Soil water regime in zone of groundwater intake for Tomsk.pdf Контроль состояния природных систем, включаю-щих как экологическую, так и гидрологическую со-ставляющую ландшафта, осуществляется в процессе мониторинга - системы непрерывных или цикличных наблюдений и описаний на определенный момент вре-мени. Гидрологический мониторинг с целью выявле-ния особенностей функционирования природных сис-тем в различных погодных условиях и антропогенных воздействиях включает основные элементы водного баланса: поступление осадков, их перехват и испарение пологом леса, динамику запасов почвенных и грунто-вых вод, испарение почв и растительного покрова, ин-фильтрацию, поверхностный и грунтовый сток. С гид-рологических позиций почвы являются той системой, в теле которой происходят поглощение, удержание и испарение влаги, что фиксируется в наблюдениях за динамикой почвенной влажности. Важно при этом оценивать почву и как звено биогеоценоза, которое совместно с растительным покровом обусловливает тип местного оборота влаги, ее поступление в грунто-вые воды и далее - в водные системы [1, 2]. Организа-ция мониторинга сопряжена с определенными трудно-стями научно-методического характера. Наибольшую сложность представляет разделение влияния естест-венного тренда климатической изменчивости и антро-погенных воздействий. Поэтому мониторинговые ис-следования по продолжительности должны быть со-поставимы с климатическими циклами, охватывать различные по погодным условиям годы. Проводимые исследования связаны с переоценкой запаса подземных вод, прогнозом изменения природной среды в резуль-тате его эксплуатации и имеют целью экологическую оптимизацию режима эксплуатации месторождения.Объект и методы исследованияОбь-Томское междуречье имеет для г. Томска важ-ное экологическое и хозяйственное значение. До не-давних пор здесь активно использовалось более 48 тыс. га сельскохозяйственных угодий, среди которых пре-обладала пашня. Территория с относительно высокой плотностью населения интенсивно подвергается рек-реационным и хозяйственным нагрузкам. Введение в эксплуатацию крупнейшего в России водозабора с не-обходимостью санитарной защиты подземных вод по-требовало ограничений на некоторые виды хозяйст-венной деятельности. Основным источником водо-снабжения г. Томска являются подземные воды палео-генового комплекса с глубиной залегания кровли водо-носного комплекса в районе Обь-Томского водораздела 60-105 м. Питание палеогенового водоносного ком-плекса повсеместно инфильтрационное. Томский водо-забор имеет линейное расположение скважин и пересе-кает различные природные комплексы в сложной ландшафтной структуре междуречья. Откачка подзем-ных вод в объемах до 200-220 тыс. м3/сут за время экс-плуатации привела к сработке водоносных горизонтов и формированию воронки депрессии, занимающей большую часть Обь-Томского междуречья, что сказа-лось и на состоянии окружающей среды. Гидрологиче-ский режим почв более тесно связан с водоносным комплексом четвертичных отложений, воды которого находятся в сопряжении с эксплуатируемыми водами палеогенового горизонта и в зависимости от особенно-стей рельефа и генезиса отложений подразделяются на: воды террасовых отложений, воды аллювиальных средне-верхнечетвертичных отложений древних лож-бин стока, верховодку и болотные воды [3].Территория междуречья характеризуется сложной ландшафтной структурой. Природно-территориальные комплексы в ранге ландшафтов представлены денуда-ционно-аккумулятивной равниной, местами перекры-вающими ее древними ложбинами стока и современ-ным долинным комплексом с террасами разного уров-ня [4, 5]. Ландшафты древней равнины формируются на богатых, часто карбонатных суглинистых почвооб-разующих породах в условиях хорошей дренированно-сти логами и долинами рек. В почвенном покрове гос-подствуют серые лесные и серые глеевые почвы с раз-витым гумусовым горизонтом. В растительном покрове преобладают березовые, осиново-березовые травяные и высокотравные леса. Отложения ложбин древнего сто-ка преимущественно песчаного и супесчаного грану-лометрического состава. Поверхность ложбин плоско-волнистая в сочетании с гривно-ложбинными участка-ми. Почвенный покров представлен подзолами иллю-виально-железистыми на сортированных песках и дер-ново-подзолами на иловатых и слоистых супесях. Лес-ная растительность менее разнообразна, т.к. в недавнее время коренные леса на территории интенсивно выру-бались и сохранились небольшими фрагментами на песчаных гривах. На остальной территории господ-ствуют вторичные леса с различным соотношением березы и осины. Болота в межгривных понижениях преимущественно олиготрофные, реже мезотрофные. Грунтовые воды залегают неглубоко и выклиниваются в долинах рек. Террасовый комплекс Обь-Томского междуречья включает первые и вторые террасы. Пер-вые террасы сложены тяжелосуглинисто-глинистыми отложениями, как правило, сильно заболочены, с гос-подством евтрофных болот и дерново-глеевых почв. Коренная растительность представлена смешанными темнохвойно-лиственными заболоченными лесами в сочетании с сограми. Высокая гидроморфность ланд-363шафта здесь обеспечивается выклинивающимися в подножье второй террасы грунтовыми водами. При сработке в результате действия водозабора грунтовых вод водный режим почв на первых террасах Томи и Оби существенно изменился, начались обсыхание и деградация торфяных залежей. Вторые террасы приподняты, хорошо дренированны, супесчаные с дерново-подзолами под травяными сосняками в зоне сопряжения с ложбинами стока. При сопряжении с древней равниной террасы плоские низкие, суглинистые с серыми и светло-серыми почвами под травяными лиственными лесами, в составе которых принимает участие сосна и кедр. Высокая заболоченность террас, речных долин и ложбин стока повышает разнообразие территории. Общая площадь болот и заболоченных лесов, к примеру в Тимирязевском лесхозе, составляет около 45 тыс. га [6]. Из них более 80% составляют евтрофные болота, приуроченные к долинам Оби и Томи.Система мониторинга на территории Обь-Томского междуречья охватывает основные гидрологические типы ландшафта, включает пространственно распределенные площадные полигоны, ландшафтно-экологические профили и точки наблюдения. При организации мониторинга (выбор ключевых участков и точек мониторинга) использован геосистемный подход, анализировался разнообразный картографический материал и космоснимки высокого пространственного разрешения. Совмещение полигонов с квартальной лесоустроительной сетью позволяет включить в систему мониторинга материалы лесоустройства различных лет проведения. Полигоны площадью 1-2 км2 закладывались в границах квартальной сети на участках, прилегающих к зоне водозабора. На каждом полигоне заложен экологический профиль, пересекающий основные элементы ландшафта и с различной степенью трансформированности, на которых и располагались точки наблюдения. Большое внимание уделялось эко-тонам - переходным зонам на границе леса и болот, обладающих более высокой чувствительностью к изменениям гидрологического режима. Обследованиями в них повсеместно выявлены перестройки фитоценоти-ческих и почвенных границ. При однородных условиях, с целью охвата большего числа геолого-геоморфологических поверхностей, в систему мониторинга включались только точечные объекты наблюдения.Таким образом, в пределах воронки депрессии заложены 4 площадных и 2 точечных объекта мониторинга (рис. 1). Один полигон расположен за пределами воронки депрессии. Каждому участку присваивался постоянный порядковый номер. Участок (пункт) мониторинга закрепляется на местности, а его координаты вносятся в базу данных. Принята нумерация объектов контроля, позволяющая сохранять преемственность полученной информации. Номер точки мониторинга включает буквенный индекс и номер ключевого участка, номер точки наблюдения. Для графического отображения данных режимных наблюдений при их интерпретации дается ссылка на год наблюдения. В итоге, например, номер М2307 обозначает, что приводимые данные соответствуют показателям, полученным на ключевом участке 2 в точке наблюдения 3 в 2007 г. Объем статьи не позволяет представить динамику вод-ного режима во всем объёме, на рис. 1-3 приведены только представители каждого из типов местообитаний, но в тексте дается анализ по всем точкам наблюдения.Ключевой участок Ml (86-й квартал) расположен за пределами границ воронки депрессии, в 23 км от линии водозабора (77-76-й кварталы Жуковского лесничества), включает Кирсановское болото верхового типа. В пределах участка имеются как слабо нарушенные, так и ненарушенные элементы. Характерные для ложбин стока перепады рельефа создают высокие (около 4 м) дю-нообразные гривы, переходящие в заторфованные меж-гривные понижения. Мощность торфа в центре болота более 3 м. По мере заполнения первичного понижения произошла дифференциация массива на рямовую и то-пяную части. Измерение влажности проводилось: в подзоле иллювиально-железистом (Ml 1) под сосняком кус-тарничково-зеленомошным на верхней части гривы; в подзоле глееватом иллювиально-железистом (М12) под сосняком зеленомошным на низкой ступени гривы; на торфяно-подзоле глеевом (М13) под сосняком кустар-ничково-зеленомопшо-сфагновым в переходной части к болоту, уровень болотных вод замерялся в рямовом и топяном участках (М14).Ключевой участок М2 (Тимирязево) заложен в 3,5 км от первой очереди водозабора (33-34-й квартал Тимирязевского лесничества) в наиболее трансформированной части междуречья. Ландшафтно-экологи-ческий профиль, в пределах которого заложены точки наблюдения, - наиболее сложный по строению, т.к. пересекает несколько высотных уровней. Максимальные перепады высот между вершиной гривы и днищем болот достигают 14 м. Снижения уровней грунтовых и неравномерная сработка болотных вод привели к дифференциации участка по степени гидрологической трансформации. На профиле заложены 7 точек наблюдения, представляющих несколько типов гидрологического режима. В первую группу входят торфяные почвы болот с относительно ненарушенным наземным покровом и уровнем болотных вод, находящимся в пределах деятельного горизонта (М25, М27). Вторую группу представляют иссушенные торфяные почвы с нарушенным гидрологическим режимом (М21, М22, М24). Третью группу представляют точки мониторинга, заложенные в сосновых фитоценозах на песчаных гривах разного уровня (М21, М23, М26).Ключевой участок М5 (Моряковка) располагается вблизи третьей очереди водозабора (88-й квартал Моря-ковского лесничества) и включает сосняки на песчаных гривах, рослые рямы в заболоченных понижениях, различные по составу лиственные леса. Для ландшафтно-экологического профиля характерен общий уклон на северо-восток. Профилем пересекаются поверхности, различающиеся по составу отложений: песчаные гривы (М51) замещаются более плоскими поверхностями, сложенными слоистыми супесчано-суглинистыми отложениями (М54). Максимальный перепад высот достигает 6 м. Заболачивание началось в наиболее глубоких центрах ложбин. К настоящему времени произошло объединение первичных центров заболачивания, внутри которых сохранились узкие низкие гривы (М53). Болото сосново-кустарничниково-сфагновое с высокими значениями бонитета (IY) и полноты (до 0,6) мощностью торфа до 3 м (М52).36401I []2 S,3j4e^a 5 ^ f>200,\ М41-Э100М54 2003-*> #,„Эй"»*^-4*'10 20 30 40368VIVIIVIII IXРис. 3. Хроноизоплеты и эпюры влажности почв различных типов местообитаний (влажность в % от объема)Водный режим местообитаний с иссушенными торфяными почвами. Ландшафты ложбин древнего стока в зоне, примыкающей к первой очереди водозабора, относятся к категории сильно трансформированных. Наиболее трансформированы заболоченные леса и мелкозалежные болота, формирующиеся в межгривных понижениях. При отсутствии явного водоупора болотные воды формируются на капиллярной кайме верховодки, аккумулируются и удерживаются торфяным телом. Стабильность водного режима болот, как и ландшафта в целом, определяется мощностью и состоянием торфяной залежи. Небольшие по площади торфяники мощностью до 2 м не способны противостоять протекающим на территории негативным гидрологическим и гидрогеологическим процессам. При сработке верхних горизонтов грунтовых вод в зоне формировании воронки депрессии происходит деградация деятельного горизонта болотных вод, преобразование структуры растительных сообществ. В сосняках кустарничниково-сфагновых появляются пятна зеленых мхов и даже лишайников, мочажины начинают затягиваться кустарничками, грядовые клумбы разрушатся. В краевой, обычно наиболее увлажненной части болотного массива, в результате изменения гидрологических условий и ускоренной минерализации торфа формируются участки с полностью нарушенным растительным покровом. Влажность торфа снижается до 35^4-0%, тогда как в естественных условиях она составляет 85-95%, плотность сложения возрастает в 2-3 раза. Поверхностные слои торфа пересыхают, распыляются и теряют способность впитывать влагу. Мощность торфяной залежи при усадке уменьшилась почти вдвое (М21, М22). Почвенно-грунтовые воды в минеральных горизонтах под торфяной залежью обнаруживаются только во влажный год (см. рис. 3, М22). В при-склоновых местоположениях на глубине от 215 до 260 см (М21), 280-320 см (М-22), и 220-300 см (М24) формируются горизонты полного насыщения влагой. К концу влажного сезона, когда в августе-сентябре количество осадков снизилось, на этих глубинах сохранился горизонт с влажностью близкой к полному насыщению, но гравитационная влага не проявилась. Ниже этого слоя влажность почвы уменьшалась, что указывает на существование локальных водоупоров. В последующий сухой 2003 г. до глубины 300 см гравитационная влага обнаружена только в присклоновых местоположениях - точке наблюдения М21. Профильное распределение влажности при бурении до 500 см показывает, что горизонт полного насыщения разделен на два слоя: первый формируется на глубине 250-300 см, а второй - на глубине 400 см. Во влажные годы эти горизонты смыкаются. В сухой 2003 г. горизонт гравитационной воды обнаружен только в почве точке М21, находящейся в подсклоновом местоположении на максимальном удалении от основного болотного массива. Это позволяет предположить участие почвенно-грунтового стока в формировании увлажнения глубоких горизонтов почвы. Причем при следовании серии сухих лет такого притока влаги нет, о чем свидетельствует графики и эпюры влажности за 2001 г.Влажность торфяного слоя устойчиво высокая на границе с минеральным горизонтом, а в поверхностныхочень низкая и связана с атмосферными осадками (рис. 3, М21-Э). В минеральных горизонтах под иссушенными торфяниками в разные по увлажнению годы прослеживается близкий ход кривых распределения влажности. Как правило, под торфяной залежью формируется горизонт капиллярного зависания, мощностью 50-80 см, а его мощность определяется накопленной в торфяном теле гравитационной влагой. Ниже влажность уменьшается до значений меньше НВ. Эпюры влажности показывают, что горизонт с неестественно низкими значениями влажности на глубине 150-200 см стабильно сохраняется независимо от условий увлажнения года. Амплитуда изменчивости несколько больше на глубине, что связано с особенностями просачивания влаги в песчаных грунтах и формированием горизонта капиллярной каймы. Во влажные годы влажность минеральных горизонтов выше по сравнению с сухими годами, причем наиболее значимы различия в глубоких капиллярно насыщенных горизонтах.Динамика влажности почв террас. Дерново-подзолы супесчаные с мощными ортзандовыми прослойками (М31) под сосняками травяными по водному режиму отличаются от режима почв ложбин стока, сложенных сортированными песками. Вертикальному водообмену с нижними слоями здесь препятствуют внутрипочвенные ортзандовые прослойки, над которыми происходят широкое варьирование влажности почв, от 8 до 30 % в поверхностных горизонтах и 8-18% на глубине 50-100 см (см. рис. 3, М31). Ниже ор-тзандовых слоев влажность снижается до значений НВ типичных для супесчаных почв. Сезонные и межсезонные изменения влажности здесь наибольшие. При сохранении общих закономерностей послойного поведения влаги, разброс влажности в разные по увлажнению годы достигает 10 % - наибольшее для всех исследуемых местообитаний (рис. 3, М31-Э). Варьирование увлажнения поверхностных горизонтов и относительно высокое богатство супесчаных почв обеспечивают здесь формирование растительных сообществ, отличающихся широким разнообразием, включающим виды, относящиеся к разным экологическим группам.Динамика влажности серых почв на суглинистых террасах под кедровниками травяными только в верхней части связана с атмосферными осадками. За пределами первого метра влажность почв стабильно низкая даже в экстремально влажный год (см. рис. 3, М41). Это свидетельствует об устойчивом разрыве капиллярной связи с грунтовыми водами и практически полным расходом атмосферных осадков в кедровнике на десук-цию и испарение. Значительная часть осадков перехватывается кронами деревьев, что увеличивает площадь испарения. Осадки, достигшие поверхности почв задерживаются в лесной подстилке, перехватываются и используются корнями. Изменчивость влагозапасов в августе хорошо коррелирует с условиями увлажненности года, особенно в первом метре суглинистой толщи. Глубже распределение влажности связано с особенностью просачивания и расхода влаги на десукцию кедровым насаждением. В экстремальный 2007 г. влажность почв была выше по всему профилю (рис. 3, М41-Э). Можно предположить следующий механизм изменения запасов влаги в равномерно фильтрующих суг-369линистых почвах под травяными кедровниками. Во влажный год, даже с учетом расхода влаги на десукцию кедровым фитоценозом, в поверхностных горизонтах поддерживается влажность, близкая к величине наименьшего насыщения, создаются условия для передвижения гравитационной влаги в нижние горизонты. Однако за все годы наблюдения влажность почв на глубине более 150 см была меньше НВ. При этом во влажный год и последующий за ним происходит некоторое увеличение запасов влаги в метровом слое над этим относительно сухим горизонтом. Наличие иссушенного горизонта во все сроки и годы наблюдения свидетельствует об устойчиво сформировавшемся разрыве увлажнения от атмосферных осадков с горизонтом капиллярного увлажнения грунтовых вод, что может быть последствием снижения их уровней. Режим влажности почв под кедровником в настоящее время изменился и более соответствует режиму влажности лесостепных почв, что негативно сказалось на состоянии и продуктивности кедровника. Периодичность урожая и качество ореха снизились, повысилась поражаемость древостоя болезнями и энтомовредителями.Режим влажности светло-серых почв на плоской поверхности Моряковской ложбины стока (М54) под осинником крупнотравным определяется в значительной степени составом отложений - подстиланием супесей плотными и вязкими глинами с высокой водоудер-живающей и низкой фильтрационной способностью. С поверхности в рыхлых органогенных горизонтах под сомкнутым пологом высокотравья выпавшие осадки сохраняются длительное время, и растения не испытывают дефицита влаги даже в сухой год. Влажность здесь редко снижается до значений ниже НВ. На границе разных по составу отложений замедляется скорость фильтрации, создаются условия для застаивания влаги и ее медленного расхода. Влажность слоя на глубине 100-150 см достаточно постоянна и варьирует в небольших пределах независимо от условий увлажнения года (рис. 3, М54, М54-Э). Выше (25-75 см) формируется горизонт с высоким варьированием влажности. Влажность нижележащих горизонтов (150-250 см), в которых замедляется передвижение влаги, неустойчива и определяется больше весенним влагона-коплением, чем выпадающими в этот сезон осадками. В глубоких горизонтах (более 275 см) насыщение влагой постоянно высокое и глины находятся в мягкопла-стичном состоянии. Гравитационной влаги до глубины 5 м не отмечено даже в экстремально влажный год.Проведенные наблюдения за водным режимом на поверхности древней равнины, сложенной суглинисто-глинистыми отложениями (М7), показали существенные отличия от вышеописанных. Здесь сказались приуроченность к замкнутому депрессионному понижению (М74), в котором накапливаются снеготалые воды, их проникновение в более глубокие горизонты и латеральное растекание, снижение процессов десукции и расходования влаги из глубоких горизонтов почв полевыми культурами (М71). Поэтому на протяжении всего вегетационного периода на глубине более 1,5 м сохранялись значительные (выше НВ) запасы почвенной влаги, в то время как в поверхностных горизонтах отмечались высокая контрастность увлажнения и явныйдефицит влаги в июне-июле. Сформировавшийся в это время на глубине 25-75 см горизонт иссушения прослеживается до конца вегетационного периода (М71). Почва под лесом характеризуется меньшей контрастностью профиля по увлажнению. Однако и здесь обнаруживается на глубине 50 см горизонт иссушения (М72). На границе с болотом в поверхностных и глубоких горизонтах на протяжении всего срока наблюдений прослеживались высокие значения влажности, в то же время на глубине 50-80 см во вторую половину лета сформировался горизонт иссушения, в котором произошел разрыв капиллярных связей (М73).Заложенная в 2000 г. система мониторинга за состоянием природной среды в зоне действия Томского водозабора выявила изменение гидрологического режима ландшафтов на всей его территории. К настоящему времени уже накоплен ряд наблюдений, охватывающий различающиеся по увлажнению годы: умеренно влажный и теплый 2001 г.; влажный и умеренно теплый 2002 г.; относительно сухой и теплый 2003 г.; умеренно влажн

Скачать электронную версию публикации