Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Водно-тепловой режим бугристых болот Западной Сибири и его расчет

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Москвин, Юрий Павлович

Стр,

Введение

1. Обзор литературы по вопросам исследования водно-теплового режима.болот.зоны много-. летней мерзлоты

2. Экспериментальные исследования. водноттеп-г. лового режима бугристых болот . . . II

2.1. Физико-географические.условия.района . исследований .« . . II

2.2. Характеристика экспериментальных участков, . 12 . 2.3. Методика исследований

3. Элементы водно-теплового.режима бугристых болот и их расчет

3.1. Радиационный баланс.болот.

3.2. Испарение.

3.3. Влажность торфяной залежи,

3.4. Уровень болотных вод

3.5. Оттаивание торфяной залежи 3.6. Температура торфяной залежи.

4. Общая схема расчета водно-теплового режима бугристых болот и результаты,расчета. многолетних характеристик .•

4.1. Характеристика исходных материалов наблюдений за метеорологическим.режимом. . исследуемой территории.

4.2. Схема расчета

4.3. Результаты расчета многолетних характерно тик.элементов водно-теплового режима. болот . .е. . . Стр.

4.3.1. Радиационный.баланс и испарение с болот.

4.3.2. Влажность торфяной залежи

4.3.3. Оттаивание торфяной залежи,.

4.3.4. Уровень болотных вод .'.

4.3.5., Температура, торфяной залежи.

Выводы

Введение Диссертация по географии, на тему "Водно-тепловой режим бугристых болот Западной Сибири и его расчет"

Бугристые болота занимают значительные территории суши. Они встречаются на севере Американского континента, в Скандинавии, в северных районах Европейской и Азиатской части Советского Союза / I /. Наибольшие площади, занятые бугристыми болотами, сосредоточены на севере Западной Сибири / 2 /» равнинность территории которой при избыточном увлажнении создает благоприятные условия дал заболачивания.

Строение бугристых болот и особенно их водно-тепловой режим в настоящее время изучены крайне слабо, что затрудняет решение таких важных научных и практических вопросов, как образование и развитие ( генезис) бугристых болот, разработка методов расчета и црогноза ха.рактеристик водно-теплового режима естественных и преобразованных массивов, оценка влияния хозяйственной деятельности на природную среду.

Зона бугристых болот расположена в пределах нефтегазоносной провинции Западно-Сибирской равнины. Здесь открыты и осваиваются многочисленные месторовдения газа, наиболее крупными из которых являются Уренгойское и Медвежье. Сюда постепенно продвигаются и нефтяники, открывшие в районе Сибирских Увалов целый ряд перспективных в эксплуатационном отношении месторождений. Освоение нефтяных и газовых месторождений Ямала, Тазовского и Гданьского полуостровов приведет к необходимости прокладки, нефте- и газопроводов с севера на юг через зону бугристых болот. Уменьшение огромных затрат на строительство промышленных объектов и прокладку линейных сооружений связано прежде всего с разработкой научных основ освоения севера Западной Сибири, основными особенностями которого является наличие многолетней мерзлоты и большая степень заболоченности территории. Решение этой задачи требует проведения комплексных исследований природных условий севера Западной Сибири с целью получения надежных расчетных характеристик основных элементов водно-теплового режима бугристых болот и их изменений в многолетнем разрезе / 3 /. При отсутствии систематических наблюдений за водно-тепловым режимом заболоченных территорий единственным, на наш взгляд, правильным решением поставленной задачи, может быть проведение кратковременных комплексных экспедиционных исследований с целью получения необходимой информации для разработки методик расчета элементов водно-теплового режима по метеоданным, Разработка таких методик дает возможность использовать для расчета требуемых характеристик материала многолетних наблюдений сетевых метеорологических станций. Анализ полученных за многолетний ряд характеристик позволяет оценить характер изменения элементов водно-теплового режима бугристых болот в многолетнем разрезе, определить величину обеспеченности экстремальных значений, расчетные характеристики водно-теплового режима заболоченных территорий, имеющие также и вероятностную оценку, могут непосредственно использоваться при проектировании и строительстве сооружений на болотах рассматриваемой зоны.

Основой настоящего исследования послужили материалы наблюдений Западно-Сибирской экспедиции 1ТИ, в работе которой автор в течение 9 лет принимал активное участие, возглавляя отряд по,комплексному изучению водного и теплового режима бугристых болот. Следует отметить, что данная работа рассматривает изменения водного и теплового режима только деятельного слоя, т.е. слоя сезонного протаивания и не касается нижерасположенного многолетнемерзлого горизонта, характеристика которого достаточно детально рассмотрена в работах / 4 » 5 Л

I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ВОПРОСАМ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БОЛОТ ЗОНЫ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ

До настоящего времени водно-тепловой режим бугристых болот практически не изучен. Это связано в основном с их географическим положением, обуславливающим весьма слабое заселение.и хозяйственное освоение территории» занятой этими болотами. Развитие промышленности и освоение природных богатств северных районов Западной Сибири начато лишь в последние два десятилетия.

Преобладающее большинство работ, посвященное исследованию бугристых болот, содержит информацию о рельефе, растительности, распространении, возрасте, классификации бугристых болот и практически не освещает их водно-тепловой режим ввиду отсутствия стационарных долговременных наблюдений на этих болотах.

Впервые обследование территории рассматриваемого региона проводилось в 1913 - 1915 гг. по заданию Переселенческого управления. В результате этих обследований были получены сведения о морфологии и распространении бугристых болот. Результаты исследований рассмотрены в работах Д.А.Драницына / 6 / и А.А.Григорьева / 7 /.

В 30-х. годах институт полярного земледелия проводил работы по выявлению кормовых угодий и оленьих пастбищ. Исследования, выполненные В.Н.Аццреевым /8, 9 /, Б.Н.Тород ковым /10, II, 12/ и В.С.Говорухиным / 13, 14 / дали первые сведения о растительности, географическом распространении бугристых торфяников и их генезисе.

Значительный вклад в изучение типов и генезиса бугристых болот Западной Сибири внесен.Красноярским институтом леса и древесины. Под руководством Н.И.Пьявченко в 1950-х годах были осуществлены комплексные исследования лесных биоценозов на заболоченных территориях Западной Сибири / 15, 16, 17 /. Результаты исследований бугристых болот, выполненных до 1954 г. » обобщены Н.И.Ньявченко в капитальной монографии / 18 /.

Исследования болот Западной Сибири, их районирование и определение абсолютного возраста болот проводились и проводятся Институтом географии АН СССР(Кац Н.Я. /I, 19 /, Нейштадт МЛГ. /20/) .

Вопросы образования и распространения бугристых болот в Западной Сибири рассмотрены в работах ряда авторов / 21, 22, 23, 24, 25 /.

Особое место занимают исследования, связанные с классификацией бугристых болот. Большинство авторов / I, 2, II, 14, 15, 18, 20, 26 , 27, 28 / подразделяют. бугристые болота на два типа: плоскобугристые и крупнобугристые. В качестве основных критериев при разделении бугристых торфяников на плоскобугристые и крупнобугристые обычно принималась высота и форма торфяных бугров"; К плосокбутристым относят, как правило, болота с торфяными плоскими буграми высотой не более 1,5 - 2,0 м, а к крупнобугристым -болота.с торфяными куполообразными буграми высотой более 2,0 м / 18 /. Такое деление болот в значительной мере условно, поскольку в рассматриваемой зоне встречаются куполообразные бугры до 2-х м и ппосковершинные бугры высотой более 2,0 м. Большой фактический материал, накопленный при исследованиях бугристых болот Западно-Сибирской экспедицией ГГИ в 1972 - 1983 гг.» позволил: I) установить отсутствие зональности в распределении плоско бугристых и крупнобугристых болот / 29 / и 2) создать детальную классификацию бугристых болот, при разработке которой учитывались высота и форма бугров, структура межбугорных понижений, степень увлажненности различных их элементов, а также характер изображения этих болотных комплексов на аэрофотоснимках / 29, 30 /. Указанная классификация подразделяет бугристые болота на два типа: низкобугристые и высокобугристые! в которых выделяется четыре группы болотных микроландшафтов, объединяющих двенадцать типов болотных комплексных микроландшафтов. Достоинством рассмотренной классификации является ее детальность и увязка с аэрофотоснимками, что позволяет использовать ее не только при научных исследованиях» но и в практике освоения заболоченных территорий.

Тепловой режим бугристых болот до настоящего времени изучен недостаточно. Первые исследования теплового режима ( температура л и глубина оттаивания торфяной, залежи) были проведены MIT в 1963 - 1969 гг. ( Тыртиков А.П. / 22, 23, 31, 32 / ). Указанные исследования осветили некоторые вопросы тепло и влагообмена в системе растительный покров - почва, роль растительности в промерзании и оттаивании грунтов в условиях многолетней мерзлоты. Однако эти исследования базировались на кратковременных эпизодических набладениях, что не позволило автору подойти.к созданию надежных методов расчета элементов теплового режима;

Большие работы по изучению геокриологических особенностей севера Западной Сибири ( тепловой баланс, температурный режим, оттаивание почвогрунтов) проводятся, начиная с 60-х годов, Всесоюзным научно-исследовательским институтом инженерной геологии и гидрогеологии ( ВСЕШНГЕО) . В 1975 - 1976 гг. ВСЕГИБГЕО для постановки комплексных тешюбалансовых исследований в различных ландшафтах зоны многолетней мерзлоты Западной Сибири привлекло Главную геофизическую обсерваторию им. А.И. Воейкова. Проведенные в течение 2-х лет совместные исследования были продолжены в дальнейшем ВСЕГИНГЕО, эти работы внесли заметный вклад в познание особенностей теплового режима природных ландшафтов данной зоны. Однако, изучая тепловой режим многочисленных природных ландшафтов севера Западной Сибири, бугристым болотам, характеризующимся большим разнообразием в строении, уделялось столько же внимания как и любому другому ландшафту, что естественно сказалось на объеме полученной информации, а следовательно и степени изученности бугристых болот. Основной задачей этих исследований являлось изучение пространственной изменчивости геокриологических, почвенных и теплобалансовых характеристик и прогноза их изменений при хозяйственном освоении территории. Изменения же элементов теплового режима в многолетнем плане в зависимости от колебаний климатических элементов не рассматривались. Результаты проведенных ВСЖЖГЕО и ГГО исследований изложены в ряде работ / 4, 5, 33, 34, 35 /. Эти результаты дают возможность рассчитать соотношения мезду элементами теплового баланса различных природных ландшафтов, определить теплофизические характеристики мерзлых и талых почвогрунтов, оценить изменения элементов теплового баланса различных ландшафтов при хозяйственном освоении территории. Одним из наиболее существенных достижений рассматриваемых исследований является разработка математической модели, реализующей уравнение водного и теплового баланса для различных при-родно-территориальных комплексов ( НТК). Расчетными параметрами модели являются: температура грунта, суммарная влажность, льдистое ть, наличие ледяных тел, мощность промерзащих и оттаивающих слоев, криогенные физико-геологические процессы. Однако недостаточная изученность отдельных зависимостей позволила использовать разработанную модель только со значительными упрощениями при прогнозе геокриологических условий на срок до 5 лет.

Наиболее значительные исследования водно-теплового режима бугристых болот выполнены Западно-Сибирской экспедицией ГШ. Началом этих исследований послужило проведение экспедиционных работ и организация стационарных наблюдений в, 1964 г, на посту Цум-То, расположенном на южной границе зоны. Режимные воднотеп-лобалансовне экспедиционные исследования начаты в 1971 г« и проводятся до настоящего времени. Анализ накопленного материала позволил установить основные закономерности изменений элементов водного и теплового режима бугристых болот и разработать ряд методик их расчета / 3, 36 , 37, 38, 39, 40, 41, 42 /.

Резшируя изложенный анализ изученности водно-теплового режима бугристых болот следует отметить, что несмотря на наметившийся в последние два десятилетия положительный сдвиг в изучении водно-теплового режима бугристых болот» до настоящего времени не разработаны надежные методики расчета элементов теплового баланса этих болот и их изменений в многолетнем плане. Изученность элементов водного баланса бугристых болот еще более отстает от запросов, возникающих при освоении этой территории, поскольку, по нашим сведениям, наблюдения за водным режимом бугристых болот проводятся только Западно-Сибирской экспедицией ГГИ. Слабая изученность водно-теплового режима бугристых болот при возрастающих запросах проектных и строительных организаций, связанных с постоянным повышением эффективности промышленного освоения заболоченных территорий, определяют актуальность настоящей работы.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Москвин, Юрий Павлович

вать следующим образомг I, Радиационный баланс бугристых болот определяется суммар ной сошетной радиацией, продолжительностью светлого времени суток и характером растительного покрова. Получерные зависимости для расчета указанной составляющей теплового баланса позволяют опре делить ее среднедекадные значения со средними ошибками около 10^.При этом суммарная солнечная радиация определяется по данным об облачности, по таблицам, построенным на основе результатов непос редственных наблюдений.2. Анализ материалов градиентных наблюдений позволил устано вить, что в засушливые периода профили влажности воздуха на буг ристых болотах имеют неправильную ломаную форду. Это явление объясняется, значительной неоднородностью влажности подстилащей поверхности. Расчет испарения с бугристых болот выполнен по зави симостям указанного элемента от радиационного баланса болот с учетом состава растительности. Установлено, что затраты тепла на испарение с бугристых болот составляют около 50^ радиационного баланса, что,на 12^ меньше указанных затрат для талых болот Сред него Приобья.3. Сравнение результатов наблвдений за испарением с бугрис тых болот методами теплового баланса и испарителей показало, что расхождение среднедекадных величин, полученных этими двумя мето дами в среднем равно 15 - 20^, расхождение величин испарения за теплый сезон не превышает 4 - 6^. Испарение с лишайников в засуш ливые период?!, как свидетельствуют данные наблщцений, составляет около 20^ от суммарного испарения с бугристых болот, испарение с мохового покрова на буграх, практически в течение всего теплого периода, а с лишайников в дождливые периода равно 80^ суммарного испарения. Испарение с топей в среднем в 2 раза больше испарения с бугристых болот.4. Впервые установлено явление, несвойственное другшл типам болот, а именно отсутствие болотных вод на буграх в длительные засушливые периода, показано, что значительную часть теплого пе риода болотные вода на буграх находятся только в микропонижениях поверхности мерзлоты. Предложен количественный показатель степени покрытия площади мерзлоты на буграх болотными водами.5. Исследование профилей объемной влажности торфяной залежи в весенний период позволило установить явление повторного замер зания воды, образовавшейся при таянии снежного покрова, в торфя ной залежи бугров. В связи с этим влажность торфяной залежи буг ров, за искдЕЮчением верхнего 5 - 10-сантиметрового слоя, ежегодно достигает значений полной влагоемкости.6, Влагосодержание торфяной залежи и уровни болотных вод на буграх в значительной степени определяются пространственной измен чивостью высот микрорельефа поверхности бугров, а также простран ственной и временной изменчжвостью высот микрорельефа поверхности протаивающей мерзлоты. Полученные характеристики изменчивости указанных поверхностей позволяют анализировать положение уровней болотных вод относительно совмещенных кривых обеспеченности по верхности болота и поверхности мерзлоты. Использование указанного метода позволило рассчитывать среднедекадные уровни болотных вод с точностью 2 - 3 см.7, Разработанный метод расчета интенсивности оттаивания тор фяной залежи болот, учитыващий температуру поверхности болота и влажность талого слоя, позволяет с достаточной для практрлеских целей точностью ( 2 - 3 см) рассчитывать глубину оттаивания болот.В результате выполненных расчетов установлено, что среднелшого летняя глубина оттаивания бугров равна 40 - 55 см, топей - 60 -

- 75 см. Различие в глубинах оттаивания болот в наиболее теплые и наиболее холодные годы около 20 см.8, Формирование температурного режима торфяной залежи буг ристых болот в значительной мере определяется режимом ее оттаива ния и характером растительного покрова. Использование полученных послойный зависимостей температзгры нижележащих слоев от вышерас положенных возможно при протаивании.ниже определенной глубины, названной глубиной влияния мерзлоты. Предложенная методика, учи тывающая влияние мерзлоты на температуру, позволяет рассчитывать

9. Исследование взаимосвязей и взаимообусловленности между элементами водно-теплового режима, а также детальное изучение процессов ШЕграции и фазовых превращений воды в период снеготая ния позволилю разработать математическзгю модель водно-теплового режима бугристых болот и установить начальные условия для ежегод ного расчета элементов режима по указанной модели. Использование в модели обычной метеорологической инфорлации дало возможность привлечь для расчета многолетние материалы наблюдений сетевых ме теорологических станций.10. Картирование результатов расчета радиационного баланса и Такая аномалия в харшстере распределения радиационного баланса и по территории зоны в пределах 240 - 290 мм.11. Анализ пространственных корреляционных функций позволил определить однородность рассчитанных среднедекадных и среднеме сячных значений элементов водно-теплового режима бугристых болот внутри выбранных районов. Это обстоятельство дало возможность рассчитать среднеьшоголетние и обеспеченные значения элементов водно-теплового режима ( радиационного баланса, испарения» влаж ности, оттаивания, уровней и температуры торфяной залежи) для раз нообразных форм мезорельефа и растительного покрова бузтристых болот. Полученные результаты освещают водно-тепловой режим ранее неизученных бугристых болот и могут быть использованы в практике промышленное проектирования с целью повышения качества проектов обустройства нефтяных и газовых местороадений,