CC BY
11УДК 556.56 DOI: 10.35567/19994508_2022_4_2
Сток с болотных массивов Кольского полуострова
И.Л. Калюжный И ©
И hfl@mail. ru
ФГБУ «Государственный гидрологический институт», Санкт-Петербург, Россия АННОТАЦИЯ
Актуальность. Решение ряда проблем по освоению территории Кольского полуострова требует достоверной информации о гидрологическом режиме болот и заболоченных земель, детальной оценки характеристик стока с болот, основанной на инструментальных наблюдениях, научном анализе, систематизации и интерпретации данных. Методы. Наблюдения за стоком с болот и сопутствующими гидрометеорологическими характеристиками производились на специализированной болотной станции Пулозер-ская и ряде болотных постов Мурманского УГМС. На всех водных объектах многолетние наблюдения осуществлялись по единым методикам, регламентированным документами Росгидромета. Результаты. На основании многолетних наблюдений за период с 1965 по 1993 годы исследован процесс формирования стока на болотных массивах и определены его характеристики. Показано, что потенциально возможный сток болотных вод в пределах замкнутого контура болота (климатический сток) при среднемноголетней величине осадков в 463,8 мм, равен 243,0 мм, что составляет 52,4 % от приходной части. В период изменения климата (1981-1993 гг.) осадки возросли на 19,4 мм (4,2 %), испарение с поверхности болота уменьшилось на 13,2 %, что в совокупности обусловило увеличение климатического стока на 22,9 %. Установлено, что сток болотных вод в период весеннего половодья происходит по мерзлой поверхности деятельного слоя. В половодье талые воды не имеют гидравлической связи с болотными водами. Более 57 - 65 % годового стока образуется в этот период. Модуль стока весеннего половодья - 180,4 л/с км2, зимний сток не превышает 2,0-2,5 % годового. Сток в летнюю межень составляет 10-15 %. Среднегодовое значение руслового стока внутриболотных ручьев равно 70,5 л/с, что соответствует модулю годового стока 9,5 л/с км2.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: сток болотных вод, модуль стока, весеннее половодье, Кольский полуостров.
Для цитирования: Калюжный И.Л. Сток с болотных массивов Кольского полуострова // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2022. № 4. С. 22-37. DOI: 10.35567/19994508_2022_4_2.
Дата поступления 11.03.2021.
Runoff From The Marshes Of The Kola Peninsula
Igor L. Kalyuzhny ISI D
ISI hfl@mail. ru
State Hydrological Institute, Saint Petersburg, Russia ABSTRACT
Relevance. Solution of number of problems related with the development of the Kola Peninsula needs accurate information on hydrological regime of swamps and wetlands. In
© Калюжный И.Л., 2022
this case, purposes of detail assessments of swamp runoff characteristics on the base of instrumental observations, its further analysis, systematization and interpretation become the very actual. Methods. Observations on swamp runoff and associated hydro/meteorological characteristics were performed at the special swamp station Pulozero and at swamp gauges of the Murmansk Territorial Administration for Hydro/meteorological and Environmental Monitoring. Long-term observations at all water objects were performed using common methodology, regulated by the Roshydromet guidelines. Results. On the base of long-term observations from 1965 to 1993, process of the swamp runoff forming was investigated; its main characteristics were assessed. It is shown that potential possible runoff of swamp waters within the closed swamp contour (climatic runoff) is equal to 243.0 mm at precipitation norm of 463.8 mm, that amounts 52.4 % of the water input. During the climate changes (from 1981 to 1993) precipitation amount increased at 19.4 mm (4.2 %), evaporation from the swamp surface decreased at 13.2 %. All this resulted in climatic runoff increasing at 22.9 %. It was determined that swamp water runoff during a spring flood occurs over the frozen surface of the active layer. Under the spring flood, snowmelt water is hydraulically unconnected with a swamp water. More than 57-65 % of the annual runoff is formed during this period. Runoff modulus of a spring flood is equal to 180.4 l/s km2. Winter runoff value not exceeds of 2.0-2.5 % of the annual one. During a summer low-water period its value amounts up to 10-15 %. Mean annual stream flow for brooks within the swamp limits is equal to 70.5 l/s that corresponds to the value of the annual runoff modulus of 9.5 l/s km2.
Keywords: runoff of swamp water, discharge module, spring flood, Kola Peninsula.
For citation: Kalyuzhny I.L. The runoff from the Kola Peninsula marches. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2022. No. 4. R 22-37. DOI: 10.35567/19994508_2022_4_2.
Received 11.03.2021.
ВВЕДЕНИЕ
Исследования в области гидрологии болот относятся преимущественно к зонам верховых и низинных болот Европейской территории России и Западной Сибири [1, 2]. На этих обширных пространствах сосредоточен промышленный потенциал страны, коммуникации и располагаются относительно густонаселенные районы. Поэтому потребность в освоении болот здесь очевидна. Наряду с этим нельзя не учитывать задачи развития экономики на обширных территориях Крайнего Севера.
На современном этапе развития экономики Российской Федерации освоение болот Крайнего Севера, в частности Кольского полуострова, требует детальной информации и научного обобщения характеристик их водного и теплового режимов. Эффективность мелиоративных мероприятий, связанных с сельско- и лесохозяйственным производством, прокладкой линейных сооружений и других коммуникаций, зависит от процессов формирования стока в пределах болотных водосборов и его характеристик. Однако в настоящее время сведения о наблюдениях за процессом формирования стока по болотам Кольского полуострова отсутствуют.
В данной статье предпринята попытка восполнить этот пробел, исследовать и выявить особенности формирования стока на болотах Кольского полуострова.
ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В основу исследования процесса формирования стока на болотах Кольского полуострова положены материалы наблюдений специализированной болотной станции Пулозеро и постов Мурманского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Описание болот, на которых осуществлялись наблюдения, приведены в работах [3, 4]. По источникам водного питания и произрастающей растительности все болота, на которых организованы наблюдения за стоком, относятся к мезоолиготрофному типу. Основные наблюдения производились на ручьях, вытекающих из Пулозерско-го и Канозерского болот. Болота расположены в Финско-Кольской провинции северной тайги и лапландских аапа.
Внешними водоприемниками, дренирующими болото Пулозерское, являются ручьи. Ручей № 1 пересекает болотный массив с востока на запад и впадает в оз. Щучье. Площадь водосбора ручья составляет 6,8 км2, ширина не превышает 1,5 м. Дренирующее влияние ручья сказывается в развитии узкой полосы лесного микроландшафта с преобладанием произрастающей вдоль берегов березы.
С юга по болоту, пересекая кустарничковый и топяной микроландшафты, протекает ручей № 3, берущий начало вблизи оз. Сельга и также впадающий в оз. Щучье. Площадь водосбора - 8,1 км2. Ручей № 4 (площадь водосбора -20,6 км2) вытекает из оз. Щучье, протекает по обводненному участку в топя-ных берегах и впадает в Кол-озеро.
На рис. 1 приведена схема сетки линий стока болотных вод на Пулозерском болотном массиве, построенная по данным аэрофотосъемки и наземного обследования болота. Она хорошо отражает пути формирования стока на болоте. На схеме также отмечено размещение всех пунктов наблюдений за водно-тепловым режимом болота.
Водоприемником болотного массива Канозерское является ручей Ахма, впадающий в р. Муна, которая ограничивает болотный массив с севера. Ручей берет свое начало на юге массива, имеет хорошо выраженное русло шириной 2-3 м и глубину 0,5-1,0 м. Берега крутые, высотой 0,5-0,7 м, поросшие травяной растительностью и редкой березой. Дно ручья каменистое. Площадь водосбора в пределах болота - 6,16 км2.
На Алакурттинском болоте уклон с его центральной части наблюдается в двух направлениях: от топи - к востоку и западу. В западном направлении сток из старых осушительных канав осуществляется по ручью. В восточном, мочажины соединяются небольшими ручьями, из самой крайней вытекает ручей Восточный, имеющий хорошо выраженное русло шириной 1,0-1,5 м и глубиной 0,6- 0,9 м. Берега обрывистые, высотой 0,5-1,0 м, поросшие разнотравьем. Дно ручья - песчаное с примесью мелкой гальки.
Водоприемником Краснощельского болота являются несколько озер с площадью водного зеркала 0,1-0,2 км2. Самое большое - Кальвано-озеро (площадь водосбора 1,85 км2) разделяет болото на две части - северо-западную и юго-восточную. Озеро мелкое, берега обрывистые, высотой 0,5-1,0 м, сложены торфом. Из юго-восточной части озера вытекают два ручья: ручей № 1 с крутыми
Рис. 1. Сетка стока болотных вод на Пулозерском болотном массиве и расположение на этом объекте оборудования для измерения составляющих водно-теплового баланса: 1- осадкомер; 2 - плювиограф; 3 - пункт снегомерной съемки; 4 - гидрометрический створ; 5 - пункт измерения фильтрационных характеристик; 6 - испарители ГГИ Б-1000; 7 - водомерные скважины; 8 - пункты измерения промерзания болота; 9 - метеорологическая площадка; 10 - пункты измерения залежи на глубинах; подстрочными индексами показаны номера установок. Fig. 1. The network of the Pulozero marsh bog waters runoff and location of the equipment for gauging of the water/heat balance components: 1 - precipitation gage; 2 - pluviograph; 3 - snow gauging
survey point; 4 - hydrometric range; 5 - filtration characteristics gauging point; 6 - GGI B-1000 evaporators; 7 - water metering wells; 8 - the bog frost penetration depth metering posts; 9 - meteorological ground; 10 - points of measuring deep deposits; sub-indices show the devices' numbers.
берегами имеет русло шириной 0,5-1,0 м, глубину до 0,5 м, ручей Холодный протекает по всему юго-восточному участку болота. Ширина ручья на болоте 1,0-2,0 м, при выходе на суходол она возрастает до 4,0-5,0 м.
На всех водотоках организован учет стока воды. Оборудование пунктов наблюдения для изучения процессов формирования стока производилось по рекомендациям, изложенным в [5]. При анализе формирования стока использованы результаты наблюдений за составляющими водного и теплового баланса болот, полученные по наблюдениям на специализированной болотной станции.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Климатический сток
Оценку стока с болотного массива можно получить двумя способами: посредством наблюдений за процессом формирования стока на болоте и измерением его на дренирующем ручье и расчетным методом с определением составляющих водного баланса. Во втором случае определение климатического стока с болотного массива представляет решение упрощенного варианта уравнения водного баланса. Это потенциально возможный суммарный сток в пределах замкнутого контура болота, состоящий из горизонтальной составляющей (фильтрационный сток, в т. ч. и русловой) и вертикального водообмена с подстилающими грунтами.
Климатический сток (Ск) обусловлен двумя факторами: количеством выпавших осадков (О) и испарившейся почвенной влагой (И): Ск = О - И. Испарение с поверхности болота ежегодно определяли по испарителям ГГИ Б-1000 с регулируемым уровнем воды в приборе. Основные результаты по формированию процесса испарения на болоте и инструментальному методу его измерения приведены в работе [6].
Расчетным периодом является гидрологический год, который ограничивается временным интервалом от 1 ноября предыдущего года до 31 октября текущего года.
В табл. 1 приведены расчеты средних пятилетних значений климатического стока за период наблюдений с 1965 г. по 1993 г. на болотном массиве Пулозерский. Таблица 1. Климатический сток болотного массива Пулозерский по данным наблюдений за период 1965-1993 гг.
Table 1. Climatic runoff of the Pulozero marsh according to observation results over 1965-1993
Гидрологический год Осадки годовые, мм Испарение с болота, мм Климатический сток, мм
1966-1970 436 261 175
1971-1975 493 223 270
1976-1980 435 221 214
1981-1985 484 195 289
1986-1990 491 199 292
1991-1993 430 225 205
Среднее 464 220 243
Наибольшее 668 289 463
Наименьшее 354 153 94
При среднемноголетнем значении атмосферных осадков 463,8 мм, среднее многолетнее значение климатического стока равно 243,0 мм, что составляет 52,4 %. Климатический сток на болотах северо-запада России (на примере болота Ламмин-Суо по данным наблюдений с 1951 г. по 2012 г.) при среднегодовых осадках 858 мм и испарении 413 мм составляет 51,9 %.
Между среднемноголетними величинами климатического стока и атмосферными осадками (Окг) существует хорошо выраженная зависимость (рис. 2), описываемая уравнением вида:
С = 1,1406 О - 285,5 (мм)
к кг 4 '
при коэффициенте корреляции 0,935.
Рис. 2. Зависимость климатического стока от атмосферных осадков на Пулозерском болоте. Fig. 2. Dependence of the climatic runoff on atmosphere precipitation at the Pulozero marsh.
На территории России в XX в. наблюдался рост температуры воздуха, изменение осадков и стока в речных системах. На болотах северо-запада и севера Европейской территории России эти тенденции хорошо проявились [7, 9, 10], аналогичная ситуация выявлена и на болотах Кольского полуострова. В табл. 2 приведены оценки осадков и климатического стока на болоте Пулозерском за два периода: 1955 - 1980 гг. и 1981-1993 гг. Анализ данных показывает, что за период 1981-1993 гг. осадки возросли на 19,4 мм (4,2 %), испарение уменьшилось на 13,2 %, что в совокупности обусловило увеличение климатического стока на 22,9 %.
Таблица 2. Средние многолетние характеристики,
обусловливающие увеличение климатического стока при изменении климата Table 2. Average many-year characteristics determining the climatic runoff increase with the climate change
Расчетный период, год Атмосферные осадки, мм Испарение с болота, мм Климатический сток, мм
1955 - 1980 454,8 234,8 220,0
1981- 1993 474,2 203,7 270,5
Разность + 19,4 - 31,1 + 50,5
Тренд климатического стока (Ск) описывается уравнением вида:
Ск = 2,339 т - 4387 (мм),
где т - календарный год, начиная с 1966 г. Коэффициент корреляции (И) равен 0,206.
Формирование стока воды с болотных массивов
Сток воды с болотного массива осуществляется фильтрационным путем по деятельному слою торфяной залежи, вдоль по уклону к дренирующему водотоку от более высоких точек на водосборе к более низким. На периферийных участках болот с выпуклым профилем торфяной залежи формируются истоки вытекающих ручьев в зоне контакта с суходолом. Если профиль вогнутый, то дренирующий водоток располагается в зоне наиболее низких точек профиля. В обоих случаях образуется русло ручья, по которому осуществляется русловой сток болотных вод.
Вне зависимости от строения болот, сток с болот на Кольском полуострове имеет хорошо выраженный годовой ход. Изменение стока болотных вод в пределах гидрологического года имеет общую временную закономерность. Осенние осадки (около 20 % годовой суммы) наполняют пористую структуру деятельного слоя влагой до уровня полной капиллярной влагоемкости, вызывают подъем уровней болотных вод и увеличивают сток (по отношению к предшествующему периоду). На ручье № 1 (Пулозерское болото) средний сток октября увеличивается до 76 л/с.
Началу промерзания болота (конец октября - начало ноября) соответствует зимнее падение уровня и уменьшение стока. В декабре он снижается до 7,0 л/с. При промерзании залежи сток уменьшается по мере расходования запаса стокообразующей влаги и уменьшения проточной зоны в деятельном слое. Среднемесячная величина стока в марте понижается до 2,1 л/с. В ряде зим, при глубоком промерзании (50-60 см), сток отсутствует.
На мезоолиготрофном болоте, в отличие от олиготрофных, не наблюдается зимнего подъема уровня, обусловленного вытеснением воды растущими кристаллами льда [9]. Отсутствие подобного явления на мезоолиготрофном болоте можно объяснить наличием гидравлической связи болотных и грунтовых вод в зимний период.
Весной, в апреле, происходит снеготаяние. На болотах его продолжительность изменяется в пределах от 30 до 50 сут. На полевых, не облесенных, участках - не более 25-30 сут. Водоотдача начинается после стаивания до 30 % первоначального запаса воды в снеге. Талые воды заполняют свободную пористую структуру деятельного слоя, после чего происходит увеличение стока до своего годового максимума. Далее, в июне - августе, сток уменьшается под влиянием испарения до годового минимума. Осенние осадки вызывают увеличение стока.
Характеристики руслового стока с болотных массивов Кольского полуострова по данным натурных наблюдений приведены в табл. 3. Среднемного-летние годовые значения расходов воды на ручьях № 1 и № 3, которые форми-
руют сток на Пулозерском болоте и имеют близкую площадь водосборов - 6,8 и 8,1 км2, близки между собой, 69 и 72 л/с соответственно. Модуль годового стока на этих ручьях равен 10,1 и 8,9 л/с км2, в среднем - 9,5 л/с км2.
Таблица 3. Среднемноголетние месячные значения стока с болот Кольского полуострова, л/с
Table 3. Average many-year monthly values of the runoff from the Kola Peninsula marshes
Значение Месяц Среднее годовое
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Болото Пулозерское, ручей № 1. Период наблюдений 1965-1991 гг. Площадь бассейна 6,8 км2
Среднее 4 3 2 57 358 114 72 49 78 5б 27 10 б9
Наибольшее 10 11 7 340 б94 298 180 130 387 153 137 5б 124
Наименьшее 0 0 0 0 1б8 3б 18 12 18 10 3 1 3б
Болото Пулозерское, ручей № 3. Период наблюдений 1965-1978 гг. Площадь бассейна 8,1 км2
Среднее 10 7 б 35 33б 122 73 55 93 77 39 17 72
Наибольшее 23 1б 15 101 475 208 154 8б 405 17б 129 28 105
Наименьшее 3 0 0 2 153 75 3б 17 23 24 17 7 40
Болото Пулозерское, ручей № 4. Период наблюдений 1965-1978 гг. Площадь бассейна 20,6 км2
Среднее 55 45 41 9б 907 444 275 234 294 242 12б б9 234
Наибольшее 100 7б 73 382 1б1б 727 б40 385 888 481 239 139 355
Наименьшее 28 11 0 0 391 147 110 59 103 98 53 32 120
Болото Канозерское, ручей Ахма. Период наблюдений 1966-1987 гг. Площадь бассейна 6,16 км2
Среднее 8 8 14 1б2 2025 552 178 188 2б4 310 238 53 33б
Наибольшее 37 28 4б 859 3000 831 474 433 837 791 910 90 б95
Наименьшее 0 0 0 0 1450 180 19 б 21 15 9 12 143
Болото Алакурттинское, ручей Восточный. Период наблюдений 1968-1973 гг. Площадь бассейна 2,1 км2
Среднее 0 0 0 0 29 10 2 2 10 8 0 0 5
Наибольшее 0 0 0 0 54 20 б 5 14 10 0 0 б
Наименьшее 0 0 0 0 21 5 0 0 4 5 0 0 4
Среднегодовой русловой слой стока ручья № 1 за период наблюдений 19631977 гг. равен 334 мм. За сопоставимый период по ручью № 3 среднегодовой русловой сток меньше на 50 мм и равен 284 мм. На ручьях Пулозерского болота № 1, № 3 и № 4 наибольший годовой слой стока наблюдался в 1975 г. и, соответственно, был равен 674, 409 и 543 мм. Наименьший годовой сток отмечен в 1970 г. - 196, 156 и 184 мм соответственно. Таким образом, наибольший годовой слой стока в 2,5-3,5 раза больше наименьшего годового.
Если принять средний русловой слой стока за период стабилизации климата (1963- 1977 г.) равным 309 мм, а климатический сток равным 243 мм, то разность в 66 мм, вероятно, обусловлена притоком грунтовых вод и стоком воды на окрайки болота со стороны суходола. В период изменения климатических характеристик (1981 - 1990 гг.) этот совокупный приток равен 44 мм. Среднегодовой сток по ручью № 4 Пулозерского и ручью Ахма Канозерского болот, существенно больше, чем внутриболотных ручьев. Их сток формируется за пределами болота на минеральных почвах. Неравенство слоев стока, вероятно, объясняется неравенством грунтовых составляющих в водосборах этих ручьев.
На рис. 3 представлены совмещенные среднемесячные расходы воды в замыкающих ручьях на болотном массиве Пулозерское. Динамика годового хода стока по ручьям во всех фазах гидрологического режима синхронная, но величины стока различаются.
Синхронность гидрологического процесса по всей территории болотного массива обусловливает высокую коррелятивную связь между величинами стока дренирующих водотоков. Так, взаимоотношение между среднегодовыми величинами стока по ручьям № 1 (СГ1) и № 4 (СГ4) описываются выражением СГ4 = 2,456 СГ1 + 49,3 (л/с) при И равном 0,863. Аналогичное взаимоотношение по ручьям № 1 и № 3 (СГ3) имеет вид СГ3 = 0,647 СГ1 + 26 (л/с) при И = 0,928.
Месяц
Рис. 3. Осредненные за многолетний период среднемесячные расходы воды по ручьям,
вытекающим из Пулозерского болота: 1- ручей № 1; 2 - ручей № 3; 3 - ручей № 4. Fig. 3. Averaged many-year monthly water flows through the brooks flowing from the Pulozero marsh: 1 - brook No. 1, 2 - brook No. 3, 3 - brook No. 4.
С учетом того, что площадь водосбора ручья № 4 в три раза больше, чем ручья № 1, следует, что площадь водосборов ручьев не будет оказывать существенного влияния на среднегодовое распределение стока, выраженное в процентах от среднегодового. В табл. 4 приведено среднегодовое распределение стока с мезоолиготрофных болот. Из данных табл. 4 следует, что более 57-65 % годового стока образуется в период весеннего половодья. Зимний сток, включая декабрь, не превосходит 2,0-2,5 % годового. Сток в летнюю межень составляет не более 10-15 %. Таблица 4. Годовое распределение стока на болотах Кольского полуострова, в % от годового Table 4. Annual distribution of the Kola Peninsula marshes runoff in percentage from the annual one
Месяц
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Болото Пулозерское, ручей № 1 и № 2
0,50 0,50 0,20 6,80 44,0 13,0 8,90 6,00 9,00 6,90 3,00 1,20
Болото Канозерское, ручей Ахма
0,03 0,06 0,35 3,96 51,2 13,5 4,60 4,80 6,50 7,84 5,82 1,34
Дата начала весеннего половодья зависит от погодных условий и изменяется в пределах 15-20 сут. Дата наступления наибольшего расхода в среднем наблюдается 15 мая. Средний максимум за многолетний период наблюдений на ручье № 1 составляет 1227 л/с, что соответствует модулю стока 180,4 л/с км2. На ручье № 3 максимум равен 937 л/с км2, модуль - 115,7 л/с км2. Определяющими факторами весеннего половодья являются величина запасов воды в снежном покрове, количество осадков за период половодья и дружность весны. В зависимости от этих факторов изменяется и продолжительность весеннего половодья, в среднем оно продолжается 55 сут.
Форма гидрографа весеннего половодья зависит в основном от погодных условий в период снеготаяния. На рис. 4 приведены гидрографы весеннего половодья маловодного года (1970 г.) на ручьях Пулозерского болота. На ручье № 1 максимум половодья слабо выраженный, типичный для водосборов с преобладанием облесенных микроландшафтов. Деятельный слой этих микроландшафтов в предвесенний период обладает значительной свободной пористостью, поэтому интенсивного нарастания расхода не происходит. В первые 10-15 сут от начала водоотдачи со снега идет наполнение свободной пористости и только затем возрастание расхода с интенсивностью 40-45 л/с за сут. В водосборах, микроландшафты которых не облесены (ручей № 4), интенсивность нарастания половодья значительно большая - 249 л/с в сут.
На необлесенных микроландшафтах снеготаяние в начальной фазе имеет прерывистый характер, что определяется недостаточным притоком тепла со стороны приземного слоя атмосферы. В этот период приток воды в русло-
вую сеть незначителен, интенсивного подъема не наблюдается и только через 10-12 сут., когда среднесуточная температура воздуха становится устойчиво больше 0 °С, интенсивность стока резко возрастает и за 6-7 сут. наступает максимум весеннего половодья.
Снеготаяние на облесенных микроландшафтах начинается спустя 10-15 сут. от начала таяния снега на необлесенных ландшафтах. Это обстоятельство увеличивает продолжительность весеннего половодья на болотах.
Характерной особенностью формирования пиковых расходов на болотах Кольского полуострова является наличие мощного мерзлого деятельного слоя, который существует на протяжении значительной части весеннего половодья (рис. 4). Талые воды полуповерхностным слоем стекают по мерзлому подстилающему горизонту в дренирующие водотоки, увеличивая максимальные расходы. Связь их с грунтовыми водами при наличии мерзлого слоя затруднена и на первом этапе половодья отсутствует. Уровни болотных вод располагаются на глубине 20 см и ниже от поверхности болота. Отсутствие связи подтверждается тем, что в период максимума половодья наблюдаются очень низкие уровни болотных вод, которые возрастают на его спаде, т. е. уровни приближаются к поверхности болота, а расходы падают. Это противоречит физике процесса формирования стока. Падение уровня в период половодья происходит за счет уменьшения запасов болотных вод, аккумулированных в зоне ниже нижней границы промерзания.
Сутки, начнная с 25 мая
Рис. 4. Гидрографы весеннего половодья маловодного года: 1 - ручей № 1;
3 - ручей № 3; 4 - ручей № 4 Пулозерского болота.
Fig. 4 Hydrographs of the low water content year spring flood: 1 - brook No. 1;
3 - brook No. 3; 4 - brook No. 4, Pulozero marshes.
На рис. 5 отражено отсутствие зависимости расходов воды от уровней грунтовых вод на ручье № 1 Пулозерского болота в 1970 г. Расход начинает возрастать в период, когда толщина мерзлого слоя значительно уменьшается и восстанавливается гидравлическая связь между талыми и болотными водами. Таким образом, значительная часть летнего периода проходит
в условиях существования мерзлого слоя на болоте [4]. Когда мощность талого слоя достигает 20-25 см, устанавливается слабая коррелятивная зависимость расхода от уровня болотных вод: уровни приближаются к поверхности болота и расходы стока возрастают. Коэффициент корреляции данной зависимости не выше 0,66.
0 200 400 600 800
0 Т-Г-.-1-1
а
* „10 -------------------------
- ^ ♦
Е 1 s ♦
ю -20
I * ♦
* -зо -* 4 ♦--
♦
-35 —
Расход воды, ji/c
Рис. 5. Зависимость расхода воды и уровня болотных вод по ручью № 1 Пулозерского болота в 1970 г. в период половодья (красные точки) и в теплый период года (синие).
Fig. 5. Dependence between the water flow and bog water levels of the Pulozero Brook No. 1 in 1970 during the flood (red dots) and during the warm period (blue dots).
На олиготрофных болотах Северо-Запада России мощный мерзлый слой не наблюдается и он практически не оказывает существенного влияния на процесс формирования стока.
В табл. 5 приведены характеристики средних расходов весеннего половодья по ручьям, вытекающим с болот Кольского полуострова. Анализ таблицы показывает, что средние годовые расходы весеннего половодья на болотах увеличиваются с увеличением площади их водосборов. В первом приближении, в пределах Пулозерского болота, эта зависимость отчетливо видна: водосборы ручьев № 1 и № 3 имеют площадь 6,8 и 8,1 км2 и близкие расходы 1227 и 937 л/с соответственно, а водосбор ручья № 4, при площади 20,6 км2, имеет расход 3265 л/с. Наибольшие расходы весеннего половодья за соизмеримый период наблюдений 1965-1978 гг. также растут с увеличением площади водосбора. При приращении площади водосбора в 1 км2 расход половодья увеличивается на 158 л/с.
Модули в период наибольших расходов весеннего половодья по водотокам Пулозерского болота следующие: ручей № 1 - 316 л/с км2, ручей № 3 - 154 л/с км2, ручей № 4 - 343 л/с км2. Модуль среднегодового стока весеннего половодья данных ручьев в пределах Пулозерского болота изменялся от 116 до 180 л/с км2.
Результаты многолетних наблюдений за русловым стоком воды с болотного массива Пулозерское хорошо апроксиммируются биноминальной кривой распределения Пирсона III типа. Параметры кривых, приведенные в табл. 6, позволяют экстраполировать величины среднегодового стока и максимальных расходов весеннего половодья до заданных пределов обеспеченности. Данные
табл. 6 свидетельствуют о том, что изменчивость среднегодовых величин стока существенно меньше, чем наибольших расходов весеннего половодья. Коэффициент вариации первых изменяется в пределах от 0,24-0,34; вторых - от 0,28 до 0,58. В обоих рядах наблюдений вариация увеличивается с увеличением площади водосбора.
Таблица 5. Средние и экстремальные расходы весеннего половодья по ручьям, дренирующим болотные массивы Пулозерское и Канозерское Table 5. Average and extreme flows of the spring flood for the brooks that drain the Pulozero and Kanozero marshes
Болото, ручьи Период наблюдений, год Средний и экстремальный расход весеннего половодья, л/с
средний наибольший наименьший
Пулозерское болото
ручей № 1 1965-1991 1227 2149 540
ручей № 3 1965-1978 937 1248 344
ручей № 4 1962-1978 3265 7070 1740
Канозерское болото
ручей Ахма 1966-1987 4798 7210 2294
Таблица 6. Статистические характеристики среднегодовых и наибольших русловых расходов стока по ручьям Пулозерского болотного массива, л/с Table 6. Statistical characteristics of average annual and maximal bed runoff flows in respect of the Pulozero marshes, l/s
Характеристики Вероятность превышения, %
Ручей Средний CV CS Cv CS 1 5 10 25 50 75 95 99,5
Среднегодовые величины стока, л/с
№ 1 67,3 0,34 1,02 3,0 136 110 97,8 79,78 63,6 50,6 37,3 29,8
№ 3 73,3 0,24 0,0 0,0 114 102 95,5 85,2 73,3 61,5 44,4 28,0
№ 4 227 0,29 0,29 1,0 396 342 314 270 224 180 124 74,0
Наибольшие расходы весеннего половодья, л/с
№ 1 1241 0,41 0,41 1,0 2558 2124 1906 1558 1205 883 476 135
№ 3 948 0,28 -1,13 -4,0 1351 1289 1243 1147 997 806 434 0,0
№ 4 3403 0,58 2,04 3,5 10569 7373 5969 4162 2781 2003 1546 1468
Примечание: Cv - коэффициент вариации, CS - коэффициент асимметрии.
Дождевые паводки на ручьях Кольского полуострова наблюдаются ежегодно в сентябре и октябре, реже - в третьей декаде августа. Величина паводков зависит от слоя выпавших осадков и первоначальной обводненности деятельного слоя: чем выше уровень болотных вод, тем интенсивней реакция на выпадающие осадки и их количество. На рис. 6 показана динамика руслового стока ручья № 1 в сентябре 1970 г. При осадках меньше 1 мм/сут реакция стока практически не наблюдается, осадки 4,0 мм/сут вызывают заметную реакцию и сток возрастает. Наибольшее приращение стока отмечается на следующие сутки при осадках более 10 мм/сут.
200
2 s
■I
I
о
11 16 Число месяца
Рис. 6. Реакция руслового стока (1) на выпадающие осадки (2). Ручей № 1, Пулозерское болото, сентябрь 1970 г. (для соблюдения масштаба осадки увеличены в 10 раз).
Fig. 6. The bed runoff reaction (1) on precipitation (2). Brook No. 1, the Pulozero marsh, September, 1970 (to keep the scale correct precipitations are 10 times increased).
Основными факторами формирования минимального стока с болотных массивов являются погодные условия и степень увлажненности деятельного слоя. Годовой режим минимального стока по дренирующим болото ручьям характеризуется двумя независимыми периодами - зимней и летней меженью. Сток зимней межени не превосходит 2,0-2,5 % годового, в летнюю межень он составляет не более 10-15 %.
Начало зимней межени на внутриболотных ручьях обычно наблюдается через 10-15 сут после начала промерзания болота и может продолжаться до конца марта - первой декады апреля. В это время глубина промерзания достигает более 50 см и перекрывает весь деятельный слой. Сток плавно уменьшается до 1 л/с и далее, в большинстве зим - полностью отсутствует. На ручьях, прорезающих профиль торфяной залежи, меженный сток наблюдается весь зимний период. Формируется этот сток только грунтовыми водами, т. к. стокоформи-рующая влага деятельного слоя болот находится в мерзлом состоянии.
Начало наступления летней межени на ручьях Пулозерского болота происходит после спада весеннего половодья, в первой половине июня. Для июня и июля характерно значительное испарение (до 60-80 мм слоя испарившейся влаги) и относительно редкие осадки (в среднем 45 мм в июне). Выпадающие осадки вызывают кратковременный подъем уровня болотных вод и увеличе-
ние стока, но через 2-3 дня сток продолжает уменьшаться. По мере понижения уровня среднемесячный сток снижается до 47 л/с в августе. В отдельные годы сток августа равен 12-18 л/с. На болоте наступает глубокая летняя межень, модуль меженного стока близок к 6,9 л/с км2.
Таким образом, комплексные гидрометеорологические наблюдения на специализированной сети станций и постов Мурманского УГМС позволили детально изучить процесс формирования стока с болот Кольского полуострова и определить его основные характеристики.
ВЫВОДЫ
Установлено, что климатический сток с Пулозерского болота при среднегодовых осадках в 464 мм и испарении с болота 220 мм в среднем равен 243 мм. Между величинами атмосферных осадков и климатическим стоком существует хорошо выраженная зависимость с коэффициентом корреляции не ниже 0,935. Изменение климатических характеристик, увеличение осадков на 19 мм и уменьшение испарения на 31 мм обусловили увеличение климатического стока на 50 мм, т. е. на 22,9 %.
Динамика стока болотных вод имеет общую временную закономерность. Осенние осадки наполняют влагой пористую структуру деятельного слоя, вызывают подъем уровней болотных вод и увеличивают сток. Началу промерзания болота соответствует и начало зимнего уменьшения стока. При промерзании залежи сток уменьшается по мере расходования запаса стокообразующей влаги и уменьшения проточной зоны в деятельном слое, т. е. между нижней границей промерзания и нижней границей деятельного слоя болота, где коэффициент фильтрации практически равен нулю. При глубоком промерзании деятельного слоя (более 45 - 50 см) сток прекращается. За весь период наблюдений на Пулозерском болоте сток отсутствовал в 24 % зим, в феврале -апреле его не было в 42 % случаев. Весной, с середины апреля, начинается снеготаяние, общая его продолжительность изменяется в пределах от 30 до 50 сут. Водоотдача происходит после стаивания до 30 % первоначального запаса воды в снеге. Талые воды заполняют свободную пористую структуру слоя, после чего происходит увеличение стока до годового максимума. Далее, в июне - августе, сток под влиянием испарения уменьшается до годового минимума. Осенние осадки вызывают увеличение стока.
Наличие мощного промерзшего слоя залежи обусловливает различия в процессе формирования стока с мезоолиготрофных болот севера по сравнению с олиготрофными болотами северо-запада России. В современных условиях нижняя граница промерзания на этих болотах не опускается ниже нижней границы деятельного слоя залежи [4, 7, 8]. Поэтому зимний сток на этих болотах не лимитирован наличием проточной зоны, он ограничивается только запасом стокообразующей влаги в этой зоне.
Результаты многолетних наблюдений за стоком аппроксимируются биноминальной кривой распределения Пирсона III типа. Приведенные параметры кривых позволяют экстраполировать величины среднегодового стока и максимальные расходы половодья на не изученные в гидрологическом плане болота в иных районах Кольского полуострова.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванов К.Е. Основы гидрологии болот лесной зоны. Л.: Гидрометеоиздат, 1957. 500 с.
2. Болота Западной Сибири, их строение и гидрологический режим / Под ред. К.Е. Иванова, С.М. Новикова. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 447 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. Калюжный И.Л. Формирование глубин промерзания болот Кольского полуострова // Вестник Кольского научного центра РАН. 2017. № 1 (9). С. 124-138.
5. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Гидрометеорологические наблюдения на болотах. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. Вып. 8. 296 с.
6. Калюжный И.Л. Испарение с болот Кольского полуострова // Труды Кольского научного центра РАН. Прикладная экология Севера. 2021. Вып. 9, № 6. С. 292-304.
7. 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.
8. Батуев В.И., Калюжный И.Л. Анализ факторов, определяющих многолетние изменения стока с олиготрофных болот // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2020, № 6. С. 28-46. DOI: 10.35567/1999-4508-2020-6-2.
9. Иванов К.Е. Гидрология болот. Л.: Гидрометеоиздат, 1953. 296 с.
10. Водные ресурсы Нечерноземной зоны РСФСР. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 214 с.
REFERENCES
1. Ivanov K.E. Fundamental hydrology of the forest zone bogs. L.: Gidrometeoizdat, 1957. 500 p. (in Russ.).
2. Bogs of the Western Siberia, their structure and hydrological regime. Edited by K.E. Ivanov, S.M. Novikov. L.: Gidrometeoizdat, 1976. 447 p. (in Russ.).
3. Kalyuzhny I.L. Hydro/chemical regime and chemical composition of the Kola Peninsula mezzo/ olygotrophic bogs water. Bulletin of the Russian Academy of Sciences Kola Scientific Center. 2016. No. 3. P. 114-125. (in Russ.).
4. Kalyuzhny I.L. Formation of the frost penetration depth of the Kola Peninsula bogs. Bulletin of the Russian Academy of Sciences Kola Scientific Center. 2017. No. 1 (9). P. 124-138. (in Russ.).
5. Directions to hydro/meteorological stations and posts. Hydro/meteorological observations on bogs. L.: Gidrometeoizdat, 1972. Issue 8. 296 p. (in Russ.).
6. Kalyuzhny I.L. Evaporation from the Kola Peninsula marshes. Proceedings of the Russian Academy of Sciences Kola Scientific Center. Prikladnaya ekologiya Severa [Applied ecology of the North]. 2021. Issue 9, No. 6. P. 292-304. (in Russ.).
7. Kalyuzhny I.L., Romanyuk K.D. Changes of the Russian northern and northwestern bods water regime under the climatic factors influence. Metrorologiya i gidrologiya [Meteorology and hydrology], 2010. No. 7. P. 85-98. (in Russ.).
8. Batuyev V.I., Kalyuzhny I.L. Analysis of the factors determining many-year changes of runoff from oligotrophic marshes. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2020, No. 6. С. 28-46. DOI: 10.35567/1999-4508-2020-6-2. (in Russ.).
9. Ivanov K.E. Hydrology of bogs. L.: Gidrometeoizdat, 1953. 296 p. (in Russ.).
10. Water resources of the RSFSR Non-black Earth Zone. L.: Gidrometeoizdat, 1980. 214 p. (in Russ.).
Сведения об авторе:
Калюжный Игорь Леонидович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, заведующий гидрофизической лабораторией, ФГБУ «Государственный гидрологический институт», Россия, 199053, Санкт-Петербург, 2-я линия В.О., д. 23; Scopus Author ID: 6602575483; ID РИНЦ: 58201; e-mail: hfl@mail.ru About the author:
Igor L. Kalyuzhny, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Head, Hydro/physical laboratory, State Hydrological Institute, 2nd Liniya V.O., 23, St.-Petersburg 199053 Russia; Scopus Author ID: 6602575483; ID RSCI: 58201; e-mail: hfl@mail.ru
