Глава 8. Динаміка водних мас та її роль у водних екосистемах

8.1. Водні маси як компонент гідрологічної структури водойм і водотоків

Під водною масою розуміють об'єм води, який визначається площею і глибиною котловин водних об'єктів або заглиблень земної поверхні і має однорідні фізико-хімічні характеристики, сформовані під впливом геологічних і кліматичних умов. Водна маса є основним елементом гідрологічної структури водних об'єктів, а її формування залежить від теплового і водного балансу водозбірної площі.

Водні маси у водоймах різного типу формуються з атмосферних опадів, які випадають на водозбірну площу, підземного стоку та води з інших регіонів, що транспортується по природних або штучних водотоках (наприклад, каналах територіального перекидання частини стоку). В залежності від походження вод, які надходять у водойми і водотоки, розрізняють основні та вторинні водні маси. Основні водні маси — це водні маси морів і великих озер, які тривалий час складають основу їх водного балансу. Оновлення таких вод відбувається поступово завдяки річковому стоку, а також обміну з атмосферною вологою. Вторинні морські і прісні водні маси утворюються внаслідок змішування основних вод з тими, що надходять з річковим стоком.

Річкові водні маси, в залежності від сезонних особливостей (весняні води, літні меженні, повеневі, паводкові), формуються в річковому руслі з надходжень первинних континентальних вод з водозбірної площі.

Такий місцевий сток може утворюватись з вод, які стікають з узгір'їв, ґрунтових та підземних вод. У різні сезони року переважає один з цих трьох типів стоку, який визначає генетичніособливості первинних вод. Так, стікаючі води утворюються з дощових і снігових опадів і тому мають невисоку мінералізацію. Ґрунтові води формуються в процесі інфільтрації та фільтраційного стікання і тому більш мінералізовані у порівнянні із стікаючими водами. Ще більш тривалий час іде на утворення підземних вод, що і визначає їх високу загальну мінералізацію та насиченість гідрокарбонатами, кальцієвими, магнієвими, натрієвими та сульфатними іонами.

Таким чином, формування водних мас є складним фізико-хімічним процесом, який включає стік води з водозбірної площі, атмосферні опади, надходження підземних та інших вод.

8.2. Типізація водних об'єктів та їх гідрологічна характеристика

У залежності від гідрологічного режиму всі водні об'єкти поділяються на такі групи: водотоки, водойми, підземні водоносні горизонти та артезіанські басейни і льодовики. З точки зору гідроекології найбільш цікавими є екосистеми водотоків і водойм.

Водотоки характеризуються рухом води в напрямі уклону у витягнутому поглибленні земної поверхні. Це — річки, струмки, канали, протоки між озерами або лагунами і морем. Розрізняють постійні водотоки, у яких відбувається перенесення водних мас протягом цілого року, та тимчасові, які функціонують частину року.

Водойма — це поглиблення земної поверхні з постійно або тимчасово накопиченою водою, яке має уповільнений водообмін. Серед водойм виділяють природні і штучно створені. Природні водойми — це океани, моря, озера, болота. Штучні — це водосховища на великих і малих річках, ставки, водойми-охолоджувачі теплових і атомних електростанцій, накопичувачі атмосферних та підземних вод.

Структурно-функціональний стан водних екосистем визначається сукупною закономірністю повторюваних змін рівня води, її об'ємів, швидкістю течій, характером хвилеутворення та іншими гідрологічними характеристиками водних об'єктів.

Рівень води, або висота водної поверхні, по відношенню до умовної нульової гідрологічної відмітки, є однією з найбільш інформативних характеристик стану водойм і водотоків Є багато факторів, які можуть впливати на рівень води в річках, озерах, водосховищах та інших водних об'єктах. Це можуть бути, перш за все, сезонні атмосферні опади. Влітку, внаслідок меншого їх випадіння та підвищеного випаровування рівень води падає, а восени дещо зростає за рахунок більшої кількості дощів та зменшення випаровування. Взимку, особливо у передвесняний період, рівень води падає до найнижчої відмітки, а з таненням снігів та льоду він різко зростає і досягає максимуму під час повені. Такий режим властивий для річок, що мають снігово-дощове живлення. Для гірських річок характерне літнє підвищення рівня води.

Рівень води у штучно створених водосховищах, на яких побудовані гідроелектростанції, регулюється у відповідності з графіком роботи гідровузлів. Найвищий рівень води в річках буває під час повені і паводку. Повінь — це щорічно повторювана в один і той же сезон фаза водного режиму, яка характеризується найбільшою водністю, високим і тривалим підняттям рівня води. Причиною повені, зокрема на річках України, є весняне сніготанення. Повінь відіграє позитивну екологічну роль для річкових екосистем. Під час повені великі маси води промивають річкове русло, очищаючи його від накопичених за зиму відмерлих організмів, продуктів гниття та забруднюючих речовин. На річках, водність яких формується на значних гірських територіях (наприклад, Дунай), бувають дві повені: весняна, після танення снігу у долинах, та літньо-осіння, пов'язана з таненням снігу в горах та випаданням дощів.

На відміну від повені, паводок — швидке, порівняно короткочасне підвищення рівня води, яке виникає після сильних дощів або різкого потепління взимку, що обумовлює значне сніготанення. І повінь, і паводок можуть мати катастрофічні наслідки, якщо зростання рівня води у річках та водоймах значно перевищує їх можливість до накопичення або пропуску води. В Україні такі повені і наводки найчастіше спостерігаються в Карпатському регіоні.

Формування водного стоку з водозбірної площі залежить від кліматичних факторів. Так, у посушливі сезони надходження води значно менше, ніж, наприклад, восени, коли ідуть часті дощі.

Кількість води, яка протікає через поперечний переріз водотоку за певний проміжок часу, називається об'ємом стоку. Він виражається у кубічних метрах (м³) або кубічних кілометрах (км³) за добу, місяць, сезон, або рік. Об'єм стоку характеризує водність об'єкта і застосовується у гідрологічних і водогосподарських розрахунках. Витрати води — це її кількість (м³), яка проходить за одиницю часу (секунду) через поперечний перетин водотоку.

У залежності від водності міняється цілий ряд важливих в екологічному відношенні параметрів водних екосистем. Так, при малій водності підвищується мінералізація води, падає водообмін, формуються застійні зони у річках, що негативно впливає на життєдіяльність гідробіонтів.

Крім сезонних змін водності, виділяються багаторічні коливання стоку. Вони характеризуються як маловодні (50 % водозабезпечення), середньоводні (75 % водозабезпечення) та багатоводні (95 % водозабезпечення).

Водний баланс — це кількісна оцінка всіх форм надходження і втрат води у водному об'єкті (включаючи випаровування, інфільтрацію тощо). В глобальному масштабі він є найважливішою характеристикою кругообігу води на Землі. Водний баланс суттєво впливає на стан водних екосистем, їх абіотичні компоненти (гідрологічні параметри, хімічний склад води тощо) та біоту.

Водообмін — це заміна води у водному об'єкті або заміщення на окремих його ділянках одних водних мас іншими. В залежності від величини водойми та кількості води, що надходить за одиницю часу, цей процес може займати дні, місяці, роки, десятки і навіть тисячі років. Наприклад, середній багаторічний період умовного відновлення запасів води Світового океану оцінюється у 2 650 років. У найбільшому прісноводному озері Байкал цей процес займає близько 380 років. Період водообміну водосховищ Дніпра в середньому становить: Київського — 36 років, Канівського — 20, Кременчуцького — 85, Дніпродзержинського — 18, Запорізького — 23, Каховського — 130 років. Існують водойми, де вода оновлюється за кілька діб, наприклад, заплавні озера пониззя Дніпра.

Розрізняють зовнішній і внутрішній водообмін. Зовнішній водообмін — це водообмін з атмосферою (випаровування та надходження атмосферної води), з прилеглими ділянками гідрографічної мережі та з ґрунтовими водами.

Інтенсивність цих процесів виражається в кубічних кілометрах за рік (км³/рік) або кубічних метрах за секунду (м³/с).

Вони відображають загальну кількість води, яка надійшла до водного об'єкта або, навпаки, втрачена ним протягом конкретного проміжку часу.

Внутрішній водообмін залежить від динамічних процесів, які протікають у водоймах, і являє собою обмін водних мас всередині водного об'єкта між його окремими ділянками та шарами води. Інтенсивність зовнішнього та внутрішнього водообміну значною мірою взаємопов'язані між собою.