Восстановление гидросистемы "Польского сада" усадьбы Г.Р. Державина

Дипломный проект восстановления гидросистемы Польского сада (сада усадьбы Г.Р.Державина) разработан на основании договора с муниципальным предприятием «Ленпроектреставрация» в соответствии с техническим заданием на проектирование, а также архитектурно-реставрационным заданием.

Объемно-пространственная композиция пейзажного сада строилась на основе обширного луга, формировавшего открытое пространство к югу от усадебного дома, и протяженной водной системы по периметру участка.

Так как в настоящее время гидросистема сада не существует, ее месторасположение определено на основании изучения исторических планов (конец XVIII века, 1846 г., 1865 г.).

Целью дипломного проекта является обоснование варианта водоснабжения системы прудов, организация по водопонижению на период строительства, определение ориентировочной стоимости намеченных мероприятий и срока строительства.

Гидрогеологическое обоснование принятых решений выполнено на основании материалов изысканий ГРИИ, а также заключений Севзапгеологии, представленных «Заказчиком».

Глава. 1 ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ

1.1 Рельеф и почвообразующие породы

Описываемая территория расположена на низменной морской (литориновой) террасе (абс. Выс. 0-3,0м). Поверхность этой террасы является зоной затопления при максимальных уровнях наводнений. С конца XX века в связи с искусственным повышением местности подтопление возможно через подземные трубы, канализацию при подъеме воды на 3,5м. выше уровня над «0» водомерного поста у Горного института. Терраса расчленена протоками – рукавами Невы (Малая, Средняя Большая Невка, Малая Невка, а также р. Фонтанка, Мойка, канал Грибоедова и др.) и вместе с островами образуют дельту Невы, врезанную в морские осадки Литоринового моря.

Хозяйственная и строительная деятельность человека в течение многих лет значительно изменила естественный рельеф местности, привела к планировке и выравниванию поверхности, исчезновению западин и понижений. Современная поверхность участка сада плоская с небольшим повышением к югу ( на 0,5 – 0,7м ). Исключение составляет насыпная овальная горка высотой в 2,0м. и площадью 262 , расположенная в юго-западном углу сада.

Почвообразующие породы представлены тонкозернистыми песками и пылеватыми супесями, подстилающимися на глубине 6,0м. и моренными суглинками.

1.2 Почвы

1.2.1 Морфологическое описание

Естественный почвенный покров на участке погребен под слоем насыпных грунтов мощностью от 120 до 200см. Для почв сада характерно отсутствие генетических горизонтов, в профиле сочетаются различные по окраске и мощности слои искусственного происхождения, о чем свидетельствуют резкие переходы и ровная граница между ними.

Насыпной материал представлен, преимущественно, строительным и бытовым мусором (обломки кирпича, керамики, куски асфальта, битое стекло, уголь, кости, куски жести, проволоки, гвозди, известь, древесина и др.). Он перемешан с песчано-супесчаными, легкосуглинистыми привнесенными слоями, торфяно-минеральными компостами. Иногда встречаются слои полностью состоящие из строительного мусора: кирпича, обломков стекла. Наличие плотных кирпичных слоев сильно влияет на развитие корневых систем растений, ограничивает их развитие, ведет к угнетению растений.

Со временем в насыпной толще с поверхности развивается гумусовый горизонт, формирующийся под воздействием развивающихся корней травянистой растительности и молодых корешков деревьев. Под ним залегают неоднородно окрашенные горизонты с антропогенными включениями, некоторые из которых обогащены органическим веществом. По-видимому, неоднократно происходило подсыпание гумусированного материала и нивелировка поверхности. Под насыпными горизонтами залегает нативная почва, существовавшая в XVIII веке, до строительства усадьбы. В опорном разрезе 1 на глубине 155 см. вскрывается темно-серый, равномерно окрашенный непрочно-комковатый однородный гумусовый горизонт мощностью 16 см. Его резко сменяет почвообразующая порода – серовато-желтый песок. По своему строению нативную почву можно отнести к дерновым аллювиальным почвам. Древняя аллювиальная почва найдена в опорных разрезах 2 и 5, на глубине 122 и 130 см. соответственно. В их профиле выделяется однородный гумусовый горизонт (), мощностью 28-35см., соответственно. Горизонт сменяется почвообразующей породой – сизым увлажненным супесчаным горизонтом GG. (см. рис. №1).

Сизый цвет породы вызван восстановлением окисного железа в его закисную форму в условиях избыточного увлажнения. Во всех разрезах северной части сада вскрыты супеси сизого цвета, что свидетельствует о более близком залегании грунтовых вод по сравнению с южным участком. В опорном разрезе 5, залегающем в северо-восточной части парка, грунтовые воды обнаружены на глубине 215 см.

Почвенный покров сада довольно однообразен и по «Классификации почв России (1997) состоит из стратоземов с погребенными гумусовыми горизонтами на дерновых аллювиальных, чаще глеевых почвах.

1.2.2 Гранулометрический состав почв

Гранулометрический состав почвы – важный показатель, который определяет степень фильтрационной и водоудерживающей способности. Большинство почв участка супесчаные, в отдельных разрезах верхние горизонты почв легкосуглинистые за счет высокого содержания гумуса. Особенностью данных почв является их высокая каменистость, обусловленная значительным содержанием обломков кирпичей, известняка. Содержание крупнозема (фракция от 7-1мм) достигает в отдельных горизонтах 77 %. Эти почвы легко прогреваются солнцем, хорошо пропускают воду и слабо ее удерживают. Сквозное промачивание почвенного профиля вызывает иссушение горизонтов почв.

Однако присутствие в почвах острых обломков щебня, кирпича, гвоздей, проволоки, обломков древесины и других строительных отходов препятствуют проникновению корней и развитию червей.

Важной характеристикой почв является способность впитывать и пропускать через себя воду, поступающую по поверхности. Ее величина зависит, наряду с другими причинами, и от степени каменистости.

Существенное значение имеет наличие в исследованных почвах трещин, пустот, образовавшихся из-за неравномерного сложения строительного и бытового мусора и наличия кирпичей, булыжников, что вызывает местами мозаичную водопроницаемость влаги.

Для почв сада характерно переуплотнение корнеобитаемого слоя, вызванное утаптыванием газонов как жителями города, так и милицейскими собаками, тренирующимися на территории сада. Переуплотненность поверхностных газонов препятствует проникновению влаги в почвенный профиль. Влажные переуплотненные горизонты просыхают, а высохшие – намокают медленно. Это затрудняет развитие корней, вызывает угнетенное состояние древесных культур, появление у них суховершинности, приводит к изреживанию и плохому росту трав на газонах.

1.2.3 Физико-химические свойства почв

По основным химическим показателям почвы сада значительно отличаются от своих природных аналогов. Большинство выбросов токсических веществ в городскую среду оседает на поверхности почвы, где происходит их постепенное депонирование, которое ведет к изменению физико-химических свойств.

Почвенное органическое вещество – почвенный гумус играет чрезвычайно важную роль в формировании почв и почвенного плодородия. Оптимальное содержание гумуса в почве обеспечивает агрономически ценную структуру и благоприятный водно-воздушный режим, улучшает прогреваемость (более темные поверхности поглощают больше солнечного тепла). С гумусом связаны важнейшие физико-химические показатели, такие как емкость катионного обмена, кислотность почв и другие.

Содержание гумуса в почвах сада разнообразно и зависит от богатства органическим веществом того субстрата, из которого они образовались, а также от способа ухода (применения торфо-минеральных компостов). В целом, содержание гумуса в почвах сада велико и достигает 9%, в среднем 4 – 6%, почти как в степных и лесостепных черноземах и серых лесных почвах. Как правило, наибольшие его количества приурочены к верхним слоям почв практически всех типов местообитания растений, и с глубиной содержание гумуса постепенно падает до 1- 2%. Следует отметить, что вся насыпная толща почв сада хорошо прогумусирована. Варьирование гумуса по горизонтам почв, вероятно, связано с различными периодами планировки данной территории и подсыпанием мелкозернистого материала. Для природных (дерново-подзолистых) почв, широко распространенных в нашей зоне, характерно содержание гумуса в верхнем гумусовом горизонте 2-3% и резкое падение с глубиной до 0,5-0,3%.

Интересно отметить, что погребенные горизонты древних почв в опорных разрезах отчетливо выделяются повышенным процентным содержанием гумуса. В разрезе 1, заложенном на месте бывшего огорода, накопление гумуса сопровождается снижением значений кислотности до pH = 5,6-6,8. В гумусовых горизонтах погребенных почв (разрез 2;5), выкопанных ближе к усадьбе, реакция почвенной среды слабощелочная, что, возможно, объясняется неоднократными перепланировками этой части сада, высадкой крупных деревьев (в глубокие произвесткованные ямы) и ремонтным строительством. В какой-то мере это подтверждается незначительным наличием строительного мусора в хорошо прогумусированном слое, контактирующим с  погребенным горизонтом.

Нормальный рост и развитие растений зависит от реакции почвенного раствора, которая характеризуется величиной pH. Почвы могут иметь нейтральную (pH=7), кислую (pH < 7) или щелочную ( pH> 7) реакцию. Известно, что большинство культурных растений хорошо развивается при реакции близкой к нейтральной. Для суждения о реакции среды определяют актуальную и потенциальную кислотность. Актуальная кислотность почвенного раствора (pH H20) обусловлена находящимися в нем ионами водорода и оценивается количественно величиной pH водной суспензии, зависящей от присутствия органических и минеральных кислот, способных очень легко растворяться в воде. В зависимости от величины pH водной суспензии реакция почв может быть:

4,0-5,5 – кислая; 5,5-6,0 – близкая к нейтральной; 6,1-7,0 – нейтральная; 7,1-8,0 – слабощелочная; 8,1-8,5 – щелочная; 8,5 и выше – сильщелочная.

Потенциальная кислотность обусловлена поглощенными ионами водорода и алюминия и определяется в солевых вытяжках из почвы. Воздействуя на почву раствором соли (хлористым калием –KCI), устанавливают pH солевой, а раствором гидролитически щелочной соли (уксуснокислым натрием ) определяют гидролитическую кислотность (ГК). Эти показатели имеют важное практическое значение для решения вопроса о необходимости известкования почв и при применении удобрений.

Реакция почв исследованной территории значительно отличается от природных аналогов, среди которых преобладают зональные кислые почвы. Величина кислотности в корнеобитаемом слое последних колеблется от pH 4,0 до 6,5.

Все почвы сада имеют нейтральную щелочную реакцию в поверхностных горизонтах (до 30см.), которая с глубиной увеличивается до pH = 8,3-8,9. Щелочность почв сада связана с попаданием в почву через поверхностный горизонт и дренажные воды хлоридов кальция и натрия, а также других солей, которыми посыпают тротуары и дороги зимой. Другой причиной является высвобождение кальция под действием кислотных осадков из различных обломков, строительного мусора, цемента, кирпича и др., имеющих щелочную среду. Во многих почвенных профилях сада содержится значительное количество строительной извести. В разрезе 1 сплошной слой извести располагается на глубине 112-124см., в разрезе 4 – на глубине 59-81см. Известь, растворяясь в почвенной влаге, также заметно подщелачивает почву. Как известно повышение кислотности до значений нейтральных способствует росту большинства растений, микробиологической активности, а также связыванию растворимых соединений тяжелых металлов. Заметное подщелачивание почв приводит к образованию труднорастворимых соединений ряда элементов питания, а превышение значений pH выше 8 делает почву неблагоприятной для большинства культур. Величины гидролитической кислотности в почвах сада невелики. Они несколько возрастают в горизонтах, обогащенных органическим веществом.

Существуют соотношения между типом насаждения и реакцией среды:

Сосняки тяготеют к почвам со значениями pH = 4,5-5,0, однако они очень экологически пластичны и могут расти при более высоких значениях pH, ельники лучше произрастают на почвах в pH = 5,5-6,8; широколиственные леса (особенно дуб, ясень) тяготеют к нейтральным или слабо щелочным почвам. Учитывая тенденцию к возрастанию щелочности в городских экосистемах целесообразно провести ряд мероприятий по ее снижению. В условиях влажного петербуржского климата глубокая вспашка, рыхление, снегозадержание, усиливающие промывание почв.

Одним из свойств почв, регулирующих питание растений, реакцию почвы и ее водно-физические особенности являются обменная поглотительная способность почв. Поглотительной способностью обладают самые мелкие илистые и коллоидные частицы, как минеральные, так, в большей степени, органические. В поглощающем комплексе почв находятся катионы  Их общее количество (емкость катионного обмена) и соотношение влияет на свойства почв. Судя по значениям кислотности, содержание поглощенных ионов водорода и алюминия в почвах незначительно. Сумма обменных оснований достигает больших величин 64,0-96,0 мг-экв. на 100г. почвы. В зональных дерново-подзолистых супесчаных почвах оно не превышает 5-10 мг-экв/100г, обнаруживая, как правило, постепенное снижение с глубиной. В насыпных почвах сада содержание обменных оснований находиться в прямой зависимости от количества Са-содержащих включений. Повышение количества обменных оснований кальция и магния обуславливают высокую степень насыщенности основаниями. Почвы насыщены основаниями по всему профилю на 70-85%. Величина этого показателя свидетельствует, что исследованные почвы не нуждаются в известковании.

Помимо высокого содержания поглощенных оснований в почвах содержатся свободные формы карбонатов кальция в виде обломков известняка, разложившейся извести и т.д. Количество карбонатов вычисляют по содержанию  в . На карбонатную почву воздействуют соляной кислотой и выделяющийся углекислый газ определяют объемным методом. Содержание  в профиле почв колеблется и зависит от наличия карбонатного материала в насыпных слоях. Наиболее богаты карбонатами поверхностные слои, в них содержание  равно 4-5%, с глубиной наблюдается постепенное снижение показателей.

Высокая карбонатность слоев способствует не только сдвигу величины pH в щелочную сторону, но и осаждению тяжелых металлов.

Элементы питания растений в почвах сада распределяются неравномерно, но во всех почвах следует отметить высокую обогащенность насыпных слоев фосфором и калием по сравнению с природными почвами. В основном такая обогащенность элементами минерального питания связывается с наличием в почвах бытового мусора и строительных обломков. Подвижные соединения калия и фосфора в большинстве почв представлены в количествах, превышающих потребности растений в этих элементах. Обеспеченность почв сада усадьбы Г.Р. Державина оценивается как повышенная, высокая и очень высокая. Исключение составляют верхние слои разреза 2 (до 56см.) и разреза 10 (до 20см.), в которых содержание подвижного калия очень низкое, а содержание фосфора-среднее.

Выводы:

1. Территория усадьбы и сада расположена в дельте реки Невы, сложенной аллювиально-морскими песками – супесями при близком залегании грунтовых вод (215см.).

2. Почвенный покров сада складывается под совокупным влиянием зонально-климатических и интенсивных антропогенных факторов. Образованы специфические городские почвы, отличающиеся от зональных комплексом морфологических и физико-химических свойств.

3. Почвы сада – это исскуственно созданные почвы, образованные путем насыпания и перемешивания инородного материала, состоящего из природного субстрата (супесей, суглинков), строительного и бытового мусора, торфяно-минеральных компостов. Насыпная толща мощностью 120-200см. перекрывает дерново-аллювиальные супесчаные почвы, существовавшие до образования усадьбы.

4. Наиболее характерными диагностическими показателями химического состояния почв сада является сдвиг реакции среды в щелочную сторону, обогащенность почв обменными основаниями и свободными карбонатами, органическим веществом и обеспеченность основными элементами питания (фосфора и калия).

5. Неблагоприятными факторами для роста растений является переуплотненность почв, наличие в профиле остатков каменой кладки, малая влажность и заметная щелочность нижних горизонтов.

6. По содержанию питательных веществ, органического вещества и присутствию в верхних горизонтах нейтральной или слабощелочной реакции почвы сада вполне пригодны для выращивания широколиственных пород и газонных трав.

1.3 Климатические условия

Климат территории умеренно холодный, переходный от морского к континентальному, с продолжительной мягкой зимой и коротким прохладным летом. Характерной чертой климата является поступление в течение почти всего года влажных воздушных масс с запада и периодическое вторжение холодного воздуха с севера, которое нередко вызывает поздне-весенние и ранне-осенние заморозки.

Температура воздуха в многолетнем разрезе составляет в среднем +3.8 С. Средняя температура самого холодного месяца (февраля) равна -8.4 С, самого теплого (июля) - +17.0 С. Абсолютный наблюденный минимум: -39.0 С, абсолютный максимум: +33.0 С.

Продолжительность периода с температурой выше 0 С составляет в среднем 218 дней, выше +10 С -121 день.

Ход температуры поверхности почвы в годовом цикле аналогичен ходу температуры воздуха. Абсолютный максимум достигает 52.0 С, абсолютный минимум – минус 42.0 С. Средняя дата последнего заморозка на почве -20 мая, первого -21 сентября.

Осадки за год составляют в среднем 600 мм, при минимуме в феврале-марте 26 см. и максимуме в августе -85 см. Многолетние колебания годовых осадков составляют от 395 мм (вероятность превышения, р.=95%) до 793 мм (р.=5%). Максимальная интенсивность их за 5 минут достигает 3.2 мм/мин, за 20 минут – 1.7 мм/мин суточный максимум осадков колеблется от 25мм (р=50%) до 49 мм (р.=1%) при наблюденном максимуме -54 мм/сут.

Снежный покров устойчиво образуется вначале декабря и разрушается а начале апреля. Наибольшая мощность покрова достигает в первой декаде марта в среднем 26 см. при максимуме 49 см. Среднее число дней со снежным покровом -138.

Ветер на рассматриваемой территории преобладает юго-западных и западных направлений со средней скоростью 3.6 м/с.