Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ опыта регенерации выработанных болот 14
1.1. Определение и типы регенерации болот 14
1.2. Этапы восстановления болот 21
1.3. Цель и объект регенерации болот 23
1.4. Опыт регенерации болот 27
1.5. Основные выводы 41
2. Исследование механизмов развития торфяных болот 44
2.1. Проблемы и принципы создания модели развития болот 44
2.2. Эндогенная ритмичность торфяных отложений 48
2.2.1. Оценка временной организации торфяных отложений 48
2.2.2. Основы фациального анализа торфяных отложений 56
2.2.3. Фациальные признаки целостности торфяного тела 72
2.3. Механические признаки растительности 82
2.3.1. Организация мохового покрова 82
2.3.2. Организация травяно-моховых группировок 86
2.3.3. Организация древесно-моховых группировок 87
2.4. Полиморфизм литологического состава торфяных отложений по механическим свойствам 91
2.4.1. Связь формы, состава, возраста и механических свойств торфяных отложений.. 91
2.4.2. Модель механического равновесия 94
2.5. Блоковое строение торфяного болота 98
2.5.1. Классификация структурных моделей 98
2.5.2. Временной фактор в моделях природы прочности торфяных отложений 111
2.5.3. Геодинамические процессы в торфяных залежах 120
2.6. Предпосылки теоретической морфологии торфяных болот 125
2.7. Оценка целостности структуры торфяного тела 141
2.7.1. Размерность и подобие торфяного тела 141
2.7.2. Кинематика торфяного тела 152
2.7.3. Признаки эволюции фазовой области торфяного тела 163
2.7.4. Связь взаимодействующих сфер с плотностью торфяного тела 172
2.7.5. Связь степени разложения, влажности и плотности торфа 180
2.7.6. Принципиальная связь гидравлики и формы торфяного тела 186
2.7.7. Исследование роли центров тяжести и давления в торфяном теле 192
2.8. Оценка самоорганизации структуры торфяной залежи 201
2.8.1. Гомология формы торфяной залежи 201
2.8.2. Схема напряжений торфяного тела 214
2.8.3. Гидростатика торфяного тела 219
Типология выработанных торфяных болот 233
3.1. Геоэкологическая оценка выработанных торфяных болот 233
3.1.1. Особенности разработки торфяных болот 233
3.1.2. Условия спонтанной регенерации выработанных болот 238
3.2. Анализ состояние выработанных торфяных болот 247
3.2.1. Способы и этапы освоения торфяных болот 247
3.2.2. Общие особенности современного состояния структуры торфяника 254
3.2.3. Особенности структуры растительного покрова выработанных болот 266
3.2.4. Разработка методики геоэкологической оценки выработанных торфяных болот 271
3.3. Анализ пожароопасности торфяных болот 279
3.3.1. Угольные прослойки в торфяных залежах 279
3.3.2. Изменение растительного покрова болот после пожара... 283
3.3.3. Нарушения в развитии болота после пожара 285
3.3.4. Состав и масса сгоревшего торфа и продуктов его горения 287
3.4. Принципы классификации регенерируемых торфяных болот... 290
3.5. Классификация выработанных торфяных болот 294
4. Основные положения модели регенерации выработанных торфяных болот и рекомендации по организации их регенерации 299
Основные выводы и заключение 305
Библиографический список 308
- Определение и типы регенерации болот
- Проблемы и принципы создания модели развития болот
- Исследование роли центров тяжести и давления в торфяном теле
- Условия спонтанной регенерации выработанных болот
Введение к работе
В настоящее время одной из главных проблем геоэкологии является формирование оптимальных условий интеграции биогеосферы и техносферы в целостную самоорганизующуюся систему экосферы [14, 77, 79, 116, 117, 126,205].
По И.В. Крутю [127] экосфера - это трансформированная антропогенным воздействием биогеосфера, включающая в себя систему живых организмов с заполняющими ее средами (воздушной, водной и литогенной), или - это пространство взаимодействия биосферы с геосферами. На рис. 1 представлена модель развития экосферы.
Экосфера
Биогеосфера Социосфера
Охрана природы
_1_
Производство
Пассивная
Активная
Открытое
Замкнутое
Мониторинг и нормирование
Формирование техноэкосистемы
| Обслуживание техноцикла
Экстенсивная І I Интенсивная
Рис. 1. Принципиальная модель развития объектов экосферы
Активная форма охраны природы и развитие открытых техносистем -это два наиболее ожидаемых в будущем процесса, связанных между собой неизбежными противоречиями. Формирование техноэкосистем (природно-технический комплекс [13]; технобиогеосистема [126]; геотехническая система [77] антропогенная геоэкосистема [84]; природно-техногенная система [116]) с доминантой техногенных процессов над естественными соответствует экстенсивному развитию техноэкосистем. При доминировании естественных процессов - интенсивному.
Понятие экосферы удобно представляет совокупность сфер, трансформированных человеком, и определяется подобно экосистеме.
Общей целью этой работы является попытка сформировать единую методологическую основу системы управления торфяными болотами в условиях интенсификации техногенеза, которая включает три эволюционных стадии торфяного болота (до, в период и после освоения) как одно целое. Такой подход близок идеям Д.Л. Арманда [13] о культурном или техногенном круговороте в природе, КН. Дьяконова [77] и Б.И. Кочурова [116] о пространственно-временной целостности естественных природных составляющих и технологии производства и о эколого-хозяйственным балансе территории [118].
Анализ направлений исследований торфяных болот в России позволил выделить хронологические этапы их изучения (табл. 1). На протяжении 20 столетия, как следует из проведенного анализа, торфяные болота рассматривались в основном как источники сырья или сельскохозяйственные угодья. Научное обоснование использования торфяных болот как природоохранных объектов сформировалось только в последние десятилетия благодаря работам М.С. Боч, КГ. Тановщкого, В.К. Антипина, Т.Н. Андриенко, Т.Ю. Минаевой и др. Исходя из поставленной цели пространственно-временная совместимость болотообразовательных и техногенных процессов в геобиогенном поле болот [267] позволяет рассматривать их промышленное освоение как один из эволюционных этапов развития этого поля, на которое также можно распространить правило хроноорганизации географических явлений [238], при котором время является функцией количества состояний объекта или его поля. Это понятие близко понятию вещественного поля [272].
В этом случае геобиогенное поле болот как концептуальная основа совместимости болотообразовательных и техногенных процессов - это совокупность естественных и искусственных экзогенных и эндогенных факторов природной среды, сочетающихся количественно во времени и пространстве, и в соотношениях, которые приводят к возникновению стадий развития этой
среды. При этом естественные эндогенные факторы геобиогенного поля болот могут самостоятельно вызывать изменения структуры и состава потоков вещества и энергии в геобиогенном поле, проявляя черты саморегулируемой системы. К этим факторам относятся: время торфонакопления, объем, масса и структурно-механические свойства торфяного слоя, условия формирования первичных и время приобретения вторичных свойств торфа, гидромеханическая система торфяника.
Таблица 1. Хронологические этапы изучения торфяных болот
В этой связи принципиально важно установить отличие условий перехода «болота-водоема» в разрабатываемое состояние от создания при эксплуатации болота оптимальных условий его возрождения в последующем, как отражающих разные этапы освоения геобиогенного поля болота. Поэтому при оценке эффективности освоения болота следует проектировать и в дальнейшем прогнозировать состояние геотехнологических параметров ин-
»
8 женерных сооружений как фактора, предопределяющего в дальнейшем условия восстановления болота.
В настоящее время (7 этап табл. 1) использование болотных ландшафтов основывается на рассмотрении балансовой модели, в которой экономически учитываются параметры техносистемы, оптимальные для нее самой, стоимость продукции и превышение предельно допустимых экологических норм в случае нарушения технологических процессов, и лишь иногда промысловое значение болот. Базы торфодобычи проектируются без надлежащего учета биосферных функций болот, экономическая оценка которых существует только в общих чертах [31]. При оценке баланса охраняемых, разрабатываемых или окультуренных торфяников не учитывается их географическое положение относительно растущих городских агломераций, а также экологически неустойчивых природных и техногенных комплексов. Например, в Тверской области в целом выработано около 6 % из трех тысяч торфяных болот (рис. 3), но в зоне рекреации г. Твери выработанные торфяники занимают около 60 % общей площади всех болот или 15 % всей территории. Большинство нарушенных торфяных болот регенерируют естественным путем [177, 178].
Рис. 3. Торфяные болота Тверской области и зоны рекреации Твери (на рисунке справа темным тоном показаны выработанные торфяники, серым — болота в естественном состоянии)
Таким образом, в центральной части России при большом количестве
9 болот в естественном состоянии подавляющее количество выработанных торфяных болот (один из трех: типов промышленного ландшафта - торфяно-болотные пустоши [169] или техногенный ландшафт - компонентный комплекс с присутствующим ему саморазвитием [170]) расположено вблизи крупных городов, бывших основными потребителями торфяного топлива.
В целом по области разрабатываемые болота составляют до 13 % площади области [84].
В результате осушение и разработка торфяных месторождений ведет к значительному загрязнению поверхностных вод [246]. По эколого-геологическим условиям эта ситуация соответствует экологическому риску, а при оценке только площади болот- экологическому бедствию [249]. Использованные торфяные болота, являющиеся в прошлом участками добычи торфа, регенерируют, но характер добычи торфа в значительной степени определяет скорость и особенности их восстановления [4].
Основой эволюционной модели геобиогенного поля как главного объекта геоэкологии болот может послужить понятие экосферы [126] и на основе этого понятия экосферная классификация торфяных болот (рис. 2). На устойчивые (рис. 2) естественные болота оказывается только дистанционное воздействие, неспособное в настоящее время резко изменить характер их существования. Однако с учетом растущей степени аэрозольного загрязнения (тяжелые металлы, радионуклиды, органические соединения и т.д.) могут происходить изменения растительности или открытой поверхности торфа -это меняющиеся болота.
В ассоциацию понятий устойчивого развития входит понятие «управляемая природная геосистема». В целом такие геосистемы можно разделить на регенерируемые и генерируемые. Регенерируемые геосистемы - это системы, которые изменили направление своего естественного развития под техногенным воздействием, но сохранили способность к самовосстановлению и росту на основе эдификаторных свойств болотных растений и процесса тор-фонакопления. Генерируемые геосистемы формируются в совершенно новых
для них условиях. Это, например, искусственные болота в ботанических садах, которые без внешнего стимулирования (внесение минеральных солей, регулирование уровня грунтовых вод, создание и ремонт гидротехнических изолирующих сооружений и т.п.) постепенно исчезают, или - это возникающие вновь болота без преемственности с ранее существовавшими в этом мес-месте.
Торфяное болото под антропогенным —\ воздействием
Торфяное болото вне антропогенного
воздействия
Естественное болото
Устойчивое
Меняющееся
Полуестественное болото
-от-
Регенерируемое
Генерируемое
< Система использования болота
Рекультивационная j—і Инфраструктурная Культивирующая \—і Водохозяйственная
(Социально-культурная H-j Торфодобывающая
Рис. 2. Экосферная классификация торфяных болот
К рекулыпивационным
торфяно-болотным геосис
темам как ландшафтам отно
сятся леса, пастбища, сено
косы, прудовые хозяйства и
т. д., расположенные на на
рушенных торфяниках и не
требующие на их развитие
затрат кроме первоначаль
ных. Такая система возвра
щается в относительно есте
ственный вид, но свои «гене
тические» биосферные
функции выполняет не полностью в отличие от регенерируемых торфяников.
В отличие от них, торфяники, используемые для выращивания оборотных сельскохозяйственных и лесных культур и требующих регулярной трансформации верхнего слоя торфяника, являются культивирующими или окультуренными [123]. К ним можно отнести и прудовые хозяйства, с постоянным поддержанием их потенциала. В случае, когда нарушенные торфяники используются как часть эстетически организованной среды, их следует отнести к социально-культурными геосистемам, выполняющими соответствующие названию функции.
Инфраструктурные элементы торфяных болот представляют собой инженерные сооружения и коммуникации (ЛЭП, автодороги, трубопроводы,
здания и т.д.), не связанные непосредственно с добычей торфа. Водохозяйственная система использования болот включает в себя мелиоративные системы, позволяющие влиять на водный баланс территории, регулирование стока, затопление торфяных отложений при создании водохранилищ, систем водозабора из болотных озер и др. И последняя система использования торфяников - это торфодобывающая.
В целом предлагаемая классификация включает в себя разные таксоны антропогенных и естественных ландшафтов, не вполне соответствующие принятым, но отражающие целостность объекта в условиях растущего техно-генеза. Это в большей мере отвечает проблеме восстановления торфяно-болотных геосистем, так как все состояния болота - до, в период и после освоения, влияют на его восстановление.
К охраняемому торфяно-болотному фонду в настоящее время относят болота только в нетронутом виде, но при экосферном понимании естественность природных систем также должна определяться системой технологических параметров и приемов, составляющих форму активной охраны торфяных болот. В этом случае задачей геоэкологии является создание и управление технобиогеосистем, снижающих уровень кризисных ситуаций между существованием биогеосистем и техносистем.
Исследование управляющей системы развития торфяного болота - это одна из основных целей данной работы, где вопросы их регенерации является приложением идеи об управляющей системе.
Регенерация болот ставит вопрос о генезисе болот как растущих при
родных телах [128], самоорганизующихся [30, 185] и неизменно обладающих
признаками симметрии. Это выражается в согласованном развитии частей
торфяного болота. Поэтому влияние на самоорганизацию самовосста
навливающегося торфяного болота - это корректирование в нем системы
физических градиентов, направляющих естественный
болотообразовательный процесс к формированию целостной структуры торфяного болота.
Внешние факторы торфяного болота
Физико-химические системы болота
Био- и биохимические системы болота
Система управления режимами торфяника
Внутренние параметры торфяных отложений
Рис. 4. Концептуальная модель развития торфяного болота
признаки седиментационной модели,
признаки гидрогеодинамической модели
Основу изучения влияния на регенерацию болот составляет представление об управляющей системе по А.А. Ляпунову, включающей его рабочие связи или механизм функционирования и позволяющей исследовать генезис болот как материально целостных образований. Каркас
управляющей системы физического материального макрообъекта составляют его структура и механические или, применительно к болотам, гидрогеомеха-нические процессы в нем (рис. 4).
Поэтому целью данной работы является исследование признаков целостности торфяных болот как основы теории их регенерации, которая позволит разработать рекомендации по предпроектным работам и отчасти проектным работам по восстановлению болот. Как считали B.C. Преображенский с коллегами [205] - геоэкологические знания поступят проектировщикам в виде рекомендательных документов. При этом целостность проектируемых работ определяется: 1) проектированием природно-технической пространственно-временной системы, 2) учетом индивидуальности каждого объекта, 3) проектированием системы функционирующей и 4) требующей по мере ее реализации мониторинга.
На протяжении длительного времени разработка моделей генезиса торфяных болот ограничивались задачами в рамках их сырьевого использования [211, 252]. Модели строения и развития торфяных болот, удовлетворяющие нуждам промышленности, как правило, не связаны с задачами по исследованию их функционирования. За три последних десятилетия произошли изменения в оценке роли болот в жизни общества. Их состояние стало важным фактором стабильности окружающей среды [83]. Актуальны и необходимы исследования и разработка моделей функционирования торфя-
13 ных болот как саморегулируемых, самоорганизующихся и динамически равновесных геосистем, развитие которых зависит, прежде всего, от целостности их механической системы [95].
На примере проблемы восстановления выработанных торфяных болот реализуется концепция возобновляемого природопользования [215]. Для этого требуется разработать новые теоретические и экспериментальные методы исследования и анализа функционирования торфяного болота как целостного трехмерного динамичного тела.
За последние два десятилетия восстановление выработанных торфяников стало одним из ключевых направлений сохранения биоразнообразия, регулирования углеродного баланса и качества поверхностных вод и создания эстетически привлекательной среды обитания.
Определение и типы регенерации болот
Регенерация торфяных болот как процесс восстановления торфяных болот до естественного состояния не имеет в настоящее время точного методологического обоснования. Это связано с новизной проблемы регенерации торфяников для России в области рационального природопользования, а также с потребностью изучения состояния освоенных торфяных болот.
Восстановление болот может быть определено как комплексная деятельность человека, направленная на возвращение системы к прошлому, более «здоровому» состоянию, прежде всего, восстановление торфонакопи-тельной системы [298].
В России вопрос восстановления ландшафтов рассматривается в рамках техногенной биогеоценологии, включающей рекулыповедение [248]. При этом применительно к болотам в русскоязычной литературе используются несколько в разной степени близких понятий (рекультивация, вторичное заболачивание, реабилитация, техногенез, оживление (revitalization), переувлажнение, восстановление (воссоздание), регенерация, реставрация, рена-турация).
Рекультивация торфяных почв в основном направлена на использование нарушенных земель под сельскохозяйственные культуры, пруды, лесопосадки и т.п. В более широком смысле под рекультивацией понимают меры предотвращения негативных последствий техногенных нарушений.
Под вторичным заболачиванием подразумевается увеличение избытка воды на ранее осушенных площадях и вызываемые им изменения в почве и растительности при ухудшении действия мелиоративной сети [48]. Этот процесс рассматривается как естественный и с отрицательным значением для лесоводства. Понятие реабилитация [19] (rehabilitation) - естественных функций болот включает в себя анализ геосферной оценки процессов восстановления и не рассматривает их как технологический процесс. Ренатурация выработанных торфяных болот понимается как включение в процесс разработки отдельных участков параллельный процесс последовательного восстановления выработанных участков, продолжающегося разрабатываться болота [108]. Термин в целом повторяет смысл понятия регенерация. Использование термина посттехногенный биогеоценоз [276] в достаточной степени ясен и не требует дополнительного толкования. Однако понятие биогеоценоза не вполне соотносится с объектом восстановления выработанных болот. Восстановление болот определяется как комплекс технических мероприятий, направленных на возбуждение или оживление регенерации болота. Восстановление болот в условиях техногенеза рассматривается как часть управляемого техногенного процесса, представляющего собой пространственную совместимость естественных и техногенных процессов. Поэтому управление техноэкосистемами - это использование алгоритмов функционирования природных экосистем, позволяющих адаптировать эти процессы к новым потенциально неизвестным условиям и субстратам. Применительно к восстановлению болот можно разделить все мероприятия по компонентам геосистем: биологические (интродукция, селекция), физические (гидрофизические - в данном случае переувлажнение, атмофизи-ческие - создание микроклимата, геофизические - формирование структуры и рельефа литосферы), химические (геохимические - создание системы геохимических барьеров, гидрохимические - регулирование химического состава вод в ландшафте, биохимические - внесение органических удобрений, ферментных «заквасок» и др.). Отличительной особенностью понятия «переувлажнение» (rewetting), является обретение природной торфяной средой, в результате искусственного вмешательства, ее главного признака - повышенной влажности субстрата. Процесс переувлажнения рассматривается как первичный этап схемы воестановления (restoration) болот по Kuntze и Eggelsman [317]. В общеупотребительном смысле в равной степени используются термины «restoration» и «regeneration». Термин «restoration» переводиться одновременно как восстановление, реставрация, реконструкция и возобновление, что в русскоязычном значении имеет различное понимание. Поэтому следует придерживаться понятия - регенерация, дословно переводимого, отражающего цель работ и одновременно их завершающую стадию. Понятие реставрации болота рассматривается как компенсация вследствие промышленного использования [296]. Под регенерацией [287] можно понимать подъем уровня воды и изменение проницаемости верхнего слоя торфяной залежи, отражающих совокупность протекающих в нарушенном верховом болоте естественных процессов авторегуляции, которые направлены на восстановление ландшафта с функциями олиготрофного болота. Главным условием регенерации считается положение о том, что верховое болото возникает в определенном климате и, обладая определенной гидравлической проницаемостью, стимулирует подъем УГВ в регионе [294].
Следуя Л.Л. Розанову [218], работа по регенерации торфяных болот является частью антропогенного рельефопреобразования. Антропогенное воздействие на земную поверхность трансформировало естественные связи природных объектов и создало второй - «искусственный» мир формообразований. Л.Л. Розанов предлагает концепцию об интегративном геосферном тех-нолитоморфологическом явлении - геотехноморфогенезе, то есть едином процессе изменений и преобразований твердой земной поверхности вследствие взаимосвязи и взаимодействия техногенных (социогенных) и природных сил.
Проблемы и принципы создания модели развития болот
Для анализа традиционных представлений о развитии торфяных болот воспользуемся классификацией проблем развития в геологии из работы В.Е. Хаина [265]. Классификация проблем и задачи, решаемые в их рамках представлены в табл. 3.
Проблема неравномерности развития отражает одновременность появления относительно подобных природных образований в пространстве. Обновление в отличие от преемственности развития природного объекта указывает на то, что в любой момент времени этот объект представляется в новом качестве и только относительно связан с предшествующим состоянием. Цикличность определяет развитие как гармонический процесс, в котором нет принципиальной границы между кризисом и ускорением. Проблема непрерывности или континуальности-дискретности развития основана на реальности границ природных явлений одного типа.
В качестве основы анализа данных проблем развития торфяных болот можно сформулировать следующее положение: важнейшая природная особенность торфяных болот состоит в том, что по скорости изменения современные геологические процессы в торфяной залежи адекватны биологическим процессам на ее поверхности, что позволяет рассматривать торфяник в целом как объект современной геодинамики, а его непрерывный саморегулируемый рост, как отражение геодинамических процессов в торфяном теле.
Проблемы развития естественных болотных систем являются основанием рассматривать регулярную структуру восстанавливаемых выработанных торфяников, отражающую те же процессы роста торфяного покрова Земли. Тем самым, подтверждающих, что геосистемы и техносистемы являются частью общей эволюционирующей оболочки.
Формулирование основных принципов создания геомодели болота служит основой решения проблем их управления на первом этапе. Вторым этапом является создание управляемого торфяного болота (табл. 4).
На основании анализа проблем развития торфяных болот к основным принципам их создания отнесем следующие: - экологической простоты (ОП по В. Иваницкому, Б.М. Миркину) допускает, что в основе процессов самоорганизации и саморегулирования лежит ограниченное число элементов экосистемы. По нашему мнению такими элементами могут быть размер блоков торфяного тела разного ранга и их моды. - структурного дуализма (ОП по Ю.О. Кузьмину [133]), определяющий управляемость геосистемы по координации объемов торфяного тела с разными динамическими параметрами и обуславливающими их механическими свойствами. Структура, с одной стороны, устойчивая вещественная часть торфяной залежи, отражающая ее статическую неоднородность. А с другой - это гармоническая система механически активных объемов торфяного тела, выражающаяся в образовании его динамической неоднородности. Следствия: -» структура торфяного тела адекватна его механическому напряжению (ОП по Г.Р. Иваницкому и др. [89]). Основано на представлении торфяного тела как активной среды, в которой изменения структуры ведут к появлению механических колебаний, а их распространение к упорядочению структуры. В результате торфяная система естественной влажности должна формировать структуру с максимальным рассеиванием «лишней» энергии. В ином случае в структуре накапливается напряжение, растет неустойчивость и ее восстановление становится сла-боуправляемым. Помешать реализации этого принципа может несовместимость константных физико-механических свойств создаваемой торфяной системы с внешними условиями; — внешние и внутренние режимы в торфяной залежи механически соразмерны (ОП по НА. Наседкину [179]). Реализуется при образовании неустойчивых элементов структуры, возникающих при ее самопроизвольных изменениях и одновременно изменениях, вызванных внешним воздействием. Подобная гармонизация отражает механизм адаптации структуры болота к изменениям. Степень восстановленности болота следует оценивать по степени гармонизации в его структуре внешних и внутренних воздействий. При управлении геосистемой следует обеспечить параллельные периодические наблюдения за внешними режимами, внутренними, адекватными внешним, и внутренними самопроизвольными; форма (структура) поверхности и состав торфяной залежи неадекватны (ОП по 3. Руофф [222]; М.С. Боч [31]; И.Д. Богдановская-Гиенеф [27]). Основывается на представлении об устойчивой структуре торфяного тела в виде дискретных элементов, образующих во времени объемные непрерывные вещественные эволюционные траектории. При одинаковой поверхности торфяной залежи ее структура может быть разного состава при разных динамических режимах. Дискретные элементы устойчивой структуры можно рассматривать как управляющие, с меняющейся массой, прочностью, объемом, формой и, как следствие, их динамическими свойствами; - торфяные фации по связи состава и формы поливариантны (ОП по И.Ф. Ларгину [139]; Л.С. Амаряну[Щ). Устанавливается в соответствии со сходством формы и механических свойств разных по составу фаций. Причина - возникновение вторичной неоднородности торфяной залежи как результат конкуренции мод разных факторов или элементов, адекватных механической системе залежи. Это положение указывает на механический континуум торфяной залежи и механическую универсальность торфяных фаций. Одна литологическая фация может в разных частях первичного контура приобретать разные признаки, прежде всего механические, и наоборот. При восстановлении важно учитывать механическую эволюцию торфа; механической адекватности биоты механической системе торфяного тела основывается на представлении об активной механической роли биоты в формировании поверхности, напряжения и регулировании водного потока в залежи. Управление формированием поверхности, где растения выполняют функции каркаса, оболочки и наполнителя, осуществляется при колебаниях торфяного тела. Поэтому следует восстанавливать динамические режимы торфяной залежи, а экологические являются их отражением; - морфоалгоритма фаций обосновывается способностью системы к само подобию или повторению формы и состава торфяных фаций в разных мас штабах, обусловленных сходством вмещающей формы - рельеф дна, форма одного или нескольких слоев торфяной залежи. Поэтому, при оди наковом облике экосистемы могут иметь различные механические пара метры торфяного тела или залежи. Это важно учитывать при использовании форм вмещающих поверхностей как управляющего параметра возоб новляемых торфяно-болотных экосистем в качестве «ускорителя» реализации алгоритма генезиса фаций.
Исследование роли центров тяжести и давления в торфяном теле
С другой стороны, понижение уровня грунтовых вод также ведет к сглаживанию поверхности, упрочнению и уплотнению торфяной залежи [147]. Критическое переобводнение или переосушение ведет к нарушению целостности торфяного тела и потере им определенной степени саморегулирования. В этом случае наблюдаются процессы эрозии поверхности торфяника. Поэтому можно предполагать, что влияние уклона поверхности торфяного тела на его микрорельеф не является прямым. Сток или аккумуляция воды на болоте, а, следовательно, микро-, мезо- и макрорельеф являются производными от прочности, плотности и гидрогеомеханического уравновешивания всего торфяного тела относительно формы минерального дна болота.
В случае простого болотного массива, признаками которого являются небольшие размеры и симметричная форма дна болота котловинного или впадинного типа. По причине гидрогеомеханической целостности его поверхность имеет правильную гладкую форму. Но если форма дна болота с изломами, террасирована, асимметрична или состоит из нескольких первичных впадин, болото часто имеет сложную форму поверхности с наличием резких переломов в профиле поверхности торфяного тела, например схема на рис. 39 к и рис. 48 Ь.
Резкое изменение формы торфяного тела является признаком, на который мало обращалось внимания. Объяснить наличие резких изменений поверхности болота до настоящего времени не представлялось целесообразным, хотя их наличие в значительной мере противоречит гидроморфологической теории развития болот К.Е. Иванова [90]. Поэтому гладкая поверхность болота, описанная гидромофологическими зависимостями, стала условием, от которого зависит достоверность этой теории. Вместе с тем, следует предположить, что резкое изменение микрорельефа должно иметь аналогичное проявление в мезо- и макрорельефе болот. Соответственно следует предположить, что резкое изменение формы торфяного тела несет или отражает те же характеристики, что и у микрорельефа. В этом проявление фрактальность торфяного тела.
Колебание торфяной залежи является в общем синхронным, но части разного объема и прочности колеблются с разной амплитудой. В целом высокоамплитудная и слабо дифференцированная динамика поверхности сменяется дифференцированной на разноамплитудные по колебаниям участки поверхности и соответствующие им части торфяной залежи. Части более прочные (в основном это гряды) имеют незначительную амплитуду. Аналогично предположить, что более крупные части торфяного тела также колеблются как целое, но с отличной амплитудой от соседних участков. Средние амплитуды колебаний совокупности микроформ естественно имеют меньшую величину, но отличную от средней амплитуды смежных частей торфяного тела. Резкость границ между разночасточными по колебанию блоков торфяного тела зависят от разницы в средних амплитудах их колебания.
На рис. 48 Ь представлен фрагмент поверхности торфяного болота Дымное (Кировская область). В особенностях этого фрагмента можно отметить черты механизма образования резких изменений поверхности болота.
Прежде всего, это множество условных поверхностей или уровней (х, у), составляющих область излома. Каждая такая поверхность имеет свой возраст и как можно предполагать, более молодая по времени образования проникает или «прорастает» на фоне старой. Объяснить такой механизм можно разностью в скорости роста болота по отдельным блокам торфяного тела, а также наличием лабильной или динамической неоднородности торфяного тела. В результате главная точка перегиба поверхности смещается во времени и пространстве. В этом случае можно допустить, что молодая поверхность может иметь больший уклон и сменять старую более пологую поверхность, но в следующую стадию развития этого места, молодая поверхность может быть более пологой в сравнении со старой. Точка главного перегиба может смещаться по склону вверх или вниз, но за длительный отрезок времени оставаться относительно неподвижной. В целом в области молодой поверхности происходит погребение старой поверхности - гряды сменяются мочажинами. Наоборот, в области старой - появляются новые гряды, высота которых по мере удаления от точки перегиба уменьшается.
Второй особенностью изломов является инверсия связи между величиной уклона и расстоянием между грядами. Если наличие точки перегиба рассматривать как пересечение двух поверхностей, то инверсию можно объяснить разнородностью поверхностей. В этом случае связь между уклоном и частотой гряд будет прямой для каждой поверхности в отдельности. Каждый склон имеет индивидуальные особенности. При этом область / (рис. 48 Ь) представлена грядово-озерным комплексом и является центром ориентированных кольцами гряд, мочажин и озерков. Эта область представлена плавающим моховым покровом. Выше по склону расположена наклонная практически ровная поверхность, покрытая густым сосновым лесом высотой до 6-8 м. Эта поверхность совпадает по форме с повышением минерального дна и изменением мощности торфяного тела с 4,5 м до 3,5 м, а следующий за этим повышением склон дна совпадает с областью /.
Таким образом, любой фрагмент профиля торфяного тела можно представить в виде: концентрических слоев относительно некоторого центра неоднородности, совпадающего с центами давления и тяжести; двухслойного тела, находящегося в напряженно-деформированном состоянии под воздействием аккумулированной в нем воды и в состоянии гидрогеомеханического равновесия, что отражает связь этого состояния с формой поверхности; фрактала или множества подобных частей, каждое из которых является самостоятельной уравновешенной гидрогеомеханической системой, а вместе эти части проявляют синергетическии или согласованный характер поведения; прочного плавающего каркаса погруженного в лабильную не- прочную торфяную среду, что формирует устойчивость и напряженно деформированное состояние торфяного тела как целого относительно наклона минерального дна подстилающего торфяную залежь; тела , по мере роста которого происходит его дифференциация на более или менее плотные части, позволяющая регулировать его гидрогео-механическое равновесие и характер роста, негладким телом с негладкой поверхностью, имеющей резкие изменения перегибы, объясняющие рост торфяного тела в результате.
Условия спонтанной регенерации выработанных болот
В целом вся поверхность выработанных торфяников представлена двумя группами форм: участками с частично или полностью удаленным торфом (карьеры, фрезерные поля и поля сушки) и участками, на которых не велась добыча торфа (дамбы, перемычки, переезды, приканавные и подштабельно-кантовочные полосы и др. технологические участки).
На карьерах гидроторфа формируются болотные и водно-болотные фи-тоценозы. Все растительные группировки носят вторичный характер. В целом в составе группировок растительности на участках добычи торфа преобладают евтрофные сообщества, а на участках где не велась добыча торфа, преобладают сообщества, близкие к исходным [4, 229, 255].
Как считают авторы [4, 255] на характер растительности в первую очередь оказывает влияние свойства оставшегося торфа. Ход развития и смены растительных сообществ определяются водным режимом. Значительным фактором в зарастании выработанных торфяников является глубина воды, ее свойства, очертание водоемов, рельеф их дна и наличие пней.
Для карьеров гидроторфа в центрально-европейской части России с глубиной воды более 1,5 м после 20 лет характерно незначительное зарастание из-за деятельности ветра. В водоеме в незначительном количестве распространены рдест и водокрас, иногда Nymphea alba. Вдоль карьера при глубине воды 70 см растут сабельник, белокрыльник и др. Выделяются три основных пути зарастания карьеров гидроторфа [4, 255]: а) замкнутый водоем глубиной 50-80 см с неровным дном, покрытым слоем гидромассы — развивается сплавина с рогозом, тростником, белокрыльником или сабельником; б) водоемы с всплывшим торфом от 4 до 20 м2 - к указанным видам добав ляются сфагновые мхи, a Sphagnum cuspidatum может плавать чистыми уча стками при глубине воды 40-60 см; в) карьеры без участков открытой воды зарастают видами, заходящими с не разработанных участков болота; на прежде верховых участках появляется Eriophorum vaginatum, а на низинных - хвощ болотный, сабельник, череда трехраздельная и др. Некоторые группировки (тростниковая, рогозовая, белокрыльниковая, осоковая) встречаются на низинных и верховых участках. Хвощовая, передовая, камышовая только на низинных, a Eriophorum vaginatum и Sphagnum cuspidatum только на верховых. В целом по данным [4, 255] для карьеров гидроторфа строгой зависимости появившихся группировок (31 группировка) от типа залежи, мощности оставшегося торфа, показателя кислотности за редким исключением (тростниковая, рогозовая, рясковая, сфагновая) нет. Степень зарастания зависит от возраста, незначительной амплитуды колебания уровня воды, глубиной воды не менее 0,7 м при определенной кислотности и минерализации воды. Растительные группировки, развивающиеся на машиноформовочных карьерах складываются из болотных видов, которые сохраняются на бровках и перемычках. В общем их состав и характер формирования подобен процессам в карьерах гидроторфа. В работе [41] в состав сообществ перемычек, бровок между машино-формовочными карьерами и сухих участках их дна (Подмосковье) через 2-3 года после конца разработки входили: печеночник, рогоз, череда поникшая, кипрей болотный, паслен горько-сладкий, сумка пастушья, крестовник обыкновенный, лапчатка норвежская, полевица собачья, камыш лесной, ясколка обыкновенная, осока острая, крапива обыкновенная, тысячелистник обыкно венный, зюзник европейский, звездчатка лесная, щавель приморский, ястре бинка лесная. В карьерах, окруженных перемычками от 0,5 до 2 м и запол ненных водой на 70-150 см с толщиной ила 10 см отмечены: ряски и во до крас лягушачий. Доминирующим компонентом в обрастании карьеров явля ется череда поникшая. Переходное болото вблизи Ладожского озера выработанное 40 лет на зад гидроэлеваторным способом в настоящее время представлено динамическими рядами растительности, многие из которых временные. Для их анализа рассматривались следующие факторы: обводненность и рельеф дна, мощность оставшейся залежи, вид и состав залежи. В местах с глубиной воды более 1 м и при отсутствии слоя торфа зарастание происходит очень медленно. За 40 лет изменения незначительные. Состав: Lemna minor, Hydrocharis mor- susranae, Potamogeton natans. При наличии слоя торфа 25-50 см и воды на сыщенной взвешенным торфом состав сообществ то же, но покрытие более плотное [229]. В карьерах с глубиной воды 40-70 см растительные сообщества представлены осокой вздутой, тростником, рогозом, хвощем топяным, сабельником, белокрыльником. Они поселяются вдоль бровок по отмелям. В результате эти карьеры представлены растительностью двух типов: в центре - водной (водокрас, ряска, рдест), а по краям - осоково-тростниковыми и сабель-никово-рясковые. Карьеры с глубиной воды 30 см покрыты сплавиной из осок вздутой и пушистоплодной, пушицы многоколосковой, хвоща приречного, тростника, сабельника, белокрыльника, Sphagnum squarossum, S. ri-parium. Травяные сообщества в центре карьера, а моховые по краям. Толщина сплавины от 25 до 40 см. В целом прирост сплавины составляет 1 см в год. В карьерах без воды доминируют Sphagnum squarossum, S. riparium, a также S. fallax, S. papillosum, S. girgensohnii и др. Из трав преобладают осока вздутая, осока пушистоплодная, пушица многоколосковая. Растительность соответствует составу торфа. Карьеры с сухим дном облесены березой пушистой, в редком травяном ярусе лесные и сорные виды. Доминантом в моховом покрове выступает S. fimbriatum. После прекращения добычи торфа фрезерным способом [4, 255] обычно остается слой низинного торфа. Зарастание сухих карт обычно начинается с краев. Сначала появляются полевица белая и собачья, череда трехраздель-ная и др. сорные и придорожные травы. Постепенно появляются береза повисшая и пепельная ива в травяном ярусе - полевица собачья, мятлики, вей-ник ланцетный, щучка дернистая и др. Через 7 лет злаково-разнотравные сообщества сменяются злаковыми (прежде всего, вейниковая и полевицевая). При повышении увлажнения по краям сохраняются полевицевые группировки, а в центре вейниковые или при большем увлажнении щучковые. Через 10-15 лет формируются густые заросли березы и ивы. На слабо и средне обводненных фрезерных полях развиваются осоковые, пушицевые, ситниковые и хвощевые группировки. Из трав - Carex rosrata, С. lasiocarpa, Lycopus europaeus, Juncus effusus. При большем увлажнении появляется осока ложносытевая, а на повышениях Eriophorum vaginatum и Е. polystachium. Береза повисшая и ивы пепельная, ушастая, трехтычинко-вая формируются по краям карт. На сильно увлажненных картах (слой воды - 10-15 см) встречаются частуховые группировки с тростником и рогозом, зюзником европейским и дербенником иволистным. Избыточно увлажненные поля со слоем воды 50 см зарастают рогозом и тростником с добавлением частухи подорожниковой, хвоща приречного и водяной сосенки. На кочках встречается Sphagnum squarossum.
