Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ИЗМЕНЕНИЙ ВОДОНАСЫЩЕНИЯ СЛОЕВ ТОРФА В СТРАТИГРАФИИ ТОРФЯНОЙ ЗАЛЕЖИ

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, преимущественно к исследованиям водного режима торфяных почв, нарушаемого внешним воздействием хозяйственной деятельности, и может быть использовано при инженерных изысканиях для строительства, а также для мониторинга гидрологического режима олиготрофных и мезотрофных болот.

Известные способы определения влагонасыщенности торфов сводятся:

- к определению в лабораторных условиях влагоемкости и влагосодержания отбираемых проб торфа, образцов отобранных с различных глубин залежи, монолитов, по разности массы отобранного образца и его массы после воздействия на него динамической нагрузки (отжим) (патент SU 1808864, МПК C10F7/10, G01N19/10, E21C49/00, от 15.04.93);

- к использованию аналитических методов, основанных на математической связи между балансом водного питания, стоком, типами болотных фаций с распределением их на болоте и рельефом его поверхности (Иванов К.Е. Материалы I Всесоюзной конференции по строительству на торфяных грунтах, Сборник докладов, ч.1 и 2. КПИ, Калинин, 1972).

Известен способ, в соответствии с которым на выделенном участке делается прикопка ниже максимального снижения уровня болотных вод (УБВ) за вегетационный период (не менее 0,7 м). При каждом отборе образцов для определения влажности из нее вычерпывается вода, срезается пласт со стенки прикопки до УБВ и производится отбор проб в бюксы в пяти повторностях каждые 10 см, начиная с нижнего слоя. Бюкс заполняется торфом на 2/3 его объема. В полевой журнал записываются исходные данные с указанием номеров бюксов. Отмечается также состояние образца (степень увлажнения, наличие минеральных, древесных и других прослоек). Затем крышки бюксов фиксируются изоляционной лентой для того, чтобы избежать потерь влаги. Определение влажности проводят в лабораторных условиях методом термостатно-весовой сушки согласно ГОСТ 11305-83 «Торф. Методы определения влаги» методом. Наблюдения за влажностью торфяной залежи проводят 4 раза в месяц. (Болотообразовательный процесс. Проведение полевых работ на болотных стационарах / Л. И. Инишева, О. А. Голубина, А. Б. Бубина, Томский государственный педагогический университет. – Томск: Изд-во ТГПУ, 2010. – 67 с.).

Известен способ определения влагоемкости торфяных почв в полевых условиях, например в торфяной залежи, при котором берется воронка с сетчатым дном (воронка Бюхнера). Дно ее покрывают фильтровальной бумагой, в воронку выливают смешанный с водой торф. Выдержка торфа в воде должна соответствовать окончанию процесса поглощения. Вода из торфа, вылитого в воронку, будет отфильтровываться. Опыт ведется до прекращения фильтрации. Влагосодержание торфа после окончания фильтрации и есть полная влагоемкость.

Для определения водопоглощения образцы торфа известной влажности помещаются в цилиндры с сетчатым дном или марлевые мешочки. После пребывания торфа в воде ей дают свободно стечь и взвешиванием определяют количество впитанной воды (Физико-химические основы торфяного производства: учебное пособие / О.С. Мисников, О.В. Пухова, Е.Ю. Черткова. Тверь: Тверской государственный технический университет, 2015. 168 с.).

Общим недостатком этих способов является то, что они:

- характеризуют индивидуальные значения влагосодержания образцов торфа в условиях нарушения целостности структуры торфяной залежи;

- являются трудоемкими и требуют значительных затрат времени;

- не дают одномоментного определения интегрального распределения степени влагонасыщенности торфяной залежи в разрезе в естественных условиях и изменения распределения влагонасыщенности торфяной залежи по вертикали в условиях влияния внешних факторов.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ диагностирования степени влагонасыщения слоя торфяной залежи деятельного горизонта, осуществляемый через определение уровенного режима болотных вод на водомерных скважинах. Определение уровня проводится по единой методике для всех болотных станций и постов в соответствии со стандартами Росгидромета («Наставления гидрометеорологическим станциям и постам» выпуск 8, Гидрометеоиздат 1990г). Пункт наблюдений за уровнями болотных вод состоит из скважины и измерительного устройства. В пробуренный шурф устанавливают репер, изготовленный из металлической трубы. Нижний конец репера заходит в минеральное дно, головка репера помещается на 0,3–0,5 м ниже минимального уровня воды. После установки репера в шурф погружают скважину – обсадную перфорированную трубу водомерной скважины квадратного сечения. Верхний конец трубы выступает над поверхностью болота на 10–15 см, нижний – находиться на 0,3–0,5 м ниже минимального уровня воды. В этом случае уровень болотных вод характеризует степень влагонасыщенности деятельного слоя и граничащей с ним части инертного горизонта торфяной залежи. Способ выбран за прототип.

Недостатки прототипа: способ косвенно характеризует только изменения влагонасыщения торфяной залежи деятельного горизонта и не отражает неравномерность изменения влагонасыщенности инертного слоя залежи торфа, особенно придонных слоев.

В основу настоящего изобретения положена задача создания нового способа обладающего более высокой способностью оценивать изменения водного режима в разрезе торфяной залежи, оказывающего влияние на гидрологические и гидрохимические процессы во времени от сезонных и метеорологических условий.

Поставленная задача решена следующим образом. Для решения задачи, предложен метод диагностики изменения влагонасыщенности слоев слагающих торфяную залежь от сезонно-метеорологических условий.

Проявление неравномерного насыщения слоев торфа по глубине залежи диагностируется наличием и величиной разности уровней болотных вод измеряемых в двух скважинах двумя различными способами. А влияние сезонных и метеорологических условий определяется математическими методами статистического анализа, в которых исследуется наличие и плотность корреляционной связи разности уровней болотных вод и расчетной суммы осадков, между периодами в которые происходило определение разностей уровней болотных вод.

Общим с прототипом признаком является косвенное определение степени влагонасыщенности слоя торфа, расположенного выше уровня болотных вод.

Способ осуществляют следующим образом.

Измеряют различными способами уровень болотных вод в двух водомерных скважинах, для чего на выбранном стратиграфическом участке верхового или переходного болота на фиксированном расстоянии друг от друга устанавливают две скважины, одну из которых устраивают в соответствии с методикой, используемой на болотных станций и постах в соответствии со стандартами Росгидромета, вторую скважину устраивают в виде трубы, проходящей через всю толщу торфяной залежи и заглубленной в грунтовое основание болота, имеющей калиброванные отверстия, расположенные на равном расстоянии по длине обсадной трубы скважины, фильтрационный расход через которые тарирован и известен, при этом положение устья второй скважины принимают за репер, ему присваивают высотное значение в любой удобной геодезической системе высот, и используют его как геодезическую основу измерений, фиксируют уровень воды в первой и второй трубе по некоторому временному графику, а разность уровней болотных вод соотносят с суммой осадков за период между очередными замерами, степень влияния метеорологических условий находят математическими методами статистического анализа, по которым определяют наличие и плотность корреляционной связи между разностью уровней болотных вод в упомянутых скважинах и суммой осадков за период между очередными замерами, по результатам статистического анализа строят графики, по которому судят о нормальном развитии или о начале процесса деградации болота.

Описанный способ характеризует гидрологический режим по всей толщине залежи, определяется балансом вод поступающих в скважину и их оттока из нее через калиброванные отверстия и позволяет исследовать балансовый уровень болотных вод и приурочить их к разнородным типо-видовым слоям торфа, слагающим эту залежь.

Сущность изобретения. Наличие неравномерного распределения влагонасыщения слоев торфа, слагающего торфяную залежь, по глубине их залегания, диагностируется сравнением измеренных уровней болотных вод в двух скважинах. Разность уровня воды в этих скважинах и величина этой разности, характеризует неравномерность влагонасыщения слоев торфа в ее стратиграфическом разрезе.

Влияние сезонных и метеорологических условий, на формирование неравномерности насыщения водой этих слоев торфа, определяется математическими методами статистического анализа, в которых исследуется наличие и плотность корреляционной связи, значений разности уровней болотных вод и расчетной суммы осадков между периодами в которые происходило определение разностей уровней болотных вод.

Как указано выше, водомерную скважину один устанавливают в соответствии с методикой, используемой на болотных станций и постах в соответствии со стандартами Росгидромета, где уровень воды характеризует изменения гидрологического режима в торфяной залежи, приуроченной к деятельному слою активного водообмена («Наставления гидрометеорологическим станциям и постам» выпуск 8, Гидрометеоиздат 1990г.).

Водомерную скважину два устанавливают методом ударного вдавливания. Уровень болотных вод в этой скважине формируется ее поступлением через калиброванные отверстия, линейно и на равном расстоянии расположенные по длине обсадной трубы, расположенных в различных вертикальных участках в разрезе торфяной залежи. Статистический уровень воды в скважине два устанавливается балансом вод, поступающих в скважину, и их оттока из нее через калиброванные отверстия расположенные на равном расстоянии по длине обсадной трубы второй скважины, проходящей через всю толщу торфяной залежи, и представляет собой балансовый уровень болотных вод в условиях гидрологического режима болотных вод, приуроченных к разнородным типо-видовым слоям залежи.

Положение устья второй скважины является репером, ему присваивают высотное значение в любой удобной геодезической системе высот, которое служит геодезическим обоснованием.

Уровень воды во второй скважине определяют как разность высотной отметки устья скважины два и значения измеренного превышения положения устья этой скважины над верхним уровнем воды в ней.

Уровни в скважинах определяют известными в гидрогеологии и гидрологии методами.

Измерения уровней болотных вод в скважинах один и два, эффективно производить с периодичностью один раз в 1–2 недели с целью определения значений разности этих уровней. Полученный ряд наблюдений разности уровней вод в этих скважинах исследуют на наличие корреляционной связи между количеством сумм осадков, выпавших в этом районе за период между проводимыми измерениями уровней болотных вод.

Разность уровней характеризует проявление неоднородности и изменения интенсивности водообмена в разрезе торфяной залежи, в различных ее горизонтах. Это обуславливает происходящие изменения гидрологического режима слоев торфяной залежи, вызванные интенсификацией антропогенной нагрузки на болотные экосистемы.

Наличие разности в измеренных уровнях воды свидетельствует об изменении равномерного распределения влагонасыщения в слоях торфа различных вертикальных интервалов, в разрезе торфяной залежи.

Существование корреляционной связи разностей уровней с выпадающими на поверхность болота осадками указывают на влияние сезонных и метеорологических условий, на изменения гидрологического режима; возникновении (или увеличении) связи болотных вод с грунтовыми водами питающими придонные слои торфов инертного горизонта, что особенно проявляется на фоне изменений фильтрационных свойств торфов (особенно вертикальная фильтрация) отдельных типо–видовых слоев.

В случае отсутствия изменений равномерного распределения влагонасыщения слоев торфа различных вертикальных интервалов в разрезе торфяной залежи и при наличии увеличения гидрологической связи болотных и грунтовых вод, проявляются значительные (больше нормы) снижения минимальных уровней болотных вод, что свидетельствует о начале процесса деградации болота.

Подобные изменения, происходящие в болотной экосистеме, оказывают непосредственное влияние на прилегающие к болоту компоненты природы, в первую очередь это происходит за счет: периодического изменения структуры отдельных слоев торфяной залежи и связанные с этим изменения компрессионного (статического) воздействия на них; увеличения границ доступа кислорода в нижние слои деятельного горизонта; интенсификации выноса гумусовых веществ, поступающих в водоносные горизонты подземных вод, и их дренирование в поверхностные водные объекты; изменения водного режима деятельного горизонта приводящее к началу процесса минерализации торфяной залежи; изменения фитоценоза; обострения пожароопасной обстановки.

Предложенный способ является экономически эффективным, обладает низкой трудоемкостью и позволяет как одномоментное диагностирование по выбранной вертикали, так и проведение долгосрочного мониторинга (стационарных наблюдений) изменений гидрологического режима в торфяной залежи по выбранной вертикали. Выявление закономерности в изменениях разности определяемых уровней, позволяет более эффективно и экономично диагностировать неоднородность влагонасыщения в разрезе торфяной залежи, что снижает стоимость инженерных изыскательских работ, проводимых с целью выбора проектных решений для строительства; выбора способа проведения мелиоративных работ; способов разработки месторождений торфа; проведения работ по рекультивации загрязненных территорий; мероприятий сельскохозяйственной направленности; проведения мониторинга гидрологического режима болот, характеризующего их экологического состояния.

Предлагаемый способ позволяет экспресс-диагностику болот в целях получения целостного и одномоментного определения отклонений от равномерного распределения степени влагонасыщения слоев в разрезе торфяной залежи по вертикали, тогда как известные ранее способы позволяют это делать за счет сравнения результатов лабораторных исследований, проведенным по отдельным образцам отобранных проб торфа, причем эти отобранные образцы, вследствие нарушения целостности торфяной залежи при их отборе, не могут относиться к одной исследуемой вертикали. Предложенный способ основан на подходе, в котором используется сравнение уровней болотных вод, с ранее неприменяемым определением балансового уровня болотных вод.

Пример осуществления изобретения:

На выбранном участке переходного болота установили две скважины на расстоянии трех метров между собой.

– Водомерная скважина один, представляет собой вертикальное отверстие в торфяной залежи, диаметром 60 мм и глубиной 1700 мм, с установленной в нее перфорированной в нижней части трубой. Внутрь трубы забивается контрольный репер с заглублением его в минеральный грунт на глубину 40–50 см. Головка репера располагается ниже минимального уровня болотных вод.

– Водомерную скважину два установили на расстоянии двух метров от скважины один. Скважина представляет собой металлическую трубу, установленную в торфяную залежь соединяемыми отрезками по 2 метра без предварительного бурения, методом ударного вдавливания. Отрезки трубы соединялись муфтами по мере углубления в торфяную залежь. Углубление обсадной трубы в скважину происходило до ее вхождения в минеральное дно болота на глубину 50 см. По длине трубы расположены калиброванные отверстия диаметром 5мм, на расстоянии 25 см между собой. Для облегчения вхождения трубы в грунт, нижняя часть трубы имеет конусную форму. Таким образом, обсадная труба, проходя вертикально через торфяную залежь, входит в минеральный грунт подстилающей дно болота. Вхождение трубы в минеральное дно болота обеспечивает фиксацию высотного положения устья скважины. Вода поступает в скважину через боковые отверстия, выполненные по длине скважины начиная от дна болота.

На фиг.1 - показан график связи, определяющий корреляционную зависимость между значением разности уровней воды в скважинах один, два от сумм выпавших осадков в районе расположения скважин (зависимость ΔH =f(ΣP));

В Таблице 1 показаны значения уровней воды в скважинах один и два, их разность и значение сумм выпавших осадков в районе расположения скважин;

Полученная информация о тенденции изменений разности уровней воды и связи этих изменений с сезонными и метеорологическими условиями характеризует происходящие распределения изменений гидрологического режима в торфяной залежи.

Водомерную скважину два устанавливают методом ударного вдавливания. Уровень воды в этой скважине формируется поступлением в нее воды, через калиброванные, линейно расположенные по длине обсадной трубы отверстия. Через эти отверстия вода в скважину поступает с различных вертикальных интервалов в разрезе торфяной залежи. Уровень воды в скважине два представляет собой уровень формируемый в условиях гидрологического режима болотных вод приуроченного к разнородным типо-видовым слоям слагающим торфяную залежь.

Положение устья скважины два, является основным репером. Ему присваивают высотное значение в любой удобной геодезической системе высот, и служит геодезическим обоснованием для проведения дальнейших работ. Определяется значение "0" графика поста. Нивелированием к нему приводят значение контрольного репера расположенного в скважине один.

–Уровни в скважинах определяют известными в гидрогеологии и гидрологии методами.

Уровень воды в скважине один определяется как сумма значения высотной отметки вспомогательного репера и величиной превышения поверхности воды в скважине над головкой этого репера. Уровень воды в скважине 2, определяют как разность высотной отметки устья скважины два и значения измеренного превышения устья этой скважины над положением в ней воды.

–Измерения уровней болотных вод в скважинах один и два, эффективно производить с периодичностью один раз в 1–2 недели. Целью измерений является определение значений разности уровня болотных вод, определенных в скважине один и два. Разность уровней характеризует проявление неоднородности и изменения интенсивности водообмена в разрезе торфяной залежи, в различных ее горизонтах. Это обуславливает происходящие изменения гидрологического режима слоев торфяной залежи, вызванные интенсификацией антропогенной нагрузки на болотные экосистемы.

Из общедоступных источников информации, выбираются сведения о суточных значениях выпавших осадков в районе расположения скважин.

Полученный ряд наблюдений разности уровней вод в этих скважинах исследуют на наличие корреляционной связи между количеством сумм осадков выпавших в этом районе за период между проводимыми измерениями уровней болотных вод. Подобный подход обеспечивает получение сравнительного материала характеризующего:

–возможные изменения интенсивности водообмена различных горизонтов залежи торфа. Отраженные в получаемых значениях разностей уровней воды в скважинах, в плановой точке области формирования гидрологического режима этой залежи, обуславливают происходящие изменения физико-химических свойств торфов, вызванные интенсификацией антропогенной нагрузки на болотные экосистемы.

–наличие разности измеренных уровней воды свидетельствует об изменении равномерного распределения влагонасыщения в слоях торфа различных вертикальных интервалов, в разрезе торфяной залежи.

–вызванные изменения, на фоне наблюдаемых сезонных метеорологических условий, позволяют делать вывод о возникновении (или увеличении) связи болотных вод с грунтовыми водами, питающими придонные слои торфов инертного горизонта. Это особенно проявляется на фоне изменений фильтрационных свойств торфов (особенно вертикальная фильтрация) отдельных типо–видовых слоев. В случае отсутствия изменений фильтрационных свойств отдельных горизонтов торфяной залежи, и при наличии увеличения гидрологической связи болотных и грунтовых вод, происходит аномальные снижения минимальных уровней болотных вод без проявления в разности болотных вод определяемых в скважинах один и два, что свидетельствует о начале процесса деградации болота. Подобные изменения, происходящие в болотной экосистеме, оказывают непосредственное влияние на прилегающие к болоту компоненты природы, в первую очередь это происходит за счет: периодического изменения структуры отдельных слоев торфяной залежи и связанные с этим изменения компрессионного (статического) воздействия на них; увеличения границ доступа кислорода в нижние слои деятельного горизонта; интенсификации выноса гумусовых веществ, поступающих в водоносные горизонты подземных вод, и их дренирование в поверхностные водные объекты; изменения водного режима деятельного горизонта приводящее к началу процесса минерализации торфяной залежи; изменения фитоценоза; обострения пожароопасной обстановки.

– Положение устье скважины два приняли высотным геодезическим обоснованием - репером.

– Нивелированием привели контрольный репер скважины один, к значению "0" графика поста.

– Уровенный режим в скважине один определяли по единообразной методике для всех болотных станций и постов в соответствии со стандартами Росгидромета («Наставления гидрометеорологическим станциям и постам» выпуск 8, Гидрометеоиздат 1990г).

Определение уровня воды в скважине один определяется как сумма приведенного к "0" графика поста значения контрольного репера и значения превышения поверхности воды в скважине один, над головкой контрольного репера. Уровень воды в скважине один, определили водомерной рейкой. Уровень воды выражается в см.

– Уровень в скважине один характеризует изменения уровенного режима и условия формирования физико-химического состава вод торфяной залежи, приуроченных к деятельному слою активного водообмена.

– Уровень воды в скважине два, определяют как разность высотной отметки устья скважины два и значения измеренного превышения устья этой скважины над положением в ней воды. Уровень воды в скважине два, определили хлопушкой.

– Уровни болотных вод, наблюдаемые в этой скважине, представляют балансовый уровень в условиях формирования гидрологического режима болотных вод приуроченных к разнородным типо-видовым слоям, слагающим торфяную залежь.

–Измерения уровней болотных вод в скважинах один и два, производили с периодичностью один раз в 2 недели. Целью измерений являлось определение значений разности уровня болотных вод, определенных в скважинах один и два. Разность уровней характеризует неоднородность интенсивности водообмена в разрезе торфяной залежи (табл.1).

– С сайта "Погода в Томске - климатический монитор", выбирали суточные значения выпавших осадков в районе установки скважин (табл.1).

– Полученные значения разностей уровней, исследовали на наличие корреляционной связи между количеством сумм осадков выпавших в этом районе за периоды между проводимыми измерениями (фиг.1). Коэффициент корреляции r = 0,76.

– Провели сравнительное наблюдение за уровнем болотных вод в скважинах один и два.

– Наличие увеличения амплитуды разности измеренных уровней свидетельствует об изменении распределения влагонасыщения слоев торфяной залежи, а значение этой разности - о степени влагонасыщенности.

– Вызванные изменения, на фоне наблюдаемых сезонных метеорологических условий, позволили сделать вывод о возникновении (или увеличении) связи болотных вод с грунтовыми водами, питающими придонные слои торфа инертного горизонта.

– Предложенный способ основан на подходе, в котором используется сравнение уровней болотных вод, с ранее неприменяемым определением балансового уровня болотных вод (БУБВ).

Поясняющие материалы.

В Таблице 1 показаны значения уровней воды в скважинах один и два, их разность и значение сумм выпавших осадков в районе расположения скважин;

На фиг.1 - показан график связи, определяющий корреляционную зависимость между значением разности уровней воды в скважинах один, два от сумм выпавших осадков в районе расположения скважин (зависимость ΔH =f(ΣP));

Техническим результатом является возможность диагностирования наличия неравномерности в распределении влагонасыщенности слоев торфа, слагающего торфяную залежь, по глубине их залегания с использованием способа сравнения уровней болотных вод в двух скважинах. Анализ влияния сезонных, метеорологических условий на получаемую разность уровней воды, проводится математическими методами статистического анализа, вследствие которого определяется степень влияния сезонных и метеорологических условий, на формирование неравномерности насыщения водой разнородных слоев слагающих торфяную залежь болота. В результате этого определяется тенденция изменений разности уровней воды и связи этих изменений с сезонными и метеорологическими условиями характеризующие происходящие распределения изменений гидрологического режима в торфяной залежи.

Предлагаемый способ позволяет проведение экспресс диагностики в целях получения целостного и одномоментного определения отклонений от равномерного распределения степени влагонасыщения слоев в разрезе торфяной залежи по вертикали, тогда как известные ранее способы, позволяют это делать за счет сравнения результатов лабораторных исследований проведенным по отдельным образцам отобранных проб торфа, причем эти отобранные образцы, вследствие нарушения целостности торфяной залежи при их отборе, не могут относиться к одной исследуемой вертикали. Предложенный способ является экономически эффективным, обладает низкой трудоемкостью и позволяет как одномоментное диагностирование по выбранной вертикали, так и проведение долгосрочного мониторинга (стационарных наблюдений) изменений гидрологического режима в торфяной залежи по выбранной вертикали. Предложенный способ основан на подходе, в котором используется сравнение уровней болотных вод, с ранее неприменяемым определением балансового уровня болотных вод

Источники информации.

1 Патент SU 1808864, C10F7/10, G01N19/10, E21C49/00, от 15.04.93.

2 Иванов К.Е "Материалы к I Всесоюзной конференции по строительству на торфяных грунтах", Сборник докладов, ч.1 и 2. Калинин, 1972. (КПИ).

3 Болотообразовательный процесс. Проведение полевых работ на болотных стационарах / Л. И. Инишева, О. А. Голубина, А. Б. Бубина, ГОУ ВПО Томский государственный педагогический университет. – Томск: Изд-во ТГПУ, 2010. – 67 с.: табл. 14, ил. 45, библ. 19 .

4 Физико-химические основы торфяного производства: учебное пособие / О.С. Мисников, О.В. Пухова, Е.Ю. Черткова. Тверь: Тверской государственный технический университет, 2015. 168 с.

5 Наставления гидрометеорологическим станциям и постам, выпуск 8, Гидрометеоиздат 1990г.