Лекція №11

 

ВПЛИВ ВОДОГОСПОДАРСЬКИХ ЗАХОДІВ НА НАВКОЛИШНЄ ПРИРОДНЕ СЕРЕДОВИЩЕ

 

Екологічні наслідки зарегулювання річок

 

       Необхідність зарегулювання річок та створення водосховищ викликана багатьма причинами, одна з яких - велика сезонна та багаторічна нерівномірність стоку рік. За умов такого змінного стоку стає неможливим розвиток ні водопостачання, ні гідроенергетики, ні водного транспорту. Забезпечувати потреби у воді за рахунок незарегульованих поверхневих водотоків та підземних вод стає все важче. Накопичуючи полноводний стік, водосховища постачають воду в міста, забезпечують водою промисловість.

 Зарегулювання річок та створення водосховищ впливає  на розвиток річкового транспорту. Будівництво гідровузлів дозволяє збільшувати судоходні глибини на найбільш мілководних ділянках річок.

 Водосховища також покращують умови розвитку сільського господарства. Збільшення площин зрошуємих земель неможливе без забезпечення їх водними ресурсами, що потребує врегулювання стоку річок. Тоді збільшення площини зрошуємих земель стає можливим за рахунок раціонального використання поверхневого стоку, подачі води на поля в потрібній кількості та у відповідності до оптимальних строків поливу.

  Крім цього, без зарегулювання річок неможливо уявити розвиток енергетики, але для використання річкових енергетичних ресурсів потрібно створювати перепади рівнів води, оскільки природніх перепадів дуже мало. Будівництво більшості ГЕС пов’язано зі створенням гідровузлів, що призводить до утворення водосховищ, які теж відіграють важливу  роль: за їх відсутності ГЕС виробляли б енергію в залежності від водності річки в той чи інший період, а це призвело б до нерівномірної роботи ГЕС та постійної зміни їх потужності.

  Зміна режиму річок також зумовлена й потребами рибного господарства. При збільшенні поверхні водного дзеркала створюються умови для збільшення ресурсів місцевих риб, а їх улови зростають в декілька разів.

 

Зміна характеристик абіотичного середовища

                          Гідрологічний режим

 Динаміка водних мас. Основний компонент внутриводоймищної динаміки - переніс водних мас -  формує такі важливі процеси, як водообмін між окремими ділянками чи зонами водоймища, розведення стічних вод, заїлення чаши водосховища, переформування берегів, перерозподіл тепла, розчинених та взвішених речовин, живих організмів.

  У русі вод водосховищ поєднуються елементи річкового (стокові течії) та озерного (згони й нагони, хвилі) режиму. Режим течій та хвиль ускладнюється будовою котловин (пересічний рельєф дна, різні зміни глибин, великі мілководдя), значними коливаннями рівнів води, попусками води крізь плотини.

  Стокові течії спостерігаються у всіх водосховищах, але швидкості їх значно менші, ніж у річках. В середньому за водністю році швидкість стокових течій змінюється у межах 1,5-7,0 см/с, у багатоводному  від 2,7  до 11,7 см/с, у маловодному - 1,0-4,7 см/c. Інтенсивність, а досить часто й напрямок стокових течій майже повністю визначається  режимом роботи ГЕС, що часто зумовлює дуже нерівномірний режим течій у верхніх та особливо нижніх б’єфах плотин. При цьому в нижніх б’єфах швидкості течій можуть вар’ювати від нуля до 1,5-2,5 м/с.  У верхніх б’єфах амплітуда добових змін швидкостей може сягати 1,0 м/с. Стокові течії превалюють у верхніх (річкових) ділянках, а на великих озероподібних ділянках водосховищ найбільш поширеним видом течій є вітрові (дрейфові).

  Генеруємі дією вітру на водну поверхню, ці течії захоплюють не лише поверхневі, а й більш глибокі шари водоймищ. При постійній дії вітру на водну поверхню в дрейфовій течії беруть участь верхні шари глибиною до 1/3 водосховища. Нижні (2/3) займає зворотня течія. Іноді зворотні течії локалізуються в певних місцях, тоді вони можуть захоплювати всю водну товщу (т. з. компенсаційні течії). Швидкість вітрових течій у поверхневих шарах складає приблизно 0,4-0,7% швидкості вітру над поверхнею води. В чистому вигляді вітрові течії спостерігаються досить рідко, бо на них накладаються стокові та інші види течій.

  Особливою складністю структури течій відзначаються прибрежні зони водоймищ. Тут, окрім вже зазначених, формуються й специфічні вздовжберегові вітрові, вздовжберегові хвилеприбійні та розривні течії. Течії прибрежної зони відіграють важливу роль у формуванні багатьох показників гідрохімічного та гідробіологічного режимів водоймища. Завдяки ним відбувається основний  (до 93%) водообмін між акваторією водосховища та його мілководдям, який забезпечує надходження мікроелементів, біогенів та інших речовин до масивів заростей і таким чином сприяє реалізації очисних можливостей останніх.

  Турбулентне перемішування теж відіграє не останню роль. Завдяки йому відбувається вирівнювання температурних полів, розбавлення розчинених та взвішених речовин, підсилення розкладу забруднюючих речовин за рахунок окисно-відновних реакцій, переніс поживних речовин до живих організмів та відвід від них продуктів життєдіяльності. При дії вітру на поверхню води спочатку з’являються капілярні хвилі, які поступово (при підсиленні вітру) перетворюються на вітрові, потім починається опрокидування гребнів хвиль та їх руйнування, а також утворення вихрів, що проникають на все більшу й більшу глибину й перемішують перш за все поверхневі шари. Між шарами, що беруть участь у дрейфовому русі, і нерухомою водною масою (або противотечією) також утворюються вихрі, областю формування яких може бути й дно потоку.

  Щодо вітрових хвиль на водосховищах, то вони являють собою складний процес, який визначається великим числом факторів. Розміри хвиль та інші параметри хвилювання залежать від швидкості та тривалості дії вітру, довжини розгону хвилі, глибини водосховища. Відносно невеликі розміри акваторії й об’ємів сприяють активній реакції хвильового режиму на вітрові умови: хвилювання шводко виникає, розвивається й так само швидко затухає.

 Рівневий режим. Регулювання стоку в корені змінює режим рівня води. Якщо за природніх умов на річці відмічався яскраво виражений весняний підйом, то після створення водосховищ на більшості ділянок річки він понизився і елементи рівневого режиму водосховищ - річний хід та амплітуда коливання - тепер практично можуть регулюватися.

  За характером і амплітудою коливань відміток водної поверхні кожне водосховище можна поділити на дві зони: верхню -  перемінного підпору  та нижню - малих уклонів.

Рівневий режим у верхніх зонах є дуже нестабільним, оскільки зумовлюється режимом роботи ГЕС. Зміна навантаження носить скачкоподібний характер, і це зумовлює дуже різкі коливання рівня води у верхніх б’єфах. Ці коливання поширюються по водосховищу у вигляді довгих хвиль. Хвилі попуску в нижній б’єф називаються прямими хвилями, а коливальні рухи водної маси водосховища, що поширюються вгору від плотин,  зворотніми хвилями.

  Прямі хвилі поширюються із досить великою швидкістю (6-10м/с); амплітуда виникаючих при цьому коливань рівня залежить від наповнення водосховища та величини витрат води крізь споруди ГЕС. У верхній ділянці водосховища вона може сягати 1,5-2 м, а на іншій акваторії вона зазвичай не перевищує 15-25 см.

  Створюючи підвищений фон швидкості течії у певні проміжки часу, попуски забезпечують підсилення самоочисних потоків, промивання зон, де за умов стабільного стоку можливе формування застійних явищ.

  Згінно-нагінні та сейшеві денівеляції рівня забезпечують динамізм рівневого режиму нижніх ділянок водосховищ. Перші можуть сягати відчутних величин: піднімати й опускати рівень води на 40-45 см й таким чином розширювати амплітуду коливань майже на метр. Сейшеві коливання рівня виникають при різких змінах метеорологічних умов в районі водосховища: при проходженні фронтів або шквалів.

  Слід зазначити, що у багатьох випадках, коли мілководдя захищені від динамічного впливу течії та хвиль, зміна рівня води є єдиним фактором, що зумовлює надходження води в ці зони та відхід її назад у водосховище.

 Прозорість води. Зменшення швидкості течії та інтенсифікація процесів седиментації сприяють значному збільшенню прозорості води, що в свою чергу збільшує глибини проникання променистої енергії сонця. Прозорість води у водосховищах в середньому збільшується у два рази порівняно із річкою, а глибина проникання сонячної енергії збільшується з 1-1,5 м (у річці) до 2,5-6,0 м (у водосховищі). Це спричиняє істотне збільшення потужності шару утворення первинної біологічної продукції (фотичного шару) всередньому у 2,2 рази. В результаті зростає біологічно продуктивність, що в свою чергу призводить до інтенсифікації процесів деструкції та накопичення їлів органічного походження. 

                     Гідрохімічний режим. 

 Мінералізація. Створення водосховищ веде до перерозподілу водного стоку річки за сезонами року і, як наслідок, до змін у динаміці мінералізації та концентрації головних іонів.

  В результаті акумуляції у водосховищах  паводкових  вод   та змішування їх з більш мінералізованою водою, що потрапляє сюди у наступні сезони, відбувається зменшення (особливо у приплотинних ділянках водосховища) річної амплітуди коливань мінералізації та концентрації головних іонів. Якщо до зарегулювання стоку мінералізація вод протягом року могла змінюватись майже в 4 рази, то після зарегулювання вона змінюється лише в 1,4-1,5 разів.

  На величину мінералізації та вміст головних іонів впливає водність року. У середні та багатоводні роки вона нижча ніж, у маловодні. За рахунок акумуляції водних мас у водосховищі спостерігається зміна мінералізації по їх повздовжній вісі, а от змін у мінералізації та концентрації головних іонів за глибиною майже не спостерігається. Лише іноді у літній період відбувається зсув карбонатної рівноваги в бік утворення двуокису вуглецю, за рахунок чого величина загальної мінералізації поверхневих шарів води зменшується порівняно із придонними, чого не відбувалося у річці раніше. Може бути й навпаки: мінералізація поверхневих шарів влітку буває вищою, ніж у придонних шарах, якщо перемішування сильно мінералізованих вод, які надходять з верхів’я, із слабко мінералізованими, що збереглися у приплотинній частині водосховища, незначне. Невелика стратифікація може відбуватися і ранньою весною у приплотинних ділянках водосховищ, коли із верхів’їв надходить менш мінералізована вода, яка внаслідок слабкого перемішування знаходиться у поверхневих шарах. У пік повені пермішування посилюється і стратифікація зникає.

  Річки, що впадають у водосховища, та утворені ними затоки відрізняються за величиною мінералізації від водосховищ, але істотного впливу на останні не справляють, якщо мають невеликий річний стік.

 Розчинені гази. Формування газового режиму водосховищ відбувається під впливом багатьох факторів, основними з яких є періодична дія вітрового перемішування і циркуляції водних мас, фізико-хімічні і біологічні процеси, що відбуваються у водосховищах, взаємодія води із затопленими грунтами, життєдіяльність водних організмів.

Найбільш важливими є розчинений кисень та диоксид вуглецю.  Кисень потрапляє у води з атмосфери та при продукуванні його фітопланктонними організмами та вищою водною рослинністю. О2 витрачається на процеси дихання, окислення органічної речовини при розкладі організмів, а також шляхом евазії назад у атмосферу.

В теплий період (особливо у першій половині літа) основним фактором є фотосинтетична діяльність рослинних організмів. У другій половині літа починають переважати окисно-відновні процеси, які зменшують вміст кисню у воді. Розчинений О2 може витрачатись і на окислення амонійного азоту до NO2 та NO3, солей закислого заліза, процеси окислення метану та сірководню (за участю відповідних бактерій).

Взимку основну роль відіграє температурний режим та наявність ледоставу.

Поверхневий шар води постійно збагачується киснем, а от у придонних шарах спостерігається його дефіцит за рахунок постійних витрат його на окисні процеси, й у донних шарах приплотинних ділянок вміст О2 падає до 30-40, а іноді й до 1-3%.

У місцях великого скупчення фітопланктону (утворення на поверхні води блакитної плівки) максимальна концентрація кисню зсунута на глибину 1-3 метри зі зменшенням до придонного шару.

Значна вертикальна стратифікація вмісту О2 таСО2 спостерігається у перші роки існування водосховища. По-перше, із затопленням земель починаються бурхливі процеси розкладу рослинного і грунтового покриву, що призводить до великих витрат кисню у придонних шарах і, відповідно, до зменшення його вмісту. По-друге, у воду потрапляє досить велика кількість органічної речовини, що веде до інтенсивного розвитку фітопланктону і посилення процесів фотосинтезу у поверхневих шарах води. Відмираючи, фітопланктон осідає на дно й розкладається. Таким чином, у поверхневих шарах кількість розчиненого кисню може сягати приблизно 25 мг/л (290% насичення), в той час як у придонних шарах його конйентрація падає майже до нуля, і весь придонний шар стає заморним.

З віком водосховищ стратифікація теж стає помітною, оскільки з’являється фактор поглинання кисню донними ілами, об’єми яких із року в рік збільшуються й які потребують все більше й більше кисню на хімічне й біохімічне окиснення утворених відновлених продуктів розкладу.

У верхніх ділянках водосховищ, що знаходяться в зоні змінного підпору, гідрологічний режим найбільш подібний до річкового і швидкість течії не падає нижче 0,2-0,1 м/с. Тому тут у літній період спостерігається найбільш благоприємний кисневий режим. Стратифікація тут не відмічається, дефіциту кисню немає, оскільки фітопланктон розвивається слабо й середня його біомаса приблизно 0,05-15 г/м куб.

В середніх та приплотинних ділянках водосховища швидкості течії незначні (0,01-0,1 м/с) або ж течії відсутні зовсім. Тому біомаса фітопланктону в періоди інтенсивного зацвітання сягає тут 40-60 г/м куб. та вище, між тим як при кількості біомаси більше ніж 15 г/м куб. вже виникає загроза біологічного забруднення і появи токсикантів. Внаслідок такого скупчення водоростей тут спостерігається особливо яскраво виражена киснева стратифікація.

Ранньою весною і восени через вітрове перемішування та невелику роль процесів фотосинтезу стратифікація О2 та СО2 спостерігається рідко, а пізно восени вона відсутня повністю, і перед ледоставом усі шари приблизно однаково насичені киснем, кількість якого в цей час може сягати 9-12,5 мг/л.

Джерелом СО2 у водосховищах є процеси окислення органічних речовин, різні види розкладу та дихання. Зменшення двуокису вуглецю відбувається при фотосинтезі та виділенні СО2 в атмосферу.

Концентрація двуокису вуглецю залежить від сезону, біологічних та біохімічних процесів. Максимальна концентрація спостерігається у період ледоставу (50-70 мг/л). Влітку у придонних шарах води за рахунок процесів розкладу відбувається накопичення СО2 до 5-10, а іноді й до 20-45 мг/л.

 Органічні речовини. До органічних речовин, що найчастіше зустрічаються у водосховищах, належать органічний вуглець, органічні азот та фосфор, білки, пептиди та амінокислоти.

 Вміст органічного вуглецю (через те, що у водосховищі одночасно йдуть два протилежно направлені процеси - синтез органічних речовин та їх деструкція) на різних ділянках помітно відрізняється. Підвищена концентрація органічного вуглецю може бути пов’язана як із надходженням гуміфіційованих вод з річок, що впадають у водосховище, так  і з великою біопродуктивнітю.

Максимум вмісту органічного вуглецю спостерігається у весняно-літній період, при максимальній фотосинтетичній активності фітопланктону. Коли ж процеси деструкції починають переважати над процесами фотосинтезу, кількість Сорг зменшується.

У каскаді в нижніх водосховищах може спостерігатися аномальна динаміка концентрації вуглецю: максимум його вмісту припадає на зимовий період із подальшим зменшенням  з весни до осені. Це пояснюється, вочевидь, накопиченням протягом вегетаційного періоду органічних речовин та їх надходженням із водосховищ, розташованих вище по каскаду.

Вертикальна стратифікація вмісту органічного вуглецю спостерігається зазвичай у глибоководних та застійних зонах. У весняно-літній період збільшується відносна концентрація летких органічних сполук, що пов’язано із фотосинтетичними та деструктивними процесами. В період масового розвитку фітопланктону частка летких органічних сполук може сягати 50% і більше загального вмісту органічних речовин.

Загальний та неорганічний азот є основним джерелом біогенного азоту у водних екосистемах. Це - амонійний азот та інші відновлені мінеральні його форми, органічні азотвмісні сполуки різних класів. Більшість органічних азотвмісних сполук легко піддаються деструкції та мінералізації, утворюючи основний фонд азоту, який витрачається під час фотосинтезу.

Істнує певна закономірність у сезонній динаміці вмісту азоту: влітку його концентрація зростає, восени зменшується. Високі концентрації органічного азоту спостерігаються у багатоводні роки, коли затоплення частини берегової зони водосховищ супроводжується надходженням у них великої кількості біоелементів.

Різниця між вмістом мінеральних та органічних форм азоту досягає свого максимуму взимку, коли більша частина утворених азотвмісних речовин вже мінералізувалася.

 Щодо органічного фосфору, то його концентрація найменша взимку, весною збільшується й до літа знову падає. Для співвідношення між мінеральними та органічними формами фосфору не відмічається такої закономірності, як для азотвмісних сполук, оскільки концентрація мінерального та органічного фосфору у воді залежить не лише від продукційно-деструкційних процесів, а й від фізико-хімічних умов на межі донні відклади-вода, які визначають напрямок та інтенсивність сорбційно-десорбційних процесів.

 Мінімальний вміст розчинних білків спостерігається навесні, максимальний - у осінньо- зимовий період. Сезонна динаміка визначається протіканням двох протилежно направлених процесів: надходження білків при лізісі клітин гідробіонтів, кількість яких пропорційна біопродуктивності водосховища, та деструкції білків, яка відбувається завдяки мікроорганізмам. І той і інший процес залежить від гідрохімічного режиму, пори року, трофності водоймища.

При масовому “цвітінні” водоростей та їх відмиранні концентрація білків може підвищуватись до 2 мг/л і вище; рано навесні, коли фотосинтіз ще не дуже інтенсивний, концентрація не первищує 0,2-0,1 мг/л. Максимальна концентрація амінокислот спостерігається у вегетаційний період.

  Сумарний вміст білків, амінокислот пептидів у донних відкладах зазвичай у два рази перевищує їх вміст у воді.

Ще однією органічною компонентою у водосховищах є феноли, основним природнім джерелом яких є продукти розкладу фітопланктону, вищої водної та наземної рослинності. Особливо велика кількість фенолів утворюється при біохімічному розкладі лігнінів, які входять до складу вищих водних та наземних рослин. Максимальний вміст фенолів спостерігається у місцях скупчення водоростей в період їх вегетації, особливо у плямах “ цвітіння”. Влітку порівняно з весною вміст фенолів у воді може збільшуватись у 8,5 рази.

 

Вплив затоплених грунтів

 

   При зарегулюванні стоку й створенні водосховищ частина береговой зони колишньої річки затоплюється, що призводить до змін у гідрохімічному режимі водосховища. У перші 2-3 роки після зарегулювання стоку за рахунок контакту з грунтами і розкладу затопленої рослинності у воді накопичуються органічні речовини із високим вмістом амінного й амідного азоту, вуглеводнів, амінокислот. Розвиток у затоплених грунтах біопроцесів при обмеженому доступі кисню веде до утворення різко відновлювальних умов, які сприяють переходу в розчинний стан значної кількості марганцю, азоту, заліза й фосфору. До погіршення якості води призводить й вимивання з грунтів біологічно стійких гумусових речовин.

   

                             Пребудова біоти

                             Фітопланктон

 Зарегулювання стоку, створення водосховищ та їх каскадів призводить до суттєвих змін біології річки й змінює якісний склад фітопланктона. У першу чергу це проявляється у істотному збільшенні кількості зелених та синьозелених водоростей.

  Формування якісного складу фітопланктону відбувається в декілька етапів. У початковий період заповнення водосховища відбувається збільшення загальної кількості видів та внутрішньовидових таксонів водоростей по відношенню до незарегульованої ділянки річки. Найбільше видове розмаїття фітопланктону спостерігається у верхній та середній частинах новоствореного водосховища, де умови найбільш наближені до річкових.

  Якщо водосховище входить до каскаду, то на формування видового складу фітопланктону впливає положення водосховища у каскаді. У середніх та нижніх водосховищах каскаду видовий склад істотно бідніє, і, навіть якщо водообмін значний, виникає “цвітіння” води.

  Видовий склад водоростей суттєво відрізняється й по ділянкам водосховищ. Найбагатшим на види є  фітопланктон верхніх і річкових плесів, у нижній та середній частинах зазвичай видів менше (хоча біомаси більше).

  Сезонний розвиток фітопланктону має два максимуми - весняний та літній, з яких останній є значно більшим.

 Створення водосховищ, використання їх водних та біологічних ресурсів зумовлюють інтенсифікацію “цвітіння” води. Найбільш поширеним і відомим є “цвітіння” синьозелених водоростей (хоча, звісно, “цвітуть” і діатомові й зелені).

 Завдяки наявності газових вакуолей при штильовій погоді синьозелені водорості вспливають на поверхню води, утворюючи плями “цвітіння” специфічного синювато-зеленого забарвлення. В затоках та у навітрених берегів концентрація водоростей у плямах “цвітіння” досягає десятків кг на 1м куб. у розрахунку на сестон.

  В плямах “цвітіння” розвиваються явища біологічного забруднення і самозабруднення. У цьому випадку виділяюьтся продукти розпаду водоростей - аміак, феноли, цианіди; вміст розчинених органічних речовин перевищує норму за вуглецем у 20-40 разів, за азотом - у 30-150, за фосфором - у 20-25 разів. Загальна кількість бактерій збільшується у 25-100 разів, а гетеротрофних - до 400 разів.     

  Домінуванню синьо-зелених водоростей в альгоценозах водосховищ та інтенсифікації їх розмноження сприяють багато факторів. Важливу роль відіграє зменшення протоковості й водообміну, уповільнення швидкості течії (синьозелені - стагнофіли), збільшення прозорості води при відстоюванні, що покращує світловий режим водної товщі, прогрівання водо на застійних мілководних ділянках.

  Хімічними факторами є: накопичення біогенних елементів та органічних сполук при створенні водосховища та подальшому природньому та антропогенному його евтрофуванні; пониження рівня кисневого насичення води та нарастання відновленості середовища у придонних шарах через заїлення.

  До біологічних факторів належать: високий коефіцієнт розмноження водоростей (потомство однієї клітини за вегетаційний період складає 10 особин); стійкість їх до відсутності світла, коливань температури; висока рістінгібуюча активність метаболітів синьозелених водоростей по відношенню до йнших представників альгофлори; токсичність й низький коефіцієнт використання їх у харчових ланцюгах; відсутність серед гідробіонтів водосховищ активних споживачів цього виду, що регулювали б його чисельність.

                        Зоопланктон

  Зоопланктон - це сукупність мікроскопічних тварин, споживачів бактерій і фітопланктону, що служать основним кормом для мальків усіх риб та дорослих особин планктоноїдних. Завдяки фільтраціному способу харчування більшості представників зоопланктону відбувається самоочищення водосховищ.

Зоопланктон континентальних водойм представлений трьома основними групами: коловратками, ветвистовусими та веслоногими ракоподібними.

Після зарегулювання стоку, коли швидкість течії зменшується, умови для існування планктонних ракоподібних у корені покращуються, й у перші 2-3 роки існування водосховища відмічається велика кількість видів зоопланктону за рахунок присутності форм із різних затоплених водойм суші: стариць, поймених озер, боліт.

Кількість видів у трьох основних групах пов’язана із проточністю водосховища. В річкових верхів’ях  водосховищ фауна безхребетних після зарегулювання стоку змінюється мало: тут превалюють коловратки; видове різноманіття циклопів вище ніж у ветвистовусих. На приплотинних ділянках кількість видів коловраток скорочується, а ракоподібних, особливо ветвистовусих, зростає.

  Перший максимум у сезонному розвитку зоопланктону припадає на весну. З весни до літа кількість організмів трохи зменшується, в той час як біомаса продовжує наростати, з’являються великі ракоподібні (наприклад,  Daphnia).

  В середині літа, в період максимального прогрівання води, спостерігається деяке зменшення кількості зоопланктону: в цей час зникають весняні коловратки. Починають домінувати крупні хижі планктонні рачки.  

З посиленням осіннього вітрового перемішування, відмиранням синьозелених водоростей, збільшенням кількості  бактерій та детрита у воді спостерігається другий період розмноження коловраток і босмін, хоча й не такий активний, як навесні.

 Горізонтальний розподіл зоопланктону по поверхні водосховища залежить від прогрівання води: навесні зоопланктону більше на мілководді, яке швидше прогрівається; але воно також і швидше охолоджується, тому восени основна маса зоопланктону скупчується на глибоководних ділянках.

У верхів’ях водосховищ більше дрібної фракції - коловраток, молодих циклопів. Вниз за течією коловраток стає менше, зростає чисельність і різноманіття ветвистовусих. У приплотинних ділянках зростає частка великих ракоподібних.

У нижніх б’єфах гідровузлів внаслідок проточності, турбулентності, великих коливань рівня води, проходження її крізь турбіни планктон значною мірою переробляється і превалюючі у верніх б’єфах великі ракоподібні майже повністю гинуть, тому зоопланктон нижнього б’єфу представлений головним чином панцирними коловратками й дрібними веслоногими.

Негативно впливає на зоопланктон і “цвітіння” води, коли основна маса фітопланктону представлена великими, негідними для безпосереднього поїдання зоопланктоном клітинами й колоніями. Це призводить до змін у трофічній системі, й утилізація первинної продукції починає відбуватися за рахунок детритного харчового ланцюга - підвищується кількість рачка, що живиться детритом фітогенного походження (наприклад, Chydorus sphaericus).

 

                              Зообентос

  Основним фактором, що вливає на формування бентосу в річці, є течія. Донне населення починає формуватись лише після того, як швидкість течії біля дна зменшується до 0,4-0,2 м/с. За такого зменшення дно річки складається з грунтів різного складу: чисті перемиті піски основного русла, заїлені в різному ступені піски та просто їли прибрежжя, затонів основного русла та рукавів річки. На цих біотопах складаються умови для існування багатої та різноманітної фауни бентосу. Найбільша кількість видів спостерігається в основному руслі, менша - у рукавах і старицях.

 Джерелами формування донної фауни у водосховищах є: річка, на якій споруджується плотина; водойми зони затоплення; біостік річок, що впадають у водосховище; літаючі комахи (в основному личинки хірономід) та покоючися стадії бізхребетних, що розносяться вітром, течією чи водоплаваючими птахами. В умовах каскадності бентос “верхніх” водосховищ поповнює фауну розташованих нижче за течією.

  Усього у водосховищах знайдено приблизно 600 видів донних безхребетних, але основу фауни все ж складають три групи: малощетинкові черви (олігохети), молюски та представники отряду двокрилих комах - личинки хірономід. Найбільшим числом видів представлені хірономіди (від 40 до 240), потім молюски (до 75) та олігохети (до 70 видів).

  Найбільше різноманіття спостерігається у прибрежній частині, у зоні заростей. По продольній вісі чітких закономірностей видового різноманіття не спостерігається, але у верхніх ділянках, у зоні виклинювання підпору, де зберігаються стокові течії й умови існування фауни більш динамічні, воно зазвичай вище ніж у приплотинних ділянках.

  Псамофільний біоценоз - біоценоз чистих пісків, що займав у річці приблизно 80% площі дна, у водосховищі швидко руйнується через різке зменшення швидкості течії та заїлення дна. Цей біоценоз зберігається лише у річкових ділянках і то із збідненням видивого складу через втрату багатьох реофільних ракоподібних.

  Літофільні - біоценози, що приурочені до оголень кам’янистого грунту в річках, складалися з багатого комплексу реофільних видів. Сюди входили молюски родів Vivaparus та Dreissena, ручейники, піявки, ракоподібні. У водосховищах ці біоценози локалізуються лише на включеннях субстратів.

  Пелофільні біоценози поділяються на пелореофільні -  біоценози заїлених ділянок русел річок та власне пелофільні, що формуються на староріччях, затонах, поймених водоймах. Після зарегулювання стоку пелореофільні скорочуються за площею і розвиваються в основному власне пелофільні біоценози.

В процесі формування зообентосу можна виділити кілька стадій:

1) руйнування річкових ценозів й змішування фауни, що існувала у затоплених водоймах (1-2 роки, в залежності від періоду наповнення водосховища);

2) формування тимчасового “мотилевого” ценозу;

3) відмирання тимчасових форм і формування донних угруповань у відповідності до нових умов існування.

В умовах ілонакопичення різко падає чисельність реофілів, особливо у приплотинній частині, де відбувається інтенсивна седиментація взвісей.

Загальною закономірністю у процесі формування зообентосу є різке зростання його продуктивності на другій стадії розвитку і зменшення протягом кількох років в період третьої стадії.

В цілому для більшості водосховищ характерна тенденція поступового зростання біомаси бентосу в міру старіння водоймища.

На кількість та видовий склад зообентосу впливає також якість затоплених грунтів: наприклад, на затоплених торф’яних болотах зообентос довгий час взагалі відсутній, а потім біомаса його мінімальна, видовий склад бідний.

В умовах послаблення такого фактору, як рівневий режим, сукцесійні зміни відбуваються швидше, що зумовлює формування низькопродуктивних зрілих ценозів. Навпаки, в умовах постійної дії рівневого режиму, що “омоложує” екосистему, постійно відкидаючи її на більш ранні етапи становлення, формуються  високопродуктивні угруповання гетеротопних комах.

Істотно впливає на формування зообентосу щільність заростей вищих водних рослин. Зі збільшенням проективного покриття макрофітів з 5-10 до 30-50% чисельність бентичних тварин зростає, а при подальшому збільшенні проективного покриття - зменшується, причому відмічається збільшення питомої частки безхребетних прибрежно-фітофільного угруповання.

  Впливає на рівень розвитку зообентосу та його видовий склад і  фактор сезонності, що спричиняє зміни в складі зообентосу фітофільної фауни за рахунок сезонної міграції та періодичного вильоту з води імаго комах.

  Наприклад, вид молюска Viviparus viviparus рано навесні живе у бентосі, потупово мігруючи із глибоководних ділянок на мілководдя, що добре прогрівається. У травні-червні спостерігається масове переміщення Viviparus viviparus на поверхню макрофітів - як відмираючих, так і починаючих вегетувати. Протягом літа живородка розмножується, але молоді молюски у бентосі зустрічаються рідко, розташовуючись на поверхні вищих водних рослин - рогоза, манника і т. д. У серпні-вересні вони мігрують на дно і їх жовтнева кількість може переважати весняну за рахунок молоді.

                      Іхтіофауна

 Після зарегулювання стоку у видовому та кількісному складі іхтіофауни відбуваються помітні зміни. У зв’язку із різким зменшенням водообміну та швидкостей течії, збільшенням глибини та ширини акваторій кількість реофільних видів риб скорочується, в той час як кількість  лімнофільних видів, навпаки, зростає.

 Плотини водосховищ створюють перешкоду для прохідних риб; окрім цього ті риби, що проникають крізь рибопропускні споруди, зазвичай не знаходять у водосховщах сприятливих умов для розмноження через слабку проточність та заїлення нерестовищ. Тому, якщо деякі види прохідних риб і продовжуються існувати, їх чисельність швидко зменшується, і вони концентруються в основному у верхів’ях, де зустрічаються піщано-галечні грунти й спостерігається підвищена проточність.

 Процес формування іхтіофауни у водосховищах супроводжується випадінням окремих її видів і значною внутрішньопопуляційною диференціацією. Після створення водосховищ, особливо у перші роки їх існування, видовий склад фауни збіднюється. З віком водосховища кількість видів риб у них може збільшуватись як за рахунок спрямованого так і стихійного вселення.

   Популяції риб у водосховищах формуються в основному за рахунок розмноження місцевих (туводних) видів, що жили у річці або розташованих поблизу водоймах та водотоках.

   Найбільше чисельність спостерігається у поколінь риб, що народились у перші роки заповнення водосховища, коли створюються найбільш сприятливі умови для їх нересту, розвитку, виживання ікри та молоді. Це - поступове підвищення рівня води, затоплення великих ділянок пойми, вкритих луговою рослинністю, що є найкращим субстратом для відкладання та розвитку ікри. На свіжозалитих ділянках зберігається проточність і розвивається зоопланктон і зообентос, що також сприяє розвитку риб, а у водосховищі ще небагато поїдаючих ікру і молодь хижаків.

В подальшому умови розмноження риб, особливо фітофільних видів, погіршуються через скорочення нерестової площі та місць нагула для молоді. На нерестовищах зникає лугова рослинність, і на захищених  починають обільно розвиватись повітряно-водні рослини.

Як правило, кількість молоді риб у багатоводні та середні за водністю роки вища, ніж у моловодні, а от темпи росту й плодючість - вищі у маловодні.

У перші роки формування іхтіофауни водосховищ у популяціях переважає кількість молодих особин, але згодом співвідношення вікових груп вирівнюється.

З віком водосховищ спостерігається тенденція до збільшення чисельності невеликої групи видів при сталому видовому складі. Особливо інтенсивно розмножується окунь, оскільки умови для нього досить сприятливі. Однак збільшення чисельності окуня призводить до скорочення чисельності цінних промислових риб, оскільки окунь виїдає їх ікру, а прородній регулятор чисельності цього виду - щука - у водосховищі не має нормальних умов для існування.

 

    Вплив водосховищ на оточуюче середовище

                Виникнення мілководдя

  Із побудуванням водосховищ значно збільшується зона мілководдя, що може займати від 5 до 39% площі водосховищ. Від 5 до 32% мілководдя займають зарості вищої водної і наземної рослинності. Ці зони характеризуються уповільненими течіями, зниженням турбулентного перемішування, більшим прогріваням. Все це інтенсифікує гідробіологічні процеси, й біологічна продуктивність на мілководді значно вища, ніж у пелагіалі, і це спричиняє інтенсивне відкладення на дні органічної маси відмерлих рослин, заїлення, зменшення глибини й перехід цих ділянок у болото; а розклад органічних речовин призводить до “заморності” цих ділянок.

                          Руйнування берегів

 Береги водосховища починають формуватися з моменту його заповнення під безпосередньою, переважно гідродинамічною, дією водоймища та трансформованих геоморфологічних процесів.

Берегами водосховищ стають поверхні або утсупи поймених чи надпоймених терас, кореневі схили долин.

 При створенні водосховищ порушується динамічна рівновага й починається переформування берегів - розмив, оповзання або акумуляція відкладів.

  Основний гідродинамічний фактор - вітрове хвилювання. Висота й морфологія берегів також впливають на інтенсивність їх переформування: випуклі схили розмиваються швидше, й швидкість розмиву збільшується зі збільшенням крутизни. Пологі береги з уклонами не більше 2-4 градусів зазвичай не розмиваються. Зі збільшенням висоти берега швидкість розмиву також зменшується через швидке утворення мілин.

  Важливий факор - переміщення наносів вздовж берега. Швидкість і розміри переработки берегів різко зростають на тих ділянках, де продукти розмиву уносяться вздовжбереговою течією. Хвилювання й течії при поступовому зниженні рівня води, почергово розмивають низькі ділянки берега, які за умов більш високого рівня були береговими мілин; через це формування мілин затримується. Таким чином, чим більша амплітуда коливань рівня в період інтенсивної хвильової діяльності, тим сильніше йде розмив берегів.

 Масштаби й інтенсивність формування берегів визначаються також характером складаючих їх порід. Водосховища, що розташовані в районах поширення лесових та лесовидних порід, відрізняються найбільшою інтенсивністю абразії берегів.

  На процеси переформування берегів впливає також ступінь їх заростання (деревами, чагарниками, травою), агресивність води (її хімічний склад, температура) по відношенню до розчинних порід, наявність зволожених грунтовими водами площин скользіння грунтів, що сприяють утворенню оповзнів.

В цілому в міру збільшення віку водосховищ переформування берегів зменшується, утворюється стійкий профіль берега. Однак зміна водогосподарських функцій і режиму водосховища може знову викликати переформування берегів.

                         Підтоплення земель

   При створенні водосховищ змінюється режим, а іноді й загальний напрямок руху підземних вод, виникають нові водоносні горизонти, які до підпору були сухими.

  Річка до створення водосховища являє собою своєрідний водоприймач грунтових потоків. Із заповненням водосховища грунтові, тріщінно-карстові, тріщінно-грунтові води подпираються, їх рівень піднімається до таких відміток, за яких вони знов стікають у водосховище. До цього моменту вони безперервно  накопичуються й поповнюються за рахунок фільтрації із водосховища. При цьому уклон потоку грунтових вод та швидкість їх руху, як правило, зменшуються, що також сприяє підвищенню їх рівня.

 При наповненні водосховища вода просочується в грунт берега й ложа, якщо цьому не заважає характер підстилаючих порід. Виникаючі втрати води можуть бути тимчасовими (до повного насичення порід) або ж постійними.

  Процес фільтрації йде найбільш інтенсивно у перші роки після заповнення водосховищ. Величина підпору рівня підземних вод і розвиток підпору визначаються рівневим режимом, характером заповнення штучного водоймища та геологічними й гідрологічними умовами берегової зони.

  У перші роки після заповнення водосховища фільтрація води з нього може відбуватися безперервно протягом досить довгого часу, що призводить до значного підйому рівней у прилягаючих водоносних пластах, а також до зводнення раніше сухих пухких відкладів. В міру підйому рівнів водоносних горизонтів фільтрація зменшується й набуває сезонного характеру. Після становлення рівня підземних вод фільтрація може зовсім припинитися або проявлятися досить обмежено, бо внаслідок зменшення уклонів уповільнюється швидкість руху води.В результаті дренуюча роль водотоку в цілому зменшується. В деяких випадках напрямок грунтового потоку змінюється в бік іншого водотоку, рівень води якого нижче, ніж у водосховищі.

 Найбільший розвиток підпору виникає у водоносних горизонтах, що поширюються від водосховища на великі відстані. Якщо водоносний горизонт обмежується водоупором, то підошва є границею поширення підпору, й у цьому випадку величина підпору може сягати того ж значення, що й поблизу урезу води водосховища.

  Щодо різних ділянок водосховища, то у приплотинних спостерігається найбільша величина підпору підземних вод. До верхів’я підйом рівня зменшується, відповідно звужується зона поширення підпору.

  Підйом грунтових вод до поверхні землі викликає підтоплення грунтів, а при виході на поверхню їх забалочування, а іноді й засолення.

 Підтоплення починається із моменту заповнення водосховища при підйомі грунтових вод до 1-1,5 м й вище від поверхні. Коли грунтові води досягають шару, в якому знаходяться корені рослин, у ньому створюється додаткове зволоження, що погіршує аерацію. В результаті часто територія заболочується.

 Підтопленню піддаються низькі й пологі схили надпоймених терас, пойми й пласкі побережжя з середньою висотою менше 1,0 м, притерасні пониження.

   Можна виділити декілька зон впливу водосховища: зона постійного, періодичного (тимчасового) й епізодичного затоплення; зона заболочування; сильного, помірного й слабкого підтоплення. Розміри окремих зон впливу коливаються від кількох метрів до декількох кілометрів.

  У зоні періодичного затоплення формуються болотні й торф’яно-глеєві грунти із високим ступенем заторфованості й великим вмістом закисних форм заліза.

  У зоні підтоплення грунтові води підходять близько до поверхні, тут ступінь зволожування грунтів визначається не лише глибиною залягання грунтових вод, але й величиною їх капілярного підйому, яка в залежності від механічного складу грунтів може коливатись від 0,5-1,0 до 6,0 м.

  У зоні помірного підтоплення (рівень грунтових вод на глибині від 1 до 2 м) домінує процес т. з. олуговіння підзолистих грунтів, коли у них підвищується вміст гумусу, азоту, кальцію та сполук заліза, у верхньому горизонті грунтів появляються охристі плями й прожилки, і під дією грунтових вод, які мають нейтральну реакцію, зменшується кислотність у нижньому шарі.

  В зоні слабкого підтоплення (рівень грунтових вод на глибині 2-4 м) збільшується рухливість гумусових речовин, відбувається оглеювання грунту (утворюються фосфати закисного заліза), на її поверхні з’являються плями й прошарки зеленуватого кольору.

  Постійне затоплення призводить до повної загибелі існувавшої раніше наземної рослинності, за винятком окремих видів у зонах мілководного затоплення.

  В зоні мілководного постійного затоплення й на частині території зони тимчасового затоплення формується полоса гідрофільних та гігрофільних асоціацій.

  В зонах підтоплення дерево-чагарникова рослинність й трав’яниста по-різному реагують на зміну зволоженості.    Дерева й чагарники, як правило, більш чутливі до підйому ґрунтових вод й при сильному підтопленні у більшості гинуть. З травостою випадають певні види, й починають домінувати гігрофіти.

  Зарегулювання річкового стоку та створення водосховищ призводить до ряду змін не лише в екосистемі самої річки, а й в екосистемах прилеглих територій. На жаль, не всі ці зміни є позитивними.

  В посушливих та сухих регіонах водосховища створюють позитивний екологічний  вплив на оточуюче середовище, оскільки поява прісних водойм робить придатними для опанування рослинністю й тваринами досить великі прилеглі території.

 Однак у самих водосховищах лише у перші роки спостерігаються  сприятливі умови. Зменшення течії, збільшення прозорості, вмісту органічних речовин - все це створює умови для розвитку планктону, бентосу іхтіофауни. За рахунок посилення седиментації, відстою, деструкції збільшуються самоочисні властивості водосховищ, покращується якість води.

  Але з іншого боку уповільнення водообміну, інтенсивний розвиток органічного життя призводять до зацвітання води, її евтрофування, заїлення дна водосховищ. Це в свою чергу спричиняє збільшення вмісту органічних речовин у водах, розклад яких веде до кисневого дефіциту, агресивності середовища, виділення у воду метану та інших токсикантів.

  Мілководні зони, де існують  умови для розвитку вищої водної та наземної рослинності, заростають й перетворюються на болота.

   Береги колишніх річок руйнуються внаслідок вітро-хвильової абразії, затоплюються, підтоплюються й заболочуються. Все це призводить до руйнування існувавших тут раніше біоценозів, до заміни їх ценозами боліт. Дерева й чагарники в зонах затоплення й підтоплення  майже зникають, починають домінувати гігрофільні трав’янисті  рослини.

     Таким чином, створення водосховищ спричиняє рід сукцесіних змін, більшість яких є негативними. Тому доцільними є заходи щодо їх мінімізації. Сюди належать кам’яні відсипки, обвалування берегів для захисту їх від абразіі; створення дренажних систем для зменшення підтоплення земель; очистка дна водосховищ та їх додаткова аерація.

 

Вплив зрошення та осушення на природні екосистеми та водні ресурси

 

Зрошення - найбільш радикальний і ефективний шлях зміни екологічних умов існування природних екосистем і створення штучних високопродук­тивних агробіоценозів.

Сучасні зрошувальні системи складаються з цілого комплексу споруд: греблі, водозабору, зрошувальної та дренажної системи, доріг та лісосмуг. При створенні їх проводиться планування території, а при експлуатації вносяться підвищені дози мінеральних добрив. Таким чином, в природні екосистеми добавляються не тільки нові елементи, але й спостерігається їх часткове, а іноді і повне руйнування. Це проявляється в зміні едафічних умов, зокрема в зміні сольового режиму, фізичних, фізико-хімічних, біологічних і інших властивостей ґрунту, зміні рівня і мінералізації ґрунтових вод, температурного, водного і поживного режимів ґрунту, клімату приземного шару повітря. Аборигенні види флори і фауни або пристосовуються до нових штучно створених екологічних умов, або вибирають для свого проживання нові ділянки (цілинні чи богарні), або зовсім щезають.

Разом з тим, на зрошуваних землях з’являється мезофільна (вологолюбива) рослинність і різко збільшується кількість бур'янів. На зрошуваних землях підвищується рівень ґрунтових вод (іноді зі швидкістю З...4 м/рік), що викликає заболочення і вторинне засолення.

Зміна природного водного режиму ґрунтів супроводжується різким порушенням рівноваги в системі “грунт – вода - солі” і відповідно перерозподілом водорозчинних солей, зміною мінералізації і хімічного складу порових розчинів і ґрунтових вод в результаті процесів дифузії, розчинення і іонообмінної сорбції. Крім того, при розорюванні цілинних земель змінюється видовий склад рослин і біологічна активність ґрунту, що супроводжується інтенсивним розкладанням органічної речовини. Одночасно зрошувальні системи впливають на екосистеми прилеглих територій. При скиді із зрошувальних територій дренажних вод в річку в ній  змінюються екологічні умови, зокрема мінералізація води.

 

Вплив осушення на водний режим і стік річок

 

Осушення боліт і інших перезволожених земель істотно змінює природні умови не тільки осушеного масиву, але і прилеглих територій. Проте в літературі дані про це часто суперечливі. Це зв'язано, в першу чергу, з великою різноманітністю екологічних умов осушених масивів і часто - з недостатнім рядом спостережень.

Загальні тенденції змін природних екологічних умов після проведення осушувальних меліорацій проявляються:

·        в підвищенні ступеня дренування водозбірного басейну ;

·        в збільшенні швидкості добігання снігових і дощових вод до річки, що сприяє збільшенню витрат води в річці;

·        в зниженні рівня ґрунтових вод в межах осушувального масиву, а також на прилеглих територіях;

·        в зміні умов випаровування;

·        в зміні величини стоку, особливо якщо осушена територія займає значну частину водозбору. За даними Булдея, стік основних річок України після осушення практично не змінився. Якщо і спостерігається незначна зміна річного стоку, то в напрямку збільшення приблизно на 1 ... 2%, іноді на 3%, що лежить в межах допустимої помилки (±15%);

·        в деякому перерозподілі річкового стоку протягом року. Так, тривалість повені зменшується, а стік літньої межені збільшується в 1,3 - 1,8 рази;

·        в швидкому спрацюванні торфу і виносі мінеральних і органічних речовин дренажним стоком в води водоприймача; при цьому погіршується його гідрохімічний і гідробіологічний режими;

·          в зміні екологічних умов існування природних біогеоценозів, що веде до зникання існуючої раніше флори і фауни і появі нових рослинно-тваринних угруповань, зокрема бур’янів і мишевидних гризунів, які наносять відчутну шкоду сільськогосподарським культурам.

 

Негативні сторони будівництва гідровузлів проявляються в наступному:

·                  різко змінюється природний гідрологічний режим водотоків;

·                  на прилеглих територіях спостерігається підвищення рівня ґрунтових вод, що приводить до заболочення прилеглих територій;

·                  перегородження греблями шляхів нерестових міграцій, руйнування нерестилищ у верхньому б'єфі;

·                  скорочення об'єму повеневих попусків для затоплення на період нересту і викльову личинок, що веде до зниження продуктивності рибного господарства;

·                  скорочення тривалості паводкового затоплення заплав може привести до осуходолювання заплавних земель у нижньому б'єфі і зниження продуктивності лугів і пасовищ;

·                  при роботі ГЕС у піковому режимі, в зимовий період, вода, що пропускається через турбіни, може затоплювати у нижньому б'єфі луки чи інші угіддя, що призводитиме до їх вимороження.

 

 

Запитання для контролю:

1.                Необхідність зарегулювання річок.

2.                Зміна характеристик абіотичного середовища при зарегулюванні річок.

3.                Перебудова біоти ріки після її трансформації у водосховище.

4.                Негативний вплив водосховищ на оточуюче середовище.

5.                Зменшення негативного впливу водосховищ.

6.                Негативний вплив зрошення на природні екосистеми.

7.                Негативний вплив осушення на природні екосистеми.

8.                Наслідки будівництва гідровузлів.