Методы исследования речных бассейнов: гидрография, геология и пространственный анализ

A. Базовый метод 1: Границы и гидрография водосборного бассейна. Границы водосборного бассейна определяются как горные хребты, отделяющие данный бассейн от соседних. Технически эти границы следует называть водоразделами, хотя в Соединённых Штатах термин «водораздел» часто считается синонимом водосборного бассейна. Гидрографию — пространственное распределение водных местообитаний — удобно изучать в масштабе 1:24 000, используя карты Геологической службы США. Сначала определите границы водосбора для региона площадью не менее 10 000 км², затем выберите один бассейн площадью не менее 100 км² для детального изучения. С помощью планиметра рассчитайте общую площадь выбранного бассейна. Обратите внимание на сеть ручьёв (на картах обычно показана синим цветом) и сравните детализацию водосбора в разных масштабах.

Самые мелкие ручьи берут начало на возвышенностях из снежных полей, озёр, водно-болотных угодий или родников, где подземные воды часто прорываются со склонов холмов в результате инфильтрации атмосферных осадков выше по склону через пористые почвы или коренные породы. Во многих случаях самые маленькие водотоки изображены в виде ломаных линий, что указывает на прерывистость поверхностного течения. Многочисленные прерывистые русла означают, что водосборный бассейн либо очень сухой, либо грунтовые воды обладают высокой пористостью; как в мезических (влажных), так и в ксерических (сухих) ландшафтах значительный сток может проходить по подземным (грунтовым) путям через пористые толщи (Stanford et al., 2005b). Различайте прерывистые и постоянные каналы стока в пределах вашего бассейна.

Основная концепция: дренажная сеть функционирует как геогидравлический континуум — водотоковый коридор содержит как поверхностные, так и подземные компоненты, которые гидрологически и экологически взаимосвязаны (Gibert et al., 1994). Вода, текущая по поверхности в одном месте, может находиться под землёй в другом, в зависимости от геоморфологии водосбора, объёма и времени выпадения осадков или таяния снега. Зоны взаимодействия поверхностных и подземных вод являются фундаментальными атрибутами ландшафта, имеющими большое значение для экологических исследований водотоков. Сравните топографические, геологические карты и карты подземных вод вашего бассейна, чтобы определить потенциальные участки, где приповерхностные грунтовые воды подпитываются поверхностными водами или разгружаются в речную сеть.

Порядок потоков определяется схемой слияния (см. рис. 1.1 и главу 4, рис. 4.1): два потока первого порядка сходятся, образуя поток второго порядка, два притока второго порядка — поток третьего порядка и так далее. Плотность сети зависит от геологического происхождения бассейна, времени, прошедшего с момента поднятия, характера осадков, растительности и устойчивости субстрата к эрозии и инфильтрации. Подготовьте серию карт масштаба 1:24 000, накройте их прозрачными пластиковыми листами, обозначьте порядок потоков и сведите данные в таблицу. Измерьте длину всех водотоков с помощью картографического колеса, обнуляя его у истока каждого потока и считывая расстояние. Рассчитайте плотность стока как общую длину потоков, делённую на общую площадь водосбора.

Соблюдайте высотный градиент от самой высокой до самой низкой отметки, тщательно анализируя плотность топографических изоплет (линий равной высоты). Там, где изоплеты сходятся близко к руслу и пересекают его, находятся сегменты каньона; более широко расположенные изоплеты указывают на пологий рельеф. Используйте ацетатные листы, наложенные на топографические карты, чтобы найти градиентные перегибы. Определите каньоны (нисходящие каналы, ограниченные коренными породами) и сегменты аллювиальных водотоков (неограниченные каналы с широкими террасированными поймами). На аллювиальных участках более крупных рек общая структура пойм очевидна в виде активных зон паводкового размыва и террас. Постройте профиль ручья от самой высокой до самой низкой отметки (ось x — расстояние вниз по течению; ось y — высота), обозначив основные градиенты и аллювиальные участки.

Ручьи могут впадать в озёра или водно-болотные угодья; в некоторых случаях водно-болотные угодья остаются там, где озёрные котловины заполнились отложениями. В ледниковых ландшафтах озёра располагаются в высокогорных цирках, а более крупные глубокие озёра встречаются в покрытых льдом горных долинах. Многие озёра и водно-болотные угодья питаются и осушаются грунтовыми водами, что требует геогидрологических исследований для определения путей подземного стока (подробную типологию озёр см. Wetzel, 2001). Учитывайте расположение и потенциальное влияние озёр на речную сеть: озёра служат стоками для отложений, питательных веществ и тепла; вытекающие из них потоки могут существенно отличаться от втекающих. Искусственные водохранилища функционируют аналогично, но их экологическое воздействие на реки ниже по течению зависит от глубины и способа сброса воды из плотин (Stanford et al., 1996; Poff et al., 1997). Сведите в таблицу все озёра и водохранилища в ваших бассейнах, отметив высоту, площадь, объём и скорость водообмена.

B. Базовый метод 2: Другие ландшафтные характеристики водосборного бассейна. Доступные карты обычно отображают геологию поверхности, ресурсы подземных вод, категории растительности, характер осадков и антропогенную инфраструктуру (дороги, трубопроводы, плотины, городские районы). Систематическое обобщение этих особенностей применительно к гидрографии даёт ценную информацию о влиянии на количество и качество воды, а также о распределении речной биоты. Например, магматические и метаморфические породы плохо растворяются в воде, поэтому поверхностные воды, дренирующие такие пласты, имеют низкое содержание растворённых твёрдых веществ и малую буферную ёмкость, тогда как воды из известняковых пластов обычно содержат много растворённых твёрдых веществ и хорошо буферизованы.

Схемы землепользования, выведенные из инфраструктурных объектов, могут быть подтверждены с помощью аэрофотоснимков и спутниковых изображений (например, Google Earth). При наличии фотографий с временны́ми интервалами можно наблюдать изменения в гидрографии (например, меандрирование русел) и модели землепользования. Используя картографическое колесо, планиметр или цифровой планшет, определите длину и площадь различных ландшафтных объектов. Создайте таблицу для записи атрибутов в разбивке по длине ручья, площади или другим пространственным показателям — это послужит основой для описания водосбора и факторов, влияющих на экологические процессы.

Сравните водосборы на топографических картах с геологическими картами. На гранитах и других «твёрдых породах» в стоке преобладает поверхностный сток, тогда как известняки и некоторые осадочные породы допускают значительную инфильтрацию, причём сток преимущественно следует по путям грунтовых вод к порталам разгрузки на более низких высотах. В карстовых (известняковых) ландшафтах преобладают подземные дренажные сети (Mangin, 1994). Составьте таблицу основных геологических формаций по типам и процентной доле от площади бассейна, используя планиметр.

Определите структуру растительного покрова. На топографических картах леса или луга выделены зелёным, обнажённые породы — белым; ледники и водно-болотные угодья имеют специальные обозначения. Используйте карты растительности или аэрофотоснимки. Определите как минимум прибрежный покров (берега рек), водно-болотные угодья и возвышенности (леса и луга). Для горных регионов различайте типы лесов по высоте (прибрежные, горные, субальпийские, альпийские тундры). Запишите процентные доли площади бассейна по типам растительности.

Изучите русла рек на предмет антропогенных объектов: ограждений, мостов, ирригационных сооружений, шахт, промышленных объектов. На ацетатных листах обозначьте сегменты водотоков цветом в зависимости от типа изменения или землепользования, затем сведите в таблицу процентную долю затронутых водотоков. Если доступны аэрофотоснимки, проверьте все объекты, выявленные по картам, добавьте примечания о прибрежных лесах или руслах. Можете ли вы идентифицировать подгруппу местообитаний из таблицы 1.1? Имейте в виду, что карты и фотографии могли быть составлены в разное время, что показывает различия в ландшафте.

Обратите внимание на все пункты измерения расхода или осадков в пределах бассейна (иногда отмечены на картах). Подготовьте графики временны́х рядов имеющихся данных, рассчитайте количество осадков и стока на единицу площади. Определение стока подробно обсуждается в главе 3, но знание динамики стока в различных точках сети позволит получить более полное представление о ландшафте водосбора.

C. Усовершенствованный метод 1: Компьютеризированный пространственный анализ речных ландшафтов. Цифровые подходы позволяют изучать ландшафты в мельчайших деталях. Все точки в любом ландшафте могут быть точно известны благодаря геодезическим съёмкам — именно так создаются топографические карты. С помощью компьютера топография сводится к цифровой базе данных с использованием алгоритмов интерполяции между измеренными точками. Используя широко доступное программное обеспечение, можно создавать трёхмерные изображения любого оцифрованного ландшафта, что позволяет статистически анализировать топографические данные или строить графики по отношению к другим пространственным базам данных (сеть ручьёв, качество воды, распределение рыб).

Программные пакеты для обработки оцифрованных данных с географической привязкой называются географическими информационными системами (ГИС). Для правильного использования ГИС требуется значительная компьютерная подготовка, хотя большинство систем работают на высокоскоростных персональных компьютерах. Преимущество ГИС в том, что ландшафтные данные для многих переменных могут быть созданы в виде слоёв, наложенных друг на друга в зависимости от рельефа (рис. 1.3). Это полезный способ отслеживать и отображать изменения ландшафта во времени: например, наблюдаемое распределение рыб в пределах бассейна может быть нанесено на карту в истинном пространственном контексте вместе с гидрографией, а при наличии временны́х рядов можно показать изменение распределения рыб в зависимости от изменений землепользования.

ГИС позволяет систематизировать и соотносить во времени и пространстве очень большие наборы данных, облегчая интерпретацию структуры ландшафта и процессов его формирования (Bernhardtsen, 2002; Longley et al., 2005). Данные о структуре ландшафта могут быть получены на основе спектральных (отражательных) характеристик, собранных со спутников или других дистанционных датчиков; в этом случае ГИС необходима для сопоставления огромных объёмов спектральных данных с реальной топографией. Разные длины волн света отражаются от различных элементов ландшафта, поэтому разрабатываются алгоритмы или статистические модели, связывающие наземные данные с изменениями спектральных характеристик. Затем эти алгоритмы генерируют слои ландшафтных данных в прямой зависимости от рельефа (Lillesand и Kiefer, 2000).

Некоторые параметры ландшафта лучше подходят для спектральной съёмки, чем другие, и для проверки точности данных дистанционного зондирования требуется тщательное наземное исследование. Например, водные объекты легко отличить от наземных, а хвойные леса — от лугов. Однако технология быстро развивается, и к ней следует подходить с осторожностью, понимая цели исследования или управления. В большинстве исследовательских университетов есть лаборатории пространственного анализа; если ГИС недоступна для демонстрации, рекомендуется посетить такую лабораторию, чтобы наглядно увидеть полезность этой технологии для анализа структуры и процессов на уровне целых водосборов.

D. Усовершенствованный метод 2: Выявление экосистемных проблем в ландшафтном масштабе. Обобщив ландшафтные особенности ваших бассейнов, важно рассмотреть, какие вопросы требуют решения в ландшафтном масштабе. Почти все задачи управления природными ресурсами должны решаться в ландшафтном контексте из-за совпадения юрисдикций. В водосборе Флэтхед (описан ранее) федеральные агентства США (Лесная служба, Агентство по охране окружающей среды, Бюро мелиорации, Служба национальных парков) и множество государственных и племенных учреждений законодательно связаны с водными ресурсами. Без общей перспективы одно ведомство может инициировать действия, которые будут мешать другому. Более того, способность экосистем предоставлять экологические товары и услуги (воду, древесину, дикую природу, ландшафты) распространяется на местные и региональные уровни.

Для решения конкретных проблем необходимо ли изучать весь водосбор? Насколько большим он должен быть? Являются ли границы водосбора также границами экосистемы? Это сложные вопросы. Правильное масштабирование исследовательского и управленческого подхода — самая сложная задача эколога; начинать следует с тщательного обобщения информации о проблеме в ландшафтном контексте. Для бычьего гольца озера Флэтхед весь водосбор реки Флэтхед является экосистемой, поддерживающей существование этой рыбы, то есть границы водосбора служат границами экосистемы в этом очень большом ландшафте. Для лосося границы экосистемы гораздо шире и простираются далеко в океан.

Определение причин сокращения численности гольца и лосося и внедрение решений для поддержания рыболовства требует понимания требований к среде обитания на разных этапах жизненного цикла, а также прогнозного понимания сложных биофизических процессов, контролирующих качество местообитаний. Речные экосистемы охватывают экологические, социальные и экономические процессы (экосистемные функции), которые связывают организмы (экосистемную структуру), включая человека, в течение определённого времени. Границы экосистем проницаемы для потоков энергии и материалов, поэтому даже крупные системы подвержены влиянию внешних событий — глобального изменения климата, загрязнения, национальной и глобальной экономики, миграции людей и чужеродной биоты. Этот целостный взгляд следует учитывать при решении экологических проблем рек.

Используя пример с лососем в качестве руководства, перечислите ряд экологических проблем, которые могут возникнуть в связи с ландшафтными особенностями ваших бассейнов. Например, если в бассейне преобладают сельскохозяйственные угодья, каких проблем с реками можно ожидать? Определите, где в пределах бассейна вы разместили бы пункты мониторинга для сбора экологической информации. Этот систематический ландшафтный подход гарантирует, что исследовательские и управленческие усилия будут правильно масштабированы, научно обоснованы и способны учитывать сложные взаимодействия, характерные для экосистем речных ландшафтов.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Ф. Ричард Хауэр и Гэри А. Ламберти

Источник: Методы в экологии ручьев

Данные публикации будут полезны студентам экологических и географических специальностей, начинающим специалистам в области гидрологии, геоморфологии и управления водными ресурсами, а также всем, кто интересуется динамикой речных экосистем и вопросами охраны природных ландшафтов.