Классификация сегментов долин, типов русел и русловых единиц в речных экосистемах

Топографические компоненты водоразделов: склоны холмов и долины. Основными топографическими компонентами водоразделов являются склоны холмов и долины. Долины представляют собой ландшафтные области, где сходятся поверхностные воды и накапливаются эродированные материалы. В пределах сети долин отдельные сегменты долин обладают уникальными геоморфологическими свойствами и гидрологическими характеристиками переноса, которые отличают их от соседних участков. Монтгомери и Баффингтон (1997) выделили три типа сегментов долин: коллювиальные долины, аллювиальные долины и долины коренных пород (рис. 2.1). Коллювиальные долины были далее разделены на долины с узнаваемыми руслами рек и без них. Классификация сегментов долин описывает форму долин, основанную на преобладающих поступлениях наносов (крупные и мелкие неорганические частицы, смытые эрозией со склонов холмов) и процессах их переноса.

Долины могут быть заполнены преимущественно коллювием — осадочными породами и органическими веществами, попадающими на дно долин в результате массового оползня с прилегающих склонов, который обычно остаётся неподвижным, за исключением редких гидрологических явлений. Альтернативно, долины могут содержать аллювий — отложения, переносимые по дну долины потоком воды, которые часто перемещаются системой ручьёв. Третье условие включает долины с минимальным почвенным покровом, в которых преобладают коренные породы. Сегменты долин выделяют участки долинной системы, где поступление и вынос наносов ограничены либо с точки зрения транспортировки, либо с точки зрения снабжения (рис. 2.2). На участках с ограниченными транспортными возможностями объём наносов на дне долины и их перемещение зависят от частоты сильных потоков воды и селевых потоков (быстро движущихся взвесей воды, наносов и органических остатков). В долинных сегментах с ограниченным снабжением движение наносов определяется главным образом количеством наносов, поступающих с притоком воды.

Рис. 2.2. Расположение сегментов долин и типов водотоков в зависимости от того, ограничены ли их основания поступлением наносов с прилегающих склонов холмов или речным переносом наносов из источников, расположенных выше по течению. По Монтгомери и Баффингтону (1997).

Коллювиальные, аллювиальные долины и долины коренных пород. Коллювиальные долины служат временными хранилищами отложений и органических веществ, смытых эрозией с окружающих склонов холмов. В пределах этих долин речной (водный) транспорт относительно неэффективен для удаления материалов, отложившихся на дне. Следовательно, осадочные породы и органические вещества постепенно накапливаются в долинах верховьев рек до тех пор, пока они периодически не будут смыты селевыми потоками на крутых склонах или не будут извлечены из-за гидрологического расширения сети аллювиальных каналов в ландшафтах с низким уклоном. После удаления скопившихся отложений в результате крупных возмущений коллювиальные долины начинают вновь заполняться (Дитрих и др., 1986). Бесканальные коллювиальные долины — это участки верховьев рек, в которых отсутствуют узнаваемые русла; они имеют почвы, размытые с прилегающих склонов, что отличает их от крутых верховьев долин с обнажёнными коренными породами. Глубина залегания коллювия в бесканальных долинах зависит от скорости эрозии материала со склонов и времени, прошедшего с момента последнего разрушения долины.

В русловых коллювиальных долинах находятся ручьи низшего порядка, которые стекают непосредственно вниз по склону от бесканальных коллювиальных долин. Эти долины могут образовывать самые верхние сегменты сети долин в ландшафтах с низким рельефом или возникать там, где небольшие притоки пересекают поймы более крупных рек. Сток в коллювиальных каналах, как правило, неглубокий, кратковременный или прерывистый. Поскольку напряжения сдвига (см. главу 4), создаваемые речными потоками, не могут существенно перемещать и сортировать отложившийся коллювий, в каналах наблюдается широкий диапазон размеров отложений и органических веществ. Периодическое размывание русловых коллювиальных долин селевыми потоками часто определяет степень врезания каналов на крутых склонах, и частота сбросов, мобилизующих осадки, регулирует количество накопленных отложений.

Аллювиальные долины получают наносы из источников, расположенных выше по течению, и протекающие в них потоки могут перемещать и сортировать эти наносы с неравномерными интервалами. Способность аллювиальной долины переносить наносы недостаточна для того, чтобы очистить дно долины вплоть до коренных пород, что приводит к накоплению отложений преимущественно речного происхождения. Аллювиальные долины представляют собой наиболее распространённый тип долинных сегментов во многих ландшафтах и обычно содержат ручьи, представляющие наибольший интерес для водных экологов. Они варьируются от ограниченных (склоны холмов ограничивают дно долины без развития поймы) до неограниченных (с хорошо развитой поймой). С аллювиальными долинами могут быть связаны различные типы водотоков в зависимости от степени врезания, уклона, местной геологии, поступления наносов и режима стока (рис. 2.3). Долины коренных пород содержат мало материала для заполнения и, как правило, имеют ограниченные каналы, в которых отсутствует аллювиальное русло. Монтгомери и Баффингтон (1997) различают два типа: достаточно крутые, чтобы пропускная способность превышала подачу наносов, и те, что связаны с ручьями низкого уровня, недавно прорвавшимися в коренные породы селевыми потоками.

Рис.. 2.3. Влияние условий водосбора, поступления наносов и характеристик русла на морфологию водотока. После исследования Баффингтона и др. (2003).

Классификация участков русла: типы и их морфология. Участки русла состоят из повторяющихся последовательностей определённых типов элементов русла (например, последовательность «бассейн–риф–бар») и определённых диапазонов характеристик (уклон, размер наносов, соотношение ширины и глубины), которые отличают их от соседних участков (таблица 2.2). Типы участков определяются на основе морфологии канала (формы) и наблюдаемых процессов, а не только численных значений. Монтгомери и Баффингтон (1997) выделили шесть типов аллювиальных участков, а также признали существование промежуточных типов. Каскадные русла характеризуются наиболее крутыми аллювиальными руслами с уклоном, как правило, от 4 до 25%. В них может быть несколько небольших водоёмов с турбулентным течением, но большая часть воды обрушивается на валуны и крупное дерево. Крупные частицы по отношению к глубине воды эффективно предотвращают мобилизацию субстрата во время обычных потоков, а каскадный характер движения воды приводит к удалению всех частиц, кроме самых крупных (булыжников и валунов).

Участки со ступенчатыми бассейнами с типичным уклоном 2–8% имеют отдельные скопления валунов и брёвен, образующих ряд ступеней, чередующихся с бассейнами, содержащими более мелкий субстрат. Расстояние между ступенями обычно составляет 1–4 ширины канала и увеличивается с уменьшением уклона (Grant et al., 1990). Пропускная способность ступенчатых бассейнов для временного хранения мелкодисперсных отложений и органики, как правило, выше, чем у каскадных. Крупные руслообразующие структуры относительно устойчивы и перемещаются только во время экстремальных течений, после чего морфология восстанавливается при спаде гидрографа. Участки с плоским дном (уклон 1–4%) не имеют ступенчатого продольного профиля и представляют собой длинные, относительно прямые каналы одинаковой глубины. Частицы в поверхностном слое отложений обычно крупнее, чем в подповерхностных слоях, образуя защитный слой (броню), который предотвращает перенос мелких материалов, за исключением периодов, достаточных для мобилизации частиц брони.

Пойменно-рифовые участки чаще всего встречаются у ручьёв малого и среднего размера с уклоном 1–2% и характеризуются извилистым руслом, образующим рифли (перекаты) и бассейны (плёсы), связанные с гравийными косами. Форма канала часто извилистая и содержит предсказуемую последовательность: бассейн – рифль – перекат. Рифли и бассейны чередуются с интервалом 5–7 ширин канала (Keller и Melhorn, 1978). Ежегодно во время паводков происходит мобилизация грунтов; при полной воде особенности рельефа исчезают, а при спаде вновь проявляются. Движение материалов спорадично, а русла этого типа являются одними из самых неоднородных в пространственном отношении (Buffington and Montgomery, 1999). Участки с дюнной рябью состоят из извилистых каналов с низким уклоном (<1%), где преобладает песчаный субстрат. Перемещение наносов происходит во всех водотоках и сильно коррелирует со стоком, а наличие ряби и дюн отличает этот тип от пойменно-рифового.

Плетёные участки имеют многопоточные каналы с уклоном <3%, характеризуются большим отношением ширины к глубине и многочисленными косами. Отдельные рукава обычно имеют рифлёную форму, бассейны образуются при слиянии рукавов. Плетение возникает в результате высокой нагрузки наносов или расширения русла из-за дестабилизации берегов (например, после вырубки лесов или выпаса скота в прибрежных зонах). Вынужденные участки образуются, когда препятствия (крупные древесные обломки, выступы коренных пород) локально меняют морфологию русла. Например, древесный мусор в канале с плоским дном может привести к локальному размыву бассейна и созданию рифлевой последовательности. Влияние древесины на течение и формирование бассейнов подробно рассмотрено в работе Buffington et al. (2002).

Классификация русловых единиц: быстрая и медленная вода. Русловые единицы — это относительно однородные локализованные участки русла, отличающиеся по глубине, скорости течения и характеристикам грунта от соседних участков. Наиболее часто используемые термины для малых и средних водотоков — рифли (перекаты) и бассейны (плёсы). Различные типы русловых единиц предоставляют организмам выбор среды обитания, особенно в небольших водотоках со значительной физической неоднородностью (Hawkins et al., 1993). Известно, что русловые единицы влияют на обмен питательных веществ, обилие водорослей, продукцию бентоса, разнообразие беспозвоночных и распределение рыб. Хокинс и др. (1993) модифицировали более раннюю систему (Bisson et al., 1982) и предложили трёхуровневую иерархию (рис. 2.4): уровень 1 — быстрая вода (рифль) и медленная вода (бассейн); уровень 2 — бурная и гладкая быстрая вода, а также промывные и запруженные бассейны; уровень 3 — дальнейшее разделение по гидравлическим свойствам и процессам формирования.

Рис. 2.4. Иерархическое разделение русловых единиц в потоках. По Хокинсу и др. (1993).

Бурные быстроводные единицы (таблица 2.3) включают водопады (вертикальные капли воды, характерны для коренных пород и каскадов), каскады (серии коротких водопадов с высокой турбулентностью, ступенчатый профиль), жёлоба (узкие крутые щели в коренных породах), пороги (умеренно крутые русла с грубым дном, но плоским профилем, доминируют на участках с плоским дном) и рифли (наиболее распространённый тип в аллювиальных руслах с уклоном <3%, с размером частиц мельче, чем в порогах). Гладкие быстроводные единицы включают пластовые русла (мелководье, равномерно текущее по гладким коренным породам, крайне редки) и перекаты (быстроводные единицы с малым уклоном, грунт от песка до булыжника, глубже рифлей, без сверхкритического течения).

Промывные бассейны (образуются углублением в русле) подразделяются на шесть типов (таблица 2.4): водоворотные бассейны (возникают ниже по течению от крупных препятствий у берега), траншейные бассейны (U-образная форма в коренных породах, очень глубокие), бассейны в среднем русле (образуются сужением потока в середине русла, наиболее глубоки у истока), конвергентные бассейны (при слиянии двух потоков), боковые промоины (у препятствия у берега, глубже всего у этого берега) и глубокие бассейны (в результате вертикального падения воды, часто в крутых верховьях).

Запруженные бассейны (образуются скоплением воды выше препятствия) включают мусорные плотины (из крупной древесины), бобровые плотины (единственное биогенное сооружение, из сплетённых мелких элементов), оползневые плотины (при перекрытии русла оползнем), а также подпорные водоёмы (вдоль берега в пойменных каналах) и заброшенные русловые бассейны (не соединяются с основным каналом при низком стоке). Запруженные бассейны заполняются наносами быстрее, чем промывные, из-за низких скоростей течения.

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.