Физические основы динамики болотных вод

Содержание воды в болотных массивах. Свободная и связанная вода

Естественная торфяная залежь болотных массивов представляет собой так называемую трехфазную дисперсную систему, в которой твердой фазой является органическое вещество (с неболыпими примесями минеральных частиц), представляющее собой неполностыо разложившиеся остатки растений, жидкой фазой — вода с растворенными в ней органическими и минеральными соединениями, и газообразной фазой — воздух и газы, образующиеся в торфяной залежи в процессе анаэробного распада.

Влажность торфа как в естественных, так и в осушенных болотных массивах может изменяться в весьма широких пределах, а с изменением влагасодержания меняются и все основные его свойства: способность выделять и поглощадь воду, т. е. водоотдача и аккумуляция, водопроводимость ниже уровня грунтовых вод (коэффициент фильтрации), капиллярная влагопроводимость в зоне аэрации (выше уровней грунтовых вод), механическая прочность, или сгюсобность сопротивления внешним нагрузкам, компрессионные характеристики.

Влагосодержание торфяной залежи резко меняется во времени в зависимости от колебания уровней грунтовых вод на болоте.

Для любого постоянного уровня грунтовых вод статическое (или равновесное) распределение влажности по высоте слоя аэрации крайне неравномерно вследствие как уменыиения уплотненности твердого скелета и увеличения общей пористости и размеров пор при переходе от торфяных горизонтов к живому растительному покрову, так и различной высоты капиллярного поднятия влаги в порах разных размеров.

Ниже уровня грунтовых вод влажность торфа зависит от степени уплотненности твердого скелета и всегда близка к максимальной влажности, соответствующей полному заполнению водой всех пор между частицами твердой фазы торфа. Максимальную влажность при данной плотности сухого вещества торфа называют влагоемкостью. В отличие от минеральных грунтов, влагоемкость торфа может меняться в широких пределах в зависимости от уплотненности сухого вещества.

Толща торфяной залежи болот разделяется на верхний деятельный и инертный (нижний) горизонты, резко различающиеся по физическим и биологическим свойствам.

Деятельный, или активный, горизонт болота характеризуется:

1) интенсивным влагообменом с атмосферой и окружающими болото территориями;

2) частыми колебаниями в его пределах уровней грунтовых (болотных) вод и переменным содержанием влаги;

3) высокой водопроводимостью и водоотдачей и быстрым изменепием (уменьшением) их по глубине;

4) периодическим доступом воздуха в поры, освобождающиеся от воды при понижениях уровня грунтовых вод;

5) большим количеством аэробных бактерий и микроорганизмов, способствующих быстрому разложению ежегодно отмирающей части растительного покрова и превращению ее в торф;

6) наличием живого растительного покрова, составляющего верхний слой деятельного горизонта.

Инертный горизонт отличается следующими свойствами:

1) постоянным или мало меняющимся во времени содержанием воды;

2) очень медленным влагообменом с подстилающими торфяную залежь минеральными породами и окружающими болото территориями;

3) очень малой водопроводимостью по сравненшо с деятельным горизонтом (разница на три—пять порядков);

4) отсутствием доступа кислорода из воздуха в поры грунта;

5) отсутствием аэробных микроорганизмов и уменьшенным общим количеством микроорганизмов по сравнению с деятельным горизонтом.

Вследствие того что поверхность болота в большинстве микроландшафтов не представляет собой ровной плоскости, а имеет хорошо выраженный микрорельеф, глубина деятельного горизонта на повышенных и пониженных элементах микрорельефа неодина-кова и колеблется в различных типах микроландшафтов в широких пределах.

Глубина деятельного горизонта принимается равной глубине среднего многолетнего минимального уровня болотных грунтовых вод от поверхности болота. Она колеблется от 40 см в некоторых типах мохово-травяных микроландшафтов до 70 см в сосново-кустарничковых и до 80—95 см в лесных низинных (ельники, осоковые, сосняки осоково-гипновые).

За поверхность болота обычно принята поверхность повышенных элементов микрорельефа (кочек, гряд).

Толщина инертного горизонта не имеет каких-либо характерных значений и не связана непосредственно с типом современных растительных ассоциаций. Она может изменяться от нулевых значений у границ болотного массива с минеральными грунтами до максимальных известных нам глубин торфяных отложений в болотах, т. е. до 18—20 м. Поэтому распределение толщины инертного горизонта в целом соответствует распределению общих глубин органогенных накоплсний в пределах границ болотного массива (т. е. в пределах границ макролаидшафта или мезоландшафта) и может определяться по стратиграфическим разрезам и профилям очертания поверхности и дна болотных массивов как разность между общей глубиной торфяной залежи и толщиной деятельного горизонта соответствующего микроландшафта.

Основная часть воды, заключенной в болотных массивах, содержится в порах торфа, составляющего инертный горизонт, и лишь меньшая ее часть находится в деятельном горизонте, в открытых и погребенных внутриболотных водоемах (озерах, озерных мочажинах, внутризалежных водяных «линзах») и водоносных слоях, образующихся при расслоении и всплывании торфяной залежи на пересыщенных влагой участках.

Часть влаги, заключенная в порах торфа, которая способна перемещаться под действием гравитационных сил, или, что то же, под действием градиента давления, обусловленного весом самой жидкости, называется свободной водой. К. связанной с твердым скелетом торфа воде относится та часть влаги, которая при приложении к ней относительно небольших градиентов давления остается неподвижной и не участвует в фильтрационном движении. Согласно современным исследованиям, силы, обусловливающие неподвижность этой части воды в порах торфа, имеют различную физическую природу. Меньшая часть неподвижной воды (составляющая в % массовой влажности по отношению к массе твердой фазы Wc =50—100%) представляет собой физически, или молекулярно, связанную воду. Основное же количество неподвижной влаги составляет так называемая иммобилизованная вода, к которой относится внутриклеточная вода, заполняющая клеточные полости неполностью разложившихся растительных остатков, и вода, удерживаемая структурой твердого материала торфа, заключенная в замкнутых и тупиковых порах и очень тонких капиллярах агрегатов твердой фазы.

С.увеличением дисперсности торфа увеличивается поверхность раздела жидкой и твердой фаз, возрастает энергия всей системы, обусловливаемая действием поверхностных сил между жидкой и твердой фазами, и соответственно увеличивается водоудерживающая способность торфа. Поэтому при одном и том же содержании влаги в единице объема торфа количество связанной воды и количество воды, которое стекает из этого объема под действием силы тяжести, может сильно меняться: чем выше дисперсность, или степень разложения торфа, тем мсньшее количество влаги участвует во влагообороте за один и тот же промежуток времени и соответственно меньше водоотдача торфа при свободном истечении влаги под действием силы тяжести (при нормальном атмосферном давлении на скелет торфа).

Вследствие того что структура деятельного горизонта болот резко отличается от структуры твердой фазы торфа, основное количество неподвижной воды в деятельном горизонте представлено внутриклеточной водой и водой тупиковых пор, образующихся в неразложившихся стеблях сфагновых и гипновых мхов. Количество физически (молекулярно) связанной воды в деятельном горизонте болот весьма мало вследствие малого содержания мелкодисперсных фракций в твердой фазе деятельного слоя.

Для практических расчетов водного рсжима болот важно установить, хотя бы приближенно, общее количество связанной воды в торфе с разделением ее на капиллярносвязанную воду и неподвижную воду при небольших градиентах давления, так как именно этими категориями воды определяется водоотдача торфа в естественных условиях (и в большинствс случаев в условиях осваиваемых торфомассивов) и зависимость ее от степени разложения и ботанического состава торфа.