Динаміка водних мас та її роль у водних екосистемах

Під водною масою розуміють об’єм води, який співпадає з площею і глибиною котловин водних об’єктів або заглибленнями 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.

Формування водних мас у водоймах різного типу відбувається за рахунок атмосферних опадів, які випадають на водозбірну площу, підземного стоку та транспорту води з інших регіонів по природних або штучних водотоках (наприклад, каналам територіального перекидання частини стоку). В залежності від походження вод, які надходять у водойми і водотоки, розрізняють основні і вторинні водні маси. Основні – це водні маси морів і великих озер, які тривалий час складають основу їх водного балансу. Оновлення таких вод відбувається поступово – за рахунок річкового стоку, а також обміну з атмосферною вологою. Вторинні морські і прісні водні маси – це ті, які утворюються за рахунок 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 за рахунок надходження з водозбірної площі первинних континентальних вод.

Формування такого місцевого стоку може відбуватись за рахунок вод, які стікають з узгір’я, ґрунтових та підземних вод. У різні сезони року переважає один з цих трьох типів стоку, який визначає генетичні особливості первинних вод. Так, стікаючі води утворюються за рахунок дощових і снігових опадів і тому мають невисоку мінералізацію. Грунтові води формуються в процесі інфільтрації та фільтраційного стікання і тому більш мінералізовані у порів­нян­ні із стікаючими водами. Ще більш тривалий час іде на формування 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.

В 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 найбільший інтерес являють 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 постійніводотоки, у яких відбувається перенесення водних мас протягом цілого року, та тимчасові, які функціонують частину року.

Водойма – це постійне або тимчасове накопичення води в поглибленнях земної поверхні, 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.

Функціонування водних екосистем в значній мірі залежить від водного режиму водойм і водотоків, що складається з сукупної закономірності повторюваних змін рівня води, її об’ємів, швидкості течій, характеру хвилювання та інших гідрологічних характеристик 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 причин, які можуть впливати на рівень води в річках, озерах, водосховищах та інших водних об’єктах. Це можуть бути перш за все сезонні випадіння атмосферних опадів. 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 її проходження великі маси води промивають річкове русло, очищаючи його від накопичених за зиму відмерлих організмів, продуктів гниття та забрудників. 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 випадінням дощів.

На відміну від повені, паводок – це 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 її накопичення або пропуску. В Україні такі повені і паводки 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) на добу, місяць, сезон, або рік. Об’єм стоку свідчить про водність об’єкта і застосовується у гідрологічних і водогосподарських розрахунках. Витрати води – це її кількість (м³), яка проходить за одиницю часу (секунду) через поперечний розріз водотоку.

В 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 (або 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), а 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 2650 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 грунтовими водами.

Інтенсивність цих процесів виражається в км³/рік або м³/с. Вони відображають загальну кількість води, яка надійшла до водного об’єкту 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’єкту, між його окремими ділянками та шарами води. Інтенсивність зовнішнього та внутрішнього водообміну в значній мірі взаємопов’язані між собою.

Велике екологічне значення мають течії і циркуляція водних мас

Течія – це поступальне переміщення мас води у водних об’єктах, яке зумовлене різними факторами: нахилом поверхні, обертанням Землі, неоднорідністю температури, вітром, хвилюванням води та іншими фізичними процесами та явищами. Течії розподіляють за положенням шару води, в якому вони знаходяться: на поверхневі, глибинні та придонні. Вони можуть бути постійними або періодичними, теплими або холодними.

Стокові течії, що виникають внаслідок нахилу водної поверхні, є постійними. Вони найшвидші в гірських річках і більш повільні – у рівнинних. Характерною особливістю стокових течій є однакова сила тиску водного потоку на різних його глибинах. Стримуючими факторами стокових течій може бути тертя води з поверхнею донного грунту та протидія зустрічного вітру в поверхневих шарах води.

Особливістю стокових течій у штучно створених водосховищах гідроелектростанцій (зокрема в дніпровських), є залежність від режиму їх роботи. Найбільша швидкість стокових течій співпадає з максимальним денним навантаженням на гідроелектростанції. Навпаки, у нічні години, коли потреба в електроенергії спадає, вода скидається, і об’єм стокових течій зменшується.

Стокові течії в океані – градієнтні течії, оскільки причиною їх виникнення є горизонтальний градієнт гідростатичного тиску.

Вітрові течіївиникають внаслідок переміщення верхнього шару води під впливом вітру, який може змінювати нахил водної поверхні та наганяти водні маси в тому напрямі, в якому він дме. Вітрове перемішування води має складний характер, і тому до вітрових зараховують дрейфові та компенсаційні течії, які виникають за дрейфовими у глибинних або придонних шарах води.

Дрейфові течіївиникають у поверхневому шарі води і пов’язані безпосередньо з переміщенням води у водних об’єктах під дією вітру. Швидкість дрейфових течій знижується з глибиною водойм і в стратифікованих водоймах не виходить за межі епілімніона (шару води, де спостерігається гомотермія). У більшості континентальних водойм швидкість дрейфових течій не перевищує 5–10 см/с. Під час шторму вона може досягати 100 см/с. З ураху­ванням можливих вітрів, швидкість дрейфових течій для озерних ділянок Канівського, Дніпродзержинського і Запорізького водосховищ оцінюється в 7–10 см/с, а для Київського, Кременчуцького і Каховського – 10–17 см/с.

В результаті поєднаної дії вітру і обертання Землі утворюються постійні океанічні течії, серед яких наймогутнішим є Гольфстрім.

Особливим типом течій є припливні. Вони виникають в результаті динамічних процесів у морях і океанах, обумовлених взаємодією сил притяжіння Землі, Сонця і Місяця.

Для річок Чорноморського басейну та Приазов’я більш характерним є не припливно-відпливні, а згінно-нагінні явища, які обумовлюються вітром та коливаннями атмосферного тиску. Під час вітру, який дме з моря, значні маси води переміщуються з Чорного моря у Дніпровсько-Бузький, Дністровський лимани та приморську частину дельти Дунаю. При сильному вітрі солоні морські води можуть проникати у пониззя Дніпра. Аналогічні явища можна спостерігати у пониззях річок Дону та Кубані під час вітрового нагону води з Азовського моря.

Навпаки, при напрямі вітру з суші спостерігається більш значне поширен­ня прісних річкових вод у глиб моря та зменшення солоності морської води. Такі зміни гідрологічного і гідрохімічного режимів обумовлюють і видове різноманіття флори і фауни (морської, солонуватоводної, прісноводної) у естуарних екосистемах.