Среди планктонных водорослей в реках средней полосы наибольшее значение имеют диатомовые, далее следуют зеленые, сине-зеленые и очень немногочисленны виды бурых и красных. В холодное время года особенно много диатомовых водорослей, а с наступлением лета ведущая роль часто переходит к зеленым. Из отдельных форм наибольшее значение в фитопланктоне рек имеют диатомовые Melostra, Asterionella и Cyclotella, зеленые Closterium, Реdiastrim и Scenedesmus, сине-зеленые Microcystis, Aрhanizomenon и Anabaena.

Среди планктонных животных в наших реках наиболее многочисленны инфузории, особенно виды родов Tintinnidium и Tintinnoрsis. Очень разнообразны и обильны по численности бесцветные жгутиконосцы. Весьма многочисленны в толще воды коловратки, особенно Eeratella, Asрlanchna и Bracbionus, ветвистоусые рачки, в частности Daрhnia, Bosmina, Ceriodaрhnia, и веслоногие, из которых чаще других встречаются Cycloрs, Diaрtomus и Mesocycloрs.

Вследствие поступательного и турбулентного характера движения воды планктон в реках распределяется обычно довольно равномерно как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.

Количество планктона в реках сильно меняется на протяжении года, падая до минимума зимой и во время половодья вследствие разбавления талыми водами, почти не содержащими каких-либо организмов, за исключением бактерий. С весны к лету количество планктона вследствие размножения возрастает, испытывая вместе с тем заметные колебания при изменениях уровня воды. Когда уровень понижается, вода из придаточных водоемов, богатых планктоном, поступает в русло реки, и реопланктон становится обильнее. Во время поднятий уровня вследствие притока дождевых вод или усиления таяния снегов зоопланктон количественно обедняется. После летнего максимума численность планктонных организмов начинает снижаться, что в первую очередь связано с переходом многих гидробионтов к существованию в форме покоящихся на дне стадий. Планктонты, ведущие активную жизнь в течение всего года, осенью становятся малочисленнее, так как условия их питания ухудшаются, и соответственно падает темп размножения.

С продвижением вниз по течению реки население пелагиали закономерно трансформируется. Соответственно падению скорости течения и осветлению воды фитопланктон равнинных рек обогащается, количество образуемой им первопищи увеличивается. Среди животных ракообразные начинают все более доминировать над коловратками. Степень утилизации животными продуцируемого автотрофами органического вещества далека от максимальной, поэтому значительное количество водорослей и продуктов их распада поступает на дно. Обогащение грунта органическим веществом создает благоприятные трофические условия для существования грунтоедов и детритофагов.

Бентос рек преимущественно представлен животными. Донные растения довольно обильны в реках с прозрачной водой. Образование прибрежных зарослей тормозится размыванием берегов, а также колебаниями уровня, вследствие которых растения часто оказываются вне воды и погибают.

Распределение бентоса в реках характеризуется закономерным изменением его видового состава и биомассы от истока к устью и с продвижением от берегов к стрежню. Характер этих изменений в реках разного типа и их различных участках неодинаков.

Бентос рек резко обедняется в паводковое время, когда при высокой скорости течения воды из грунта вымываются и сносятся вниз по течению высшие раки, олигохеты, ручейники, поденки, личинки двукрылых и многие другие организмы. В наибольшей степени обедняется после паводка население заиленных грунтов, да и сами эти грунты смываются почти нацело. После прохождения паводка по мере падения скорости течения, стабилизации грунтов и их заиления бентос постепенно обогащается. Наиболее богат он в предпаводковое время.

Перифитон в основном слагается из форм, поселяющихся на мхах, и цветковых растениях, среди которых наиболее часто встречаются рдесты, камыш, тростник, кубышка, роголистник, стрелолист. На их поверхности живут многочисленные бактерии и водоросли, простейшие, личинки насекомых, особенно хирономид и симулиид, губки и мшанки, некоторые олигохеты.

Нектон в основном представлен рыбами. Из жилых рыб в реках наиболее характерны лещ, щука, судак, налим, окунь.

Следует заметить, что четких схем роста и развития организмов в малых реках пока не существует. Если для океанических течений, планктона прудов и озер они есть, то для планктона рек их нет. Планктон малых рек имеет в большей степени аллахтонное, перифитонное и эпифитонное происхождение и поэтому вряд ли имеет смысл искать абсолютные схемы, характерные для других объектов. О росте и развитии планктона в текущих водах можно говорить только в том случае, если жизненный цикл вида будет более коротким, нежели время транспортировки планктона от источника поступления до рассматриваемого сечения реки. Такие условия могут существовать в медленно текущих реках, где скорости не превосходят нескольких метров в минуту.

Здесь нужно исходить из наблюдаемого в данных условиях видового состава, и наличия на территории бассейна соответствующих этим видам устойчивых экологических ниш, как возможных источников поступления этих видов планктона в поверхностные воды. Следует ожидать, что в фитопланктоне часто можно встретить сине-зеленые микроводоросли, а в условиях заболоченных пойм с кислыми водами зеленые и другие виды семейства деснидиевых. Условия для развития перифитона и эпифитона в малых реках достаточно хорошие. Среди перифитонных видов, как и в других водоемах устойчиво преобладают диатомывые и зеленые микроводоросли.

Построению биотического блока модели должна предшествовать работа по схематизации видового состава и условий развития организмов.

И все же, несмотря на сказанное, более или менее устойчивые условия формирования стока рек, устойчивые зависимости развития видов от абиотических факторов позволяют построить приближенные схемы функционирования планктона для малых рек. Можно предположить, что в первом приближении сезонная сукцессия фито и зоопланктона малых рек проходит по следующей схеме.

Зимний период. Фитопланктон представлен в основном диатомовыми, зоопланктон - коловратками и простейшими. В начале марта может наблюдаться увеличение численности за счет поступления биогенов и повышения температуры.

Весенний период. Преобладают зеленые. В зоопланктоне ведущую роль начинают играть копеподы (веслоногие рачки), которые по мере своего развития (как правило, несколько недель) оказываются привнесенными из застойных речных зон.

Летний период. В фитопланктоне преобладают аллохтонные виды сине-зеленых и перифитонные виды диатомовых. Веслоногих рачков сменяют - ветвистоусые (вслед за прогревом воды). Их биотопом является мелководье и заросли макрофитов. В основной поток они устойчиво привносятся из своего биотопа.

Осенний период. В составе фитопланктона доминируют сине-зеленые. Но часто в конце лета начале осени наблюдается вспышка численности перидиниевых или золотистых. В зоопланктоне с понижением температур начинают преобладать зимние виды.

Абиотические факторы роста и развития биоты рек.

Условия окружающей среды, определяющие рост и развитие биотических сообществ принято называть абиотическими факторами. Наибольшее значение для обитателей рек среди них имеют уровненный режим, скорость течения, прозрачность, температура и солевой состав воды, а для обитателей дна и характер грунтов.

Наземный и грунтовый сток

Наземный (поверхностный) сток. Процесс стекания воды с поверхности водосбора очень сложен по сравнению с движением воды в руслах каналов и рек. Согласно схеме Н.Е. Долгова, при формировании стока выделяют 4 фазы:

Начальная фаза. Сток отсутствует. Атмосферные осадки аккумулируются в углублениях рельефа, инфильтруются, затрачиваются на испарение.

Фаза подъема. Продолжается от появления первых струек до момента подхода струй к рассматриваемому створу.

Фаза полного стока. Вода стекает со всей площади бассейна.

Фаза спада. Соответствует уменьшению стока и его полному прекращению.

Несмотря на кажущуюся простоту и универсальность схемы, она лишь в общем виде представляет явление поверхностного стока и факторы, его определяющие: осадки и инфильтрацию.

В более сложном виде схема формирования стока представлена на рис. 2.

Представленные на схеме блоки осадков и инфильтрации неравнозначны между собой по сложности определяющих факторов, из чего следует необходимость раздельного анализа стока весенних половодий и дождевых паводков.

Климатические условия для водосборов малых рек изменяются слабо, поэтому важную роль в функционировании речных экосистем играет почвенный покров, оказывающий сильное влияние на сток рек и их гидрохимический режим. В общем случае атмосферные осадки, в основном и формирующие сток рек, стекают по поверхности почвы в реки и одновременно просачиваются в почву. Гидрологическое влияние почв определяется главным образом водопроницаемостью и водоудерживающей способностью почвы. При определенных сочетаниях свойств почв поверхностный сток достигает минимума, а подземный - максимума. При слабой инфильтрационной и относительно высокой водоудерживающей способности почвы большая часть атмосферной влаги стекает по поверхности. При высокой инфильтрационной и слабой водоудерживающей способности увеличивается доля воды, которая идет на питание подземных вод.

Все процессы, обусловленные стекающими по поверхности суши водами, принято называть флювиальными. Текущие воды, к которым относятся дождевые, талые снеговые, воды временных и постоянных ручьев и рек, производят разрушение земной поверхности путем растворения, смыва и линейного размыва - эрозии. Они транспортируют и аккумулируют принесенный материал. Движущиеся делювиально-пролювиальные потоки воды уносят в направлении стока наиболее подвижные продукты из коры выветривания и почвенных горизонтов в форме суспензий, истинных и коллоидных растворов.

Для малых рек наземный сток в ряде случаев может быть единственным источником поступления живых организмов в поверхностные воды, аллахтонная составляющая может в некоторые периоды времени составлять до 80% фитопланктона в котором будет велика доля чисто почвенных организмов (сине-зеленые почвенные водоросли, микробы, простейшие).

Грунтовое питание рек. Как известно, наиболее устойчивая часть речного стока, обеспечивающая минимальные расходы реки, связана с его подземной составляющей. Подземный сток изменяется в меньшей степени, чем поверхностный, и его внутригодовое распределение и режим зависят главным образом от характера гидравлической связи реки и дренируемых водоносных горизонтов. Режим и фазы подземного стока из водоносных горизонтов, гидравлически не связанных с рекой, близки к характеристикам поверхностного стока. Отличие состоит лишь в том, что пик подземного стока наступает позднее и выражен менее резко. Паводок на реке незначительно влияет на расход дренируемых горизонтов. В период половодья подземное питание реки усиливается по сравнению с периодом межени, что обусловлено подъемом грунтовых вод.

Режим подземного стока из водоносных горизонтов, имеющих постоянную гидравлическую связь с рекой, полностью зависит от режима реки и отличается лишь противоположной направленностью фаз стока. Повышение уровня воды в реке вызывает в прибрежной зоне уменьшение гидравлических уклонов и расходов подземного потока. При этом в восходящей стадии весеннего половодья может наступить момент, когда уровень воды в реке будет выше уровня грунтовых вод в прибрежной зоне, что приведет к образованию обратных гидравлических уклонов и инфильтрации речных вод в берега. Режим подземного стока из водоносных горизонтов, имеющих периодическую связь с рекой - смешанный (при низких уровнях воды в реке он соответствует режиму водоносных горизонтов, гидравлически не связанных с рекой, а при высоких - режиму водоносных горизонтов, имеющих полную гидравлическую связь с рекой). Режим подземного стока в реку из артезианских водоносных горизонтов стабилен.

Уровенный и скоростной режим рек

Уровенный режим определяется соотношением поступления и расхода воды. Питание рек может быть дождевым, снеговым, ледниковым и подземным. В большинстве случаев питание смешанное, причем соотношение его отдельных форм меняется в разных участках и в разное время года. Повышение уровня реки происходит в результате резкого усиления притока воды в русло рек за счет любых форм питания.

Скорость течения зависит главным образом от уклона ложа, колебаний уровня и величины площади сечения реки. С продвижением от истока к устью, как правило, скорость течения постепенно уменьшается. По поперечному сечению наибольшей она бывает в медиали, заметно меньшей - у берегов. В придонных слоях глубоких рек течение заметно слабее, чем у поверхности. Так как через русло реки в его смежных отрезках проходит практически одно и то же количество воды, скорость ее течения обратно пропорциональна площади сечения потока. Поэтому даже в соседних участках русла скорость течения может сильно различаться. Там, где русло, расширяясь и углубляясь, образует плес, течение ослабевает, а в местах сужения или уменьшения глубины - на перекатах - возрастает. Скорость течения в равнинных реках в межень обычно не превышает 1 м/с, в паводковое время поднимается до 1,5 - 2 м/с. Особо следует отметить, что поток воды в реках имеет турбулентный характер, обусловливающий энергичное перемешивание водной массы и выравнивание всех гидрологических градиентов (температурных, солевых, газовых и др.).

Тепловой режим и условия освещенности

Тепловой баланс рек складывается из энергии, поступающей в виде света, теплообмена с воздухом и потоками энергии, вносимыми наземным и подземным стоком.

Температура воды в реке зависит от характера питания реки, климата района, где она протекает, и различных ее гидрологических особенностей. Крупные реки, текущие в широтном направлении, несут теплые воды в высокие широты и холодные - в низкие. Так как вода в реках интенсивно перемешивается, ее температура в различных участках сечения потока сходна. Сезонные колебания температуры в реках обычно укладываются в амплитуду 0 - 30, а суточные 5 -10 градусов.

Свет быстро угасает в речной воде, если в ней много взвешенного материала, и доходит до дна, когда прозрачность достаточно высока. В реках прозрачность сильно меняется с переходом от паводкового периода (наибольшая мутность) к меженному.

Взвешенные и растворенные вещества

Взвешенные вещества в наибольшем количестве присутствуют в воде, когда скорость ее течения велика и ложе слагается из мягких пород. Минерализация воды сильно меняется по сезонам года, снижаясь во время паводка. В период межени за счет разбавления вод слабо минерализованными дождевыми водами концентрация может сильно изменяться по сезонам года. Количество фосфатов в равнинных реках выражается десятыми и сотыми долями миллиграмма на литр. Концентрация солей азота выше, чем фосфатов.

Растворенные органические вещества встречаются в речной воде в самых разных количествах в зависимости от характера питания. Перманганатная окисляемость воды в реках ледникового питания обычно не превышает 1 - 2 мг/л, при снежном и дождевом питании может подниматься до 15 - 20 мг/л. Особенно велика окисляемость в реках с болотной водой - до 64 мг/л 0₂. Во время обильного стока с поверхности суши (паводки) окисляемость речных вод заметно повышается.

Газовый режим рек, когда они не одеты ледяным покровом, обычно благоприятен для жизни гидробионтов. С момента ледостава концентрация кислорода в воде постепенно падает, и ее минимум наблюдается перед ледоходом. В реках с высокой окисляемостью воды в зимнее время, когда поступление кислорода из атмосферы практически исключается, газовый режим резко ухудшается, и нередко наблюдаются заморы. Углекислоты в речной воде летом очень немного, зимой ее концентрация заметно возрастает, особенно в реках с высокой окисляемостью воды. Сероводород в речных водах практически отсутствует, если они не загрязнены большим количеством различных бытовых и промышленных стоков.

Поверхностные воды как сложная система

Поверхностные воды являются водными растворами солей, органических коллоидов и газов. По терминологии Робинсона и Стокса такие растворы относятся к ассоциированным электролитам. На это указывают многочисленные эксперименты с ионными растворами, в которых в зависимости от их элементарного состава обнаружены различные ассоциации ионов. С одной стороны, некоторые ионы, например, имеют сложное строение, однако в растворах наблюдается большой класс динамических соединений, которые в отдельности в среднем существуют короткое время, но если рассматривать раствор в целом, то в любой момент времени будут наблюдаться ассоциаты, и их содержание в растворе может быть измерено.

В водных растворах наблюдается, кроме того, неполное разложение молекул солей на ионы. Отличие этого явления от образования ассоциатов заключается в наличии ковалентных связей, что может быть также установлено косвенными измерениями.

Основным параметром, количественно характеризующим содержание в растворе вещества, является концентрация. Имеется два способа выражения концентрации раствора: а) абсолютная концентрация; б) относительная концентрация.

Абсолютной концентрацией является величина, равная массе рассматриваемого вещества, растворенного в единице массы растворителя (в случае водных растворов - в единице массы или объема воды).

Относительные концентрации, как правило, отражают вес растворенного вещества, отнесенный к сумме весов всех веществ раствора, кроме растворителя (если учитывается вес растворителя, то получается одна из размерностей абсолютных весовых концентраций).

В природных растворах, как и в большинстве многокомпонентных систем, протекает множество химических процессов гидратации, образования и распада комплексных ионов, гетерофазного химического взаимодействия и т.д. Естественно, что часто эти процессы бывают неизвестны, как и точный состав природных растворов. Поэтому в этих случаях особую значимость приобретают методы, основанные на некоторых интегральных характеристиках системы.

Ионная форма существования вещества является химически активной формой. Поэтому в растворах постоянно протекают химические реакции, которые в общем случае, наряду с тепловым движением, приводят к рассеиванию энергии. Реакции в растворах обычно являются быстрыми реакциями, то есть время установления равновесия определяется минутами, часами, в редких случаях сутками. В большинстве случаев состав природных растворов, включая содержание различных ассоциатов, можно рассчитать, используя данные анализа раствора по суммарному содержанию элементов, исходя из уравнений равновесия. Уравнения равновесия однозначно определяются уравнениями кинетики химических реакций. Химические процессы в растворах обычно протекают обратимо, то есть существует состояние при заданных внешних условиях, когда скорость прямого процесса, например, образования иона, и обратного процесса равны. Химическое равновесие характеризуется двумя признаками (М.Х. Карапетьянц, 1981):

а) при постоянстве внешних воздействий состояние химической системы остается неизменным во времени;

б) система следует за изменениями внешних условий, сколь бы малы они ни были.

В природных растворах можно выделить две важные группы ионных реакций:

1. Реакции ионов, не меняющие валентность ионов. К таким ионам, не меняющим валентности, относятся: Na⁺, K⁺, NH^-₄, Mg²⁺, Al²⁽³⁾⁺, Ca²⁺, H⁺.

2. Реакции, приводящие к изменению валентности ионов, в которых участвуют электроны (реакции окисления-восстановления, протонный обмен). Важнейшими элементами, участвующими в этих реакциях, являются: железо, кислород, азот, углерод, водород и иногда сера.

Общие сведения о физико-химических реакциях в природных водах

Скорости химических реакций, протекающих в природных водах в большинстве случаев весьма велики. Поэтому любое изменение состояния и внешних условий вызовет изменение в их химическом составе. Среди методов, позволяющих определить точный химический состав природных вод как растворов, особая роль принадлежит методам, использующим теорию химического равновесия.

Большую группу реакций в природных водах составляют реакции ассоциации и диссоциации веществ. Общее химическое уравнение этих реакций можно представить в виде:

(30)

Примером таких реакций в природных водах могут являться реакции типа:

 (а)

(б) (31)

(в)

Главной особенностью этих реакций является связывание ионов в соединения и тем самым исключение их из других реакций в которых могут участвовать ионы, объединяющиеся в комплекс. В рассмотрении ионных объединений и ассоциатов нельзя считать, что конкретный ион будет входить в это объединение продолжительное время, но в каждый момент времени часть ионов оказывается связанной в комплекс.

Растворение газов в природных водах

Природные воды всегда в тех или иных количествах содержат растворенные газы. Происхождение этих газов определяется либо их поступлением из атмосферы, либо внутренними химическими и биохимическими процессами в самих природных водах. В состоянии равновесия между концентрациями газа в растворе и над раствором устанавливается некоторое соотношение, описываемое общим уравнением вида (закон Генри).

(32)

где - парциальное давление газа над раствором; - концентрация газа в растворе; - коэффициент распределения. Часто вместо коэффициента используют его обратную величину 1/ и тогда концентрация растворенного газа рассчитывается по формуле:

(33)

Известно, что коэффициент зависит от многих факторов, главными из которых являются состав и концентрация других растворенных веществ и температура. Несмотря на достаточную развитость теоретических представлений о механизмах и закономерностях растворения газов, получить явные формы для зависимости коэффициента от всех его определяющих параметров до сих пор не удавалось.

Свойства реальных растворов значительно отличаются от свойств идеальных модельных растворов. Основное отличие заключается в том, что молекулы растворенного вещества подвергаются в растворе различным превращениям за счет химических реакций, диссоциации и ассоциации молекул растворенного газа. Доказано, что в этих случаях закон (32) или (33) связывает концентрацию не измененных превращениями молекул растворенного газа, хотя сам коэффициент распределения будет меняться.

Среди газов, как отмечалось, наибольшее значение имеют кислород и диоксид углерода СО₂. При моделировании химических процессов в природных водах следует знать закономерности растворения еще нескольких газов, и в частности CH₄ (метана), а в некоторых случаях и H₂S (сероводорода).

Для растворимости кислорода и углекислоты в чистой воде имеются полу эмпирические формулы для коэффициента . Структура этих формул определена теоретически.

Для молекулярного кислорода:

(34)

Для диоксида углерода:

(35)

Присутствие в растворе других растворенных компонент, что в действительности всегда имеет место, обычно изменяет величину растворимости газа.

Биологическая продукция экосистем рек

В результате размножения и роста гидробионтов в водоемах происходит непрерывное новообразование биомассы. Этот процесс называется биологическим продуцированием, а вновь создаваемая биомасса - биологической продукцией. Биологическое продуцирование происходит в форме образования первичной и вторичной продукции - прироста биомассы автотрофов и гетеротрофов.

Биопродуктивность водных экосистем может рассматриваться в двух планах - природном (биосферном) и социально-экономическом. В первом случае результаты продуцирования рассматриваются как одна из характеристик особенностей круговорота веществ в экосистеме, как одна из функций экосистем-блоков биосферы. С социально-экономической точки зрения биологическая продуктивность характеризуется величиной вылова гидробионтов, используемых человеком. В этом случае продуктивность определяется как свойствами самих природных объектов, так и формой их хозяйственного освоения.

Первичная продукция. Новообразование органического вещества из минеральных представляет собой основу всех продукционных процессов, происходящих в водоемах. Образование кислорода в процессе первичного продуцирования имеет огромное значение для аэрации водоемов, формирования качества питьевых вод и повышения самоочистительной способности водоемов.

Под первичной продукцией водоемов понимается органическое вещество, создаваемое фотосинтетиками.

Обычно данные о первичной продукции даются по результатам определения величины фотосинтеза.

Различают валовую и чистую первичную продукцию. Первая это все количество органического вещества, образующегося в процессе фотосинтеза. Чистая продукция равна валовой за вычетом той ее части, которая тратится на дыхание самих растений. Соотношение между валовой и чистой продукцией резко меняется в зависимости от интенсивности фотосинтеза и дыхания растений.

Представление о соотношении чистой и валовой продукции в водоеме в разные сроки можно получить, определяя концентрацию желтых пигментов (каротиноидов) и хлорофилла.

Величину первичной продукции наиболее часто определяют на основе фотосинтеза растений в разных горизонтах водоема.

Приближенно о величине первичной продукции можно судить, зная биомассу водорослей или концентрацию хлорофилла.

Установлено, что величины годовой продукции очень тесно коррелируют с максимальными суточными значениями. Поэтому годовая продукция с известной точностью может быть оценена по суточным величинам, когда известны их максимальные значения.

Первичная продукция водоемов, поверхность которых освещается в сходной степени, может различаться в десятки и сотни раз. Она зависит от видового состава растений в водоеме, их количества и распределения в толще воды, оптических свойств последней, концентрации биогенов, температуры. С продвижением в глубину условия освещенности ухудшаются в разных водоемах неодинаково в соответствии с прозрачностью их воды. Растения, находящиеся ниже определяемых горизонтов, испытывают ту или иную степень светового голодания, под которым понимается процентное отношение величины фотосинтеза в условиях данного освещения к той, какая наблюдается при оптимальной освещенности. Значительная часть водорослей может выноситься даже за пределы эвфотической зоны, существуя за счет запасных веществ, пока опять не окажутся поднятыми в более освещенные слои, или, отмирая, если этого не случится.

Для определения степени светового голодания фитопланктона в водоеме надо знать, как меняется с глубиной интенсивность фотосинтеза и количество растений.

Неблагоприятно на величине первичной продукции должно отражаться сильное перемешивание и другие факторы, обусловливающие рассредоточение водорослей в значительной толще воды. Поэтому условия продуцирования ухудшаются, когда в водоеме слабо выражен скачок плотности, препятствующей погружению водорослей в слои со слабой освещенностью.

С увеличением концентрации водорослей величина первичной продукции обычно возрастает, но не линейно, а по затухающей кривой, асимптотически приближаясь к некоторому пределу. Это, прежде всего, связано с самозатемнением водорослей при их высокой концентрации. Наблюдаются случаи, когда с повышением биомассы водорослей их суммарная продукция не только не повышается, но даже падает вследствие резкого снижения прозрачности воды и истончения трофогенного слоя.

Огромное влияние на эффективность первичного продуцирования оказывает обеспеченность водорослей биогенами. С уклонением их концентрации от оптимальной темп продуцирования начинает снижаться аналогично тому, как это происходит при световом голодании. Поэтому первичная продукция возрастает, когда в водоемы поступает большое количество биогенов (Р, N и др.) или они выносятся течениями в приповерхностные горизонты из более глубинных.

Эффективность использования солнечной энергии в процессе первичного продуцирования существенно возрастает с повышением температуры.

Вторичная продукция. Определенная часть первичной продукции водоемов преобразуется во вторичную продукцию, представленную массой организмов последующих трофических уровней. В одних случаях животные могут питаться только растениями и тогда образуют продукцию второго трофического уровня, отделенного от первого (первопищи) одной ступенью трансформации веществ и энергии. В других случаях фитофаги поедаются плотоядными животными и образуется продукция третьего трофического уровня, а если хищники поедают плотоядных животных, возникает третья ступень в каскаде трансформации веществ и энергии с образованием организмов четвертого трофического уровня.

Если животные питаются организмами разных трофических уровней (например, растениями, фитофагами и зоофагами одновременно), то разграничение последних применительно к различным компонентам вторичной продукции не всегда возможно.

Вторичную продукцию можно рассчитывать на единицу площади или объема за те или иные сроки. Ее величина обычно выражается в единицах сырой или сухой массы, в калориях или в количествах образующихся белков, жиров и углеводов.

Поскольку гетеротрофные организмы имеют широкий спектр питания, раздельное вычисление вторичной продукции для отдельных трофических уровней практически не осуществимо. Приближенное представление о картине вторичного продуцирования основывается на вычислении продукции отдельные групп консументов, причем получаемые величины - не аддитивные. Суммирование продукции отдельных групп организмов, относящихся к разным трофическим уровням, экологического смысла не имеет.

Пока еще недостаточно изучена продукция микрозоопланктона (инфузории, бесцветные жгутиковые, постнауплиальные стадии веслоногих и др.). Особая роль микрозоопланктона заключается в том, что он служит промежуточным трофическим звеном между бактериями и нанофитопланктоном, с одной стороны, и более крупным зоопланктоном - с другой.

В континентальных водоемах уровень вторичного продуцирования обычно заметно выше, чем в Мировом океане. С одной стороны, это связано с их высокой первичной продуктивностью, с другой - поступлением значительных количеств аллохтонной органики, за счет которой образуется большая бактериальная биомасса, используемая организмами следующих трофических уровней.

Модуль 2.2. Русловой процесс

Вы будете изучать

- Историю развития понятия «Русловой процесс».

- Взаимодействие водного потока и русла.

- Типы руслового процесса.

- Типы речных пойм и их связь с типом руслового процесса.

Цели модуля

- Рассмотреть современные гипотезы и основные понятия руслового процесса.

- Изучить типы руслового процесса.

- Обсудить процессы формирования и изменения типов русловых процессов.

- Изучить типы речных пойм и их влияние на тип руслового процесса.

После изучения модуля вы сможете

- Иметь представление об истории развития понятия «Русловой процесс».

- Понимать физическую сущность взаимодействия потока и русла.

- Знать типы русловых процессов.

- Иметь представление о речных поймах, их типах и их связи с типами руслового процесса.

Основная литература

- Смольянинов В.М. Общее землеведение: литосфера, биосфера, географическая оболочка. Учебно-методическое пособие / В.М. Смольянинов, А.Я. Немыкин. - Воронеж: Истоки, 2010 - 193 c.

- Барышников Н.Б. Русловые процессы / Учебник - Санкт-Петербург: РГГМУ, 2088. - 439 с.

Дополнительная литература

- СТО ГУ ГГИ 08.29-2009 «Учет руслового процесса на участках подводных переходов трубопроводов через реки». 2010. - 181 с.

- Угренинов Г.Н., Кондратьев А.Н. Генезис русла реки Невы // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. №19. Научно теоретический журнал. СПб., РГГМУ, 2011, с. 46-52.

- Сайт (http://www.rusloved.ru): Русловые процессы.

Ключевые слова

русловой процесс, ленточногрядовый, побочневый, ограниченное меандрирование, свободное меандрирование, незавершенное меандрирование, пойменная многорукавность, русловая многорукавность, шаг ленточных гряд, шаг побочней, шаг излучины, антидолины, беспойменность, узкопойменность, широкопойменность.

История развития понятия «русловые процессы»

Первое определение русловых процессов принадлежит М.А. Великанову (1946), хотя сам термин применялся в научной литературе ещё в 30-е годы (М.И. Львович, 1938; Н.И. Маккавеев, В.С. Советов, 2003). Согласно ему основной особенностью русловых процессов является непрерывное воздействие потока на русло и формы русла на поток.

Подобная формулировка была дана им в 1949 году: «…процесс взаимного управления русла потоком, а потока руслом называется русловым процессом» (Великанов М.А., 1949, с. 497). В книге «Динамика русловых потоков» М.А. Великанов рассматривал данное им определение как основное содержание русловых процессов, но сам термин сформулировал более узко: «Русловые формы непрерывно изменяются, в одних условиях быстро, в других - медленно (потоки с неустойчивым и с устойчивым руслом), под влиянием главным образом климатических факторов (годовой цикл осадков и температуры), а отчасти и тектонических факторов (эпейрогенетические поднятия и опускания земной поверхности). Весь комплекс явлений как первоначального формирования русловых форм, так и дальнейших их изменений носит название руслового процесса» (Великанов М.А., 1955, с. 237).

Е.В. Болдаков и О.В. Андреев (1956, с. 135) уточнили это определение: «Речной поток, протекающий в размываемых грунтах, является русловым двухфазным потоком, в котором жидкая подвижная фаза (вода) непрерывно взаимодействует с твёрдой подвижной фазой (грунтом). Процесс этого взаимодействия, кратко называемый русловым процессом, является процессом непрерывного изменения русловых форм и структуры водного потока вследствие взаимного влияния одной фазы на другую».

Н.И. Маккавеев определял русловые процессы как «отображение поверхностью твёрдой среды (т.е. грунтами, слагающими ложе) особенностей движения воды и перемещаемых ею наносов» (Маккавеев Н.И., 1955, с. 137), одну из форм перемещения твёрдого вещества текущей водой.

Н.А. Михайлова Н.А. и Н.С. Шарашкина (1970) выражают это кратко: «Под русловым понимается процесс взаимодействия между водным потоком и его руслом».

По Н.Е. Кондратьеву и др. (1982), русловым процессом называют изменения в морфологическом строении речного русла и поймы, постоянно происходящие под действием текущей воды.

К.Ф. Артамонов расширяет это понятие: «Русловой процесс - понятие интегральное, обобщающее создание, развитие, стабилизацию и дальнейшее переформирование открытых русел, пойм под действием жидкого и твёрдого стоков в различных специфических геоморфологических и геологических условиях при наличии и отсутствии ограничивающих, направляющих, стабилизирующих и изменяющихся природных и технических факторов» (Артамонов К.Ф. и др., 1984, с. 139).

Н.А. Ржаницын (1984) выделял русловой режим рек и протекающий на его фоне русловой процесс, который понимается как процесс образования и развития локальных русловых форм и их сложных комплексов: «Каждая река в ходе исторического развития приобрела свои особые и свойственные ей формы и черты современного развития природного процесса - русловой режим. Современные образования и их развитие совершаются на фоне руслового режима реки - русловой процесс структурных русловых форм».

В.С. Боровков (1989, с. 72) также широко подходит к определению русловых процессов: «Русловой процесс есть процесс изменения динамической системы, включающей поток, русло и пойму, под воздействием комплекса взаимосвязанных факторов, действующих на водосборной площади, непосредственно в русле водотока и на пойме. Содержание руслового процесса связано с транспортом наносов речным потоком». В этом определении важно включение в круг рассмотрения всей водосборной площади реки.

Существуют и различные другие определения русловых процессов. Сходство всех подходов заключается в том, что под русловыми процессами понимают движущую силу речного потока, транспорт наносов и взаимодействие между ними, выражающееся морфологически в различных проявлениях русловых форм и их динамике.

В настоящее время наиболее распространены два определения понятия «русловые процессы» Более узкое: «русловым процессом называют изменения в морфологическом строении речного русла и поймы, постоянно происходящие под действием текущей воды» (Кондратьев Н.Е. и др., 1982; Барышников Н.Б., Попов И.В., 1988, с. 262). Первоначально это определение не захватывало даже пойму: «Под русловым процессом понимается постоянное изменение морфологического строения реки, происходящее под действием текущей воды» (Кондратьев Н.Е. и др., 1975, с. 162).

Но тогда оно было шагом вперёд по сравнению с относительно узким определением М.А. Великанова (1955), потому что кроме уровня «русло-поток» рассматривало и уровень «река»: «Становится очевидной недостаточность распространённого определения термина русловой процесс - взаимодействие потока и грунтов его ложа, так как такое определение отражает только одну сторону процесса - механизм взаимодействия потока и грунтов его ложа - и в нём игнорируется морфологический аспект проблемы. Поэтому более правомерным является формулировка: русловой процесс - это изменение морфологического строения речного русла, постоянно проходящее под действием текущей воды. Такая формулировка термина предусматривает и морфологический и гидравлический аспекты проблемы, учитывает наличие внутренних и внешних факторов процесса, непосредственных и опосредованных связей» (Попов И.В., 1965 с. 51). Это определение используется последователями школы Государственного гидрологического института (ГГИ), в которой термин «русловой процесс» используется в единственном числе (Кондратьев Н.Е. и др., 1982).

Более широкое определение русловых процессов дано Н.И. Маккавеевым и Р.С. Чаловым (1986): «Русловые процессы - совокупность явлений, возникающих при взаимодействии потока и грунтов, слагающих ложе реки, определяющих развитие различных форм рельефа русел и режим их сезонных, многолетних и вековых изменений, влияющих на размыв дна и берегов рек, транспорт и аккумуляцию наносов».

В последних работах Московского государственного университета (МГУ) это определение немного уточнялось в деталях, но по сути осталось прежним: «Русловые процессы представляют собой совокупность явлений, связанных с взаимодействием потока и грунтов, слагающих ложе реки, эрозией, транспортом и аккумуляцией наносов, определяющих размывы (намывы) дна и берегов рек, развитие различных форм русел и форм руслового рельефа, режим их сезонных, многолетних и вековых изменений. Такая формулировка включает в себя сущность русловых процессов (взаимодействие потока и русла, движение наносов), их проявления (формы русла и руслового рельефа, русловые деформации) и временную изменчивость (русловой режим)» (Чалов Р.С., 1997, с. 9).

И почти также: «Русловые процессы - совокупность явлений, возникающих при взаимодействии потока и грунтов, слагающих русло реки, эрозии его ложа, транспорт и аккумуляции наносов, обусловливающих развитие различных форм русел и форм руслового рельефа, режим их сезонных, многолетних и вековых изменений. Основными взаимосвязанными составляющими русловых процессов являются транспорт наносов, деформации русел и их морфология (форма русла и русловой рельеф). Транспорт наносов определяет сущность русловых процессов; поэтому форма перемещения наносов лежит в основе типизации русловых процессов» (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997, с. 131).

Взаимодействие потока и русла (взаимосвязь, взаимоуправление, саморегулирование)

Одним из самых давних является принцип взаимодействия потока и русла, сформулированный М.А. Великановым (1948, 1955).

Попытка выработать подобный подход была сделана ещё В.М. Лохтиным (1897). Он считал, что не только поток определяет ход русловых процессов, но также и геоморфологическая обстановка в виде ската местности, и геологическая обстановка в виде разнообразных грунтов, в которые врезается река (Кузьмин И.А., 1973, с. 185). В показатель устойчивости В.М. Лохтина входят как показатели потока (уклон), так и характеристика русла (диаметр наносов).

Этот принцип возник при осмыслении практики применения выправительных сооружений (струенаправляющие, струестесняющие и т.п.) на реках Западной Европы в XVIII-XIX веках и в России в конце XIX - начале ХХ века. В его разработку большой вклад внесён Н.С. Лелявским (Вопросы гидротехники…, 1948).

М.А. Великанов сам формулировал этот принцип так: «Механическая сущность русловых процессов может быть в самом общем виде охарактеризована как взаимодействие потока и русла. С одной стороны, твёрдые поверхности, ограничивающие поток, направляют движение частиц жидкости, поэтому можно сказать: «русло управляет потоком». С другой стороны, твёрдые частицы, образующие собою граничные поверхности потока, сами обладают в большей или меньшей степени подвижностью, под влиянием воздействия на них движущихся жидких частиц сами приходят в движение, и двигаются до тех пор, пока не будет достигнута иная, новая форма этих поверхностей, и именно такая, при которой воздействие жидких частиц на твёрдые либо временно прекращается, либо ослабляется, и наступает состояние равновесия. Здесь можно высказать обратное положение: «поток управляет руслом». Эта специфическая для всех естественных русловых потоков - рек, ручьев, селей - особенность представляет собою диалектическое единство двух взаимно воздействующих друг на друга факторов - потока и русла - и самую основу, механическую сущность руслового процесса, как такового» (Великанов М.А., 1948, с. 483).

И.А. Кузьмин (1973, с. 185) критикует этот принцип, считая, что он «фактически ничего не изменил, поскольку русло в этой постановке задачи выступает лишь одной своей стороной - граничная поверхность потока. По мнению И.А. Кузьмина, рассматривая такое взаимодействие, М.А. Великанов лишал подстилающий русло грунт его индивидуальных качеств. Им не принималась во внимание неоднородность грунтов, имеющая большое значение для формирования речных русел».

«Механическая сущность руслового процесса может быть охарактеризована как взаимодействие потока и русла. С одной стороны, твёрдая поверхность, ограничивающая поток, направляет движение частиц жидкости, т.е. русло управляет потоком; с другой стороны, те же твёрдые частицы, обладая в известной степени подвижностью, приходят под влиянием воздействия на них жидких частиц в движение, переносятся, осаждаются в другом месте; в этом смысле вступает в силу обратное положение: поток управляет руслом. В этом двустороннем процессе взаимного управления потока и русла или одна, или другая сторона обычно имеет перевес. Если направляющее воздействие русла на поток имеет характер более длительный и устойчивый при сравнительно малой подвижности твёрдых частиц, составляющих русло, то мы говорим о реке более устойчивой; наоборот, если подвижность частиц велика, и также велика скорость потока, то русловые деформации происходят с гораздо большей скоростью, русло быстрее меняет свою форму, и мы говорим в этом случае о реке мало устойчивой» (Великанов М.А., 1955, с. 241).

А.Н. Ляпин (1973) предлагает расширить этот постулат и учитывать взаимодействие потока не только с дном, но и с берегами: «В большинстве случаев этому тезису придаётся несколько ограниченное представление, имея в виду, главным образом, взаимодействие дна русла и речного потока. Между тем, ещё В.Г. Глушков (1925) отмечал, что «поток находится с породой дна и берегов в живом взаимодействии», и даже вводил специальный коэффициент формы русла, «связанный с соотношением прочности береговых и донных пород»» (Ляпин А.Н., 1973, с. 117).

У М.А. Великанова (1958) принцип взаимодействия потока и русла статичен, он показывает лишь естественное состояние каждого русла: «…в результате постепенного воздействия отдельных струй на отдельные части руслового рельефа речное русло приобретает всё более и более плавные очертания, отчего сглаживается и форма струй, пока, наконец, русло и поток не становятся единым органически связанным комплексом, в котором русло приобретает форму потока, а поток отражает форму русла».

Н.И. Маккавеев (1955) развивает принцип взаимодействия потока и русла М.А. Великанова и придаёт ему формулировку «взаимной обусловленности потока и русла». «В наиболее общей форме процесс руслообразования можно определить как процесс «отображения» поверхностью твёрдой среды (т.е. грунтами, слагающими ложе) особенностей движения воды и перемещаемых ею наносов». В качестве примера такого отображения Н.И. Маккавеев (1955) приводит изменение рельефа поверхности раздела двух сред (волны Гельмгольца).

Принцип взаимодействия потока и русла, введённый М.А. Маккавеевым и развитый Н.И. Маккавеевым является первой половиной принципа саморегуляции русла, который по-разному формулировался некоторыми исследователями. Отличительной чертой последующих формулировок принципа саморегуляции является существование не только констатации факта влияния русла на поток, а потока на русло, но и формулировки направления изменения системы «поток-русло» для достижения нарушенного динамического равновесия.

«Деформируя грунт, поток создает себе такие русловые формы, которые отвечают его скоростному полю, а русловые формы в свою очередь определяют скоростное поле потока. При несоответствии русловых форм и скоростного поля происходит их взаимная перестройка». (Михайлова Н.А., Шарашкина Н.С., 1970)

«Главным фактором взаимодействия потока и русла следует считать происходящий между ними взаимообмен наносами, несбалансированность которого приводит к однонаправленным деформациям русла. Явно прослеживаются как прямые, так и обратные связи, обусловливающие саморегулирование необратимых русловых деформаций и транспорта наносов. Процессы транспорта, переотложения наносов в русловых потоках, деформации русла следует рассматривать как саморегулируемые процессы, регулятором которых является транспортирующая способность потока» (Караушев А.В., Романовский В.В., 1986, с. 13-14).

Принцип взаимодействия потока и русла постепенно трансформируется в принцип взаимозависимости, затем взаимоуправления потока и русла, а теперь и в принцип саморегулирования системы «поток-русло».

Аналогичные принципы саморегулирования можно сформулировать и на других системных уровнях, на которых обычно рассматриваются проявления русловых процессов.

На уровне системы «водосбор-река»: взаимодействие между рекой и водосбором проявляется в саморегулировании продольного профиля реки и рисунка гидрографической сети, что является ответным откликом на нарушение баланса между соответствующими определяющими параметрами.

На уровне «поток-русло»: взаимодействие между потоком и руслом проявляется в саморегулировании типов русловых процессов, что является ответным откликом на нарушение баланса между определяющими параметрами (поступлением наносов и транспортирующей способностью потока).

На уровне «струя-песчинка»: взаимодействие между струёй и песчинкой проявляется в саморегулировании формы движения этой песчинки, что является ответным откликом на нарушение баланса между определяющими параметрами (силами взвешивания и силой тяжести).

В соответствии с рассмотренными выше системными принципами не следует смешивать процессы, проходящие на разных системных уровнях, не следует сводить влияние одного и того же определяющего фактора к проявлениям только на одном системном уровне, потому что на другом системном уровне он может проявиться по-своему, независимо от проявления на первом уровне.

Типы руслового процесса

Все возможные схемы деформаций русел равнинных рек, включающие начальную, промежуточную и конечную стадии развития, в соответствии с гидроморфологической теорией руслового процесса ГГИ, следует подразделять на семь типов (рис. 3). Направление стрелки на рис. 3 показывает увеличение транспортирующей способности потока. На рисунке указаны также основные морфометрические измерители различных типов руслового процесса.



Рис. 2. Схема типов руслового процесса по классификации ГГИ (по Н.Е. Кондратьеву, И.В. Попову).

1 - ленточногрядовый, 2 - побочневый, 3 - ограниченное меандрирование, 4 - свободное меандрирование, 5 - незавершенное меандрирование, 5а - пойменная многорукавность, 1а - русловая многорукавность; l_лг - шаг ленточных гряд, l_пб - шаг побочней, l_н - шаг излучины, a₀ - угол разворота излучины, S_И - длина излучины, a₁ - угол входа, a₂ - угол выхода, a₀ = a₁ + a₂.

Типы речных пойм и их связь с типами руслового процесса

Типизацией принято считать способ обоснованного сведения многообразия проявления данного природного объекта к небольшому числу избранных его типов.

Очевидно, что любая типизация отражает состояние изученности данного объекта (вопроса) и наиболее точна, если в ее основу положены необходимые и достаточные причинно-следственные связи процессов, формирующих главные отличительные и одновременно объединяющие признаки объекта. В этом случае типизация служит как для упорядочения наших представлений в какой-то области знаний, так и для прогноза изменения свойств или облика объектов при изменениях в цепи главных причинно-следственных связей. Любой объект природы имеет очень большое число связей с его окружением, поэтому неизбежно требуется выделение главных (и, соответственно, типов объекта), а все второстепенные связи могут быть использованы для выделения подтипов, количество которых может быть довольно большим.

Поскольку поймы рек являются областью исследования ряда наук, неизбежно возникали различные специализированные типизации, отражающие потребности данных исследований и степень их завершенности.