Оглавление
Водно-физические свойства деятельного слоя болот.
Водно-физические свойства торфяной залежи неосушенных болот Западно-Сибирской равнины изучены слабо. Имеющиеся в работах [52, 53, 67] экспериментальные характеристики капиллярной влагоемкости, водоотдачи и водопроводимости торфяной залежи ряда низинных болотных массивов получены по ограниченному числу образцов и монолитов, вследствие чего они могут существенно отличаться от их средних значений в соответствующих микроландшафтах. Кроме того, они не увязаны с морфологическими характеристиками деятельного слоя, что почти исключает возможность их распространения по территории. Поэтому такие экспериментальные данные практически могут быть использованы только для приближенной оценки вероятных изменений той или иной из указанных характеристик по глубине в поьерхностном слое залежи.Более детальное и широкое изучение водно-физических свойств деятельного слоя торфяной залежи сибирских болот началось с 1966 г. Западно-Сибирской экспедицией Государственного гидрологического института в районах нефтяных и газовых месторождений Тюменской области, расположенных в зоне выпуклых олиготрофных (сфагновых) болот. Целью этих исследований являлось определение для различных типов болотных микроландшафтов средних или расчетных значений капиллярной влагоемкости, водоотдачи и водопроводимости деятельного слоя торфяной залежи.
Исследование водно-физических свойств деятельного слоя проводилось одновременно с изучением его строения. Все экспериментальные данные с возможно более высокой точностью привязывались к СПБz и элементам микрорельефа. Это позволило рассмотреть влияние микрорельефа и связанной с ним изменчивости ботанического состава растений-торфообразователей на структуру материала в деятельном слое различных микроландшафтов и установить некоторые общие закономерности изменения водно-физических свойств материала в поверхностном слое залежи.
Полученные результаты были использованы для усовершенствования общей методики ведения исследования деятельного слоя болотных микроландшафтов и разработки методических приемов экспериментального определения расчетных значений капиллярной влагоемкости, водоотдачи и водопроводимости торфяной залежи.
Капиллярные свойства.
Под капиллярными свойствами грунта понимается его способность поднимать жидкую воду и удерживать некоторое количество последней над уровнем грунтовых вод благодаря подъемной силе поверхностного натяжения менисков во внешних порах.Способность торфяной залежи всасывать и поднимать воду на некоторую высоту принято выражать величиной сосущей силы
или потенциалом почвенной влаги (Ф),
а количество воды, которое тот или иной слой залежи способен удерживать в своих порах при различной глубине уровня болотных вод — капиллярной влагоемкостью этого слоя Wk(P), где Р — отрицательное гидростатическое давление в капиллярных порах в см вод. ст., численно равное глубине уровня воды относительно середины слоя.
В торфяной залежи над уровнем болотных вод всегда находится некоторое количество влаги, которая по форме взаимодействия с органическим скелетом мохового очеса (торфа) не относится к категории капиллярно-связанной воды. В данном случае имеется в виду: вода углов пор, удерживаемая между чешуйчатыми листьями мха силами поверхностного натяжения и расклинивающего давления; вода внутри клеток отмерших и живых растений и вода в виде пленок на поверхности частиц. Часть этой воды удерживается в сфагновом очесе и торфе низкой степени разложения очень слабыми силами и может участвовать в естественных процессах перемещения влаги в торфяной залежи. Поскольку разделение связанной воды на ее категории и выделение последних в «чистом виде» оказывается весьма сложным, при эспериментальном определении кривых капиллярной влагоемкости W(P) к категории капиллярной воды условно относят всю слабосвязанную воду.
Рассмотренные выше характеристики капиллярных свойств торфяной залежи lgP, Ф и Wk(Р) могут определяться разными методами и с применением различных приборов. Определение же их в деятельном слое торфяной залежи чаще всего производится по методу капилляриметров, который позволяет получить подробную характеристическую функцию
распределения объемов связанной воды по величине сил, удерживающих ее в порах сфагнового очеса (торфа), для любого достаточно тонкого (толщиной 5 см) слоя торфяной залежи.
Экспериментальные функции
или вычисленные по ним кривые 
другие (где ν и s —
объем и площадь сечения пор радиусом г) используются для расчета
коэффициентов водоотдачи торфяной залежи, высоты капиллярного поднятия
воды и кривых распределения равновесной влажности в зоне аэрации,
капиллярной влагопроводности.Между отрицательным гидростатическим давлением Р (или lgР и Ф) и равновесной влажностью W отдельных слоев торфяной залежи могут быть получены эмпирические связи W (Р). Такие связи используются в основном как тарировочные кривые при производстве наблюдений за влажностью в соответствующих слоях торфяной залежи с помощью влагопотенциометров.
Однородные слои торфяной залежи, имеющие одинаковую пористую структуру, образуют одну общую для них связьW(P). Однако в подавляющем большинстве болотных микроландшафтов пористая структура мохового очеса и торфа в деятельном слое залежи не остается одинаковой как в вертикальном (по глубине), так и в горизонтальном (в плане) направлениях в связи с естественной изменчивостью в этих же направлениях плотности укладки частиц органического скелета и видового состава очеса. Поэтому связи W (Р) в общем их виде для построения профилей равновесной влажности в деятельном слое залежи не используются. Такие профили могут быть построены по связям более совершенным, учитывающим фактические изменения пористой структуры материала в этом слое залежи.
Для изучения общих закономерностей изменения влагоемкости W(Р) мохового очеса и торфа в деятельном слое верховых болот вследствие естественного уплотнения органического скелета при торфообразовании в ГГИ были проведены специальные эксперименты по исследованию связанной воды, удерживаемой отдельными частицами (живыми и отмершими растениями сфагновых мхов) и различными по плотности и ботаническому составу образцами торфяной залежи с ненарушенной структурой. Значительная доля образцов, предназначенных для данного исследования, была отобрана из деятельного слоя верховых болот Западной Сибири, в бассейне р. Конды.
Экспериментальная часть исследования выполнялась с помощью капилляриметров с гидравлической системой отсоса связанной воды по методике, изложенной в Наставлении [136]. В результате были получены эмпирические криьые
в диапазоне изменения отрицательного гидростатического давления Р от 0
до 150 см вод. ст. Вычисленные по ним значения влагоемкости W (Р),
исследованных образцов торфяной залежи и отдельных частиц мохового
очеса приводятся в таблицах приложения 4.Данные табл. 3.11, полученные путем интегрирования экспериментальных функций
по
диапазонам отрицательного гидростатического давления, показывают, что
общее содержание слабосвязанной воды (переходящей в свободное состояние
при изменении Р от 0 до 100 см вод. ст.) зависит от объемного веса
абсолютно сухого вещества (ρ г/см:3) сфагнового очеса (торфа) и
существенно уменьшается с уплотнением органического скелета образцов. В
рассматриваемых примерах при изменении объемного веса сухого вещества
от 0,0202 до 0,0816 г/см^3 общее содержание слабосвязанной воды
уменьшилось почти в два раза (от 86,0 до 47,5%). Из этих же данных
видно, что с уплотнением органического скелета в моховом очесе
происходит резкое сокращение суммарного объема и числа наиболее крупных
пор с капиллярным натяжением Р= 0÷10 см вод. ст. и увеличение числа пор
меньшего размера с капиллярным натяжениемР= 10÷40 см вод. ст.
Увеличивается также число мелких пор с капиллярным натяжением Р= 50÷100
см вод. ст. Однако общее содержание подвижной воды в мелких порах
остается еще очень малым по сравнению с крупными порами. Кроме того,
суждение о качественной перестройке пористой структуры мохового очеса
при его уплотнении было получено на основании анализа данных,
приведенных в табл. 3.12. Это следует из сопоставления величин общей
объемной влажности W (Р) структурных образцов и вычисленной наибольшей
предельной влагоемкости частиц Wчаст(Р), которую они могли бы проявить
в тех же образцах очеса при условии свободной укладки без механического
сжатия и уплотнения. Соответствующие вычисления для четырех образцов с
равномерно увеличивающимся объемным весом сухого вещества приводятся в
табл. 3.12.
Из полученных данных видно, что разность W(P) — Wчаст(P), отображающая количество воды в образце сверх влагоемкости частиц, уменьшается по мере уплотнения скелета очеса и сокращения размера внешних пор между частицами. Для образца с объемным весом сухого вещества 0,0816 г/см^3 эта разность имеет отрицательный знак. Последний указывает на то, что при столь плотной укладке частицы уже не проявляют своей наибольшей влагоемкости из-за механического сжатия и уменьшения расстояний между чешуйчатыми листьями на ветках и стеблях мха.
Таким образом, приведенный выше анализ экспериментальных данных показал, что капиллярная влагоемкость Wk (Р) сфагнового очеса и слаборазложенного торфа, а также влагоемкость Wчаст(P) частиц (растений) в их составе зависят от степени уплотнения органического скелета в единице объема торфяной залежи. При этом общее количество слабосвязанной воды, удерживаемой в углах пор между структурными формами частиц и в порах между растениями, приходящееся на единицу веса сухого органического вещества, по мере уплотнения очеса уменьшается, а энергия связи системы вода — органическое вещество увеличивается. Экспериментальные данные свидетельствуют также о том, что слабосвязанная вода в углах пор и капиллярная вода в порах между частицами удерживается в сфагновом очесе силами одного и того же порядка.
Рассмотренные выше изменения характеристики распределения слабосвязанной воды в очесе при его уплотнении позволяют объемную влажность в зоне аэрации деятельного слоя залежи представить как функцию двух независимых переменных: отрицательного гидростатического давления Р, действующего на связанную воду, и объемного веса сухого вещества ρ, являющегося показателем величины уплотнения органического скелета в единице объема,
W = f(P, ρ). (3.2)
На рис. 3.16 приведены графики связи экспериментальных значений равновесной влажности Wp в образцах мохового очеса с различным объемным весом сухого вещества р при отрицательном гидростатическом давлении Р, равном 10 и 150 см вод. ст. Для промежуточных значений Р в диапазоне 10</Р/<150 см вод. ст. связи Wp (ρ) являются столь же тесными. Эти графики показывают, что объемная влажность при значениях действующего на связанную воду отрицательного гидростатического давления Р от 0 до 150 см вод. ст. находится в линейной зависимости от объемного веса сухого вещества:
(3.3)где Wp — объемная влажность в %; mp — коэффициент удельной влагоемкости, характеризующий запас равновесной влаги в образце на единицу веса твердой фазы очеса (г/г абсолютно сухого вещества).
Из рис. 3.16 видно, что экспериментальные данные образуют две связи Wp = mp ρ с разными угловыми коэффициентами m для одних и тех же значений Р. Связь II построена по опытным данным, полученным по образцам сфагнового очеса и торфа с преобладанием Sph. fuscum и Sph. angustifolium, а связь I — по данным, полученным по образцам из мочажин и западин на избыточно увлажненных участках болот, сложенных Sph. balticum, dusenium и cuspidatum (очесом и торфом). С ростом абсолютной величины отрицательного гидростатического давления разница между угловыми коэффициентами связей I и II уменьшается, и при |Р|>70 см вод. ст. значения этих коэффициентов практичечески становятся равными.
Связи между Wp и ρ являются достаточно тесными и характеризуются коэффициентами корреляции r от 0,75 до 0,96.
Из того же рисунка видно, что данные, полученные по образцам торфяной залежи западно-сибирских и европейских болот образуют единые связи Wp=mpρ, что указывает на универсальность последних.
Дальнейший анализ экспериментальных данных показал, что между коэффициентами удельной влагоемкости m и абсолютной величиной отрицательного гидростатического давления |Р| имеется тесная коррелятивная связь, которая аппроксимируется уравнением
(3.4)где е — основание натуральных логарифмов, n и k — коэффициенты для рассмотренных выше групп видов сфагнового очеса, значения которых устанавливаются по опытным данным. Для образцов сфагнового очеса (торфа) с преобладанием Sph. fuscum и Sph. angustifolium n = 8,33; k =0,870, а для образцов Sph. balticum, Sph. dusenium и Sph. cuspidatum n = 8,96; k= 1,165.
В соответствии с выражениями (3.3) и (3.4) формула для определения равновесной влажности в зоне аэрации деятельного слоя будет иметь вид
(3.5)Вычислить полную влагоемкость очеса (торфа) формула не позволяет, так как при Р = 0 1g Р=± ∞. В этом случае надо предварительно получить значение mp = 0 по следующему выражению, ограничивающему верхний предел коэффициента влагоемкости:
предыдущее | следующее
