Гидрология ручьев: экологическое значение стока, методы измерения и анализ гидрографов

Введение в сток ручьев и его экологическое значение. Среди всех геологических процессов воздействие текущей воды на рельеф представляет собой один из наиболее влиятельных механизмов, формирующих наземные ландшафты. Аналогичным образом, текущая вода оказывает глубокое влияние на характер распределения флоры и фауны в лотических экосистемах (см. обзоры Statzner et al., 1988; Gordon et al., 1992; Allan, 1995; Gore, 1996). Наиболее фундаментальным гидрологическим показателем, характеризующим все экосистемы рек и ручьев, является расход — объем воды, проходящей через поперечное сечение русла в единицу времени. Данный параметр в сочетании с уклоном русла дает представление о мощности течения — способности реки выполнять геоморфологические работы. Потенциальная энергия, теряемая на протяжении течения, рассеивается в виде тепла на трение в русле, а также за счет переноса наносов и органических материалов.

Мощность потока, распределение среды обитания и практическое применение. Работа, выполняемая текущей водой, имеет особое значение для экологов-лотиков, поскольку она напрямую влияет на распределение взвешенных отложений, материала дна, органических частиц и различных питательных веществ в водных системах. Такое распределение существенно воздействует на речную биоту, изменяя физические условия обитания за счет перераспределения субстрата и изменения доступности энергии, что определяется первичной продукцией или состоянием органических частиц (Vannote et al., 1980; Vannote и Minshall, 1984; Statzner et al., 1988). Кроме того, сток и мощность потока взаимодействуют с другими характеристиками бассейна, влияя на форму меандра и динамику поймы (Leopold et al., 1964; Hornberger et al., 1998; Dorava et al., 2001). Инженеры-строители и управляющие водными ресурсами применяют эти же соотношения для составления водного бюджета водосбора, оценки целесообразности производства гидроэлектроэнергии и оценки способности речной системы поглощать или перерабатывать химические загрязняющие вещества (Lee and Lin, 2000).

Единицы измерения и стандарты пересчета. Традиционно для измерения расхода в Соединенных Штатах используются кубические футы в секунду (cfs). Однако с ростом внимания к единицам СИ большинство экологов предпочитают кубические метры в секунду (м³/с или cms), которые иногда называют кумеками (cumecs). Управляющие водными ресурсами часто выражают объем сброса в миллионах галлонов в день (мгд). Поскольку Геологическая служба США (USGS) хранит большую часть гидрологической информации в США, экологи и гидрологи должны уметь переводить данные. Соотношения пересчета: 1 cfs = 0,028 м³/с (cms) и 1 м³/с (cms) = 35,315 cfs. Кроме того, один кубический фут равен приблизительно 7,48 галлона, то есть 1 cfs = 7,48 галлона в секунду (0,646 млн галлонов в сутки).

Естественные колебания расхода воды в ручьях. Ежегодный расход воды в ручьях и реках колеблется от нескольких кубических футов в секунду в верховьях до сезонных колебаний, достигающих 1,5–12 миллионов кубических футов в секунду в реке Миссисипи близ Нового Орлеана. Резкие колебания проявляются в виде редких наводнений, существенно изменяющих типичный режим стока. На реке Колорадо, протекающей через Гранд-Каньон, в 1921 году пиковый сток увеличился более чем в четыре раза, достигнув приблизительно 200 000 cfs (5664 м³/с). Самый высокий речной сток, когда-либо зарегистрированный, составил 52,5 млн cfs (~1,5 млн м³/с) на реке Амазонка в Бразилии (Cech, 2003).

Зависимости уровня воды от расхода и расчетные кривые. На большинстве измерительных станций измерение расхода производится путем определения уровня (высоты поверхности воды) над произвольной точкой отсчета или репером. Используя расчеты расхода для поперечного сечения при различных скоростях и высотах, строят графическую зависимость (рис. 3.1) между уровнем и расходом — расчетную кривую, позволяющую прогнозировать расход при значениях уровня, отличных от непосредственно измеренных. Хотя множество измеренных точек обеспечивают большую точность, оценочные кривые обычно основаны на регрессии по трем точкам: низкий расход, средний расход (близкий к базовому) и высокий расход. Геологическая служба США (USGS) обычно использует успокоительный колодец с микроволновой передачей данных для мгновенного измерения, однако простой стержневой датчик — металлический стержень с делениями, представляющими высоту ступени, — часто применяется на местах отбора проб, позволяя экологам быстро регистрировать расход.

Рис. 3.1. Зависимость уровня стока воды в реке Олифантс (недалеко от фермы Хексривьер, Восточно-Капская провинция, Южно-Африканская Республика). На основе наблюдений за уровнем поверхности воды (высота измерителя) и расхода, рассчитанного с использованием измерителя тока (курсивом).

Понимание стадии нулевого стока. Гидрологи часто ссылаются на «стадию нулевого стока», которая указывает не на сухое русло, а на высоту поверхности воды, при которой эффективный расход на данном участке равен 0 cfs или 0 м³/с. Удобный метод аппроксимации этой стадии заключается в измерении высоты нижней точки контрольного сечения. Данное измерение служит важным ориентиром для построения точных расчетных кривых и понимания влияния геометрии русла на динамику потока.

Гидрографический анализ и характеристики водосбора. Анализ изменения стока во времени, представленный гидрографом, позволяет ученым-лотикам изучить характеристики водосбора, которые влияют на сток и емкость водохранилищ. Гидрограф (рис. 3.2) может быть построен на основе данных измерений для отображения годовых, месячных, суточных или мгновенных расходов. Экологи, гидрологи и управляющие водными ресурсами обычно получают данные из документов по водоснабжению, ежегодно публикуемых Отделом водных ресурсов USGS. В соответствии со стандартным соглашением, основанным на среднем периоде наименьших стоков в США, отчеты составлены по водохозяйственным годам (например, 2006 водохозяйственный год длится с 1 октября 2005 г. по 30 сентября 2006 г.).

Рис. 3.2. Гидрографы (суточный сток) реки Танг (близ Майлз-Сити, Монтана) за 1965 и 1966 водохозяйственные годы и реки Альтамаха (в Доктортауне, Джорджия) за 1996 и 1996 водохозяйственные годы. Река Танг — гидрограф с преобладанием снеготаяния, река Альтамаха — с преобладанием дождевых паводков (курсивом).

Доступ к данным и интерпретация гидрографических данных. Опубликованные данные содержат информацию об общем стоке (месячном и суточном), среднемесячном расходе, базовом стоке (часто поддерживаемом грунтовыми водами), высоте уровня и периодах высокого и низкого стока. Документы по водоснабжению, а также мгновенные показания датчиков доступны через Интернет по адресу http://waterdata.usgs.gov/nwis/sw. Этот веб-сайт предоставляет множество форматов данных и руководство по поиску и интерпретации результатов. Доступ к данным о стоках в реальном времени и за прошлые периоды произвел революцию в способности исследователей анализировать режимы стока и их экологические последствия в различных пространственных и временных масштабах.

Региональные особенности гидрографии. В целом, на гидрографах рек в горных районах с умеренным климатом или регионах со значительным влиянием горных водосборов преобладает весеннее таяние снега, достигающее пика весной. Напротив, реки в равнинных системах умеренного и субтропического климата в течение водохозяйственного года испытывают многочисленные паводки различной интенсивности и продолжительности. На рисунке 3.2 показаны некоторые из этих региональных различий. Любой пик на гидрографе называется паводком или притоком воды, независимо от того, выходит ли вода за берега. В периоды между наводнениями базовый сток поддерживается за счет притока грунтовых вод и их накопления в пределах водосбора.

Реакция гидрографа на штормовые явления. Уровень базового стока меняется по мере пополнения за счет осадков. Изучение формы суточного гидрографа во время штормового события позволяет определить состояние потока и его бассейна (рис. 3.3). Восходящая часть кривой обычно выглядит вогнутой и служит показателем инфильтрационной способности водосбора. В небольшом бассейне время от начала осадков до подъема восходящей части кривой представляет собой время, необходимое для насыщения почвы и сбора стока в точке измерения. Водосбор со значительной емкостью хранения воды, поглощающей поверхностью или большим руслом будет иметь более низкий пик уровня, чем бассейн аналогичного размера с ограниченным объемом (например, малое русло, низкая плотность растительности, более глинистые почвы, интенсивное антропогенное освоение с увеличенными непроницаемыми поверхностями).

Рис. 3.3. Гидрограф гипотетического наводнения, иллюстрирующий задержку между выпадением осадков и фактическим паводком. Точка «d» — момент, когда поверхностный сток после наводнения закончился, а сток (базовый сток) поддерживается за счет притока грунтовых вод. «D» — временной интервал между пиком паводка и возвращением к исходному уровню (курсивом).

Влияние землепользования и морфологии бассейна. Например, сельскохозяйственные угодья дают более быстрый гидрографический отклик по сравнению с лесными массивами, поскольку густо залесенные районы ограничивают поверхностный сток и усиливают инфильтрацию (Gregory и Walling, 1973). Форма гидрографа также отражает продольный профиль и форму бассейна. Крутой уклон бассейна проявляется в виде кривой быстрого реагирования, тогда как низкий уклон приводит к медленному и продолжительному отклику. На водосборе с большим количеством верховьев, но малым числом притоков в низовьях, формируется гидрограф с резким пиком паводка, хотя сам пик задерживается относительно начала осадков. Вытянутое русло с многочисленными притоками создает гидрограф, который быстро нарастает и медленно спадает в течение длительного времени. Водосбор с большим количеством суббассейнов часто дает гидрограф, отображающий несколько пиков паводка в зависимости от распределения осадков.

Анализ гидрографа наводнений и свойств водосбора. Анализ гидрографа наводнений может выявить важные характеристики самого водосбора. Существует сильная корреляция между количеством дней между пиком паводка и окончанием стока (возвращением к базовому стоку), обозначенным как D, и площадью водосборного бассейна. Чоу (1964) описал стандартный метод оценки окончания периода стока в зависимости от площади водосбора (A), измеряемой в квадратных километрах. Снижение поступления грунтовых вод в водоток называется спадом уровня грунтовых вод и отражает засушливое состояние водосбора. Понимание характеристик спада имеет важное значение для управления водными ресурсами в засушливые периоды и прогнозирования условий низкого стока, которые могут вызвать стресс у водной биоты.

Геометрия русла и распределение стока. На расход ручья или реки также влияют условия внутри русла и его геометрия. Расположение участка, несущего наибольший поток (обычно самая глубокая часть русла), называемого тальвегом, зависит от формы берега, ширины потока, материала русла и скорости осаждения наносов. Как правило, самые высокие скорости потока наблюдаются в тальвеге или вблизи него (см. главу 4) и обусловлены сопротивлением течению, обычно связанным с материалом русла (т.е. шероховатостью русла). Смоченный периметр представляет собой расстояние в поперечном сечении вдоль русла и берегов, где происходит контакт с водой.

Соотношение гидравлического радиуса и глубины. Смоченный периметр может быть одинаковым для глубокого узкого горного ручья с высокими берегами и широкой мелководной равнинной реки, однако одинаковый сток через эти каналы приведет к совершенно разным условиям течения (Lane, 1937; Chow, 1959). Гидравлический радиус потока — это отношение площади поперечного сечения к смоченному периметру. В водотоках, ширина которых пропорциональна глубине (например, отношение ширины к глубине превышает 20:1), гидравлический радиус и гидравлическая глубина почти равны и приблизительно равны средней глубине потока, поскольку смоченный участок на берегах мал по сравнению со смоченной длиной русла. Следовательно, большинство гидрологов и экологов водотоков используют термины «средняя глубина», «гидравлическая глубина» и иногда «гидравлический радиус» как взаимозаменяемые.

Кривые продолжительности стока и анализ частоты наводнений. Помимо предоставления информации о водоснабжении, данные о расходе воды чаще всего используются для прогнозирования продолжительности, интенсивности и вероятности наводнений. Эти прогнозы выполняются путем построения кривых продолжительности стока и прогнозирования частоты наводнений. Кривая продолжительности стока представляет собой полулогарифмический график зависимости расхода от процента времени, в течение которого данный расход равен или превышен (рис. 3.4). Если кривая имеет крутой наклон, водосбор быстро улавливает значительный объем прямого стока. Если кривая пологая, то в пределах водосбора имеются значительные запасы воды в виде поверхностных или подземных вод, и сток собирается медленнее (Morisawa, 1968).

Рис. 3.4. Кривая продолжительности стока реки Локаст-Форк, полученная на измерительной станции Геологической службы США близ Траффорда, штат Алабама, за 1951 водохозяйственный год (курсивом).

Интервалы повторяемости и вероятность наводнений. Частое использование данных о расходах воды позволяет прогнозировать масштабы и частоту наводнений. Кривая частоты наводнений позволяет гидрологам оценить вероятность того, что наводнение определенного размера или крупнее произойдет в любой конкретный год. По общему правилу, максимальные расходы за каждый год измерений ранжируются и наносятся на график в виде кривой совокупной частоты. Альтернативным методом является расчет интервала повторяемости — количества лет, в течение которых может произойти наводнение заданной величины или более (рис. 3.5). Эта информация используется при проектировании инфраструктуры, управлении поймами и оценке экологических рисков.

Рис. 3.5. Кривая продолжительности стока и интервал повторяемости для реки Сако на измерительной станции Геологической службы США близ Конвея, штат Нью-Гэмпшир, за период 1930–2002 гг. Прогнозируемый 100-летний уровень наводнения составляет около 1600 cfs (курсивом).

Кривые массы и анализ кумулятивного расхода. Еще одно полезное представление о потоках можно получить, построив график зависимости кумулятивного расхода от времени, что позволяет оценить фактическую последовательность и постоянство потоков от месяца к месяцу или от года к году. Наклон линии стока на этом графике, называемом кривой массы, равен скорости стока (рис. 3.6). При построении графика за много лет можно определить величину и частоту конкретного стока в последующие годы. Когда доступны данные о численности рыб, становится возможным соотнести успешность нереста с величиной и продолжительностью течений во время нереста и инкубации, чтобы оценить минимальный расход, необходимый для поддержания стабильности популяции (Newbury и Gaboury, 1993).

Рис. 3.6. Кривая массового расхода воды в реке Локаст-Форк, полученная на измерительной станции Геологической службы США близ Траффорда, штат Алабама, за 1947–1954 гг. (курсивом).

Объем водохранилища и продуктивность водосбора. Когда калибровочная кривая расхода преобразуется в объем водохранилища (например, в акро-футах в год), касательные, проведенные в верхних точках кривой массы, могут дать информацию об оптимальном размере водохранилища и/или продуктивности данного водосбора (Linsley et al., 1992). Это приложение особенно ценно для планирования водоснабжения, проектирования гидроэлектростанций и управления экологическими потоками. Понимание взаимосвязи между режимами стока и емкостью водосборов позволяет более устойчиво развивать водные ресурсы.

Полевые методы и задачи главы. В данной главе представлены несколько полевых методов измерения расхода, а также аналитические методы для создания и изучения гидрографических данных. Некоторые методы подходят только для потоков низкого порядка, но большинство могут быть адаптированы к системам более высокого порядка. Конкретными целями являются: (1) понимание методов выбора подходящих участков для измерения расхода; (2) ознакомление исследователей-лотиков с правильными методами использования измерителей течения, расчета скоростей и расходов, а также создания и анализа гидрографических данных; (3) обеспечение лучшего понимания того, как анализ стока может быть использован для интерпретации формы русла, формы бассейна, моделей землепользования, паводковых условий и распределения биоты в речных системах.

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.