CC BY
35
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 556.565:551.34
ФОРМИРОВАНИЕ ГЛУБИН ПРОМЕРЗАНИЯ БОЛОТ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА
И. Л. Калюжный
ФГБУ Государственный гидрологический институт, Санкт-Петербург
Аннотация
Многолетние наблюдения на сети болотных станций Росгидромета позволили определить глубины промерзания болот на территории Кольского п-ова, а также факторы, обусловливающие процесс их промерзания. Установлено, что глубина промерзания зависит от температуры воздуха и теплоизолирующих свойств снежного покрова. Температура воздуха оказывает определяющее влияние на начальном этапе промерзания. С увеличением высоты снега свыше 10-15 см уменьшается влияние температуры воздуха на интенсивность промерзания.
Средние многолетние глубины промерзания на Пулозерском болоте достигают 58 см; на Краснощельском — 51 см. Южные болота, Алакурттинское и Канозерское, промерзают меньше — 45 и 36 см. Наибольшие глубины промерзания достигают 95-98 см. При глубине промерзания до 20-30 см коэффициент вариации равен 0,3-0,4 и далее уменьшается до 0,1 с увеличением глубины промерзания до 60 см и более. Определен, начиная с 1977-1978 гг., значимый тренд уменьшения глубины промерзания под влиянием климатических изменений. Ключевые слова:
промерзание болот, болота Кольского п-ова, обусловливающие факторы, глубина и масса промерзания, пространственная и временная изменчивость.
FORMING OF FREEZING DEPTH FOR BOGS OF THE KOLA PENINSULA
Igor L. Kalyuzhny
State Hydrological Institute, St. Petersburg
Abstract
Observations from specialized RosGidroMet station network, performing by common method during a long-time period, allowed to determine characteristics of depths of bog freezing at the Kola Peninsula territory. It was fixed that air temperature and snow cover thickness are main factors, affecting process of bog freezing. It has been shown that effect of air temperature is the main forcing factor at the early stage when snow cover thickness is small. In autumn season at snow thickness less than 10 cm freezing intensity is equal to 0,5-0,8 cm per day (for hollow — 0,4-0,6 sm per day). Freezing intensity decreases up to 0,1-0,3 cm per day when snow thickness increases up to 20-30 cm and more. Norm of freezing depth for the Pulozero bog amounts up 58 cm, for Krasnoschelskoe bog — 51 cm. Maximal depth of freezing is equal to 95-98 cm.
At depth of freezing less than 20-30 cm, variability index of depth freezing (for single bog) is equal to 0.3-0.4. Under the depth increase until 60 cm and more, this index decrease up to 0,1. It has been determined that downward trend of depth freezing under the climate change effect is significant at autocorrelation coefficient of 0,56.
И. Л. Калюжный
It has been fixed that sufficiently close relationship exists between mass and depth of freezing, and correlation coefficient amounts to 0.95-0.98. Coefficient value is due to a high content of capillary water within an active layer. High water content and undecomposed plant deads within a frozen layer determine high strength of this layer and remarkably increase its loading capacity.
Keywords:
bog freezing, bogs of the Kola Peninsula, affecting factors, depth and mass of freezing, spatial and temporal variability.
Введение
Использование болотных массивов как несущего основания для линейных сооружений в условиях севера европейской территории России требует сведений о глубинах промерзания и оттаивания торфяной залежи, особенно при современных климатических изменениях. Процесс промерзания болотных массивов есть результат сложного взаимодействия ряда внешних и внутренних факторов. Внешние факторы (в первую очередь, температура воздуха и снежный покров) являются определяющими в процессе промерзания болот, внутренние (влажность торфяной залежи и ее теплофизические свойства) — определенным образом влияют на интенсивность промерзания залежи. Контактной зоной теплового взаимодействия является поверхность болота, а областью фазовых превращений влаги — промерзающий (промерзший) слой болота, нижняя граница которого определяет глубину промерзания.
При появлении мерзлого слоя на поверхности болота изменяются все его водно-физические, тепловые и механические свойства. Именно последние определяют его несущую способность и, как следствие, проходимость транспортными средствами. Пространственные и временные характеристики глубин промерзания болот ЕТР изучались в 1941-1943 гг. Б. В. Проскуряковым применительно к требованиям ведения боевых действий на территории СССР, в послевоенные годы — В. В. Романовым [1] и С. А. Чечкиным (1970) [2]. Однако достоверные сведения о глубинах промерзания болот Кольского п-ова и их формировании при климатических изменениях является слабо изученной областью гидрометеорологии. Цель настоящей работы — дать объективную оценку глубин промерзания болот Кольского п-ова.
Краткое описание объектов исследования
При выполнении настоящей работы были использованы результаты наблюдений за показателями промерзания болот на специализированной станции и постах Мурманского УГМС:
• в Кольской провинции тундры, лесотундры и крупнобугристых болот на болотном массиве Краснощельское, болотный пост Краснощелье;
• в Финско-Кольской провинции северной тайги и лапландских аапа на мезоолиготрофных Пулозерском и Канозерском болотах, болотная станция Пулозерская и пост Канозеро;
• в Карело-Финской провинции северной тайги и аапа-болот, болото Алакурттинское, болотный пост Алакуртти.
Пункты наблюдений над промерзанием болот приведены на карте-схеме (рис. 1).
Формирование глубин промерзания болот Кольского полуострова Пулозерское болото расположено среди холмистой местности в бассейне р. Кола, вытянуто в меридиональном направлении: ширина 4-5 км при длине около 10 км. Болото принадлежит к периферическому мезоолиготрофному типу развития и имеет вогнутую поверхность. Наиболее пониженными участками являются его центральные части. Северная и южная части болота покрыты смешанным лесом, центральная — почти безлесна, встречаются отдельные сосны высотой до 3-6 м. Более детальное описание Пулозерского болота приведено в работе И. Л. Калюжного [3].
Рис. 1. Карта-схема расположения пунктов наблюдений за промерзанием болот на Кольском п-ове: 1 — болотная станция Пулозеро; 2 — болотные посты; 3 — Кольская провинция тундры, лесотундры и крупнобугристых болот; 4 — Фенноскандийская провинция березовой лесотундры и крупнобугристых болот; 5 — Финско-Кольская провинция северной тайги и лапландских аапа; 6 — Карело-Финская провинция
северной тайги и аапа-болот
Канозерское болото расположено в долине р. Муна, на ее правом берегу. Окружающая местность холмистая, покрытая лесом из ели и березы. Болото представляет собой массив длиной 3,5 км и шириной до 2,5 км, разделенный вдоль ручьем Ахма, который его дренирует. Болото принадлежит к группе котловинного залегания периферически-олиготрофного хода развития.
На болоте распространены следующие микроландшафты: сфагново-кустарничковый, облесенный сосной; грядово-мочажинный; осоково-сфагновый.
Сфагново-кустарничковый, облесенный сосной микроландшафт встречается по всему болоту и занимает до 60 % его площади. Растительность — сфагновые мхи, голубика, брусника, багульник, подбел, сосна и береза.
Сфагново-кустарничковый (без облесения) приурочен к центральной части массива. Растительность, вдоль ручья Ахма представлена тростником, хвощем, осокой, таволгой.
Грядово-мочажинный комплекс развит в юго-восточной части болота и занимает до 15 % площади. Гряды сфагново-кустарничковые, мочажины — с открытой водной поверхностью и редкими кочками из пушицы, местами с обнаженным торфом.
Осоково-сфагновый микроландшафт расположен в западной и юго-восточной частях болота. Растительный покров состоит из сфагновых мхов, осоки, пушицы, вахты и кустарничков — голубики, вереска, подбела, багульника, морошки и клюквы.
Залежь в основном сложена сфагновыми торфами. Глубина залежи в центральной и западной части болота — 1,3 м, в восточной — 2,0 м и более.
Краснощельское болото расположено в верхней части бассейна р. Поной, в вытянутой ложбине среди холмистой местности. Ширина болота 1-2 км при длине 7,0 км. Болото принадлежит к периферически-олиготрофному ходу развития, типа лапландских аапа. Поверхность его вогнута.
Наиболее распространенным является грядово-мочажинный комплекс, который занимает до 60 % площади. Гряды покрыты сфагновыми мхами и кладонией, а также кустарничками из голубики, подбела, багульника и морошки. Мочажины поросли осокой, пухоносом и вахтой. Травяной микроландшафт занимает северную часть болота. Его растительность представлена осокой и пушицей. Сфагново-кустарничковым микроландшафтом занята южная часть массива. Моховой покров составляют сфагновые мхи, кустарничковый — голубика, клюква и подбел.
Торфяная залежь в основном состоит из гипновых и древесно-гипновых торфов. В северной части болота встречается пушицево-сфагновый торф, в южной — фускум-торф.
Дренирует болото ручей Холодный, который вытекает из Кальваньозера.
Алакурттинское болото расположено в долине р. Тунтса-йоки, на ее правом берегу между сопками. Болото принадлежит к периферически-олиготрофному ходу развития. Поверхность его вогнутая, с наиболее пониженными участками в центральной части.
Наиболее распространенным микроландшафтом является сфагново-кустарничково-пушицевый с редким облесением сосной и березой. Среди этого микроландшафта встречаются отдельные мочажины с редкими кочками диаметром и высотой до 0,5 м, покрытыми пушицей и единичными соснами. Гряды и кочки составляют до 30 % площади. В центральной части массива расположена вытянутая с севера на юг, проточная, шириной 80-100 м, осоково-вахтовая топь с редкими грядами и кочками, покрытыми сфагновыми мхами. К востоку от топи, следуя одна за другой, расположены шесть мочажин, соединенных между собой небольшими ручьями. На мочажинах наблюдается оголенный торф. Сфагново-осоковый микроландшафт, с грядами и кочками, покрытыми сфагновыми мхами, кустарничками (вереском, подбелом, карликовой березкой, морошкой), расположен к западу от проточной топи. Он также вытянут с севера на юг.
Торфяная залежь состоит из сфагново-осоковых и сфагново-древесных торфов. Ее глубина не превышает 1,5 м, степень разложения торфа колеблется от 10 до 40 %.
Формирование глубин промерзания болот Кольского полуострова Методика производства наблюдений за промерзанием болот
В основу производства наблюдения за характеристиками промерзания болота положен метод шурфования, при котором посредством пешни в мерзлой залежи прорубают шурф и мерной рейкой определяют нижнюю и верхнюю границы промерзшего слоя, а также «массу промерзания». Под массой промерзания понимается количество льда, заключенного в столбике промерзшего слоя площадью 1 см2 и длиной от поверхности болота до нижней границы промерзшего слоя. Она выражается в сантиметрах слоя воды. Массу промерзания определяют визуальным путем. Методика определения характеристик промерзания рассмотрена в работе В. В. Романова [1].
В каждом пункте наблюдений — на площадке с ненарушенным снежным покровом определяют среднее значение высоты снега. Во все годы наблюдения за промерзанием болот проводились по единой методике [4], включая последующие издания.
Результаты наблюдений за глубиной промерзания болот
Многолетние наблюдения на специализированной сети болотных станций и постов Росгидромета (ранее Гидрометеослужбы СССР) позволили установить среднемноголетние характеристики глубины промерзания болот на территории Кольского п-ова, а также факторы, обусловливающие процесс промерзания. Главными факторами, определяющими интенсивность и глубину промерзания болот, являются температура воздуха, мощность снежного покрова и степень обводненности микроландшафта.
Промерзание болот в северной части Финско-Кольской провинции северной тайги и лапландских аапа начинается в конце сентября и продолжается до первой половины апреля. В Карело-Финской провинции северной тайги и аапа-болот промерзание начинается во второй-третьей декадах октября, завершается в конце марта. Полное оттаивание мерзлого слоя происходит в конце июля. В некоторые годы небольшая прослойка мерзлого слоя сохраняется весь теплый период года. Непродолжительные оттепели не оказывают значительного влияния на формирования мерзлого слоя.
На рис. 2 приведена взаимосвязь глубины промерзания болота и суммы среднесуточных температур воздуха. Сезонная динамика промерзания (в зависимости от суммы суточных отрицательных температур воздуха) характеризуется большой интенсивностью в осенний период и замедленной — в зимний. Переломный момент в интенсивности промерзания наступает при высоте снежного покрова, равной 10-15 см.
Интенсивность промерзания гряд грядово-мочажинного комплекса при высоте снега до 10 см в среднем в осенний период составляет 0,5-0,8 см/сут, мочажин — 0,4-0,6 см/сут. С увеличением высоты снежного покрова свыше 20-30 см интенсивность промерзания существенно снижается до 0,1-0,3 см/сут. Анализ этих зависимостей показывает, что в условиях Кольского п-ова за осенний период образуется мерзлый слой, толщина которого в среднем составляет 30-50 % от общей глубины промерзания.
Если зависимость к = /[^(-У)] представить таким образом: к = /^(-У)] , она
принимает вид прямой линии с постоянным угловым коэффициентом. Однако угловой коэффициент не зависит от типа микроландшафта и изменяется от года к году.
Анализ, представленный на (рис. 3), показывает: при относительно небольшой толщине снежного покрова (в пределах 20-30 см), что наблюдалось в 1959, 1960, 1967 и 1972 гг., при абсолютной сумме среднемесячных температур воздуха за зимний сезон (с ноября по март) меньших, чем их среднее значение (-53,8 °С), глубины промерзания болота достигают наибольших величин (соответственно 82, 77, 84 и 81 см); при увеличении толщины снега и температурах воздуха, близких к средним, глубина промерзания уменьшается.
Рис. 2. Зависимость глубины промерзания от суммы отрицательных температур воздуха на Пулозерском болоте зимой 1983-1984 гг.: 1 — мочажина кустарничково-лишайникового микроландшафта, 2 — гряда грядово-мочажинного комплекса
Зависимость глубины промерзания (к) в кустарничково-лишайниковом микроландшафте Пулозерского болота от высоты снежного покрова (Н) на дату наибольшей глубины промерзания, когда и мощность снежного покрова наибольшая за зиму, имеет вид: к = -0,453Н + 67,7 при коэффициенте корреляции Я = 0,525. Эта же зависимость от температуры воздуха зимнего периода крайне незначительна и имеет коэффициент корреляции Я = 0,026.
Согласно результатам наблюдений, при средней высоте снега в 44 см на образование 1,0 см мерзлого слоя необходима сумма суточных отрицательных температур воздуха около 30 °С. Она (сумма температур) изменяется следующим образом: при высоте снега до 20 см необходимо 15,3 °С, при высоте 77 см — 61 °С. Фактор обводненности микроландшафта существенной роли не играет, так как осенние осадки поднимают уровень болотных вод практически к его поверхности, тогда во все годы наблюдений обводненность в предзимний период становится величиной постоянной.
см
-г 90,0
--80,0
--70,0
--60,0
--50,0
--40,0
--30,0
--20,0 1995
Рис. 3. Динамика глубин промерзания кустарничково-лишайникового микроландшафта
и факторов его обусловливающих: 1 — абсолютная сумма отрицательных температур воздуха; 2 — глубина промерзания; 3 — толщина снега
В табл. 1 приведены результаты наблюдений за период с 1956 по 1993 гг. Наибольшие из средних значений глубины промерзания наблюдаются на болотном массиве Пулозерское, где они в среднем достигают 58 см, несколько меньше промерзает Краснощельское болото — 51 см. Средние значения глубины промерзания болот, расположенных значительно южнее Пулозерского, Алакурттинского и Канозерского, существенно меньше — 45 и 36 см соответственно. Однако аномально большие глубины, свыше 80-90 см, наблюдаются на всех болотах, исключая Канозерское, где они не превышают 54 см.
Таблица 1
Статистические характеристики промерзания болот Кольского п-ова
Болото, микроландшафт, форма Глубина промерзания, см Масса п эомерзания, см
микрорельефа средняя max min средняя max min
1 2 3 4 5 6 7 8
1956-1993 гг. Пулозерское
Кустарничково-лишайниковый
понижение 45 60 32 0,16 42 56 29
повышение 66 90 48 0,15 63 85 45
Грядово-мочажинный комплекс
гряда 67 84 44 0,16 59 75 41
мочажина 52 84 34 0,27 50 84 32
Окончание таблицы 1
1 2 3 4 5 6 7 8
1966-1993 гг. Алакурттинское
Сфагново-пушицево-кустарничковый повышение 48 97 27 0,30 45 91 25
мочажина 42 96 18 0,37 40 91 16
Сфагново-кустарничково-пушицевый, облесенный сосной, березой повышение 48 92 33 0,29 45 86 31
понижение 42 90 21 0,33 39 85 20
1962-1993 гг. Краснощельское
Осоково-пушицевый повышение 57 84 43 * 24 46 16
понижение 48 69 32 0,20 35 56 23
Грядово-мочажинный комплекс мочажина 49 70 30 0,21 35 56 22
гряда 53 87 34 0,22 20 32 13
1961-1987 гг. Канозерское
Осоково-сфагновый повышение 37 49 22 0,21 26 35 16
понижение 35 48 20 0,23 25 35 14
Грядово-мочажинный комплекс гряда 34 49 18 0,22 26 35 13
мочажина 36 54 18 0,24 27 54 13
Примечание. Cv — коэффициент вариации, в долях от единицы. не определялся.
В пределах болота средние значения глубины промерзания болотных микроландшафтов (табл. 1) в целом различаются незначительно, а с учетом формы микрорельефа их отличие не выходит за пределы 2-7 см. По-видимому, это обусловлено минимальными различиями в характеристиках водного режима этих микроландшафтов.
Анализ временных рядов наблюдений за промерзанием болот Кольского п-ова (рис. 4) показывает, что в большинстве случаев наблюдается совпадение по фазе, но не по величине глубины промерзания. Так, в пределах Финско-Кольской провинции северной тайги и лапландских аапа коэффициенты корреляции между смежными рядами глубины промерзания мочажин грядово-мочажинных комплексов Пулозерского и Канозерского болот не превышают 0,44, еще более слабо эта связь выражена между значениями глубины промерзания болот других болотных провинций.
Временная изменчивость глубины промерзания болот Кольского п-ова определяется коэффициентом вариации табл. 1), который служит мерой оценки колебаний наибольших годовых величин относительно его нормы. Для болот полуострова он изменяется в диапазоне значений от 0,15 до 0,37. Таким образом, временная изменчивость глубин промерзания относительно небольшая. В пределах болота она в основном зависит от высоты снежного покрова, который
обусловлен вариацией высот микрорельефа и произрастающей растительностью. Отсюда, при относительно слабо развитом микрорельефе, где разность высот его элементов в пределах мочажин или гряд грядово-мочажинного комплекса не превышает 10 см, коэффициент вариации временного ряда будет небольшим — 0,15-0,16, что и наблюдается на Пулозерском болоте. При развитом микрорельефе на Алакурттинском болоте в сфагново-пушицево-кустарничковом микроландшафте, где средняя плоскость повышений над плоскостью понижений больше на 2930 см, коэффициент вариации возрастает до 0,33-0,37.
Рис. 4. Временные ряды глубины промерзания некоторых микроландшафтов болот Кольского п-ова: 1 — Пулозерское болото, грядово-мочажинный комплекс, мочажина; 2 — Краснощельское болото, грядово-мочажинный комплекс, мочажина; 3 — Алакурттинское болото, сфагново-пушицево-кустарничковый
микроландшафт, понижения
В работе И. Л. Калюжного и К. Д. Романюк показано, что болота северо-запада и севера России начиная с 1979-1980 гг. изменяют свои гидрометеорологические характеристики под влиянием изменения климатических факторов [5]. Анализ временных рядов наблюдений промерзания болот Кольского п-ова показывает, что с 1977-1978 гг. аналогичные изменения наблюдаются и на этих болотах. Наиболее отчетливо это проявляется на примере промерзания мочажин грядово-мочажинного комплекса Пулозерского болота. Временной ряд промерзания мочажин характерен тем, что влияние степени их обводненности на изменчивость глубины промерзания не оказывает влияния: мочажина имеет открытую водную поверхность и, следовательно, постоянное увлажнение. Глубина промерзания мочажин зависит только от климатических факторов — температуры воздуха и высоты снежного покрова. Временной ход глубин промерзания мочажины (ряд 1 на рис. 4) однозначно показывает, что с 1977-1978 гг.
хорошо просматривается тренд на уменьшение глубины промерзания. В пределах периода 19771993 гг. его можно выразить линейным уравнением вида к = -0,9461т + 1923, где к — глубина промерзания, см; т — год ряда. Коэффициент корреляции Я равен 0,56.
Оценка значимости линейного тренда определялась по методике [6]. При уровне значимости 5 %, что соответствует удвоенной случайной средней квадратической ошибке о (о = 0,17), величина 2о (0,34) меньше коэффициента корреляции, на основании чего признается неоднородность рядов наибольших глубин промерзания. Таким образом, тренд глубин промерзания болота устанавливается значимым с 95 %-м уровнем надежности.
Наименьшие глубины промерзания наблюдаются на Канозерском болотном массиве, где средние многолетние значения не выше 37 см, а наблюденные наименьшие значения в грядово-мочажинном комплексе не превышают 18 см. На Пулозерском болотном массиве средние многолетние значения не превышают 58 см, а наблюденные наименьшие в грядово-мочажинном комплексе 34-44 см. При близких характеристиках температурного режима на этих двух болотных массивах столь существенное различие в глубинах промерзания объясняется существенным различием в высотах снежного покрова. На Пулозерском болотном массиве средние из наибольших высот снежного покрова соответствуют пределу 44-51 см, на Канозерском — 6467 см. Отсюда и глубины промерзания на Канозерском болоте существенно меньшие.
Наибольшие глубины промерзания на болотах Кольского п-ова приближаются к 95-97 см. В зиму 1986-1987 гг. наибольшая глубина промерзания наблюдалась на Алакурттинском болоте и была равна 97 см. Начало промерзания на этом болоте, практически при отсутствии снежного покрова и среднесуточной температуре воздуха -6,2 °С, произошло 5 ноября 1986 г., его глубина была равна 4 см. До 25 декабря высота снега не превосходила 5-9 см, а температура понижалась до -34,0...-36,9 °С. Глубина промерзания за этот период достигла 55-59 см. Далее до конца января толщина снежного покрова возросла до 17 см, а глубина промерзания, при несколько повышенных температурах воздуха, достигла 80-82 см. Интенсивные осадки 20 февраля увеличили толщину снега до 44 см, при этом нарастание глубины промерзания при температуре воздуха до -27,8 °С замедлилось, и 28 февраля глубина промерзания составляла 84 см. Далее проникновение волны холода в более глубокие горизонты при одновременном повышении температуры воздуха до -3,4.-8,2 °С и увеличении снежного покрова до 55-62 см не препятствовало промерзанию залежи до глубины 96-97 см. Последнее наблюдалось 30 апреля 1987 г.
В первых числах мая снежный покров сошел, началось оттаивание поверхности болота, Одновременно происходит оттаивание со стороны нижней границы мерзлого слоя под влиянием теплового потока, идущего с глубинных слоев торфяной залежи. 10 мая толщина верхнего талого слоя составила всего лишь 5 см;31 мая верхний талый слой составил 19-20 см, нижняя граница мерзлого слоя была на глубине 72-77 см. Оттаивание верхнего слоя происходило до 31 августа, когда остаточный мерзлый слой наблюдался на глубине 79-89 см, а новое промерзание началось 12 сентября 1987 г. В целом, столь большие глубины промерзания представляют собой аномальное явление.
В пределах болотного массива изменчивость глубин промерзания обусловлена строением микрорельефа болотных микроландшафтов. Собственно микрорельеф и растительность на нем определяют пространственную изменчивость глубин промерзания. Промерзание всегда больше на повышенных элементах микрорельефа. Так, на грядах грядово-мочажинного комплекса (болото Пулозерское) оно в среднем на 15 cм выше, чем на мочажинах. В кустарничково-
Формирование глубин промерзания болот Кольского полуострова лишайниковом микроландшафте повышения промерзают на 21 см больше, чем понижения. Аналогичные закономерности наблюдаются и на других болотах. Объясняется это тем, что на более высоких элементах микрорельефа меньшая толщина снежного покрова (т. е. теплоизолирующие свойства понижены) по отношению к мочажине. К тому же поверхность мочажины всегда ниже на 15-30 см по отношению к поверхности гряды. Вторым фактором, обусловливающим эту разность, является теплопроводность гряд и мочажин. Теплопроводность мерзлого деятельного слоя гряд всегда больше, чем мочажин, так как они всегда менее увлажнены, чем мочажины. На мочажинах наблюдается в предзимний период практически полное насыщение их влагой или даже открытая водная поверхность. Вне зависимости от типа микроландшафта в пределах одного болота, средние глубины промерзания пониженных элементов микрорельефа практически всегда близки, что мы и наблюдаем на примере Краснощельского болота: средняя глубина промерзания мочажин грядово-мочажинного комплекса — 49 см, понижения осоково-пушицевого микроландшафта — 48 см (табл. 1).
Факторы, влияющие на глубину промерзания, — растительный покров, степень увлажнения, микрорельеф, неравномерность залегания снежного покрова и др. — обусловливают и пространственную изменчивость глубин промерзания в пределах болотного массива. Для ее оценки на Пулозерском болоте проводились измерения наибольших глубин промерзания в господствующих микроландшафтах с учетом форм их микрорельефа. Изменение коэффициента вариации С от глубины промерзания И ^м) и зависимость (рис. 5) определяются выражением С = 4252,7к-2'599 при Я = 0,83.
0,35
и и
ица
и риа
в т н е
и ц
и ф
ф
э о К
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
30
40
50
60
70
80
90
Глубина промерзания, см
0
Рис. 5. Зависимость коэффициента вариации глубины промерзания Пулозерского болотного массива
от наибольших глубин промерзания
И. Л. Калюжный
Анализ полученной зависимости показывает, что пространственная изменчивость глубин промерзания (в пределах болотного массива) уменьшается от больших значений Су — при глубинах промерзания до 40 см до величин менее 0,10 — при глубинах промерзания свыше 60 см. Наибольшая пространственная изменчивость наблюдается в начальный период промерзания и далее уменьшается по мере увеличения глубины промерзания.
Постоянство степени увлажнения пониженных или повышенных элементов микрорельефа (которые ежегодно в предзимний период сохраняют практически постоянную степень увлажнения) обусловливает и небольшую временную изменчивость рядов наблюдений за их промерзанием, так как в этом случае фактор степени увлажнения практически постоянный. Коэффициент вариации членов таких рядов становится незначительным (0,15-0,16), а внутрирядная их связь достаточно тесная. Так, в рядах промерзания мочажин грядово-мочажинного комплекса коэффициент автокорреляции достигает 0,51. При коэффициенте вариации глубин промерзания на Алакурттинском болоте, равном 0,33-0,37, коэффициент автокорреляции ряда соответственно равен 0,35-0,39. Наибольшую автокорреляцию имеет ряд наблюдений глубин промерзания мочажин грядово-мочажинного комплекса Пулозерского болота с коэффициентом автокорреляции 0,53.
Между массой и глубиной промерзания существует зависимость, теснота которой обусловлена высоким содержанием капиллярной влаги в деятельном слое торфяной залежи. Содержание этой влаги формируется посредством капиллярных сил в весьма пористой структуре слаборазложившегося торфа, что не позволяет накапливаться избыткам влаги при выпадении осадков выше равновесного содержания. Отсюда теснота связи между глубиной и массой промерзания, определяемая коэффициентом корреляции, приближается к единице. Пример зависимости массы промерзания от глубины промерзания мочажины грядово-мочажинного комплекса Пулозерского болота приведен на рис. 6. Согласно рис. 6 и соответствующему уравнению регрессии, для мочажины грядово-мочажинного комплекса этого болота при глубине промерзания 80 см масса промерзания составляет 78,9 см, а сухое вещество торфа в промерзшей мочажине занимает 1,3 % мерзлого слоя. Сухое вещество торфа в промерзшем слое гряды занимает 11,1 %. В табл. 2 приведены уравнения регрессии этой зависимости для отдельных микроландшафтов болот Финско-Кольской провинции северной тайги.
Таблица 2
Зависимость массы промерзания (М, см) от глубины промерзания (^ см) болот Кольского полуострова
Болото, микроландшафт, форма микрорельефа Уравнение регрессии Коэффициент корреляции
1 2 3
Пулозерское
Кустарничково-лишайниковый
понижение М = 0,946h - 0,281 0,99
повышение М = 0,939h - 0,04 0,99
Грядово-мочажинный комплекс
гряда М = 0,859h + 2,43 0,94
мочажина М = 1,020h - 2,68 0,99
Окончание таблицы 2
1 2 3
Алакурттинское
сфагново-пушицево-кустарничковый
повышение М = 0,940И - 0,01 0,99
мочажина М = 0,912И + 2,04 0,98
Сфагново-кустарничково-пушицевый,
облесенный сосной и березой
повышение М = 0,944И - 0,28 0,98
понижение М = 0,925И + 0,66 0,98
Краснощельское
Осоково-пушицевый
повышение М = 0,691И - 15,6 0,96
понижение М = 0,760И - 1,65 0,99
Грядово-мочажинный комплекс
мочажина М = 0,761И - 1,79 0,99
гряда М = 0,371И - 0,08 0,99
Канозерское
Осоково-сфагновый
повышение М = 0,722И - 0,07 0,99
понижение М = 0,721И - 0,02 0,99
Грядово-мочажинный комплекс
гряда М = 0,722И - 0,04 0,99
мочажина М = 0,721И - 0,02 0,99
Рис. 6. Зависимость массы промерзания от глубины промерзания мочажин грядово-мочажинного
комплекса болотного массива Пулозерское
Высота капиллярного поднятия в деятельном слое мезолиготрофных болот составляет 20-25 см. В предзимних условиях и высоком стоянии уровней болотных вод, обусловленных осенними осадками, создаются условия выхода капиллярной каймы на поверхность мохового очеса. Поэтому в течение зимнего периода путем миграции влаги к фронту промерзания в верхнем горизонте торфяной залежи образуется слой, практически полностью насыщенный влагой. Растительное вещество и его неразложившиеся остатки в таком мерзлом слое армируют лед и повышают несущую способность мерзлого слоя. Прочность плотной торфяной залежи, насыщенной водой, достигает 35-40 кг/см2. Последнее позволяет использовать мерзлую торфяную залежь в качестве несущего основания линейных сооружений.
Выводы
Многолетние наблюдения на специализированной сети болотных станций и постов Росгидромета позволили установить среднемноголетние характеристики глубин промерзания болот на территории Кольского п-ова, а также главные факторы, обусловливающие этот процесс. Установлено, что глубина промерзания в основном зависит от температуры воздуха и теплоизолирующих свойств снежного покрова.
Показано, что температура воздуха оказывает определяющее влияние на начальном этапе промерзания, когда мощность снежного покрова небольшая. С увеличением высоты снега более 10-15 см уменьшается влияние температуры воздуха на интенсивность промерзания. Средние из наибольших годовых за многолетний период наблюдений на Пулозерском болоте глубины достигают 58 см, несколько меньше промерзает Краснощельское болото — 51 см. Более южные болота, Алакурттинское и Канозерское, промерзают существенно меньше — 45 и 36 см. Наибольшие глубины — свыше 80-90 см наблюдаются на всех болотах, исключая Канозерское, где они не превышают 54 см.
Пространственная изменчивость глубин промерзания в пределах болотного массива уменьшается от больших значений коэффициента вариации (0,3-0,4) — при глубинах промерзания до 20-30 см до величин менее 0,10 — при глубинах промерзания свыше 60 см. Наибольшая пространственная изменчивость наблюдается в начальный период промерзания и далее уменьшается по мере увеличения глубины промерзания.
Временной ход промерзания Пулозерского болота однозначно показывает, что, начиная с 1977-1978 г., хорошо просматривается тренд уменьшения глубины промерзания под влиянием климатических изменений. Тренд значимый. Его коэффициент корреляции равен 0,56.
Между массой и глубиной промерзания существует зависимость, теснота которой обусловлена высоким содержанием капиллярной влаги. Отсюда теснота связи между глубиной и массой промерзания, определяемая коэффициентом корреляции, приближается к единице. Большое содержание влаги в мерзлом слое в совокупности с неразложившими остатками растительности создают высокую прочность мерзлого слоя и существенно повышают его несущую способность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Романов В. В. Гидрофизика болот. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. 359 с. 2. Чечкин С. А. Водно-тепловой режим неосушенных болот и его расчет. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 205 с. 3. Калюжный И. Л. Гидрохимический режим и химический состав вод мезоолиготрофных болотных массивов Кольского полуострова // Вестник Кольского научного центра РАН. 2016. № 3. С. 114-125. 4. Наставление гидрологическим станциям и постам //
Формирование глубин промерзания болот Кольского полуострова Гидрометеорологические наблюдения на болотах. Л.: Гидрометеоиздат, 1952. Вып. 8. 228 с. 5. Калюжный И. Л., Романюк К. Д. Изменение водного режима болот севера и северо-запада России под влиянием климатических факторов // Метеорология и гидрология, 2010. № 7. С. 85-98. 6. Методические рекомендации по оценке однородности гидрологических характеристик и определению их расчетных значений по однородным данным. СПб.: ГГИ, 2010. 162 с.
Сведения об авторе
Калюжный Игорь Леонидович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, зав. отделом гидрофизики Государственного гидрологического института E-mail: hfl@mail.ru
Author Affiliation
Igor L. Kalyuzhny — PhD (Engineering), Senior Researcher, Head of Hydrophysical Department of the State Hydrological Institute E-mail: hfl@mail.ru
Библиографическое описание статьи
Калюжный, И. Л. Формирование глубин промерзания болот Кольского полуострова // Вестник Кольского научного центра РАН / И. Л. Калюжный. — 2017. — № 1 (9). — С. 124-138.
Reference
Kalyuzhny Igor L. Forming of freezing depth for bogs of the Kola Peninsula. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2017, vol. 1 (9), pp. 124-138 (In Russ.).
