Гидродинамические характеристики болотных массивов

Любой болотный массив, являющийся мезоландшафтом или макроландшафтом, представляет собой закономерно построенную систему, состоящую из ряда болотных микроландшафтов (или болотных фаций), различающихся по составу и структуре растительного покрова и соответственно по физическим свойствам дея-тельного горизонта. Для того чтобы расчеты гидрометеорологического режима болотных массивов могли опираться на результаты исследований физических свойств растительного покрова и торфяной залежи болот, необходимо, чтобы все экспериментальные определения этих свойств относились к определенным типам болотных микроландшафтов, которые являются элементарной структурной географической единицей болот.

К основным гидродинамическим характеристикам болотных массивов относятся: 1) уровни грунтовых болотных вод, амплитуды их колебаний и изменения уровней по территории болотного массива; 2) закономерности изменения водопроводимости деятельного горизонта и торфяной залежи по глубине и по территории болотного массива; 3) закономерности изменения водоотдачи деятелыюго слоя и торфяной залежи при изменении уровней грунтовых вод; 4) толщина деятельного горизонта и ее изменения по территории массива; 5) проточность воды в деятельном слое и в торфяной залежи, ее изменения по глубине торфяной залежи и по площади болотного массива; 6) модуль проточности и его изменения по площади болотного массива.

Для каждого данного типа микроландшафта перечисленные характеристики, отнесенные к деятельному горизонту, должны оставаться неизменными в пределах занимаемой им площади. Поэтому изменения их по территории болотного массива в общем случае определяются числом болотных микроландшафтов и их расположением на нем. Болотным мезоландшафтам разных типов, для которых характерны определенные закономерности в распо-ложении микроландшафтов, свойственны и соответствующие закономерности изменения гидродинамических характеристик.

В болотных макролаидшафтах, обладающих значительно большим разнообразием входящих в них микроландшафтов и более сложным их взаимным расположением, изменения гидродинамических характеристик по территории следует рассматривать по определенным характерным направлениям, в качестве которых удобно принимать направления наибольших уклонов поверхности болота, перпендикулярные к горизонталям поверхности и хорошо определяемые с помощью аэрофотосъемки. Эти направления называются линиями стекания.

Таким образом, болотная система любой сложности строения может быть охарактеризована соответствующими закономерностями изменения гидрологических характеристик по ее территории.

Амплитудой колебаний уровня называется расстояние между наивысшим и наинизшим положением уровня за некоторый промежуток времени. В соответствии с этим можно говорить о годовой, месячной, декадной, суточной, многолетней амплитуде колебаний уровней.

Проточностью в болотных массивах называется поток влаги, или расход воды, фильтрующейся в инертном и деятельном горизонтах ниже уровня грунтовых вод, через единицу площади поверхности, ортогональной к градиенту давления в данном месте (рис. 45). На рисунке представлена торфяная залежь на минеральном грунте с четырьмя гидрологически значимыми поверхностями: поверхностью болота, уровнем болотных грунтовых вод, нижней границей деятельного горизонта и дном болота на минеральном грунте.

Рис. 45. Разрез болотного массива вдоль линии стекания

1 — поверхность болота, 2 — уровень болотных грунтовых вод.

В дальнейшем будем рассматривать только горизонтальную составляющую проточности в деятельном горизонте, пренебрегая горизонтальной и вертикальной проточностью в инертном горизонте ввиду относительной малости ее по сравнению с деятельным горизонтом. Проточность описывается формулами

_zo

qz = i § kz dz

^z

где qz — горизонтальный фильтрационный расход через вертикальное поперечное сечение высотой zо — z и шириной, равной единице; i— уклон поверхности болота в направлении линии стекания, равный уклону поверхности грунтовых болотных вод; z— расстояние уровня воды в деятельном горизонте от поверхности болота; zo — толщина деятельного горизонта; kz — коэффициент фильтрации в деятельном горизонте, являющийся функцией глубины. Или формулой

qz = i(zо — z)ko

где kо - средний коэффициент фильтрации kо в фильтрующем слое zо — z данного микроландшафта.

Обе зависимости называются фильтрационными характеристиками болотного микроландшафта. В пределах площади болотного массива, занимаемой одним и тем же микроландшафтом, фильтращюнные характеристики остаются неизменными.

Совокупность функций kz = f(z), kо = f1(z), q = f2 (z) и £ = £ (z) и средних многолетних значений z, qz и kо называется гидрологической характеристикой болотного микроландшафта, должны оставаться неизменными в пределах площади болотного массива, занимаемой одним и тем же типом болотного микроландшафта.

Отношение единичного горизонтального расхода qz при уровне грунтовых вод z к уклону средней поверхности болота i называется модулем горизонтальной проточности и обозначается Мz. Из представленных зависимостей следует, что модуль проточности имеет выражение

Мz= qz / i

и может быть подсчитан по известным эмпирическим зависимостям kz = f(z) для каждого типа болотного микроландшафта.

Модуль проточности является, таким образом, некоторой функцией уровней грунтовых вод и характеризует горизонтальную водопроводимость деятельного горизонта болотных микроландшафтов различных типов при данном уровне грунтовых вод z Зная значения Mz и уклон средней поверхности в данном микроландшафте i, можно подсчитать горизонтальную проточность для любого уровня грунтовых вод

qz = Мz∙ i

Значения модулей проточности в горизонтальном направлении характеризуют интенсивность водообмена болотного массива в данном его месте и являются сравнимыми физическими характеристиками для различных типов болотных микроландшафтов.

Cоответственно средний модуль проточности Мz, представляет собой отношение средней многолетней горизонтальной проточности qz к уклону поверхности болотного массива в данной точке.

Учитывая сформулированную выше гидрологическую характеристику болотного микроландшафта легко убедиться, что при сохранении неизменным значения Мz могут меняться все три гидрологические характеристики болотного микроландшафта: zо, z и ko или kz = f(z). Таким образом, любое конкретное значение среднего модуля проточности Мz выражает собой такую группу взаимосвязанных микроландшафтов, для которых при соответствующих им возможных изменениях значений zо, z и ko произведение (zо — z) ko равно данному значению модуля. Иначе говоря, выражения расчета проточности qz и модуля Мz являются условием, показывающим, какая группа микроландшафтов представляется данным значением среднего модуля проточности Мz.

Сопоставление различных закономерностей изменения модулей проточности Мz по территориям болотных массивов (представленных мезоландшафтами или макроландшафтами), очевидно, позволяет сравнивать различные болотные мезо- и макроландшафты. Закономерность изменения среднего модуля проточности Мz вдоль любой линии стекания si может быть в общем случае различной, поэтому гидрологической характеристикой болотного массива в наиболее общей форме является совокупность функций выражающих многообразие изменения модуля проточности вдоль линий стекания на всей территории болотного массива.

Мz = fi(si)