Водопроводимость торфяных залежей болот

Водопроводимостью торфяной залежи, как и всякой пористой среды (грунта), называется количество воды, протекающее через единицу площади некоторой поверхности, перпендикулярной к на правлению градиента сил, действующих на поток жидкости, при градиенте их, равном единице. Поле сил, действующих на жидкость, заключенную в порах грунта, является потенциальным, так как из-за малых скоростей движения жидкости силами инерции можно пренебрегать, и действующие на жидкость силы оказываются функциями только координат.

Для слоев залежи, расположенных ниже уровня грунтовых вод, в которых движение воды происходит под влиянием градиента давления, обусловленного силой тяжести, поток влаги характеризуется коэффициентом фильтрации k, а выражение представпяет собой формулу Дарси.

В инертном горизонте неосушенных болот коэффициент фильтрации торфа зависит от степени дисперсности твердой фазы и влагонасыщенности (ниже уровня грунтовых вод) слоев торфа. С ростом количества мелких и мельчайших фракций в торфе, т. е. с увеличением степени разложения и соответственно с увеличением поверхности раздела жидкой и твердой фаз, коэффициент фильтрации уменьшается, изменяясь при этом в широких пределах/

Поскольку ботанический состав торфа, плотность твердой фазы и влагонасыщенность в торфяной залежи коррелятивно связаны со степенью разложения, то основным физическим критерием, определяющим коэффициент фильтрации, является степень разложения торфа.

Анализ зависимости коэффициентов фильтрации торфа от степени разложения его в условиях естественного залегания, показывает, что влияние на козффициент фильтрации вариаций ботанического состава при данной степени разложения относительно невелико.

При осушении болот благодаря уплотнению торфяной залежи коэффициент фильтрации ее уменьшается, но одновременно идет процесс обезвоживания торфа выше уровня грунтовых вод, что ведет к сокращению размеров частиц торфа, увеличению пористости и соответственно возрастанию коэффициента фильтрации. В результате действия этих двух противоположных процессов в осушенных болотах торфяная залежь имеет значения коэффициентов фильтрации того же порядка, что и в неосушенных. Коэффициенты фильтрации торфа под влиянием осушения уменьшаются в широком диапазоне: от 1,2 до 100 раз, т.е. максимум на два порядка. При этом уменьшение зависит как от степени разложения и ботанического состава торфа, так и водного режима осушенного торфяника и интенсивности (нормы) осушения. Изменение коэффициента фильтрации торфа в осушенных торфяных залежах происходит постепенно и зависит от времени, прошедшего после осушения. Так, по исследованиям К. Лундина, изменение коэффициента фильтрации во времени определяется зависимостью

k1/ k2 = ехр [с (z2 — z1)],

где k1 и k2 — коэффициенты фильтрации торфяной залежи соответственно до и после осушения; z1 и z2 — средние многолетние (без учета сезонных колебаний) уровни грунтовых вод соответственно до и после осушения; с — коэффициент влияния времени, прошедшего после осушения, или коэффициент давности осуше-ния, определяемый по табл. 18.

Водопроводимость деятельного горизонта неосушенных болотных массивов в тысячи и десятки тысяч раз превышает коэффициенты фильтрации пластов торфа, составляющих инертный гори-зонт. Пределы изменения их в деятельном горизонте от а ∙ 10^-2 до а ∙10² см/с. Если же выражать скорость течения в зоне полу-поверхностного стока как линейную функцию уклона (градиента давления), т. е. зависимостью Дарси, что вполне правомерно благодаря малым скоростям течения, то максимальные значения коэффициента фильтрации в деятельном горизонте неосушенных болот могут достигать порядка 10³ см/с.

Таблица 18

Значения параметра с

Существенным отличием физических условий фильтрационного движения воды в деятельном горизонте неосушенных болот от фильтрации грунтовых вод в торфяной залежи инертного горизонта является крупнопористая структура его, образуемая живым и неразложившимся отмсршим растительным покровом, которая резко изменяется по толщине деятельного горизонта, обусловливая указанные выше изменения коэффициента фильтрации. С другой стороны, наличие относительно жесткого упругого скелета неразложившихся растений, входящих в торфообразующие фитоценозы, создает значительное постоянство распределения активной пористости по высоте деятельного слоя, мало меняющееся при изменении давления на скелет при колебаниях уровня грунтовых вод. Это в первую очередь относится к тем структурным элементам микроландшафтов и их микрорельефа, в фитоценозах которых присутствует древесная и кустарничковая растительность, «армирующая» моховой покров. В микроландшафтах травяной группы аналогичную армирующую роль играют корневища осок, пушицы, пухоноса, злаков, тростника и др. Благодаря этим биофизическим особеннрстям строения деятельного горизонта водопроводимость его можно характеризовать достаточно устойчивыми эмпирическими функциями распределения значений коэффициентов фильтрации по толщине деятельного горизонта, вид которых зависит от типа растительных ассоциаций, составляющих микроландшафты или их отдельные крупные структурные элементы (для микроландшафтов комплексного строения).

Исследования зависимостей kz = f(z) для основных типов болотных микроландшафтов, проводившиеся в течение ряда лет на болотных гидрологических станциях Госкомгидромета, дало возможность нолучить необходимую физическую основу для гидрологических расчетов водного режима болот и горизонтального водообмена болот с окружающими тсрриториями и водными объектами, а также выполнить необходимые обобщения в области гидрологии болот. Эти зависимости для большинства болотных микроландшафтов хорошо аппроксимируются эмпирической формулой

kz = k макс/(z+1)^m

где z — расстояние от поверхности болота до данного слоя дея-телыюго горизонта, см; kz — коэффициент фильтрации в этом слое, см/с; k макс — значсние коэффициента фильтрации при z = 0 (т. е. у поверхности болота); т — безразмерный параметр, зависящий от типа болотного микроландшафта и выражающий форму кривой изменения коэффициента фильтрации с глубиной в пределах деятельного горизонта.