Гидроэкосистемы реки и поймы
В водной среде рек существуют экосистемы, включающие донные, водные и полуводные растения, рыб, беспозвоночных, планктон, микроорганизмы и бактерии, которые образуют взаимосвязанную систему продуценты — консументы — редуценты.
Основными факторами, определяющими существование речных экосистем в естественных условиях, являются свет, содержание кислорода, температура воды, течение и глубина потока.
Свет определяет интенсивность фотосинтеза растениями, т. е. влияет на содержание кислорода в воде. На это же влияет и течение: чем оно интенсивнее, тем больше перемешивание речных вод и равномернее распределение кислорода по живому сечению реки. На реках с бурным течением (горные, полуторные) происходит еще захват воздуха струями воды. Поэтому воды в таких реках обогащены кислородом, и в них обитают лосось, форель, хариус и другие любители самой чистой воды.
Скорость течения связана с глубиной реки — плесы и перекаты имеют большое различие в скоростях течения. Глубина реки зависит от уровня воды, который, как известно из гидрометрии, является функцией расхода воды.
Температура воды играет важную биологическую роль, влияя на размножение рыб, развитие растительности и содержание кислорода в воде. Она влияет на плотность воды и сохранение жизни в реках в зимний сезон. Образующийся слой льда является тепло — изолятором и мешает промерзнуть воде до дна. Хотя последнее, конечно, происходит в особо суровые зимы или в зоне многолетней мерзлоты на части рек с площадями водосборов от нескольких квадратных километров до 2000 и даже 5000 км2 ежегодно (Арктическая зона и Сибирь), а в отдельные годы до 100-120 тыс. км2 (Восточная Сибирь).
Температура воды определяет тепловой сток рек, т. е. количество тепла, переносимого рекой через живое сечение потока в единицу времени. Оно зависит главным образом от расхода и температуры воды. Наибольший тепловой сток наблюдается летом, а наименьший — зимой. Такой режим определяет и режим существования экосистем. Помимо этого он обусловлен еще и водным режимом реки за год (причем в данном случае наиболее подходит гидрологический год, а не календарный) и за многолетие.
Еще больше возрастает значение вышеуказанных характеристик в случае загрязнения рек. При попадании в реку сточных вод их концентрация меняется. Она уменьшается с увеличением количества чистой воды в русле реки при прохождении половодья (таяние снега и льда) или паводка (выпадение дождей), т. е. в многоводную фазу. Поэтому залповые выбросы сточных вод стараются приурочить к этой фазе.
Сброс загрязненных вод в меженный период ведет к ухудшению состояния водотока, особенно в случае невозможности разбавления сточных вод в должной мере (5-10-кратное превышение объема чистых вод над количеством загрязненных). Это может привести к подавлению жизнедеятельности перерабатывающих загрязнения бактерий, микроорганизмов и растений, т. е. к превышению физико-химической и биологической возможности реки к самоочищению.
С речными экосистемами тесно связаны экосистемы пойм, особенно систематически заливаемых рекой. Биологическая продуктивность пойм очень велика и в несколько раз превышает продуктивность других территорий не только по количеству, но и по качеству. Это связано с тем, что почвенный покров поймы формируется речными наносами в период высоких вод, несущих много органических веществ. Поэтому на поймах развивается богатая травяная и кустарниковая растительность, а также животный мир. В период высокой воды поймы являются нерестилищем и нагульным пастбищем для ценных пород рыб. Таким образом, на пойме образуются свои экосистемы, связанные с экосистемами реки.
Для правильного функционирования экосистем в естественных условиях определяющее значение имеет гидрологический режим реки. Большое значение имеют частота и продолжительность затопления поймы и глубина воды при этом. Особенно важны те
гидрологические характеристики, при которых создаются наиболее благоприятные условия для воспроизводства всех организмов, связанных с рекой. Температура воды, глубина и скорости течения воды на пойме, наличие водоемов, болот, проток, заливов — основные факторы, обусловливающие продуктивность пойм и благополучие экосистем.
Существуют разные типы пойм и несколько их классификаций, но главным является зависимость экосистем любого типа пойм от гидрологического режима реки. Так, у двух очень схожих по всем показателям, включая и морфологию пойм, рек, но с разной частотой (ежегодно или эпизодически) и разной продолжительностью затопления пойм будут отличаться их экосистемы и продуктивность. Последнее может различаться в 1,5-2 раза и более, как, например, при сравнении урожая трав естественных лугов в поймах рек Печоры и Вычегды. Пойма Печоры в среднем течении заливается талыми водами ежегодно и на более длительный срок, чем пойма Вычегды. В результате урожаи и качество трав на пойме Печоры в два раза выше.
Развитость пойменных экосистем и их разнообразие, а также воспроизводство таких элементов экосистем, как планктон и бентос, рыб и птиц, животных, площадей лугов, кустарников и лесов — все это зависит от развитости пойм. Б. В. Фащевский предложил оценивать развитость пойм через отношение средней ширины водной поверхности реки при наивысшем уровне (соответствующем 1 %-ной обеспеченности) к ширине реки при уровне воды в бровках русла [39]. Расчет ведется для отдельных (характерных) участков реки, а затем определяется его средневзвешенное значение. Сравнив средние коэффициенты развитости поймы рек Оби и Енисея, Фащевский определил, что у Оби он в 6 раз больше. В результате удельные запасы водоплавающих птиц в пойме Оби в 13 раз, а запасы сена в 20 раз больше, чем в пойме Енисея. Удельные значения вылова рыбы на Енисее в 10 раз меньше, чем на Оби, хотя его воды менее загрязнены по сравнению с водами Оби. Такое различие связано еще и с тем, что уже при уровнях воды 50 %-ной обеспеченности пойма Енисея не затапливается, а пойма Оби не только затапливается, но и на ней создаются самые благоприятные условия для воспроизводства всех организмов, связанных с рекой.
Существующая классификация водных объектов в области охраны природы (ГОСТ 17.1.1.02-77) [25] базируется на учете их основных морфометрических, режимных и водообменных особенностей и в полной мере может быть использована в экологических целях. С ее помощью можно определить водотоки, имеющие наиболее неблагоприятные условия для существования экосистем.
Таковыми могут быть, например, зимний сезон в зоне недостаточного увлажнения для рек с длительным меженным периодом и длительным периодом ледостава при малых скоростях течения, с низкой температурой воды и небольшими расходами воды. Подобные условия характерны обычно для малых и части средних рек, т. е. для рек III и II класса, выделяемых в подкласс А.