Гидрологические процессы и явления (стр. 4 )

Основными количественными показателями интенсивности биологических процессов в водных объектах служат биомасса и продукции.

Биомасса – это общее количество органического вещества в живых организмах в данном водном объекте и в данный момент времени. Биомассу выражают либо в единицах массы, либо относят к единице объема воды (г/м3) или площади дна (г/м2, кг/га). Увеличение биомассы связано с ростом и размножением организмов, перемещением из смежных районов, уменьшение – с гибелью, перемещением за пределы рассматриваемого объекта, изъятием для хозяйственных нужд (выловом).

Свойство водных объектов воспроизводить органическое вещество в виде живых организмов называется биологической продуктивностью, количественной характеристикой которой служит продукция, т. е. приращение биомассы за некоторый интервал времени.

При этом важнейшую роль играет так называемая первичная продукция, т. е. органическое вещество, создаваемое автотрофными организмами, в основном в процессе фотосинтеза. Гетеротрофные организмы лишь преобразуют органическое вещество.

Противоположного характера процесс связан с деструкцией, или разложением органического вещества, ведущим механизмом которого являются окислительные процессы. Разложение органического вещества может быть полным, и тогда продуктами его распада будут С02, NH4, Н20 и др., или неполным. В последнем случае не полностью разложившиеся остатки растительности формируют слои торфа, сапропелита, горючих сланцев, бурого и каменного угля, а остатки водных живых организмов (в первую очередь беспозвоночных) – слои органогенных морских осадочных пород, например известняки, состоящие из раковин фораминифер, кораллов, брахиопод, моллюсков и т. д.

Водные объекты по условиям питания гидробионтов подразделяют на олиготрофные (биогенных веществ мало, планктон развит слабо), евтрофные (большое содержание биогенных и органических веществ, бурно развивается фитопланктон), дистрофные (в воде содержатся вредные для развития жизни вещества, наблюдается недостаток кислорода), мезотрофные (водные объекты со средними условиями питания).

Евтрофирование – это процесс повышения биологической продуктивности водных объектов в результате накопления биогенных веществ под действием естественных или антропогенных факторов.

В результате усиленного развития в водном объекте растений и микроорганизмов, а затем их гибели ухудшается качество воды – уменьшается ее прозрачность, появляются неприятные вкус и запах, повышается величина рН, возникают дефицит кислорода и заморные явления.

Полагают, что евтрофирование водных объектов начинается, если содержание фосфора в воде превысит, по некоторым данным, 10-30 млг/л. Благоприятным условием для развития водных организмов отвечает содержание кислорода в воде не менее 4 мг/л.

Вода как важная часть входит в состав всех организмов в количестве от 60 до 99,7%. В наземных растениях 70-90% воды, в водорослях 90-98 %. Медузы на 95-98 % состоят из воды, в рыбах ее около 70 %. Млекопитающие содержат 63-68 % воды. Сам человек на 65 % состоит из воды.

Вода также необходима для жизнедеятельности организмов: ее потребляют и животные и растения. Огромные объемы воды фильтруют самые распространенные на Земле животные – беспозвоночные (простейшие, кишечнополостные, моллюски, губки, ракообразные и др.), живущие в водах океана и водоемов суши. Большие количества воды (близкие к величине речного стока) пропускают через себя растения. Главный механизм этого процесса – поднятие воды по капиллярам тканей растений и транспирация (физиологическое испарение).

Водные экосистемы могут быть подразделены не только на упомянутые выше типы, но и по иерархической подчиненности: глобальная экосистема Мирового океана вместе с речной сетью его водосбора; изолированные водные экосистемы областей внутреннего стока; крупные водные объекты (океаны, речные системы); отдельные реки, озера, моря, водохранилища, болота; их крупные части (притоки, дельты, заливы, лагуны, лиманы, эстуарии и др.); экосистемы самого низкого ранга (элементы водоемов и водотоков – экосистемы плесов, литорали, пелагиали и т. д.).

По данным Ю. Одума (1986), водные экосистемы принадлежат к числу самых биопродуктивных на планете. Наибольшей удельной (на 1 м2 площади) биопродуктивностью обладают эстуарии, влажные тропические леса, районы морского апвеллинга (подъема вод), т. е. экосистемы, в которых вода играет важнейшую роль. Общая же валовая первичная биологическая продукция распределяется между сушей и Мировым океаном приблизительно в пропорции 60:40%. Ю. Одум отмечает также, что малая биопродуктивность некоторых экосистем (например, пустынь) связана прежде всего с недостатком воды.

Существенным недостатком определений Геккеля, Тенсли и многих других, касающихся экологии и экосистем, является отсутствие в них упоминания о человеческом обществе и его хозяйственной деятельности. В позапрошлом и начале прошлого века это, возможно, было оправдано, поскольку человек (не биологический вид, а социально-экономический фактор) еще слабо взаимодействовал как с живой, так и с неживой природой. В наши дни человеческое общество и его хозяйственная деятельность становятся мощнейшим экологическим фактором, причем действующим в двух направлениях: с одной стороны, человеческое общество, обеспечивая себе необходимые условия жизнедеятельности и социально-экономического развития, активно использует как абиотические, так и биологические ресурсы природы, с другой – преобразует и те и другие ресурсы, изменяя и регулируя их, а нередко и нарушая экологическое равновесие.

Поэтому водную экосистему (т. е. экосистему, в структуре и функционировании которой ведущая роль принадлежит воде) следует рассматривать как систему, состоящую из трех самостоятельных, но активно взаимодействующих компонентов:

- абиотическая часть водной экосистемы, т. е. вода с содержащимися в ней растворенными (включая газы) и взвешенными веществами, грунты дна и берегов водных объектов;

- биотическая часть экосистемы, т. е. все гидробионты и их комплексы – биоценозы;

- человеческое общество и его хозяйственная деятельность.

К числу характеристик абиотической части водных экосистем, имеющих наибольшее экологическое значение как для развития водной биоты, так и для обеспечения жизнедеятельности человека и его хозяйственной деятельности, необходимо прежде всего отнести: температуру, минерализацию (соленость) и мутность воды; содержание в ней химических веществ, в том числе биогенных, органических и загрязняющих; концентрацию кислорода и диоксида углерода; скорости течения; интенсивность водообмена между различными частями водного объекта; уровни воды и площади заливания поймы; ледовые явления. Изучением пространственно-временной изменчивости этих экологически значимых характеристик и занимается гидрология.

?

Контрольные вопросы

1.  Закон сохранения вещества и его количественное выражение.

2.  Закон сохранения тепловой энергии.

3.  Закон сохранения механической энергии.

4.  Уравнение водного баланса.

5.  Метод водного баланса и его применение.

6.  Круговорот солей.

7.  Наносы и их круговорот.

8.  Круговорот газов. Понятие БПК и ХПК.

9.  Баланс кислорода.

10.  Баланс диоксида углерода.

11.  Уравнение радиационного баланса.

12.  Уравнение теплового баланса. Метод теплового баланса.

13.  Классификация движения воды.

14.  Число Рейнольдса.

15.  Классификация движения воды по состоянию водного объекта. Число Фруда.

16.  Понятие расхода воды.

17.  Потенциальная и кинетическая энергии воды.

18.  Силы, действующие в водных объектах. Поверхностные силы. Массовые силы.

19.  Сила тяжести. Центробежная сила. Сила Кориолиса.

20.  Современные климатические условия. Климатическая зональность. Метеорологические условия.

21.  Крупные изменения климата.

22.  Эрозионно – аккумулятивные процессы на земном шаре.

23.  Понятие биосферы. Гидробионты.

24.  Консументы. Редуценты.

25.  Понятие «евтрофирование».

Часть II. Процессы и компоненты в водных системах

Модуль 2.1. Водные экосистемы, процессы и компоненты природных вод

Вы будете изучать

-  Понятия и термины водных экосистем.

-  Процессы и компоненты природных вод.

-  Процессы формирования поверхностного стока. Грунтовое питание рек.

-  Уровенный и скоростной режим рек

-  Тепловой режим и условия освещенности.

-  Взвешенные и растворенные вещества.

-  Физико-химические реакции в природных водах.

-  Растворение газов.

-  Биологическая продукция экосистем рек

Цели модуля

-  Изучить основные термины и понятия в сфере водных экосистем.

-  Рассмотреть процессы формирования природных вод и их компоненты.

-  Дать представление об уровенном, скоростном, тепловом режимах рек, основных физико-химических реакциях.

-  Обсудить биологическую продуктивность экосистем рек.

После изучения модуля вы сможете

-  Иметь представление о водных экосистемах и процессах, проходящих в них.

-  Знать основные закономерности формирования поверхностной и грунтовой составляющих питания рек.

-  Проводить анализ и оценку уровенного, скоростного, теплового режимов рек, основных физико-химических реакций.

Основная литература

- , Передельский . Учебник. / 12-е изд., доп. и перераб. - Ростов н/Д: Феникс, 20с.

- Лиходед : Учебное пособие/ , . - Ростов-на-Дону, 20с.

- Колесников основы природопользования: Учебник/ . - Москва, 20с.

-  Болгов проблемы оценки водных ресурсов и водообеспечения / , , . - М.: науч. изд. «Наука» , 2005. – 318 с.

-  Вода или нефть? Создание Единой Водохозяйственной Системы / , , и др.; под общей редакцией проф., д. т.н. . – М.: МППА БИМПА, 2008 – 456 с.; ил. – (Научное издание).

Дополнительная литература

-  Латышенко мониторинг: Лабораторный практикум/ . - Москва, 20с.

-  Трушина основы природопользования: Учебник/ . - Ростов-на-Дону, 20с.

-  , Афонин по водному хозяйству / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2009. – 176 с.

 

Ключевые слова

Экосистема, геоэкосистема, гидроэкология, реопланктон, гетерогенность, ветвистоусые рачки, грунтоеды, детритофаги, хирономид и симулиид, аллахтонное, перифитонное и эпифитонное.

2.1.1. ВОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ

Понятие «экосистемы», в частности водные, неразрывно связано с представлением об экологии как комплексе наук: экосистемы – это предмет изучения экологии. Термин «экология» был впервые предложен в 1866 г. немецким зоологом Э. Геккелем; экологию он определил как общую науку об отношениях организмов к окружающей среде. Понятие «экосистема» было введено в науку в 1935 г. английским ботаником А. Тенсли. Согласно его определению, экосистема – это природный комплекс, образованный живыми организмами (биоценоз) и средой их обитания, связанными между собой обменом веществ и энергии. Многие трактовки понятий «экология» и «экосистема», появившиеся в последующее время, являются в той или иной степени модификациями терминов, предложенных Геккелем и Тенсли.

Одуму (1986), все природные экосистемы подразделяются на три группы: наземные (тундра, леса разного типа, степи и пустыни), пресноводные (озера, реки, болота) и морские (океан, шельф, эстуарии, соленые марши). Из этого перечня видно, что водные экосистемы очень распространены и служат важными компонентами природной среды Земли. Изучать водные экосистемы призвана гидроэкология (водная экология) как часть общей экологии (или геоэкологии). В состав гидроэкологии входит и гидрология.

Речной бассейн представляет собой единую и достаточно автономную целостную геоэкосистему, основные элементы которой связаны текущими природными водами. Изучение процессов функционирования этой системы, ее устойчивости, динамики эволюции и развития позволит разработать и создать правильные и экологически безопасные методы управления рациональным водопользованием.

Бассейн реки включает в себя две относительно самостоятельные, но постоянно взаимодействующие подсистемы: водосбор и реку. Поэтому условно их можно рассматривать каждую в отдельности.

Совокупность живых сообществ, воды и русла составляет экосистему реки. Обладая определенной обособленностью и специфичностью, она представляет собой подсистему экосистемы водосбора. Экосистемы рек весьма разнообразны и зависят от физико-географических условий: геологических, почвенных, климатических.

Экосистема реки формируется под большим влиянием водосбора и физико-географических условий территории в целом, также велика роль внутри водоемных процессов. Они существенно изменяют воздействие водосбора и формируют специфические черты экосистемы реки. Изменение физических и химических характеристик водотока привлекает к себе соответствующие этим условиям живые организмы, которые вытесняют предшествующих. Дальнейшее преобразование среды обитания воздействует на живые организмы и происходит новая замена. Под влиянием хозяйственной деятельности на водосборе и в русле экосистема реки изменяется. Поступающие в реки загрязнения и токсичные вещества коренным образом преобразуют экосистему реки. Из объекта с активной жизнедеятельностью различных организмов она превращается в приемник отходов производства. Восстановление экосистемы реки может быть эффективным только при одновременном проведении мероприятий на водосборе и в самой реке. Односторонние мероприятия могут смягчить ситуацию, но не обеспечат желаемого результата.

2.1.2. ПРОЦЕССЫ И КОМПОНЕНТЫ ПРИРОДНЫХ ВОД

Биотические сообщества рек. Население рек не всегда характеризуется значительным видовым разнообразием. Из отдельных экологических группировок значительного числа в реках достигает перифитон, планктон, бентос и нектон, а нейстон и плейстон вследствие турбулентного движения воды могут отсутствовать.

Планктон рек, или реопланктон, характеризуется гетерогенностью происхождения, так как образуется за счет автохтонных и аллохтонных элементов. Аллохтонный планктон, заносимый в реку поверхностными водами, попадая в новые условия, изменяется. Становление специфики речного планктона начинается с момента неодинакового выноса форм, в разной степени противостоящих сносу. По этой причине фитопланктон выносится в реки сильнее, чем зоопланктон, а в последнем коловратки как менее активные пловцы представлены относительно богаче, чем ракообразные. В дальнейшем среди организмов реозоопланктона в более благоприятных условиях оказываются коловратки и ветвистоусые рачки, способные размножаться партеногенетически и потому не нуждающиеся в обеспечении встречи особей разного пола. Ветвистоусые рачки менее приспособлены к существованию в речных условиях. Минеральная взвесь засоряет их отцеживающий аппарат, а также, попадая в кишечник, ухудшает возможности питания и плавания животных.

Видовое разнообразие реопланктона обычно возрастает с продвижением от истоков к устью реки. Короткие реки могут быть практически лишены фито - и зоопланктона и в толще воды присутствует только бактериопланктон. Численность бактерий в речной воде претерпевает значительные сезонные изменения, обнаруживая максимум во время пика паводка. Заметное повышение численности бактерий прослеживается в реках ниже очагов загрязнения органическими веществами.

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.

2.1.3. 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 , при формировании стока выделяют 4 фазы:

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

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

3.  Фаза полного стока. Вода стекает со всей площади бассейна.

4.  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.

Рис.2. Схема формирования стока с водосборов

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.

2.1.4. 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.).

2.1.5. 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.

2.1.6. 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 домг/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.

2.1.7. 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 (, 1981):