Гидрогеологические условия формирования болотных геосистем средней части западной сибири и их мелиоративное освоение Hydrogeological conditions for the formation of swamp geosystems in the middle part of western siberia and their reclamation development
fe Л московский
■p ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЧЛ ЖУРНАЛ
УДК 626.8:551.345:495 (571.1) DOI 10.24411/2413-046Х-2020-10284 Новохатин Василий Васильевич,
к профессор кафедры геодезии и кадастровой деятельности, д.т.н, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень
Novokhatin V.V., Novohatin@yandex.ru
Аннотация. В Западной Сибири болотными геосистемами занято 32,5 млн. га [1]. В естественном состоянии эти системы почти не используются в сельском хозяйстве вследствие неудовлетворительных гидротермических условий. Из них 7 млн. га переувлажнённых гидроморфных почв, пригодны для осушения и окультуривания. При этом крупные массивы таких геосистем почти целиком располагаются в подзоне южной тайги и подтайги, где они занимают большие площади междуречных пространств [2]. Технология мелиоративного освоения гидроморфных почв Западной Сибири, предназначенных в конечном итоге для получения стабильных и высоких урожаев сельскохозяйственных культур должна опираться на гидрологические характеристики мелиорируемой толщи, учитывая которые, можно создать оптимальные параметры мелиоративных систем и как следствие обеспечить на длительный период оптимальные для сельскохозяйственных культур, почвенные режимы. Но гидрологические и гидрогеологические параметры четвертичных отложений гидродинамически взаимосвязаны и взаимообусловлены. Поэтому естественно на технологии мелиоративного освоения гидроморфных почв оказывают влияние гидрогеологические условия изучаемой территории. При гидрологических расчётах и проектировании конструкций осушительных систем большой значение имеет вертикальный водообмен
между водоносными горизонтами отложений. Учитывать этот параметр крайне необходимо. В противном случае мелиоративная система не обеспечит требуемый водно-воздушный режим гидроморфных почв. Изучение гидрогеологических условий, это сложная и затратная задача, связанная с определением ряда характеристик таких как, фильтрационные свойства водоносных горизонтов, величина водообмена между горизонтами, наличие гидрогеологических «окон», напорности и т.д.
В этой связи, при дальнейшем проектировании мелиоративных комплексов, в гидрологических расчётах необходимо использовать параметры поступления напорных вод из нижерасположенных напорных водоносных горизонтов, определённые на болотных геосистемах в условиях Западной Сибири.
В предлагаемой работе приводятся результаты многолетних мониторинговых исследований влияния напорности нижерасположенных напорных горизонтов на эффективность мелиоративных систем в подзоне южной тайги и подтайги Западной Сибири.
Summary. In Western Siberia, swamp geosystems cover 32.5 million ha [1]. In the natural state, these systems are almost not used in agriculture due to unsatisfactory hydrothermal conditions. Of these, 7 million hectares of waterlogged hydromorphic soils are suitable for drainage and cultivation. At the same time, large arrays of such geosystems are almost entirely located in the subzone of the southern taiga and the sub-taiga, where they occupy large areas of inter-river spaces [2].
The technology of reclamation development of hydromorphic soils of Western Siberia, intended ultimately to obtain stable and high yields of agricultural crops, should be based on the hydrological characteristics of the reclaimed thickness, taking into account which, it is possible to create optimal parameters of reclamation systems and, as a result, provide for a long period of optimal soil conditions for agricultural crops. But the hydrological and hydrogeological parameters of Quaternary deposits are interrelated and mutually dependent. Therefore, naturally, the technology of reclamation development of hydromorphic soils is influenced by the hydrogeological conditions of the studied territory. In hydrological calculations and design of drainage systems, vertical water exchange between the upper and lower sediment horizons is of great importance. This parameter must be taken into account. Otherwise, the reclamation system will not provide the required water-air regime of hydromorphic soils. The study of hydrogeological conditions is a complex and costly task associated with determining a number of characteristics such as the filtration properties of aquifers, the amount of water exchange between horizons, the presence of hydrogeological "Windows", pressure, etc.
In this regard, when further designing reclamation complexes in hydrological calculations, it is necessary to use the parameters of inflow of pressure water from downstream pressure aquifers, determined on marsh geosystems in the conditions of Western Siberia.
This paper presents the results of long-term monitoring studies of the influence of pressure of downstream pressure horizons on the efficiency of reclamation systems in the subzone of the southern taiga and the sub-taiga of Western Siberia.
Гидроморфные почвы болотных геосистем в Западной Сибири образовались в периоды древнего и раннего голоцена -10-12 тыс. лет назад [3]. В развитии болот значительную роль сыграли палеографические особенности региона. В миоцен -раннечетвертичном периоде здесь сформировались глинистые отложения. Наличие слабопроницаемых отложений в сочетании с большой увлажнённостью региона способствовало образованию болот.
Исследованиями установлено, что первые очаги заболачивания возникли в древнем голоцене на местах ложбин стока ледниковых вод, котловин различного генезиса и водоёмов. В условиях богатого водно-минерального питания заболачивание сопровождалось появлением евтрофных фитоценозов [4].
Целью исследований является оценка гидродинамической связи водоносных горизонтов во времени и в пространстве и их влияние на эффективность гидротехнических систем.
Экспериментальная часть
Нами проводились исследования динамики уровней грунтовых и напорных вод водоносных горизонтов на гидроморфных болотных геосистемах с разной интенсивностью их осушения, с позиций системного подхода оценки их количественных характеристик, что позволяет достоверно оценить их изменение во времени и в пространстве. Наблюдения за положением грунтовых вод выполнялось круглогодично по наблюдательным скважинам. Для оценки динамики напорных вод и водообмена между водоносными горизонтами применяли кусты пьезометров. Тип водного питания
рассматриваемых болотных геосистем, преимущественно грунтово-напорный, напорный. Почвы представлены низинными торфяниками мощностью 2,2-4,1 м. На стационаре, расположенном на второй надпойменной террасе, регулирование почвенных режимов зоны аэрации осуществляется на основе закрытых дренажных систем глубиной 1,2 , 1,5 , 1,8 м с расстояниями между ними 10, 20, 30 и 40 м, а также открытой регулирующей сетью с расстояниями между каналами 200 м.
Результаты и их обсуждение
По предположению Е.К. Иванова, С.М. Новикова [5] заболачивание региона начиналось с отрицательных форм рельефа, а затем продолжалось одновременно по всей территории. Наличие в рельефе местности положительных (холмы, бугры, возвышенности) и отрицательных (котловины, впадины, понижения) форм обуславливает различное увлажнение верхних горизонтов почвы. Это является одной из главных причин пространственной неравномерности процесса торфонакопления при одних и тех же климатических условиях. При этом водонасыщенность верхних слоёв торфяной залежи во многом обусловлена гидрогеологическими особенностями рассматриваемой территории. Известно, что Западная Сибирь является уникальным районом планеты в гидрогеологическом отношении [6, 7]. Наличие значительного слоя четвертичных отложений, представленного переслаиванием несортированных песков различных фракций и глинистых отложений, создали сложную систему вертикального водообмена между водоносными горизонтами.
На характеризуемой территории выделяются: водораздельные, долинные (пойменные и террасовые) и древнедолинные (ложбинные) болота. Каждый из указанных типов имеет свои специфические гидрогеологические особенности. На увлажнённость болотных геосистем второй и третьей групп, расположенных преимущественно в долинах рек, оказывают влияние грунтовые, грунтово-напорные и напорные воды более глубоких водоносных горизонтов. Для долинных болот характерно активное влияние минерализованных грунтовых вод подстилающих отложений, доля которых в питании болот увеличивается на низких террасах и в пойме и уменьшается на более высоких террасах. Кроме того, пойменные болота часто заливаются паводковыми водами [8, 9].
Наличие вышеприведённых факторов в сочетании со слабо расчленённым рельефом и развитием слабопроницаемых отложений приводят и формированию сложных взаимодействий между подземным и поверхностным стоком. В южной и средней частях равнины доля подземного стока достигает соответственно 10 и 50% поверхностного. В
сочетании со значительным количеством осадков это создаёт благоприятные условия для развития процессов забалачивания большей части рассматриваемого региона.
Подземные воды, развитые в пределах подтаёжной и таёжной подзон относятся к Западно - Сибирскому артезианскому бассейну. В вертикальном разрезе бассейна выделяют пять характерных водоносных комплексов. Наибольший интерес, в связи с мелиоративным освоением заболоченных почв, представляет первый гидрогеологический комплекс, включающий песчано-алевритистые и глинистые отложения антропогенового и неоген-олигоценового возраста и включает несколько водоносных горизонтов. Водоносный горизонт современных болотных отложений, в исследуемом регионе, широко распространён. Подземные воды насыщают толщи торфяников мощностью от 2,5 до 4,1 м. Глубина залегания уровней этих вод составляет от 0,1-0,7 м в тёплый период времени и до 3,3 м - зимой [7, 9]. Воды болотных, гидроморфных отложений имеют тесную гидравлическую связь с нижележащими водоносными горизонтами, которые могут иметь напорность.
Большие площади подтаёжной подзоны расположены в пределах террасовых равнин. При этом наиболее водообильны отложения второй надпойменной террасы. Удельные дебиты водоносных горизонтов четвертичных отложений изменяются от 0,006 до 1,2 л/(с.м). Коэффициенты фильтрации песков составляют 0,8-4,4 м/сут, суглинков 0,012-4 м/сут. Питание подземных вод рассмотренных отложений носит сезонный характер. Воды гидравлически связаны с болотными водами и с речной сетью, их разгрузка происходит в сторону крупных рек. Гидравлическая связь с рекой затруднена из-за наличия в кровле суглинистых прослоев, вследствие чего в описанных отложениях создаётся напорность. Установлено, что напорные межпластовые воды глубоких горизонтов оказывает влияние на формирование болот, расположенных преимущественно в поймах и надпойменных террасах. Влияние это сказывается или непосредственно в местах выхода этих горизонтов, или через более молодые водопроницаемые отложения [10,11,12].
По данным В.С.Кусковского, С.Н.Охалина, Ю.К.Смоленцева [10], в гидродинамическом отношении верхний гидрогеологический комплекс относится к зоне свободного водообмена. Подземные воды этой зоны имеют гидравлическую связь с поверхностными водами и атмосферными осадками. Питание верхних водоносных горизонтов происходит за счёт инфильтрации на участках, где отсутствуют местные водоупоры, и через литологические окна из нижележащих водоносных горизонтов.
В зависимости от состава подстилающих пород и степени гидравлической взаимосвязи болотных и грунтовых вод болотных геосистем, болота могут занимать
несколько положений в гидродинамической системе. При залегании гидроморфных болотных комплексов на мощной толще слабопроницаемых, глинистых отложений, атмосферные осадки скапливаются непосредственно в пределах гидроморфного горизонта, ниже которого на значительной глубине залегают напорные воды, имеющие отдалённую область питания. Питание гидроморфной залежи в этом случае происходит в основном за счёт атмосферных осадков. Поэтому болотные воды имеют низкую минерализацию, а органическая составляющая низкую зольность. При залегании гидроморфных залежей на водопроницаемых породах возможны три случая взаимосвязи грунтовых и болотных вод.
Первый случай характеризуется постоянным превышением уровней грунтовых вод над подошвой органогенной залежи, которая поэтому занимает верхнюю часть водоносного горизонта. Такое положение характерно для пойменных, террасовых, ложбинных и некоторых водораздельных болот. гидроморфные залежи здесь формируются при постоянном подпитывании минерализованными, грунтовыми водами и периодическом питании атмосферными осадками и паводковыми водами. Всё это приводит к повышению минерализации болотных вод, увеличению зольности залежи и формированию низинных болотных геосистем.
Второй случай характеризуется расположением гидроморфных залежей выше максимального уровня грунтовых вод. Поэтому болотные воды могут быть отнесены к типу верховодки, имеющей низкую минерализацию. Формирование органогенной залежи происходит под влиянием атмосферных осадков, реже - паводковых вод. Она представляет верховой, переходный, реже низинный тип с низкой зольностью.
В третьем случае органогенные залежи подпитываются грунтовыми водами периодически. Питание болот происходит за счёт атмосферных осадков и периодически за счёт грунтовых вод. Следовательно, болотные воды в разные периоды будут то грунтовыми, то верховодкой, вследствие чего их минерализация может значительно колебаться, что сказывается на флоре болотных геосистем и составе залежи.
Как отмечалось ранее, гидрогеологические параметры четвертичных отложений оказывают влияние на формирование гидрологического режима верхней части отложений. В свою очередь мелиоративные комплексы также воздействуют на гидрологический режим верхних гидроморфных отложений болотных геосистем [13,14].
Наши исследования показали, что на болотах с грунтово-напорным типом водного питания режим грунтовых вод, а следовательно и эффективность гидротехнических систем, тесно связаны с изменением пьезометрических уровней водоносного пласта
(рисунок 1). При этом на осушаемых болотных геосистемах, во влажные вегетационные периоды и в периоды снеготаяния, когда грунтовые воды расположены близко поверхности, различие в положении уровней увеличивается до 0,38-1,39 м. В наблюдательных скважинах пьезометров уровни устанавливаются над поверхностью гидроморфных залежей. В зимние и засушливые периоды эти показатели уменьшаются до 0,1-0,28. Эта связь оценивается высокими значениями коэффициентов корреляции, равными 0,92-0,96, и её можно аппроксимировать линейной зависимостью вида:
Н п= 1,38 Н гр - 0,82 , где: Н п - глубина пьезометрических уровней, м; Н гр - глубина грунтовых вод, м.
Коэффициенты характеризуют гидрогеологические особенности водоносных горизонтов. В связи с тесной связью рассматриваемых показателей, об эффективности работы мелиоративных систем можно судить не только по режиму УГВ, но и по степени снижения пьезометрической поверхности напорных вод. До строительства мелиоративных систем, вследствие близкого к поверхности почвы залегания грунтовых вод, различие между ними и пьезометрическими уровнями незначительно (0-0,1 м), поэтому и приток воды из водоносного пласта минимальный. При мелиоративном освоении болотных геосистем существующий баланс грунтовых и напорных вод болотных ландшафтов нарушается. Отвод воды из верхних переувлажненных горизонтов способствует увеличению интенсивности притока напорных вод в активный слой гидроморфной залежи из нижерасположенных водоносных горизонтов. Наибольшее возмущение на режим подземных вод оказывает закрытый систематический дренаж.
а о/ О о/Л
Гпуйипа. грунтсисс вон, см.
Рис. 1 Связь между глубиной залегания грунтовых вод и пьезометрических уровней на площади осушаемой дренажными системами с
параметрами Н=1,3 м. В=Ю м.
Установлено, что с увеличением глубины заложения дрен и уменьшением расстояний между ними, разница между уровнями грунтовых вод и пьезометрическими уровнями возрастает, в результате этого увеличивается поступление напорных вод из водоносного горизонта (таблица 1). Следует отметить, что по мере удаления от окраин осушаемого массива к его центру, под действием дренажа происходит сработка части запасов подземных вод. Напор водоносного пласта падает, в результате пьезометрическая поверхность снижается, достигая самого низкого положения в центре осушаемой площади. Наблюдения за режимом подземных вод отмечают, что в годовом разрезе для них, так же, как и для грунтовых вод характерны осенне - зимнее понижение, обусловленное отсутствием инфильтрации осадков в зоне питания напорного пласта, резкий весенний подъём вследствие снеготаяния и незначительное летнее снижение, прерываемое выпадающими осадками. Аналогично режиму грунтовых вод пьезометрические уровни в течение холодного периода опускались, достигая своих минимальных отметок в конце марта. Ранней весной, задолго до снеготаяния, наблюдался подъём грунтовых вод, основная причина которого - приток влаги со стороны напорного водоносного горизонта.
Таблица 1. Пьезометрические уровни на осушаемых болотных геосистемах в вегетационные периоды
Глубина заложения дрен: м Расстояние между Дрен: м Ра:= 3 % Р«=4б% Рос= 54 % Рее 78% Рее 19%
Примечание: 1 - минимальная глубина пьезометрических уровней, м;
В результате аккумуляции влаги осенне-зимних и весенних осадков в напорных горизонтах, к концу снеготаяния происходил подъём пьезометрических уровней с интенсивностью 5,1-8,6 см/сут, превышение их над грунтовыми водами в этот период составляло 0,07-0,38 м. В таблице 1 приведены результаты многолетних наблюдений за динамикой пьезометрических уровней на болотных геосистемах с преимущественно напорным водным питанием. Данные показывают, что на их положение оказывает влияние водообеспеченность тёплого периода текущего года и водообеспеченность осеннего периода предыдущего года. Чем больше осадков выпадает в зоне питания водоносного пласта, тем ближе к поверхности почвы залегают пьезометрические уровни. Следует отметить, что во влажные годы разность в глубинах залегания уровней грунтовых вод и пьезометрических уровней возрастает, в засушливые - уменьшается. Наиболее близкое их залегание к дневной поверхности отмечалось во влажный вегетационный период с обеспеченностью осадками Рос= 3 %. В первой половине вегетации этого года отмечалась понижение пьезометрических уровней с интенсивностью 0,5-2,1 см/сут, выпавшие затем обильные осадки способствовали их повышению с интенсивностью до 2,5 см/сут. В среднем за вегетационный период пьезометрические уровни находились на глубине 0,25-0,46 и 0,77-1,06 м соответственно при глубине заложения дрен 1,2 и 1,8 м (таблица 1). Разность между глубиной залегания пьезометрических уровней и уровней грунтовых вод в среднем за вегетацию составляла 0,06-0,15, 0,09-0,33 м на площадях с глубиной дрен соответственно 1,2 и 1,8 м. Максимальная разность достигала 0,46 м. Вследствие значительного превышения пьезометрических уровней над грунтовыми водами (0,09-0,33 м) на, площадях с заложением дрен 1,8 м по сравнению с вариантами дренажа глубиной 1,2 м (0,06-0,15 м), отмечался наибольший приток напорных вод в зону аэрации.
Несколько иначе складывался режим подземных вод водоносного горизонта в «сухой год» с обеспеченностью осадков Рос= 78 %. В засушливые годы, из-за меньшего количества выпадающих осадков, напорные воды располагались, как правило, значительно ниже чем во влажные годы. Режимные наблюдения показали, что осадки в такие периоды существенного влияния на положения пьезометрических уровней не оказывали, тенденция снижения поверхности напорных вод сохранялась в течение всего летнего сезона. И только осенью, вследствие уменьшения суммарного испарения до 0,31,1 мм/сут., выпадавшие осадки (1-8,4 мм/сут.) способствовали повышению уровней подземных вод водоносного горизонта. Пьезометрические уровни в мае - сентябре находились на глубине 0,82-0,98, 1,14-1,39 см соответственно при глубине заложения
дрен 1,2 и 1,8 м (таблица 1). Различие между глубинами залегания пьезометрических уровней и уровней грунтовых вод снижалось до 0,02-0,20 м. Во все годы исследований наибольшее понижение пьезометрических уровней (0,77-1,39 м) отмечалось на вариантах дренажа глубиной 1,8 м. Уровни напорных, подземных вод, характеризующие пьезометрическую поверхность в периоды вегетации находились на всех вариантах дренажных систем выше зеркала грунтовых вод на 0,01-0,46 м. Амплитуда колебаний пьезометрических уровней была значительно меньше, чем колебания уровней грунтовых вод. Анализ материалов наблюдений показал, что наблюдается явное запаздывание до 3-5 суток в опускании и подъёме напорных вод по сравнению с грунтовыми водами, объясняемое удалённостью зоны питания водоносного горизонта.
Обобщение количественных характеристик результатов многолетних исследований режимов грунтовых и напорных вод на болотных массивах Западной Сибири позволили нам установить высокую эффективность мелиоративных комплексов, основанных на применении глубокого закрытого дренажа при регулировании водного режима торфяных почв в условиях длительного сезонного промерзания. Таким образом, влияние осушения на режим уровней напорных вод болотных геосистем представляет собой сложный и неустановившийся процесс, в ходе которого проявляется воздействие в направлении усиления: как снижения уровней грунтовых вод, так и их подъёмов. При мелиоративном освоении таких болотных комплексов возникает необходимость учёта природных гидрогеологических условий объектов.
Резюмируя вышеизложенное следует отметить, что особенности водного режима как целинных, так и осушаемых почв болотных геосистем южной тайги и подтайги Западно -Сибирского региона определяются в основном геолого-геоморфологическими, гидрогеологическими условиями, типом водного питания и длительным наличием мерзлого горизонта.
Мелиорация болотных комплексов нарушает существующий природный баланс грунтовых и напорных вод. Увеличивается интенсивность притока напорных вод до 5,512,4 мм/сут в активный слой гидроморфной залежи из нижерасположенных напорных, водоносных горизонтов. Применение дренажных систем глубиной 1,5-1,8 м для разгрузки подземных вод и снижения их пьезометрических уровней является эффективным мероприятием. При освоении таких болотных геосистем необходимо учитывать зональные природные условия.
Для осушаемых болотных комплексов подтаёжной и таёжной подзон Западной Сибири установлены общие закономерности внутригодового изменения уровней
грунтовых и напорных вод: быстрое повышение весной в период снеготаяния, последующее интенсивное снижение после весеннего максимума под действием мелиоративных систем, летний минимум приходящийся на июнь-июль, кратковременное повышение в средине августа, вследствие выпадения обильных осадков, осенний подъём наблюдаемый как правило в октябре-ноябре и зимнее снижение уровней продолжающееся до конца марта. Наличие напорного питания болот определяет выраженную динамичность грунтовых вод и наиболее близкое к поверхности их положение.
Список литературы