Гидрологические факторы формирования временных водоемов: инфильтрация, сток и региональные особенности

Гидрологические характеристики временных водоемов существенно различаются в разных регионах земного шара под воздействием нескольких ведущих факторов, среди которых основными являются местный климат, приповерхностная геоморфология, тип растительности и характер землепользования. Тем не менее, в основе формирования как постоянных, так и временных водных объектов лежит единый цикл стока, определяющий поступление, перераспределение и потерю воды. Понимание этих гидрологических процессов необходимо для прогнозирования гидропериода (продолжительности существования водоема), что, в свою очередь, влияет на структуру и динамику водных и околоводных биотических сообществ. Атмосферные осадки выступают наиболее значимым источником воды (рис. 2.1), однако еще до контакта с земной поверхностью часть влаги многократно перехватывается кронами деревьев и другим растительным покровом. Вода, осевшая на открытых листовых поверхностях, быстро испаряется под действием ветра и солнечной радиации, не достигая почвенного горизонта.

Рисунок 2.1. Основные компоненты цикла стока, которые способствуют образованию воды в пруду или ручье. На схеме представлены взаимосвязи между атмосферными осадками, перехватом растительностью, инфильтрацией, поверхностным стоком, внутрипочвенным (межпластовым) стоком и грунтовым питанием, а также испарением и транспирацией. Данные компоненты в совокупности определяют водный баланс временного водоема.

Вода, достигшая поверхности почвы, подвергается инфильтрации — процессу впитывания в грунт. Скорость инфильтрации зависит от типа почвы, ее агрегации (структурной организации), начальной влажности и наличия защитного покрова. В особо глинистых почвах с низкой водопроницаемостью вода может скапливаться на поверхности в мелких понижениях рельефа, образуя лужи и небольшие ручейки. Как правило, такие скопления недолговечны, поскольку вода постепенно просачивается по почвенным трещинам и участкам с более высокой проницаемостью, либо испаряется. Данные образования полностью соответствуют определению эпизодических временных водоемов, так как их появление во времени и точное физическое местоположение остаются непредсказуемыми. Если подобные эпизодические водоемы не расположены вблизи источников быстро колонизирующейся биоты (например, в зоне досягаемости насекомых с высокой дисперсионной способностью), они вряд ли обеспечат устойчивое существование многих гидробионтов. Типичными примерами служат дождевые лужи и временные потоки, образующиеся после ливней или снеготаяния, а также неглубокие впадины в обнажениях коренных пород, где инфильтрация практически отсутствует.

Там, где имеется развитый почвенный слой, просочившаяся в поверхностные горизонты вода теряется за счет прямого испарения обратно в атмосферу под действием ветра и тепла, а также поглощается корнями и затем транспирируется напочвенной растительностью (травы, кустарнички). Когда интенсивность выпадения осадков превышает инфильтрационную способность почвы и все поверхностные понижения (лужи) уже заполнены, начинается сток по суше — склоновый сток, не организованный в русла. По достижении естественного или антропогенного русла ручья этот процесс переходит в поверхностный сток. Если рельеф местности не позволяет воде оттекать по открытому каналу, она аккумулируется в низинах, формируя пруд. Часть влаги, проникшей в уже насыщенную почву, при наличии относительно непроницаемого слоя вблизи поверхности движется латерально и поступает в русло или пруд в виде межпластового (внутрипочвенного) стока. Остальная инфильтрованная вода, достигшая уровня грунтовых вод, рано или поздно также питает водный объект в форме базисного стока (или стока грунтовых вод). Таким образом, вода в ручье или пруду имеет комбинированное происхождение: прямые осадки на зеркало водоема, поверхностный склоновый сток, межпластовый сток и разгрузка грунтовых вод.

Инфильтрация является, пожалуй, наиболее критическим фактором в регуляции гидрологического режима временных водотоков, поскольку она определяет, как осадки распределяются между наземным, внутрипочвенным и подземным стоком. Хортон (1933) определил инфильтрационную способность как максимальную скорость, с которой данная почва способна поглощать осадки при конкретных условиях. На начальном этапе инфильтрации важную роль играют капиллярные силы почвенной влаги, хотя для средне- и крупнозернистых грунтов влияние этих сил становится пренебрежимо малым после продвижения фронта инфильтрации на глубину более одного метра (Дэвис и Дьюист, 1966). Наиболее сильно капиллярные силы проявляются в мелкозернистых почвах с низкой начальной влажностью. Воздух, заключенный между почвенными частицами, может оказывать эффект, противоположный структурному уплотнению: на начальном этапе скорость инфильтрации замедляется, поскольку продвигающийся фронт воды вытесняет воздух, что способствует образованию «сухих карманов», служащих барьерами для движения влаги. Однако по мере продвижения фронта часть воздуха растворяется или вытесняется, и темпы инфильтрации могут ускориться.

Состояние почвы, прежде всего ее текстура (гранулометрический состав) и структура (агрегированность), имеет первостепенное значение. Например, голая поверхность почвы непосредственно подвергается ударам дождевых капель, что ведет к уплотнению верхнего горизонта, а также к вымыванию мелких частиц в открытые трещины и поры. Это, в свою очередь, снижает инфильтрацию по мере продолжения дождя и может спровоцировать поверхностный сток. Напротив, густой растительный покров защищает почву от уплотнения и закупоривания пор, а корни растений удерживают структурную открытость грунта, увеличивая нормальную скорость инфильтрации. На инфильтрационную способность также влияет образование почвенной корки на поверхности, которая блокирует крупные поровые пространства; такая корка может сохраняться до тех пор, пока не будет нарушена ростом растений, деятельностью почвенной фауны, эрозией, обработкой или циклами замораживания-оттаивания. Каменный покров (обломки пород, галька) оказывает двоякое действие: с одной стороны, камни и крупный гравий защищают поверхность от дождевых ударов и коркообразования, что увеличивает инфильтрацию; с другой стороны, они уменьшают площадь поверхности, доступную для впитывания (Bull and Kirby, 2002). Это противоречие требует учета доли каменистого покрытия при гидрологических моделях.

Учитывая перечисленные факторы, можно предположить, что в регионах с умеренным климатом большое количество временных ручьев и прудов будет поддерживаться на участках с глинисто-суглинистыми почвами, интенсивно обрабатываемых (пашня), где вырублены крупные древостои и большая часть кустарников, где голая почва встречается чаще, чем пастбища, и где проволочные ограждения преобладают над живыми изгородями (рис. 2.2). Если бы такую землю оставили под залежью или естественной растительностью, на ней, вероятно, было бы значительно меньше постоянных водотоков и прудов, но при этом не образовывалось бы избыточное количество временных объектов. Однако такие прогнозы могут быть скорректированы современными данными о взаимосвязи между циклами роста лесов и расходом воды в ручьях. В управляемых лесах предпосадочный дренаж часто приводит к увеличению стока в маловодных районах, если осушается более 25% водосборной площади. Во все годы, кроме самых засушливых, восстановление лесной растительности уменьшает меженный расход, тогда как сплошные рубки вначале увеличивают маловодье, но затем сток снижается в зависимости от скорости отрастания растительности (Джонсон, 1998). Следовательно, влияние лесного хозяйства на временные водоемы неоднозначно и зависит от масштаба рубок и последующего лесовосстановления.

Рисунок 2.2. Ручей Киркленд, протекающий с перерывами в южном Онтарио, Канада, поздней весной (фотография слева) и поздним летом (фотография справа). На левом снимке (поздняя весна) русло полностью заполнено талыми и дождевыми водами, наблюдается активный поверхностный сток. На правом снимке (позднее лето) русло полностью пересохло, что иллюстрирует сезонную прерывистость водотока, характерную для умеренного климата с выраженным летним дефицитом осадков и высокой эвапотранспирацией.

Там, где почва характеризуется высоким содержанием песка (высокая инфильтрационная способность), удержание воды в русле ручья или пруду будет в значительной степени определяться уровнем залегания грунтовых вод. Во многих засушливых и полузасушливых регионах уровень грунтовых вод находится глубоко, что в сочетании с малым количеством осадков и высокой скоростью испарения создает ландшафт, богатый временными водоемами (Nanson et al., 2002). В зависимости от регулярности выпадения осадков такие местообитания будут относиться либо к периодическим (заполняющимся более-менее регулярно), либо к эпизодическим (заполняющимся нерегулярно). Примеры Сикамор-Крик в Аризоне и Драй-Крик в Оклахоме, приведенные в главе 1 (рис. 1.3), показывают, что в подобных водотоках наблюдается целый спектр гидрологических типов — от почти постоянных до крайне непредсказуемых, с многолетними перерывами в стоке.

Во влажных тропиках почвы часто остаются полностью насыщенными влагой на протяжении большей части года. Здесь продолжительность существования поверхностных вод сильно зависит от испарения. Например, около двух третей воды, поступающей в речные бассейны Суринама, возвращается обратно в атмосферу (Amatali, 1993). Таким образом, продолжительность жизни пойменных водоемов будет определяться такими факторами, как степень ветрового воздействия (усиливающего испарение) и прямая солнечная радиация. Для весенних лесных водоемов Новой Англии Брукс и Хаяси (2002) исследовали прогностические взаимосвязи между глубиной, площадью, объемом и гидропериодом (продолжительностью фазы наполнения). Самую сильную связь они обнаружили между гидропериодом и максимальным объемом бассейна.

В целом, водоемы с максимальной глубиной более 50 см, максимальной площадью поверхности более 1000 м² или максимальным объемом более 100 м³ содержали воду более чем в 80% случаев при посещениях. Однако авторы пришли к выводу, что выявленные слабые корреляции между морфометрией бассейна и гидропериодом указывают на то, что другие факторы — прежде всего временные закономерности выпадения осадков, суммарное испарение (эвапотранспирация) и обмен грунтовыми водами — оказывают существенное, а зачастую и доминирующее влияние на гидрологию и гидропериодичность таких водоемов. Это заключение подчеркивает необходимость комплексного подхода к гидрологической классификации временных водотоков и водоемов, учитывающего не только их морфологию, но и динамические факторы водного баланса.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Д. Дадли Уильямс, Блауштейн Л. и С.С. Шварц, Кили Дж.Э. и П.Х. Зедлер, Аматали М.А., Боуэн Р.

Источник: Биология временных водоемов

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим биологические и экологические науки, начинающим исследователям в области экологии пресноводных водоемов и зоологии беспозвоночных, а также специалистам по охране природы и всем, кто интересуется глобальной сравнительной экологией сообществ временных водных сред обитания.