Водні антропогенні ландшафти та їх класифікація

Зі всього різноманіття перетворюючої діяльності людини, як по своїх масштабах, так і по значенню в глобальних екологічних системах планети особливо виділяються два процеси: освоєння нових територій для сільськогосподарського виробництва, промислового і цивільного будівництва і перетворення річкової ланки гідросфери на величезних просторах суші шляхом гідротехнічного будівництва.

Гідротехнічне будівництво здійснюється на всіх континентах планети. Найбільш важливе значення мають різного роду меліорації (осушення і зрошування) і створення нових водних об'єктів — водосховищ і каналів. Водосховища — ключові, базові елементи гідротехнічних і водогосподарських систем будь-якого рангу, оскільки саме вони дозволяють здійснити регулювання водних ресурсів, перетворення гідросфери в бажаному для суспільства напрямі.

До внутрішніх водоймищ відносять озера, лимани, водосховища, ставки. Водосховища і ставки — дуже схожі об'єкти. Різниця між ними в розмірах, але мають значення і менш очевидні ознаки.

У різних країнах прийняті різні кількісні критерії, що відрізняють водосховища від ставків. У США водосховищем називається водоймище, корисна (регульована) місткість якого перевищує 5 тис. акрофутів, тобто 6,17 млн. м^3. Водоймища, що мають менший корисний об'єм, називаються ставками. У СНД і більшості країн Західної Європи до водосховищ відносять водоймища місткістю більше 1 млн. м^3.

Водосховищами, на думку А.Б. Авакян і ін. (1987), слід вважати штучно створені долинні, улоговинні і природні озерні водоймища із сповільненим водообміном, повним об'ємом більше 1 млн. м³, рівневий режим яких постійно регулюється (контролюється) гідротехнічними спорудами в цілях накопичення і подальшого використання запасів вод для задоволення господарських і соціальних потреб. Відзначимо, що використання водосховищ пов'язане не тільки з безповоротним вилученням води. Для рибного господарства, рекреації, охолоджування агрегатів електростанцій, підтримка гарантованих судноплавних глибин в межах водосховища і т.п. потрібна акваторія і водна маса в цілому, а не тільки корисний об'єм, тобто запас води, що щорічно витрачається.

У водосховищ немає природних аналогів. Лише за формою чаші з ними схожі завально-запрудні озера. Відзначимо найбільш важливі особливості водосховищ.

1. Водосховища — антропогенні, керовані людиною об'єкти, але вони відізнають також і сильну дію природних (перш за все гідрометеорологічних) чинників, тому як об'єкти вивчення, використання і управління займають проміжне положення між «чисто природними» і «чисто технічними» утвореннями. Це дає право іменувати їх природно-технічними системами.

2. Водосховища помітно, а нерідко і значно впливають на навколишнє середовище, викликаючи зміни природних і господарських умов на прилеглих територіях. Природно, що разом з наперед запланованими сприятливими наслідками виникають також і наслідки негативного, несприятливого характеру.

3. Водосховищам властива особлива система так званих внутріводоймищних процесів — гідрологічних, гідрофізико-хімічних і гідробіологічних.

4. Водосховища — водоймища, найінтенсивніше використовувані різними галузями господарства. На кожному значному водосховищі формується водогосподарський комплекс (ВГК). Серед компонентів ВГК, тобто всіх галузей господарства, що використовують водосховище і річку в нижньому б'єфі, виділяють учасників ВГК — галузі, що зацікавлені в створенні водосховища і фінансують його. Решта галузей використовує водосховище, оскільки воно існує. Учасники ВГК пред'являють різні, а часом і суперечливі вимоги до режиму використання водосховищ.

5. Для водосховищ як природно-господарських об'єктів характерна надзвичайно висока динамічність розвитку (еволюції).

Розглянемо стисло ці принципові особливості.

Водосховища — керовані об'єкти. Це означає, що основні параметри водосховища (об'єм, площа, місце розташування і режим регулювання), а разом з ними і багато інших характеристик визначаються людиною на стадії проекту; у складі гідровузлів є спеціальні технічні системи, споруди і пристрої (гідротурбіни, водоскидні отвори із затворами), що дозволяють змінювати об'єм і рівень води у водосховищі. Головна особливість рішень, пов'язаних з експлуатацією водосховищ, — деяка невизначеність, що обумовлюється стохастичним (імовірнісним) характером спрямованості і інтенсивності гідрометеорологічних процесів у водозбірному басейні.

Водосховища слід розглядати як природно-технічні системи або комплекси, які складаються з природної і технічної підсистем, що діалектично взаємодіють між собою. Облік цієї взаємодії може істотно збільшити можливості раціонального і комплексного використання водосховищ, а ігнорування — привести до значних втрат. Управляючи технічною підсистемою водосховищ, людина може викликати розвиток таких процесів, явищ і ефектів в природній підсистемі, які він поки не в змозі запобігти або їх подолання вимагає значних витрат трудових і матеріальних ресурсів. Тому керованими об'єктами водосховища можна вважати лише частково. Безпосередньо і повністю людина управляє тільки запасами води, а екосистемою і геосистемою водосховища — частково і побічно.

При створенні водосховищ відбуваються багатообразні зміни природних і господарських умов на територіях, як безпосередньо прилеглих до нового водоймища, так і на віддалених від нього вниз за течією річки. Масштаби, глибина і спрямованість цих змін визначаються розмірами нового водоймища (площа, об'єм водної маси, довжина, ширина) і своєрідністю природних умов району, які можуть ослабляти або, навпаки, підсилювати вплив водосховища.

Коли говорять, що водосховищам властива особлива система внутріводоємних процесів, мають на увазі, що властиві їм гідрологічні, гідрофізико-хімічні і гідробіологічні процеси не ідентичні тим, які спостерігаються в інших водних об'єктах — озерах, річках і каналах. Провідними чинниками, що визначають специфіку взаємозв'язаних і взаємообумовлених внутріводоймнищних процесів у водосховищах, служать водообмін і уровневий режим водоймища. Один з показників водообміну — період, протягом якого відбувається повна зміна водної маси: для водосховищ різного типу він може складати від декількох діб до декількох років.

Амплітуда коливань рівня води в різних водосховищах змінюється також в широких межах — від декількох десятків сантиметрів для рівнинних водосховищ до багатьох десятків і навіть більше 100 м для гірських водосховищ.

Саме ці чинники і відрізняють умови розвитку внутр’оводоємних процесів у водосховищах від тих, які характерні для озер і річок. Виявляється це в тому, що у водосховищах створюються активні гідродинамічні зони транзитного стоку, тобто направленого руху води до дамби, і утворюються зони водокомірних циркуляції, коли частинки води переміщаються по дуже складних замкнутих траєкторіях. Наявність такої складної гідродинамічної структури визначає багато важливих для водоймищ особливостей: формування і рух водних мас; термічний, газовий і біогенний режими; переміщення і осадження мінеральних і органічних суспензій; процеси самоочищення води і, нарешті, життєво важливі умови проживання бактерій, організмів, що живуть в товщі води (планктон), донних організмів (бентос), водної рослинності, риб.

Процеси трансформації речовини і енергії у водосховищах мають інші, чим в озерах і річках, масштаби, спрямованість, інтенсивність і тривалість. Це виражається в показниках якості води, в структурі і продуктивності водних екосистем. В цілому водосховища можна розглядати як своєрідні величезні перетворювачі і акумулятори речовини і енергії, але тільки не автономні, як, наприклад, озера. Річкам же на відміну від водоймищ із сповільненим водообміном, навпаки, властивий потоковий механізм перетворення речовини і енергії.

Цей накопичувальний ефект водосховищ має як позитивне (освітлювання води, зниження її кольоровості, зменшення змісту шкідливих бактерій), так і негативне значення (зменшення самоочищаючої здатності води, утворення застійних зон, більше, ніж в річках, прогрівання води, особливо на мілководдях, і як наслідок — євтрофіровання нових водоймищ). Характерні приклади евтрофіровання водосховищ: надмірний розвиток синйозелених водоростей (цвітіння води), надмірне продукування біомаси водної рослинності (заболочування акваторії). Інакше кажучи, для багатьох гідробіонтів у водосховищах створюються не самі кращі умови; вони до того ж посилюються недостатньо сприятливим уровневим режимом. Це у результаті істотно відбивається на кількості і якості господарський найбільш цінній для людини рибній продукції.

Зростаюче економічне значення водосховищ, особливо великих, виражається у формуванні водогосподарських комплексів. Водосховища виявляються залученими в систему зв'язків і відносин не тільки власне водогосподарських, але і соціально-економічних. Навіть коли водосховище створюється на користь тільки одній галузі, з часом і інші галузі господарства виявляються зацікавленими в його використанні. Водосховища за допомогою гідравлічних і водогосподарських зв'язків неминуче виявляються також включеними в складну розгалужену систему природно-господарських відносин спочатку в межах ділянки річки, потім в межах річкового басейну; надалі з розвитком між басейнових перекидань поверхневого стоку ключова роль водосховищ розповсюдиться на ще більші регіони.

Вплив сучасних водогосподарських суперсистем і систем простежується в багатьох соціально-економічних сферах держав і тягнеться далеко за межі районів самих водосховищ як базових елементів цих систем.

Один з яскравих прикладів — водогосподарська суперсистема басейну Волги, що налічує 14 великих і сотні невеликих водосховищ, режим використання яких відчувається на всьому протязі великої російської річки. Великою також і тому, що на території волжского басейну проживає майже кожен четвертий житель країни і проводиться чверть всієї промислової і сільськогосподарської продукції. Аналогічні водогосподарські суперсистеми на базі водосховищ сформувалися на Дніпрі, Сирдар’ї, Амудар’ї, Ангарі, а також на Колумбії, Теннессі, Парані і багатьох інших крупних річках планети.

Оскільки питанням раціонального використання водосховищ присвячена численна спеціальна література, відзначимо тільки, що на сучасному етапі відбуваються помітні зміни структури водогосподарських комплексів. Вони виражаються в збільшенні числа компонентів і учасників ВГК, у формуванні водогосподарських систем з декількох ВГК, в зміні традиційних вимог галузей господарства до використання водосховищ.

І нарешті, декілька слів ще про одну принципову особливість водосховищ — високої їх динамічності як природно-господарських об'єктів. Ця динамічність обумовлена трьома чинниками: 1) мінливістю гідрометеорологічних процесів, що визначають гідрологічний режим водоймища; 2) стрімкою зміною дії господарства на природне середовище, у тому числі і на водоймища; 3) змінами з різних причин режиму експлуатації водосховищ. Сукупна дія вказаних чинників призводить до того, що водосховища украй рідко можна вважати стаціонарними об'єктами, еволюцію яких легко і однозначно визначити на основі минулої передісторії. Тому якщо і мовиться про який-небудь рівноважний стан водосховищ, то завжди подразумевается динамічна рівновага їх як природно-господарських об'єктів, яке може різко порушитися при зміні будь-якого з вказаних вище чинників. Динамічність водосховищ виявляється у всіх їх характеристиках, але, мабуть, найяскравіше — в процесах, формування берегів, зміні якості води, структури і продуктивності водних і наземних (у береговій зоні) екосистем. У спеціальній літературі іноді навіть уживається термін «еволюція водосховищ», проте якщо еволюція озер продовжується протягом багатьох сотень і тисяч років, то у водосховищах істотні зміни основних процесів і явищ відбуваються принаймні на порядок швидше. Якщо в озерах зміни носять поступовий і направлений («правильний») характер, то водосховища розвиваються циклічно і стрибкоподібно відповідно до співвідношення змін провідних чинників.

Перш ніж перейти до подальшого викладення, пояснимо декілька основних положень і термінів (рис. 14).

Головна мета створення водосховищ — регулювання стоку. Воно робиться в основному на користь енергетики, іригації, водного транспорту, водопостачання і в цілях боротьби з повенями.

Для цього у водосховищах акумулюється стік в одні періоди року і віддається накопичена вода в інші періоди

Головна мета створення водосховищ — регулювання стоку. Воно здійснюється найчастіше для потреб енергетики, іригації, водного транспорту, во­допостачання та з метою боротьби з повенями.

Період акумуляції стоку називається наповненнямводосховища, а процес віддачі накопиченої води — виработкою водосховища. Як наповнення водосховища, так і його виработка проводяться завжди до більш менш певних рівнів. Вищий проектний рівень водосховища (верхнього б'єфу дамби), який підпірні споруди можуть підтримувати в нормальних експлуатаційних умовах протягом тривалого часу, називається нормальним підпірним рівнем (НПР).

На нормальний підпірний рівень розраховуються як споруди інженерного захисту, так і всі промислові, транспортні, комунальні і інші споруди, розташовані на берегах водосховища. Мінімальний рівень водосховища, до якого можлива його виработка в умовах нормальної експлуатації, називається рівнем мертвого об'єму (РМО). Об'єм води, ув'язнений, між НПР і РМО називається корисним, оскільки саме цим об'ємом води і можна розпоряджатися в різних господарських і інших цілях. Об'єм же води, що знаходиться нижче РМО, називається мертвим, оскільки використання його в

Нижній б‛єф греблі (гідровузла) Верхній б’єф греблі (гідровузла)

Нижня зона НПР

Рис. 14. Основні елементи та зони водосховища

Пропускна спроможність гідровузла (його турбін, водозливних прольотів, донних отворів, шлюзів) по економічних і рідше технічних міркуваннях обмежена. Тому коли по водосховищу йде витрата дуже рідкісної повторюваності (раз в сто, тисячу, а то і десять тисяч років), гідровузол не в змозі пропустити всю масу води, що йде по річці. У цих випадках рівні води на всьому водосховищі і у дамби підвищуються, збільшуючи його об'єм іноді на значну величину; одночасно збільшується пропускна спроможність гідровузла. Такий підйом рівня вище НПУ в період проходження високих повеней рідкісної повторюваності називається форсуванням рівня водосховища, а сам рівень — форсованим підпірним (ФПР). На водосховищах, використовуваних для водного транспорту або лісосплаву, виработка рівня в період навігації обмежується рівнем, при якому річковий флот за станом глибин може продовжувати нормальну роботу. Цей рівень, що знаходиться між НПР і РМО, називається рівнем навігаційної виработки (РНВ).Рівні води, особливо при НПР і ФПР, у дамби, в середній і верхній зонах водосховища не однакові. Якщо у дамби рівень відповідає відмітці НПУ, то у міру видалення від неї він підвищується спочатку на сантиметри, а потім і на десятки сантиметрів, а в окремих випадках і на один-два метра. Це явище носить назву кривої підпору.

5.2. Підклас «Водосховища»

Роль і значення водосховищ в структурі ландшафтної сфери Землі з кожним роком зростатимуть, що визначається запитами людства, що ростуть, у воді. Призначення і господарське використання водосховищ настільки різноманітне, що виникає необхідність їх типізації за цією ознакою. М.А.Фортунатов (1970) розрізняє по значенню і господарському використанню наступні основні типи водосховищ: 1) обслуговуючі водопостачання, 2) обслуговуючі потреби сільського господарства, 3) створені для виробництва електроенергії, 4) обслуговуючі водний транспорт і лісосплав, 5) створювані для захисту від повені, 6) створювані для рибного господарства, 7) обслуговуючі рекреаційні потреби населення.

У розвитку водосховищ, як і у інших антропогенних неоландшафтів, добре простежуються рання і зріла стадії.

У ранню, нестійку стадію, що охоплює на крупних водосховищах 2–4 десятиліття, спостерігається украй активний хід геоморфологических процесів в береговій смузі і мілководді. Відбувається формування берегів з прибережними мілинами і дна з профілем стійкої рівноваги. Найенергійніше переробка берегів протікає, як правило, у мисовидних виступів, досягаючи за перші 10–15 років на Цимлянському водосховищі 220 м, Каховському – 140, а на Братському водосховищі у селищі Артумей – 759 м (Бахтіаров та ін., 1970).

Великою динамічністю характеризуються в цей час біологічні процеси. Відбувається перебудова фітопланктону, він стає одноманітним. Широко поширено «цвітіння» молодих водосховищ – масовий розвиток синьо-зелених водоростей, пов'язаний з високою біологічною активністю ґрунтів затоплюваних територій.

У ранній стадії впродовж перших 10–20 років відбувається на мілині становлення нових угрупувань гідрофільної вищої рослинності. За короткий період протікає цілий ряд змін рослинності, неоднакових в різних географічних умовах.

Корінну перебудову відчуває тваринний світ, зокрема іхтіофауна. Для неї встановлено два етапи формування: на першому з них спостерігається переважання хижих і скоростиглих видів риб, на другому – зниження чисельності хижих риб і різке посилення ролі бентофагів.

У зрілу, стійку стадію відбувається спокійний, еволюційний розвиток водосховищ. У зрілу стадію різко слабшають геоморфологичні процеси – закінчується вироблення берегів і ложа водосховища, формуються стійкі угрупування рослинності, стабілізується тваринний світ. Водосховища набувають риси, багато в чому схожі з своїми природними аналогами – озерами.

Зі вступом до стадії зрілості у водосховищах лісової зони спостерігається помітне кількісне збіднення донних біоценозів. Почавши своє життя як евтрофне водоймище, водосховище скоро набуває рис мезотрофності. Процес цей прямо протилежний розвитку природних льодовикових озер помірного поясу від оліготрофної стадії до мезотрофної і евтрофної.

Є у водосховищ ще одна істотна особливість, що відрізняє їх і в зрілу стадію розвитку від озер. Це висока річна і внутрішньорічна амплітуда рівнів водосховищ, що значно перевершує таку у озер. Коливання рівня приводять до формування у водосховищ широкої зони тимчасового затоплення і осушення, що сягає площі в декілька тисяч квадратних кілометрів. На її території виникають своєрідні земноводні ландшафти, що мають підвищену динамічність всіх своїх компонентів. Широкого поширення тут набувають низинно-болотяні комплекси.

Сліду, проте, мати на увазі, що рівневий режим водосховищ постійно визначається не одними природними чинниками, як у озер, а значною мірою діяльністю людини – регулюванням стоку ГЕС і планом експлуатації водного господарства. Це знаходить свій вираз у величезних площах осушення водосховищ при виработці рівня води.

Виняткова роль в еволюції водосховищ і ставків належить процесам замулювання. Висока інтенсивність їх – найважливіша межа, що відрізняє водосховища від ставків. Щоб ставок і водосховище могли існувати тривалий час, потрібне періодичне їх очищення. Замулювання водосховищ найінтенсивніше відбувається в горах. Досить інтенсивне замулювання ставків в лісостеповій і степовій зонах. Невеликі ставки тут можуть бути повністю занесені через 10–12 років і швидше. У історії відомі випадки, коли ставки експлуатуються багато десяток років, але вони при цьому піддаються очищенню.

У крупних рівнинних водосховищах процеси замулювання стають помітними через одно-два десятиліття.

Кожне водосховище — єдиний ландшафтний комплекс з властивою йому водною масою, особливостями мікроклімату, морфології берегів і дна, з характерними для нього процесами замулювання і заростання. Разом з тим водосховище — це украй складний ландшафтний комплекс, що вимагає розчленовування на простіші складові частини. Є цілий ряд дослідів фізико-географічного районування водосховищ (Тарвердиев, 1963; Матарзин, Мацкевич, 1970, та ін.).

Водосховище, як і будь-яка інша акваторія, представляє поєднання регіональних і типологічних одиниць. Проте розміри переважної частини водосховищ такі, що вони лише складова частина відповідних регіональних одиниць наземних ландшафтів (зони, провінції, району). І лише найбільші з них, площею в декілька тисяч квадратних кілометрів утворюють самостійні аквальний ландшафтний район або навіть їх групу. Підставою для розчленовування крупного водосховища на аквальні ландшафтні райони служать: 1) ландшафтно-генетичні відмінності залитої водосховищем території, яка зараз є його ложем; 2) наявність у водосховищі відособлених водних мас; 3) відмінності в ландшафтно-типологічній структурі.

Другою регіональною одиницею, специфічною для водосховищ, є плесо. Плеса виділяються на крупних водосховищах складної конфігурації, що зазвичай повторює малюнок річкової долини.

Типологічні ландшафтні одиниці на водосховищах представлені типом ландшафту, типом акваторії і типом урочищ.

З типів ландшафту добре виражені два - мілководих і глибоководних ландшафтів.

Мілководий тип ландшафту. Поняття мелководий, мілководих ландшафтів широко поширено в літературі про водосховища (Урбан, 1958; Потапов, 1962; Мирошников, 1967; Матарзин, Сорокин, 1970-а, 1970-6; Экзерцев, 1970; Экзерцев, Белавская та ін., 1968). За нижню межу мілководих ландшафтів більшість авторів приймають глибину 2 м при НПГ. Межа ця чисто гідродинамічна — до глибини 2 м хвилі активно взаємодіють з дном. Нам здається, що дана межа мілини потребує перегляду. З ландшафтної точки зору важливішою представляється нижня межа розповсюдження макрофітів. При його визначенні еталоном можуть служити встановлені для заростаючих озер пояси рослинності.

В.Н. Сукачов в заростаючому озері встановив 6 зон рослинності: 1) мілковода зона, 2) зона очеретів, 3) зона водяних лілій, 4) зона широколистих рдестів, 5) зона макрофітів, 6) зона мікрофітів.

Ці ж зони, або пояси, рослинності в заростаючому озері приймає В.В.Альохін. Глибину поясу широколистих рдестів він визначає в 3—5 м (Алехин, 1951)

С.Г. Липнева замість зон широколистих рдестов і макрофітів В. Н. Сукачева розрізняє: 1) зону занурених рослин (переважно рдести, у тому числі і вузьколистні), що йде до глибини 3 м, а в озерах з прозорою водою — до 4—5 м; 2) зону хар або підводних лугів, що розповсюджується до глибини 5—12 м, а місцями ще глибше (Лепнева, 1950).

Вивчення мелководий волжских водосховищ показує, що їх флора багатша за флору природних водоймищ відповідної площі (Екзерцев, 1970). Це пов'язано з своєрідністю середовища водосховищ, що суміщають одночасно риси, властиві в одних місцях річці, в інших — озеру, в третіх — болоту або пересихаючому водоймищу. Поясна рослинності добре виражена тільки на водосховищах з більш менш стійким літнім рівнем.

Глибоководний тип ландшафту охоплює акваторії водосховищ з глибинами більше 5 м при НПГ. У ставках цей тип ландшафту зустрічається рідко, а на рівнинних водосховищах займає невелику площу. Вища його питома вага у водосховищах гірських і предгірних районів.

Глибоководдя характеризуються накопиченням уздовж берегів продуктів абразії і замулюванням дна тонкозернистими наносами. Крім відсутності макрофитів глибоководний тип ландшафту відрізняється від мілководого кількісним і якісним складом фіто- і зоопланктону, бентоса, іхтіофауни.

Тип акваторії — наступна після типу ландшафту типологічна одиниця, відповідна типу місцевості наземних комплексів. Дослідів виділення її немає. Як приклад типа акваторії мілководих ландшафтів можна вважати «зону виклинування» гідрологів, яка є «поперемінно річкою (навесні), озером (літом), дельтою (восени, взимку)» (Вендров, 1955, с. 24). Мабуть, цілою групою типів акваторії слід вважати зону тимчасового осушення протягом вегетаційного періоду, де створюються украй своєрідні земноводні умови для розвитку рослинності і тваринного світу.

Тип акваторії распадається на систему типів урочищ. Урочища відособляються за характером глибин (рельєфу дна), ґрунтів, угрупувань рослинності і тваринного світу. Затоплене гирло балки або підводна грива, що виділяється серед решти мілководдя хащами макрофітів, — приклади поширених урочищ.