Автор: И. М. Нестеренко
Современный период характеризуется началом активного вмешательства человека в природную среду даже в удаленных, слабозаселенных районах нашей страны. В Карелии широко ведется гидроэнергетическое строительство с созданием водохранилищ и затоплением болот и лесов. Отдельные природные комплексы должны быть оставлены по возможности в ненарушенном состоянии. В чистой воде остро нуждается и юг нашей страны, поэтому водоемы Карелии уже сейчас рассматриваются как богатые природные хранилища чистых пресных вод.
Как отмечает Р. Г. Казман, трудно или практически невозможно разработать многоцелевые проекты, удовлетворяющие оптимальным потребностям всех водопользователей. И с другой стороны, следует учитывать такой парадокс: накоплены огромные материалы гидрологических наблюдений, статистические методы достигли высокого уровня достоверности, получены надежные теоретические и эмпирические зависимости, а возможность использования их резко снижается из-за направленного влияния хозяйственной деятельности человека и отрицательных последствий его деятельности. Р. Г. Казман считает, что классическая гидрология быстро умирает, а современная гидрология еще не сформировалась. Это положение, по-видимому, в какой-то мере справедливо и по отношению к гидрологии болот. Классические работы А. Д. Дубаха (1944), К. Е. Иванова (1953, 1957, 1974) и др. дали нам достаточно полное представление о закономерностях формирования водного режима болот как природных компонентов, теорию устойчивости озерно-болотных систем. В этих работах, а также в трудах А. Г. Булавко (1971), В. Ф. Шебеко (1965, 1970) и др. положено начало и современной гидрологии осушаемых болот, установления причин нарушения природного равновесия, некоторых закономерностей изменения гидрологического режима. Однако дискуссия о влиянии осушения, положительных и отрицательных последствиях его продолжается, она принимает широкий размах. Причем не только люди, далекие от науки, но и специалисты близких направлений требуют от нас, мелиораторов и гидрологов, однозначных ответов и доказательств по вопросам осушения болот. Но такие ответы не могут быть даны без привязки к конкретным природно-климатическим и социальным условиям. Мелиорация — в общем улучшение среды обитания человека, эффективное средство повышения продуктивности угодий — ведет как к неизбежным, желательным нам, так и нежелательным последствиям, и в первую очередь к существенному изменению водного режима, гидрологических характеристик.
Формирование стока начинается на элементарных, малых водосборах, и установление закономерностей его необходимо как для оценки стока с крупных водосборов, так и особенно для прогнозирования изменений при преобразовании природных условий, для построения математических моделей стока. В настоящее время детальные гидрологические наблюдения на малых водосборах проводятся у нас в стране на небольшом числе воднобалансовых станций (15 станций в системе гидрометеослужбы).
В Карельской АССР воднобалансовые наблюдения и исследования гидрологического режима на осушаемых для сельскохозяйственного использования землях начаты в 60-е, а на объектах лесоосушения — в 70-е годы.
Прежде всего, остановимся на отдельных особенностях водного баланса неосушенных болот Европейского Севера. Приведены приблизительные данные водного баланса болота Жо-суо (Калевальский район, северная Карелия) по сезонам за 1972—1974 годы. Болото мезотрофное травяно-сфагновое с переходной топяной и лесотопяной залежью, наиболее типично для данного района. Общая площадь водосбора — 60 га, из них 50% приходится на само болото. Поверхностным стоком и по деятельному слою болота отводится до 50% весенних вод, летом и осенью коэффициент стока снижается до 0,12—0,19. При понижении уровней грунтовых вод (УГВ) на болоте до 30—50 см от поверхности поверхностный сток по ручью прекращался, что подтверждает решающее значение деятельного слоя болот в формировании стока. Однако следует учитывать и сток по инертному слою. Об этом свидетельствуют положительные значения изменения запасов в подземных водах. Коэффициент суммарного стока с учетом последнего повышается весной в среднем до 0,69.
Близкие с нашими данные получены и В. А. Чесноковым (см. настоящий сборник) на болоте Неназванное в южной Карелии (стационар «Киндасово»). Это евтрофно-мезотрофное топяное болото с кочковато-мочажинным микрорельефом с общей площадью водосбора 9,65 км2 и заболоченностью 44%. В среднем за 1972—1977 гг. коэффициент поверхностного стока весной составил 0,48, летом и осенью соответственно 0,10 и 0,19. В сухие летние месяцы 1972, 1975 гг. минимальные модули стока с неосушенного болота составляли 0,04 л/с∙км2 что соответствовало средним значениям модулей подземного питания рек. В отдельные периоды сток практически прекращался, хотя это болото, имеющее форму проточной котловины и значительно меньшие уклоны, чем болото Жо-суо, более обводнено.
К аналогичным выводам пришел и Л. Хейкурайнен. В условиях севера при значительных снегозапасах, промерзании болот весенний поверхностный сток может быть выше и в то же время прекращаться в сухие периоды. На основании непродолжительных (1973—1974 гг.) наблюдений в центральной Финляндии на осушенных под лес 38 лет назад и неосушенных болотах он приводит данные об увеличении аккумулирующей влагоемкости осушаемых под лес торфяных болот, об увеличении меженного стока в сухие периоды, когда сток с неосушенных болот прекращался.
Интересны результаты анализа условий формирования стока с болота Жо-суо после засушливого периода 1972 г., когда УГВ опустился ниже средней многолетней границы деятельного слоя. В период летне-осеннего паводка (17.VIII—20. IX 1972) среднесуточный модуль стока составил 0,22 л/с∙га, что дает слой стока 65 мм и коэффициент стока 0,48, т. е. такой же, как и за весну (IV—V). За 12 августа 28 мм осадков вызвали подъем УГВ с 30—50 до 10—15 см от поверхности, а сумма осадков за 12—17 августа (65,3 мм) вызвала начало поверхностного стока с болота. За весь период выпало 136 мм осадков, слой стока составил 65 мм и испарение—51 мм. Следовательно, по уравнению водного баланса на изменение влагозапасов и подъем УГВ пошло 20 мм, что близко к данным фактических наблюдений.
Приведенные данные свидетельствуют, с одной стороны, о большой саморегулирующей способности болот поддерживать оптимальные условия и требуемый для специфической болотной растительности водный режим. Малая высота капиллярного поднятия, высокие коэффициенты фильтрации (К) в рыхлом деятельном слое болота и, наоборот, в 100—500 раз более низкие величины К в подстилаемом инертном слое способствуют тому, что УГВ редко опускается ниже границы деятельного слоя, но в то же время после засушливых периодов быстро восстанавливается и рост болота непрерывно продолжается. В этом одна из основных причин устойчивости болотных систем.
Но, с другой стороны, эти же данные свидетельствуют и о том, что болота не могут быть надежными регуляторами стока в речном бассейне во все сезоны года, а тем более — источником питания рек. Они служат лишь промежуточной частью водосбора, имеющей некоторую аккумулирующую емкость как для поверхностных, так и грунтовых вод, являющихся источниками питания и развития болот. Небольшие болотные массивы со значительными уклонами поверхности меньше влияют на зарегулирование стока, чем более крупные выровненные, сильно обводненные застойными поверхностными водами. Роль последних в регулировании стока уже более близка к озерам. Значительна роль болот в поддержании более высоких УГВ как на самом болотном массиве, так и на прилегающих территориях.
В расчетах водного баланса осадки приняты с поправкой только на смачивание, а по Корзинской низине — с учетом притока грунтовых вод в осушаемый (1 м) слой, в среднем он составил 36 мм. К сухим годам с осадками ниже нормы на 50 мм и более отнесены 1963—1965, 1967, 1969 и 1971—1975 гг. (10 лет), к нормальным и сырым — 1966, 1968, 1970, 1976, 1977 гг. (5 лет). Анализ водного баланса за отдельные годы за период 1963—1972 гг. дан в нашей работе.
Анализ средних многолетних данных показывает, что с осушаемого и интенсивно используемого торфяника (средние урожаи сена многолетних трав 40 ц/га, однолетних — 200 ц/га зеленой массы) испарение на 54 мм выше, чем с водосбора р. Шуи. В сухие годы эта разница снижается до 45 мм. Более высокое испарение в этот период обусловлено высокой водоаккумулирующей емкостью торфяных почв и наличием постоянного подпитывания из грунтовых вод, уровни которых даже в исключительно сухие годы (1972—1975) не опускались ниже 110—130 см.
Более низкий расход обусловлен как меньшими осадками на Корзинской низине, так и существенно меньшей величиной стока из осушаемого слоя мощностью 1 м без учета грунтового стока, перехватываемого ниже более глубокой сетью транспортирующих открытых каналов.
Характерна в целом за рассматриваемый период меньшая вариабельность изменений влагозапасов по балансу, по измерениям в зоне аэрации, в зоне грунтовых вод и существенно меньшая невязка водного баланса. Отрицательная невязка в сухие годы (—10 мм), т. е. меньшее изменение влагозапасов по измерениям, чем по балансу, может быть объяснено дополнительным подпитыванием зоны аэрации из нижерасположенной зоны грунтовых вод и расходованием влаги на испарение. Положительная невязка в сырые годы обусловлена инфильтрацией части осадков в зону грунтовых вод и увеличением расходов при больших градиентах напоров в проводящей, более глубокой сети открытых каналов. Большая невязка на крупном водосборе р. Шуи может быть обусловлена сложностью проведения измерений и экстраполяции их на всю площадь.
К особенностям болот Севера относится сохранение и после осушения благоприятных условий для формирования значительного поверхностного стока в период снеготаяния. Здесь, коэффициент стока в среднем за многолетний период составил 0,53. УГВ на осушенных закрытым дренажем торфяных почвах к концу зимы понижается до 100—120 см от поверхности, однако значительная аккумулирующая влагоемкость снижается за счет перераспределения влаги к фронту промерзания и накопления ее до полной влагоемкости в промерзшем слое. С другой стороны, при глубине промерзания в среднем на 40 см значительно снижается и инфильтрационная способность почвы. Проведенные воднобалансовые расчеты показали, что в среднем инфильтрация составила 35 мм, или 26,8% от снегозапасов, причем она меняется по годам весьма существенно (с 17 до 63 мм).
Дренажный сток на осушаемых болотах Карелии значителен, хотя и формируется он в основном в пределах так называемого инертного (до осушения) слоя болота. После осушения коэффициенты фильтрации в нем снижаются, однако этот слой приобретает роль деятельного. Величина дренажного стока (в среднем за 15 лет 75 мм) зависит от условий водного питания, но наибольшая величина его (26 мм) приходится на весенние месяцы (IV—V), при этом коэффициент стока составляет 0,15. Наибольшей вариабельности подвержен дренажный сток в летне-осенний период, что обусловлено значительным понижением УГВ за лето, созданием слоя большой аккумулирующей емкости, для насыщения которого и начала формирования дренажного стока в сухие годы требуются осадки до 80—100 мм.
Для оценки изменений дренажного и суммарного стока во времени использовался метод построения двойных интегральных кривых. При этом получение суммарных величин стока и осадков нарастающим итогом позволяет учесть влияние предшествующих лет на последующие и выявить общую закономерность процесса.
Расчеты по этим уравнениям показали, что если в первое десятилетие после осушения болота средний дренажный сток составил 84 мм, а суммарный — 150 мм, то во второе при норме осадков 580 мм они составят соответственно 64 и 131 мм, т. е. может ожидаться его снижение на 20 мм только за счет уменьшения дренажного стока. Это обусловлено осадкой и уплотнением торфа и соответственно уменьшением глубины заложения дрен, градиентов напора и коэффициентов фильтрации.
Снижение стока с осушаемых площадей компенсируется ростом испарения при интенсивном использовании земель преимущественно под влаголюбивые многолетние травы.
В зоне обильного грунтового питания сток из 1 м осушаемого слоя торфяной залежи устойчиво выше, чем из такого же слоя неосушенного болота, в среднем в 1,9 раза за все годы исследований (данные по малым водосборам—7 и 10 га соответственно, расположенным в пределах Корзинской низины).
При слое стока до 140 мм сток с осушенного болота за любой сезон года меньше речного, при больших величинах — с осушенного болота он выше, что обусловлено, как уже отмечалось, различием в величинах испарения и водоаккумулирующей емкости водосборов.
В делом сток со всего осушенного водосбора Корзинской низины (ручей Алганоя), заболоченность которого равна 82% при наличии 50% площади осушенных площадей, как и сток с интенсивно осушенных лесных водосборов, тесно коррелирует с речным стоком, годовой и сезонные слои стока различаются мало.
Вариабельность стока по сезонам и за год меньше на осушаемом водосборе, чем на водосборе р. Маньга (F=209 км2). Более крупный водосбор р. Шуи имеет несколько меньшую вариабельность стока в меженный (летний и зимний) период. Построенные двойные интегральные кривые связи стока с осадками отражают устойчивый, мало меняющийся сток (с осушенных площадей). Отклонение от нормы наблюдалось лишь в сухом 1975 г. с последующим выравниванием во влажном 1976 г.
Сухое восьмилетие (1969—1975 гг.) с осадками ниже нормы на 78 мм больше отразилось на стоке с речных водосборов — наблюдалось устойчивое снижение его, что еще раз подтверждает положительное влияние осушения на регулирование стока в условиях Карелии.
О выравнивающем влиянии осушения на сток свидетельствуют и данные, приводимые Л. Хейкурайнен для осушенных лесов Финляндии, И. Ферды и М. Новака для Чехословакии.
Приводимые в литературе данные об изменении максимального стока весеннего половодья противоречивы, что объясняется в основном различием физико-географических условий.
Несмотря на некоторые особенности формирования стока с осушаемых площадей в условиях Европейского Севера СССР, следует отметить общие тенденции изменения его, полученные по исследованиям и в более южных районах страны:
1) некоторое увеличение годового и меженного стоков в первые годы после осушения с последующим выравниванием и даже некоторым уменьшением в отдельные годы;
2) перераспределение стока с ростом доли составляющей грунтового стока, увеличение меженных расходов;
3) максимальные модули стока и расходы в зависимости от физико-географических и климатических условий могут как увеличиваться, так и уменьшаться;
4) осушение ведет к более раннему сходу снега, общему увеличению периода весеннего половодья и соответственно уменьшению пиков весеннего половодья в замыкающих створах рек-водоприемников.
Решение же главной задачи мелиораций — оптимальное регулирование водного режима почв — обеспечивает и в условиях Европейского Севера значительное повышение продуктивности сельскохозяйственных угодий.