УДК 556

УДК 556.042:556.14
РАЙОНИРОВАНИЕ ИСТОРИЧЕСКОЙ ЧАСТИ Г. РОСТОВА ВЕЛИКОГО
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛАГОПЕРНОСА В НЕНАСЫЩЕННОЙ ЗОНЕ
ПОЧВ И ГРУНТОВ
М.В. Болгов – д-р техн. наук; Т.Ю. Голубаш – канд. техн. наук;
С.А. Волгин – канд. биолог. наук
Институт водных проблем РАН, г. Москва, Россия
На основе экспериментальных исследований по определению водно-физических
свойств почвогрунтов в ненасыщенной зоне в исторической части города Ростова
Великого с учетом топографии, растительности, характера и плотности застройки
осуществлено районирование территории по указанным признакам. Для выделенных
районов проведены расчеты влагопереноса в зоне аэрации в годы различной
увлажненности.
Результаты
расчетов
показали
практически
повсеместную
переувлажненность почвогрунтов зоны аэрации даже в засушливые годы.
Division into districts for the basic types of city landscapes in historical part of Rostov the
Great City was carried out on the base of experimental researches on the definition of waterphysical properties in unsaturated zone of soils taking into account topography, vegetation and
land-use ratio of the territories. Water transfer in unsaturated zone for years with different
moisture level was estimated for allocated areas. Results of estimations have shown almost
universal hypermoistening of soils in unsaturated zone even in droughty years.
На городских территориях, особенно на севере России, наиболее негативными
процессами являются подтопление, переувлажнение почв и грунтов зоны аэрации,
заболачивание отдельных участков города. Эти процессы связаны с интенсивной
антропогенной деятельностью. При строительстве, эксплуатации и реконструкции
городских территорий изменяется рельеф, создаются непроницаемые поверхности и пр.
Это приводит к коренному изменению водного баланса и режима города. Под
воздействием изменения водного режима на застроенных территориях вне допустимых
пределов происходят изменения свойств почв и грунтов. При увлажнении снижаются
прочностные и деформационные характеристики почвогрунтов, изменяются их
фильтрационные и капиллярные свойства, преобразуется структура. Переувлажнение
приводит к деградации растительного покрова (сады, парки, приусадебные участки),
ухудшается микроклимат среды проживания, развивается заболачивание территории.
Указанные негативные процессы отчетливо проявились на территории одного из
древнейших городов России – Ростова Великого. Он расположен в пределах Ростовской
низины с весьма малыми уклонами земной поверхности, на берегу оз. Неро в Ярославской
области. Территория характеризуется очень низкой дренированностью. Поверхностный
сток практически отсутствует. Такие условия способствуют поднятию уровня грунтовых
вод главным образом в результате выпадения осадков, что вызывает разрушение
городских строений. В особенности складывающаяся в г. Ростове Великом инженерногидрологическая ситуация принимает угрожающий характер для сохранности памятников
русского зодчества. При проектировании защитных мероприятий требуется объективная
оценка современного состояния природной среды и прогноз развития опасных процессов.
Эти задачи могут быть решены путем создания и верификации математических моделей
гидрологических процессов на урбанизированных территориях с их последующим
использованием для выработки и проверки проектных решений по дренажу, вертикальной
планировке и т.п.
Одним из наиболее сложных и мало изученных процессов на урбанизированных
территориях является водный режим зоны аэрации. Для его исследования применяются
методы математического моделирования. При их использовании необходимо располагать
информацией по основным гидрофизическим свойствам почвы, которые существенным
образом изменяются в результате активной антропогенной деятельности на городской
территории, преобразовании почвенного покрова и образовании нового – урбаноземов.
Почвенный профиль таких почв состоит из одного или нескольких подгоризонтов урбик
U1, U2 и т.д., образованных из своеобразного пылевато-гумусного субстрата разной
мощности и качества с примесью городского мусора. Они формируются на грунтах
разного происхождения. Профиль урбанозема характеризуется отсутствием природных
генетических горизонтов до глубины 50 см и более.
Для получения гидрофизических свойств почв и грунтов зоны аэрации были
проведены экспериментальные исследования на территории Ростова Великого, которые
заключались в заложении почвенных разрезов на различных участках города. Вкратце
остановимся
на
результатах
экспериментальных
исследований.
Анализ
экспериментальных данных по плотности, плотности твердой фазы, коэффициентам
впитывания, зависимости капиллярно сорбционного потенциала от влажности почвы
(основная гидрофизическая характеристика) показал их значительную изменчивость как
по глубине разрезов, так и по территории города [1]. Анализ гранулометрического состава
показал, что почвы в основном относятся к пылеватым и опесчаненным суглинкам, за
редким исключением к суглинистым пескам или суглинкам. По российской
классификации – это в основном средние суглинки.
Плотность сложения этих почв по профилю имеет весьма неоднородный,
изменчивый характер, что связано с высокой слоистостью этих почв. В поверхностных
горизонтах значения плотности варьируют 0,98…1,34 г/см3, плотность твердой фазы
изменяется от 2,48….2,7 г/см3. Столь высокая изменчивость значений плотности твердой
фазы связана, прежде всего, с высоким варьированием содержания органического
вещества, которое накапливалось в этих почвах в результате антропогенных процессов
осадконакопления. Влажность, близкая к насыщению, изменяется от 37…77 %.
Измеренные на разрезах послойные значения коэффициента впитывания варьируют
весьма заметно, что может приводить к сложным трудно прогнозируемым
гидрологическим явлениям. По территории города и по отдельным слоям значения этой
характеристики
изменяются
от
практически
водоупора
до
провальной
водопроницаемости. Влажность завядания
(pF = 4,2) изменяется от 2…20 %, а
влажность, близкая к наименьшей влагоемкости, то есть влажность при давлении 330 см
водн.ст. (pF = 2,5) – от 8…42 %. Это указывает на сложность объекта исследований.
Основные разрезы заложены в характерных частях города – в древней его части (в
Кремле), у некоторых церквей, а также в частном секторе и парковой зоне. Отметим, что
профиль большинства почв не имеет характерных почвенно-генетических горизонтов, а
выделяются лишь слои, различающиеся по морфологии, гранулометрии и другим
свойствам.
По имеющимся данным проведенных исследований почв, анализу топографии,
растительности и застройки, на территории города было выявлено три основных
почвенных разности. Почвы, приуроченные к местам расположения памятников русского
зодчества, обладающие наиболее мощным культурным слоем, который достигает 5 м и
более. Именно эти территории имеют большую историческую ценность, расположенные
на них исторические здания испытывают переувлажнение. Самую большую
распространенность имеют почвы, приуроченные к наименее затронутым строительством
за вековую историю города участкам. Это территории парковой зоны и частного жилого
сектора (2 района). Последние различаются как по характеру почвенного покрова, так и
глубине залегания грунтовых вод. В Комсомольском парке уровень грунтовых вод (УГВ)
– около 1,5 м, а район частного жилого сектора практически подтоплен, УГВ = 0,7 м и
менее. После схода снежного покрова грунтовые воды выходят на поверхность,
продолжительность стояния составляет более 1 месяца. Краткое описание некоторых
характеристик почв по разрезам, расположенным на территории этих районов, приведено
в табл. 1, а территориальное расположение районов на рис. 1.
Выделенные районы соответствуют основным типам городских ландшафтов на
исторической части г. Ростова Великого.
Таблица 1
Краткое описание некоторых характеристик районов
Район
I
II
III
Местоположение
Краткое название
Краткое описание
почвенного разреза
почвы
Монастырский
сад Антропогенно-преоб- Профиль
представлен
(разрез 1, Ростовский разованная (стратозем разнообразным
количеством
Кремль).
или урбанозём)
слоев
различного
Монастырский
сад
гранулометрического состава и
(разрез 2, Ростовский
плотности,
многочисленные
Кремль).
включения
строительных
Храм
Исидора
обломков.
Блаженного
Культурный слой
Храм Козьмы и Дамиана
УГВ менее 150 см
Сквер в центре города
Верхняя
часть
профиля
Комсомольский парк
(Урбо) – дерново-лу- легкосуглинистая,
темно-серая,
говая оглеенная
гумусированная, с 28 см средний
суглинок с признаками оглеения.
УГВ 152 см.
0…50 см – торф с песком
Частный жилой сектор (Урбо,
агро)
– 50…75 – темно-сизовато-серый
(огород)
торфяно-болотная
слой минерального смешанного с
торфом грунта, оглеен, уровнь
грунтовых вод около 60…70 см
Антропогеннопреобразованные
(стратозем или урбанозем)
Культуреый слой
(урбо,
агро)-торфяноболотная, УГВ 60-70 см
(Урбо)-дерново-луговая
оглееная
Рис. 1. Районирование исторической части г. Ростова Великого по характеру
влагопереноса в зоне аэрации
Климат города – умеренно континентальный с холодной зимой и умеренно теплым
летом. Город расположен в зоне избыточного увлажнения. Среднегодовая температура
воздуха по данным метеостанции Ростов за период 1975-1997 гг. составляла 4,1оС,
среднемноголетняя сумма годовых осадков за тот же период составила 605мм. За годы
экспериментальных исследований (2001-2006гг.) на территории г. Ростова Великого
среднегодовая температура воздуха была больше и составила 4,7оС, а среднее количество
атмосферных осадков было меньше и составило 553 мм. За последние годы увеличилась
по сравнению со среднемноголетней (1975-1997 гг.) и скорость ветра. Изменения
погодных условий в годы экспериментальных исследований привели к росту суммарного
испарения. Величины суммарного испарения травяным растительным покровом
увеличились примерно на 20 % по сравнению со средним многолетним значением за 19751997 гг., равным 460 мм, и составили в среднем за теплый период 2001-2006 гг. 540 мм
[2]. Анализ атмосферных осадков как основного фактора увлажненности территории за
многолетний период показывает, что годы экспериментальных исследований можно в
среднем отнести к достаточно засушливым, за исключением двух экстремальных лет:
острозасушливого 2002 г. и очень влажного 2003 г. с обеспеченностью годовых сумм
осадков 97 и 7 %, соответственно, а теплого периода 97 и 3%. Во все остальные годы
обеспеченность осадков теплого периода изменяется от 70…90 %. Сумма осадков теплого
периода в 2002 г. составила 246 мм, а в 2003 – 620 мм при средних величинах за 2001-2006
гг. – 313 мм. В летний период 2003 г. (в июне и первой половине августа) наблюдались
ливневые осадки, а в 2002 г. основное количество осадков выпало в конце лета - начале
осени.
Расчет водного режима для характерных городских ландшафтов за 2001-2006гг.
осуществлен с использованием параметризованной и верифицированной на основе
экспериментальных данных модели влагопереноса в ненасыщенной зоне почв и грунтов
[3].
В связи с выпадением большого количества осадков в 2003г. произошел подъем
уровня грунтовых вод. Так, на территории Ростовского Кремля грунтовые воды поднялись
более чем на 60 см (рис. 2а). На разрезах в районах расположения других памятников
архитектуры и в центре города (сквер, район малоэтажной застройки) наблюдается
достаточно схожая картина (рис. 2б). В районе разреза в частном жилом секторе
грунтовые воды вышли на поверхность (рис. 2в). Продолжительность затопления
составила около 50 суток. В этот период грунтовые воды не опускались ниже 20 см от
дневной поверхности.
Распределение влажности почв по профилю показывает высокое влагосодержание
практически по всей толще почвенного профиля за исключением верхних слоев
(примерно до 20 см) в различные по увлажненности годы (рис. 3). На рис. 3 в качестве
примера показаны хроноизоплеты влажности для острозасушливого и очень влажного
годов для 2-х разрезов: в Кремле (рис. 3а) и частном жилом секторе (рис. 3б) при
различном начальном положении уровня грунтовых вод. Как видно из рисунка, в
острозасушливом 2002 г. в конце лета – начале осени наблюдается подъем уровня
грунтовых вод в связи с выпадением значительных осадков. В среднем влажность ниже
полуметрового слоя в обоих случаях высокая и превышает значения наименьшей полевой
влагоемкости, что свидетельствует о переувлажненности почвогрунтов даже в
засушливые годы, что требует проведения защитных мероприятий. Среди этих
мероприятий, в первую очередь, следует отметить организацию поверхностного стока на
застроенной территории города [4], улучшение работы дренажной сети, увеличение роли
испарения как основной расходной составляющей водного баланса [2]. Это позволит
снизить питание подземных вод и предотвратить подъем уровня грунтовых вод.
а) Кремль, Монастырский сад
б) Сквер в центре города
0
50
100
150
200
0
0
100
150
200
-20
-40
-40
-60
УГВ, см
УГВ, см
50
0
-20
-80
-100
-120
-60
-80
-100
-120
-140
-140
-160
-160
сутки
2001
2002
2003
Сутки
2004
2005
2006
2001
2002
2003
2004
2005
2006
в) Частный жилой сектор, огород
УГВ, см
0
50
100
150
200
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
сутки
2001
2002
2003
2004
2005
2006
Рис. 2. Динамика уровня грунтовых вод для характерных городских ландшафтов
Ростова Великого за 2001-2006 гг.
а) Кремль, Монастырский сад
0
0
-20
-20
-40
-40
-60
-60
-80
-80
-100
-100
-120
-120
-140
-140
-160
-160
-180
-180
-200
-200
0
20
40
60
80
100
120
140
Остро засушливый, 2002 г.
160
0
20
40
60
80
100
120
140
Очень влажный, 2003 г.
б) Частный жилой сектор, огород
160
0
0
-20
-20
-40
-40
-60
-60
-80
-80
-100
-100
-120
-120
-140
-140
-160
-160
-180
-180
-200
-200
0
20
40
60
80
100
120
140
Остро засушливый, 2002 год
160
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Очень влажный, 2003 год
Рис. 3. Хроноизоплеты влажности почвы для двух разрезов в характерные годы
Библиографический список
1. Болгов, М.В. Оценка неоднородности гидрофизических характеристик почвогрунтов
по экспериментальным данным для моделирования водного режима в районах
расположения памятников православной культуры г. Ростова Великого [Текст] /М.В.
Болгов, Т.Ю. Голубаш, Е.В. Шеин, С.А Смерников // Природные условия
строительства и сохранения храмов православной Руси: Труды 3-го Международного
научно-практического Симпозиума. – Сергиев Посад, 2008. С. 87-93.
2. Golubash, T.Yu. Evaporation as a factor of water regime regulation on the urban territories
for the protection from flooding and hypermoistenin. [Text] / T.Yu. Golubash, M.V. Bolgov.
– Proc. of the XXIV Nordic Hydrological Conference. Vingsted, Denmark: NHP Report,
2006. P.437-443.
3. Болгов, М.В. Роль водного фактора в экологии городских территорий (на примере г.
Ростова Великого) [Текст] /М.В. Болгов, Т.Ю. Голубаш //Природообустройство. 2008
№ 5. С. 20-24.
4. Болгов, М.В. Моделирование режима поверхностных вод исторической части Ростова
Великого. [Текст] / М.В. Болгов, Т.Ю. Голубаш, Е.В. Лазарева, //Геоэкология,
инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2003. № 6. С. 508-518.