Уровень болотно-грунтовых вод (УБВГ)

Уровень болотно-грунтовых вод (УБВГ), является важнейшим гидрологическим показателем для болота и одним из основных факторов, определяющих состав растительности на участке, в частности, развитие древостоя.

Для исследований УБГВ был выбран небольшой болотный массив в 20км к западу от Петрозаводска. На массиве представлены различные болотные фации, преимущественно низинные.

Логгеры были установлены на трех участках в пределах единого болотного массива – сосново-кустарничково-сфагновом верховом болоте (ПП1), сосняке болотно-травяном (ПП2) и ельнике таволговом (ПП3). Близкое, на расстоянии менее 1 км, расположение логгеров Solinst Levelogger Junior M5 в пределах болотного массива позволяет пронаблюдать УБГВ на участках с различной растительностью, расположенных в одинаковых климатических условиях. 

1 – поверхность болота

2 – деятельный горизонт залежи

3 – уровень грунтовых вод

4 –инертный горизонт залежи

5 – минеральное дно болота

6 -заглушка для раструба ПВХ, Д 50мм.

7 - муфта соединительная ПВХ для канализационной трубы Д 50мм.

8 – саморез

9 - оцинкованная сварная цепь из углеродистой стали DIN 766 2 мм

10 - труба ПВХ гладкая (жесткая) Д 50 мм

11 – логгер Solinst Levelogger Junior M5

На участках с помощью торфяного бура конструкции ИНСТОРФа с диаметром челнока 50 мм выбирался торф из скважины на глубину 1,5м. В скважину помещалась жесткая стандартная канализационная ПВХ труба диаметром 50 мм, толщиной стенки 1,8 мм и длиной 1500 мм

Предварительно, для сообщения внутреннего пространства трубы с окружающей водой,  по всей длине трубы с шагом 10 см по двойной спирали проделаны 4мм отверстия. Труба погружалась в торф раструбом вниз с установленной ПВХ заглушкой для раструба.

На верхнюю часть трубы устанавливалась двухраструбная соединительная муфта, закрытая с одной из сторон заглушкой. Через стенки заглушки пропущен саморез, на который при помощи оцинкованной короткозвенной сварной цепи из углеродистой стали (DIN 766, 2 мм, шаг звена 12 мм,) был подвешен регистратор уровня и температуры воды Solinst 3001 Levelogger Junior LT M5.

Постановка приборов осуществлялась с дискретностью 12 часов. Приборы работали весь вегетационный период, с мая по октябрь. На первых двух участках показания снимались в 2014 и 2015 гг., в ельнике – только 2014. По окончании сезона регистраторы снимались, при помощи оптического считывателя данные переносились на персональный компьютер.

Ввиду отсутствия барологгера, для компенсации влияния изменений атмосферного давления на показания приборов использовались имеющиеся в открытом доступе архивные данные ближайшей, расположенной в 20 км восточнее, метеостанции (г. Петрозаводск, здесь и далее данные Росгидромета, предоставленные ООО "Расписание Погоды" на сайте rp5.ru).

Ход УБГВ (мм) на трех точках контроля в вегетационный сезон 2014 г.

Рис. Ход УБГВ (мм) на трех точках контроля в вегетационный сезон 2014 г.

Простая статистическая обработка данных показала, что средний УБГВ на ПП2 достоверно ниже чем на ПП1 и ПП3, а разница среднего уровня между ПП1 и ПП3 не достоверна. Различие дисперсий суточных колебаний уровня между ПП1 и ПП2 – недостоверно, тогда как на ПП3 достоверно выше чем у двух других. Таким образом, наименьший средний УБГВ наблюдается в сосняке, а наибольшие колебания уровня – в ельнике.

Колебания УБГВ показали высокую корреляцию с объемом выпадающих осадков. Особенно сильно данная связь проявляется после весеннего схода вод, связанных с зимними осадками и отмерзанием верхнего слоя почвы, для 2014 г.–  начиная с 15-17 мая, для 2015 г.– с 7 мая.

На основе полученных данных по ходу УБГВ и климатических показателей с метеостанции разработаны упрощенные имитационные модели хода УБГВ.

В общем виде, дневной гидрологический бюджет складывается из поступления воды с осадками, евапотранспирации (суммарного испарения с участка, включая транспирацию влаги растениями) и стока (напр., Proulx-McInnis & al, 2012). Также, свой вклад вносят грунтовые воды, не связанные напрямую с уровнем текущих осадков. В нашем случае последнюю величину сложно вычленить из общего стока, однако она проявляется при сравнении динамики УБГВ в разные годы.

Общая формула расчета суточного УБГВ имеет следующий вид:

УБГВi = УБГВ i-1 + Pi*A  – BPETi

Где  УБГВ i-1 – уровень предыдущего дня

P – выпавшие за текущие сутки осадки по данным метеостанции (мм). В периоды коротких, но сильных ливневых дождей иногда наблюдалось значительное расхождение динамики УБГВ и данных по осадкам с метеостанции, что связано с их достаточно локальным воздействием. В этом случае использованы скорректированные с учетом хода графика УБГВ и показаний других ближайших метеостанций данные по осадкам.

PET – расчетная суточная евапотранспирация (мм) для данной точки, рассчитанная по уравнению Thornthwaite (1948) с суточной адаптацией Pereira & Pruit (2004). Для расчета использованы архивные данные по температуре (суточной и среднемесячной многолетней) Петрозаводской метеостанции и суточному фотопериоду.

A – множитель для значения осадков. Поскольку исследованное болото находится в отрицательной форме рельефа, реакция УБГВ здесь превышает объем выпавших осадков.

В – постоянный сток с участка (мм).

С - множитель для значения PET. В сходных условиях разные растительные сообщества имеют различную интенсивность испарения воды.

Соответственно P и PET – климатические параметры и одинаковы для всех трех участков, тогда как другие три связаны с особенностями гидрологии и различаются для трех участков.

Для ПП3 (сообщество ельника) также выявлено, что часть выпавших осадков сбрасывается поверхностным стоком в течение последующих суток, и в общее уравнение модели, для дней, следующих за днями с осадками, следует вычитать еще одно слагаемое: (Pi-1*A - B)*D

Коэффициенты моделей, в наибольшей степени соответствующих полученным при помощи логгеров данным хода УБГВ приведены в таблице.

 

Значение коэффициентов для имитационных моделей.

Участок

Год

A

B

C

D

r

F

ПП1

2014

1,95

0,0024

0,44

-

0,919

6.27

ПП1

2015

1,95

0,0025

0,44

-

0,868

1,83

ПП2

2014

1.9

0,0013

0,70

-

0,977

21.21

ПП2

2015

1,9

0,0019

0,70

-

0,938

8,2

ПП3

2014

4,7

0,0025

1,20

0,3

0,960

10,5

Рис. Ход УГБВ на ПП2 за сезоны 2014 и 2015 г. по данным логгера (1) и имитационная модель (2).

 

Согласно полученным данным, реакция УБГВ на осадки максимальна в ельнике, она превышает данные с других участков почти  в 2,5 раза. При выпадении 1 мм осадков УБГВ в течение суток поднимается в ельнике на 4,7 мм, на двух других участках – на 1,9 - 2 мм. Это несколько компенсируется быстрым сбросом воды, на следующие сутки около трети поступившей на участок с ельником влаги сбрасывается поверхностным стоком. Подобный сброс практически отсутствует на двух других участках.

Расчетная евапотранспирация также выше в ельнике (в среднем, 4,23 мм/сутки), она значительно превышает расчетное  испарение сосняком (2,31) и сосновым сфагновым болотом (1,54) .

Постоянный сток (фильтрация) также выше в ельнике, несколько ниже – на сосновом болоте и минимальный – в сосняке.

Рис.  Составляющие гидрологического бюджета на ПП 2 в 2014 г. (с учетом поправочных коэффициентов) по расчетам имитационной модели.

  1. Поступление влаги с осадками
  2. Постоянный сток
  3. Евапотранспирация
  4. УГВ (данные логгера, отсчет от 0-значения)
  5. Неучтенные остатки (отличие модели от реальных показаний)

Рис.  Составляющие гидрологического бюджета на ПП 3 в 2014 г. (с учетом поправочных коэффициентов) по расчетам имитационной модели.

  1. Поступление воды с осадками
  2. Постоянный сток
  3. Евапотранспирация
  4. Сброс
  5. УБГВ (данные логгера, отсчет от 0-значения)
  6. Неучтенные остатки (отличие модели от реальных показаний)

 

Полученные на основе моделирования данные имеют высокую корреляцию (r) с реальным ходом УБГВ. Сравнение дисперсий модельных и остаточных значений с использованием критерия Фишера (F) показало достоверное превышение модельной дисперсии над остаточной (Коросов, Ивантер, 2011), что позволяет считать модель адекватной наблюдаемому при помощи логгеров ходу УБГВ.

Некоторое несоответствие модельных и реальных данных может быть объяснено ошибками в метеорологических данных, несколько удаленным положением метеостанции от исследуемого болота, суточном варьированием времени выпадения осадков при однократном стабильном съеме показаний приборов, невозможности учета влияния напорных вод в проводимом исследовании.

Более точные исследования требуют наличия большего числа измерительных приборов, таких как барологгер, осадкомер, анемометр и др., непосредственно в месте проведения исследований и использование более сложного математического аппарата (Lafleur & al, 2005).

Проведенное исследование подтвердило, что участки с различной растительностью имеют различные гидрологические характеристики. Особенно значительны отличия в ельнике (ПП3) где УБГВ значительно сильнее реагирует на осадки, что связано с большим локальным водосбором участка.  Участок расположен на окраине болотного массива и перехватывает воды, поступающие с суходола.  Столь же активно здесь проходит и снижение уровня, обеспечиваемое поверхностным стоком и более интенсивным испарением.  Данные условия можно охарактеризовать как более проточные, позволяющие развиваться еловому древостою.

 Рис. Установка логгера в скважину с ПВХ трубой (слева), муфта,  закрывающая трубу с логгером (справа)

 

ООО «ЛНК» выражает огромную благодарность за предоставление статьи Станиславу Анатольевичу Кутенкову, к. б. н., старшему научному сотруднику лаборатории болотных экосистем Института биологии КарНЦ РАН.