Расчёт стока весеннего половодья с системы верховых олиготрофных болот методом склонового стекания

УДК 556.56

Л. И. Дубровская, И. А. Эйрих

РАСЧЕТ СТОКА ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ С СИСТЕМЫ ВЕРХОВЫХ ОЛИГОТРОФНЫХ БОЛОТ МЕТОДОМ СКЛОНОВОГО СТЕКАНИЯ

Приводятся результаты расчета стока весеннего половодья с системы верховых болот, расположенной на отрогах Васюганского болота. Использован метод склонового стекания. Для определения площадей микроландшафтов был создан цифровой аналог ландшафтно-типологической карты. Единичный фильтрационный расход с разных типов болотных микроландшафтов определялся частично по уровням болотных вод, частично по табличным данным.

Ключевые слова: верховое болото, сток, фильтрация, деятельный слой, микроландшафт, фитоценоз, единичный расход, контур стекания, уровень болотных вод.

Изучение болот в гидрологическом плане связано с исследованием процесса движения влаги в болотах, процессов водообмена болот с атмосферой, гидросферой и литосферой. Эти исследования, как отмечал К. Е. Иванов [1], «чрезвычайно важны для развития теоретических основ рационального землепользования в широком смысле этого слова, выяснения той роли, которую болотные образования выполняют в общем физико-географическом процессе и от направления которого зависят как положительные, так и отрицательные изменения в окружающей нас среде».

Расчет стока с неосушенных болот имеет большое значение также для проектирования различного рода сооружений, возводимых на болотах (осушительные системы, водоотводящие и водопропускные сооружения при дорожном строительстве, прокладка газопроводов, нефтепроводов и различных других коммуникаций для промышленного строительства на болотах и торфодобычи).

С 1994 г. на отрогах Васюганского болота начал функционировать стационар для исследования водного и геохимического стока с ненарушенной болотной экосистемы (БЭС) на примере олиготрофных ландшафтов бассейна р. Ключ (окрестности п. Полы-нянка Бакчарского района Томской области).

Хотя практический интерес представляет годовой сток с болота, оценить можно с определенной степенью точности лишь весенний сток, так как экспедиционные наблюдения за режимом болотных вод проводились в апреле-июне и только в последние годы за более длительные периоды, включающие июль и август.

В связи с этим целью данной работы являлся расчет стока весеннего половодья с верхового болота. Так как водосбор р. Ключ частично заболочен (и 70 %) и гидрометрический метод применять нельзя, в работе используется гидравлический метод расчета стока с болота на основе фильтрационных характеристик деятельного слоя различных видов микроландшафтов с применением материалов аэрофотосъёмки болот.

Расчет стока весеннего половодья с БЭС в бассейне р. Ключ методом склонового стекания осуществлялся на основе ландшафтно-типологической карты масштаба 1:25 000, составленной по результатам дешифрирования аэрофотоснимков масштаба 1:16 000 под руководством М. В. Петкевич [2].

Характеристика района исследований (рис.1). Система верховых олиготрофных болот, расположенных в бассейне р. Ключ (левобережье р. Оби), относится к южно-таежной подзоне Западной Сибири, которая характеризуется избыточным увлажнением и недостаточной теплообеспеченностью. Территория представляет собой всхолмленную заболоченную равнину с абсолютными отметками 90-130 м. Выделяют два типа рельефа первого порядка: эрозионно-аккумулятивный (пойма и третья надпойменная терраса р. Бакчар) и эрозионный (древняя озерно-аллювиальная среднечетвертичная равнина и ее склон).

Отложения болот представлены торфом, возраст которого не превышает 10 тыс. лет; подстилаются плотными водонепроницаемыми глинами Ширтинско-го и Тазовского объединенных горизонтов.

Климат территории можно охарактеризовать как резко континентальный с холодной зимой, теплым летом и более холодной и влажной, чем осень, вес-

82 0 30у

Рис.1. Расположение района исследований

ной [3]. Средняя температура самого теплого месяца (июль) составляет 17.5-18 °С, самого холодного (январь) - (-20.5 °С), среднегодовая температура воздуха - (+1.6 °С). Сумма осадков за год достигает 450-500 мм, что превышает величину испарения, колеблющегося в пределах 300-360 мм. За теплый период выпадает более половины годовых осадков (329375 мм), минимальное количество осадков выпадает в феврале и составляет 10-20 мм, максимальное - в июле-августе (60-90 мм). Осенние осадки обильнее весенних.

Средняя мощность снежного покрова на исследуемой территории колеблется от 60 до 70 см. Устойчивый снежный покров образуется в третьей декаде октября. Период со снежным покровом составляет в среднем 175 дней.

Господствующие в исследуемом районе верховые болота характеризуются широко распространенной сосново-кустарничково-сфагновой группой формаций (рямы).

Максимальный весенний сток р. Ключ. Для целей оценки модуля весеннего стока с болота особый интерес представляет максимальный сток половодья р. Ключ. Хотя модуль весеннего стока, рассчитанный гидрометрическим методом по замыкающему створу р. Ключ, не представляет собой реальный сток с болота уже хотя бы потому, что оно занимает только и 70 % площади водосбора, тем не менее таким способом может быть получена ориентировочная верхняя (завышенная) оценка для модуля стока с болота. Максимальный расход 5 % обеспеченности, рассчитанный для р. Ключ за период наблюдений 1975-2005 гг. по ряду суточных максимальных расходов, однородному по среднему и дисперсии, равен 6.77 м3/с. С учетом того, что площадь водосбора р. Ключ составляет 58 км2 [3], модуль максимального весеннего стока будет равен 117 л/с-км2.

Подсчет стока с болотных массивов методом склонового стекания. Подавляющее большинство болотных массивов водораздельного залегания имеет выпуклую и часто куполообразную форму поверхности, благодаря чему стекание воды с них идет от центра к периферии массива и далее на минеральные земли расходящимся фильтрационным потоком.

Ручьи, берущие начало на выпуклых болотных массивах, не имеют, как правило, водосбора в обычном смысле слова, а собирают воды с небольшой площади массива, определяемой пределами их дренирующего влияния. Остальная же часть влаги стекает с болотного массива к его границам не русловым потоком, а путем фильтрации по деятельному слою. Поэтому на выпуклых водораздельных болотных массивах для измерения стока с них в редких случаях можно пользоваться обычными гидрометрическими методами [1].

Легче осуществить расчет стока на системах выпуклых болотных массивов, чем на отдельном изо-

лированном массиве. Образующиеся на контактах двух или нескольких выпуклых болотных массивов проточные топи и ручьи часто имеют достаточно хорошо выраженный водосбор внутри системы болотных массивов. Площади таких водосборов ограничиваются водоразделами, проходящими по наиболее высоким точкам смежных выпуклых массивов, и могут быть легко выделены на основания топографической съемки или аэрофотосъемки болот (рис. 2). В этом случае можно измерить сток с чисто болотного водосбора и установить нормативы стока с заболоченных площадей, занятых разными типами микроландшафтов. Цифровой аналог карты (рис. 2) создан авторами на основании карты с линиями стекания (масштаба 1:25 GGG), построенной под руководством М. В. Петкевич [2].

По форме рисунка линий стекания можно судить о характере стока [4]:

1. Зона преимущественно фильтрационного стока в верхних горизонтах деятельного слоя болотных массивов. На ней линии стекания имеют преимущественно параллельную форму рисунка. Это связано с расположением здесь грядово-мочажинных комплексов, в которых стекание влаги в деятельном горизонте перпендикулярно направлению гряд и мочажин.

2. Зона временной аккумуляции вод и формирование руслового стока. Это полоса заболоченных лесов и топей, подтопляемых весной в результате поступления талых вод с примыкающих верховых болот, а также за счет таяния местных снегов. В этой обводненной полосе оформляется русловой сток сначала в едва заметных понижениях, превращающихся далее в русла. Здесь форма рисунка линий стекания

Рс. 2. Схема линий стекания для системы болотных массивов с водоприемником - р. Ключ 1 - зона развитого болотного стока, 2 - зона формирования руслового стока, 3 - зона фильтрационного стока, круни на границе контура - центры отдельных болотных массивов)

имеет очертания веерообразной формы, поскольку здесь сходятся потоки со всех болотных массивов.

3. Зона развитого болотного стока. Это полоса, дренированная сетью ручьев и речек. Здесь форма рисунка линий стекания извилистая, поскольку сток поверхностных вод имеет поверхностный характер, в результате чего его направление будет зависеть от рельефа данной территории.

Для системы верховых болотных массивов применение метода склонового стекания естественно и обосновывается следующими физическими соображениями [1]:

1) основное количество воды фильтруется в относительно тонком деятельном горизонте торфяной залежи, т. е. представление о сплошном стекании по склону соответствует действительному механизму движения воды в болотных массивах;

соответственных уровней болотных вод и единичного фильтрационного расхода имеются для ограниченного числа типов микроландшафтов в [5]. Под типом в данном случае понимается классификация по фильтрационным характеристикам, позволяющая использовать в дальнейшем табличные данные единичных расходов из [5] в случае отсутствия наблюдений за уровнем болотных вод для отдельных микроландшафтов.

Всего было выделено 7 типов, нумерация их (рис.

3, б) произвольная, причем три из них были обеспечены достаточно продолжительными наблюдениями, позволяющими построить кривые связи единичных расходов (проточности) с уровнем болотных вод. Таким образом, сток рассчитывался с первых пяти нижеперечисленных болотных комплексов (рис. 3, б): 1) грядово-мочажинно-озерковый комплекс (кустарничково-травяно-моховой фитоценоз);

2) верхний горизонт деятельного слоя обладает чрезвычайно большими коэффициентами фильтрации, пропускает с большой скоростью выпадающие на поверхность болота осадки до уровня грунтовых вод. Уклоны поверхности грунтовых вод практически всегда равны уклонам поверхности болотного массива, что позволяет рассматривать горизонтали поверхности болотного массива как линии равных напоров и строить на основании этого расчетные сетки линий стекания.

На основании ландшафтно-типологической карты, полученной путем дешифрирования аэрофотоснимков и ландшафтного картографирования, карты линий стекания и легенды к геоботаническому плану [4], было проведено укрупнение ландшафтно-типологической карты (рис. 3, а) от видов (урочищ) к типам (рис. 3, б), так как таблицы для определения

2) грядово-мочажинный комплекс (кустарничково-травяно-сфагновый фитоценоз); 3) низкий рям (со-сново-кустарничково-сфагновый фитоценоз); 4) высокий рям (сосново-кустарничково-сфагновый фитоценоз); 5) сосново-березовый слабо заболоченный угнетённый лес; 6) кедрово-березово-осиновые, травяно-осоковые леса с гарями, вырубками, участками распаханных полей; 7) топи выклинивания моховые и травяные.

Контур стекания был проведен нами таким образом, чтобы не пересекать топи выклинивания, для которых невозможен расчет расходов стекания с помощью кривых связи единичных фильтрационных расходов с уровнями грунтовой воды.

Определение площадей и линейных размеров выделенных типов микроландшафтов производилось по цифровому аналогу ландшафтно-типологической карты, созданному с использованием ГИС ArcView 3.2.

Рс. 3. Всположние видов ( а)2]и укрупненных типов ( б)микроландшафтов с контуром стекания системы верховых болот

в бассейне р. Ключ

Условия стекания вод с выпуклых верховых массивов. Общеизвестно, что на верховых болотах поверхностный сток не имеет места [1] и интенсивность стока определяется главным образом фильтрационной способностью деятельного горизонта болотного массива. В пределах одного и того же болотного микроландшафта фильтрационный расход зависит от уровня грунтовых вод, и эта зависимость специфична для каждого типа болотного микроландшафта.

Вычисление кривой связи единичных фильтрационных расходов с уровнями болотных вод дг=г(2) осуществлялось по зависимости [1]

= Г (2 + Г)1-ш _ л ^_,

1 - т1 -1 2

где величины уклона (^ поверхности болотных массивов в различных микроландшафтах, максимальные значения коэффициента фильтрации на поверхности (ктах) и параметры т и В выбирались из [5]. В качестве примера приводится кривая связи единичных фильтрационных расходов с уровнями болотных вод для высокого ряма (рис. 4). Уровни отсчитывались от рейки повышений.

Имея кривые связи единичных расходов для каждого типа болотного микроландшафта и геоботани-

z, см

Рс. 4. Кривая связи для одиночных фильтрационных расходов с уровнями болотных вод для высокого ряма

ческую карту болотного массива, можно произвести подсчет расходов воды, стекающей со всего болотного массиве или с какого-либо отдельного его участка на основании данных наблюдений над уровнями грунтовых вод.

Окончательно сток с площади, ограниченной контуром стекания L, подсчитывается по формуле

Q=Z Q = Z 2 sin ai ’

7=1 j=1 i=1

где qzj - единичный расход, определяемый по кривой связи для j-го микроландшафта; j - порядковый номер микроландшафта; а. - угол между элементом контура AL. и линией стекания в данной точке контура L..

Расчет максимального весеннего стока с системы верховых болот. По нормативным требованиям единичный расход с конкретного микроландшафта определяется для максимальных уровней болотных вод 5 %-ной обеспеченности по заранее построенным кривым связи или из таблиц [5, табл. 3-13]. Для высокого и низкого рямов, а также грядово-мочажин-ного комплекса этот уровень определялся по подобранным теоретическим кривым обеспеченности, для остальных микроландшафтов из таблиц соответствующих уровней [5, табл. 14].

По теоретической кривой рассчитываем уровень 5 %-ной обеспеченности. По ним находим уровни той же обеспеченности для других микроландшафтов данного болотного массива, пересекаемых контуром стока, но не обеспеченных наблюдениями за УБВ.

Окончательно по рассчитанным уровням определяются единичные расходы соответствующей обеспеченности для каждого микроландшафта и вычисляются максимальные весенние модули стока по формуле

mmax = - 4n Z (ALi • sin ai ^

Ю

Максимальные весенние расходы воды с верхового болота 5 %-ной обеспеченности, л/с

Тип микроландшафта Длина участка спроектированного контура, км Уровень z от рейки повышений, см Единичный расход, л/с*км Полный расход с данного типа микроландшафта, л/с

Грядово-мочажинный комплекс 1.947 -14 15.4 29.9838

Грядово-мочажинно-озерковый комплекс 9.141 -16 31.4 287.0274

Высокий рям (сосново-кустарничково-осоково-сфагновый фитоценоз) 2.629 -28 290 762.41

Низкий рям (сосново- кустарничково-сфагновый фитоценоз) 4.884 -29 275 1343.1

Сосново-березовый слабозаболоченный угнетенный лес 2.244 -23,7 144 323.136

Всего 20.845 2 745.657

где ттах - максимальный модуль стока с болотного массива без транзитного стока; ю - площадь болотного массива или части болотного массива, с которого рассчитывается сток; qn - единичный максимальный расход п-го типа ландшафта, примыкающего к расчетному контуру стока; ^ - длины участков спроектированного контура стока для каждого болотного ландшафта (таблица).

Модуль максимального весеннего стока составил 83.2 л/с с км2. Для территории Западной Сибири имеется карта изолиний средних многолетних максималь-

ных весенних модулей стока для сосново-сфагново-кустарничковых болотных массивов. Изолиния со значением 200 л/с км2 проходит достаточно далеко от изучаемой территории. С другой стороны, максимальный весенний модуль стока 5 %-ной обеспеченности с бассейна р. Ключ составляет 117 л/с с км2, что подтверждает реальность полученного значения максимального весеннего стока с болота.

Работа поддержана грантами Президента (НШ-3938.2008.5) и РФФИ (06-05-64170).

Список литературы

1. Иванов К. Е. Гидрология болот. Л., 1953. 297 с.

2. Инишева Л. И., Петкевич М. В. Ландшафтно-типологическая характеристика бассейна р. Ключ // Вопросы географии Сибири. 1999. № 23. С. 237-243.

3. Васюганское болото: Природные условия, структура и функционирование / Под ред. Л. И. Инишевой, 2-е изд. Томск, 2003. 212 с.

4. Петкевич М. В., Инишев Н. Г., Князьков А. С. Ландшафтообразующие факторы речного стока в бассейне р. Ключ // Болота и биосфера. Мат-лы 2-й научной школы. Томск, 2003. С. 145-148.

5. Указания по расчетам стока с неосушенных и осушенных верховых болот. Л., 1971. 84 с.

Дубровская Л. И., кандидат физико-математических наук, доцент.

Томский государственный университет. пр. Ленина, 36, г. Томск, Россия, 634050.

E-mail: dubrli@mail.ru

Эйрих И. А., инженер.

Томский государственный университет.

пр. Ленина, 36, г. Томск, Россия, 634050.

E-mail: hydro@ggf.tsu.ru

Материал поступил в редакцию 11.09.2008

L. I. Dubrovskaya, I. A. Eirikh

CALCULATION OF THE SPRING RUNOFF WITH SYSTEM OF OLIGOTROPHIC BOGS BY METHOD OF OVERLAND RUNOFF

Happen to the results a calculation sewer of the spring high water with systems hign-moor mires, located on spur Vasyugan mires by method declivity flow. Digital analogue landcape-typecal of the card was created for determination of the areas microlandcape. The Single filtration consuption with different types marsh landcape was defined on level of mires water partly, on tabular data partly.

Key words: high-moor mire, sewer, filtering, deyatelinyy layer, landscape, phytocenosis, single consuption, declivity sidebar, level of mires water.

Dubrovskaya L. I.

Tomsk State University.

pr. Lenina, 36, Tomsk, Russia, 634050.

E-mail: dubrli@mail.ru

Eirikh I. A.

Tomsk State University.

pr. Lenina, 36, Tomsk, Russia, 634050.

E-mail: hydro@ggf.tsu.ru