УДК 556.56:556.18(470.1/.25)
Инженерно-гидрологические аспекты гидрологии болот севера Европейской России
В. А. Шутов*
Рассматриваются элементы гидрологического режима болот на севере Европейской России применительно к проблеме оценки его трансформации при строительстве линейных инженерных сооружений. Дана общая характеристика заболоченности с кратким описанием основных типов болот региона. Исследовано естественное болотное регулирование стока, которое, как правило, характеризуется снижением пиковых максимальных уровней и расходов воды рек в период весеннего половодья. Проведен качественный анализ процессов техногенного преобразования стока с болотных массивов. Разработана методика и выполнены расчетные оценки изменений уровня болотных вод в типичных болотных ландшафтах при пересечении их строящимися трубопроводами.
Введение
Необходимым этапом технико-экономического обоснования проектов крупных линейных инженерных сооружений являются исследование и учет условий гидрологического режима, а также характеристик почвогрун-тов и болот. Указанные работы по инженерно-гидрологическому обеспечению выполняются в Валдайском филиале Государственного гидрологического института (ВФ ГГИ) на протяжении ряда лет и преследуют цель устранить (или, по крайней мере, снизить) экологический ущерб при прокладке магистральных газопроводов. Полученные в работах [8, 16, 18] результаты обосновывают систему мероприятий по обеспечению экологически безопасной эксплуатации газопроводов.
Наблюдая взаимодействие линейных инженерных сооружений с болотными комплексами на северо-западе и севере Европейской России, автор убедился в справедливости предположений [10] о том, что значительное снижение водопроводимости верхнего слоя почвогрунтов при возведении дорожных насыпей и прокладке трубопроводов обусловливает существенные перепады уровней грунтовых (болотных) вод. Это может в определенных гидрологических условиях, прежде всего в период весеннего половодья, приводить к обострению напряженно-деформационного состояния трубы. Помимо этого, что весьма существенно как для самой гидрологической науки, так и для инженерной практики, техногенное воздействие на болотные комплексы неизбежно приводит к изменению стока с заболоченных речных водосборов.
* Валдайский филиал Государственного гидрологического института.
До сих пор сравнительно хорошо изучено воздействие на болотные комплексы региона, связанное с их осушением [3, 9]. Работы, посвященные влиянию техногенных преобразований, которые приводят к переувлажнению, весьма немногочисленны, и за редким исключением [17] не содержат в своей основе фундаментальных положений и методов гидрологии болот. Между тем известно [5, 7], что болотные массивы севера Европейской России проявляют тенденцию к расширению занимаемой ими площади.
Другая, не менее важная проблема — выяснить, какое влияние оказывают болота на сток рек. Установлено и закреплено в СНиП [12], что болота редуцируют максимальный сток весеннего половодья, причем параметр расчетной формулы, отражающий это влияние, различен для разных типов болот. Однако известны факты, когда болота регулируют сток по-разному, располагаясь в разных частях речного бассейна. Более того, определение границ водосбора и его площади при наличии болот оказывается непростой задачей. Предлагается даже принимать переменную во времени "действующую" площадь, чтобы замкнуть уравнение водного баланса [19]. Указанные вопросы возникают при расчетах максимального стока и уровней воды на переходах трасс через реки, однако их разрешение является и задачей фундаментальных исследований, направленных на выяснение роли болот, например в формировании климата и гидрологического цикла.
В настоящей работе рассматриваются два важных инженерно-гидрологических аспекта гидрологии болот, а именно — влияние болот на максимальный (паводковый) сток рек и влияние прокладки трубопровода на режим уровней болотных вод (УБВ). Эти аспекты неразрывно связаны между собой. Действительно, допустив ошибку в оценке максимального стока и его редукции под влиянием болот, проектировщик может создать предпосылки для подтопления, а в последующем и заболачивания территорий, прилегающих к трассе. Далее прокладка газопровода по болоту без учета направлений линий стекания и характеристик торфяной залежи усиливает этот процесс заболачивания. Поэтому кажется целесообразным рассматривать обе указанные проблемы гидрологии болот совместно.
Характеристика болот территории
Болотные массивы рассматриваемого региона относятся к трем основным типам:
- верховые (олиготрофные) болота Архангельской области и юга Карелии;
— переходные (мезотрофные) и смешанные болота Северной Карелии;
— крупнобугристые болота Кольского полуострова.
Типичные олиготрофные болота атмосферного питания имеют выпуклую поверхность и закономерно изменяющийся от центра к периферии фациальный состав: от наиболее обводненных грядово-озерковых и грядо-во-мочажинных комплексов до сосново-сфагново-кустарничковых микроландшафтов с высотой древостоя 5—8 м. На Прибеломорской низменности преобладают болота переходного (мезотрофного питания) типа с плоской поверхностью и сфагново-пушицевыми микроландшафтами.
Особенность верховых болот северо-таежной зоны — наличие дист-рофных грядово-мочажинных комплексов с мочажинами, покрытыми ого-
ленным торфом. Гидрологический режим олиготрофных болот Прибело-морской провинции изучен при участии автора на болотной станции Брусовица. На территории Карелии, особенно к северу от р. Кемь, преобладают болота проточных котловин, располагающихся между извилистыми в плане минеральными грядами — "сельгами". Поверхность этих болот вогнутая, в осевой части располагаются обводненные "аапа"-комплексы [4], уровень воды в которых большую часть года находится выше поверхности торфа. Гидрологический режим болот "аапа" изучен весьма слабо. Известно лишь, что в их питании большое участие принимают грунтовые воды.
Как показали картометрические оценки и обследования, заболоченность отдельных участков проектируемых трасс газопроводов составляет 40—50% и более, а если учесть так называемые гидроморфные почвы, то она достигает 70%. Более всего заболочены участки, пролегающие по территории севера Архангельской области и в Центральной Карелии. Именно для этих участков требуются наиболее тщательные расчеты стока половодья, а также учет техногенного влияния прокладки газопровода на болотные ландшафты.
Естественное регулирование стока весеннего половодья
Расчет максимума стока весеннего половодья производится, как известно, с использованием следующей нормативной формулы редукционного типа [12]:
ар = крКХо505б5лГ/(Г +1)", (1)
где Qp — максимальный расход воды (м3/с) с заданной ежегодной вероятностью превышения р, %; Нр — слой стока (мм) той же обеспеченности; К — параметр дружности половодья; — коэффициент, учитывающий неравенство статистик рядов Q и Н; Г — площадь водосбора (км2); п — редукционный параметр (для рассматриваемой зоны п = 0,17); 50, 5б, 5л -коэффициенты регулирующего влияния соответственно озер, болот и лесов.
Величина Нр определяется по среднему слою стока Н0 и коэффициенту его вариации Су, которые находятся по картам, построенным по данным наблюдений. Снижение (редукция) максимального стока под влиянием болот определяется согласно [12] следующей нормативной формулой:
5б = 1 - Р1он(0,1Гб + 1). (2)
Здесь Гб — относительная площадь болот (заболоченность бассейна), Р — параметр степени болотного регулирования стока, значение которого зависит от типа болот.
В работе [1] исследованы закономерности изменения параметра Р на западе Европейской России и высказано мнение о неоднозначности влияния болот на сток. В настоящей работе проведен анализ параметра болотного регулирования максимального стока весеннего половодья в бассейнах рек, расположенных вдоль трасс проектируемых магистральных газопроводов на территории Архангельской области и Карелии.
Величины 5б вычислены для гидрометрически изученных рек обратным путем, исходя из формулы (1). При этом не все члены этой формулы определялись в соответствии с СНиП [12]. Значения параметра К уточнялись по данным рек-аналогов, выбор которых основывался на результатах объективной оценки сходства водосборов.
Далее, вместо параметра 5л предложено [16] использовать коэффициент, определяющий влияние доли площади, занятой песчаными грунтами. Это связано с тем, что в данном регионе лесистость практически всех бассейнов одинакова, она достигает 90% и не является решающим фактором. В то же время наличие на водосборе 20—40% водопроницаемых грунтов оказывает регулирующее влияние на сток весеннего половодья.
Оказалось, что по характеру регулирования стока половодья на рассматриваемой территории можно выделить несколько групп болотных ландшафтов:
— верховые болота Прибеломорской низменности, подстилаемые песками;
— верховые болота плакорного залегания, подстилаемые покровными суглинками;
— верховые болота долинного залегания, подстилаемые аллювиальными песками и супесями с повышенной водопроницаемостью (бассейн р. Моша);
- карельские болота с переобводненными ландшафтами типа "аапа".
Материалы многолетних наблюдений свидетельствуют о сложном характере влияния болот на внутригодовое распределение стока и на максимумы весеннего половодья, которое не укладывается в рамки простой редукции (снижения пиковых модулей стока), принятой в качестве основы методики СНиП [12]. Так, малые (площадью 4—9 км2) водосборы болотной станции Брусовица, заболоченные на 70% и более, формируют более высокие пики весеннего половодья, чем находящийся неподалеку, но гораздо более крупный (площадь 145 км2) водосбор р. Брусовица, который заболочен только на 40%. По-видимому, здесь проявляется сложное влия-
Таблица 1
Расчет параметра болотного регулирования максимального стока
Река ^б ¿0 ¿1% 61% Й1%] 8б
Малошуйка 18 160 282 93 116 0,80
Нюхча 26 170 334 297 281 1,06
Сума 21 150 284 113 173 0,65
Шуя 20 140 265 79 120 0,66
Кемь 10 135 255 1418 1716 0,82
Летняя 47 145 289 238 195 1,22
Кереть 2 140 302 206 182 1,13
Ковд
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.