Водная растительность как фактор развития долинно-речных комплексов: На примере малых рек Ярославского Верхневолжья

Актуальность темы

Проблемы малых рек России давно уже стали предметом дискуссий как среди специалистов, так и в самых широких кругах общественности. Исчезновение огромного числа самых малых водотоков, повсеместное обмеление и зарастание рек, общее их загрязнение — все это вызывает справедливое беспокойство за состояние малых рек.

Необходимость детального изучения малых рек на предмет зарастания их водной растительностью определяется их ролью в природе, которая может характеризоваться тремя аспектами — долей от общего числа водотоков или от общего объёма стока, хозяйственным значением и степенью своеобразия, что также является фактором значимости объекта.

Большинство малых рек — это верхние звенья речной сети. Они дренируют территорию бассейнов, определяют своеобразие химического состава и качества воды крупных рек, особенности водных биоценозов, водньщ, гидрохимический и гидробиологический режим, водность. средних и крупных рек. О большом значении малых рек свидетельствует уже тот факт, что на их долю приходится большая часть водных ресурсов страны. Так по данным результатов анализа материалов по учёту, использованию и охране водных ресурсов малых рек страны, проведённого СОПСом при Госплане СССР в России сток малых рек составляет более трети от суммарного стока, в том числе в Европейской части 361 км3/год (41%) и в Азиатской 1145 км3/год (37%). В некоторых экономических районах (Центрально-Чернозёмном, Северо-Кавказском) общая доля годового стока малых рек достигает 60 — 80% (16). Только в европейской части страны насчитывается более 665 тысяч малых рек, общая длина русел которых превышает 2,3 млн. км. Уже на основании этих данных очевидно, что малые реки заслуживают особого внимания и специального изучения.

Водосборы малых рек являются ареной сложного, порой противоречивого взаимодействия между природными и 5 антропогенными элементами природохозяйственных систем этих территорий. На берегах малых рек проживает большинство сельского и значительная часть городского населения. Их воды активно используются как для водоснабжения так и для утилизации всевозможных стоков, заливные пойменные луга, часто являясь наиболее плодородными территориями, используются для заготовки кормов и выпаса скота. Реки и их долины являются рекреационными объектами, природными заповедниками, обеспечивающими развитие специфической флоры и фауны.

В экономическом плане водные ресурсы малых рек являются средой, материалом для многообразной хозяйственной деятельности. Водные ресурсы малых рек, как часть общих водных ресурсов, выступают в качестве важных факторов размещения производительных сил и социально-экономического развития общества. Велика и их санитарно-гигиеническая роль. Если принять во внимание высокое сосредоточение на берегах малых рек различных техногенных, сельскохозяйственных, рекреационных и других очагов нагрузки (в речных долинах малых рек Ярославского Верхневолжья находится около 6000 населённых пунктов, 344 совхоза и колхоза, более 400 животноводческих ферм) и то, что будучи верхним, наиболее разветвлённым звеном речной сети, малые реки формируют фоновый уровень гидрологических характеристик и экологическую ситуацию более крупных рек, являющихся своеобразными аккумуляторами различного рода «информации», поступающей «сверху», то становится понятна та роль малых рек, которую они выполняют по разгрузке ландшафтов.

Большое значение малых рек определяется и их своеобразием. Малые реки обычно находятся в пределах одной природной зоны, в результате чего воздействие климата на их водный режим по бассейну практически не меняется. Поэтому особенности гидрологического режима малых рек следует рассматривать как результат проявления комплекса местных природных факторов — геологического строениягидрогеологических и почвенно-грунтовых условийвеличины, формы 6 и направления бассейнапроцента его заболоченности и заозёренностирельефа и густоты речной сетирастительного покроваширины и высоты поймы, которые определяют в совокупности своеобразие трансформации и преобразования в поверхностные составляющие стока поступающих потоков вещества и энергии.

Отражаясь в закономерностях пространственно-временной изменчивости морфодинамических характеристик малых рек (быстрота проявления в режиме твёрдого и жидкого стока, качестве воды, русловой и пойменной морфологии ответных реакций на изменившиеся условия стока с водосбора, обусловленные природными или антропогенными факторами), большая теснота связи с природной обстановкой на водосборе, иная генетическая структура стока, делают их своего рода индикатором состояния ландшафтов водосборов, который вполне можно использовать при оценке экологического состояния последних. А поскольку состояние малых рек в значительной степени определяет состояние нижних звеньев речной сети, то малые реки одновременно являются и своеобразным инструментом оптимизации гидрологических характеристик и экологической обстановки нижних звеньев долинно-речной сети.

Таким образом, малые реки являются важным звеном в решении сложной комплексной задачи по оздоровлению экологического состояния природы речных бассейнов.

Цель исследования — разработка ландшафтного подхода к анализу закономерностей зарастания малых рек и их проявлению в структуре и функционировании речных аквальных комплексов в условиях антропогенного воздействия. Поставленная таким образом цель предполагала решение нижеследующих конкретных исследовательских задач.

1. Оценка природно-ландшафтных условий развития и функционирования речной сети Ярославского Верхневолжья.

2. Изучение своеобразия функционального проявления ведущих факторов зарастания малых рек. 7.

3. Анализ, типология и классификация форм проявления процесса зарастания малых рек Ярославского Верхневолжья.

4. Исследование закономерностей развития, функционирования, сезонной и многолетней динамики речных аквальных комплексов.

5. Оценка возможностей использования речных аквальных комплексов, как интегрального индикатора экологической ситуации на водосборах.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются малые реки Ярославского Верхневолжья. Под Ярославским Верхневолжьем в работе подразумевается территория, относящаяся к бассейну верхнего течения Волги в пределах административных границ Ярославской области.

Выбор территории обусловлен её типичностью, как носителя ряда общих черт физико-географических условий, характера и степени антропогенной освоенности, и, вместе с тем, её отчётливой ландшафтно-экологической дифференцированностью.

Для детальной разработки основных направлений исследования была использована речная сеть Ростовской низины и прилегающих к ней территорий, в административном отношении входящая в качестве одноименного района в состав Ярославской области.

Особенность малых рек, как объекта исследований заключается в отсутствии однозначных критериев выделения их типологических границ, как самостоятельного класса водотоков. В государственном стандарте 19 179−73 (Гидрология суши, термины и определения, 1978) к малым отнесены реки длиной до 100 км и площадью бассейна 2000 км². Выбор этой границы обусловлен прекращением возрастания модуля стока при дальнейшем увеличении площади водосбора, так как реки такого ранга уже используют все основные водоносные горизонты и при сравнении между собой более крупных рек существенного изменения доли грунтового питания не происходит.

Однако своеобразие гидрогеологических условий различных территорий приводит к Нарушению этой закономерности даже в пределах небольших районов. Например в разных частях Волжского 8 бассейна граничные значения площади бассейна колеблются от 1000 до 5000 км².

Связь площади водосбора и длины реки, описываемая корреляционным уравнением Р=0,581Л, 78 (82) позволяет просчитать, что такому разбросу площадей водосборов соответствует изменение длины рек от 66 до 163 км, что слишком велико для определения чёткой границы малых рек.

Определение граничных параметров малой реки, связанное с порядком водотока также имеет определённые трудности, так как существуют различные подходы к определению порядка рек, неоднозначность соответствия в разных природных условиях водотокам одного порядка схожих гидрологических характеристик (реакция на изменение поступления в водоток вещества и энергии, способность к транзиту или аккумуляции вещества и др.).

Таким образом, количественные критерии выделения данной категории водотоков, весьма относительны и в достаточной степени условны. Сложившееся положение создаёт необходимость введения качественных критериев выделения, то есть использования функциональных признаков и определять как малые водотоки, расположенные в пределах физико-географического района, водный режим и морфологические особенности которых во многом определяются местными условиями.

Как представляется, большой разброс значений граничных величин малых рек предполагает не просто использование интегральных критериев выделения, но и то, что некоторые количественные признаки должны носить характер удельных величин, определяющихся территориальной спецификой природных условий и факторов стока.

Тем не менее, поскольку содержание ландшафтного комплекса долины малой реки почти целиком определяется ее морфо-литологическими особенностями, а морфология долины обусловлена рельефообразующей деятельностью потока и изменяется от верхних звеньев гидрографической сети к нижним в зависимости от 9 нарастания водности потока, то морфологию любого данного участка долины и набор ПТК на ее поперечнике определяют не длина реки, а ее водность. Следовательно, в первую очередь, в само определение малой реки в качестве непременной составляющей должны включаться стоковые показатели.

В связи с этим, учитывая современный опыт водного хозяйства, гидрологических расчетов и исследований, к малым рекам следует отнести реки длиной до 250 км, водосборной площадью до 10 000 км², среднемноголетним расходом до 20 м3/сек и с отражением в гидрологическом режиме преимущественного воздействия местных факторов формирования стока.

Таким образом, факторы, определяющие водность потока и специфику соотношения источников его питания можно считать ведущими при определении «верхней» границы такой категории, как малая река.

Как представляется, задача разделения «больших» и «малых» рек облегчается, если таковое происходит в отношении речной сети конкретной территории (особенно небольшой), но в этом случае возникает проблема определения «нижней» границы малых рек, когда неизбежно возникает необходимость установления отличий между малыми реками и ручьями. В данной работе небольшие водотоки, не относящиеся к ручьям, явно рассматриваются, как малые реки.

Предмет исследования — выявление взаимосвязи закономерностей зарастания малых рек и структурно-функциональных особенностей речных аквальных комплексов с ландшафтно-географическими условиями и экологическими факторами.

Тесная связь малых рек с процессами, развивающимися на водосборах определяет необходимость изучения рек с учётом особенностей структурно-морфологических элементов их бассейнов и ландшафтно-экологической обстановки последних.

В то же время решение экологических задач, касающихся малых рек, не может не включать исследования особенностей функционирования системы речного русла. Но при изучении динамики русловых потоков, изменения пропускной способности русел, морфологии русловых аллювиальных форм не учитывается в полной мере влияние водной растительности. До сих пор недостаточно изучена роль высшей водной растительности в динамике речного потока и морфологических русловых переформированиях, а также «обратная сторона» вопроса — влияние речного потока, как специфической среды обитания на формирование и развитие водных растительных сообществ.

Водной растительности посвящен целый ряд специальных работ (8,9,24,27,36,71,105,114). Однако, в этих работах, имеющих в основном геоботаническую направленность, основное внимание уделяется систематике и морфологии водных растений, ландшафтно-экологическая характеристика дается весьма сжато, с указанием предпочитаемого типа грунтов и оптимальной скорости течения. Вопросы формирования и развития водных растительных сообществ рассмотрены фрагментарно и только применительно, к озерным I экосистемам (схемы зарастания озер и распределение водной растительности по поясам в зависимости от глубины). Для рек приводится лишь общий перечень видов, при этом совершенно отсутствуют сведения о структуре сообществ гидрофитов, факторах их дифференциации на поверхности руслового ложа, о характере взаимодействия растений с водным потоком, влиянии на него растительных сообществ.

Картина русловых процессов, изучаемая геоморфологами (27,36,58,71,105), также почти не учитывает влияние фитобиоты русла на речной поток и поэтому является неполной, особенно на мезои микроуровнях. Между тем, в межень до 75% поперечного сечения русел малых рек умеренной зоны может быть занято гидрофитами, что не может не сказаться на динамике потока и его русла.

Сложившаяся ситуация, а также усиление зарастания рек, особенно малых, вызвало необходимость исследования этого процесса с целью получения информации полезной для решения различных проблем, связанных с сохранением малых рек и улучшением экологической обстановки их бассейнов.

Как представляется решение этих вопросов должно опираться на ландшафтный подход, то есть с учетом структурно-функциональных особенностей речных аквальных геокомплексов и водной растительности как одного из важнейших их компонента, во взаимосвязи с физико-географическими условиями речных бассейнов и экологическими факторами.

Существенная особенность пойменно-русловых геокомплексов малых рек — их сравнительно небольшие размеры. Поэтому при рассмотрении их в традиционном плане в составе долинно-речного ландшафта, они выступают как геокомплексы низших рангов (фации и ценозы) с присущими им специфическими закономерностями ландшафтной дифференциации.

В соответствии с этим в их отношении употребляется термин речной природно-аквальный комплекс (ПАК), как общее типологическое понятие, применимое к любым единицам классификации, что представляется нам наиболее целесообразным для выявления особенностей ландшафтной дифференциации и существенных функциональных элементов долинно-речных ландшафтных систем.

Материалы и методика исследований. Исследования по изучению роли гидрофитов в русловом процессе и особенностей зарастания русел малых рек проводились нами в течение летних полевых сезонов 1997;1999 г., охватив северные, центральные и южные части территории. В результате была проведена детальная съёмка русловой и долинной морфологии, материалов руслового ложа, скоростных характеристик потока, ботаническая и ландшафтная съёмки в речных долинах рек Лунки, Соти, Ухры, Касти, Великой, Ити, Могзы, Нерли Клязьминской и др. Работы велись на выбранных во время рекогносцировочных маршрутов ключевых участках, представляющих собой фрагменты речных долин с характерной для данного типа руслового процесса морфологией руслового отрезка. В пределах каждого такого участка выполнялась общая плановая съёмка долины, где фиксировалась морфологическая, геоботаническая ситуация, а также основные природные процессы и проявление антропогенного воздействия. Отдельно велась русловая комплексная съёмка — строились батиграфические карты русловых отрезков, на которые накладывались динамические параметры потока, характер аллювия, признаки загрязнения реки и русловая водная растительность. Вместе с этим использовались ранее накопленные кафедрой фактические материалы по паспортизации малых рек Ярославской области.

Проведенные исследования позволили автору сформулировать следующие защищаемые положения.

1. Морфодинамические особенности речных потоков (как природно так и антропогенно обусловленные) являются основным фактором, определяющим структуру, сезонную и среднемноголетнюю динамику речных природных аквальных комплексов, закономерности J их развития и функционирования.

2. Зарастание. малых рек проявляется в ряде хорошо выраженных, функционально и морфогенетически обособленных форм, как ландшафтно-типологических, так и морфологических, являющихся результатом наложения этого процесса на русловой.

3. Высшая водная растительность, как важнейший компонент речных ПАК, выступает в качестве механизма саморегуляции руслового процесса, участвуя в сохранении динамического равновесия между его твердой и жидкой составляющими и обеспечивая тем самым устойчивость речного потока, как саморазвивающейся системы.

4. Весь спектр различных видов антропогенного воздействия на долинно-речные ПТК определяет и многообразие форм проявления процесса зарастания малых рек и особенно его общие пространственно-временные тенденции.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Впервые проведен анализ структурного разнообразия русловой морфологии малых рек Ярославского Верхневолжья.

2. Изучено своеобразие функционального проявления основных факторов зарастания малых рек.

3. Разработан оригинальный ландшафтный подход к анализу закономерностей зарастания малых рек, позволивший выявить и классифицировать различные формы проявления процесса зарастания и установить факторы, определяющие их типологические, функциональные и генетические особенности.

4. Предложена новая методика комплексной гидроэкологической оценки речной сети.

Практическая значимость результатов исследования. На примере речной сети Ростовской низины отработана методика комплексной гидроэкологической оценки речной сети, на основе которой была проведена классификация рек этой территории по стоковым показателям и экологическому состоянию.

В ходе исследования была проведена паспортизация речной сети Ростовской низины и детально исследованы некоторые реки Ярославского Верхневолжья. Дана оценка условий, обеспечивающих особенности состояния и функционирования речной сети Ростовской низины, как фактора, определяющего специфику природопользования и мероприятий по оптимизации экологической обстановки на этой территории.

Апробация работы внедрение результатов исследования.

Основные результаты диссертационной работы изложены и одобрены на ряде региональных научно-практических конференций, в том числе практические рекомендации нашли непосредственное применение в проектах водоохранных зон рек Ярославской области, а также в паспортах на малые и средние реки Ростовского МО Ярославской области.

Заключение

.

1. Специфика малых рек как среды реализации процесса зарастания определяется незначительностью их фактических размеров.

В малых реках с их небольшими морфометрическими параметрами и нормами стока удельная доля водной растительности существенно возрастает, и русловые растительные сообщества приобретают роль фактора, во многом определяющего особенности динамики потока и русловой морфологии.

2. Длительность и сложность процессов долинного морфогенеза, явились причиной того обстоятельства, что как отдельно взятый участок долины любой реки, так и вся долинно-речная сеть в целом представляет собой образования, включающие элементы разного генезиса и возраста. Процесс долинного морфогенеза неотъемлем от общего развития территории, вмещающей бассейн реки.

Долинный морфогенез в Ярославском Верхневолжье неразрывно связан с освобождением территории от последнего ледникового покрова — сбросом флювиогляциальных вод и спуском перигляциальных озер. Современные речные долины или их участки вложены в различные эрозионные формы, выработанные в процессе дегляциации, что во многом определило специфику их морфологии. Ведущей тенденцией послеледникового долинного морфогенеза на данной территории было врезание рек в условиях относительного тектонического покоя и формирование вложенных террасовых уровней. Однако первоначальная неоднородность освобожденной ото льда поверхности привела к неоднозначности проявления данной тенденции и явилась причиной одновременной реализации нескольких типов долинного морфогенеза, образовавших в совокупности различные участки речной сети с характерной для каждого типа морфологией, что во многом предопределило особенности зарастания рек.

3. Исследования малых рек Ярославского Верхневолжья показали, что пространственная особенность процесса их зарастания.

189 заключается в проявлении его в неких объективно существующих устойчивых формах, обособленных как морфологически, так и генетически. Такое проявление процесса зарастания определяется дискретностью морфологического ряда речных русел и их морфологической спецификой, которые обусловлены господством определённого типа руслового процесса и реализуются в формировании конкретных русловых моделей с характерными наборами экотопов и их закономерном чередовании вдоль русла.

Развитие процесса зарастания по тому или иному типу, в первую очередь определяется формой поперечного сечения русла и коррелирует с типом руслового процесса. Эта зависимость, а также устойчивое отличие типов зарастания по степени заполнения русла водной растительностью обусловливает предрасположенность русел к определённым классам (степени) зарастания.

4. Тесная двусторонняя взаимосвязь водной растительности и русловой морфодинамики, являющаяся условием саморегуляционной способности реки (речного потока и вмещающего его русла) как системы, позволяет говорить об объективно существующих речных природно-аквальных комплексах (моделях зарастания и элементарных русловых ПАК), которые можно рассматривать, как более высокий (ландшафтный) уровень организации процесса зарастания.

Их структура и содержание определяются фактическими размерами русел (порядком реки), типом руслового процесса и закономерно изменяются при движении от верхних звеньев гидрографической сети к нижним в соответствии с усложнением морфологического облика речного русла и от прямых и слабоизогнутых русел к свободно меандрирующим и разветвленным. При этом наиболее сложная структура речных ПАК характерна, как правило, для средних звеньев гидрографической сети.

Особое место занимают аномальные участки русел которые, как правило, усложняют общую картину зарастания речного русла, увеличивая сложность речных ПАК.

5. Изучение водной растительности как биотического.

190 компонента реально существующих речных ПАК, (которые являются элементарными геосистемами, возникающими и развивающимися в ходе сложного противоречивого взаимодействия речного потока с руслом и биотой), позволяет понять не только пространственные и хронологические закономерности процесса зарастания, но и его внутренние механизмы и сущность. Это обеспечивается за счет того, что зарастание рассматривается, как проявление развития и функционирования русловых аквальных геокомплексов, входящих в качестве подсистемы в систему долинных ПТК, а следовательно отражающих их развитие (подчиненных ему) и в то же время во многом это развитие определяющих.

Общей среднемноголетней тенденцией развития речных ПАК является прогрессирующед зарастание русел рек, развивающееся на фоне растущего антропогенного воздействия на долинно-речные геосистемы и проявляющееся в зарастании и освоении растительностью практически всех морфологических элементов русла и увеличении числа, плотности и видового разнообразия русловых растительных группировок.

Изучение рек, находящихся на разных стадиях зарастания, позволяет сделать вывод о том, что в процессе освоения речного ложа сообщества гидрофитов последовательно распространяются из области медленного течения и малых глубин в область быстрого течения и больших глубин.1 При этом, вследствие развития биоты ПАК происходит постепенное изменение содержания всех его компонентов, усложнение вертикальной и горизонтальной структуры ПАК, что сопровождается дифференциацией условий внутри комплекса и переходом его на более высокий таксономический уровень.

6. Основным результатом изменения условий стока с речных бассейнов является смена различных инвариантных состояний речных фитосообществ, приводящая к изменению шероховатости руслового ложа и отражающаяся таким образом, на его пропускной способности. Развитие и функционирование русловых растительных сообществ является важнейшей составляющей общей способности бассейновой.

191 системы к саморегуляционным перестройкам в ответ на внешние воздействия.

В целом, водная растительность является компонентом долинно-речной системы, с одной стороны регулирующим пропускную способность гидросети в отношении жидкого и твердого стоков за счет изменения морфологии и динамики русловых форм, с другойотражающим тенденции изменения пропускной способности системы водосбора, в том числе и антропогенно обусловленные.

7. Воздействие антропогенной деятельности на долинно-речные системы отличается разнообразием и захватом всех их компонентов, которые подвержены влиянию в той или иной мере.

Роль отдельных отраслей в изменении природы речных долин неоднозначна, влияние большинства сторон хозяйственной деятельности человека захватывает не весь ландшафт, а отдельные его компоненты. Распределение нагрузок по звеньям долинной сети имеет свою специфику для каждой отрасли.

На базе комплексного анализа воздействия различных аспектов хозяйственной деятельности на долинно-речную ландшафтную систему, представляется возможным сделать вывод о том, что основным совокупным результатом антропогенной деятельности как на водосборах, так и в пределах речных долин является изменение соотношения жидкого и твердого стока в различных звеньях гидрографической сети, влекущее за собой целую серию изменений состояния речных русел и прилегающих участков долин и определяющее таким образом общие пространственно-временные тенденции процесса зарастания.