Текст книги "Инженерная геоэкология"

3.5. Болота и ледники

Болота

Болотом называется природное образование, представляющее собой участок земной поверхности с избыточным увлажнением верхних его слоев в течение большей части года, наличием процесса торфообразования и специфической болотной растительностью, которая приспособлена к избытку влаги и недостатку кислорода в почве. Болота развиваются при застойном или слабопроточном увлажнении верхних слоев грунта. Слой торфа на болоте имеет толщину, при которой живые корни основной массы болотных растений не достигают подстилающего минерального грунта.

При малой толщине торфа корни большинства растений располагаются в минеральном грунте – такие пространства называются заболоченными землями. Заболоченные земли являются начальной фазой формирующихся болот и отличаются от них иным характером болотной растительности. Это объясняется тем, что корни ее, связанные с минеральным грунтом, имеют лучшие условия питания.

Возникновение болот связано с образованием и накоплением торфа. Торф – органическая порода, образующаяся при уплотнении полуразложившихся остатков болотных растений. Если прирост растительной массы преобладает над количеством ежегодно разлагающегося растительного материала, происходит быстрый рост торфяных залежей и заболачивание территории. Этот процесс протекает особенно интенсивно при благоприятном сочетании водного и теплового режимов и характерен для области избыточного увлажнения умеренного климата. Толщина слоя торфа здесь достигает 8–9 м и более.

Болота возникают в результате зарастания водоемов и заболачивания суши.

Заболачивание суши происходит при определенных физико-географических условиях, способствующих замедленному стоку или даже застою вод на земной поверхности и переувлажнению почв. Длительное переувлажнение приводит к ухудшению кислородного и минерального питания растений и развитию нетребовательной к питанию болотной растительности; отмирая и не полностью разлагаясь, она превращается в торф.

Образование болот на суше происходит при следующих условиях:

1. При залегании близ поверхности земли водоупорного слоя (глины) и наличии значительного количества атмосферных осадков происходит избыточное увлажнение верхнего слоя почвы. В этих условиях в хвойных лесах появляются мхи, которые удерживают в себе значительное количество воды, затрудняя доступ кислорода к отмершим остаткам растений, в результате чего происходит накопление торфа. Насыщенный водой слой торфа и живых мхов прекращает доступ кислорода в почву, корни деревьев задыхаются, заболевают и гибнут.

2. Интенсивное заболачивание происходит в местах лесных порубок и пожаров, расположенных не только в низинах, но и на возвышенностях. Появляющаяся злаковая растительность образует плотную дернину, при которой происходит застаивание влаги и переувлажнение почвы.

3. Заболачивание происходит вследствие затрудненного стока вешних вод с речных долин в русла рек из-за малых уклонов или наличия береговых валов выносов.

4. Небольшие болота формируются у подножия склонов речных долин при наличии выхода грунтовых вод и развития болотной растительности.

5. На водоразделах болота могут образоваться в мелких впадинах, в местах выноса грунтовыми водами из-под слоя глины растворимых солей или мелкопесчаного грунта.

6. Интенсивное заболачивание земель наблюдается в районах вечной мерзлоты. Она является водоупорным слоем, над которым происходит переувлажнение грунта за счет скапливающихся почвенных вод.

Болота возникают и в результате деятельности человека, например при создании водохранилищ.

В заболачивании заливных лугов большую роль играет естественное развитие растительности. При интенсивном ее разрастании образуется плотная дернина, затрудняющая доступ кислорода к почве. При этом появляется избыток перегнойных кислот, большинство луговых растений гибнет и заменяется осоками и мхами.

Болота классифицируются по некоторым общим для них признакам: по условиям водно-минерального питания, характеру растительности и высотному положению по отношению к окружающей местности. Различают три основных типа болот: низинные, переходные и верховые.

Низинные (травяные) болота появляются при зарастании водоемов; они распространены в поймах рек, в понижениях рельефа и называются так по занимаемому ими положению. Эти болота покрыты травяной растительностью: различного рода осоками, тростником, камышом, зелеными мхами. Они получают обильное питание за счет грунтовых вод, а также периодически затапливаются паводковыми водами рек, за счет чего постоянно обогащаются минеральными солями, поддерживающими развитие травяной растительности, требовательной к питанию. Поверхность этих болот слабовогнутая или плоская.

Постепенно уровень низинных болот повышается вследствие неполного разложения растительных остатков и накопления торфа. В результате этого болота уже не затапливаются речными водами. Питание их грунтовыми водами также ослабевает, а количество минеральных питательных веществ в болоте уменьшается. Это приводит к постепенной замене травяной растительности менее прихотливыми к питанию зелеными мхами, кустарниками и древесной растительностью (черная ольха, береза). В этой стадии болото называется переходным или лесным, для него характерна смешанная растительность; переходные болота имеют плоскую поверхность.

Дальнейшее накопление торфа приводит к тому, что переходное болото теряет связь с грунтовыми водами и получает питание только за счет атмосферных осадков. Количество питательных веществ в болоте уменьшается еще больше, в результате распространяются неприхотливые к питанию растения: белые сфагновые мхи и кустарники (вереск, багульник и пр.), иногда встречается угнетенная сосна. Такое болото по своему положению верховое и имеет моховую растительность. Поверхность таких болот слабовыпуклая, так как нарастание мхов и накопление торфа в них происходит в центре быстрее, чем у краев, где процессы разложения растительных остатков протекают более интенсивно. Иногда центральная часть болота возвышается над его окраинными частями на 7–8 м. Моховые болота быстро разрастаются вширь и занимают большие пространства, располагаясь как на водоразделах, так и на склонах возвышенностей.

Болота как экосистема являются экологическим резерватом природы; они отличаются большим своеобразием вследствие того, что содержат различное количество воды, удерживаемой сухим веществом торфа. Эта водоудерживающая способность торфа зависит от степени его разложения.

В торфяном слое имеется свободная и связанная вода. Свободная вода под влиянием силы тяжести может стекать в сторону уклона. Она встречается в виде постоянных болотных ручьев, речек, озер и озерков, водяных линз, в каналах внутри торфа или в виде временных скоплений на поверхности болота после сильных дождей, снеготаяния или разливов рек.

Связанная с торфяной массой вода не отделяется под действием силы тяжести.

Торфяная масса болот в зависимости от степени насыщения водой характеризуется различными свойствами, из которых основными являются влажность, или влагоемкость, водопроницаемость и водоотдача.

Болота являются обособленными экосистемами, имеющими свои законы образования и развития, со своим растительным и животным миром. Влияние на них человека (в том числе их осушение) может привести к гибели этих экосистем.

Гидрологический режим болот определяется условиями их питания, колебанием уровня грунтовых вод, процессами испарения, движения воды, стока с болот, их замерзания и оттаивания.

Болота имеют как поверхностное питание (атмосферные осадки, стекающие поверхностные воды), так и грунтовое.

Роль каждого из этих видов питания различна для разных типов болот; она обусловлена их местоположением, характером рельефа и болотной растительности, а также климатическими условиями. Верховые болота являются болотами атмосферного питания. Низинные болота получают наибольшее питание во время периодического затопления вешними, речными или озерными водами, а также питаются грунтовыми водами и атмосферными осадками.

Уровень грунтовых вод в болотах зависит от климатических факторов (осадки, испарение), характера рельефа и вида болотной растительности. В годовом ходе уровня всем типам болот свойственно наличие двух максимумов и двух минимумов. Первый максимум наступает весной в период снеготаяния, он сменяется летним минимумом (июль-август), обусловленным интенсивным испарением. Осенью (сентябрь-октябрь), в период уменьшения испарения и выпадения дождей, уровень грунтовых вод снова повышается, и наконец зимой (февраль – начало марта) на болотах наступает второй минимум, который характеризуется отсутствием атмосферного питания.

Наиболее низкое стояние уровней грунтовых вод относительно поверхности болота наблюдается в крупном древостое (сосняк, кустарничково-сфагновая растительность). По мере уменьшения густоты облесения и высоты древостоя глубина залегания грунтовых вод и их колебания уменьшаются. На высоту стояния грунтовых вод влияют также осушительные мероприятия, в результате которых уровень воды снижается.

Движение воды в болоте происходит путем ее фильтрации по вертикали и в сторону уклона, а также в виде водоносных жил и внутризалежных потоков, находящихся в торфе.

Благодаря большой водопроницаемости активного слоя выпадающие осадки, быстро просачиваясь, достигают уровня грунтовых вод, поэтому стока их по поверхности болот не происходит. Обильные дожди и талые воды способствуют быстрому пополнению грунтовых вод, уровень которых поднимается до поверхности болота.

Влияние болот на речной сток и его внутригодовое распределение определяется специфическими особенностями, свойственными болотам разных типов, а также принадлежностью их к определенным климатическим зонам.

Общими свойствами, характерными для всех болот и влияющими на сток с них, являются: большее, чем с окружающей местности, испарение; незначительный объем воды, участвующей во внутригодовом водообороте (несмотря на большие запасы ее в торфяной залежи), а также малая водоотдача в сухое время года.

К специфическим особенностям болот разных типов, влияющим на сток с них, относятся источники питания и содержание свободной воды в болотном массиве.

В европейской части РФ наибольшее количество болот расположено в зоне избыточного увлажнения, т. е. на северо-западе и севере. Значительной заболоченностью характеризуются зона тундры, средняя и северная часть Карелии. На западе европейской части России болота располагаются преимущественно в понижениях, а на востоке – на водоразделах. Большой заболоченностью отличаются низменности с близким от поверхности залеганием подземных вод. Здесь преобладают низинные болота.

В азиатской части РФ наиболее заболочена Западная Сибирь. До 70 % ее территории покрывают болота различных типов. Значительной заболоченностью отличаются широколиственные леса Дальнего Востока; мощные торфяные болота встречаются на Камчатке.

Осушенные низинные болота используются для сельскохозяйственного производства: в качестве сенокосных угодий, для посева зерновых, технических и овощных культур, разведения садов и пр. Осушенные земли способны давать в течение многих лет высокие урожаи, однако, прежде чем осушать болота, следует провести научные исследования и с учетом современных экологических требований обосновать проведение этих работ.

Торфяные болота в РФ служат источниками топлива для промышленности и теплоэлектростанций.

Торф применяется для изготовления изоляционных строительных материалов, картона, бумаги и пр. При переработке торф дает ряд ценных химических продуктов: торфяную смолу, бензин, керосин, аммиак, спирт и др.

Широкое применение имеет торф в сельском хозяйстве в качестве азотистого удобрения. Верхние слои слаборазложившегося торфа (моховой очес) являются хорошей подстилкой для скота на животноводческих фермах.

Ледники

Температура воздуха понижается с повышением местности, поэтому на некоторой высоте, где она становится отрицательной, осадки на земную поверхность выпадают в виде снега. Продолжительность его залегания зависит от изменения температурных условий. При длительном периоде с отрицательными температурами снег накапливается в больших количествах и таяние его задерживается. Поэтому в горах и областях, где в течение года преобладают отрицательные температуры, со временем происходит накопление вечных снегов.

В зависимости от сочетания климатических условий, главным образом температур воздуха и количества выпадающих осадков, на некоторой высоте над уровнем моря располагается зона, для которой количество выпадающего за год снега равно его убыли за счет испарения и таяния. Эта зона является нижней границей распространения снега и называется климатической снеговой линией. В связи с изменением климатических условий на разных широтах высота снеговой линии различна.

Накоплению вечных снегов благоприятствует климат, приближающийся по типу к океаническому и характеризующийся обилием твердых осадков и прохладным летом, в течение которого они не тают. Континентальный же климат – с сухой зимой и жарким летом – не способствует накоплению вечных снегов.

Высота климатической снеговой линии изменяется в разные годы в зависимости от метеорологических условий.

Орографическая снеговая линия является нижней границей снега, который располагается в углублениях, ущельях, на затененных склонах гор ниже климатической снеговой линии. Например, на Северном Урале в глубоких и затененных нитевидных углублениях (карах) существуют небольшие ледники, залегающие на сравнительно небольших высотах: от 500 до 1000 м над уровнем моря.

Снег, выпадающий выше снеговой линии, при наличии благоприятных для его накопления форм рельефа образует снежники, в которых с течением времени он подвергается значительным преобразованиям. Под влиянием солнечного тепла снег сверху подтаивает, талая вода просачивается в толщу снега и ночью и, замерзая, образует ледяную корку, называемую настом. При этом происходит оседание и уплотнение снежных масс.

Последующие снегопады способствуют накоплению снега; под его тяжестью нижние слои все более уплотняются, приобретая зернистое строение, и превращаются в фирн.

Фирн представляет собой зернистую ледяную массу, залегающую в виде слоев различной толщины (от нескольких миллиметров до десятков сантиметров), разделенных ледяными прослойками наста, толщина которого бывает от 1 до 500 мм.

Слоистое строение фирна объясняется периодичностью выпадения снега. Фирн – масса серовато-белого цвета плотностью 0,3—0,5 кг/м³. Размер зерен в фирновом слое с глубиной возрастает. В результате все увеличивающегося давления верхних слоев фирна на нижние происходит уплотнение и смерзание зерен, и спрессованная масса фирна переходит в белый от находящихся в нем пузырьков воздуха непрозрачный фирновый лед, который имеет плотность 0,85 кг/м³. С увеличением давления фирновый лед превращается в прозрачный кристаллический глетчерный лед голубого цвета плотностью 0,88—0,91 кг/м³. Изменение цвета и плотности при образовании глетчерного льда обусловлено постепенным удалением из масс льда пузырьков воздуха.

Скопления глетчерного льда образуют ледники, или глетчеры.

Ледником называется скопление льда на суше, возникающее за длительный период времени в результате преобразования твердых атмосферных осадков, когда их приход превышает таяние снега. Ледник постоянно движется под влиянием силы тяжести.

Основным источником питания ледников являются твердые атмосферные осадки, накапливающиеся выше снеговой линии. Второстепенными источниками питания являются горная изморозь, твердый налет, а также конденсация водяных паров, особенно в нижней части ледника, расположенной ниже снеговой линии.

К дополнительным источникам питания относятся также перенос снега метелями и снежные лавины. Ветер переносит большое количество снега и откладывает его в вогнутых формах рельефа, местах, где располагаются горные ледники, составляя около 15 % их питания.

Лавины или снежные обвалы обрушиваются с горных склонов, имеющих крутизну более 15° и толщину снега от 0,5 м и выше; они неизбежны в горных районах с расчлененным рельефом и могут образовываться как в холодную, так и в теплую часть года.

Лавины холодного периода (зимние) образуются в том случае, когда свежий снег, выпадающий на обмерзшую поверхность старого, накопившись в большом количестве, начинает сползать по склону и, дойдя до крутого перегиба, обрушивается.

По своему строению ледники делятся на три типа: наземные, шельфовые и горные. В наземных ледниках лед растекается в разные стороны независимо от рельефа дна долины; в шельфовых – от берега к морю; в горных – вниз по долинам или склонам. В свою очередь, горные ледники делятся на висячие, залегающие на крутых склонах, и каровые, расположенные в углублениях горной породы. Так называемые долинные ледники имеют большую протяженность (свыше 5000 м).

При движении ледника в нем возникают боковые, продольные и поперечные трещины.

Боковые трещины в леднике образуются вследствие различных скоростей передвижения льда в осевой и прибрежной частях ледника. Эти трещины направлены от краев ледника вверх под углом 30–45°; в дальнейшем при движении ледника направление их меняется.

Продольные трещины возникают в теле ледника при выходе его из суженной части долины в широкую.

Поперечные трещины образуются при наличии в ложе ледника уступа, расположенного поперек долины. На крутых перегибах могут образовываться ледопады. Такие участки ледника рассечены многочисленными трещинами.

Подобно рекам, отдельные ледники могут при встрече сливаться в общий ледник.

При своем движении ледники производят большую работу по преобразованию земной поверхности: участвуют в создании особых форм рельефа и своеобразных горных пород (валунные суглинки). Стекая по склонам гор, ледник за счет камней, вмерзших в его тело, производит ледниковую эрозию.

Все продукты разрушения горных пород (от мелкой пыли до крупных обломков), попавшие на поверхность ледника и в его тело, называются мореной. Морены, перемещающиеся вместе со льдом, называются движущимися. Морены, прекратившие свое движение, называются отложенными.

При исследовании ледников установлено, что их размеры (мощность, площадь, длина) претерпевают изменения – колебания, зависящие как от условий питания, так и от интенсивности их таяния. Если приход питания ледника равен убыли, то это определит неизменность размеров ледника – его стационарное положение. Если же питание превышает таяние, размеры ледника увеличиваются, ледниковый язык делается длиннее и спускается ниже по долине. Такие движения ледников наблюдаются в Альпах, на Кавказе, Памире и в других районах земного шара и зачастую сопровождаются катастрофами (уничтожение населенных пунктов, лесов, прорыв подпрудных озер).

Таким образом, колебания ледников обусловлены изменением климатических факторов, имеют сезонный характер или охватывают более длительные промежутки времени (многолетние колебания). В настоящее время площадь большинства ледников земного шара уменьшается за счет парникового эффекта, наблюдается их таяние.

Ледники являются своего рода регуляторами запасов влаги на Земле, так как, накапливая ее зимой (в виде снега и льда), расходуют в летнее время. При этом в зоне ледникового языка появляется множество потоков талой воды, текущих как по поверхности льда, образовав себе борозды, так и в виде подледниковых ручьев. Сливаясь, эти ручьи дают начало рекам. Таяние ледника зависит от температуры воздуха и размеров ледника, достигая максимума в летнее время. Поэтому реки ледникового питания имеют наибольшую водность в летнее время (июль– август).

Вследствие того что температура воздуха имеет суточный ход, реки ледникового питания в верховьях характеризуются суточным ходом уровня воды, т. е. наличием в течение суток максимума и минимума.

Реки ледникового питания, кроме того, отличаются растянутым летним половодьем, обусловленным таянием не только самого ледника, но и высокогорных снегов. Колебания водности рек ледникового питания в многолетнем разрезе не так значительны, как колебания равнинных рек.

Воды ледниковых рек широко используются для орошения и обводнения земель засушливых районов, так как наибольшая водность их наблюдается в летний период года. Для планирования такого использования ведется учет водных ресурсов ледников, заключающийся в определении объемов льда в них: измеряются площадь ледника – путем геодезической съемки и глубина (мощность) льда на отдельных поперечниках – с помощью специальных приборов.

Ледники, являясь продуктом климата и ландшафта, очень разнообразны по своим формам, происхождению и развитию.

В зависимости от морфологических и динамических признаков различают ледники горные и покровные. Горные ледники приурочены к скальному рельефу, и их форма определяется особенностями земной поверхности, а сток льда происходит по направлению снижения долин. В отличие от горных, покровные ледники покрывают всю поверхность суши независимо от рельефа, который, будучи погребен, мало или почти не отражается на их поверхности. Они в виде мощных щитов покрывают почти сплошь Антарктиду и Гренландию, некоторые полярные острова Северной Америки, Европы и Азии. Ледниковые щиты имеют громадные размеры и округлую плоско-выпуклую форму. Толщина ледяных щитов достигает тысяч метров, например в Гренландии – 1700 м, в Антарктиде – 4000 м.

Накопление снега в ледниковых щитах происходит в центре, а расходование – на периферии. В соответствии с общим уклоном поверхности ледникового щита движение льда происходит по расходящимся линиям от наиболее высоких центральных частей к окраинам. Таяние у покровных ледников незначительно, а убыль льда происходит путем откалывания от окраинной их части спустившихся в море ледяных глыб, всплывающих затем в виде различных по форме и размеру ледяных гор, или айсбергов.

Размеры айсбергов различны; принято считать айсбергом ледяную гору, возвышающуюся над уровнем моря не менее чем на 5 м, при меньшей высоте это будет обломок айсберга. Вследствие меньшей, чем у морской воды, плотности айсберги оказываются погруженными в воду на 4/5 или 6/7 своего объема.

Ледники, так же как и болота, являются экосистемами, оказывающими большое влияние на экологическую ситуацию на Земле. Одним из путей спасения ледников от антропогенного воздействия является ограничение всеми странами выбросов в атмосферу продуктов сжигания топлива (окислов углерода, азота и серы), что позволило бы уменьшить парниковый эффект.