УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Торфяные пожары наносят огромный, часто невосполнимый экологический (выгорает плодородный горизонт, выделяются ядовитые газы, гибнет флора и фауна) и материальный ущерб. Торфяной пожар трудно потушить, т.к. в местах прогорания проваливаются дороги и подъезжающая спецтехника, удаленность от источника воды создает дополнительные проблемы в оперативности. В статье рассмотрены основные способы увлажнения осушенных торфяников, обеспечивающих предупреждение возникновения пожара. Из рассмотренных вариантов способа увлажнения торфяных залежей выбран наименее затратный в строительстве способ увлажнения – шлюзование. Этот способ позволяет защитить торфяник от иссушения и повысить урожайность посевов травосмеси. На основе апробированной двумерной математической модели переноса влаги были получены основные показатели шлюзования за 53 года для трех вариантов расчета: при стандартном осушении и при шлюзовании с разными уровнями воды в регулирующих каналах. Рассчитаны и изучены влажность 25 см слоя торфяника, уровень грунтовых вод, сток с дренажной системы, подача воды для трех мелиоративных мероприятий. Согласно расчетам выбран оптимальный вариант шлюзования для борьбы с возникновением торфяного пожара и создания эффективных условий развития травопольной системы земледелия. Представлено сравнение дренажный сток с водоподачей для двух вариантов шлюзования за 53 года. Выбран варианта подачи воды, который составляет около 0,5 дренажного стока, не требующий дополнительных затрат на привлечение водных ресурсов.
шлюзование, влажность,· грунтовые воды, дренажный сток, торфяные пожары, увлажнение торфяников
Введение
Ежегодно, особенно в засушливый период лета, поступает информация о пожарах в лесах и на торфяниках. За последние 30 - 40 лет можно выделить крупнейшие лесные и торфяные пожары по России в 1972 и 2010 года. В 1972 году в центральной части России полыхали масштабные пожары на площади около 1,80 млн. гектаров, из них, в Московской области пострадало до 25 тысяч га. Обширные лесные и торфяные пожары 2010 года привели к исчезновению значительной части лесов (до 4 млн. га) Европейской части России и задымлению крупных городов и прилегающих к пожарам территории вредными для животных и человека газами. Ущерб, нанесенный российским регионам природными пожарами, составил 85,5 млрд рублей. [1]
Естественные насыщенные водой торфяники не горят или горят крайне редко, сильнее подвержены возгоранию осушенные торфяники. В результате осушения понижается уровень грунтовых вод и влажность не только торфяного месторождения, но и расположенных рядом территорий. В жаркий и засушливый период лета в результате интенсивного испарения и активной транспирации грунтовые воды понижаются и происходит иссушение всего почвенного профиля. В таких условиях торф может возгореться от любого источника огня, например, от брошенной непотушенной спички или сигареты, а также такой торф может самовозгореться при повышенной концентрации горючих газов, окислении кислородом, активации жизнедеятельности микроорганизмов.
Сам торф является твердым горючим топливом, содержащим от 75 до 90% органического вещества, образующегося в анаэробных условиях, в результате неполного разложения остатков отмерших растений и продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. В основной состав торфа входят разные горючие элементы такие, как углерод, кислород, водород, азот, сера, для низинных торфяниках составляют 52,7-63,8, 24,73-39,52, 4,7-7,0, 0,5-4,0, 0,02-6,65 % от органической массы.[2] Так же в органическую массу торфа входят пожароопасные вещества: битумы, целлюлоза и др. Например, битумы в низинном торфе могут составлять 1,2-12,5 %, содержание водорастворимых и легкогидролизуемых веществ находится в пределах 9,2-45,8 % и резко уменьшается с повышением степени разложения. Содержание целлюлозы в низинном торфе доходит до 9 %, гуминовых кислот растет при увеличении степени разложения и колеблется в пределах 5-55 %. [2, 3]
Пожар на торфяниках – особый вид пожара, при котором горит весь слой торфяной залежи до минерального дна в режиме тления. Пожары на торфяных месторождениях трудно обнаружить, так как торф горит под землей. Подземный пожар распространяется в разных направлениях и не зависит от условий окружающей среды (дождя, ветра). Потушить пожар практически невозможно. Под верхним слоем почвы после прогорания торфа образуются каверны (пустоты), в которые проваливается пожарная техника, машины, разные виды животных. В жаркий период лета источники воды, способные обеспечить увлажнения горящего торфа, удалены от очага возгорания и труднодоступны.
После природных пожаров полностью исчезает плодородный торфяной горизонт, появляются пирогенные образования, покрытые золой, активно подверженные эрозии. Это негативно влияет на экологическое состояние окружающих территорий, например, загрязнение водных объектов пеплом. Пожары уничтожают ареалы обитания диких животных и территории хозяйственной деятельности человека, снижают разнообразие видов животных и растений.
Площадь торфяных месторождений Московской области составляет около 254,5 тыс. га., из них 75 тыс. га являются осушенными и пожароопасным. Основным способом осушения является понижение уровня грунтовых вод с помощью открытых каналов. Большая часть из них частично заросла и находится в неудовлетворительном состоянии. К таким осушенным торфяникам относятся участи Московской области (районы Шатуры, Орехово-Зуево, Луховицка и др.), расположенные на заболоченной низменности Мещеры.
Тушение торфяного пожара требует больших технических и финансовых затрат, но желаемый эффект не всегда достигается. Торф является мощным поглотителем воды, 1 кг сухого вещества торфа может удержать до 10 - 15 кг воды [3]. Для тушения требуются большой объем и расход воды (огнетушащих веществ) и соответствующих затрат на ее доставку.
Появление ежегодных пожаров свидетельствует о неправильном применении способа предупреждения возгорания и дальнейшего использовании осушенного торфяного месторождения. Целью работы является научно обосновать увлажнение с помощью шлюзования каналов для предупреждения возникновения пожара на осушенных торфяниках Московской области. В работе решались следующих задачи: провести анализ существующих способов увлажнения осушенных торфяников открытыми каналами, с помощью математической модели сравнить основные характеристики водного баланса для разных мелиоративных мероприятий и обосновать накопление вод местного стока для увлажнения. Некоторыми учеными считается, что влажность верхнего слоя торфа необходимо сохранять на уровне не менее 50 - 65 % ПВ (полной влагоемкости) [4] для предотвращения угрозы возникновения пожара. В таких условиях снижается содержание кислорода в торфе, а значит развития процесса окисления и уменьшается риск появления цепной реакции горения кислорода с горючим веществами.
Материалы и методы исследований
В настоящее время на ранее осушенных торфяниках применяют основные способы увлажнения: затопление или обводнение, шлюзование открытых каналов, строительство дополнительной оросительной системы - дождевание. Выбор варианта увлажнения определяется типом водного питания, хозяйственного использования земель и технико-экономическими расчетами.
Обводнение подразумевает собой подачу воды по существующим каналам осушительной сети и максимальное повышения уровня грунтовых вод, т.е. полное затопление торфяника, при котором начинается интенсивное заболачивание. [5,6,7] В дальнейшем торфяник не используется. Тотальное затопление выгоревших торфяников не всегда является целесообразным, т.к. требует достаточно значительных объемов подаваемой воды, а в засушливые годы пожары повторяются, в результате уменьшения влажности за счет сброса воды элементами осушительной системы и испарения.
Одним из способов борьбы с пожарами считается реконструкция существующих мелиоративных систем и строительство систем двустороннего регулирования влажности почвенного профиля. На торфяниках грунтового типа питания, подстилаемых водопроницаемыми грунтами, применяют шлюзование каналов. Уровень грунтовых вод и влажность регулируется при помощи построенных шлюзов, установленных в голове (водозаборные) и устье (подпорные) каждого канала.
При шлюзовании каналов вода в осушители-увлажнители может подаваться через их устья или через истоки. При этом вода из источника орошения подается в магистральные каналы и каналы коллекторы, на которых располагаются водоподпорные шлюзы, а из них в осушители, используемые так же, как увлажнители. Для уменьшения неравномерности увлажнения шлюзы размещают таким образом, чтобы уровень воды между ними находился на 30 - 35 см ниже бровки. Если по условиям рельефа эта схема неприменима, то вода из источника поступает по каналу оградительной сети (нагорно-ловчему) или по специально построенному каналу и далее в осушительную сеть. [5,6,7]
Для предупреждения возникновения пожаров на торфяниках применяют постоянное или периодическое увлажнения, последнее заключается в многократном подъеме уровней грунтовых вод закрытием шлюзов. В обоих случаях происходит наполнение каналов регулирующей сети и существует опасность подтопления части корней выращиваемых культур, что приведет к существенному снижению урожайности. Поэтому на таких системах используют травопольную систему земледелия и грунтовые воды поднимают ниже 0,4 - 0,5 м от бровки.
Следующий способ увлажнения – дождевание, при котором вода поступает в виде дождя специальной техникой на поверхность земли. Увлажнение дождеванием имеет такие преимущества как высокий коэффициент земельного использования, отсутствие потерь воды на испарение (при использовании закрытой сети трубопроводов), быстрая и равномерная подача воды, но также имеет недостатки - существенные капитальные и эксплуатационные затраты. Затраты на строительство системы могут компенсировать только при выращивании высокопродуктивных и дорогих культур (овощи, плодовые деревья). Требования к регулированию влажности корнеобитаемого слоя таких культур в разные фазы развития растения часто не совпадают с противопожарной влажностью торфяника, возникает риск возникновения пожара.
Для поддержания требуемой противопожарной влажности на существующих осушенных торфяниках Московской области предлагается создание систем двустороннего регулирования увлажнения с помощью шлюзования каналов. В качестве источников воды для орошения предлагается использовать пруды-накопители, которые аккумулируют воду местного и дренажного стоков, а при недостатке воды использование внешних источников – рек, озер и др.
Для оценки основных показателей создания осушительно-увлажнительных систем мы использовали двумерную модель влагопереноса в катене А.И. Голованова, апробированную двухлетними полевыми исследованиями на осушенных торфяниках поймы реки Дубны. Катена представляет собой цепочку взаимосвязанных общими геохимическими процессами природных комплексов, состоящего из возвышенности, склона, низины. В модели используется уравнение двумерного влагопереноса, позволяющая учитывать гравитационную и каркасно-капиллярную составляющие неполного насыщения водой пор почвы, т.е. полностью описывается потенциал влаги в почве при изменяющихся во времени метеоусловий, а также используются формулы, рассчитывающие продуктивность выращиваемых культур.
Вся исследуемая толща почвенного профиля разбивается на горизонтальные слои 
(1≤ 
≤Nx-1), изменяющейся по длине от 0,1 м поверхности земли до 1 м от водоупора (
), и на вертикальные слои, образующие блоки постоянной ширины b, . Поток влаги рассмотрен как двумерный, его конечно-разностный аналог записан, исходя из баланса влаги в i,j блоке, и имеет вид [8]:
Δt – расчетный шаг по времени, сутки;
При отсчете напоров от поверхности земли в самой высокой точке профиля, направленной вниз, имеет вид:
где 
) и эквивалентный гидростатическому давлению в зоне полного насыщения, м;
где
При полном влагонасыщении коэффициент Сw = 0. Связь между каркасно-капиллярным потенциалом и влажностью почвы принята в виде (А.И. Голованов):
где p – пористость, единицы объема;
– максимальная гигроскопичность;
– высота капиллярного подъема, м;
m, n – безразмерные эмпирические коэффициенты;
и 
блоков, сутки, представлено в виде:
и 
блоков, сутки:
(6)
где Kω – коэффициент влагопроводности м3в/ м/сутки, зависящий от объемной влажности почвы ω :
(7)
где ВРК – влажность разрыва капилляров или максимальная молекулярная влагоемкость по А. Ф. Лебедеву.
В модели учитываются суточное количество выпавших атмосферных осадков, накапливающиеся на поверхностном слое почвы. Расходная характеристика воды на испарение, зависящая от погодных условий, содержания влаги в почве, разделялось на граничное условие как испарение с поверхности почвы и транспирацию растений. В математической модели вода, попадающая в почву, инфильтуется в нижний слой почвы и распределяется пропорционально содержанию воды в почве и плотности корней, этот процесс в уравнение представлена в виде интенсивности отбора корнями растений влаги из объема почвы.
Определение напоров почвенной влаги представляет собой громоздкую вычислительную задачу, так как сводится к нахождению большого количества неизвестных (при принятой разбивке на блоки) с шагом около 1 суток на протяжении нескольких десятков лет. Следует также отметить существенную нелинейность этой системы уравне-ний, в которой емкостной коэффициент и проводимость существенно зависят от напоров почвенной влаги, следовательно, и от влажности почвы, что требует 3…7 итераций на каждом временном шаге. Поэтому алгоритм решения этой системы является метод матричной прогонки [6].
Результаты и обсуждение
С помощью двумерной модели было рассчитаны следующие варианты мелиоративных мероприятий согласно данным метеостанции Павловский Посад Московской области за период 53 года [8,9,10]:
• осушение с помощью дренажа, установленного на глубине 1,0 - 1,2 м, обеспечивающее требуемую норму понижения грунтовых вод. В сухие по увлажнению годы осушение приводит к иссушению верхнего слоя торфяника. Такие условия характерны на осушенных болот Московской области;
• увлажнение с помощью шлюзования, обеспечивающее подпор воды в канале на 0,8 м ниже поверхности земли.
• увлажнение с помощью шлюзования, обеспечивающее подпор воды в канале на 0,5 м ниже поверхности земли.
Основные результаты прогноза представленных вариантов увлажнения и осушения приведены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты шлюзования торфяника Павлово-Посадского района Московской области (среднеарифметические показатели с 1959 по 2011 гг).
|
|
Атмосферные осадки, мм |
Испарение, мм |
Боковой приток, мм |
Глубина грунтовых вод, м |
Влажность торфа, в долях от пористости |
Относительная урожайность |
Дренажный сток, мм |
||
|
Сброс из систе- мати- ческих дрен |
Сброс из оградительной дрены |
Подача в дрены |
|||||||
|
Стандартное осушение заболоченной территории |
373 |
354 |
77 |
1,10 |
0,54 |
0,81 |
215 |
56 |
0 |
|
Увлажнение с помощью шлюзования канала до 0,8 м |
373 |
361 |
46 |
0,82 |
0,64 |
0,94 |
342 |
68 |
170 |
|
Увлажнение с помощью шлюзования канала до 0,5 м |
363 |
365 |
25 |
0,57 |
0,75 |
0,74 |
440 |
80 |
305 |
По полученным результатам глубина грунтовых вод в среднем за 53 г. при осушении торфяника составляют 1,1 м, при шлюзовании канала снижается по мере заполнения водой канала до 0,82 и 0,57 м, а влажность в верхнем слое 25 см поднимается в среднем до 64 и 75 % пористости. Противопожарная влажность обеспечена в обоих случаях шлюзования канала, но при увлажнении с помощью шлюзования канала до 0,5 м от бровки наблюдается переизбыток влаги в почве. Это приводит к снижению урожая выращиваемых культур (разнотравья) до 0,74, то есть на 21%, подаче воды большей в 1,8 раза в сравнении с шлюзованием канала до 0,8 м от бровки. Стандартное осушение заболоченной территории снижает урожайность до 0,81. Оптимальное значение урожайности близко к единице, и такой показатель достигается при увлажнении с помощью шлюзования канала до 0,8 м от бровки.
Увлажнения торфяника изменяет статьи водного баланса, наблюдается незначительное повышение испарения, связанное с увеличением влажности в почве, при осушении оно составляет 354 мм, а при шлюзовании канала до 0,5 м от поверхности земли увеличивается на 11 мм, а также снижение дренажного стока в речную сеть в сравнение с осушением торфяника. В целом наблюдается уменьшение дренажного стока на 31 и 56 мм в соответствии с вариантом шлюзования, что говорит об уменьшении промываемости торфяных почв, т.е. уменьшении выноса органических и минеральных веществ.
Суммарный дренажный сток равен разнице сброса из дрен (систематических и ловчих) и подачей воды для увлажнения. При увлажнении с помощью шлюзования канала до 0,5 м от поверхности земли сток составляет 240 мм, а при увлажнении с помощью шлюзования канала до 0,8 - 215 мм. При последнем шлюзовании подача воды равна примерно половине суммарного дренажного стока, значит нет необходимости в вовлечение дополнительного стороннего водоисточника. Но в экстремально сухие и жаркие периоды лета и годы может наблюдаться недостаток воды в увлажнение, тогда для устранения дефицита требуется строительство дополнительного пруда или поиск другого ближайшего источника воды
Выводы (заключение)
Для борьбы с пожарами на осушенных торфяниках Московской области предлагается строительство систем двухстороннего регулирования водного режима с использованием водоподпорных шлюзов. Такой способ увлажнения позволяет поддерживать противопожарную влажность, не нуждается в дополнительных затрат на строительство системы подземных трубопроводов, а также покупку дорогостоящей дождевальной техники. На таких территориях предлагается выращивать многолетние кормовые травы, направленных на повышение плодородия почвы и уменьшения развития эрозии, и связанного с ним риском иссушения торфяного профиля.
Двухмерная математическая модель переноса влаги позволила рассчитать основные показатели осушения, двух вариантов шлюзования заболоченных торфяников Павлово-Посадского района для 53 лет. Поддержание уровня воды в каналах до 0,8 м от бровки обеспечивает противопожарную влажность до 0,64 доли пористости и увеличивает относительную урожайность до 0,94.
Согласно расчетам для увлажнения торфяников не требуется подача воды, так как дренажный сток с территории больше подачи воды. Существуют отдельные экстремально засушливые годы, в которых может наступить недостаток воды для обеспечения подпора в каналах (дренах). Для таких лет необходимо эффективное регулирование суммарных стоком и строительство пруда.
1. Царев, В. А. Экономический ущерб, нанесенный природными пожарами в России в 2010 году / В. А. Царев // Лесотехнический журнал. - 2012. - № 3(7). - С. 147-155.]
2. Мисников, О. С. Физико-химические основы торфяного производства : Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки (специальности) «Горное дело» (специализация «Открытые горные работы») / О. С. Мисников, О. В. Пухова, Е. Ю. Черткова. - Тверь : Тверской государственный технический университет, 2015. - 168 с.
3. Голованов, А. И. Рекультивация нарушенных земель : учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 280400 "Природообустройство" и специальности 280401 "Мелиорация, рекультивация и охрана земель" / А. И. Голованов ; А. И. Голованов, Ф. М. Зимин, В. И. Сметанин ; под ред. А. И. Голованова. - Москва : КолосС, 2009. - (Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений).
4. Жезмер, В.Б. Оценка возможности устройства систем двойного регулирования влажностного режима пожароопасных выработанных торфяников на базе осушительной сети / В.Б. Жезмер, М. А. Волынов, Е.Э. Головинов, С.В. Перегудов // Мелиорация и водное хозяйство. - 2015. - №1. - С. 30 - 32.
5. Мелиорация земель : Учебное пособие / А. И. Голованов, И. П. Айдаров, М. С. Григоров [и др.]. - 2-е издание, исправленное и дополненное. - Санкт-Петербург : Лань, 2015. - 832 с. - (Учебники для вузов. Специальная литература).
6. Природообустройство: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 280400 "Природообустройство", 280300 "Водные ресурсы и водопользование" / Ф. М. Зимин, Д. В. Козлов, И. В. Корнеев [и др.]. - Москва : Издательство КолосС, 2008. - 552 с. - (Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений).
7. Мониторинг растительного покрова вторично обводненных торфяников Московской области / А. А. Сирин, М. А. Медведева, Д. А. Макаров [и др.] // Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле. - 2020. - Т. 65, № 2. - С. 314-336.
8. Семенова, К. С. Обоснование объема противопожарной водоподачи при шлюзовании торфяников / К. С. Семенова // Природообустройство. - 2016. - № 1. - С. 84-90.
9. Семенова, К. С. Оценка формулы определения испаряемости для создания осушительно-увлажнительных земель на осушенных торфяниках Мещерской низменности / К. С. Семенова // Природообустройство. - 2019. - № 4. - С. 23-28.
10. Семенова, К. С. Методика мониторинга двустороннего регулирования влажности почвы при эксплуатации инженерных мелиоративных систем / К. С. Семенова, О. В. Каблуков // Природообустройство. - 2021. - № 4. - С. 23-30.
11. Semenova, K. S. Methodology for monitoring bilateral regulation of soil moisture during the operation of engineering reclamation systems / K. S. Semenova, O. V. Kablukov // Nature management. - 2021. - No. 4. - pp. 23-30
