Исследования гидрологических параметров длительно сезонно-мерзлотных осушаемых почв болотных геосистем Западной Сибири

Исследования гидрологических параметров длительно сезонно-мерзлотных осушаемых почв болотных геосистем Западной Сибири Studies of hydrological parameters of long- term seasonal-permafrost drained soils of

swamp geosystems in Western Siberia

Ь Л московский

p ЭКОНОМИЧЕСКИЙ лЛ ЖУРНАЛ

УДК 626.8:551.345:495 (571.1) DOI 10.24411/2413-046X-2020-10180 Новохатин Василий Васильевич,

профессор кафедры геодезии и кадастровой деятельности, д.т.н, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень

Novokhatin V.V., Novohatin@yandex.ru

Аннотация. Современная технология разработки инвестиционных проектов мелиорации гидроморфных почв, 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.

При гидрологических расчётах и проектировании конструкций осушительных систем большой значение имеют фильтрационные свойства и водоотдача активного слоя гидроморфных почв. В связи с отсутствием таких данных, в период интенсивного освоения болотных геосистем в Западной Сибири, в расчётах принимались характеристики, заимствованные с болотных ландшафтов европейской территории страны. В Западной Сибири гидротермические условия образования и существования гидроморфных почв значительно отличаются от европейских. Поэтому и гидрологические характеристики таких почв различны. Это привело к тому, что значительные массивы осушаемых почв болотных геосистем Западной Сибири находятся в переувлажнённом состоянии. Сложность заключается в том, что эти параметры изменчивы во времени.

В этой связи, при дальнейшем проектировании мелиоративных комплексов в расчётах необходимо использовать величины фильтрационных свойств и водоотдачи гидроморфных почв, определённые на болотных геосистемах в условиях Западной Сибири.

В предлагаемой работе приводятся результаты многолетних мониторинговых исследований гидрологических свойств длительно сезонно-мерзлотных торфяных почв лесостепной и подтаёжной подзон Западной Сибири.

Summary. Modern technology for developing investment projects for reclamation of hydromorphic soils, 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, ensure optimal soil regimes for agricultural crops for a long period.

In hydrological calculations and design of drainage systems, filtration properties and water yield of the active layer of hydromorphic soils are of great importance. Due to the lack of such data, during the period of intensive development of swamp geosystems in Western Siberia, the calculations took into account characteristics borrowed from the swamp landscapes of the European territory of the country. In Western Siberia, hydrothermal conditions for the formation and existence of hydromorphic soils differ significantly from those in Europe. Therefore, the hydrological characteristics of such soils are different. This has led to the fact that significant amounts of drained soils of swamp geosystems in Western Siberia are in a waterlogged state. The difficulty is that these parameters are variable over time.

In this regard, when further designing reclamation complexes, it is necessary to use the values of filtration properties and water yield of hydromorphic soils, determined on marsh geosystems in Western Siberia, in the calculations.

This paper presents the results of long- term monitoring studies of the hydrological properties of long-term seasonal permafrost peat soils in the forest-steppe and subtaiga subzones of Western Siberia.

Ключевые слова гидромелиоративные системы, гидрологические свойства гидроморфных почв, осушение, параметры дренажных систем, фильтрационные свойства, водоотдача, продуктивность болотных ландшафтов.

Keywords: hydro-reclamation systems, hydrological properties of hydromorphic soils, drainage, parameters of drainage systems, filtration properties, water yield, productivity of marsh landscapes.

Осушение торфяных почв с последующей распашкой, обработкой, внесением удобрений и применением севооборотов приводит к перестройке, как водного режима осушаемого слоя, так и интенсивности происходящего в нём почвообразовательного процесса. Накопление органогенной массы сменяются процессами разложения торфа и глубокой трансформацией его органической и минеральной частей. Это приводит к значительному изменению состава, агрофизических, химических и гидрологических свойств. Поэтому адаптивные комплексы мелиоративных мероприятий должны максимально «вписываться» в природные условия болотных ландшафтов, обеспечивать разумную экономическую эффективность и их экологическую устойчивость [1].

В условиях Западной Сибири - при хорошей влагообеспеченности и часто недостаточной теплообеспеченности (подтаёжная и лесостепная подзоны) полноценных экспериментальных таких данных по изменению гидрологических свойств оганогенных почв недостаточно.

Целью исследований является оценка динамики основных гидрологических параметров длительно сезонно-мерзлотных болотных геосистем Западной Сибири при их освоении.

Экспериментальная часть Нами в течение 1978-2017 гг, проводились мониторинговые исследования изменения гидрологических свойств активного слоя осушаемых торфяных почв с позиций системного подхода оценки их количественных характеристик, что позволяет достоверно оценить их изменения во времени и в пространстве. Изучением были охвачены торфяные почвы на среднем торфе на стационарах с атмосферным и грунтово - напорным типом водного питания. Лабораторные исследования выполнялись по апробированным методикам.

Результаты и их обсуждение В последние годы были предприняты попытки обобщить многолетние результаты наблюдений за изменением агрофизических свойств осушаемых торфяных почв в Западной Сибири [2, 3, 4]. Однако такие вопросы, как сработка торфяных залежей, изменение их капиллярных и фильтрационных свойств, водоотдачи и др. не охвачены.

При осушении гидроморфных почв наряду с изменением основных агрофизических характеристик происходит уменьшение их общей скважности и размеров пор, отмечается изменение запасов влаги в исследуемом слое, которое определяется величиной водоотдачи, тесно связанной со скважностью залежи и положением грунтовых вод.

Исследования показывают, что изменение соотношения капиллярной и некапиллярной скважности закономерно приводит к изменению влагоёмкости. При этом наиболее значимо уменьшается влагоёмкость торфяной залежи в первые годы после осушения. Это изменение достигает 16-19 %. Сельскохозяйственное использование осушенных торфяных почв и их минерализация способствуют дальнейшему снижению влагоёмкости, однако интенсивность этого процесса незначительна. За тридцать девять лет исследований влагоёмкость слоя почвы 0-0,5 м сократилась с 66,2 до 62,4 % от объёма. Примерно на такую же величину (2,7-3,5 %) изменилась влагоёмкость и на торфяных почвах на мелком торфе. За последние 17 лет она изменилась на 1,4-1,7 %. Детальная проработка полученных результатов позволяет сделать вывод, что основное влияние на динамику влагоёмкости оказывает усадка торфяной залежи и, как следствие этого, интенсивность осушения.

При мелиоративном освоении почв болотных геосистем их водно-физические свойства быстро меняются. Снижается и фильтрационная способность почвы, которая является одной из основных характеристик при гидрологических расчётах и обосновании применения мелиоративных комплексов. Результаты натурных исследований показывают, что коэффициенты фильтрации очень изменчивы как по глубине торфяной залежи, так и по площади болотного массива, что объясняется неоднородностью структуры торфа под различными элементами микрорельефа. Осушаемые торфяные почвы представляют собой двухслойную среду, у которой активный верхний горизонт расположен выше уровней грунтовых вод, а нижний - постоянно ими затоплен. При определении фильтрационных свойств этих горизонтов использовали соответственно метод фильтрации в лотках и метод восстановления уровня воды в скважине после откачки.

Сопоставление полученных результатов показывает, что верхние слои почвы обладают в 8-13 раз более высокими значениями коэффициентов фильтрации в сравнении с инертными нижними горизонтами. В основном это связано с глубокой первичной обработкой осушенных почв и дальнейшим их использованием. Обобщение количественных характеристик фильтрационных свойств пахотного горизонта позволило установить их значение, составляющее 2,7-6,8 м/сут. В подпахотных же слоях, с глубины 0,3 м, наблюдается уменьшение коэффициента фильтрации в 6,6-17 раз и его величина не превышает 0,2-0,5 м/сут. Следует отметить, что максимально коэффициент фильтрации уменьшается во всех горизонтах осушенного слоя почвы в первые годы после осушения. Так, если фильтрационные свойства полуметрового слоя торфяной залежи целинных болот достигают 12,9-17,6 м/сут, то при понижении грунтовых вод на 0,8-1,2 м этот

показатель уменьшается до 0,9-1,5 м/сут. Снижение грунтовых вод на более низкие отметки, практически не сказывается на изменении величины коэффициента фильтрации рассматриваемого слоя. Дальнейшая усадка торфа и уплотнение сельскохозяйственными машинами создают условия динамичности водопроводимости исследуемых горизонтов. Отмечается, что этот процесс замедляется во времени.

Анализ опытных данных по фильтрационной способности почвенных горизонтов так называемого «инертного» слоя торфяной залежи показывает, что для этого слоя характерны стабильность коэффициентов фильтрации и их невысокие количественные характеристики равные 0,1-0,3 м/сут. Такое положение объясняется постоянным, полным насыщением пор торфа водой и отсутствием механического воздействия на него. Как известно, формирование органогенных масс болот связано с типом их водного питания. В связи с этим закономерно утверждение о том, что и гидрологические свойства их также зависят от типа водного питания. Выше рассматривались характеристики торфяной почвы, сформировавшейся на болотах с атмосферным типом водного питания. Нами проводились исследования и на болотных геосистемах с грунтово-напорным типом водного питания.

Детальные проработки данных динамики водных свойств торфяных залежей во времени позволили отметить, что для торфяных почв болотных геосистем с грунтово-напорным типом водного питания характерны общие закономерности аналогичные результатам, полученным на болотах с атмосферным питанием. Различие отмечается в основном в количественных характеристиках. На торфяных залежах с грунтово-напорным типом водного питания фильтрационные свойства верхних горизонтов приближаются к значениям характерным для «инертного слоя» болотных геосистем с атмосферным типом водного питания.

Другим показателем, характеризующим гидрологические свойства торфяных залежей, является их водоотдача.

В Юго-Восточной части Западной Сибири исследованием этой характеристики торфяных залежей занимались С.И Долгов [5] и Н.М. Голяков, П.И. Сребрянская [6]. По данным С.И Долгова [5], значения коэффициента водоотдачи монолита метрового слоя нормально осушенного торфяника на Убинской болотной станции составляло 0,1, для неосушенного, Карапузского, тростникового болота - 0,25. Верхние горизонты неосушенной, гипновой, торфяной залежи имели коэффициент водоотдачи 0,6, для глубины 0,2-0,5 м - 0,19. Сопоставимые с приведёнными значениями результаты были получены Н.М. Голяковым и П.И. Сребрянской [6]. Для тростниково-осокового торфа

слабой степени разложения (Килейное болото Омской области) они получили коэффициенты водоотдачи 0,27-0,3, для осоково-гипнового, расположенного на этом же массиве, его величина была в 2 раза меньше и изменялась в диапазоне 0,13-0,15.

Наши экспериментальные исследования показали, что процесс водоотдачи из переувлажненного болотного массива происходит под действием ряда факторов и зависит от структуры, скважности, размеров пор торфяника, а также от его колоидно -химических свойств, определяющих силы связи воды с органической составляющей торфа. В процессе водоотдачи участвуют все слои торфяной залежи, расположенные выше уровня грунтовых вод. Поэтому общая величина водоотдачи активного слоя слагается из объёмов воды, вытекающих из каждого элементарного слоя почвы зоны аэрации, и определяется соответствующим этому слою отрицательным гидростатическим давлением, а также силами связи между органической составляющей торфа и водой, заключённой в порах.

При определении водоотдачи К.П. Лундин [7] предложил различать свободную водоотдачу, под которой понимается вытекание гравитационной воды только под действием силы тяжести при отсутствии усадки грунта и общую водоотдачу, когда общее количество воды слагается из воды, удаляемой как в результате свободной водоотдачи, так и отжатия её в процессе усадки. Оба процесса приводят к изменению влажности торфа. Поэтому о величине общей водоотдачи можно судить по данным изменениям влажности торфа в результате осушения. Изучение процесса водоотдачи из деятельного слоя торфяных почв лесостепной подзоны Западной Сибири показало, что на целинных болотах и при слабом осушении почв общая водоотдача близка к значениям свободной водоотдачи, а при интенсивном осушении превышает в 2-4 раза. Так, если на целинной торфяной залежи значение свободной водоотдачи в горизонтах полуметрового слоя почвы составляет 18,7-28,3 % от объёма торфа, то общая водоотдача достигает 27,9-36,5 % (таблица 1). При длительном снижении грунтовых вод на отметку 0,9-1,1 м свободная водоотдача из слоя торфа 0-0,5 м уменьшается до 3,0-8,2 % от объёма почвы, при этом величина общей характеристики составляет 16,8-32,7 %.

Таблица 1

Свободная водоотдача торфяной почвы на среднем торфе. °А> от объёма, стационар с атмосферным типом водного питания

Глубина, м Целинное болото, 1975 г. С осушением

1980 г. 2000 г. 2017 г.

0 - 0.1 28.3 8.7 5,9 3.0

0.1 - 0.2 24.6 10.3 6,7 3.9

0.2 - 0.3 21.2 12.5 8,0 5.6

0.3 - 0.4 19.6 13.3 3,7 6.5

0.4 - 0.5 18.7 14.6 10.2 8.2

Системный анализ количественных характеристик водоотдачи активного слоя торфяной залежи показывает, что водоотдача заметно снижается по мере освоения почв. Это изменение обусловлено переходом части некапиллярной скважности в капиллярную вследствие усадки торфа и повышения степени его разложения. В первые годы после осушения болотного массива водоотдача уменьшается в 1,3-3,2 раза, а в дальнейшем это различие увеличивается в 3-4 раза в сравнении с показателями торфа целинного болота. Наибольшему изменению подвержен пахотный слой торфяной почвы. С глубиной динамика водоотдачи сокращается. При гидрологической характеристике почвенных горизонтов удобнее пользоваться значениями послойных коэффициентов водоотдачи, представляющих собой отношение слоя воды стекающей из данного горизонта к величине снижения уровня грунтовых вод [8-12].

к

? =.

- коэффициент водоотдачи;

- слои стекающей воды;

- изменение глубины залегания грунтовых вод, см.

10  £ 6,

Л¥

- изменение запаса влаги, мм;

- изменение глубины грунтовых вод, см;

- коэффициент водоотдачи слоя;

- высота исследуемого слоя, см.

Используя выражение 1, можно определить динамику грунтовых вод при изменении запаса влаги в исследуемом горизонте. Для осушаемых болотных массивов лесостепной

подзоны с атмосферным типом водного питания величина коэффициентов водоотдачи зоны аэрации торфяных почв на среднем торфе варьирует в пределах 0,09-0,14.

Исследования водоотдачи торфяной залежи на болотных ландшафтах с грунтово-напорным типом водного питания показали, что максимальная водоотдача метрового слоя изменялась от 15,8 до 25,7 %. После длительного осушения её значение в корнеобитаемой зоне варьировало в диапазоне 6,2-8,4 %, в тоже время в нижних горизонтах активной зоны торфяника водоотдача снизилась до 4,7-5,9 %. Полученные количественные характеристики для торфяных почв, сформировавшихся в условиях грунтово-напорного питания, отличаются в сторону уменьшения в 1,1-2,3 раза от аналогичных показателей торфяных почв с атмосферным типом водного питания. Следует отметить, что эти натурные данные наблюдались в конце периода исследований.

Таким образом, можно отметить, что осушение и сельскохозяйственное использование торфяных массивов болотных геосистем лесостепной и подтаёжной подзон Западной Сибири приводит к существенному изменению гидрологических свойств мелиорируемой толщи торфяной залежи. Основное влияние на динамику влагоёмкости оказывает усадка торфяной залежи и, как следствие этого, интенсивность осушения. При этом на болотах с грунтово-напорным водным питанием эти процессы во многих случаях идут значительно медленнее, чем на болотах с атмосферным типом водного питания. Сложность заключается в том, что гидрологические параметры торфяных залежей изменчивы во времени. В связи с этим, обоснование рационального использования и охраны болотных геосистем, проектирование на них мелиоративных мероприятий необходимо осуществлять, учитывая особенности и специфику природных условий, условий образования и водного питания болотных ландшафтов, используя величины гидрологических характеристик торфяных залежей, реально отображающих их состояние в дальнейшем, в противном случае возможно либо недоосушение, либо переосушение почв.

Список литературы

1. Айдаров И.П. и др., Оптимизация мелиоративных режимов орошаемых и осушаемых сельскохозяйственных земель (рекомендации). М.: Агропромиздат. 1990. 60 с.

2. Барановский А.З. Изменение водно-физических свойств торфяно-болотных почв под влиянием осушения и сельскохозяйственного использования // Почвоведение. 1998. - №4. - С. 461-465.

3. Крамаренко В.В. Сравнительная характеристика физических свойств верховых и низинных торфов Томской области // Учёные записки Казанского университета. 2009. Т.151. кн.4.

4. Моторин А.С., Букин А.В. Водно-физические свойства осушаемых торфяных почв лесостепной зоны Северного Зауралья // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2017. Том 47, № 4. С. 5 - 12.

5. Долгов С.И. Водно - физическая характеристика почв некоторых участков Барабинской низменности: Сб. науч. тр./ Почвенного ин-та им. В.В.Докучева. 1954. Т. 42. С.233 - 342.

6. Хабаров Д.А., Сизов А.П. Использование динамики баланса земель Российской Федерации для анализа их средоформирующих свойств // Изв. высш. учеб. завед. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2017. - № 3. - С. 57-61.

7. Пелымская, О.В. Территориальное планирование муниципального образования [Текст] / О.В. Пелымская, Е. Г. Черных, А. В. Кряхтунов; Министерство образования и науки Российской Федерации, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тюменский индустриальный университет». - Тюмень: ТИУ, 2017. - 81 с.

8. Bogdanova, O.V., Chernykh, E.G., Kryakhtunov, A.V. Zonas naturales especialmente protegidas como objeto de actividad inversora // Revista ESPACIOS. - 2018. - Vol. 39 (Number 16). - P. 36. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.revistaespacios.com/a 18v39n16Za18v39n16p36.pdf

9. Избранные проблемы и перспективные вопросы землеустройства, кадастров и развития территорий — 2017 : коллективная монография / кол. авторов ; под общ. ред. А.П. Сизова. — Москва : РУСАЙНС, 2018. — 262 с.

10. Кряхтунов А.В., Пелымская О.В., Черных Е.Г. Роль градостроительной и землеустроительной документации в предоставлении земельных участков для строительства//Казанская наука. 2016. № 12. С. 46-48

11. Ермакова А.М. Зубарева Ю.В. Основные направления развития содействия занятости населения в Тюменской области / Аграрный вестник Урала. 2013. № 8 (144). С. 70-71.

12. Ермакова А.М., Зубарева Ю.В. Стратегическое развитие сельских территорий как условие развития рынка труда / Аграрный вестник Урала . 2010. № 9 (75). С. 13-16.