Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Взаимодействие болотных и грунтовых вод на территории центральных районов Европейской части России

ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Взаимодействие болотных и грунтовых вод на территории центральных районов Европейской части России"

На правах рукописи

Мастюкова Ираида Владимировна

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БОЛОТНЫХ И ГРУНТОВЫХ ВОД НА ТЕРРИТОРИИ ЦЕНТРАЛЬНЫХ РАЙОНОВ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ

Специальность 25.00.07 - гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 2004

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии Геоюгического факультета Московского Государственною Университета им \1 В Ломоносова

Научный руководитель

кандидат геолого-минералогических наук доцент М С Ортов

Официальные оппоненты токтор геолого-минералогических наук

И С Пашковский

кандидат геспого-минералогичеисих наук

Н И Зеленцова

Вел> тая организация

ВС Е ГИ НГЕО

Зашита СОСТОИТСЯ 19 марта 2004 г в 14 час 30 мин на заседании диссертационного совета Д 005 001 '50 в Московском 1 осу дара венном Универитете им М.В. Ломоносова ло адресу И9992» Москва Ленинские юры, МГУ, геотогический факульет аудитория 415

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета М1 ¥. юна « \», 6 этаж

Отзывы на автореферат в двух экземплярах заверенных печатью организация, просим направлять по адресу 11С)°')2 ГСП-2 Москва, Ленинские гори» МГУ геоюшче-ский факультет ученому секретарю диссертационного совета

\втореферат разослан 19 февраля 2004 1

Ученый секретарь диссертационного совета. доктор геолого-минералогических наук

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Центральные районы Европейской части России характеризуются высокой степенью заболоченности. Для 5-20% этой территории первым от поверхности является горизонт болотных вод, который определяет характер взаимодействия атмосферных, поверхностных и грунтовых вод.

Болотные воды являются особым гидрогеологическим объектом, поскольку их водный режим тесно связан с другими компонентами экосистем болот. Недостаток работ по изучению взаимодействия болотных и грунтовых вод во многом объясняется необходимостью привлечения специальных знаний, выходящих за рамки наук геологического цикла, и выполнения специальных научных исследований. Особенно остро недостаток таких работ ощущается для территории центральных районов Европейской части России, поскольку именно для них характерна высокая плотность населения и наличие значительного антропогенного влияния, вызывающего как изменения уровней болотных вод при разных видах осушения, так и изменения уровней подземных вод при строительстве водозаборов.

Оценка воздействия на окружающую среду и экологическая экспертиза проектов водозаборов подземных вод невозможна без анализа изменений уровней болотных вод, определяющих функционирование ландшафтов на больших площадях. Рост числа торфяных пожаров вызывает особый интерес к изучению взаимодействия болотных и грунтовых вод, поскольку возникает предположение о влиянии водоотбора подземных вод, наряду с климатическими факторами, на горимость торфяников.

Недостаточность представлений о взаимодействии болотных и фунтовых вод в естественных и антропогенно измененных условиях вызывает необходимость проведения специальных исследований и обобщений.

Цель и задачи работы. Основная цель работы — определить особенное™ взаимодействия болотных и грунтовых вод в естественных и антропогенно измененных условиях.

Задачи исследований состояли в следующем:

1. Сбор и обобщение информации о строении и классификации болот, определяющей характер взаимодействия болотных и грунтовых вод.

2. Анализ природных, в том числе гидрогеологических, факторов формирования болот, обуславливающих характер взаимодействие!

БИБЛИОТЕКА С Петербург ,, ...

з о»

ГЕКА I 5»г „Д

3. Определение величины питания водоносного горизонта современных болотных отложений, за счет перетекания из нижележащих водоносных горизонтов, для болот разных типов.

4. Анализ пространственно-временных изменений взаимодействия болотных и грунтовых вод.

5. Определение влияния техногенных факторов на характер взаимодействия болот и подземных вод.

6. Разработка общих рекомендаций по изучению взаимодействия болотных и грунтовых вод при гидрогеологических исследованиях.

Методика исследований. Методика исследований включала полевые обследования объектов на территории центральных районов Европейской части России, сбор и систематизацию геологических и гидрогеологических фондовых данных, материалов по геологии торфяных месторождений. В ходе работы выполнялся теоретический анализ гидрогеологического фактора в формировании болот, анализ данных режимных гидрогеологических наблюдений, проводились водно-балансовые расчеты и математическое моделирование потоков подземных вод, а также реконструкция развития территории с использованием историко-геологических и палеогидрогеологиче-ских данных.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведена типизация природных условий, определяющих характер взаимодействия болотных и грунтовых вод для центральных районов Европейской части России.

2. Получены данные о величине питания болотных вод за счет перетекания из нижележащих водоносных горизонтов для разных объектов и проведены оценки роли болот в формировании инфильтрационного питания грунтовых вод.

3. Выявлены основные закономерности пространственно-временного изменения взаимодействия болотных и грунтовых вод, демонстрирующие уменьшение роли грунтовых вод в питании болот по мере их роста и развития.

4. Разработаны рекомендации по определению характера взаимодействия болотных и грунтовых вод на основе анализа комплекса геологических, гидрогеологических и геоботанических материалов.

Практическая значимость и реализация результатов. Полученные представления о взаимодействии болотных и грунтовых вод могут быть использованы при

постановке гидрогеологических и гидрогеоэкологических исследований. Данные о величине напорного питания болотных вод могут применяться при оценке взаимодействия болотных и грунтовых вод для объектов, находящихся в аналогичных природных условиях. Разработанные рекомендации позволяют обосновывать характер изменений взаимодействия болотных и грунтовых вод при разных техногенных воздействиях.

Результаты работы использовались при обосновании системы мониторинга водно-болотных экосистем заказника «Журавлиная Родина» и при оценке воздействия на окружающую среду Проекта восстановления водно-болотного комплекса на территории ГПНГТ «Лосиный остров», что отражено в соответствующих отчетах ООО «Центр Практической Геоэкологии О плюс К». Материалы диссертационных исследований использовались в отдельных лекциях курса «Региональная гидрогеоэкология» на кафедре гидрогеологии МГУ в 2002-2003 г.г.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждались на:

- второй Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии», Москва, 1999 г.;

- всероссийской конференции «Стратегия сохранения водно-болотных угодий Российской Федерации», Москва, 1999 г.;

- студенческой конференции «Проблемы окружающей среды на пороге 3-го тысячелетия в интересах устойчивого развития», Москва, 1999 г.;

- межвузовской конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования», Санкт-Петербург, 2000 г.;

- научной конференции по современным проблемам гидрогеоэкологии в Российском Университете Дружбы народов им. Патриса Лумумбы, Москва, 2002 г.;

- в ходе 4-ых международных курсов по восстановлению водно-болотных угодий, Лелистад, Нидерланды, 2003 г.;

- на семинаре по современным проблемам гидрогеологии и экологии в СП «Ге-софт-Истлинк», Москва, 2004 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы. Работа изложена на 120 страницах текста, состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (108 наименований). В тексте диссертации 10 таблиц и 44 рисунка.

Автор выражает глубокую признательность своим руководителям к.г.-м.н. М.С. Орлову и д.б.н., к.г.н. А.А. Сирину. Особую благодарность за помощь автор хотел бы выразить сотрудникам и студентам кафедры гидрогеологии МГУ, сотрудникам Западнодвинского стационара Института лесоведения РАН и сотрудникам Талдомской администрации Особо Охраняемых территорий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Существующие представления о взаимодействии болотных и грунтовых вод

В первой главе рассматриваются представления о взаимодействии болотных и грунтовых вод существующие в гидрогеологии и гидрологии.

Поскольку воды болот являются особым гидрогеологическим объектом, занимающим промежуточное положение между поверхностными и подземными водами, то в работе используется термин болотные воды, а грунтовыми называются воды нижележащего водоносного горизонта. В работах других исследователей применение этих терминов может отличаться.

Болотные воды достаточно редко встречаются как объект исследования в традиционной гидрогеологии, что во многом объясняется отсутствием основных представлений в рамках учебной литературы. Рассмотрение болотных вод часто ограничивается отнесением их к азональному типу грунтовых вод, и использованием только терминов низинные и верховые болота. Некоторые представления об особенностях взаимодействия болотных и грунтовых вод можно найти в работах по мелиоративной гидрогеологии Д.М. Каца, И.С. Пашковского, В.М. Шестакова. Исследованиям взаимодействия болотных и подземных вод на конкретных объектах посвящены работы П.П. 3 алитиса, Е.Д. Орлова, П.А. Киселева и других авторов.

На этом фоне выделяются зарубежные работы европейских и канадских исследователей A. Gore, P. Moore, D.I. Siegel, N.T. Roulet, A.R. Hill, J.M. Waddington и др. Положительной стороной этих работ является комплексное рассмотрение болотных и грунтовых вод без деления их на гидрологические и гидрогеологические объекты. На работы такого типа указывается в обзорах опыта европейских стран А.А. Жорова. Сложность использования зарубежного опыта заключается в тесной связи результатов исследования с конкретными природными условиями (климат, растительность, геоморфология, геологическое строение, гидрогеологические условия), которые бу-

дут отличаться в центральных районах Европейской части России.

Особенности болотных вод и их взаимодействия с другими водоносными горизонтами во многом определяются строением и свойствами водовмещающих пород, представленных не только торфами разной степени разложения, но живыми растениями (мхами, корнями кустарников, деревьев). Традиционно изучением свойств во-довмещающих пород и закономерностей формирования водного режима болотных вод занимались гидрологи. В классических работах К.Е. Иванова и В.В. Романова даются представления о закономерном изменение фильтрационных свойств торфов вниз по разрезу от п*10 до п*10-4 м*сут-1 в связи с процессами разложения и уплотнения торфа. В верхней части разреза современных болотных отложений преобладает горизонтальное движение болотных вод, в нижней части - фильтрация в вертикальном направлении. Изучением водного режима осушенных для сельского и лесного хозяйства болот занимались Б.С. Маслов, Ф.Р. Зайдельман, С.Э. Вомперский, А.Л. Сирин и др. Представления о связи эволюции болот с условиями водного режима болотных вод разрабатывались К.Е. Ивановым, ПА. Единой и др.

Анализ гидрологической информации показывает наличие большого количества работ, посвященных водному режиму болот, свойствам торфяной залежи ее структуре, свойствам и развитию, однако практически все они рассматривают изолированный объект, находящийся вне связи с окружающими горными породами, нижележащими водоносными горизонтами, что осложняет использование данных для решения гидрогеологических задач.

Суммирование гидрогеологических и гидрологических представлений позволяет типизировать природные условия территории Центральных районов Европейской части России, определяющие характер взаимодействия болотных и грунтовых вод, на основе проницаемости пород верхней части разреза, соотношения уровней болотных и грунтовых вод, мощности торфа и наличия альтернативных источников водно-минерального питания современных болотных отложений (рис. 1).

В предлагаемой типизации учитывается, что:

- Избыточное увлажнение обеспечивает наличие атмосферного питания для всех горизонтов болотных вод территории.

- Все типы подстилающих торфа отложения можно разделить по проницаемости на две основные группы: хорошопроницаемые - пески и супеси, слабопроницаемые -

суглинки и глины.

- По соотношению уровней болотных и грунтовых вод можно выделить три группы: уровень грунтовых вод выше уровня болотных вод; уровень футовых вод ниже уровня болотных вод, но выше подошвы современных болотных отложений; уровень грунтовых вод ниже подошвы современных болотных отложений.

1 II ш

а и® ШшШ 1 * ;

с

ШшШ

1 - _

В Шш

\// /1 слабопроницаемые \//А отложения \ровень __, бочогных вол 1 ч чорошо проницаемые 1'. ' .1 отложения вровень ___ гр\ итовыч вод современные 1_1 болотные отложения Источники водно-минерального питания болот | атмосферное * 1р\ нтовое 1 намывное склоновое намывное р> еловое

Рис. I. Типы взаимодействия болотных и грунтовых вод на территории Центральных районов Европейской части России

Все типы можно разделить на гри группы:

- типы, в пределах которых практически нет связи между фунтовыми и болошыми водами (1а, 16, 1в);

- типы, в пределах кот орых происходит питание фунтовых вод болотными (2а, 26,2в);

- типы, в пределах которых происходит пи гание болотных вод фунтовыми (За, 36. Зв).

Наибольший интерес с точки зрения гидрогеологии представляют две послед-

ние группы, именно рассмотрению конкретных объектов, находящихся в таких типах условий будет уделяться особое внимание в последующих главах работы.

Глава 2. Характеристика объектов исследования

Во второй главе дается характеристика природных условий рассматриваемых в работе объектов и обосновывается их типичность для центральных районов Европейской части России.

Первая группа объектов расположена на территории Западнодвинского лесобо-лотного стационара Института лесоведения РАН (Западнодвинский район Тверской области). Вторая группа объектов находится в Талдомском районе Московской области и входит в состав природного заказника «Журавлиная Родина».

Природные условия объектов во многом сходны и являются типичными для центральных районов Европейской части России. Климат - умеренно-континентальный, характеризуется избыточным увлажнением, среднегодовая температура выше нуля. Геоморфологические условия и четвертичные отложения сформировались под влиянием неоднократных оледенений и последующей эрозионной деятельности рек. Наибольшее распространение в верхней части геологического разреза имеют ледниковые (валунные суглинки и глины), водно-ледниковые (пески, супеси, суглинки) и аллювиальные отложения (пески). В соответствии с зональностью распространения грунтовых вод B.C. Ильина территория объектов относится к зоне неглубоких оврагов, для которой характерно залегание грунтовых вод на глубине до 2025 м. Для почв характерно развитие подзолообразовательного процесса. Избыточное увлажнение и слабая дренированность обусловили широкое развитие болотообразо-вательных процессов. Территория отличается более значительными мощностями торфа, но меньшими площадями болот по сравнению с северными районами Европейской части России и Западной Сибирью. Наиболее заболоченными являются Западно-Двинская, Мещерская и Верхне-Волжская низменности. Первая группа объектов находится в пределах Западно-Двинской низменности, вторая группа - ВерхнеВолжской. Развитие современных болотных отложений происходит в пределах всех элементов рельефа: в понижениях на водоразделах и склонах, на террасах и поймах рек.

Характерной особенностью первой группы объектов является наличие на сравнительно небольшой территории разного типа болот, позволяющих рассмотреть

взаимодействие болотных и грунтовых вод в разных условиях. Рельеф и четвертичные отложения верхней части разреза сформированы под влиянием валдайского оледенения. Болота атмосферного питания представлены двумя верховыми болотами: «Иетрилово», залегающим на моренных суглинках, и «Сосвятское», залегающим на водно-ледниковых песках. Болота намывного склонового питания представлены низинным болотом «Грустинка», залегающим на моренных суглинках. Болота грунтового питания представлены низинным болотом «Заиловье», залегающим на водно-ледниковых песках. За время существования Западнодвинского стационара сотрудниками были проведены многочисленные исследования растительного покрова болот, свойств и состава торфа, режима болотных и подземных вод, состава и строения четвертичных отложений участка, что делает эту территорию уникальной по степени изученности и комплексности информации.

Второй участок исследования представлен Дубнинским болотным массивом, перекрывающим пойму и часть первой террасы р. Дубны, массив примыкает к склону водораздела, сложенному суглинками московской морены. Характерной особенностью Дубнинского болотного массива является сочетание разных условий водного питания, типов растительности и торфа в пределах одного объекта, а также наличие на oi дельных участках осушительной сети разного назначения. Этот объект попадает в зону влияния проектируемого Северного водозабора подземных вод для г. Москвы. На примере Дубнинского болотного массива возможно изучение взаимодействия болотных и грунтовых вод, как в естественных, так и в антропогенно измененных условиях.

Глава 3. Характеристика водного режима потоков болотных и грунтовых вод на примере объектов Западнодвинского лесоболотного стационара

Третья глава посвящена изучению водного режима болотных и грунтовых вод и получению количественных характеристик их взаимодействия на примере объектов Западнодвинского лесоболотного стационара.

В восьмидесятых годах с целью изучения взаимодействия болотных и грунтовых вод здесь была сооружена сеть скважин, оборудованных для режимных наблюдений за уровнями водоносного горизонта флювиогляциальных песков и горизонта болотных вод. На объектах стационара определялись ботанический состав, степень разложения, мощность и коэффициент фильтрации торфов полевыми и лабораторными методами.

ю

Рассмотрение водного режима потока болотных вод проводилось для четырех объектов, отличающихся по типу взаимодействия болотных и грунтовых вод (рис. 2).

чЛетрилоеоз шЗаиловье» шСосвятскоеш «Грустинка»

Рис. 2. Схема расположения объектов Западнодвинского стационара Института лесоведения РАН

В пределах объекта «Петрилово» и объекта «Грустинка» современные болотные отложения мощностью до 7 м и до 5 м соответственно, залегают на слабоирони-цаемых озерных глинах и моренных суглинках общей мощностью более 20 м, уровень нижележащих водоносных горизонтов находится значительно ниже подошвы торфяной залежи. Гидрогеологическая роль болот таких типов незначительна, а отток через подошву современных болотных отложений лимитируется проницаемостью нижних уплотненных слоев торфа, нижележащих озерных глин и моренных суглинков и составляет около 30 ммтод"1. В условиях объекта «Петрилово» формируется верховой тип торфа и растительности. В водном питании объекта «Грустинка» участвуют намывные склоновые воды, что отмечается по характеру и режиму потока болотных вод. По оценкам Л.А. Сирина среднегодовое поступление намывных склоновых вод находится на уровне 5-7 мм сут'1, в сухие периоды может прекращаться, весной достигать среднемесячных значений 20-30 мм-сут"1 и более. Этот пример демонстрирует возможность образование низинного и переходного типа торфов без участия разгрузки фунтовых вод.

Объект «Сосвятское» представляет больший интерес для изучения взаимодействия болотных и грунтовых вод, поскольку торфяная залежь мощностью до 5 м подстилается хорошо проницаемыми водонасыщенными песками. При сравнении абсолютных отметок уровня болотных вод объекта «Сосвятское» с уровнем валдайского надморенного водоносного горизонта получается постоянное, как во времени, так и в пространстве, более высокое на 1,5-2,0 м положение уровня болотных вод, при кото-

ром происходит питание грунтовых вод болотными. Анализ снижения уровня в период отсутствия инфильтрационного питания показывает, что величина оттока в нижележащий водоносный горизонт из горизонта болотных вод составляет 50-100 мм*год-1, что указывает на низкие фильтрационные свойства торфа в основании залежи (коэффициент фильтрации порядка 10-4 м*сут-1). Такие значения для торфов практически не встречаются в литературных источниках, что во многом обусловлено изучением только верхнего (активного) горизонта болот и недостатком внимания к строению всей залежи.

Наибольший интерес с точки зрения изучения взаимодействия болотных и фунтовых вод представляет объект «Заиловье» (рис. 3).

Расчетный участок 3710

17В 80

Расчетый учасгои 25-3

17ВГ0

агггггзгавгзгввггггг

_____Цата имм

-«-Уроеанырумтояи**« -^Уровыобопдшь»»«

Рис. 3. Графики соотношения уровней грунтовых и болотных вод на различных участках болота "Заиловье"

Данные режимных наблюдений показывают отличия в соотношение уровней болотных и фунтовых вод на разных участках объекта. Для расчетов величины вертикального взаимодействия болотных и фунтовых вод использовались данные лабораторных определений коэффициентов фильтрации ненарушенных образцов торфа. Полученные значения изменяются в пределах от 1 до 10-3 м*сут1, в среднем составляют 0,01 м-сут-1. Максимальная мощность торфа достигает 4,5 м.

Для горизонта болотных вод по 7 расчетным участкам, находящимся в разных частях болота (от центра к краю) были произведены вычисления всех составляющих водного баланса. Уравнение водного баланса для элемента потока болотных вод за время & можно представить в следующем виде:

где ц - недостаток насыщения (водоотдача) торфа, формирующиеся в процессе неустановившегося движения болотных вод; Ъ - изменение уровня болотных вод; Об - боковой отток (приток) болотных вод в слое торфа; О, - вертикальная разгрузка (питание) грунтовых вод из нижележащих песков; - фактическое инфильтра-ционное питание болотных вод, при отрицательном знаке фактическое испарение. Величина горизонтального и вертикального потока рассчитывалась по закону Дар-си, величина водоотдачи определялась по периоду отсутствия инфильтрационного питания и составила 0,1-0,2, величина инфильтрационного питания вычислялась по невязке водного баланса. Вычисления проводились с интервалом 1 сут, что позволило оценить сезонную изменчивость величин. Результаты вычислений величин составляющих водного баланса за год приведены в таблице 1.

Таблица 1. Водный баланс горизонта современных болотных отложений (величины приведены к слою питания, мм-год'1)_

Расчетный участок Объект «Заиловье»

25-3* 26-4* 27-2* 34-5* 35-7* 36-8* 37-10*

ц-г 0,025 0,030 0.025 0,032 0,022 0,020 0,021

0. -0,242 0,066 0,081 -0,001 0,230 0,252 0,121

05 -0.004 -0.191 -0.222 -0,004 -0,331 -0.357 -0,238

№ 0,271 0,154 0,166 0,229 0,123 0,126 0,138

По одним статьям баланса все участки похожи, но по другим отличаются. Наиболее неоднородный характер имеет разгрузка грунтовых вод. Причем существуют участки с питанием грунтовых вод болотными, разгрузкой грунювых вод и переменным во времени направлением перетекания. Все участки с постоянной разгрузкой грунтовых вод, величина которой колеблется от 66 до 252 мм в год, расположены в краевой части болотного массива, где мощность отложений составляет 1,5-2,5 м. Величина разгрузки грунтовых вод связана с мощностью торфа следующим образом: с увеличением мощности разгрузка уменьшается. Для этой части болотного массива характерны и высокие скорости потока в горизонтальном направлении, что говорит об усилении водообмена болот в краевых частях. Прямо противоположный характер

взаимодействия болотных и подземных вод наблюдается на участке 25-3, который расположен в центральной части болота. Здесь наблюдается постоянная во времени разгрузка болотных вод в нижележащие флювиогляциальные пески. Питание горизонт болотных вод получает за счет инфильтрации атмосферных осадков. Данный участок характеризуется наибольшей из всех расчетных участков мощностью торфа 4,3 м.

Промежуточный характер взаимодействия болотных и подземных вод имеется на участке 34-5, который расположен близко к центральной части болотного массива, но мощность торфа составляет 2,5 м. В течение года происходит изменение направления разгрузки болотных и грунтовых вод. Причем разгрузка подземных вод приурочена к меженным периодам, рассчитанная за год величина перетекания в вертикальном направлении близка к нулю.

Зональность водного питания болотных вод находит отражение в растительности, отмечается уменьшение трофности болотных сосняков от краевых частей болота к центральным. По типу торфяной залежи «Заиловье» - низинное болото, однако проведенные исследования показывают значительные отличия в направлении и величине взаимодействия болотных и грунтовых вод по площади объекта.

В целом взаимодействие болотных и грунтовых вод для разных объектов За-паднодвинского лесоболотного стационара отличается, несмотря на их положение в пределах небольшой площади. Особо следует отметить, различия во взаимодействии болотных и грунтовых вод объектов «Заиловье» и «Сосвятское», занимающих сходное положение в рельефе и залегающих на достаточно однородных песках.

Глава 4. Закономерности изменения взаимодействия болотных и грунтовых вод в ходе развития болот на примере объектов Заладнодвинского лесоболотного стационара.

Четвертая глава посвящена изучению изменений происходящих во взаимодействии болотных и грунтовых вод в процессе заболачивания территории. В качестве объекта рассматривается территория Западнодвинского стационара, обеспеченная комплексом необходимых данных.

В ходе развития болот происходят изменения гидрологических, гидрогеологических и экологических условий территории. По мере накопления полуразложившихся растительных остатков поверхность болота повышается и поступление намывных склоновых, намывных речных и напорных вод, если таковое имело место, сокращает-

ся, растения начинают испытывать недостаток минерального питания, и происходит смена евтрофной растительности на мезотрофную и в дальнейшем, при развитии процесса, на олиготрофную.

Развитие болот происходит не в изолированной среде, а на фоне изменяющихся природных условий территории, поэтому рассмотренная схема может нарушаться под влиянием климатических и неотектонических факторов.

Для территории Западнодвинского стационара выполнена реконструкция гидрогеологических условий на три момента времени: начало голоцена (около 10 тыс. лет назад), когда болот еще не было после окончания валдайского оледенения, промежуточный этап, когда болота находились на ранних стадиях развития, и наконец современный.

Реконструкция условий выполнялась исходя из следующих предположений:

- Климатические колебания влияли на скорость торфонакопления, однако, процесс заболачивания не прекращался, поэтому для анализа мощности торфяной залежи на промежуточном этапе будем считать, что накопление торфа проходило равномерно во времени и одинаково для всех объектов со средней скоростью около 1 мм*год-1.

- Тектонические движения в пределах участка могли выражаться в поднятии территории после схода ледникового покрова. Болотные и грунтовые воды находятся в едином неотектоническом поле, поэтому их взаимодействие под влиянием этого фактора меняется незначительно. На фоне поднятия территории происходит изменение базиса дренирования рек. Положение гидрографической сети определялось местной литологической неоднородностью, проявившейся при континентальном осадконакоплении. Будем считать, что углубление и расширение долин рек происходило равномерно во времени.

Анализ строения торфяных залежей позволяет определить источники водно-минерального питания горизонта болотных вод на разных этапах. Торфяная залежь объекта «Сосвятское» имеет двухслойное строение: в основании - низинный тип (мощность до 2 м), в кровле - верховой тип (мощность до 4 м). Торфяная залежь объекта «Заиловье» полностью относится к низинному типу, однако, проведенные в главе 3 исследования показывают неоднородность водного питания на современном этапе..

В качестве примера приведем результаты реконструкции для объектов «Со-святское» и «Заиловье» (рис. 4).

Рис. 4. Реконструкция гидрогеологического ртреза территории Западнодвинского стационара на разные этапы времени

Реконструкции в работе выполнены .чля всех объектов с использованием карг потоков болотных и грунтовых вод и гидрогеологических разрезов.

На основе анализа полученных данных в качестве общих закономерностей развития учаегка можно выделить следующие:

- основными процессами развития рельефа >частка являются: выравнивание рельефа путем заболачивания на водораздельных пространствах и усиление расчлененности рельефа в пределах речных долин, за счет их развития;

- грунтовые воды являются основной причиной развития заболачивания водно-ледниковой равнины, сложенной песками, однако, по мере развития болот роль

грунтовых вод в их питании уменьшилась и играет существенную роль только в краевых частях объекта, образовавшегося в наиболее пониженном участке рельефа;

- развитие заболачивания и накопление современных болотных отложений мощностью до 5 м, приведшее к нивелированию рельефа, вызвало подъем уровня грунтовых вод на окружающих территориях до 3 м;

- заболачивание территории способствовало развитию долины р. Грустинка, дренирующей поверхностный сток с болотных массивов, что привело к изменению направления потока грунтовых вод и образованию новых водоразделов.

Приведенные закономерности демонстрируют значительную роль процесса заболачивания в изменении гидрогеологических условий территории.

Глава 5. Взаимодействие болотных и грунтовых вод в антропогенно измененных условиях на примере Дубнинского болотного массива.

В главе 5 рассматриваются изменения взаимодействия болотных и фунтовых вод при техногенном воздействии, связанном с изменением уровня болотных или грунтовых вод, даются рекомендации по определению объектов наиболее подверженных воздействиям такого рода.

Дубнинский болотный массив расположен в долине р. Дубны, характеризуется преимущественно низинным типом торфа мощностью до 6 м, и представляет объект, для которого должна быть характерна тесная связь болотных и фунтовых вод. На территории болотного массива в настоящее время существует три антропогенно измененных участка, которые характеризуются наличием осушительной сети для лесного и сельского хозяйства, торфоразработок (рис. 5).

Возможным техногенным воздействием на Дубнинский болотный массив является снижение уровня фунтовых вод при строительстве Северного водозабора подземных вод для г. Москвы.

Анализ взаимодействия болотных и фунтовых вод в пределах объекта был проведен в два этапа. На первом этапе проводился комплексный анализ геоморфологических, гидрологических, гидрогеологических и торфяных данных по участку. Основными фондовыми данными являются материалы комплексной гидрогеологической, инженерно-геологической и геологической съемки масштаба 1:50 000, проведенной Талдомским отрядом в 1995 г., данные комплексного обследования земель Талдомского района, материалы разведки торфяного месторождения в пределах Дуб-

нинского болотного массива и материалы топографической съемки масштаба 1:10 000. Результаты анализа позволили определить зональность растительности: наличие, как верхового, так и низинного типа; зональность разгрузки грунтовых вод, представленных аллювиальным водоносным горизонтом; наличие намывного склонового питания, за счет примыкания болота к склону водораздела, сложенному слабопроницаемыми отложениями московской морены; наличие намывного руслового питания в периоды половодья р. Дубны. На первом этапе удалось определить структуру водного баланса водоносного горизонта болотных вод и провести его зонирование по источникам водного питания (рис. 5).

Рис. 5. Схема осушительной сети Дубнинского болотного массива

1 - граница болотного массива, 2 — осушительные каналы, 3 — магистральные каналы, 4, 5 -среднее положение границы области разгрузки грунтовых воя до осушения и после осушения, 6 -положение границы разгрузки грунтовых вод после начала работы Северного водозабора, 7 - зона намывного склонового питания, 8 - зона намывного руслового питания

На втором этапе было выполнено математическое моделирование потоков болотных и грунтовых вод, которое позволило провести оценку влияния осушительной мелиоративной сети на водный баланс Дубнинского болотного массива. В результате моделирования было показано, что разгрузка грунтовых вод происходит в приречной полосе болотного массива шириной 1-3 км (рис. 5). После создания мелиоративной се-

ти на участке сельхозосушения уровни болотных вод понизились на 0,1-0,5 м, разгрузка грунтовых вод увеличилась, граница области разгрузки на мелиорированном участке отодвинулась от реки в среднем (по площади и во времени) на 750 м. На участке торфоразработок уровни болотных вод понизились на 0,1-0,5 м, на участке лесоосуше-ния - на 0,3-0,1 м, что привело к сокращению суммарного испарения и увеличению инфильтрационного питания. За границами антропогенно измененных участков водный баланс не изменился. Влияние мелиоративной сети сказывается на расстоянии 50100 м, где уровни снижаются на 0-0,1 м.

Опыт использования мелиоративной сети показывает высокую эффективность на участке лесоосушения, где проектное снижение уровня было достигнуто сразу после создания дренажных каналов. На участке сельхозосушения достигнуть необходимого снижения уровня удалось лишь в несколько этапов, поскольку изначальный проект дренажа не дал желаемых результатов, и мелиоративную сеть приходилось перестраивать, сокращая расстояния между каналами и углубляя их. Пример Дубнинского болотнот массива показывает, что участки атмосферного и намывного склонового питания легче поддаются осушению, чем участки с наличием разгрузки фунтовых вод, поскольку этот процесс усиливается при проведении мелиорации.

Материалы гидрогеологических и гидрогеоэкологических исследований, выполненных на разных стадиях проектирования Северного водозабора подземных вод для г. Москвы, показывают, что Дубнинский болотный массив попадает в зону снижения уровня грунтовых вод на 0,5 м. При таком снижении произойдет смещение границы разгрузки грунтовых вод в пределах болотного массива в сторону реки на 800 м (рис. 5). Результаты таких изменений не будут иметь катастрофический характер для болотного массива, изменится соотношение зон с разными типами растительности (увеличится зона верховой растительности), усилится действие осушительной сети в центральной части массива. В целом можно говорить о существовании определенной устойчивости болотного массива к снижению уровня грунтовых вод, что во многом объясняется нахождением болота на поздней стадии развития, с чем связана значительная мощность торфа, и наличием разных источников водно-минерального питания.

Обобщая исследования взаимодействия болотных и грунтовых вод в антропогенно измененных условиях можно говорить о том, что реакция болотных вод на

осушение и водоотбор подземных вод определяется характером связи с грунтовыми водами. При наличии разгрузки грунтовых вод снижается эффективность осушения путем устройства дренажной сети и повышаегся степень воздействия от водообора подземных вод.

При проведении гидрогеоэкологических исследований на заболоченных территориях одной из основных задач является районирование болот по типу взаимодействия болотных и грунтовых вод, определяющему устойчивость болот к осушению или водоотбору подземных вод. Под устойчивостью болот понимается возможность водного режима изменяться при техногенном воздействии таким образом, что сохраняется режим увлажнения территории. При выполнении работ такого рода целесообразно использовать предложенную в главе I типизацию, в соответствие с которой, объекты первой группы (типы 1а, 16, 1в) наиболее устойчивы к снижению уровня фунтовых вод и наименее устойчивы к снижению уровня болотных вод. Противоположный характер устойчивости к приведенным воздействиям имеют объекты третьей группы (типы За, 36, Зв). Реакция объектов второй группы будет зависеть от мощности и фильтрационных свойств торфа, а также от наличия слабопроницаемых прослоев в подстилающих торф породах. Устойчивость болот повышается по мере их развития. Сочетание различных источников питания также способствует повышению устойчивости болот.

Тип взаимодействия болотных и грунтовых вод можно определять на основе анализ торфяных атласов, геоботанических, геоморфологических, геологических и гидрогеологических карт масштаба 1:10000-1:50000, менее эффективно использование карт масштаба 1:200000. После определения тина взаимодействия болотных и грунтовых вод возможно проведение прогноза влияния осушения или водоотбора подземных вод на водный режим болот.

Выводы

1. Обобщение существующих в гидрогеологии и гидрологии представлений демонстрирует практическое отсутствие комплексных исследований взаимодействия бо-логных и грунтовых вод, с учетом строения водоносного горизонта современных болотных отложений, для которого характерно закономерное изменение фильтрационных свойств вниз по разрезу от п*10 до п*10-4 м*сут-1 при сравнительно небольшой мощности порядка первых метров. Изменение фильтрационных свойств

связано с процессами разложения и уплотнения торфа. В верхней части разреза современных болотных отложений преобладает горизонтальное движение болотных вод, в нижней части - фильтрация в вертикальном направлении.

2. На основе существующих в гидрогеологии и гидрологии классификаций разработана типизация природных условий центральных районов Европейской части России, определяющих характер взаимодействия болотных и грунтовых вод, с учетом геологического строения и гидрогеологических условий верхней части разреза, типов торфа, формирующихся при разном водно-минеральном питании.

3. Оценка взаимодействия болотных и грунтовых вод для разных типов природных условий показывает значительные отличия в соотношении уровней, определяющих направление фильтрации, и в количественных характеристиках этого взаимодействия. Болотные воды, водовмещающими породами, для которых являются торфа, подстилаемые слабопроницаемыми отложениями, в условиях глубокого залегания уровня нижележащих водоносных горизонтов, формируют инфильтраци-онное питание грунтовых вод на уровне 0-50 ммтод-1. Болотные воды торфов, подстилаемых хорошо проницаемыми отложениями, в условиях нисходящей фильтрации могут формировать питание грунтовых вод величиной 50-250 ммтод-1, а в условиях восходящей фильтрации получать питание от 0 до 250 мм*тод-1.

4. Направление и величина взаимодействия болотных и грунтовых вод могут меняться не только для объектов, находящихся в сходных природных условиях, но и в пределах одного объекта, что связано с ходом естественной эволюции болот. На ранней стадии накопления современных болотных отложений, подстилаемых хорошо проницаемыми породами, грунтовые воды могут формировать до 70% питания болотных вод. По мере роста торфяной залежи это питание сокращается вплоть до смены направления фильтрации.

5. Накопление современных болотных отложений, происходящее в современное геологическое время, изменяет гидрогеологические условия территории. Для рассмотренного в работе участка подъем уровня грунтовых вод, за счет заполнения понижений в рельефе торфами мощностью до 5 м, достигал 3 м, при этом изменились условия формирования поверхностного стока и направление потока грунтовых вод.

6. Изучение взаимодействия болотных и грунтовых вод в антропогенных условиях

показывает усиление разгрузки грунтовых вод при осушении болот для разных видов хозяйственной деятельности, что приводит к снижению эффективности дренажа. Максимальные последствия от снижения уровней подземных вод также наблюдаются для участков грунтового питания болот, что указывает на важность поиска именно таких условий при проведении гидрогеоэкологических исследований. В ходе поиска следует учитывать то, что низинный тип торфа не является однозначным признаком разгрузки грунтовых вод, поскольку может формироваться при намывном русловом и намывном склоновом типах питания болотных вод.

7. Анализ торфяных атласов, геоботанических, геоморфологических, геологических и гидрогеологических карт масштаба 1:10000-1:200000 позволяет на ранних этапах проведения гидрогеоэкологических исследований определить тип взаимодействия болотных и грунтовых вод и устойчивость болот к осушению или водоотбору подземных вод.

Защищаемые положения

1. Взаимодействие болотных и грунтовых вод определяется геологическим строением и гидрогеологическими условиями верхней части разреза, мощностью и фильтрационными свойствами торфяной залежи, наличием альтернативных источников питания болотных вод, что позволяет предложить типизацию условий, определяющих характер этого взаимодействия, для центральных районов Европейской части России.

2. Взаимодействие болотных и грунтовых вод может изменяться как по направлению фильтрации, так и по величине питания, в пределах небольших по площади участков современных болотных отложений.

3. Взаимодействие болотных и грунтовых вод меняется во времени в связи с процессом накопления, разложения и уплотнения торфа, что определяет изменение гидрологических и гидрогеологических условий территории.

4. При проведении гидрогеоэкологических исследований, связанных с оценкой влияния осушения или водоотбора подземных вод на водный режим болот, наиболее важной задачей является правильное установление типа взаимодействия болотных

. и грунтовых вод, определяющего устойчивость болот к рассматриваемым техногенным воздействиям.

Основные положения диссертации опубликованы в работах (Цветкова-девичья фамилия автора):

1. Цветкова И.В. Шумов Д.Б. Сирин A.A. Взаимодействие болотных и подземных вод в осушенных лесных болотах напорного питания // Гидротехническая мелиорация земель, ведение лесного хозяйства и вопросы экологии. СПб.: СПбНИИЛХ, 1997. С. 12б-128.

2. Цветкова И.В., Гвоздикова ГА, Орлов М.С. Гидрогеологические условия водно-болотного комплекса верховьев р. Яузы // Болота и заболоченные леса в свете задач устойчивого природопользованием. М.: ГЕОС, 1999. С. 33-35.

3. Гвоздикова ГА, Цветкова И.В. Гидрогеоэкологические условия водно-болотного комплекса р. Яузы // Материалы второй всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии». М.: Изд. МГУ, 1999. С. 45-4б.

4. Цветкова И.В. Гидрогеологические аспекты осушения низинных болот // Материалы межвузовской студенческой - конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования». СПб.: Издательство Ленинградского государственного универститета, 2000. С. 145-14б.

5. Цветкова И.В. Устойчивость низинных болот к техногенным воздействиям (на примере Дубнинского болотного массива, расположенного в Талдомском районе Московской области) // Проблемы гидрогеологии XXI века: наука и образование. Сборник докладов конференции, посвященный 50-летию кафедры гидрогеологии МГУ им. М.В. Ломоносова. М.: Издательство Российского университета дружбы народов, 2003. С. 49б-503.

6. Tsvetkova I.V., Sirin A.A. The hydrogeology of the boreal fen with groundwater discharge in Zapadnaja Dvina (Daugava) River headwaters (Western Russia) // Ecological processes in Northern Wetlands. Tartu, Estonia. ICEWetlands. 2003. P. 11б-121.

n

Отпечатано в отделе оперативной печати Геологического ф-та МГУ Тираж 10 С? экз. Заказ № /9

€.3202