CC BY
46
Труды Карельского научного центра РАН № 4. 2011. С.103-107
УДК 631.432
ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАГОЗАПАСОВ В ПРОМЕРЗАЮЩИХ ПОЧВОГРУНТАХ КАРЕЛИИ: ИНЖЕНЕРНЫЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
И. М. Нестеренко, С. Л. Матвеев
Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН
Снижение температуры воздуха и увлажненных почв ведет к повышению влажности промерзающего слоя, изменению водно-физических свойств. В глинах и суглинках образуются линзы и прослойки льда, нарушается устойчивость грунтов и сооружений при оттаивании, усиливается вынос взвешенных и растворенных веществ.
Ключевые слова: снег, промерзание, влагоемкость, объемная масса, водоотдача, устойчивость грунтов и сооружений.
I. M. Nesterenko, S. L. Matveev. MOISTURE REDISTRIBUTION IN FREEZING SOILS IN KARELIA: ENGINEERING АND ECOLOGICAL PROBLEMS
Reduction in the temperature of the air and moisture-bearing soils results in an increase in the moisture content in the frozen layer, a change in hydrophysical properties. Ice lenses and bands form in clays and loams, the stability of grounds and buildings at thawing is affected, leaching of suspended and dissolved matter intensifies.
Key words: snow, freezing, water capacity, volume weight, water yield, ground and building stability.
При проектировании, строительстве и эксплуатации дорог, мелиоративных объектов и сооружений на них, в водохозяйственных и гидрологических расчетах, в связи с необходимостью учета сезонного перераспределения влагозапасов, изменения водно-фи-зи че ских свойств поч вог рун тов при их промерзании, при изучении процессов эрозии и выноса взвешенных и растворенных веществ в во до при ем ни ки не ма ло важ ную роль иг ра ет знание процессов промерзания и оттаивания почвогрунтов. В России этим вопросам на ча ли уде лять боль шее вни ма ние со вто рой половины прошлого века [Нестеренко, Симанов, 1969]. Об этом свидетельствуют и материалы последних симпозиумов по физике, химии и экологии сезонно промерзающих почв [Nesterenko, Sinkevitsch, 1992; International symposium..., 1997].
Объекты и методы исследований
Торфяники, ленточные суглинки и глины имеют широкое распространение на северо-западе России. Приурочены они в основном к озерно-лед ни ко вым рав ни нам и яв ля ют ся пер во очередными объектами проведения мелиоративных работ для улучшения сельскохозяйственных и лесных угодий. В Карелии это Олонецкая (бассейн Ладожского озера), Корзинская низины и Ладвинская равнина (бассейн Онежского озера). Часто ленточные отложения залегают близ ко к по верх но сти и в них вре за ет ся осу ши-тельная сеть. Эти отложения имеют различный механический состав - от легких суглинков до тяжелых глин. В ленточных глинах Корзинской низины отмечено абсолютное преобладание пылеватой и высокое содержание глинистой фракции (20-75 %) [Нестеренко, Стрелкова,
0
2006]. Характерным для ленточных отложений является снижение их прочности при нарушении естественной структуры. Они находятся в скры то-те ку чем, ре же - пла стич ном со стоянии и при нарушении естественного сложения легко переходят в текучее [Ломтадзе, 1965]. С ростом объемов капитального строительства в 60-е гг. про шло го ве ка в Ка ре лии (до ро ги, гидротехнические сооружения, мелиоративные системы и т. д.) встал вопрос о необходимости детального изучения этих процессов. На первом этапе (1950-1960-е гг.) разрабатывались методы исследований сезонно промерзающих поч вог рун тов, про во ди лась оцен ка осо бен но-стей изменения водно-физических свойств в пахотном слое и подстилающих горизонтах, спо со бов за щи ты почв от эро зии и гид ро тех ни-ческих сооружений от разрушения [Нестеренко, 1967].
Полевые и лабораторные исследования проводились с 1963 г. на Корзинском научном стационаре Института биологии, расположенном в южной части Карелии, в 70 км западнее Петрозаводска [Нестеренко, Стрелкова, 2006]. На ста цио на ре име ет ся уча сток не осу шен-ного болота (НП-4 - наблюдательный пункт № 4). Площади с торфяной залежью низинного и переходного типа мощностью до 3 м осушены в 1962-1963 гг. дощатым дренажем с расстоянием между дренами 40 м в зоне атмосферного водного питания. В истекшие годы проводился ремонт открытой проводящей сети, а в 1980-е гг в зоне повышенного грунтового водного питания (полоса 5) были заложены дополнительные дрены. На стационаре до 1994 г. действовал метеорологический пункт (МП), который был зарегистрирован в системе Гидрометеослужбы. Торфяник в зоне грунтово-напорного водного питания осушен дощатыми дренами через 20 м с дополнением в последующем полиэтиленовых и гончарных дрен (НП5). Тяжелосуглинистые почвы, подстилаемые ленточными глинами, осушены гончарным дренажем с расстояниями между ними 8, 12 и 20 м (НП-3). В основном до 1994 г. на стационаре проводились круглогодичные наблюдения за осадками, испарением, стоком, температурой воздуха и почвы, промерзанием почвы, влажностью и водно-физи-че ски ми свой ст ва ми поч вог рун тов, уров ня ми грунтовых вод и др.
Влажность почвы в течение года, в том числе и в зимний период, определяли 2 раза в месяц на глубину до 1 м специальным буром, состоящим из двух тонкостенных полуцилиндров (разрезана труба из нержавеющей стали), соединяемых специальным замком, с хорошо заостренной пилообразной нижней частью.
Это позволяло единовременно отбирать почву на всю глубину. После разделения бура на две части специальным ножом вырезался образец дли ной 10 см, ко то рый пол но стью по ме щал ся в 5 бюкс для высушивания. Постоянный объем образца позволял в конечном итоге определять как весовую, так и объемную влажность, рассчитывать послойные запасы влаги.
Образцы с ненарушенной структурой в мерзлом слое отбирали и переоборудованным для почвы ледовым буром [Нестеренко, 1971]. На границе промерзания брали дополнительно об раз цы из при мы каю ще го к мерз ло му (25 см) талого грунта. Бур-кольцо позволял как в мерзлых торфах, так и в глинах (без включений песка) отбирать пробы на влажность и монолит диаметром 10 см при промерзании до 60 см. Монолит использовался для изучения льдисто-сти, объемной массы, водоотдачи, влажности.
На различных типах почв и вариантах осушения устанавливались мерзлотомеры и приборы нашей конструкции для непрерывной регистрации вспучивания почвы [Нестеренко, 1979]. Были ор га ни зо ва ны наблю де ния за де фор ма ци ей каналов с целью выяснения причин значительного разрушения их откосов в слоистых глинах и суглинках при промерзании и оттаивании.
Результаты исследований
Многолетние (1963-1994 гг.) наблюдения позволили оценить вариабельность основных климатических характеристик - температуры, глубины промерзания различных почв и высоты снежного покрова на конец зимы (табл. 1), которые в значительной степени определяют формирование влагозапасов, их перераспреде-ле ние, из ме не ние вод но-фи зи че ских свойств почвы и ее вспучивание при промерзании.
Таблица 1. Промерзание и высота снежного покрова, Корзинская низина, 1963-1994 гг.
Пока- Проме рзание, Нм, см Снег, Нс, см
затель МП НП-4 НП-3 МП НП-4
X 38 22 52 39 59
X . 14 1,0 32 12 32
X 61 48 78 71 89
о 11,7 12 11,6 13,7 14,5
Су 0,31 0,55 0,22 0,35 0,25
Примечание. X - средняя многолетняя величина; о - стандартное отклонение; Су - коэффициент вариации.
Высота снежного покрова на неосушенной и частично залесенной части торфяника более чем в 1,5 раза выше, глубина промерзания примерно на ту же величину ниже. Большая вариабельность (Су) глубины промерзания на НП-4 обу слов ле на тем, что на ок раи не не осу шен ной
@
части болота в зоне разгрузки грунтовых вод в отдельные годы наблюдалось даже отсутствие мерзлоты, а при ее наличии подмерзлотные воды находились под напором. Многофакторный регрессионный анализ выявил достаточно надежные связи глубины промерзания (Нм) с суммой отрицательных температур (Е1), среднемесячной из средних минимальных (^¡п) и с высотой снежного покрова (Нс): осу шен ные тор фя ные поч вы Нм = 27,8 + 0,0214Е1 - 0,434Нс,
Я = 0,69, р = 0,001, (1)
Нм = 12,7 - 3,26^п - 0,434Нс,
Я = 0,69, р = 0,001^ (2)
осушенные минеральные почвы Нм = 39,5 + 0,024Е1 - 0,047Нс,
Я = 0,70, р = 0,0004. (3)
Наибольшая глубина промерзания наблюдается в минеральных почвогрунтах на участке НП-3, величина ее в отдельные годы более чем в 2 раза превышает промерзание торфяных почв (табл. 1).
Отмечается устойчивое потепление климата на Европейском Севере и рост осадков [Климат Карелии..., 2004] и, соответственно, связанное с этими процессами уменьшение глубины промерзания и перераспределение влагозапасов.
Перераспределение влагозапасов в промерзающих грунтах зависит от температуры, глубины снежного покрова, предзимнего увлажнения. Ранее была установлена зависимость между скоростью промерзания и увеличением влажности нижнего слоя мерзлого грунта по отношению к прилегающему талому [Нестеренко, 1969]. При влагозапасах на начало зимы до 80-90 % от полной влагоемкости и увеличении их за зиму на 7-17 % в торфяных и до 30 % в минеральных почвогрунтах промерзание приводит к росту запасов влаги сверх как полевой, так и полной влагоемкости (табл. 2),
что ведет к существенному росту водоотдачи поч вог рун тов.
Надежные уравнения связи для изменения влагозапасов dW в слое 0-50 см в торфяных почвах на МП за холодный период (октябрь -март) имеют вид:
dW3 = 0,123Нм - 0^нз - 0,1Т + 278,
Я = 0,75, (4)
в зоне обильного грунтово-напорного водного питания (НП 5):
dW5 = 0,282Ннз - 0,86Wнз - 0,10Т + 224;
Я = 0,86, (5)
в минеральных почвах (НП-3):
dWм = 0,283Т - 0,47Wнз + 0,40Нм + 138,
Я = 0,42. (6)
Меньшая, но достоверная связь в минеральных грунтах обусловлена неоднородным накоплением влаги и льда в линзах и прослойках.
При переходе воды в лед и увеличении ее объема в среднем на 9 % происходят существенные изменения структуры и физических свойств грунтов. Мерзлый осушенный торф пред став ля ет сплош ную мас су с ред ки ми тонкими прослойками льда. В верхнем слое вспаханных почв в пустотах часто наблюдается образование кристаллического льда в значительных количествах. Мерзлый торф становится практически водонепроницаемым, а это способ ст ву ет фор ми ро ва нию по верх но ст но го стока с началом снеготаяния [Нестеренко, 1971].
В плотных минеральных почвах при уровнях грунтовых вод 0,8 м и более в верхних слоях при значительной скорости промерзания образуются тонкие прослойки и линзы льда толщиной до 1-2 мм через каждые 5-10 мм. И лишь у нижней границы при замедлении скорости промерзания начинает формироваться мощная про слой ка льда, тол щи на ко то рой к вес не достигает иногда 5-10 см. При этом увеличение глубины промерзания во вторую половину
Таблица 2. Перераспределение почвенных влагозапасов в зимний период, 1964-1986 гг
Характеристики Точки Глубина, см Х, мм Х , мм тіп’ X , мм тах’ о W/Wпв, %
Начальные МП 0-20 122 71 170 23,6 71,8 0,19
влагозапасы,W 0-50 314 217 383 44,0 73,9 0,14
0-100 688 480 825 87,2 80,9 0,13
НП5 0-20 130 80 168 64,3 76,4 0,20
0-50 389 284 433 42,4 >100 0,12
НП3 0-20 100 56 146 31,5 85,4 0,32
0-50 239 100 347 68,1 >100 0,28
0-100 485 336 675 93,9 16,5 0,19
Увеличение МП 0-20 28 2 76 17,1 12,2 0,61
влагозапасов 0-50 52 3 190 14,4 7,4 0,28
за зиму 0-100 63 11 211 49,9 17,1 0,79
НП5 0-20 29 0 68 23,9 13,2 0,82
0-50 56 0 113 38,7 6,7 0,69
0-100 57 0 108 35,8 30,8 0,63
НП3 0-20 37 11 84 19,7 29,6 0,53
0-50 83 29 151 34,5 26,5 0,42
0-100 127 43 238 50,6 0,40
0
зимы происходит в основном за счет увеличения мощ но сти ниж ней про слой ки льда, под которой обычно наблюдается талый грунт.
При более высоком стоянии уровней грунтовых вод ленточные глины и суглинки насыщены многочисленными прослойками и линзами льда. Иногда наблюдается образование пустот в мерзлом слое за счет разобщенности ядер кристаллизации, неравномерного накопления льда в отдельных точках и возникновения значительных сил выпучивания. Все это приводит к значительному подъему поверхности почвы (до 20 см), смещению отдельных слоев, оползням на откосах каналов [Нестеренко, 1967].
Увеличение количества влаги и расширение ее при промерзании приводит к уменьшению объемной массы мерзлого почвогрунта (ум). При на сы ще нии грун та во дой до пол ной вла гоем ко сти и вы ше ее в зо не про мер за ния объ ем-ная масса может быть рассчитана по уравнению:
Ум = р/(1 + 1^м), (7)
где р - плотность, г/ ем3; W^, - весовая влажность мерзлой почвы, г/г.
Рас че ты объ ем ной ма ссы мерз ло го тор фа по уравнениюю (7) при W^, > 4,5 г/г дали очень близкие значения к ее фактическим значениям. Следовательно, зная плотность твердой фазы почвы, мало изменяющейся в течение ряда лет, и определив влажность, можно рассчитать объ ем ную мас су и пе ре вес ти ве со вую влажность в объемную ^о), получить водоотдачу: ц = Wо - Wппв, где Wппв - полевая предельная влагоемкость, %.
Для облегчения расчетов были предложены графики и таблицы [Нестеренко, 1979].
Запас свободной влаги в слое мерзлого осушенного торфа иногда достигает 100 мм, в минеральных почвогрунтах - 150 мм.
По данным непрерывных наблюдений за высотой вспучивания в минеральных грунтах была получена зависимость ее за определенный период (от 3 до 15 сут) от условий зимнего ре жи ма:
ДНп = 1,3 + 0,0535ДНм - 0,012Нм - 0,0094Нс -
- 0,0047Et , r = 0,76, (8)
где Нп - высота вспучивания за период, см; ДНм - изменение глубины промерзания, см; Нм - общая глубина промерзания на начало периода, см; Et - сумма среднесуточных температур воздуха за расчетный период, °С.
В откосах мелиоративных каналов процессы влагонакопления при промерзании проходят более интенсивно за счет более интенсивного притока грунтовых вод. При значительной скорости промерзания в верхнем слое откоса образуется большое количество тонких про-
слоек и линз льда толщиной до 5 мм. Мощная про слой ка, тол щи на ко то рой к вес не дос ти га ет 6-10, а иногда и 15 см, формируется у нижней гра ни цы мерз ло го слоя при за пол не нии ка налов снегом и снижении скорости промерзания. Часто здесь же образуются значительные пустоты за счет неравномерного льдонакопления и вспучивания грунта. Наиболее интенсивно эти процессы протекают при наличии напорного вод но го пи та ния. Вес ной при от таи ва нии грунтов по линзам и прослойкам льда наблюдается оплывание откосов каналов и их значительное разрушение, обильный вынос взвешенных и растворенных веществ в водоприемники.
В первые годы после строительства закрытых дренажных систем при наличии рыхлой засыпки над дренами и просадки ее талые поверхностные воды устремляются по трассам дрен и закрытых коллекторов, вызывая размыв верхнего оттаявшего слоя почвы, устьевых участков коллекторов. В отдельных точках через пустоты и рыхлую засыпку вода устремляется в дрены, что часто при недоброкачественном строительстве приводит к заилению дрен или к выносу растворенных питательных и взвешенных веществ из верх не го слоя поч вы, зна чи тель но му ухудшению качества воды в водоприемниках.
Был разработан и внедрен на значительных площадях способ защиты откосов каналов в морозоопасных грунтах [Нестеренко, 1967]. На дне канала устраивалась подпорная стенка и откосы перекрывались торфом, торфяным дерном, почвой из пахотного слоя или песком. На площадях, где глины или суглинки перекрыты слоем торфа мощностью до 0,5 м, работы были полностью механизированы: нижняя часть откосов каналов, которая проходит в минеральном грунте, перекрывалась слоем торфа до 20-25 см, срезаемого с приканавной полосы, и засевалась травами. В течение последующих 15-20 лет на таких каналах разрушения не наблюдались. Для сохранения устойчивости откосов более мелкой регулирующей сети каналов целесообразно выполнять их в виде ложбин с заложением откосов до 6-8-кратного. Засыпку дрен необходимо проводить с запасом на про-сад ку грун та.
Предложенные способы защиты откосов каналов и дренажных систем в морозоопасных грунтах широко использовались в мелиоративном строительстве в Карелии, в Ленинградской и других областях Северо-Запада и Европейского Севера России. Они не только увеличивают эксплуатационный срок службы гидротехнических сооружений, способствуют сохранению почвенного покрова, но играют и значительную роль вуменьшении отрицательных последствий
0
мелиораций на водные экосистемы - снижении эрозии, выноса растворенных и взвешенных веществ в водоприемники. Способ защиты дорожного полотна от промерзания с помощью торфяной дернины применялся в Финляндии [Frost..., 1997]
Был предложен и защищен авторским свидетельством способ мелиорации длительно сезонно мерзлотных почв тяжелого механического состава [Нестеренко, 1989]. Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности, к тепловой мелиорации почв. Оно позволяет снизить глубину промерзания почвы с улучшением ее структуры, водного и питательного режимов путем создания дернового подслоя в подошве пахотного слоя, что изменяет и улучшает термический режим почвы.
Литература
Климат Карелии: изменчивость и влияние на водные объекты и водосборы. Петрозаводск: Карельский НЦ РАН, 2004. 224 с.
Ломтадзе В. Д. Физико-механические свойства позднеледниковых ленточных глин окрестностей Ленинграда // Зап. Ленингр. горн. ин-та. 1965. Т. XVIII, вып. 2.
Нестеренко И. М. Устойчивость и способы крепления откосов осушительных каналов в морозоопасных грунтах // Гидротехника и мелиорация. 1967. № 3. C. 92-96.
Нестеренко И. М. Методы исследования промерзающих торфяных и минеральных почвогрунтов
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:
Нестеренко Иван Михайлович
ведущий научный сотрудник, д. г. н.
Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН
пр. А. Невского, 50, Петрозаводск, Республика Карелия,
Россия, 185030
эл. почта: nim@onego.ru
тел.: 89214604586
Матвеев Сергей Леонидович
главный гидролог
Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН
пр. А. Невского, 50, Петрозаводск, Республика Карелия, Россия, 185030
эл. почта: sergey.matveev.1960@mail.ru тел.: 89114050642
в КАССР // Метеорология и гидрология. 1971. № 3. С.58-64.
Нестеренко И. М. Мелиорация земель Европейского Севера Европейского Севера СССР. Л.: Наука, 1979. 260 с.
Нестеренко И. М. Рекомендации по проектированию мелиоративных систем в Карельской АССР. Петрозаводск, 1980. 74 с.
Нестеренко И. М. Авторское свидетельство № 1554791 «Способ мелиорации длительно сезонно мерзлотных почв тяжелого механического состава». М.: Госкомизобретений, 1989. (Приоритет изобретения 10.03.1988.)
Нестеренко И. М., Симанов Ю. Г. Динамика влажности почвогрунтов в зимний период // Почвоведение. 1969. № 5. С. 105-112.
Нестеренко И. М., Стрелкова А. А. Корзинский научный стационар Республики Карелия // Мелиоративно-болотные стационары России. Составители Маслов Б. С. (РАСХН), Константинов В. К. (НИИЛХ), Бабиков Б. В. (НИИЛХ), Ахти Э. (НИИлеса, Финляндия). Научный центр VАNTAA. METLAA (Финляндия), 2006.
Frost action soils. Roterdam: Lulea University of Technology, 1997. 540 p.
International Symposium on Physics, Chemistry, and Ecology of Seasonally Frozen Soils. Fairbanks, Alaska, June 10-12, 1997. 573 p.
Nesterenko I. M. Subsidens and wearing out of peat soils as a result of reclamation and agricultural utilization of marshland // Proc. of the V IPC. Vol. I. Poznan, Poland, 1976.P 218-234.
Nesterenko I. M., Sinkevitsch E. I. Mire drainage and change of suspended substance and solute removal into water courses // Proc. of IX IPC. Uppsala, Sweden, 1992. P. 285-295.
Nesterenko, Ivan
Northern Water Problems Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Science
50 A. Nevsky St., 185030 Petrozavodsk, Karelia, Russia e-mail: nim@onego.ru tel.: 89214604586
Matveev, Sergey
Northern Water Problems Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Science
50 A. Nevsky St., 185030 Petrozavodsk, Karelia, Russia e-mail: sergey.matveev.1960@mail.ru tel.: 89114050642
