Водный баланс и гидрологический режим болот

Водный баланс болота, как и других водных объектов суши, складывается из приходной части, включающей атмосферные осадки х, приток поверхностных у ₁и подземных (грунтовых) вод w ₁,и из расходной части, включающей испарение z,поверхностный у ₂и подземный w ₂отток. За интервал времени ∆t в болоте может произойти накопление воды или ее сработка (±∆ u).

С учетом сказанного общее уравнение водного баланса болота выглядит следующим образом:

х + у ₁+ w ₁ = z + у ₂+ w ₂ ± ∆ u. (9.2)

Для верхового болота члены у ₁и w ₁(болото питается лишь атмосферными осадками) равны нулю.

Изменение запаса воды в болоте ±∆и может быть представлено как изменение уровня грунтовых вод в торфяной залежи:

∆и = а∆Н, (9.3)

где а равно либо водоотдаче µ (при снижении уровня грунтовых вод), либо дефициту влажности d (при повышении уровня). Значение а определяют точно так же, как для любого грунта (см. разд. 5.5), и выражают в долях единицы.

Поскольку µ и d в различных частях болота различны, суммарное изменение запаса влаги в деятельном слое болота определяется как средневзвешенная величина:

∆и= [å(a_i∆H_iF_i)] /F, (9.4)

где F_i — площадь каждого отдельного болотного микроландшафта; F— полная площадь болота.

Источниками питания болот служат, таким образом, атмосферные осадки, поверхностный и подземный сток из-за пределов болота. У верховых и низинных болот соотношение этих источников питания различное: верховые болота питаются в основном атмосферными осадками, низинные — поверхностными и подземными (грунтовыми) водами.

Главная статья расходования воды в болотах — это испарение с поверхности болота, включая транспирацию растительностью. Вклад испарения в расходование воды с болота достигает 100% для низинных бессточных болот котловинного залегания в аридной зоне и составляет около 50% для болот в северных районах избыточного увлажнения.

Величина испарения с болот зависит от климатических условий, в целом возрастая с уменьшением широты местности, от типа болота (евтрофные болота испаряют воды больше, чем олиготрофные), от высоты стояния уровня болотных грунтовых вод и содержания воды в болоте (при высоком влагосодержании величины испарения могут приближаться к величинам испаряемости).

Наибольшее количество воды испаряют болота в условиях сухого субтропического климата. С плавней в дельтах ряда рек испаряется в год до 1300 мм воды. Много воды испаряют заболоченные тропические леса. В условиях умеренного климата наибольшее количество воды испаряют сфагново-осоковые и лесные топи (до 600 мм за лето), наименьшее — сфагновые болота с кустарничками (до 300 мм за лето). Много испаряют лесные болотные микроландшафты, меньше — моховые. Косвенный показатель испарения — более низкий уровень грунтовых вод в летнее время в лесных болотах. Испарение с мочажин обычно на 40—60% превышает испарение с гряд. В целом в зоне избыточного увлажнения испарение с низинных болот превышает испарение с верховых болот на 10—15%.

Соотношение составляющих водного баланса болота изменяется во времени. Изменение условий питания и расходования влаги в болоте приводит, согласно уравнению водного баланса, к колебаниям уровня грунтовых вод, который обычно находится близко от поверхности болота и быстро реагирует на изменения составляющих водного баланса. Это и определяет водный режим болот.

Для торфяных болот в условиях умеренного климата (север и центр Европейской территории России) типичны следующие изменения составляющих водного баланса и сопутствующие изменения водного режима болот. В весеннее время идет пополнение запасов влаги в основном в результате снеготаяния. Уровень болотных грунтовых вод весной повышается, достигая максимальных значений обычно в апреле — мае. В летнее время происходит расходование влаги в основном путем испарения и частично стока. Минимальные уровни болотных грунтовых вод наблюдаются в июле — сентябре. Зимой происходит некоторое расходование запасов влаги, однако оно очень невелико (испарение практически отсутствует, сток снижается почти до нуля вследствие промерзания деятельного слоя на всю его глубину или значительного снижения уровня грунтовых вод). Минимальные уровни болотных грунтовых вод наблюдаются в феврале — начале марта. Некоторое пополнение запасов влаги в болоте и сопутствующее повышение уровня грунтовых вод наблюдаются осенью в период дождей. Типичный график колебаний уровня грунтовых вод в болоте приведен на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Сезонные колебания уровня грунтовых вод относительно поверхности болота в условиях умеренного климата (по К.Е. Иванову)

Высота стояния уровня грунтовых вод и его колебания зависят от типа болотных микроландшафтов и рельефа поверхности болота. Наиболее низкий уровень грунтовых вод в лесных болотных микроландшафтах. Средний уровень грунтовых вод в пониженных элементах рельефа на 30—40 см ниже поверхности болота. Здесь же наблюдаются и наибольшие колебания уровня грунтовых вод в течение года (до 60—75 см при средней величине 45—55 см). С уменьшением высоты и густоты древостоя средний уровень грунтовых вод повышается, и величина колебаний уменьшается.

На моховых болотах (без древесной растительности) уровень грунтовых вод наиболее высокий, а размах его колебаний в течение года наименьший.

Тепловой режим торфяных болот помимо климатических условий в значительной степени зависит от водно-тепловых свойств торфа и минеральных грунтов. Особенно важную роль играет теплоемкость и теплопроводность торфа, зависящие, в свою очередь, от соотношения объемов органического вещества, воды и воздуха в торфяной залежи. Чем больше содержание воды в торфе, тем больше его теплоемкость и тем медленнее он нагревается и остывает.

С глубиной колебания температуры торфяной залежи ослабевают. В условиях умеренного климата суточный ход температуры в деятельном слое торфяного болота заметен лишь до глубины 15—25 см, а сезонные колебания температуры — до глубины 3—3,5 м. На глубинах, превышающих 35—40 см и 4—5 м, соответственно суточные и сезонные изменения температуры обычно отсутствуют.

Величина и суточных и сезонных колебаний температуры в торфяном болоте меньше, чем в минеральном грунте, и уменьшается с увеличением влажности грунта. Непосредственно на поверхности болота суточные колебания температуры вследствие малой передачи теплоты в глубь торфяной залежи могут быть очень велики, что способствует повышенному испарению в дневные часы и ранним осенним заморозкам в ночные часы.

Замерзание болот в условиях холодного и умеренного климата наступает через 15—17 дней после устойчивого перехода температуры воздуха через 0 °С, т. е. болота замерзают позже небольших озер и рек. Наиболее интенсивно торфяная толща промерзает при небольшой толщине снежного покрова. К концу зимы толщина мерзлого слоя торфа на грядах в среднем в 1,5 раза больше, чем на мочажинах. Максимальная толщина мерзлого слоя на крупно-бугристых торфяниках — до 60—65 см.

На Европейской территории России толщина мерзлого слоя торфа на болотах возрастает с запада на восток, что объясняется понижением температуры воздуха, увеличением длительности зимнего периода и уменьшением толщины снежного покрова в этом направлении.

Оттаивание болот помимо климатических условий зависит от толщины мерзлого грунта, толщины снежного покрова и поэтому протекает различно в разных болотных микроландшафтах.