ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕЯТЕЛЬНОГО СЛОЯ БОЛОТ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.4.16-28 УДК 556.56

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕЯТЕЛЬНОГО СЛОЯ БОЛОТ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА

И. Л. Калюжный, С. А. Лавров

ФГБУ Государственный гидрологический институт, г. Санкт-Петербург

Аннотация

На основании выполнения комплекса полевых и лабораторных работ проведены исследования и определены основные теплофизические характеристики деятельного слоя основных типов болот Кольского п-ова. Показано, что основным фактором, определяющим изменение теплофизических характеристик (объемной теплоемкости, коэффициентов температуропроводности и теплопроводности), является степень увлажнения и, в меньшей мере, плотность сухого вещества торфа. Коэффициенты теплопроводности в талом и мерзлом состоянии деятельного слоя возрастают при увеличении объемной влажности. Установлены обобщенные зависимости изменения теплофизических характеристик от объемной влажности для всех типов болот Кольского п-ова. Ключевые слова:

болота Кольского п-ова, удельная и объемная теплоемкость, коэффициенты тепло-и температуропроводности.

THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF THE ACTIVE LAYER OF THE KOLA PENINSULA BOGS

Igor L. Kalyuzhny, Sergey A. Lavrov

State Hydrological Institute, Saint Petersburg

Abstract

Keywords:

Studies have been conducted and the main thermophysical characteristics of the active layer of the main types of wetlands of the Kola Peninsula were determined on the basis of the implementation of a complex of field and laboratory works. It is shown that the main factor determining the change in thermal characteristics (volumetric heat capacity, thermal diffusivity and thermal conductivity) is the degree of moisture and, to a lesser extent, the density of peat dry matter. The volumetric heat capacity of the thawed active layer increases from 126-180 to 3704-3723 kJ/(m3-K) with changes in humidity from 0,0 to 85,4-84,6 %. The coefficients of thermal conductivity, in the thawed and frozen state of the active layer, increase with increasing volume humidity.It has been established that the dependences of the thermal conductivity on the peat moisture (W), in the thawed and frozen state, are approximated by equations of the form A = n еaW. For different types of bogs, the parameters of equations n and a are close to each other, which made it possible to create uniform dependencies for thawed and frozen peats of the main types of bogs on the Kola Peninsula. It has been established that the dependence of thermal diffusivity coefficient on humidity on all types of wetlands in the thawed state has two maxima. Its highest values are observed in the dry state of peat. In the frozen state of peat, the coefficient of thermal diffusivity increases from zero values to full capacity at which its highest values are observed.

bogs of the Kola Peninsula, specific and volumetric heat capacity, coefficients of thermal conductivity and thermal diffusivity.

Введение

Своеобразие почвенно-климатических условий Кольского п-ова, значительные трудности в осушении, освоении и эффективном использовании болот связаны со слабой изученностью их физических свойств, в том числе и теплофизических характеристик деятельного слоя. Строительство линейных сооружений и мелиоративных систем на болотах требует проведения специальных теплофизических расчетов, которые позволяют оценить

их взаимодействие с окружающей природной средой. Для решения подобных задач необходимым и достаточным является знание комплекса теплофизических характеристик болот этого региона.

В современной гидрофизике болот теплофизические характеристики — это слабо изученная область научного знания. Первые исследования в этом направлении были выполнены В. В. Романовым и О. Д. Рожанской [1, 2], С. С. Корчуновым [3], в дальнейшем — К. К. Павловой [4], Р. И. Гаврильевым и С. В. Елисеевым [5], А. В. Павловым [6], Л. Т. Романом [7] и др. В основном исследования проводились в зоне олиготрофных болот, в северной зоне европейской территории России, в том числе и на болотах Кольского п-ова, определение этих характеристик не проводилось.

Цель настоящей работы — измерение основных теплофизических параметров болот Кольского п-ова в их естественном и осушенном состоянии.

Краткое описание объектов исследования

Полевые работы по обследованию болотных массивов и отбору монолитов торфа для лабораторных исследований проводились в следующих пунктах:

• на естественном олиготрофном болоте (провинция Финско-Кольской северной тайги и лапландских аапа), в районе участка «Колвица», г. Кандалакша;

• на болотном массиве Фенноскандийской провинции березовой лесотундры и крупнобугристых болот, расположенном в 50 км от г. Мурманска, на левом берегу р. Тулома;

• на мезотрофном болотном массиве Карело-Финской провинции северной тайги и аапа-болот, расположенном вблизи пос. Лоухи (Республика Карелия);

• на евтрофном болотном массиве (сфагново-осоково-березовый микроландшафт), Корзинского стационара.

Краткое описание болотных массивов приведено в работе [8].

Методы определения теплофизических характеристик

Основными факторами, оказывающими влияние на передачу тепла в деятельном слое, являются: содержание влаги, плотность торфа, пористость, размер и форма пор. Последние влияют на конвективную и лучистую составляющую теплообмена. Ранее Н. С. Ивановым [9] было установлено, что конвекция возникает в порах диаметром больше 10 мм при температурном перепаде свыше 0,3 °С, что в торфе практически не наблюдается [8]. Лучистая составляющая в грунтах, согласно [9 и др.], не превышает 0,1 % теплопереноса, при радиусе пор 3 мм конвективная составляющая не превосходит 0,13 % общего теплового потока. Согласно [10], размеры пор в торфе не могут превышать 3-5 мм. Отсюда следует, что, несмотря на значительную пористость торфа, лучистой теплопроводностью и конвективным теплопереносом можно пренебречь. В основном перенос тепла в деятельном слое болот осуществляется путем молекулярной (кондуктивной) теплопроводности. Таким образом, знание основных теплофизических характеристик, вытекающих из теории молекулярной теплопроводности, является необходимым условием для решения задач тепломассопереноса в деятельном слое болот.

Исследование теплофизических характеристик деятельного слоя болот проводилось Гидрофизической лабораторией Государственного гидрологического института путем полевых и лабораторных работ, при этом определяли комплекс основных теплофизических характеристик, который дает исчерпывающее представление о тепловых свойствах деятельного слоя.

Важнейшие теплофизические характеристики комплекса — объемная теплоемкость еР, коэффициент теплопроводности X, а также коэффициент температуропроводности К.

Коэффициент теплопроводности X определяет способность торфяной залежи проводить тепло, он равен величине тепла, переносимого в единицу времени, при градиенте температуры, равном единице.

Объемная теплоемкость характеризует способность торфяной залежи к нагреву или охлаждению.

Коэффициент температуропроводности численно равен коэффициенту теплопроводности торфяной залежи с объемной теплоемкостью, равной единице.

Между собою они связаны уравнением:

K = Х/ор, (1)

где о — удельная теплоемкость сухого вещества торфа; р — его плотность.

Это позволяет, если известны две из тепловых характеристик, вычислить третью неизвестную величину.

В лабораторных условиях для определения теплопроводности обычно применяют метод регулярного режима Г. М. Кондратьева [11]. Этим методом непосредственно определяют коэффициент К, а коэффициент X рассчитывают по уравнению (1). Погрешность определения теплофизических характеристик этим методом не ниже 2-4 % в талом состоянии влаги и 5-8 % — в мерзлом [4].

При определении показателей в лабораторных условиях промороженный монолит торфа извлекают из транспортного контейнера и разрезают на слои заданной толщины. Образец для вычисления коэффициента температуропроводности К вырезают из этих мерзлых слоев и помещают в тонкостенную медную бюксу диаметром 40 мм и высотой 70 мм. Образец размораживают и выдерживают в термостате при заданной температуре в течение 4-6 сут. В центр образца устанавливают термопару, далее проводят опыты с талым образцом по методике [11, 12], изменяя степень его увлажнения.

Коэффициент температуропроводности мерзлого торфа определяется аналогично опытам при положительных температурах, однако при этом в термостатах используют жидкости, не замерзающие при отрицательных температурах.

Опыты по определению удельной теплоемкости сухого вещества торфа производят калориметрическим методом смешения с использованием лабораторного калориметра и образцов торфа, помещенных в тонкостенные медные бюксы, по методике, изложенной в работе [13].

Обсуждение результатов определений теплофизических характеристик

Теплоемкость деятельного слоя. Теплоемкость характеризует способность торфяной залежи к нагреву или охлаждению и равна (численно) количеству тепла, необходимого для изменения температуры единицы объема (или массы почвы) на один градус. Различают удельную и объемную теплоемкость.

Удельная теплоемкость — это теплоемкость твердой фазы абсолютно сухого вещества торфа. В табл. 1 приведены результаты ее определения в микроландшафтах неосушенных мезоолиготрофных болот: сфагново-осоково-березового и сфагново-осокового, кочковатого. На нижней границе деятельного слоя (слой 30-40 см) показатели удельной теплоемкости практически идентичные — 1,0563 и 1,0626 кДж/(кг-К). В пределах всего деятельного слоя (0-40 см) ее средние значения близки — 1,0020 и 1,0099 кДж/(кг-К). На более низких горизонтах торфяной залежи (40-80 см) средние значения отличаются на 25,5 %, что обусловлено степенью разложения торфа и, как следствие, плотностью его сухого вещества.

Между удельной теплоемкостью (с) и плотностью сухого вещества торфа (р) на мезоолиготрофных болотах существует зависимость, выраженная уравнением вида:

с = -0,0014р + 1,167, (2)

коэффициент корреляции которой равен 0,773.

Результаты определения удельной теплоемкости олиготрофных болотных массивов показали, что на нижних границах деятельного слоя сфагново-кустарничкового и сфагново-соснового микроландшафта этих болот удельная теплоемкость равна 1,0393 и 1,0086 кДж/(кг•K) соответственно (табл. 2). Ее средние значения для деятельного слоя (0-40 см) равны 1,0928 и 0,9892 кДж/(кг-К) соответственно

Результаты сравнения удельной теплоемкости деятельного слоя мезоолиготрофных и олиготрофных болот свидетельствуют о практически полном их совпадении. В среднем различия не превышают 1 %. Учитывая вышеизложенное, величину удельной теплоемкости сухого вещества деятельного слоя для мезоолиготрофных и олиготрофных болот можем принять, равной 1,0235 кДж/(кг-К).

Таблица 1 Table 1

Зависимость удельной теплоемкости от объемной плотности деятельного слоя неосушенных мезоолиготрофных болотных массивов

Dependence of the specific heat capacity of the active layer of the dry meso-oligotrophic bog massifs

Параметры Глубина слоя, см / Depth of layer, cm

Parameters 0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80

Сфагново-осоково-березовый микроландшафт / Sphagnum-sedge-birch microlandscape

Объемная плотность сухого

торфа, кг/м3 75 70 59 97 180 269 243 267

Volume density of dry peat, kg/m3

Удельная теплоемкость,

кДж/(кг-К) 0,9642 1,0287 0,9588 1,0563 0,8449 0,7729 0,7879 0,7423

Specific heat capacity, kJ/(kg-K)

Сфагново-осоковый, кочковатый микроландшафт / Sphagnum-sedge, bumpy microlandscape

Объемная плотность сухого

торфа, кг/м3 130 147 145 138 121 125 153 158

Volume density of dry peat, kg/m3

Удельная теплоемкость,

кДж/(кг-К) 0,9625 0,9969 1,0178 1,0626 1,0689 1,1003 1,0530 1,0011

Specific heat capacity, kJ/(kg-K)

Таблица 2 Table 2

Зависимость удельной теплоемкости от объемной плотности деятельного слоя неосушенных олиготрофных болотных массивов

Dependence of the specific pecific heat capacity of the active layer of undrained oligotrophic bog massifs

Параметры Parameters Глубина слоя, см / Depth of layer, cm

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 100-110

Сфагново-кустарничковый микроландшафт / Sphagnum-shrub microlandscape

Объемная плотность сухого торфа, кг/м3 Volume density of dry peat, kg/m3 106 86 103 113 115 93 87 89 -

Удельная теплоемкость, кДж/(кг-К) Specific heat capacity, kJ/(kg-K) 1,1443 1,0739 1,1137 1,0393 1,0065 1,0727 1,0153 1,0027 -

Сфагново-сосновый микроландшафт / Sphagnum-pine microlandscape

Объемная плотность сухого торфа, кг/м3 Volume density of dry peat, kg/m3 89 144 189 183 181 167 194 187 551

Удельная теплоемкость, кДж/(кг-К) Specific heat capacity, kJ/(kg-K) 0,9701 0,9692 1,0090 1,0086 1,1489 1,0965 1,0132 1,0157 0,8307

Удельная теплоемкость верхового торфа, согласно определению Л. Т. Романа [7], равна 1,68 кДж/(кг-К), низинного — 1,92 кДж/(кг-К). В расчетах удельную теплоемкость воды принимают равной 4,20 кДж/( кг•K), льда — 2,10 кДж/(кг-К).

Объемная теплоемкость деятельного слоя в талом и мерзлом состоянии. Объемная теплоемкость равна количеству тепла, которое необходимо для изменения температуры 1 м3 торфа на 1 °С.

В работах [12, 14] показано, что теплоемкость всех грунтов — величина аддитивная, т. е. равна сумме теплоемкостей составляющих компонентов. Ее предложено выражать через удельные теплоемкости компонентов среды, теплота фазовых превращений при этом не учитывается. Из этого следует, что объемная теплоемкость деятельного слоя и торфяной залежи при положительной температуре рассчитывается как сумма объемных теплоемкостей сухого вещества торфа и воды. В качестве примера в табл. 3 приведена зависимость объемной теплоемкости от влажности верхнего и нижнего горизонта деятельного слоя осушенного мезоолиготрофного болота с 26-летним периодом освоения. Анализ табл. 3 показывает, что объемная теплоемкость возрастает от 126-180 до 3704-3723 кДж/(м3-К) при изменении влажности слоев от 0,0 до 85,4-84,6 %.

Таблица 3 Table 3

Зависимость объемной теплоемкости от влажности торфа на верхней и нижней границах

деятельного слоя осушенного мезоолиготрофного болота в районе г. Мурманска Dependence of the volume heat capacity on the peat moisture in the upper and lower boundaries of the active layer of a dried mesooligotrophic bog near the city of Murmansk

Влажность слоя, % объема Layer moisture, % of volume Объемная теплоемкость, ср кДж/(м3-К) Volumetric heat capacity Cp, kJ/(m3-K) Влажность слоя, % объема Layer moisture, % of volume Объемная теплоемкость, ср кДж/(м3-К) Volumetric heat capacity Cp, kJ/(m3-K)

Слой 0-10 см. Плотность сухого вещества 197 кг/м3 Layer 0-10, cm. Density of dry matter is 197 kg/m3

84,6 3723 33,3 1575

73,0 3239 23,5 997

65,6 2929 13,1 729

54,0 2443 0,0 180

43,5 2003

Слой 50-60 см. Плотность сухого вещества 114 кг/м3 Layer 50-60, cm. Density of dry matter is 114 kg/m3

84,6 3723 33,3 1575

73,0 3239 23,5 997

65,6 2929 13,1 729

54,0 2443 0,0 180

43,5 2003

Объемная теплоемкость мерзлого слоя при стабилизации фазовых превращений представляет собой сумму удельных теплоемкостей сухого вещества торфа, льда и незамерзшей воды. На рис. 1 приведен график зависимости изменения объемной теплоемкости от температуры и влажности (Ж) деятельного слоя. В диапазоне температур от 0 до -5 °С теплоемкость значительно снижается, и далее ее уменьшение относительно стабилизируется по мере понижения

температуры до —10___—15 °С. Согласно рис. 1, теплоемкость также уменьшается при понижении

влажности торфа.

При высокой влажности торфа (55-80 %) значительная часть воды находится в свободном состоянии. Замерзает эта вода при температуре 0 °С, теплоемкость при этом изменяется скачком. При показателях влажности порядка 15-20 % вся вода находится в связанном состоянии, а тепловые характеристики в области фазовых превращений изменяются очень плавно.

Но на величину теплоемкости при промерзании или оттаивании почвы воздействует тепловой эффект фазового превращения воды. Тогда, согласно работе Н. С. Иванова [9], объемную эффективную теплоемкость промерзающей залежи можно рассчитать по формуле

(Ср)эф = Ср + СвРв + СлРл + LpsWu/dT,

(3)

где р, рв, Рл — плотность сухого вещества торфа, воды и льда соответственно; с, Св, Сл — удельная теплоемкость сухого вещества торфа, воды и льда соответственно; L — удельная теплота плавления льда, равная 336 кДж/кг, LрвWш/dТ — изменение объемного содержания незамерзшей воды при изменении температуры на 1 °С.

W=75% W=55% W=30% W=20% W=15%

Л-5 \-1—1 $-ж жжжж

2500 2000 1500 1000 500 0

О

л н

о §

S <и о ч с

<и н

§ «

и

<и

ю О

15

-10 -5

Температура, ° С

Рис. 1. Зависимость объемной теплоемкости деятельного слоя осушенного мезоолиготрофного болота от температуры и влажности (W, % объема)

Fig. 1. The dependence of the volumetric heat capacity of the active layer of the dried mesooligotrophic bog on temperature and humidity (W, % of volume)

Теплопроводность деятельного слоя болот. На основании более 530 лабораторных опытов с образцами деятельного слоя залежи (в их талом и мерзлом состоянии) были получены значения теплофизических характеристик от определяющих факторов для основных типов болот Кольского полуострова.

Установлено, что основным фактором, определяющим изменение коэффициента теплопроводности, является содержание влаги в форме воды или льда. Математическая обработка полученных результатов позволила выразить зависимость величины коэффициента теплопроводности от степени увлажнения слоев торфа в их талом и мерзлом состоянии в виде:

n е

aW

(4)

где X — коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); п и а — безразмерные параметры, определяемые экспериментально; е — основание натуральных логарифмов; W — влажность торфа, % от объема.

На рис. 2 приведена зависимость Хт = f(W) для сфагново-осокового микроладшафта мезоолиготрофного болота (пос. Лоухи) при положительных температурах, аппроксимируемая уравнением

Хт = 0,036 е°,°29^ (5)

коэффициент корреляции которой равен 0,97.

С увеличением влажности, согласно графику, возрастает и теплопроводность торфа.

Постепенное увеличение влажности от нулевых значений до 55 % определяет и плавное увеличение теплопроводности. При влажности более 55-60 % происходит резкое ее увеличение. При небольшой влажности с увеличением толщины водной пленки коэффициент теплопроводности повышается незначительно до тех пор, пока отдельные пленки не сольются в сплошную, затем он растет высокими темпами по мере увеличения их толщины и ликвидации свободной от воды пористости. При влажности около 90 % коэффициент Хт приближается к величине молекулярной теплопроводности воды.

0

0,7

0,6

0,5

к н о о К

3

и о,

§ ? 0,4

4 S с ч^

(U ^

И 0-3

(U

К

а

я

о «

0,2

0,1

Ф

•

• /

/

л, и* •.

_ .........•

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Влажность, % объема

0

0

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопроводности (Хт, Вт/(м^К)) от влажности талого торфа деятельного слоя сфагново-осокового микроландшафта

Fig. 2. Dependence of the coefficient of thermal conductivity (Xth, W/(m-K)) on the moisture of the thawed peat of the active layer of the sphagnum-sedge microlandscape

Было установлено, что изменение степени разложения торфа, в диапазоне от 2 до 20 %, а также его видовой состав, не влияют на характер полученной зависимости. Объясняется это тем, что увеличение теплопроводности происходит в основном за счет образования пленочной влаги на контактах частиц торфа и неразложившихся остатков растений. Ввиду незначительного количества органического вещества теплопроводность обусловлена в основном только толщиной водных пленок.

В табл. 4 приведены результаты определения и обобщения коэффициентов теплопроводности деятельного слоя основных типов болот Кольского п-ова в талом и мерзлом состоянии.

Анализ полученной зависимости Хт = f(W) для образцов, отобранных на основных типах болот Кольского п-ова, показывает, что они близки между собой. Безразмерные параметры n и а изменяются в узких пределах: n — от 0,036 до 0,055; а — от 0,024 до 0,029. Это позволяет создать единую зависимость Хт = f(W) для всех типов болот полуострова в виде:

Хт = 0,044 е0'02^ (6)

при коэффициенте корреляции 0,957 и длиной ряда 300 членов.

Полученная зависимость вполне удовлетворяет требования расчетов теплового режима болот (рис. 3).

При небольшой общей влажности торфа — до 15-20 % (в зависимости от температуры образца) коэффициенты теплопроводности слабо зависят от фазового состояния воды. При общей влажности до 25-30 % соотношение Хм/Хт изменяется незначительно — от 0,85 до 1,00, однако при более высокой влажности (больше 30 %) теплопроводность мерзлого торфа деятельного слоя становится значительно выше теплопроводности талого, что обусловлено большей теплопроводностью льда по сравнению с водой. Теплопроводность воды равна 0,503 Вт/(м-К), тогда как теплопроводость льда — 2,450 Вт/(м-К). Таким образом, изменение фазового состава воды, в свою очередь, вызывает изменение тепловых свойств деятельного слоя.

Коэффициенты теплопроводности деятельного слоя болот в их талом (Хт) и мерзлом (Хм) состоянии

The thermal conductivity coefficients of the wetlands active layer in their thaw (Xth ) and frozen (Х/ ) state

Таблица 4 Table 4

Интервалы Intervals Зависимость Хт = f (W) Dependence Xth = f (W) Интервалы Intervals Зависимость Хм = f(W) Dependence Xf=f(W)

p, г/см3 W, % об. p, g/cm3 W, vol% Уравнения Equations R p, г/см3 W, % об. p, g/cm3 W, vol% Уравнения Equations R

Мезоолиготрофное болото / Mesooligotrophic swamp

Сфагново-осоковый микроландшафт, разрез 20, пос. Лоухи Sphagnum-sedge microlandscape, incision 20, Louhi Village

0,121-0,125 0-80 Хт = 0,038 e°,°29W 0,98 0,121-0,147 0-80 Хм = 0,023 e°,°48W 0,98

0,125-0,158 3-87 Хт =0,036 e°,°29W 0,97 - - - -

Евтрофное болото / Eutrophic swamp

Сфагново-осоково-березовый микроландшафт, разрез 1, Корзинский стационар Sphagnum-sedge-birch microlandscape, incision 1, Korzinsky stationary area

0,059-0,269 0-86 Хт = 0,043 e°,°27W 0,96 0,059-0,097 0,3-86 Хм =0,048 e°,°41W 0,98

- - - 0,179-0,269 0,9-85 Хм =0,024 e°,°42W 0,92

Олиготрофное болото / Oligotrophic swamp

Сфагново-кустарничковый микроландшафт, разрез 8, г. Кандалакша Sphagnum-shrub microlandscape, incision 8, town of Kandalaksha

0,086-0,114 0-89 Хт = 0,055 e°,°25W 0,98 0,086-0,114 0-89 Хм = 0,046 e°,°4W 0,98

Сф S агново-сосновый микроландшафт, разрез 12, р. Тулома phagnum-pine microlandscape, incision 12, Tuloma River

0,089 и < 0-83 Хт = 0,053 e°,°29W 0,96 0,089-0,551 0-90 Хм = 0,105 e°,°29W 0,92

0,144-0,551 0-90 Хт = 0,041 e°,°27W 0,96 - - - -

Примечания: p — плотность сухого вещества; W — влажность торфа; R — коэффициент корреляции.

Notes: p — dry substance density; W — moisture peat; R — correlation coefficient.

Полученные показатели зависимости коэффициента теплопроводности мерзлых торфов показывают, что их теплопроводность зависит в основном от общего влагосодержания. Как и в случае талой залежи, коэффициент теплопроводности мерзлых торфов аппроксимируется экспоненциальной зависимостью (4). Параметры зависимости (4) основных типов болот в их мерзлом состоянии (см. табл. 4) близки между собой. Обобщающая их зависимость имеет следующий вид при коэффициенте корреляции 0,912 (рис. 4):

Хм = 0,052 е0'037^. (7)

Обобщенная зависимость для микроландшафтов олиготрофных болот описывается уравнением вида:

Хм = 0,069 (8)

при несколько большем коэффициенте корреляции R, равном 0,932.

Главным фактором, определяющим изменения коэффициента температуропроводности при положительных температурах, является объемная влажность и, в значительно меньшей мере, объемная масса сухого вещества торфа. На рис. 5 приведена эта зависимость для сфагново-осокового микроландшафта олиготрофного болота.

Рис. 3. Единая обобщенная зависимость коэффициента теплопроводности (Хт, Вт/(м-К) от влажности (W, % объема) в талом состоянии деятельного слоя всех типов болот Кольского п-ова

Fig. 3. The unified generalized dependence of the thermal conductivity coefficient (Xh, W/(m-K) in the thawed state on humidity (W, % by volume) of the active layer of all types of Kola Peninsula wetlands

s

H о о н W о в о CP ^

gs

H ^ H H

as CO

<u S Я S

-e -e

rn

о К

2 1,8 1,6 1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

• • • •

% •

• • As/

• j*

# / %

• • yf

•

9 Ш» % '

• •• i Vv-^ /&Ч.» W » • •

t*Ш • •

20 40 60

Влажность, % объема

80

100

0

Рис. 4. Единая обобщенная зависимость коэффициента теплопроводности (Хм, Вт/(м-К) от влажности (W, % объема) в мерзлом состоянии деятельного слоя всех типов болот Кольского п-ова

Fig. 4. The unified generalized dependence of the thermal conductivity (X/, W/(m-K) on humidity (W, % by volume) in the frozen state of the active layer of all types of the Kola Peninsula wetlands

Зависимость К = / (Ж) имеет два максимума. Первый максимум с наибольшим значением коэффициента температуропроводности наблюдается при абсолютно сухом состоянии торфа, согласно рис. 5, на мезоолиготрофном болоте при влажности 0,0 % К = 0,0076-0,009 м2/с. Второй максимум наблюдается при влажности около 90 %, он несколько меньше первого. На олиготрофных болотах, в сфагново-сосновом и сфагново-кустарничковом микроландшафтах, первый максимум варьируется от 0,006 до 0,009 м2/с, второй — от 0,008 до 0,012 м2/с соответственно.

0,009 а- 0,008 ö § 0,007 g | 0,006 с о £ 0,005 S О <2 | % 0,004 <и £ 0,003 <и к к 0,002 . Q о 0,001 0 0

«

• \ • • • /

\ ш /

• Ч • Л

• • N » •

< • ( • • • • / • • •

) 20 40 60 80 100 Влажность, % объема

Рис. 5. Зависимость коэффициента температуропроводности (K, см2/с) от влажности талого торфа деятельного слоя сфагново-осокового микроландшафта

Fig. 5. Dependence of thermal diffusivity (K, cm2/s) on moisture of the thawed peat of the active layer of sphagnum-sedge microlandscape

Характерной особенностью полученной зависимости является уменьшение коэффициента температуропроводности при возрастании влажности от нулевых значений до 38-40 %, что соответствует внутриклеточной влагоемкости. Данный факт объясняется тем, что на этом отрезке зависимости K = f (W) объемная теплоемкость возрастает быстрее, чем коэффициент температуропроводности. Но далее, с увеличением влажности, данный коэффициент резко повышается и достигает второго максимума.

Учитывая эту особенность полученной зависимости, мы разделили ее на две ветви — нисходящую и восходящую. Полученные результаты обобщенной зависимости K = f (W) для болот Кольского п-ова при положительных температурах приведены в табл. 5. Использование данных показателей позволяет надежно определять теплофизические характеристики на болотных массивах, не исследованных ранее.

Экспериментальным путем установлено, что температуропроводность мерзлого торфа в основном зависит от его общей влажности. Коэффициент температуропроводности увеличивается с ростом общей влажности (рис. 6). Для всех типов болот Кольского п-ова зависимость KM = fW) хорошо выражена и имеет высокий коэффициент корреляции от 0,96 до 0,99. Результаты обобщения полученных зависимостей приведены в табл. 6.

Таблица 5 Table 5

Обобщенные зависимости коэффициента температуропроводности (K105, см2/с) образцов деятельного слоя основных типов болот Кольского п-ова при положительных температурах

Generalized dependences of the thermal diffusivity (K105, cm2/s) of the samples of active layer of the main types of Kola Peninsula wetlands at positive temperatures

Плотность сух. вещ., г/см3 Density of dry matter, g/m3 Диапазон Нисходящая ветвь Восходящая ветвь

влажности, Descending branch Rising branch

% объема Humidity range, % of volume Уравнение K = f (W) Equation K = f (W) R Уравнение K = f (W) Equation K = f (W) R

Мезоолиготрофное болото / Mesooligotrophic swamp

Сфагново-осоковый микроладшафт, разрез 20, пос. Лоухи Sphagnum-sedge microlandscape, incision 20, Louhi Village

0,121-0,158 0-52,8 Kt = 444,14 e-0-013W 0,78

0,121-0,158 52,8-87,0 Kt = 47,158 e°-029W 0,92

0,121-0,158 0-87,0 Kt = 0,1785 W2 - 15,045 W + 554,5 0,91

Евтрофное болото / Eutrophic swamp

Сфагново-осоково-березовый микроландшафт, разрез 1, Корзинский стационар

Sphagnum-sedge-birc г microlandscape, incision 1, Korzinsky stationary area

0,059-0,180 0-50,0 Kt = 687,14 e-0,025W 0,78

0,180-0,269 50,0-86,5 Kt = 87,448 e0,021W 0,87

0,059-0,269 0-86,5 Kt = 0,2024 W2 - 18,623 W + 677,2 0,85

Олиготрофное болото / Oligotrophic swamp

Сфагново-кустарничковый микроландшафт, разрез 8, г. Кандалакша Sphagnum-shrub microlandscape, incision 8, town of Kandalaksha

0,086-0,115 0-43,3 Kt = 805 e-0-025W 0,87

0,086-0,115 43,3-89,0 Kt =149,55 e-0,025W 0,85

0,086-0,115 0-89,0 Kt = 0,264 W2 - 26,265 W + 924,2 0,89

Сфагново-сосновый микроландшафт, разрез 12, р. Тулома Sphagnum-pine microlandscape, incision 12, Tuloma River

0,089-0,227 0-50,0 Kt = 0,377 W2 - 26,132W+ + 692,2 0,91

0,089-0,227 50,0-90,3 Kt =78,86 e-0-0212W 0,85

0,089-0,551 0-90,3 Kt = 0,203 W2 - 18,636 W + 652,9 0,88

Таблица 6 Table 6

Обобщенные зависимости коэффициента температуропроводности (K-105, см2/с) основных типов болот Кольского п-ова при отрицательных температурах

Generalized dependencies of thermal diffusivity coefficient (K 105, cm2/s) of the main types of the Kola Peninsula wetlands at negative temperatures

Диапазон характеристик / Range of characteristics Зависимость Км = f(W) Dependence Kf=fW) R

Плотность сух. вещ., г/см3 Density of dry matter, g/cm3 Влажность, % объема Humidity, % of volume

Мезоолиготрофное болото / Mesooligotrophic swamp

Сфагново-осоковый микроландшафт, разрез 20, пос. Лоухи Sphagnum-sedge microlandscape, incision 20, Louhi Village

0,121-0,158 12,8-86,0 Км = 203,05 e0-0306W 0,971

Окончание таблицы 6 Table 6 (Continued)

Диапазон характеристик / Range of characteristics Зависимость Km = f(W) Dependence Kf=f(W); R

Плотность сух. вещ., г/см3 Density of dry matter, g/cm3 Влажность, % объема Humidity, % of volume

Евтрофное болото, разрез 1, Корзинский стационар Eutrophic swamp, incision 1, Korzinsky stationary area

Сфагново-осоково-березовый микроландшафт / Sphagnum-sedge-birch microlandscape

0,059-0,097 2,0-85,0 Km = 592,15 e°,°181W 0,963

0,180-0,268 0,0-86,5 Km = 0,523 W - 127,9 0,990

Олиготрофное болото / Oligotrophic swamp

Сфагново-кустарничковый микроландшафт, разрез 8, г. Кандалакша Sphagnum-shrub microlandscape, incision 8, town of Kandalaksha

8,0-90,0 Km = 421,21 e0,022W 0,970

Сфагново-сосновый микроландшафт, разрез 12, р. Тулома Sphagnum-pine microlandscape, incision 12, Tuloma River

0,089-0,551 0,0-90,0 Km = 199,48 e0,029W 0,921

s

т

с

о

н

«

о

rn

о

a

G

о

CP

Sy

о

CP IN

е G с

S

е

т

т

н

е

S

a

S

fo

о

«

0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005

•

•ft

w

• •/ / 9

VC.

•Jj **......•

20 40 60 80

Влажность, % объема

100

Рис. 6. Зависимость коэффициента температуропроводности (K, см2/с) от влажности мерзлого деятельного слоя сфагново-осокового микроландшафта Fig. 6. The dependence of the thermal diffusivity (K, cm2/s) on moisture of the frozen active layer of sphagnum-sedge microlandscape

Выводы

Проведен комплекс полевых и лабораторных работ, на основании которых выполнены исследования и определены теплофизические характеристики деятельного слоя мезоолиго-, олиго- и евтрофных болот Кольского п-ова. Показано, что основным фактором, определяющим изменение теплофизических характеристик (объемной теплоемкости, коэффициентов температуро- и теплопроводности), является степень увлажнения и, в меньшей мере, плотность сухого вещества торфа. Определена зависимость изменения теплофизических характеристик от объемной влажности для всех типов болот Кольского п-ова.

0

0

Установлено, что объемная теплоемкость талого деятельного слоя возрастает от 126-180 до 3704-3723 кДж/(м3-К) при изменении влажности от 0,0 до 85,4-84,6 %. Показатели зависимости коэффициента теплопроводности от влажности торфа в талом и мерзлом состоянии аппроксимируются уравнениями вида X = n еаШ. Для различных типов болот параметры уравнений n и а близки между собой, что и позволило создать единые зависимости для талых и мерзлых торфов основных типов болот Кольского п-ова.

Показано, что величина коэффициента теплопроводности в талом и мерзлом состоянии деятельного слоя возрастает при увеличении объемной влажности.

Установлено, что зависимость коэффициента температуропроводности от влажности на всех типах болот в талом состоянии имеет два максимума. Первый максимум наблюдается в абсолютно сухом состоянии торфа, на мезоолиготрофном болоте он равен 0,0076-0,009 м2/с; второй пик наблюдается при влажности около 90 %, он и несколько меньше первого. На олиготрофных болотах распределение максимумов подвергается тем же закономерностям. Такой вид зависимости объясняется тем, что при увеличении влажности от 0 % до уровня внутриклеточной влагоемкости объемная теплоемкость возрастает быстрее, чем коэффициент теплопроводности, но далее с увеличением влажности коэффициент температуропроводности увеличивается и достигает второго максимума.

Показано, что в мерзлом состоянии торфа коэффициент температуропроводности возрастает от нулевых значений до максимума при полной влагоемкости.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Романов В. В., Рожанская О. Д. Опыт исследования физических свойств промерзшего слоя болот // Труды ГГИ. 1948. Вып. 7 (61). С. 93-105. 2. Романов В. В., Рожанская О. Д. Тепловые свойства сфагнового очеса // Труды ГГИ. 1949. Вып. 13 (67). С. 63-74. 3. Корчунов С. С. Теплопроводность торфа // Торфяная промышленность. 1948. № 2. С. 15-19. 4. Павлова К. К. Тепловые свойства деятельного слоя болот // Труды ГГИ. 1969. Вып. 177. С. 119-155. 5. Гаврильев Р. И., Елисеев С. В. Тепловые свойства торфа. Методы определения тепловых свойств горных пород. М.: Наука, 1970. С. 145-153. 6. Павлов А. В. Теплофизика ландшафтов. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1979. 285 с. 7. Роман Л. Т. Мерзлые торфяные грунты как основания сооружений. Новосибирск: Наука, 1987. 222 с. 8. Калюжный И. Л. Содержание незамерзшей влаги в сезонно мерзлом деятельном слое болот Кольского полуострова // Вестник Кольского научного центра РАН. 2019. № 3. С. 55-64. 9. Иванов Н. С. Тепло- и массоперенос в мерзлых горных породах. М.: Наука, 1969. 239 с. 10. Калюжный И. Л. Гидрофизические свойства деятельного слоя болот Кольского полуострова // Вестник Кольского научного центра РАН. 2019. № 1. С. 14-29. 11. Кондратьев Г. М. Регулярный тепловой режим. М.: Гостехиздат, 1954. 408 с. 12. Романов В. В. Гидрофизика болот. Л.: Гидрометеорол. изд-во, 1961. 359 с. 13. Агрофизические методы исследования почв. М.: Наука, 1966. 259 с. 14. Порхаев Г. В., Фельдман Г. М., Федорович Д. И. Теплофизика промерзающих и протаивающих грунтов. М.: Наука,1964. 197 с.

Сведения об авторах

Калюжный Игорь Леонидович — кандидат технических наук, заведующий гидрофизической лабораторией Государственного гидрологического института E-mail: hfl@mail.ru

Лавров Сергей Алексеевич — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник гидрофизической лаборатории Государственного гидрологического института E-mail: lavrov@ecopro.spb.ru

Author Affiliation

Igor L. Kalyuzhny — PhD (Engineering), Head of the Laboratory of Hydrophysics of the State Hydrological Institute

E-mail: hfl@mail.ru

Sergey A. Lavrov — Doctor of Sciences (Engineering), Leading Researcher of the Laboratory of Hydrophysics of the State Hydrological Institute E-mail: lavrov@ecopro.spb.ru

Библиографическое описание статьи

Калюжный, И. Л. Теплофизические свойства деятельного слоя болот Кольского полуострова / И. Л. Калюжный, С. А. Лавров // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2019. — № 4 (11). — С. 16-28.

Reference

Kalyuzhny Igor L., Lavrov Sergey A. Thermophysical Properties of the Active Layer of the Kola Peninsula Bogs. Herald of the Kola Science Centre of RAS, 2019, vol. 4 (11), рp. 16-28. (In Russ.).