Основные представления о речной морфологии и экологии

Элементы и границы речных экосистем. Речная экосистема состоит из множества взаимодействующих организмов различных биологических видов — биоты, которая обитает в физических условиях абиотической среды.

Для выживания, роста и репродукции эти организмы нуждаются в источниках питания, а также в месте для обитания в физической окружающей среде — ареале обитания. Они также участвуют во взаимных биотических взаимоотношениях, к примеру хищничество (в роли жертвы или хищника) и борьба за выживание (борьба за ограниченные ресурсы, такие как пространство или пища).

С самого начала важно подчеркнуть, что в отношении протекающих процессов и поведения река представляет собой нечто гораздо большее, чем просто русло с водой в меженный период, как представляется обывателю. В действительности река также включает в себя донные грунты, берега и пойму. Пойма является в значительной степени горизонтальной аллювиальной формой рельефа, прилегающей к руслу реки, отделенной от него берегами.

Она формируется рекой из наносов в существующих климатических условиях и водном режиме и затопляется во время умеренных паводков. Чтобы ясно показать это различие, можно использовать понятия речного русла или речной системы. На рисунке II.4.46 показан участок извилистой реки, иллюстирующий некоторые из этих особенностей.

Рисунок II.4.46. Концепция речной долины меандрирующего аллювиального потока. Речная долина включает все представленные формы рельефа, в т. ч. и затапливаемую пойму реки
(Federal Interagency Stream Restoration Working Group, 1998)

Таким образом, речная система имеет расплывчатые границы с наземными системами и системами подземных вод, прибрежной и подрусловой зоной соответственно. Она включает отмели, боковые рукава, пойменные озера и другие элементы, созданные в ходе аллювиальных процессов в пределах поймы.

Эти русловые и пойменные элементы меняются со временем. В связи с этим можно считать, что речная экосистема имеет три пространственных измерения: продольное — в направлении течения; поперечное — в сторону поймы; и вертикальное — в сторону аллювиальных отложений. Все они меняются со временем (Stanford and others, 1996).

Речные формы рельефа. Подавляющее большинство русел рек — аллювиальные, т. е. они сформированы неконсолидированными наносами, которые были предварительно принесены и отложены потоком. Неаллювиальные реки — это те, которые ограничены коренными породами и/или стенами долины, так что они не способны менять форму.

Как показано на рисунке II.4.47, аллювиальные формы рельефа определяются гидрологическим режимом или изменениями стока, количеством и размером наносов, поступлением древесных обломков или лесного материала, донными и береговыми материалами, а также пойменной растительностью для данного склона долины.

Рисунок II.4.47. Взаимодействие между параметрами водосбора, которые определяют режимы стока, наносов и плавней, установившиеся на территории, простирающейся вверх по течению. они, в свою очередь, управляют его морфологическим режимом и областью распространения — вид реки/поймы и изменяющаяся мозаика местоположения соответственно — которые вместе определяют экологический режим природной системы речной долины

Таким образом, вода, наносы, обломки древесины, поступая в аллювиальное русло, взаимодействуют друг с другом, с донными и береговыми материалами и пойменной растительностью. При этом они постоянно изменяют подвижные осадочные границы посредством эрозии и аккумуляции, формируя динамичное изменяющееся русло определенного рода или типа.

Большинство рек находятся в режиме, известном также как устойчивое состояние или состояние динамического равновесия, для которого характерно отсутствие тренда на намыв или размыв русла. Другими словами, даже если они продолжают двигаться, их форма статистически не меняется с течением времени, так что они всегда выглядят одинаково.

В настоящее время экологи, занимающиеся вопросами рек, например Стандфорд и др. (Stanford and others, 1996), придерживаются мнения, что структура сообщества — совокупности обитающих биологических видов — речных систем, подверженных наводнениям, в основном определяется динамикой установившихся физических, гидрогеоморфических процессов, а не биотическим взаимодействием. А в озерах все наоборот.

Там, где локальные климатические условия и гидрология рек препятствуют пересыханию рек и способствуют возникновению древесной растительности, пойменные системы аллювиальных рек являются из всех экосистем на Земле наиболее динамичными, сложными, разнообразными и продуктивными и, кроме того, находящимися под угрозой исчезновения. Число различных видов деревьев, растений, рыб, беспозвоночных, птиц, млекопитающих и т. д., которые могут обитать в незатронутой речной пойме — безгранично (см. рисунок II.4.48).

Рисунок II.4.48. Древняя речная долина реки Палена в чилийской Патагонии, действующая меандрирующая единственная нить извилистой системы высокой экологической стабильности. обратите внимание на разнообразие форм, глубин и скоростей воды, возраст растительных сообществ и изобилие больших древесных остатков в русле. вода бесцветна из-за поступления в реку вод от таяния ледников. Участок молодой растительности, замеченный на излучине, справа на рисунке обозначен стрелкой

Как показано в левой части рисунка II.4.47, единственными независимыми величинами в данном речном бассейне в большом временном масштабе являются только его геология (или физиография: литология и топография) и климат. Местный температурный режим и режим осадков вызывают выветривание обнаженных пород, определяя характер почвы и тип растительности, которая может произрастать в пределах речного бассейна, если это имеет место.

Действуя совместно на всей речной сети, эти переменные факторы задают режимы стока, наносов и поступления древесных обломков на ниже расположенных участках. Они также определяют количество детрита (листья, ветки, мелкие органические фракции грунта, которые обычно рассматриваются как корпускулярное органическое вещество), количество растворенных веществ и температурный режим потока. Человеческая деятельность, включая изменения в землепользовании, строительство дамб и противопаводочные мероприятия, самым пагубным образом сказывается на этих естественных системах многих рек мира.

Изучение и управление аллювиальными реками требует понимания их изменчивости во времени и пространстве, включая следующие три фактора, которые необходимо учитывать (Schumm, 2005):

а) существует неизменная классификация типов рек: меандрирующие, однорукавные извилистые, блуждающие или разветвленные. Эти типы определяются водным режимом, режимом наносов, геологической историей (в частности, склонами долины), растительностью и возникновением явлений, которые могли оказать влияние.

Различные типы рек используют различные механизмы для формирования поймы и взаимодействия с нею в соответствии с различными гидрологическими и геоморфологическими процессами в результате пространственной и временной морфологической изменчивости, как в самой речной системе, так и ниже, в пределах аллювиального водоносного горизонта;

б) изменение реки в течение длительного периода времени является результатом изменения климата или изменчивости гидрологического режима;

в) к существенной изменчивости на данном участке реки могут привести геоморфические и геологические факторы, например притоки, изменчивость грунтов береговой зоны и растительность.

Со временем под действием режима стока, в основном из-за периодических наводнений, русло перемещается по ложу долины, преобразовывая донные и пойменные отложения, таким образом, разрушая и также создавая рукава, болота, запруды и множество других форм речного ландшафта, которые быстро зарастают прибрежной растительностью.

На рисунках II.4.46 и II.4.48 показаны подобные процессы, действующие в речной аллювиальной системе, в этом случае представлен меандрирующий тип реки. Таким образом, процессы эрозии и аккумуляции наносов, взаимодействуя с ростом растительности, непрерывно изменяют не только основное русло, но фактически всю речную систему, хотя на расстоянии ландшафт может показаться неизменным, поскольку находится в состоянии динамического равновесия.

Этот простой факт объясняет, почему изменения режима стока, режима наносов и цикла развития лесов, часто вызываемые реализацией водохозяйственных проектов, могут явиться причиной широкомасштабных последствий в расположенных ниже по течению речных экосистемах: будучи изменениями трех основных компонентов функционирования реки, в силу этого они должны вызывать в результате изменения условий ландшафта.

Как уже упоминалось выше, реки различных типов передвигаются и формируют свои поймы с помощью различных механизмов. Например, меандрирующие реки смещаются в стороны за счет разрушения существующих пойменных отложений на внешней стороне изгибов русла и одновременного отложения наносов на внутренней стороне изгибов русла — процесс известен как боковое приращение; такие реки часто создают пойменные озера в старицах (см. II.4.48).

В отличие от них разветвленные реки с гравийным ложем создают посреди русла отмели, которые могут зарастать растительностью. Во время паводков растительность задерживает наносы, тем самым наращивая отмель в вертикальном направлении, пока она не станет островом, который впоследствии становится частью поймы реки, после того как река оставляет один из своих рукавов. Отмели разделяют поток, тем самым создавая многорукавность.

Рисунок II.4.49. Типы русловых процессов, связанные с увеличением мощности потока, с указанием переменной скорости изменения перемещающейся мозаики местоположения, так же как и некоторые соответствующие гидрогеоморфологические и биогеоморфологические процессы (сокращенно по лорангу и Хаеру (Lorang and Hauer, 2006))

Экологи, занимающиеся реками, обнаружили четкие взаимосвязи между типом реки и некоторыми важными экологическими показателями экологического здоровья речной системы, такими как комплексность среды обитания и биологическое разнообразие (см. рисунок II.4.49). Вот почему так важно при управлении речными системами и их восстановлении рассматривать взаимосвязи между гидрогеоморфологическими процессами и типом реки.