Болота

Образование и распространение болот

Определение болота. Болото - участок земной поверхности, характеризующийся обильным застойным или слабо проточным увлажнением верхних горизонтов почво-грунтов, на которой произрастает специфическая болотная растительность, приспособленная к условиям обильного увлажнения и недостатка кислорода в почве.

Если мощность отложившегося торфа такова, что корни основной массы растений достигают подстилающего минерального грунта, то в этом случае избыточно увлажненные участки суши относятся к заболоченным землям или к болотам в начальной стадии их развития.

В задачу гидрологии входит изучение гидрологического (и особенно водного) режима болот как в начальных стадиях их образования (заболоченные земли и заболачивающиеся водоемы), так и в последующих фазах развития (болотные массивы).

Деление заболоченных территорий на заболоченные земли и болота в значительной мере является отражением различия в составе растительности. Чисто болотные формы растительных группировок появляются не одновременно с началом процесса заболачивания. Пока толщина торфа невелика и корневые системы основных видов растений не отрываются от минеральной почвы, подстилающей торф, растительный покров включает растения, характерные для условий как болотного, так и неболотного обитания.

В связи с тем что условием, определяющим существование на избыточно увлажненных территориях тех или других растительных ассоциаций является в первую очередь водный режим, указанное различие между заболоченными землями и болотами в последующей стадии их развития имеет и гидрологическое значение. Помимо определения болота как гидрологического объекта, имеются определения, в которых болото рассматривается как объект добычи торфа, т. е. с точки зрения наличия или отсутствия в нем запасов топлива.

Так, Всесоюзная конференция по кадастру болот в 1934 г. предложила определять болота как избыточно увлажненные участки земной поверхности, покрытые слоем торфа глубиной не менее 30 см в неосушенном и 20 см в осушенном виде.

Образование болот и их типы. Степень заболоченности территории находится в прямой связи с условиями ее обводнения.

В зоне избыточного увлажнения, где среднее многолетнее значение годовых осадков значительно превышает испарение с суши, обусловливая более или менее постоянное увлажнение верхних горизонтов почво-грунтов, процессы болотообразования имеют наиболее широкое распространение. В этой зоне значительная часть влаги, не расходуемая на испарение с поверхности суши, должна удаляться в виде поверхностного и грунтового стока. При равнинном рельефе с малыми уклонами избыток влаги из поверхностных почво-грунтов отводится чрезвычайно медленно.

На обширных площадях создаются благоприятные условия для переувлажнения почвы застойными водами. Только в районах с всхолмленным рельефом и хорошо развитой речной сетью не наблюдается возникновение болот. Напротив, на обширных плоских междуречных пространствах болота не только располагаются в отрицательных элементах рельефа (понижениях местности, котловинах, долинах или оврагах), но часто покрывают их сплошными массивами. В зоне неустойчивого увлажнения болотные массивы приурочены в основном к котловинообразным бессточным понижениям местности, озерным котловинам и речным долинам. В зоне недостаточного увлажнения болота встречаются редко и располагаются либо в поймах рек, либо в глубоких долинах и впадинах, где избыток влаги создается в результате разливов рек или выходящими на поверхность грунтовыми водами.

Болота могут возникать или путем зарастания водоемов, или вследствие заболачивания водораздельных пространств. Непрерывно продолжающийся процесс выноса в озеро минеральных и органических частиц грунта, смытых с водосборной площади озера, а также отложение отмирающих растений, в большом количестве развивающихся в озере, обусловливают постепенное его обмеление. Вместо высоких камышей и тростников, развиваются мелководные растения - хвощи, осоки и многие другие водолюбивые растения, отложения которых хотя и поднимаются над поверхностью воды в озере, но затопляются весенними и летними высокими водами, отлагающими принесенные или взмученные частицы ила. Таким образом, на месте водоема образуется болото, более низкое по положению, называемое поэтому в классификации низинным, по растительности его называют травяным. Продолжающиеся отложения отмирающих трав поднимают поверхность торфяных массивов все выше и выше, пока она не перестанет затопляться весенней водой, следовательно, минеральных частиц на нее оседает уже меньше. Поэтому осоки, нуждающиеся для своего роста в минеральных солях, начинают замещаться кустарниковой и древесной растительностью. Болото из стадии травяного переходит в лесное или переходное. Дальнейший процесс накопления органических веществ при отсутствии увеличения минеральных солей обусловливает смену растительного покрова, выражающуюся в исчезновении осок и всего разнотравья, свойственного переходным болотам, и в развитии взамен этого сфагновых мхов.

Поверхность болота благодаря быстрому нарастанию сфагнума поднимается все выше и выше и принимает по отношению к периферии выпуклую форму; болото переходит в стадию сфагнового по характеру основной растительности и верхового по положению поверхности.

Сфагновый покров, разрастаясь в высоту и образуя выпуклую форму болота, распространяется и вширь, выходя за пределы водоема, на котором он первоначально возник. Следовательно, первоначальное продвижение сфагнового покрова от периферии к центру водоема сменяется затем продвижением его за пределы этого водоема с захватом прилегающих суходолов.

В климатических условиях северной половины СССР осадков выпадает больше, чем расходуется влаги на испарение, поэтому излишек воды скапливается на поверхности болота сначала в форме мочажин, а затем в виде вторичных озер и русел вторичных речек, дно и берега которых образованы торфом.

Таким образом, на месте первоначального водоема образуется в течение долгого времени сначала травяное болото, затем лесное и, наконец, сфагновое, на котором может вновь появиться мелководное озеро с торфяным дном и берегами. Процесс зарастания озер происходит различно в зависимости от крутизны подводных склонов озера. Характеристика основных черт процесса зарастания озер при пологих и крутых склонах, приводящего к образованию с течением времени на месте озера болота, приведена в разделе 6.

Нередко болота образуются не путем зарастания водоемов, а непосредственно на минеральном грунте. Этот процесс может осуществиться в следующих различных условиях.

1. Равнинный рельеф и наличие на поверхности или близ нее водонепроницаемого слоя (обычно глины) ведут к постоянному избыточному содержанию влаги в верхнем горизонте грунта. Благоприятным условием для развития болот в этом случае является водонепроницаемость почв, создающаяся часто залегающим под лесом непроницаемым, так называемым ортштейновым слоем, или слоем красной руды из сцементированной материковой породы. Под покровом елового и соснового леса в этих условиях на плодородном грунте появляются обычно зеленые мхи - первый вестник начинающегося заболачивания. Зеленые мхи постепенно вытесняются сфагнумом, который, облекая стволы деревьев и будучи насыщен водой, прекращает доступ воздуха к их корням, в результате чего лесная растительность гибнет и на месте леса оказывается сфагновое болото.

2. Часто процесс заболачивания развивается на месте вырубленного леса не только в низинах, но и на возвышенных местах. Лесосека покрывается злаками, образующими при благоприятных условиях плотную дернину, которая препятствует возобновлению древесной растительности и способствует застаиванию влаги. Этот процесс способствует развитию влаголюбивой растительности, заглушающей оставшиеся после леса растения. Через несколько лет появляется мох-сфагнум и образуется моховое болото.

3. Заболачивание наблюдается также после лесного пожара. Развивающаяся на пожарище растительность образует основу, на которой затем разрастаются подушки сфагнума, постепенно сливающиеся в сплошной сфагновый ковер.

4. Низинные болота с осоковой растительностью и с малой мощностью отложений торфа могут образоваться в условиях затрудненного стока весенней воды с поймы речных долин в русло реки.

5. Заболачивание приречных низменностей происходит также вследствие поднятия уровня воды в реке в результате устройства плотин; в этом случае одновременно имеет место как затопление водой с поверхности, так и подтопление площади в результате поднятия грунтовой воды. Развивающаяся осоковая растительность способствует накоплению растительных остатков, удерживающих в себе влагу: на этой основе затем развиваются мхи.

6. Часто происходит заболачивание неширокой полосы у подножия склона речной долины вследствие выхода здесь грунтовых вод.

7. Очагами заболачивания водоразделов служат иногда мелкие впадины, возникающие как провалы на местах выноса грунтовыми водами растворимых солей, а также на участках механического выноса мелкопесчаного грунта из-под слоя глины. Образующиеся в провальной западине болота разрастаются и создают сплошные водораздельные массивы.

8. В области тундры причиной заболачивания является весьма малое испарение с поверхности земли и неглубокое залегание слоя вечной мерзлоты. Вечная мерзлота и глина задерживают воду у поверхности земли, а сравнительно высокая температура вегетационного периода и влажный летний климат способствуют развитию травяной растительности, содействующей заболачиванию.

Развитие болотных массивов на минеральных грунтах может осуществляться или путем распространения процесса заболачивания от центральных частей зоны заболачивания к периферии (центрально-олиготрофный ход развития болотного массива), или, наоборот, от периферии к центру (периферически-олиготрофный ход развития болотного массива).

Сочетание растительных ассоциаций, возникающее при обильном водно-минеральном питании, характерном для условий низинных болот, образует так называемую евтрофную болотную растительность, т. е. растительность, нуждающуюся в достаточно обильном питании минеральными солями.

Растительность, развивающуюся на болотах в условиях бедного питания минеральными солями при водном питании за счет атмосферных осадков и весьма слабой проточности вод, что характерно для верховых болот, называют олиготрофной болотной растительностью.

Выделяют еще мезотрофную болотную растительность, объединяющую виды болотных растений, мало требовательных к минерализации болотных вод и произрастающих при обедненных минеральными солями водах в условиях средней и слабой проточности.

Евтрофная, мезотрофная и олиготрофная растительность болот часто называется соответственно низинной, переходной и верховой растительностью. При центрально-олиготрофном ходе развития болотного массива смена евтрофной растительности на мезотрофную и затем олиготрофную происходит вначале в центральных частях, наиболее удаленных от границ болотного массива. На окраинах массива в месте контакта с суходолом евтрофная и мезотрофная растительность сохраняется часто до поздних стадий развития массива, если проточность вод и минеральное питание на периферии массива уменьшаются незначительно по мере торфонакопления.

При периферически-олиготрофном ходе развития болотного массива смена евтрофной и мезотрофной болотной растительности вначале происходит на периферии массива, а затем лишь в его центральных частях.

Указанное деление болот на верховые, низинные и переходные достаточно четко отражает главнейшие стадии их развития, особенности водного питания и характера растительного покрова, но не затрагивает условия их залегания относительно рельефа местности. Исходя из геоморфологических условий залегания рельефа поверхности и связанных с ними условий водного питания и растительного покрова, болотные массивы, по К. Е. Иванову, можно разделить на две основные группы: первая - болота водораздельных междуречных пространств и вторая - болота речных долин.

В состав первой группы входят болотные массивы:

1) плоско-водораздельного залегания,

2) водораздельно-склоновые плоского залегания,

3) котловинного залегания.

Во вторую группу входят болотные массивы:

1) пойменные,

2) террасные,

3) староречий.

Болота плоско-водораздельного залегания характеризуются тем, что они располагаются на обширных плоских водораздельных равнинах, покрывая сплошным слоем торфяных отложений и наиболее высокие точки речных водоразделов. Воды с них стекают в различных направлениях, поступая в разные речные бассейны.

Для болот котловинного залегания, расположенных на междуречных водораздельных пространствах, характерно наличие стекания вод к болотному массиву со склонов котловины, окружающих болото. Такие массивы могут быть расположены в полностью замкнутых и бессточных котловинах, в проточных понижениях, в котловинах, из которых имеется сток вод по одному или нескольким ручьям-водоприемникам при отсутствии впадающих ручьев, и, наконец, в котловинах, впадинах и депрессиях с впадающими в них ручьями, но не имеющих руслового стока.

Пойменные болотные массивы (рис. 149), покрывающие поймы рек, характеризуются тем, что стекание вод с таких массивов происходит по всему фронту дренирования их рекой. Эти массивы имеют поверхность, иногда горизонтальную, а чаще слабо наклоненную в сторону русла реки.

Террасные болотные массивы (рис. 149) отличаются от пойменных тем, что в силу своего более высокого залегания по отношению к уровню воды в реке они не подвергаются периодическим затоплениям речными водами в периоды половодья и паводков. При широких и плоских террасах такие болотные массивы имеют горизонтальное залегание. В ряде других случаев они залегают на пологих сглаженных склонах террас, а также во впадинах и в понижениях у подножий крутых склонов вышерасположенных террас. В последнем случае террасные болотные массивы называют притеррасными.

Болотные массивы староречий обычно занимают небольшие площади. Они могут располагаться как на древних надпойменных террасах, так и в староречьях современных пойм, представляя в этом случае более молодые образования типа заболоченных водоемов.

Морфологические особенности строения болот. Болото является сложным природным образованием. Чтобы иметь возможность исследовать физические свойства и особенности гидрологического режима различных болотных массивов, необходимо выявить основные сравнительно однород-ные элементы, из сочетания которых в последующем складываются слож-ные болотные комплексы.

В качестве простейшего болотного образования может быть принята часть болотного массива, однородная по характеру растительного покрова, микрорельефу поверхности и физическим свойствам верхних горизонтов торфяной залежи. Такую элементарную часть болотного массива называют болотным микроландшафтом.

Сочетание болотных микроландшафтов образует простой болотный массив, или болотный мезоландшафт, возникший из одного первичного очага заболачивания и отграниченный от других болотных массивов неза-болоченными землями. Сочетание нескольких болотных мезоландшафтов, сложившееся в результате развития и слияния простых болотных массивов, представляет собой болотный макроландшафт, или сложный болотный массив.

Площади болотных микроландшафтов колеблются в широких пределах: от нескольких гектаров до десятков и даже сотен квадратных километров. В основу существующих классификаций болотных микроландшафтов положены главным образом ботанические признаки. По этим признакам различаются лесные, травяно-лесные, древесно-моховые, травяные, мохово-травяные, моховые и комплексно-моховые микроландшафты с детализацией их по видовому составу растений применительно к низинным (евтрофным), переходным (мезотрофным) и верховым (олиготрофным) болотам.

При оценке гидрологического режима болот наибольший интерес представляет выделение микроландшафтов не только по типу растительного покрова, но и по рельефу болота и его гидрографической сети. Такая классификация в настоящее время разработана лишь для верховых болот. Для этих болот в группе комплексно-моховых микроландшафтов различают комплексы:

а) грядово-мочажинные,

б) грядово-озерково-мочажинные,

в) грядово-озерковые,

г) озерково-мочажинные.

В зоне верховых болот грядово-мочажинные и грядово-озерковые микроландшафты занимают обычно от 50 до 60% площади. В зоне низинных болот, например в Полесье, преобладают низинные моховые и мохово-травяные болотные микроландшафты: в Барабинской низменности - травяные низинные микроландшафты.

Болотная гидрографическая сеть. Совокупность располагающихся на территории болотных массивов ручьев, речек, озер различных размеров и топей называется болотной гидрографической сетью. Все многообразие элементов гидрографической сети можно разделить на три основные группы: водоемы, водотоки и топи.

Болотные водоемы представляют собой болотные озера разных размеров с различной проточностью воды.

Болотные озера по площади распространяются иногда на несколько квадратных километров, а глубины в них достигают 10 м и более. Берега часто сложены на глубину нескольких метров из торфяной толщи, а дно - либо минеральными грунтами, подстилающими торфяную залежь, либо илом и торфяными отложениями.

Большая часть крупных озер представляет собой остатки древних озерных водоемов, существовавших еще до образования болотных массивов. Иногда такие озера расположены в центре выпуклости современных болотных массивов. Медленный сток воды лишь путем фильтрации через торфяную залежь приводит к тому, что уровни в таких озерах за счет атмосферного питания отосадков, выпадающих на их площадь, поддерживаются на высоте 5-8 м над периферией болотных массивов.

В большом количестве на болотах встречаются микроозерки, происхождение которых связано с современным рельефом болотных массивов и фильтрационным движением воды в верхнем слое болот. Микроозерки обычно располагаются в местах, где приток воды со склонов вышерасположенных участков болотных массивов не компенсируется столь же интенсивным стеканием вод.

Внутриболотные водотоки, как и водоемы, представляют собой либо заторфовывающиеся и постепенно зарастающие ручьи и речки, существовавшие еще до образования современных болотных массивов и называемые первичными, либо ручьи и речки, возникшие уже на сформировавшемся болотном массиве, называемые вторичными.

Топями называются сильно переувлажненные участки болотных массивов, характеризующиеся разжиженной торфяной залежью, постоянным или периодическим высоким стоянием уровней воды и непрочной рыхлой дерниной растительного покрова. В зависимости от интенсивности водообмена в них топи можно разделить на застойные, характеризующиеся фильтрационным движением воды в верхнем слое болота, и проточные, характеризующиеся движением воды поверх растительного покрова в периоды максимального увлажнения болотных массивов.

Распределение болот на территории СССР и их использование. Общая площадь болот и заболоченных земель СССР оценивается в 210 млн. га, что составляет 9,5% всей территории. Из этого количества на Европейскую территорию приходится 60 млн. га или около 12% площади суши, а на Азиатскую - 150 млн. га, или 9% суши.

По отдельным ландшафтным зонам распределение болот следующее.

В зоне тундры (с лесотундрой) болота занимают около 18% всей площади. Вследствие низких температур процесс образования торфа здесь затруднен, поэтому болота характеризуются малой мощностью торфа и преимущественное распространение получают заболоченные земли.

Наиболее благоприятные условия для образования болот имеются в лесной зоне, где находится основная масса болот и около 80% всех запасов торфа.

Основными в лесной зоне являются верховые болота. Болота других типов - низинные и переходные - здесь менее распространены.

Наиболее заболочены районы в пределах лесной зоны Карелии и Кольского полуострова, где болота занимают около 30% поверхности.

В пределах Севера СССР болота и заболоченные леса занимают около 20%. Высокой степенью заболоченности отличается Полесье, охватывающее большую часть бассейна р. Припяти. Здесь преобладают травяные болота в поймах рек.В пределах Западно-Сибирской низменности болота занимают до 70% территории. Здесь выделяется массив Васюганских болот, тянущихся на сотни километров.

Среди болот лесной зоны Западно-Сибирской низменности преобладают верховые болота. Далее на восток заболоченность лесной зоны уменьшается. Это связано с повышением рельефа в Центральной и Восточной Сибири и худшими условиями для развития болот вследствие наличия вечной мерзлоты и большой континентальности климата.

В лесной зоне Дальнего Востока заболоченность низменностей (Зея-Буреинская, Нижне-Амурская, Приуссурийская, Приханкайская и др.) достигает 15-20%. В этих районах распространены различные разновидности низинных болот и в том числе заболоченные луга и леса на водораздельных плато, плоских склонах и в поймах рек. Верховые болота, за исключением побережья Охотского и Берингова морей, имеют небольшое распространение.

Климатические условия зоны лесостепи не столь благоприятны для развития болот, как более северные районы, тем не менее здесь имеются значительные заболоченные площади, тянущиеся узкими полосами по долинам рек и оврагам. Развиты преимущественно низинные болота, часто приуроченные к местам выхода грунтовых вод, являющихся источником их питания. Общая заболоченность этой зоны около 4 %.

Только в лесостепной зоне Западно-Сибирской низменности встречаются верховые болота, носящие местное название "рямы".

Для зоны степей характерно дальнейшее уменьшение болот и заболоченных земель, на долю которых приходится всего 2% площади. Таким образом, по мере движения на юг болота становятся все более редким явлением, практически не играющим роли в общем водном балансе. В степях, как правило, отсутствуют процессы торфонакопления.

В зоне полупустыни торфяники отсутствуют совершенно. Обычные болота пресноводного питания также крайне редки. Наиболее значительные из них можно отметить в дельте р. Волги и в пойме нижнего течения р. Урала.

Встречаются заболоченные земли без торфа, характеризующиеся временным избыточным увлажнением в период весеннего снеготаяния или ливневых дождей. Возникновению заболоченных участков часто способствуют распространенные здесь солонцы и солончаки.

Наиболее ценное качество болот - наличие в них в виде торфа огромного запаса тепловой энергии. Кроме того, торф широко применяется в химической промышленности (торфяная смола, аммиак и др.), в строительном деле (как строительный и теплоизоляционный материал); в последние годы торф стал широко применяться в гидротехнике (благодаря своим хорошим противофильтрационным свойствам), а также в сельском хозяйстве.

Благодаря малой кислотности, большому содержанию азота, кальция, калия и фосфора в доступных растениям формах почвы торфяников и заболоченных земель низинного типа отличаются высоким плодородием и потому пригодны для широкого использования после осушения под луга и пастбища, поля для выращивания кормовых корнеплодов, овощей и картофеля, а также для зерновых и технических культур. Торфяники могут быть использованы для приготовления различного вида удобрений. Болота и заболоченные земли после осушения могут быть использованы для выращивания леса.

Гидрологические свойства болот весьма своеобразны. Это своеобразие определяется тем, что в торфяных болотах содержится от 89 до 94% воды по весу и, следовательно, от И до 6% сухого вещества. Таким образом, торфяные болота являются, несомненно, значительными аккумуляторами влаги. Однако вследствие того что вода в болоте связана сухим веществом торфа, накапливаемые в болоте запасы воды не могут быть использованы как значительный дополнительный источник питания рек. Осушительными канавами и дренами нельзя уменьшить содержание воды в торфяном болоте ниже 85%, и лишь испарение вызывает дальнейшее снижение содержания влаги в торфяном грунте.

При анализе гидрологического режима болот необходимо исследовать вопросы водного питания, испарения, движения воды в торфяном грунте, колебания уровня грунтовых вод, сток с болот и процессы, связанные с замерзанием и оттаиванием болот. Ознакомимся с основными водными свойствами торфяной залежи.

Виды воды, содержащейся в торфе. Содержащаяся в торфяном болоте вода делится на две группы, отличающиеся характером связи ее с залежью торфа:

1) свободная, отделяющаяся от торфа под действием силы тяжести и, следовательно, стекающая по уклону в канавы и реки;

2) связанная с торфяной массой, не отделяющаяся от нее под действием силы тяжести и, следовательно, ее нельзя извлечь из торфа с помощью осушительной сети.

Свободная вода на болоте может находиться в виде постоянно существующих озер и речек или в виде временных скоплений на поверхности болота после сильных дождей, снеготаяния или разливов рек. Свободная вода может находиться в верхнем растительном слое болота (очес) и под торфяным слоем или в виде линз внутри торфяной залежи.

Переходную форму между свободной и связанной образует вода, содержащаяся в промежутках между частицами торфа. Эта вода медленно вытекает из торфяной залежи под действием силы тяжести в направлении уклона местности. Верхняя граница воды, содержащейся в указанных мелких промежутках, образует поверхность уровня грунтовой воды на болоте. Связанная вода делится на следующие виды:

а) капиллярная, находящаяся в узких капиллярных пустотах между волокнами и частицами торфа и передвигающаяся под влиянием капиллярных сил; она может быть удалена из торфяной залежи путем испарения с поверхности торфа и транспирации;

б) коллоидальная, входящая в коллоидную смесь и состоящая из воды и мельчайших частиц торфа; эта вода удаляется при высушивании торфа;

в) осмотическая, находящаяся внутри неразрушенных растительных клеток, которую можно удалить лишь после химического разрушения оболочек этих клеток:

г) гидратная, входящая в вещество торфа как химически составная часть.

Структура торфа и его водные свойства. Органическая часть торфяной массы, слагающей толщу болотных массивов, представляет собой сочетание частиц весьма различных размеров: от легко различимых невооруженным глазом до исчезающе малых коллоидных частиц. Чем выше степень разложения торфа, тем больше измельченность твердой фазы торфяной массы; с повышением степени разложения возрастает количество мелких фракций и, следовательно, увеличивается удельная поверхность частиц. В результате этого увеличивается степень связанности воды с твердой фазой по мере увеличения степени разложения торфа.

Количественной характеристикой степени разложения торфа является процентное отношение аморфных бесструктурных частиц к общему числу частиц в поле зрения микроскопа во взятой пробе.

Наибольшее количество воды, которое может быть удержано грунтом и, в частности, торфом в своих порах при наличии свободного стока, называется полной влагоемкостью. Эта величина обычно выражается в процентах от веса сухого вещества. В количество воды, определяющее полную влагоемкость, входит вся связанная вода и какая-то доля свободной воды, содержащейся в мелких промежутках (диаметром менее 1 мм). При извлечении образцов торфа из залежи часть этой воды стекает, часть остается в образце.

Если полная влагоемкость торфа составляет 800%, это означает, что вес наибольшего количества воды, которое может быть удержано торфом при наличии свободного стока, в 8 раз больше, чем вес сухого вещества в данном образце торфа. Из общего веса воды и торфа вода составляет 8 частей, или 88,9%, а торф одну часть, или 11,1%.

Представление о том, какое количество воды может содержаться в различных грунтах при полной влагоемкости, дают следующие значения

Полная влагоемкость торфа является своеобразной гранью: вся влага сверх полной влагоемкости может быть сравнительно легко отведена из болота по каналам и естественным руслам; влага при состоянии увлажнения ниже полной влагоемкости отводится сочень большим трудом и может частично расходоваться лишь на испарение. Полная влагоемкость верхового сфагнового торфа доходит до 92-94%, низинного травяного торфа - до 89-91%. Минимальное значение влажности, которое может быть достигнуто с помощью осушения (без учета влияния испарения), составляет для сфагнового торфа 87-89%, для травяного торфа 85-87%. Фактическая влажность образцов торфа, извлеченных из залежи, обычно равна полной влагоемкости торфа. Если же извлекать образец торфа вместе с имеющейся свободной водой в залежи, то содержание воды в образце часто окажется выше полной влагоемкости торфа. Таким образом, слои торфа, находящиеся ниже уровня грунтовой воды, увлажнены до полной своей влагоемкости, сверх которой имеется еще свободная вода. Слои торфа, находящиеся выше уровня грунтовой воды, увлажнены до полной влагоемкости минус потери на испарение, которые увеличиваются с приближением к поверхности.

Количество воды, фактически находящейся в торфе, при наличии свободного стока из образца определяет влажность торфа.

Различают весовую и объемную влажность торфа.

Весовой влажностью торфа называют отношение веса воды к весу всей массы торфа (твердое вещество плюс вода), заключенной в данном объеме торфа. Величина выражается в процентах или в долях единицы.

Объемной влажностью торфа называют отношение объема воды, заключенной в данном объеме торфа (сухое вещество плюс вода и воздух), к этому объему. Величина выражается обычно в процентах.

Предельная влажность верховых и низинных торфов в зависимости от степени их разложения характеризуется табл. 54

Таким образом, в верхних слоях торфяной залежи, характеризующейся меньшей степенью разложения, предельная влажность на 6-7% больше по сравнению с основной толщей торфяной залежи. В соответствии с колебанием уровня грунтовых вод влагосодержание верхних слоев торфяной залежи подвергается существенным изменениям. Эти изменения происходят как по сезонам года, так и от года к году.

В отличие от верхних горизонтов, содержание влаги в торфяной залежи ниже зоны ежегодных колебаний уровня грунтовых вод весьма мало меняется во времени. Указанное иллюстрируется следующим расчетом (по К. Е. Иванову).

Уклоны поверхности грунтовых вод в пределах болотных массивов составляют 0,01-0,0001. Скорость фильтрации при таких уклонах и малых значениях коэффициентов фильтрации торфяной массы (10^-2-10^-7 см/с) составляет от 1,7 до 1,7*10^-4 см/сут, или как максимум 6 м/год.

Таким образом, если предположить, что к уровню грунтовых вод на болоте полностью прекратится приток атмосферных вод, то при диаметре болотного массива, например, 3 км и толще залежи по внешнему контуру 1 м его водоотдача за счет горизонтальной фильтрации может составить объем воды не более 57000 м³/год, что соответствует слою воды 8 мм/год, т. е. ничтожно малой величине по сравнению с годовым балансом влаги болота.

Источники водного питания болот. Как указано в п. 7.1.2, условия питания различных типов болот неодинаковы.

В водном балансе низинных и переходных болот большое значение имеет поступление грунтовой воды, а также воды поверхностных водотоков в период их разливов. Питанию атмосферными осадками принадлежит меньшая роль. Наоборот, верховые болота получают питание в основном за счет атмосферных осадков. Приток грунтовой воды в этом случае определяет нижнюю границу устойчивого положения отметки залегания подземных вод. Соотношение различных видов питания существенно зависит от высотного положения болота по отношению к рельефу местности и от гидрогеологических условий заболоченной местности.

Движение воды в торфяном грунте и на болотных массивах. Движение воды в торфяной залежи осуществляется путем фильтрации по вертикали и в сторону уклона над более трудно проницаемыми прослойками торфа, а также в виде водоносных жил и даже внутризалежных потоков. Кроме того, вода торфяного болота может поступать по кратчайшему вертикальному направлению в подстилающий песчаный горизонт и двигаться по нему к рекам и канавам со значительно меньшим сопротивлением, чем в торфяной залежи. Торфяная залежь болотных массивов весьма неоднородна в смысле условий фильтрации в ней воды. Особенно резко различны условия фильтрации в верхнем, слабоуплотненном слое и в остальной толще торфа.

Самые верхние слои болотного массива, называемые растительным очесом, имеют наиболее крупные поры: в этих слоях осуществляется основное перемещение воды в болотном массиве. В выпуклых грядово-мочажинных моховых болотных массивах верхний слой имеет толщину от 8 до 20 см и сложен в основном стеблями мхов, кустарничков и пушицы. Второй, более уплотненный слой имеет толщину 5-25 см. От этого слоя осуществляется постепенный переход к основной бесструктурной массе торфа.

Вся толща от поверхности болота до среднего положения низших уровней грунтовых вод на болоте называется деятельным, или активным, слоем болота: нижерасположенные горизонты образуют инертный слой. Деятельный, или активный, слой болота характеризуется колебанием в его пределах уровня грунтовых вод, высокой водопроводимостью и переменным содержанием влаги. Инертный слой отличается постоянным содержанием воды во времени и ничтожно малой проводимостью торфа.

Водопроводимость торфа, так же как и минеральных грунтов, характеризуется коэффициентом фильтрации. Значение коэффициента фильтрации зависит от типа болотного микроландшафта, степени разложения торфа и его ботанического состава. Для низинных болотных массивов в слаборазложившемся торфе (до 10-15%) коэффициент фильтрации колеблется от 0,002 до 0,01 см/с при среднем значении 0,005 см/с. Среднеразложившийся низинный торф (35-45%) имеет средний коэффициент порядка 0,0008 см/с с пределами колебаний от 0,0002 до 0,003 см/с.

Для верховых неосушенных торфяных залежей характерны следующие значения коэффициентов фильтрации:

а) очень слаборазложившийся верховой торф (до 10-15%) K = 0,015 см/с, пределы изменения от 0,01 до 0,025 см/с;

б) Среднеразложившийся верховой торф (35-45%) К = 0,0005 см/с, пределы изменения от 0,00025 до 0,001 см/с.

Коэффициент фильтрации через нижние, сильно разложившиеся и уплотненные слои торфа близок к нулю.

Движение воды по болотному массиву осуществляется в следующих формах:

а) фильтрацией в толще мохового покрова, причем главным образом в верхних его слоях;

б) сплошным потоком по всей площади микроландшафта при ровной поверхности болот;

в) несплошным, расчлененным потоком при крупнокочковатом микрорельефе, когда кочки не соединяются между собой, а отделены друг от друга глубокими понижениями, по которым поверхностный поток обтекает их;

г) в виде болотных ручьев и речек.

Важной особенностью движения воды по болотному массиву является сохранение ламинарного режима как при фильтрации, так и при перемещении воды по поверхности, исключая, конечно, движение в болотных ручьях и речках. На болотных массивах очертания рельефа достаточно полно отражают форму поверхности грунтовых вод. Поэтому напоры, под действием которых осуществляется движение потока грунтовых вод, фильтрующегося через торфяную залежь, а также поверхностного потока в периоды, когда, уровень стоит выше поверхности болота, могут быть приняты равными разностям отметок поверхности болота.

Из этого следует, что, имея карты болотных массивов с горизонталями их поверхности, можно построить сетку линий токов как систему линий, ортогональных к горизонталям (рис. 151). Система линий токов определяет в каждой данной точке болотного массива направление скоростей горизонтальной фильтрации в толще торфяной залежи и скоростей поверхностного потока в периоды высокого стояния уровней.

Имея сетку линий стекания, данные об уклоне поверхности болота и коэффициентах фильтрации, можно рассчитать поток воды с болотного массива через заданный контур. Проточность q в любой точке массива связана с уклоном поверхности i, коэффициентом фильтрации К и толщиной деятельного слоя h зависимостью

Произведение Kh характеризует водопропускную способность деятельного слоя болотного микроландшафта на единицу длины контура при уклоне i=l; эта величина, сравнимая для различных типов микроландшафтов, по предложению К. Е. Иванова, может быть названа модулем проточности деятельного слоя М

Из выражения следует, что если в процессе роста болотного массива уклоны в каких-либо участках увеличиваются, то проточность микроландшафтов, формирующих эти участки, при неизменном водном балансе уменьшается. И наоборот, при уменьшении уклонов модуль проточности возрастает.

Колебания уровня грунтовых вод на болотных массивах. Положение уровня грунтовых вод в болоте обусловливается рельефом болота, характером растительности, наличием осушительных канав и дрен, а также климатическими условиями. Первые три фактора, действуя непрерывно или достаточно длительное время и притом в одном и том же направлении, определяют основной фон уровня грунтовых вод, который подвергается сезонным и случайным колебаниям под воздействием климатических факторов. Под влиянием рельефа уровень грунтовых вод на болоте не образует горизонтальной поверхности, а следует за изгибами на возвышенностях, откуда закономерно снижается по склонам. Под влиянием осушительных канав уровень грунтовых вод снижается, причем это снижение зависит от размеров канав и степени канализованности болота.

Сезонные колебания уровня грунтовых вод связаны с общим годовым ходом элементов климата. Весеннее снеготаяние вызывает подъем уровня грунтовых вод - весенний максимум.

По данным А. Д. Дубаха, весенний максимум уровня грунтовых вод наступает в следующие сроки: в районе Архангельска - во 2-й декаде мая, в Ленинградской области - в конце апреля и начале мая, в Московской области - в 3-й декаде апреля, в Белоруссии - во 2 и 3-й декадах апреля, а в северо-западной части Украины - в марте и в первой половине апреля.

Повышение температуры воздуха, а также развитие растительности и связанное с этим увеличение испарения обусловливают постепенное снижение уровня грунтовых вод на болоте, заканчивающееся летним минимумом, устанавливающимся, как правило, вне влияния реки, так как горизонт воды в реке в летний минимум ниже поверхности болота. Независимость летнего минимума от положения уровня воды в реках определяет существенное отличие процесса его формирования от весеннего максимума, зависящего на некоторых болотах от разлива реки.

Наступление летнего минимума грунтовых вод наиболее вероятно в следующие сроки: в районе Архангельска - в августе и начале сентября, в Ленинградской области - в конце июля и начале августа, в Московской области - в конце августа и начале сентября, в Белоруссии - в течение всего августа и начале сентября, в северо-западной части Украины - в конце июля, в течение всего августа и начале сентября.

Понижение температуры с наступлением осени при наличии атмосферных осадков вызывает осенний подъем грунтовых вод. Осенний максимум наиболее часто наблюдается в .следующие сроки: в районе Архангельска - в течение октября, в Ленинградской области - во 2-й декаде октября, в Калининской и Московской областях и Белоруссии - во 2-й декаде ноября, в северо-западной части Украины - в ноябре и декабре.

Медленный сток воды с болот в зимнее время при отсутствии пополнения с поверхности вызывает постепенное снижение уровня грунтовых вод в течение зимы, заканчивающееся зимним минимумом, наступающим на Европейской территории СССР в конце февраля - в начале марта.

Колебание уровней грунтовых вод в различных частях болотных массивов характеризуется большой синхронностью (рис. 152), но годовая амплитуда и положение уровня относительно поверхности болота в разных микроландшафтах одного и того же болотного массива неодинаковы.

Наиболее низкое стояние уровней грунтовых вод относительно поверхности наблюдается в микроландшафтах с крупным древостоем; здесь средний уровень от поверхности понижений отстоит на 20-30 см, а от поверхности повышений - на 40-45 см. В сосняках осоковых и других микроландшафтах древесной группы низинныхболот средние уровни в понижениях находятся от поверхности на 5-10 см, а относительно поверхности повышений вследствие большой высоты кочек - на расстоянии 55-65 см. В микроландшафтах древесной группы наблюдается и наибольшая амплитуда колебаний уровня (50-100 см).

По мере уменьшения степени облесенности средние уровни грунтовых вод повышаются, а амплитуда их колебания уменьшается. На мохово-травяных микроландшафтах средний многолетний уровень на 5-15 см ниже поверхности понижений и на 15-25 см ниже поверхности повышений; средняя амплитуда составляет 30-35 см.

На сезонный ход уровня грунтовых вод накладываются случайные колебания, вызываемые выпадением дождей или оттепелями в течение зимы.

По данным А. Д. Дубаха, каждый миллиметр выпадающих в виде дождя осадков вызывает в те же сутки кратковременное поднятие грунтовых вод в среднем на 2-6 мм. В дни бездождья происходит снижение уровня грунтовых вод, величина которого зависит от поверхности болота. В среднем за май-октябрь суточное снижение уровня грунтовых вод в периоды отсутствия дождей на неосушенных болотах равно 9,3 мм, на осушенных- 15,2 мм.

Сток с болот. В течение длительного времени целесообразность проведения осушительных мероприятий связывалась с вопросом о влиянии болот на речной сток и климат.

Еще со времени западной экспедиции по исследованию и осушению болот Белорусского Полесья (1873-1898 гг.) высказывались опасения, что осушение заболоченных территорий может повести к уменьшению водоносности рек, особенно в летний период. Многие исследователи считали, наоборот, что осушение болот, в частности Белорусского Полесья, не может отразиться неблагоприятно на климате и водном режиме рек. В настоящее время уже не возникает опасений относительно возможности ухудшения водного режима рек и климата территорий в результате осушения болот, однако некоторые частные вопросы, относящиеся к влиянию болот на режим речного стока, остаются недостаточно выясненными. Сюда относятся, например, вопросы о влиянии болот на весенние и летние паводки, на величину низкого летнего стока и др.

Различные взгляды на основные стороны проблемы о влиянии болот на водный режим рек - следствие отсутствия достаточных материалов наблюдений за процессами формирования стока с болот. Поэтому выводы о роли болот в питании рек часто делались на основе общих логических построений.

Как указывалось выше, большая часть влаги с водораздельных болотных массивов стекает не русловым потоком, а путем фильтрации в деятельном слое. При котловинном залегании выпуклого болотного массива фильтрационные токи будут направлены от зоны наибольшей высоты к границам массива: сюда же будут стекать воды со склонов котловины, окружающих массив. Вода, скапливающаяся в этом случае на границах массива с суходолами, образует топи и ручьи, по которым она стекает во внешние водоприемники.

Отекание воды с болотного массива может продолжаться до тех пор, пока не истощится запас свободной (несвязанной) воды в деятельном горизонте болота, т. е. пока уровни грунтовых вод находятся в пределах этого горизонта. Снижение уровня грунтовых вод до границы деятельного горизонта либо ниже нее сопровождается или полным прекращением стока с болота или уменьшением его до весьма малых значений.

Сток с низинных болот формируется за счет грунтовых и поверхностных вод, поступающих на поверхность болота при разливах рек и в меньшей мере за счет атмосферных осадков. Иные условия формирования низинных болотных массивов и стока с них обусловливают, в частности, более высокое и более устойчивое летнее питание рек по сравнению с верховыми болотами. Это происходит вследствие того, что в периоды иизкого стояния грунтовых вод на болоте сток осуществляется из подстилающего торфяную залежь минерального грунта. Различные условия стока в межень, естественно, определяют и различное воздействие верховых и низинных болот на внутригодовое распределение стока питаемых ими рек.

Исследования, проведенные К. Е. Ивановым, показали, что средний многолетний сток с малых заболоченных водосборов на территории северо-западных и западных районов лесной зоны не отличается от стока других водосборов этого района.

В центральных районах РСФСР (южная часть Калининской области, Московская и прилегающие к ней области, Мещерская низменность) средний многолетний сток на 15-17% меньше средних районных величин. Среднее значение наименьшего летнего стока сильно заболоченных водосборов в зоне распространения верховых болот в 2-3 раза меньше среднего минимума .стока с незаболоченных территорий. Это является следствием того, что сток с естественных (неосушенных) болотных массивов имеет место лишь до тех пор, пока не истощатся запасы свободной влаги в пределах активного (в смысле фильтрации) слоя болота. При переходе уровней грунтовых вод в пределы инертного горизонта сток с болотного массива практически прекращается. Поскольку запасы воды в пределах активного слоя относительно невелики, наличие в речных водосборах болотных массивов не может способствовать регулированию стока.

Максимальные модули стока с болотных массивов отличаются большой устойчивостью. Так, для всех типов грядово-мочажинных болотных массивов средние максимальные модули стока равны 140-150 л/(с*км²). Значения наибольших модулей стока для различных типов болотных массивов представлены в табл. 55.

Возникновение стока с болот от дождей зависит от слоя осадков за дождь и высоты стояния уровня грунтовых вод. Дожди, выпадающие при уровнях грунтовых вод, лежащих ниже деятельного слоя, вызывают подъемы уровней только в пределах инертного горизонта и, полностью аккумулируясь, не оказывают никакого влияния на сток.

Когда уровень грунтовых вод находится в пределах деятельного слоя, каждый подъем уровней от выпадающих осадков сопровождается резким повышением расходов в вытекающих из болота водотоках.

Испарение с болотных массивов. Испарение с болотных массивов определяется количеством тепла, поступающего к испаряющей поверхности, и количеством влаги, подводимой к испаряющей поверхности из толщи болотного массива и выпадающей в виде атмосферных осадков.

В зависимости от изменения положения уровня грунтовой воды в болоте можно выделить три стадии в процессе испарения.

Первая стадия относится к условиям полного насыщения болотного грунта водой. В этом случае испарение целиком определяется метеорологическими факторами. Полное насыщение на поверхности почвы может сохраняться и при понижении уровня воды ниже поверхности, но в пределах зоны капиллярного поднятия в наиболее крупных порах почвы.

При дальнейшем снижении уровня грунтовой воды, когда уже не все, а только часть более мелких пор сможет подавать воду к поверхности, наступит вторая стадия испарения.

Наконец, при снижении уровня ниже зоны капиллярного поднятия даже по наиболее мелким порам наступит третья стадия испарения. В этой стадии капиллярный поток к поверхности отсутствует и болотная почва начинает просыхать на некоторую глубину.

Зависимость испарения от уровня грунтовых вод определяет более значительное колебание значений испарения от года к году в те месяцы, в которые уровни грунтовых вод подвержены большим колебаниям. В мае и июне уровни грунтовых вод колеблются во всех микроландшафтах от 0 до 25 см; при этом зона капиллярного поднятия достигает корнеобитаемого слоя и испарение сравнительно мало меняется от года к году в зависимости от изменения метеорологических условий. В августе и сентябре уровни грунтовых вод подвержены большим колебаниям. В некоторые годы при обильных осадках они стоят высоко, в другие снижаются на моховых микроландшафтах до 50-70 см, определяя и малое количество испарения. При залегании грунтовых вод в болоте на глубине 50 см моховые болотные микроландшафты, испаряя осмотическую воду, в жаркую погоду почти полностью высыхают и становятся легко подверженными пожарам.

В северо-западных районах СССР при летних осадках за июнь-сентябрь менее 300 мм уровни за счет испарения опускаются к нижней границе деятельного горизонта и сток почти полностью прекращается.

На лесных болотных массивах испарение за счет более глубокого расположения корневой системы с понижением уровней уменьшается значительно меньше, чем на моховых и травяных. Это приводит к повышенному расходу влаги на испарение на облесенных болотах по сравнению с моховыми и травяными болотами. Косвенным показателем повышенного испарения с лесных болотных микроландшафтов по сравнению с моховыми является большая амплитуда колебаний уровней грунтовых вод и более низкий их летний минимум.

По исследованиям К. Е. Иванова и В. В. Романова, испарение в зоне избыточного увлажнения с болотных массивов, сформированных преимущественно сфагново-кустарничковыми микроландшафтами, может быть принято равным 300 мм/год; эта величина соответствует норме испарения с суши в большинстве районов рассматриваемой зоны.

Испарение с грядово-мочажинных болотных массивов приблизительно на 20% больше испарения со сфагновиков кустарничковых. Болотные массивы, в составе которых значительные площади занимают топяные сфагново-осоковые и лесные микроландшафты,, испаряют на 20-25% больше, чем моховые болота.

Луговая растительность и культурные злаки испаряют больше, чем моховое болото. Следовательно, замена болотной растительности сельскохозяйственными культурами должна приводить к увеличению расхода влаги на испарение.

Водный баланс болотных массивов. Представление о соотношении между количеством поступающей и расходуемой воды в пределах болотного массива можно получить исходя из его водного баланса. Значения составляющих водного баланса болот значительно различаются в зависимости от типов болот. В условиях верховых болот основное значение имеют осадки, испарение и сток с болота. В балансе низинных болот, помимо этого, большую роль играет приток воды с окружающих суходолов и от разливов рек.

Например, в условиях Северо-Запада СССР на комплексном болотном водосборе водораздельного типа в среднем за год на долю стока приходится примерно 25%, а на испарение 75% расходной части водного баланса. Сток по отношению к испарению составляет 32%, а в летнее полугодие 7%. Таким образом, в системе грядово-мочажинных выпуклых болотных массивов атмосферного питания основная часть воды расходуется на испарение и значительно меньшая - на сток.

Около 60% годового стока проходит в апреле, около 75% приходится на зимне-весеннее (ноябрь-апрель) полугодие и 25%-на летнее полугодие. В течение мая, июня и июля происходит интенсивный расход запасов влаги из болота. Начинающееся с августа пополнение их не компенсирует расход за первую половину летнего полугодия. В рассматриваемом случае запасы влаги за летний период уменьшались на 87 мм. Уменьшение расходования запасов влаги в июне и июле по сравнению с маем объясняется существенным увеличением осадков и некоторым уменьшением испарения.

Пополнение запасов влаги в болоте, начинающееся в августе, продолжается до момента наступления морозов, после чего вновь начинается превышение расхода над пополнением, поскольку осадки аккумулируются на поверхности болота в виде снежного покрова. Основное пополнение запасов влаги в болоте приходится на период весеннего снеготаяния. В балансе летнего периода особенно велика роль испарения, которое в это время является главной статьей расхода. Максимум испарения наблюдается в мае, июне и июле. В августе испарение резко снижается. Однако существенного увеличения стока не наблюдается, так как осадки не возрастают, а запасы воды в деятельном слое к этому времени оказываются уже в сильной степени израсходованными. Наиболее полную характеристику водного баланса олиготрофных и низинных болот в пределах Европейской территории СССР дал В. В. Романов. Испарение с верховых болот уменьшается с юго-запада на северо-восток ETC. В том же направлении, но значительно быстрее уменьшается испарение и с суходолов. В южных районах рассматриваемой территории испарение с суходолов и с болот почти выравнивается, в то время как в более северных районах испарение с болот в 1,3-1,9 раза больше испарения с суходольных угодий.

Сравнение значений испарения с количеством выпадающих осадков показывает, что верховые болота распространены лишь там, где количество осадков, выпадающих за теплый период года, равно или больше, чем испарение с болот. В зоне, где количество летних осадков не покрывает расход влаги на испарение, даже при большом количестве зимних осадков верховые болота не развиваются.

Испарение с низинных болот, так же как и с верховых, уменьшается с юго-запада на северо-восток ETC. Отрицательные значения стока с низинных болот означают, что в этих районах болота могут сформироваться в том случае, если в зону заболачивания осуществляется приток воды с какого-то водосбора, так как воды, непосредственно поступающей на рассматриваемую территорию в форме атмосферных осадков, оказывается недостаточно для покрытия расхода на испарение.

Замерзание и оттаивание болот. Своеобразие температурного режима болот определяется прежде всего тем, что теплопроводность торфа меньше какого-либо другого грунта. Поэтому просохшее с осени болото промерзает на меньшую глубину по сравнению с минеральным грунтом прилегающих полей. По той же причине и оттаивание замерзшего болота происходит медленнее оттаивания минеральных грунтов. Насыщение торфяного грунта водой увеличивает его теплопроводность, а потому насыщенное водой болото промерзает глубже, но все же, как показывают наблюдения, не столь глубоко, как минеральный грунт.

Начало промерзания торфяного и глинистого грунтов происходит одновременно, оттаивание же торфяного грунта наблюдается позже. Наибольшая глубина промерзания торфяного грунта зафиксирована на Новгородской станции - 42 см. Время и глубина промерзания торфа, как и всякого другого грунта, зависят в значительной мере от времени выпадения и толщины снежного покрова. Если морозы наступают раньше выпадения снега, болото замерзает раньше и глубже; если снег выпадает на талую землю, замерзание идет медленно или отсутствует вовсе. Промерзание на повышенных формах микрорельефа болота (кочках) происходит на большую глубину, чем на мочажинах: снежный покров снижает глубину промерзания.