Геоморфология речных пойм: процессы намыва, авульсия и динамика местообитаний

Неотъемлемым компонентом структуры и функционирования речной экосистемы является взаимосвязь между динамикой стока и перемещением субстратного материала. Многое из того, что мы наблюдаем вдоль ручьёв и речных ландшафтов, представляет собой результат речных геоморфологических процессов, вызванных пороговым увлечением неуплотнённого материала потоком жидкости, которое происходит регулярно в течение длительных периодов времени. Эти процессы сопровождаются кратковременными эпизодами интенсивных геоморфологических работ во время наводнений, которые в совокупности формируют прибрежные коридоры и поймы рек. Следовательно, существует геоморфологический порог ландшафтного масштаба; при его пересечении во время паводков формируются физические условия, рельеф и геоморфологический состав отложений, определяющие приречные ландшафты.

Речные геоморфологические процессы не только формируют речной ландшафт (Стэнфорд и др., 2005; см. главу 1), но и существенно влияют на донные организмы из-за высокой скорости течения и размыва донных отложений (Стивенсон, 1990; Дэт и Уинтерборн, 1995; Таунсенд и др., 1997; Арскотт и др., 2005). Процессы намыва, размыва наносного материала и формирования местообитаний речного происхождения усиливают связи между водными и наземными организмами (Петцольд и др., 2005). Эти взаимодействия подчёркивают экологическую важность понимания геоморфологической динамики в системах водотоков. Для всестороннего обзора структуры стока и стабильности русла читателям следует обратиться к Лорангу и Хауэру (2003). Данная глава посвящена речным процессам, связанным с поймами рек, поскольку эти системы относятся к числу наиболее геоморфологически активных и находящихся под угрозой исчезновения ландшафтов мира (Токнер и Стэнфорд, 2002).

A. Пойменные процессы и меняющаяся мозаика местообитаний. Поймы ручьёв и рек представляют собой геоморфологически сложную среду, состоящую из трёхмерной мозаики местообитаний речного происхождения, расположенных как над поверхностью, так и под землёй. Поймы включают множество русловых местообитаний (например, перекатов, прогонов, плёсов; см. главу 2), различных прибрежных местообитаний (лесных, кустарниковых и водно-болотных комплексов; см. главу 31) и подземных местообитаний с низкой и высокой гидравлической проводимостью (например, гипорейная зона; см. главу 6). Этой сложности способствуют зоны обмена между поверхностными и подземными водами (см. главу 33). Периодический унос неуплотнённого материала потоком приводит к смене местообитаний со скоростью, зависящей от характеристик паводкового стока на водосборе (см. главу 3) и геоморфологической структуры (конфигурации долины, размера слоя материала, наличия крупной древесины).

Геоморфологические работы во время наводнений в сочетании с восстановлением прибрежных районов и сукцессией растений определяют динамику геоморфологических процессов, ведущих к изменению мозаики местообитаний (см. Хауэр и др., 2003; Лоранг и др., 2005; Стэнфорд и др., 2005). Область поймы, часто прочёсываемая на уровне, близком к полноводному, характеризуется руслами ручьёв, заводями, прудами и отмелями, обнажающимися во время основного стока (таблица 1.1). В этих местообитаниях парафлювиальной зоны преобладают размыв, эрозия и отложения поверхностных слоёв (Хауэр и Лоранг, 2004; Стэнфорд и др., 2005). Формы рельефа, составляющие парафлювиальную пойму (каналы, промоины, пруды, заводи, родниковые ручьи, перемычки, дамбы, банки и уступы), формируются в результате баланса между доступной мощностью потока (см. главу 4) и режимом наносов, который включает поступление наносов и распределение доступных размеров частиц.

Береговая и русловая эрозия, перенос наносов и отложение отложений в совокупности называются процессами намыва (аллювиации), которые происходят в результате объёма работы, выполняемой потоком воды через речной ландшафт (рис. 7.1). Зона поймы, в которой преобладают поздние стадии регенерации (например, древостои тополей) и сукцессия зрелых растений, называется ортофлювиальной зоной (рис. 7.1). Принципиальное различие между парафлювиальной и ортофлювиальной зонами обусловлено преобладающим процессом: в ортофлювиальной зоне отсутствуют широко распространённые промывные потоки. Таким образом, изменения местообитаний в ортофлювиальной зоне обусловлены не быстрой и повторяющейся сменой в результате частых промывок, а сукцессией растений и их связями с поверхностными и подземными водами (см. главу 33).

Рисунок 7.1. Наклонный аэрофотоснимок, показывающий поперечную протяжённость парафлювиальной и ортофлювиальной зон поймы реки Ньяк в среднем течении реки Флэтхед, штат Монтана. Расположение временных рядов аэрофотоснимков, представленных на рисунке 7.7, отмечено красной стрелкой.

Ортофлювиальная зона может быть дополнительно подразделена на активную и пассивную зоны (рис. 7.1). Активная ортофлювиальная зона часто затапливается ежегодными паводками, где прибрежные леса создают сильное сопротивление течению, что приводит к быстрому отложению взвешенных осадков. Песок и более мелкие отложения накапливаются на гравийных полосах, образовавшихся в парафлювиальной зоне во время наводнений, что приводит к формированию более высоких шельфов недавнего происхождения (Стэнфорд и др., 2005). Пассивная ортофлювиальная зона образуется в результате многолетнего накопления отложений и органического материала, формируя высокие отмели, которые затапливаются реже, чем активная зона. Такое снижение уровня затопления приводит к гораздо более медленным темпам роста, при этом в пассивной зоне часто преобладают прибрежные леса поздней сукцессии, существующие на древних (>1000 лет) уступах поймы (рис. 7.1).

В отличие от террас, эти ортофлювиальные уступы часто затопляются, но без достаточной мощности, чтобы вызвать эрозию. Обе ортофлювиальные зоны обычно содержат остаточные русла, образовавшиеся, когда территория была занята главным руслом и связанной с ним парафлювиальной зоной, в периоды, когда река перемещалась от одного края поймы к другому. Эти остаточные каналы могут функционировать как паводковые каналы, весенние ручьи, заводи, пруды или палеорусловые водно-болотные угодья. Понимание этих различий важно для интерпретации неоднородности местообитаний в пойменных районах и закономерностей экологической сукцессии.

Б. Сокращение и заполнение аллювиальных отложений и авульсия. Преобладающие ортофлювиальные русла, как правило, являются остатками русла, образовавшегося в результате прошлых событий авульсии (прорыва русла). Авульсия — это процесс, при котором река частично или полностью покидает существующее русло, чтобы сформировать новое. Прорывы русла могут происходить как в парафлювиальных, так и в ортофлювиальных зонах поймы. Процессы намыва и авульсии приводят к образованию общего набора форм рельефа (балки, каналы, промоины, пруды, заводи), типичных для парафлювиальной зоны.

Парафлювиальная зона может быть дополнительно разделена на активную и пассивную подзоны в зависимости от доступных уровней мощности потока. В активных зонах преобладают размыв, эрозия и отложение донных отложений в виде отмелей и островов, тогда как пассивные зоны характеризуются отложением мелкозернистых отложений в результате речных взвесей (мелкого песка, ила, глины). Однако все ландшафтные особенности поймы первоначально формируются в активной части парафлювиальной зоны. Переход от парафлювиальных к ортофлювиальным местообитаниям происходит по мере смещения преобладающих речных процессов от эрозии, размыва и отложения наносов к отложению взвешенных веществ, восстановлению прибрежной растительности и сукцессии (Стэнфорд и др., 2005).

Во время паводков обычно образуются как прорывы русла, так и глубокие промоины, иногда в связи с большим количеством крупной древесины или другими препятствиями течению. Когда промоина или заброшенный канал перекрывают уровень грунтовых вод, образуется парафлювиальный пруд или весенний ручей (рис. 7.2 А, Б). Недавно обнаружено, что такие парафлювиальные водоёмы поддерживают высокое биологическое разнообразие (Чилкот, 2004; Арскотт и др., 2005; Стэнфорд и др., 2005; Токнер и др., 2006). Наводнения часто приводят к быстрому и чрезмерному отложению донных осадков, формирующих высокие галечные отмели и острова. По мере спада паводковых вод песок и мелкие отложения отсеиваются с обнажённых плоских вершин отмелей, оставляя бронированный слой, в то время как более мелкие фракции оседают в виде отчётливых отложений по краям отмелей, заброшенным каналам и промоинам (рис. 7.2 В, Г).

Рисунок 7.2. А. Заброшенный канал после парафлювиального выброса (остатки парафлювиального пруда). Б. Парафлювиальный пруд, расположенный в промоине после полного сброса воды с берега (отложение осадочного слоя, образующего высокие гравийные полосы, и песчаная завеса в результате отсева мелких отложений во время спада паводка). C. Большой парафлювиальный пруд, соединённый с заводью главного канала. D. Небольшой парафлювиальный пруд в промывочной яме. Фотографии A и B относятся к более активной парафлювиальной зоне (преобладают размыв и отложение поверхностных слоёв); C и D — к более пассивной зоне (преобладают отложения взвешенных частиц, песков и ила, что приводит к сдвигу процесса в сторону ортофлювиального состояния).

Крупная древесина также играет роль, отклоняя и снижая скорость течения, что приводит к образованию сложных участков поверхностных отложений и связанной с ними колонизирующей прибрежной растительности. Физическая эволюция от активных парафлювиальных зон к пассивным ортофлювиальным начинается либо с прорывов русла, либо с отложения гравийных кос, которые перемещают или отклоняют эрозионное действие реки. Когда это происходит, доминирует регенерация прибрежной растительности как основной процесс формирования среды обитания (рис. 7.2 В, D). Как только активная парафлювиальная зона удаляется от вновь образовавшихся геоморфологических объектов, отложение взвешенных наносов начинает доминировать в процессах формирования ландшафта.

Этот сдвиг в доминировании процессов изменяет траекторию эволюции среды обитания от активной парафлювиальной к пассивной парафлювиальной и, в конечном счёте, к ортофлювиальной среде, где преобладают сукцессия растений и отложение взвешенных осадков (см. таблицу 1.1). Заключительный этап геоморфологической эволюции наступает, когда отложения осадочного и органического материала поднимают то, что было парафлювиальным гравийным валом, который затем превращается в пассивный ортофлювиальный пойменный уступ, редко затопляемый паводками. Этот процесс может быть ускорен регулированием стока для борьбы с наводнениями или изменением берегов каналов с помощью дамб. Борьба с наводнениями и регулирование гидроэнергетики в конечном итоге сокращают протяжённость активной парафлювиальной зоны, что приводит к уменьшению образования новых гравийных отмелей и потере динамики, поддерживающей меняющуюся мозаику местообитаний (Стэнфорд и др., 1996).

Авульсия является особенно важным процессом для поддержания и обновления пойменной среды обитания. Например, прорыв русла может поддерживать активную ортофлювиальную зону, характеризующуюся постоянно текущими ручьями и паводковыми каналами с гравийными перемычками, которые превратились в уступы, часто поддерживающие старовозрастные прибрежные леса (рис. 7.3). В этих районах преобладают затопления берегов, связанные с отложением мелких взвешенных осадков и накоплением органического материала. Заводные местообитания, соединённые с основным руслом в нижней части бара, образуются в результате авульсии в сочетании с образованием бара и острова.

Рисунок 7.3. А. Пойма реки Спрингбрук, протекающая по древнему руслу (старовозрастные леса по обе стороны). Б. Большая пойма реки Спрингбрук, протекающая по основному руслу 1940-х годов; после ортофлювиального выброса парафлювиальная зона переместилась примерно на 400 м вправо. C. Старый ортофлювиальный пруд, занимающий древнее русло в пойме. D. Остаточный канал, когда-то активный в парафлювиальной зоне, теперь находящийся в ортофлювиальной зоне.

Таким образом, авульсия может привести к образованию сложного массива местообитаний в пределах активной ортофлювиальной зоны, в зависимости от того, какие процессы аллювиации преобладают во времени, а также от относительной прочности связи с нижележащим уровнем грунтовых вод. Ортофлювиальный ручей, действующий как сезонный паводковый канал, может образоваться в результате прорыва, если на верхнем конце не образуется естественная дамба, блокирующая приток паводковых вод (рис. 7.3 А, Б). И наоборот, многочисленные прорывы или образование дамб могут препятствовать функционированию канала как паводкового, за исключением самых сильных паводков. Когда такие ортофлювиальные каналы поддерживают прочные связи с подземными водами, может образовываться многолетний ручей (рис. 7.3 Б). Сложные водно-болотные угодья могут формироваться в ортофлювиальных русловых каналах, которые не действуют как каналы сезонного затопления, но имеют прочные связи с грунтовыми водами в сочетании с частым отложением осадков из заводей и затоплением берегов (рис. 7.3 В). Когда преобладают процессы заполнения берегов и подпорных водоёмов, ортофлювиальные каналы могут полностью покрыться растительностью (рис. 7.3 Г).

C. Краткое изложение. Физические процессы сплошного намыва постоянно создают новые поверхности для сукцессии растений, которые обеспечиваются материалом, поступающим либо из источников выше по пойме, либо в результате эрозии и переработки существующих поверхностей в пойме. Закономерности отложения донных отложений в виде полос в сочетании с режимом стока и особенностями обмена поверхностными и подземными водами определяют успешность пополнения запасов и формирования прибрежной растительности (Руд и Махони, 1990). Крупномасштабное производство древесины на размываемых берегах влияет на гидравлику стока, изменяя схемы транспортировки и хранения наносов и создавая сложную обратную связь между разрушением и созданием среды обитания.

Биофизический ландшафт речной поймы определяется шестью взаимосвязанными факторами: (1) речными геоморфологическими процессами, которые разрушают, переносят и откладывают материал; (2) закономерностями взаимодействия поверхностных и подземных вод и обмена ими по всему ландшафту, обусловленными гидравлической проводимостью (см. главу 6) донных отложений по вертикали и горизонтали; (3) распределением температуры воды; (4) биогеохимическими процессами, происходящими в прибрежных водах, которые проникают в подземную структуру, проходят через неё и вытекают из неё; (5) успешным формированием и восстановлением прибрежной растительности; (6) поступлением элементов, препятствующих течению, таких как древесный мусор, как в результате оборота прибрежных лесов в пойме, так и из горных источников.

Данная глава преследует две цели: (1) установить описательную связь между наблюдаемым массивом пойменных местообитаний и узнаваемыми моделями речных геоморфологических процессов; (2) представить количественный подход к концепции геоморфологических порогов с точки зрения взаимосвязи геоморфологических характеристик и стока. Понимание этой динамики имеет важное значение для эффективного сохранения, восстановления пойменных земель и управления ими в условиях продолжающихся изменений окружающей среды и антропогенного воздействия.

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.