во-мочажинного комплекса фильтрационные расходы вычисляются по коэффициентам фильтрации гряд. При этом уклон поверхности болотных вод на грядах определяется по зависимости

'ср

/VI-

Ч р ' (3.18)

м

где 1ср — средний уклон поверхности микроландшафта (значения уклонов приведены в табл. 2.4); Р_т, Р_ш — доли площади, занимаемые соответст­венно грядами и мочажинами; к_0г, к_0м — средние коэффициенты фильт­рации в рассматриваемом слое соответственно на гряде и мочажине.

В том случае, когда уровень грунтовых вод находится выше поверх­ности мочажин, уклоном водной поверхности в мочажинах можно пре­небречь, тогда

. _ 'ср ^1г - Р_г •

Подробно теория этого вопроса изложена в работах К. Е. Иванова [82, 83]. Величины Р_т и Р_ы определяются по кривой обеспеченности высот микрорельефа, полученной на основании линейной таксации микро­рельефа.

Аналогично определяется переменный уклон и для микроландшафтов с неориентированным микрорельефом, например для сфагново-кустар- ничково-соснового, сфагново-кустарничково-пушицевого и др., в случае

100

когда уровень воды в них поднимается выше понижений микрорельефа. Расчет при этом ведется по формуле ¹

(3-19)

где /_п — уклон болотных вод на повышенных элементах микрорельефа; Рп — доля площади, занимаемой повышенными элементами микрорелье­фа (определяется по интегральной кривой распределения высот микро­рельефа).

Косвенная оценка точности определения коэффициентов фильтрации деятельного слоя сибирских болот проведена путем сравнения наблюден­ного уровня воды на болоте с уровнем, вычисленным по уравнению вод­ного баланса

X = С + Е + Д25. (3.20)

где X — осадки, С — сток, Е — испарение, Аг — приращение уровня грун­товых вод, | — коэффициент водоотдачи.

Расчет выполнен для грядово-озеркового комплекса, расположенного на Самотлорском болотном массиве.

Приращение уровня грунтовых вод (в см) рассчитывалось по фор­муле

А'- ' ' ■ ⁽³²¹⁾

где ——гидроморфологический параметр для данного типа микроланд­шафта, с — коэффициент размерности, <7*— единичный фильтрационный расход.

Все исходные данные (X, —, <7*, Е и §), использованные при расчете

уровня, получены непосредственно по наблюдениям и эксперименталь­ным исследованиям, выполненным в грядово-озерковом комплексе на Са­мотлорском болотном массиве. Расхождения вычисленных и наблюден­ных уровней оказались небольшими: до 6%, когда определялись только для гряды, и до 16%, когда в расчеты вводилось испарение для всего комплекса.

Приведенные результаты дают основания считать, что ошибки рас­чета фильтрационного стока, выполненного на основании эксперимен­тальных кривых к_г = 1(г), не больше 15—20%.

Следует иметь в виду, что приведенные фильтрационные характери­стики можно использовать для расчетов стока с болот лишь при уровнях болотных вод, не превышающих среднюю расчетную поверхность, так как при более высоких уровнях сток осуществляется поверхностным путем и не учитывается расчетными характеристиками, которые даны в прило­жении 6. Анализ уровенных данных показывает, что поверхностный сток на верховых болотах Западной Сибири практически не наблюдается, только в сфагново-шейхцериево-осоковом микроландшафте (топи) уро­вень 1%-ной обеспеченности достигает средней поверхности болота.

⁵ Для грядово-озеркового комплекса определение расчетного уклона ведется так же, как и для микроландшафтов с неориентированным микрорельефом, с той лншь разни­

цей, что в зависимости (3.19) вместо 1_ср вводится уклон гряд «,-, который определяется по формуле 1_г= ^р

101

Однако непосредственные наблюдения показывают, что в отдельные годы, при дружной весне и глубоком промерзании залежи, часть стока с болотных массивов проходит по замерзшей поверхности болота. Такой сток характерен преимущественно для необлесенных микроландшафтов. Следует отметить, что продолжительность стока по замерзшему слою за­лежи весьма невелика (не более нескольких дней в году).

В зоне плоских евтрофных и мезотрофных осоково-гипновых болот экспериментальные работы по изучению водопроводимости их деятельно-

Рис. 3.26. Кривые к_г={ (г).

1 — для осоково-гипнового микроландшафта, 2 -- для мозаичного гипново-осокового

комплекса.

го слоя ведутся Тюменской гидрометеорологической болотной станцией на Тарманском массиве. При определении фильтрационных свойств зале­жи используется метод фильтрации в лотках (в лабораторных условиях) и метод восстановления уровня воды в скважине после откачки (в поле­вых условиях).

Испытание монолитов торфа ненарушенной структуры и первичная обработка экспериментальных данных проводится в полном соответствии с требованиями Наставления [136]. За период работы станции отобрано и испытано 12 монолитов торфа: шесть — из осоково-гипнового микро­ландшафта и шесть — из мозаичного гипново-осокового комплекса. Вы­числение послойных коэффициентов фильтрации и обобщение экспери­ментальных данных выполнено по методике, изложенной выше, при рас­смотрении фильтрационных свойств залежи зоны выпуклых олиготроф- ных болот.

102

Кривые к_г=[(г) для осоково-гиинового микроландшафта и мозаично­го гипново-оеокового комплекса показаны на рис. 3.26. Нижние части кривых начиная с уровня —9 см от СПБ очень близки друг к другу, верх­ние— значительно расходятся, поэтому объединить эти кривые не пред­ставляется возможным.

Кривые послойных коэффициентов фильтрации позволяют получить надежные расчетные характеристики водопроводимости деятельного слоя торфяной залежи на низинных болотах при уровнях воды, не превышаю­щих среднюю поверхность понижений, что соответствует уровню, при котором 25% площади микроландшафта залито водой. При более высо­ком уровне сток с болота осуществляется не только фильтрационным пу­тем, но и поверхностным. В этом случае величину стока с болота следует определять только как сумму фильтрационной и поверхностной его со­ставляющих. Расчет поверхностного стока для плоских осоково-гипновых болот можно производить по методике, которая приведена в работе [10] и теоретическое обоснование которой дано К. Е. Ивановым в работе [83]. При разработке этой методики было сделано допущение, что при очень малых уклонах, характерных для плоских евтрофных и мезотрофных осо­ково-гипновых болот, движение воды между кочками (поверхностное стекание) подчиняется ламинарному закону и поэтому к расчету его при­менима зависимость V = к_и^ (закон Дарси). Коэффициенты поверхност­ного стекания к_п были "определены Л. Г. Бавиной [10] в лабораторных условиях при фильтрации монолитов в лотке для различной степени за- литости поверхности монолита. Полученная при этом зависимость к_ш= =1(Рэап) распространялась на микроландшафт. На основании данной зависимости и интегральных кривых распределения высот микрорельефа (рис. 3.27) определены коэффициенты поверхностного стекания при раз­ных уровнях болотных вод в осоково-гипновом и мозаичном гипново-осо- ковом микроландшафтах (табл. 3.14). Приведенные данные позволяют

Таблица 3.14

Значения коэффициента к_я для некоторых мвкролаидшафтов зоны евтрофных н мезотрофных осоково-гипновых болот

Площадь микро-	Уровень болотиыд вед от СПВг он		ка см/«
ландшафта, зали­тая «одой, к	осоково-пшиовы* мякролаидшвфт	мозаачннй гипао- ро-осоковы! макроландшафт
25	—3,0	—2,2	10
30	—2,5	—1,8	| 22
35	—2,0	—1,4	40
40	—1,8	-1,0	. 66
45	—1,4	—0,4	144
50	—1,0	0,0	156
60	0,0	0,9	340
70	1,6	1,9	600
80	4,2	3,2	960
90	11,0	5,5	1520
100	22,0	18,0	2500

103

2 до ОМ

Рис. 3.27. Кривые распределения и обеспеченности высот мик­рорельефа. Тарманский болотный массив. 1 — для осоково-гипнового микроландшафта, 2 — для мозаичного гип- ново-осокового комплекса.

вычислить величину поверхностного стекания в рассматриваемых микро­ландшафтах по зависимости

Чп = К Ь, (3-22

где к_п — коэффициент поверхностного стекания, I — уклон поверхности болотных вод, 2 — уровень воды над средней поверхностью понижений.

Анализ данных наблюдений за уровнем на низинных болотах Запад­ной Сибири показывает, что в весенний и даже летний период вода на болотах поднимается выше поверхности понижений (табл. 1 и 2 прило­жения 12, приложение 13), и поэтому возможно поверхностное стекание воды.

На Тарманском болотном массиве максимальный уровень в осоково- гипновом микроландшафте за период наблюдений 1960—1972 гг. оказал­

104

ся равным +28 см над СПБ, а в мозаичном гипново-осоковом комплексе + 27 см над СПБ. Высокие уровни на этом массиве стоят длительное вре­мя: в 1961 и 1971 гг. уровень выше СПБ стоял девять месяцев, в 1966 г.— более восьми месяцев. Такое длительное стояние высоких уровней воды на болоте свидетельствует о том, что уклоны водной поверхности в этот период ничтожно малы. Анализ данных уровенных наблюдений по водо­мерному болотному створу подтверждает это положение. Таким образом, высокие уровни на низинных болотах не всегда являются свидетельством большого стока с них. В табл. 1 приложения 7 приведены расчетные зна­чения послойных коэффициентов фильтрации двух микроландшафтов зо­ны плоских евтрофных и мезотрофных осоково-гипновых болот, исследо­ванных на Тарманском болотном массиве. Коэффициенты фильтрации более глубоких слоев залежи определены методом восстановления уров­ня воды в скважине после откачки.

Полученные зависимости кг = 1(г) трудно оценить с позиций возмож­ности использования их для характеристик водопроводимости других неизученных массивов из-за ограниченности материалов эксперименталь­ных исследований по рассматриваемому району, а также из-за различ­ных условий геоморфологического залегания такого типа болот. Послед­нее же в значительной степени определяет их водный режим, а, следова­тельно, в какой-то мере и водно-физические свойства залежи.

Сравнение полученных данных (табл. 1 приложения 7) со значением послойных коэффициентов фильтрации на болотах ЕТС показывает, что на этих болотах слои торфяной залежи глубже 40 см имеют почти одина­ковую водопроводимость. В верхних слоях деятельного горизонта послой­ные коэффициенты фильтрации залежи в осоково-гипновом микроланд­шафте Тарманского массива, расположенного на первой надпойменной террасе р. Туры, в 2—3 раза меньше коэффициентов фильтрации одно­типного микроландшафта Лунинского массива, залегающего в пойме р. Бобрика. Причиной таких расхождений, по-видимому, можно считать различные условия геоморфологического залегания сравниваемых масси­вов. Таким образом, данные, приведенные в табл. 1 приложения 7, мож­но распространять на аналогичные микроландшафты рассматриваемой зоны, расположенные на массивах террасного залегания.

На некоторых микроландшафтах зоны евтрофных и мезотрофных болот экспедицией ГГИ выполнены работы по определению коэффициен­тов фильтрации торфяной залежи методом восстановления уровня воды в скважине. Полученные данные (табл. 2 приложения 7) позволяют ха­рактеризовать водопроводимость более глубоких слоев торфяной залежи этих болот. В связи с тем что низинная залежь по ботаническому составу и степени разложения весьма однородна по глубине, водопроводимость ее с глубиной меняется относительно мало. Значительно большие изме­нения в величине коэффициентов фильтрации прослеживаются в зависи­мости от вида торфа. Так, на глубине 70—90 см коэффициент фильтрации осокового и осоково-древесного торфа почти в 10 раз меньше коэффици­ента фильтрации гипново-осокового торфа. Сравнение полученных дан­ных с величинами водопроводимости низинного торфа, приведенными в работах [83, 126], показывает, что, несмотря на значительно меньшую степень разложения, значения водопроводимости в однородном по виду торфе на болотах ЕТС и Западной Сибири весьма близки. Это позволяет считать возможным при отсутствии сведений о водопроводимости торфя­ной залежи (отдельных видов торфа) сибирских болот в качестве пер­вого приближения использовать данные экспериментальных исследова­

105

ний, полученные на европейских болотах [83]. Анализ и обобщение упо­мянутых выше материалов позволили составить сводную таблицу сред­них коэффициентов фильтрации для различных низинных микроланд­шафтов (табл. 3 приложения 7).

В зоне вогнутых евтрофных (тростниковых) и засоленных (травяных) болот экспериментальных работ по определению коэффициентов филь­трации на больших монолитах не проводилось. Имеются лишь отрывоч­ные сведения о водопроводимости торфяной залежи болот этой зоны, полученные при определении фильтрации методом восстановления уровня воды в скважине.

В табл. 4 приложения 7 даны значения коэффициентов фильтрации, определенные полевым методом экспедицией ГГИ на болотах Барабы (Талагульский и Узаклинский массивы). Приведенные данные позволя­ют получить представление о водопроводимости торфяной залежи в раз­личных болотных микроландшафтах этой зоны.

Послойные коэффициенты фильтрации для тростниково-осокового микроландшафта в слое 28—38 см от поверхности понижений уменьша­ются от 0,0012 до 0,0001 см/с; для тростниково-осоково-вейникового (в слое 20—30 см) —от 0,0020 до 0,0003 см/с, а для тростникового (в слое 34—60 см) — от 0,0145 до 0,0007 см/с. Эти данные могут служить в каче­стве приближенных при оценке водопроводимости торфяной залежи неис­следованных болотных массивов рассматриваемой зоны.

3.4. Прочностные свойства торфяной залежи

Физико-механические свойства торфяных грунтов представляют боль­шой интерес для различных инженерных расчетов, связанных с освоением заболоченных территорий. Вопросы передвижения транспорта по боло­там и строительства на них (дорожного, промышленного, гражданского) не могут быть решены без знания прочностных свойств грунта. Торф относится к категории слабых грунтоп, строительство на которых свя­зано с определенными трудностями, обусловленными в первую очередь изменением их физико-механических свойств с изменением влаж­ности.

3.4.1. Прочностные свойства талой торфяной залежи. Прочностные свойства торфяной залежи зависят от влажности, степени разложения и ботанического состава торфа. Поэтому во всех работах, посвященных исследованию физико-механических свойств таких грунтов, последние увязываются с этими характеристиками.

Лабораторные исследования физико-механических свойств торфов позволили выявить характер связи отдельных показателей этих свойств со степенью разложения, влажностью и видовым составом торфа. Полу­ченные при этом связи дают возможность, при наличии перечисленных выше сведений о торфе, определять в первом приближении некоторые прочностные характеристики торфяных залежей без проведения специ­альных определений в поле. В последние годы в результате работ Кали­нинского политехнического института [2, 3, 132] в области изучения физи- ко-механических свойств слабых грунтов создана серия специальных полевых приборов и разработана методика полевых определений целого ряда физических характеристик торфяных грунтов, которая нашла широ­кое применение на болотах не только ЕТС, но и в Западной Сиби­ри [132, 147].

106

Используя эту методику и приборы, экспедиция ГГИ провела опреде­ление некоторых характеристик, и в частности величин предельного на­пряжения сдвигу (т), на болотах в центральной части Западной Сибири (междуречье Ваха и Ватинского Егана, в бассейнах Агана и Тромъега- на). Величина т измерялась с помощью сдвигомера-крыльчатки СК-8 [147] на разных болотных микроландшафтах при естественном залегании торфяной залежи. При этом ставилась задача выявить зависимость меж­ду значением предельного напряжения сдвигу и типом болотного микро-

0,31кг/см*

Рис. 3.28. График изменения предельного напря­жения сдвигу х с глубиной торфяной залежи

но группам болотных .микроландшафтов. 1 — мохово-лесная (сфагново-сосново-кустарничковый и сфагново-кустарничково-сосновын); 2 — моховая (сфагно- во-кустарничковый, облесенный сосной и лншайниково- сфа! ново-кустарничковый, облесенный сосной); комплекс­ная: 3 — гряды (сфагново-кустарничковые. облесенные сосной) грядово-мочажинного и грядово-мочажиино-озер- кового; 4— гряды (сфагново-кустарничково-сосновые) грядово-озеркового; 5 -- мочажины (сфагново-ше(1\це- риево-осоковые) грядово-мочажинного.

ландшафта. Определение т проведено на 24 площадках (на каждой пло­щадке отрабатывалось по 30 вертикалей) в следующих болотных микро­ландшафтах: сфагново-сосново-кустарничковом, сфагново-кустарничко- во-сосновом, сфагново-кустарничково-пушицевом, облесенном сосной; сфагново-кустарничковом, облесенном сосной; лишайниково-сфагново-ку- старничковом, облесенном сосной; грядово-мочажинном (на гряде и мо­чажине); грядово-мочажинно-озерковом (только на гряде), грядово-озер- ковом. Описание микроландшафтов приведено в разд. 2 и в приложе­нии 1. Результаты выполненных исследований представлены в табл. 3.15 и на рис. 3.28. Из приведенных данных видно, что в верхнем полумет­ровом слое торфяной залежи (практически в деятельном ее горизонте) различие в значениях т в разных микроландшафтах невелико (около 0,05 кг/см²).

• Анализ т более глубоких слоев показывает наличие определенной за­кономерности в распределении величин предельного напряжения сдвигу по различным болотным микроландшафтам: чем выше обводненность микроландшафта, тем меньше т. В наиболее обводненных микроландшаф­тах (сфагново-кустарничковый и лишайниково-сфагново-кустарничко- вый, облесенные сосной; грядово-мочажинный и грядово-мочажинно- озерковый) величина предельного напряжения сдвигу, слабо изменяясь по глубине, не превышает 0,19 кг/см². В более „сухих" микроландшафтах (сфагново-сосново-кустарничковый, сфагново-кустарничково-сосновый и грядово-озерковый) величина т сильно меняется по глубине, достигая значения 0,25 кг/см² и выше. Исключение составляет сфагново-кустарнич- ково-пушицевый, облесенный сосной микроландшафт, в котором при от­носительно высоком стоянии уровня болотных вод имеют место большие величины т. Как показывает анализ ботанического состава торфа, причи­ной повышенной прочности метрового слоя торфяной залежи в этом мик-

107

© Таблица 3.15

◦о

Значения предельног9 напряжения сдвигу т(кг/см2) по болотным минроландшафтам

Микро ландшафт	Уровень воды за теплый пе­риод года, см		Глубина от поверхности болота, м
			0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2		1,4	1,6		1,8		2,0		2,2	2,4		2,6		2,8	3,0
Сфагново-сосново-кустар- ничковый		—46		0,10	0,14	0,20	0,23	0,25	0,27		0,27	0,24		0,24		0,24
Сфагиово-кустарничково- сосновый		—44		0,12	0,15	0,16	0,17	0,18	0,21		0,23	0,22		0,24		0,24		0,24	0,24				0,32
Сфагново-кустарничко­вый, облесенный сос­ной		—36		0,14	0,15	0,16	0,16	0,15	0,16		0,14	0,18		0,16		0,14
Сфагново-кустарничково- пушицевый, облесен­ный сосной и сухо­стоем		—22		0,14	0,16	0,27	Д29*	0,28	0,23		0,18_	0,20		0,16		20,16		0,18
Лишайниково-сф агново- кустарничковый, обле­сенный сосной		—24		0,09	0,14	0,15	0,15	0,17	0,19		0,17	0,14		0,12		0,13		0,13	0,18		0,20
Грядово-мочажинный: гряда мочажина		-35		0,10	0,12	0,14 | 0,16 | 0,16				0,18 0,15			0,14		0,13		0,12 0,14			0,16		0,18 |
		—2 | 0,06				0,06 | | | 0,08					| | 0,09					| 0,11 | | 0,14							1			0,16
Гр я дово- моч а ж и нно-озер- ковый (гряда)		—36		0,11	0,12	0,15	0,17	0,17	0,19		0,16	0,16		0,16		0,16		0,16	0,18
Грядово-озерковый (гря­да)		—40		0,11	0,14	0,17	0,20	0,23	0,27		0,24	0,20		0,16		0,13		0,15	0,16		0,16

роландшафте является наличие в нем остатков волокон пушицы, обла­дающих повышенной прочностью [78].

В болотных комплексах (грядово-мочажинный, грядово-мочажинно- озерковый) прочностные свойства гряд и мочажин сильно различаются. Выше, при рассмотрении прочностных характеристик микроландшафтов, и в частности грядово-мочажинного и грядово-мочажинно-озеркового, приводились величины т, определенные на грядах. Значения предельного напряжения сдвигу т в верхнем полутораметровом слое торфяной залежи мочажин, как видно из табл. 3.15 и рис. 3.28, почти вдвое меньше т гряд в этом же слое. И лишь в более глубоких горизонтах залежи значения предельного напряжения сдвигу торфяной залежи гряд и мочажин вы­равнивается. Поскольку мочажины в грядово-мочажинных и грядово- мочажинно-озерковых комплексах могут занимать от 30 до 60% площа­ди всего комплекса, при оценке прочностных характеристик залежи та­ких микроландшафтов необходимо принимать во внимание величины т не только гряд, но и мочажин. Как видно из рассмотренного, каждый болот­ный микроландшафт имеет вполне определенную зависимость т = /(//). Характер этой зависимости в значительной мере обусловлен обводнен­ностью микроландшафта, поскольку торфа, слагающие торфяную за­лежь, особенно в верхних горизонтах, различных болотных микроланд­шафтов, весьма однородны по составу и степени разложения. Анализ данных по стратиграфии торфов на площадках измерений т показал, что до глубины 1,5—2,0 м торфяная залежь сложена преимущественно фус- кум-торфом, который в большинстве случаев подстилается комплексно- верхоЕым торфом. Детальные наземные исследования стратиграфии торфяной залежи болотных массивов в разных районах зоны верховых олиготрофных болот показывают аналогичное выше рассмотренному строение верхнего слоя залежи (см. п. 3.1.).

Наличие характерных связей т={(Н) для разных болотных микро­ландшафтов дает возможность широко использовать при изучении проч­ностных характеристик торфяной залежи болот материалы аэрофото­съемки. Методы типологического дешифрирования аэрофотоснимков болот, разработанные соЕетскими болотоведами [110], позволяют доста­точно быстро и надежно определять типы микроландшафтов. Располагая такими продешифрированными аэрофотоснимками или составленной ти­пологической картой и кривыми связи т= {(Н) для разных микроланд­шафтов, можно определить значения т практически для любого болотного массива большей части зоны выпуклых олиготрофных болот, занимаю­щей территорию всей центральной части Западной Сибири. Такая воз­можность представляется благодаря тому, что кривые т=}(Н) получены для шести наиболее распространенных микроландшафтов, составляю­щих в общей сложности около 94% площади болот указанной выше зоны.

Таким образом, рассмотренный путь определения прочностных ха­рактеристик торфяной залежи позволяет в первом приближении полу­чать данные о величинах предельного напряжения сдвигу без выезда в поле, т. е. камеральным путем. Задачей дальнейших исследований в этом направлении является набор массового экспериментального материала по величинам т для рассмотренных болотных микроландшафтов в целях уточнения полученных для них расчетных кривых т=/(//), а также опре­деление подобных зависимостей для еще не изученных болотных микро­ландшафтов.

Наряду с определением прочностных свойств сибирских болот при естественном залегании торфяной залежи были проведены отдельные из-

109

0,7Ъкг/см^г мерения т залежи, находящейся "т | под нагрузкой. В качестве экспе­риментальных площадок выбраны дороги, проходящие по болоту. Определение величин предельно­го напряжения сдвигу выполня­лось одновременно под полотном дороги (под насыпью) и на есте­ственном болоте вблизи дороги На рис. 3.29 приведена кривая т = ЦН), полученная в сфагново- кустарничково-сосновом микро­ландшафте. Поскольку кривые распределения т по глубине для торфяной залежи, находящейся под нагрузкой, и для залежи в естественном залегании несопо­ставимы ввиду осадки первой под нагрузкой, на рис. 3.29 на оси ор­динат приведены не сами глубины, а доли глубины залежи в точке из­мерений. Такой прием позволяет выявить влияние нагрузки на изменение прочностных характеристик. Аналогичные кривые построены также для других экспериментальных площадок, расположенных в грядово-моча­жинном микроландшафте.

На всех экспериментальных площадках под насыпью произошло уве­личение х залежи под влиянием ее уплотнения в среднем в 1,5—2,0 раза, причем наибольшее увеличение наблюдалось в верхних слоях. С глуби­ной разница в величинах т залежи под нагрузкой и без нагрузки умень­шается и в придонных горизон­тах становится близкой к нулю. Нем

Рис. 3.29. Распределение предельного нап­ряжения сдвигу по глубине торфяной зале­жи в естественном состоянии (I) и под нагрузкой (2) в сфагново-кустарничково- сосновом микроландшафте.

внешняя нагрузка на залежь воспринимается в основном ее верхними слоями, т. е. влияние нагрузки по мере роста глубины; ослабевает. Исключение в этом отношении составляют топя- ные участки, где торфяная за­лежь на всю глубину сильно разжижена. Необходимо отме­тить, что влияние времени здесь не рассмотрено, так как данные т под нагрузкой отно­сятся к двух-трехгодичным промежуткам времени после создания нагрузки. Закончи-

1 1	1								1
1				С	1
V
\
л
о	V
		!\о оЧ	А	*ч
			Ч Ч		Ч		ч
0									<

не выявлено.