Динаміка водних мас і її роль у водних екосистемах

Тема 3. Динаміка водних мас і її роль у водних екосистемах

3.1. Водні маси як компонент гідрологічної структури водойм і водотоків

3.2. Роль течій у формуванні структури біоценозів| і функціонуванні водних екосистем

3.1. Водні маси як компонент гідрологічної структури водойм і водотоків

Під водними масами розуміють об'єми води, які визначаються площею і глибиною улоговин водних об'єктів або поглиблень земної поверхні із однорідними фізико-хімічними характеристиками, що сформовані під впливом геологічних і кліматичних умов. Водні маси є основним елементом гідрологічної структури водних об'єктів.

Водні маси формуються із

− атмосферних опадів, що випадають на водозбірну площу;

− підземного стоку;

− води, що переміщується по природних або штучних водотоках| (наприклад, каналах територіального перекидання частини стоку) з інших регіонів.

Залежно від походження вод, що поступають у водойми і водотоки|, розрізняють основні і вторинні водні маси. Основні водні маси — це водні маси морів і великих озер, які тривалий час складають основу їх водного балансу. Оновлення цих вод відбувається поступово завдяки річковому стоку, а також обміну з атмосферною вологою. Вторинні водні маси утворюються в результаті змішування основних вод з тими, що поступають з річковим стоком або з водами інших джерел.

Річкові водні маси, залежно від сезонних особливостей (весняні води, літні меженні|, паводкові),

формуються в річковому руслі з надходжень первинних континентальних вод з водозбірної площі.

Місцевий стік формується з водних мас, що стікають по схилах місцевості, а також з грунтових і підземних вод. У різні сезони року переважає один з цих трьох типів стоку. Так, води місцевого стоку утворюються за рахунок дощових і талих вод і тому мають невисоку мінералізацію. Грунтові води формуються в процесі інфільтрації і фільтраційного стікання і характеризуються вищою мінералізацією у порівнянні із стікаючими водами. Триваліший час потрібний на утворення підземних вод, що і визначає їх високу загальну мінералізацію і насиченість гідрокарбонатами, кальцієвими|, магнієвими, натрієвими і сульфатними йонами [7, 12, 14].

3.2. Роль течій у формуванні структури біоценозів| і функціонуванні водних екосистем

Течія — це поступальне переміщення мас води у водних об'єктах, обумовлене різними чинниками: нахилом поверхні території, обертанням Землі, неоднорідністю температури, вітром, хвилеутворенням і іншими фізичними процесами та явищами. Залежно від шару води, в якому розташовані течії, їх підрозділяють на:

1) поверхневі,

2) глибинні,

3) придонні.

Течії можуть бути періодичними, майже періодичними і неперіодичними, теплими або холодними.

Течії відіграють виключно важливу роль у функціонуванні водних екосистем, зокрема у водообміні між окремими ділянками біотопу, перерозподілі тепла, кисню, розчинених і завислих речовин, переміщенні гідробіонтів, розбавленні забруднюючих речовин, які надходять із стічними водами. З течіями пов'язано переформовування берегів, замулювання окремих ділянок річкового русла і чаші водойми.

Залежно від переважання того або іншого типу течій у водному об'єкті формується структура біоценозів|. Розрізняють біоценози| річкові, такі, що складаються з реофільних| видів, і озерні, до складу яких входять лімнофільні| організми.

Реофільні організми представлені переважно тваринами, що пристосувалися до життя в проточних системах. Більшість реофільних| тварин протистоять сильній течії, мають розвинені органи прикріплення, зариваються в донні грунти, ховаються в спеціально побудованих ними ж притулках – «будиночках» або добре плавають і здатні пересуватися проти течії. До реофільних| тварин відносяться губки, мохуватки, личинки деяких комах, більшість видів молюсків, ракоподібних, риб. З вищих рослин краще всього пристосовуються до проживання в проточних водах ті види, у яких добре розвинені кореневища, що дозволяють їм міцно закріплюватися в донному грунті.

Озерні біоценози| формуються з лімнофільних організмів у стоячих водах. Гідробіонти, що входять до складу цих біоценозів|, можуть ширяти в товщі води (лімнопланктон), активно пересуватися в ній (лімнонектон|) або жити на дні водойми (лімнобентос|). Лімнофільні тварини, на відміну від реофільних|, менш вимогливі до концентрації розчиненого у воді кисню. З макрофітів в стоячих водоймах у великій кількості зустрічаються занурені, плаваючі і напівзанурені рослини.

Стічні течії, що виникають в результаті нахилу водної поверхні, є постійними. Вони швидші в гірських річках і повільніші – в рівнинних.

Стічні течії у водосховищах (зокрема, в дніпровських) залежать від режиму роботи гідроелектростанцій. Найбільша швидкість стічних течій співпадає з максимальним денним навантаженням на гідроелектростанції. Навпаки, вночі, коли потреба в електроенергії знижується, вода скидається і об'єм стічних течій зменшується.

Стічні течії в океані називаються градієнтними, оскільки вони виникають унаслідок горизонтального градієнта гідростатичного тиску.

Вітрові течії викликаються переміщенням верхнього шару води під впливом вітру, який може змінювати нахил водної поверхні. Наганяння водних мас відбувається у напрямі вітру. До вітрових течій відносяться дрейфові, а також компенсаційні, які виникають услід за дрейфовими в глибинних або придонних шарах води.

Дрейфові течії утворюються в поверхневому шарі води і пов'язані безпосередньо з її переміщенням у водних об'єктах під дією вітру. Швидкість дрейфових течій у більшості континентальних водойм не перевищує 5-10, а під час шторму може досягати 100 см/с. З урахуванням можливих вітрів, швидкість дрейфових течій в озерних ділянках Канівського, Дніпродзержинського і Запорізького водосховищ складає 7-10, а в Київському, Кременчуцькому і Каховському – 10-17 см/с.

При вітровому переміщенні водних мас утворюється перекіс водної поверхні унаслідок наганяння води до навітряного берега, що обумовлює виникнення в придонних шарах компенсаційних течій, швидкість яких в 2-3 рази менша, ніж дрейфових.

Сумісна дія вітру і сили, обумовленої обертанням Землі, приводить до виникнення стійких океанічних течій, серед яких одною з наймогутніших є Гольфстрім. Під впливом вітру на поверхні водойм і водотоків| утворюються хвилі. При швидкості вітру до 0,7 м/с з'являються брижі, або капілярні хвилі, заввишки 3-4 мм і завдовжки 40-50 мм. При наростанні сили вітру вони переходять в гравітаційні. Розміри вітрових хвиль залежать від швидкості вітру, тривалості його дії і довжини розгону. Має також значення морфометрія водойм, конфігурація берегів, глибина і режим стічних і інших течій.

Під дією сили тяжіння у водоймах може відбуватися вертикальне перемішування водних мас – важчих шарів води з більш легкими. Це обумовлено різною густиною водних шарів, яка залежить від температурного, сольового і вітрового чинників. При температурі 3,98 °С вода має найбільшу густину і починає опускатися на дно, витісняючи тепліші водні маси ближче до поверхні водойм. Це явище одержало назву конвективне перемішування водних мас. Його інтенсивність пропорційна величині вертикального градієнта густини води. У результаті конвективних процесів в озерах, водосховищах і ставах відбувається досить швидке перемішування холодних і теплих вод ранньою весною – після танення крижаного покриву і восени – при його утворенні.

Одним з різновидів конвективного перемішування поверхневих водних мас є мікроконвекція – вертикальне перемішування невеликих об'ємів води в самому верхньому шарі, товщина якого не перевищує декількох мікрон. У основі цього процесу лежить ущільнення поверхневого шару води, обумовлене зростанням концентрації розчинених солей під впливом випаровування вологи. Мікроконвекція може припинятися під час випадання дощів або при зростанні вологи в приводному шарі атмосфери.

Мікроконвекційне вертикальне перемішування води відіграє виключно важливу роль у функціонуванні організмів нейстону.

Існують течії, що виникають у водоймах в результаті горизонтального градієнта густини води |. Вони характерні для великих глибоководних озер, в які поступають річкові весняні талі води з високим вмістом завислих частинок. Причиною виникнення таких| течій може бути також скидання у водойми висококонцентрованих стічних вод, густина яких вища, ніж природних вод. З конвективними явищами пов'язані процеси самоочищення водних екосистем, перенесення поживних речовин і відведення екзометаболітів|.

Особливим типом течій є припливні течії. Вони виникають в морях і океанах в результаті динамічних процесів, обумовлених силами тяжіння Місяця і Сонця. Під дією цих же сил відбуваються періодичні коливання рівня моря, що розповсюджуються з відкритого океану в затоки, естуарії і гирлові ділянки річок. При проходженні приливної хвилі змінюються течія, солоність, температура води і інші гідрофізичні характеристики водних мас. У результаті приливів в гирлових ділянках річок відбувається змішування річкових і морських вод. Разом з солоними водами в річки проникають завислі частинки морського походження, що створює особливі умови для існування гідробіонтів. У припливно-відпливних| зонах мешкають організми, що адаптувалися до мінливих умов середовища. Під час відпливу деякі з них можуть закопуватися в донний грунт, інші (наприклад, молюски) – закривати стулки і в такому стані знаходитися до його закінчення. Найбільші по величині приливи (до 13 м) спостерігаються в прибережних зонах океанів. Океанічна вода під час приливів може розповсюджуватися по р. Амазонці на відстань до 1500 км., а по р. Янцзи – до 570 км. У відкритому океані амплітуда припливів складає близько 30-40 см. Дещо менша вона в більшості морів. Так,

у Чорному, Середземному і Балтійському морях цей показник досягає всього декількох сантиметрів.

Для річок Чорноморського басейну і Приазов'я характерніші явища наганяння і зганяння, які обумовлюються вітром і коливаннями атмосферного тиску. Якщо вітер дме з моря, значні маси води переміщаються з Чорного моря в Дніпровсько-Бузький, Дністровський лимани і приморську частину дельти Дунаю. При сильному вітрі солоні морські води можуть проникати в пониззя Дніпра. Аналогічні явища можна спостерігати в низів’ях| річок Дону і Кубані під час вітрового наганяння води з Азовського моря.

При напрямі вітру з суші, навпаки, спостерігається значне розповсюдження річкових прісних вод вглиб моря і зменшення солоності морської води. Такі зміни гідрологічного і гідрохімічного| режиму обумовлюють значну видову різноманітність флори і фауни (морську, солонуватоводну|, прісноводну) в естуарних| екосистемах [7, 12, 14].

Запитання для самоконтролю

1. Роль водних мас у структурі водойм і водотоків. Види і особливості водних мас.

2. Вплив течії на формування структури біоценозу.

3. Екологічне значення конвективного перемішування водних мас.