Гидрологические особенности болот

Для выбора наиболее эффективных способов осушения торфяных болот необходимо знание некоторых гидрологических особенностей их, обусловленных геоморфологией, водным питанием, характером растительного покрова и условиями влагообмена.

Геоморфологические условия залегания. С.Н. Тюремнов разделяет торфяные месторождения по геоморфологическим признака на четыре основные группы и 22 подгруппы [19], но по условиям залегания в рельефе местности и по особенностям осушения большинство наиболее распространенных болотных массивов можно разделить на две основные группы [15].

1. Болота водораздельных междуречных пространств, к которым относятся болотные массивы водораздельные плакорного (плоского) залегания, водораздельно-склоновые плакорного залегания и болота котловинного залегания.

2. Болота речных долин, в состав которых входят пойменные, притеррасные и располагающиеся у подножия крутых склонов, а также болота староречий.

Водораздельные болота плакорного залегания, располагаясь в наиболее высоких точках речных водоразделов, имеют сток воды в различных направлениях в разные речные бассейны.

Рис. 3.1. Схема расположения болотных массивов в рельефе местности: а – водораздельное болото плакорного залегания; б – водораздельно-склоновое болото; в – пойменный болотный массив; г – притеррасное болото плакорного залегания; д – притеррасно-склоновое болото.

Для болот водораздельно-склоновых характерно расположение их на пологих склонах междуречных пространств или на водоразделах между двумя притоками одной реки. Соответственно и сток воды с них направлен либо в сторону общего склона в один водоприемник, либо в направлении обоих притоков.

Пойменные болотные массивы покрывают широкие поймы рек, имеют слабо наклонную поверхность в сторону русла реки.

Притеррасные болотные массивы отличаются от пойменных более высоким залеганием по отношению к уровню воды в реке. Поэтому они не подвергаются периодическим заливаниям речными водами весеннего половодья или дождевых паводков. При широких и плоских террасах такие болотные массивы имеют плакорное залегание. В ряде случаев притеррасные массивы залегают на склонах террас, во впадинах или в притеррасных понижениях.

Болотные массивы староречий занимают, как правило, небольшие площади. Они могут быть представлены двумя основными типами: массивами пойменного залегания и массивами притеррасного плакорного залегания.

Болота котловинного залегания могут располагаться либо в полностью замкнутых и бессточных котловинах, либо в понижениях проточного характера. В замкнутых котловинах сток воды к болотному массиву происходит по склонам котловины, окружающих болото. Иногда из котловины имеется выход к одному или нескольким ручьям – водоприемникам.

Рис. 3.2. Болота котловинного залегания: а – выпуклый болотный массив; б – вогнутый болотный массив; 1– граница болота; 2 – линия водораздела; 3 – ручьи.

Водное питание болотного массива зависит от условиязалегания его и рельефа поверхности самого болотного массива.

По условиям водного питания торфяные месторождения можно условно разделить на 4 группы.

Месторождения с преимущественно атмосферным питанием за счет выпадающих атмосферных осадков – дождя и снега; Поверхность торфяного месторождения с атмосферным питанием является выпуклой, возвышающейся над окружающими суходолами. В основании залежи почти всегда лежат малопроницаемые породы. Для водораздельных массивов плакорного залегания при расположения на наивысших точках местности основным источником питания является атмосферное. Питание торфяной залежи только атмосферными водами происходит в том случае, если дневная поверхность ее будет удалена от уровня грунтовых вод более чем на высоту капиллярного поднятия.

Возвышенный рельеф торфяного месторождения верхового типа не гарантирует благоприятные условия для сброса грунтовых вод в водоприемники, так как верховой торф с трудом отдает из себя воду. Осушение верховых месторождений является весьма сложной и трудной задачей ввиду исключительно большой влагоемкости и слабой водоотдачи.

Рис. 3.4. Схема торфяного месторождения с атмосферным питанием

.Месторождения пойменно-намывного питания – это месторождения с речным или озерным питанием, когда в торфяную залежь поступают воды со склонов водосбора и паводковые воды рек, затапливающие или подтапливающие массив.

Рис. 3.5. Схема торфяного месторождения пойменно-намывного питания

Месторождения с преобладающим грунтовым питанием – торфяная залежь получает грунтовую воду снизу и с боков из безнапорного водоносного пласта.

Рис. 3.6. Схема торфяного месторождения с грунтовым питанием.

Месторождения с напорно-грунтовым питанием, когда напорная вода прорывается в торфяную залежь снизу. Напорно-грунтовое питание торфяных месторождений преобладает там, где верхний водоупор, являющийся подошвой торфяной залежи, не имеет сплошного залегания и размыт на многих участках, в сумме составляющих значительную площадь.

Рис. 3.7. Схема торфяного месторождения с напорно-грунтовым питанием

В природе редко участвует только один из факторов водного питания, чаще всего водное питание торфяного месторождения происходит за счет нескольких водоисточников. Верховые торфяные месторождения, располагающиеся на повышенных водораздельных участках местности, является исключением, так как они, как правило, питаются только атмосферными водами.

Каждое торфяное месторождение по мере увеличения мощности торфяной залежи может придти к конечной стадии своего развития, т.е. стать верховым сфагновым болотом.

3.2. Цели и задачи осушения

Основная цель осушения – понижение УГВ в торфяной залежи до требуемой нормы. После строительства осушительной системы на 4 – 6 % уменьшается влажность слоя торфа, расположенного выше УГВ.

В естественном состоянии влажность торфяной залежи имеет достаточно высокие значения и в основном зависит от степени разложения R и типа торфа (табл.3.1).

Так, например, сосново-пушицевый и сосново-кустарничковые торфа при степени разложения R = 50 – 60 % имеют естественную влажность Wе = 87 – 89 %, верховой R = 30 – 40 % – W = 94 –96 %, медиум-торф при R = 10 – 30 % – We = 90 – 92 %, комплексный верховой R = 5 – 25 % – We = 90 – 93 %, верховой торф R = 5 – 25 % – We = 92 – 95 %.

Таблица 3.1.

Естественная влажность торфяной залежи (в неосушенном состоянии), по [9]

Одной из задач осушения является достижение нормативной влажности фрезеруемого слоя торфяной залежи.

В соответствии с «Нормами технологического проектирования» [7]

эксплуатационная влажность (влажность разрабатываемого слоя толщиной 15 мм) при добыче фрезерного торфа должна соответствовать данным, приведенным в табл. 3.2.

Таблица 3.2.

Влажность фрезеруемого слоя торфяной залежи при добыче фрезерного торфа

При добыче кускового торфа фрезформовочным способом на залежах верхового типа осуществляется щелевое фрезерование торфяной залежи на глубину до 450 мм с одновременной переработкой торфяной массы, формованием кусков и выстилкой их на поверхность поля сушки. Влажность торфяной залежи на глубину фрезерования должна иметь следующие значения:

Таблица 3.3.

Влажность фрезеруемого слоя при добыче кускового торфа фрезформовочным способом

В естественном состоянии торфяного месторождения грунтовые воды находятся близко от поверхности и зачастую выходят на дневную поверхность. Насыщенная водой торфяная залежь обладает весьма низкой несущей способностью, что делает невозможным передвижение по ней машин для добычи торфа. Поэтому вторая задача осушения состоит в создании ровной и плотной поверхности торфяной залежи, обеспечивающей надежную проходимость торфяных машин. Кроме того, под влиянием осушения происходит уплотнение и осадка торфяной залежи, за счет чего увеличивается несущая способность залежи и улучшается проходимость технологических машин.

Процесс сушки идет тем интенсивнее, чем лучше осушение залежи. Это связано как с уменьшением начального влагосодержания сушимого слоя торфа, так и с уменьшением поступления влаги в сохнущий торф из торфяной залежи, на поверхности которой этот торф сохнет. Объективным показателем осушенности торфяной залежи принято считать положение поверхности свободной грунтовой воды относительно земной поверхности. Положение грунтовых вод, так называемая кривая депрессии показано на рис. 3.8, где дан разрез поля перпендикулярно картовым каналам. Обычно положение кривой депрессии, т.е. расстояние от поверхности грунтовых вод до земной поверхности (Нгр) замеряется в центре карты и называется нормой осушения.

.

Рис. 3.8. Разрез пласта торфяной залежи между двумя осушителями

а – зона аэрации; б – зона капиллярного поднятия; в – зона грунтовых вод; г – зона высачивания; д – поверхность депрессии грунтовых вод; Нгр – норма осушения.

При небольшом расстоянии до уровня грунтовых вод наблюдается довольно значительное подпитывание верхних слоев влагой за счет поднятия ее по капиллярам, что увеличивает влагосодержание верхних слоев полей сушки. Особенно сильно влияние капиллярного подпитывания отражается на сушке фрезерного торфа. В табл. 3.4. приведены данные М.Р. Степанова [16] по увлажнению сушимого фрезерного торфа за счет отрицательного влагообмена. Интенсивность сушки торфа iс (мм/сутки) можно представить как разность между испарением и увлажнением:

iс = iи – iвл , (3.1)

где iи – количество испарившейся влаги; iвл – количество влаги, поступившей из подстилающего слоя залежи.

Таблица 3.4.

Поступление влаги в сушимый слой фрезерного торфа

Из этих данных видно, что при недостаточном осушении (<0,3м) влагообмен близок к интенсивности испарения с поверхности расстила фрезерной крошки и даже превышает её, т.е. в условиях даже средней погоды, на плохо осушенных полях высушить фрезерный торф до кондиционной влажности практически невозможно. Наоборот, при достаточном осушении (Нгр > 0,5 м) величина влагообмена так мала, что ею можно пренебречь.

Приведенные данные справедливы только для неуплотненной низинной залежи. Многократные проезды машин (до 100 – 150 раз в сезоне на каждой карте) приводят к значительному уплотнению верхних слоев залежи (на 25 – 35 %). Уплотнение верхних слоев залежи приводит к уменьшению диаметра капилляров, и к увеличению высоты подъема капиллярной влаги и, следовательно, к большему увлажнению разрабатываемого слоя.

По опытным данным высота капиллярного поднятия может увеличиться на 20 – 40 %, поэтому для нормальной сушки необходимо понизить УГВ еще примерно на 0,2 м, т.е. довести его до 0,7 м от поверхности.

При проектировании УГВ необходимо учитывать также осадки, т.к. после их выпадения УГВ значительно повышается, а последующее снижение его идет замедленно.

Для поддержания заданного УГВ необходимо предусмотреть в осушенной залежи резервную емкость за счет некоторого увеличения расчетной глубины так, чтобы после заполнения резервного объема выпавшими осадками УГВ не поднимался за пределы проектируемой отметки. Для верховой залежи, особенно с пониженной степенью разложения, из-за большой водопоглотительной способности верхних слоев залежи, в которых даже при сравнительно низком расположении УГВ задерживается значительное количество влаги, а из-за низких значений коэффициента фильтрации сильно затрудняется инфильтрация дождевых вод, требования к условиям осушения особенно велики.

В настоящее время в практике проектирование приняты следующие значения нормы осушения:

для низинной залежи Нгр ≥ 0,8-0,9м

для верховой залежи Нгр ≥ 1м.

Таким образом, задачами осушения являются:

· понижение уровня грунтовых вод до величины, обеспечивающей на поверхности торфяной залежи надежные условия для сушки торфа;

· повышение несущей способности торфяной залежи;

· создание условий для быстрого отвода поверхностных вод после весеннего снеготаяния и летних ливневых осадков;

· увеличение выхода воздушно-сухого торфа из 1 м3 торфяной залежи.