CC BY
27
УДК 627+556.55 О.А. Тихомиров1
ТРАНСФОРМАЦИЯ СТРУКТУРЫ АКВАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ РАВНИННОГО ВОДОХРАНИЛИЩА2
На основе сопоставления крупномасштабных карт распределения аквальных комплексов (АК) Иваньковского водохранилища, составленных в 1975 и 2006 гг., выявлена многолетняя динамика их морфологической структуры. Показано, что важнейшими факторами пространственно-функциональной организации АК выступают гидродинамическая активность, уровенный режим, морфология и морфометрия водоема. Анализ распределения АК за 70 лет существования водохранилища показал глубокое преобразования пело-, фито- и сплавинных комплексов. Современный этап характеризуется господством пелофаций. Наиболее активное становление АК наблюдалось в первые два десятилетия после заполнения водохранилища.
Ключевые слова: аквальные комплексы, фитокомплексы, сплавинные комплексы, пело-комплексы.
Введение. Аквальные ландшафты водохранилищ обладают внутренней морфологической неоднородностью которая проявляется в том, что каждый аквальный комплекс выполняет определенную функцию, выраженную в основном ландшафтооб-разующем процессе. Взаимодействие водных масс с берегами и дном водохранилища, деятельность внутриводоемных процессов формируют систему пространственных структурных единиц (на бывших террасах и поймах рек и озер).
Рассмотрение водохранилища как природно-ант-ропогенного объекта, испытывающего техногенное воздействие, предполагает исследование его внутренней организации, определяемой спецификой процессов направленного преобразования водного ландшафта и перестройки его структуры.
Специфическая черта водохранилищ — прост-ранственно-временнью изменения аквальных комплексов, связанные с режимом регулирования стока, возрастом водоема, развитием автохтонных процессов, ведущих к трансформации горизонтальной структуры аквакомплексов водного ландшафта. Структурный состав аквальных комплексов водохранилища изменяется на протяжении срока его существования.
Структурная организация и динамика природных систем суши детально рассмотрены в структурно-динамической концепции геосистем В.Б. Сочавой [8]. В ряде научных работ многолетняя динамика геосистем рассматривается как одна из наиболее актуальных задач ландшафтоведения [1, 4, 6]. Вместе с тем многолетняя трансформация состава и плановой структуры аквальных комплексов водохранилищ остается наименее изученной.
Аквальные комплексы водохранилищ существенно различаются по биопродуктивности, экологическому состоянию, рекреационно-хозяйственно-му потенциалу. Так, исследования показывают, что эрозионные и абразионные аквакомлексы крайне бедны биоресурсами и составом ихтиофауны. Про-фундальные пелокомплексы (русловые и долинные), а также зарастающие заливы обладают значительными кормовыми запасами и высокой рыбопродуктивностью [3, 7]. В то же время открытая литораль и участки слабого зарастания отличаются благоприятными экологическими параметрами качества воды и донных отложений и значительным при-родно-рекреационным потенциалом. По мнению К.К. Эдельштейна, образование абразионных отмелей имеет большое значение для формирования экосистемы водохранилищ и активизации в них процессов самоочищения [12]. В соответствии с этим изучение многолетней трансформации горизонтальной структуры аквальных комплексов может стать основой для прогноза формирования, экологического состояния и перспективного использования водохранилищ.
Основная цель статьи — установление многолетней трансформации морфологической структуры аквальных комплексов на примере равнинного водохранилища.
Важнейшие факторы пространственно-функциональной организации аквальных комплексов (АК) водохранилищ — элементы гидрологического режима (гидродинамическая активность, уровенный режим и др.), морфология и морфометрия водоемов, от которых зависят облик ландшафта и соотношение основных ландшафтообразующих процессов (разрушение, перемещение, трансформация, аккумуля-
1 Тверской государственный университет, географический факультет, заведующий кафедрой физической географии, профессор; e-mail: tikhomirovoa@mail.ru
2 Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 07-05-00778).
ция и обмен минеральным и биогенным веществом и энергией), а также условия развития гидробион-тов (свойства водной среды, донных отложений и затопленных почв).
На основе этого положения автором предложена классификационная схема [10] аквальных комплексов с учетом основных ландшафтоформирующих факторов и процессов. Преобладающие ландшаф-тообразующие процессы ведут к формированию в водохранилищах эрозионных, абразионно-аккуму-лятивных, сплавинно-аккумулятивных, макрофитно-и планктонно-аккумулятивных, нейтральных аквальных комплексов, а в их пределах — основных гидробиоценозов, соответствующих уровню аква-фации (литокомплексов, псаммокомплексов, арги-локомплексов, пелокомплексов, фитокомплексов, а также торфяных, торфяно-сплавинных, почвенных комплексов).
Исследования, проведенные на верхневолжских водохранилищах в 1972—2006 гг., позволили апробировать предлагаемую схему ранжирования ак-вальных комплексов [9—11]. Один из наиболее благоприятных объектов для изучения аквальных ландшафтов — старейшее в Волжском каскаде Иваньковское водохранилище — водоем сезонного регулирования стока, созданное в 1937 г. За 70 лет существования аквальные комплексы прошли значительный путь развития, а ландшафтоформирующие процессы получили достаточное выражение.
В целях выявления многолетней динамики состава аквальных комплексов проводились полевые наблюдения на Иваньковском водохранилище, позволившие составить карты распределения акваль-ных комплексов в 1975 и 2006 гг. и рассчитать занимаемые ими площади. Исследования включали полевое дешифрирование крупномасштабных (1:10 000) аэрофото- и космических снимков с составлением карт донных отложений, затопленных почв и водной растительности, изучение механического состава и химических свойств донных отложений, состава воды и биомассы макрофитов. В 1975 г. отобрано 240 проб донных отложений и 120 образцов растительности, в 2006 г. — 270 проб и 80 образцов соответственно. Выделение элементарных аквальных комплексов (фаций) проводилось по границам распространения основных типов донных отложений, затопленных почв и макрофитной растительности. Это позволило привлечь для оценки распределения аквальных комплексов водохранилищ данные исследований других авторов. Карта для 1958 г. составлена по материалам крупномасштабных съемок донных отложений и растительности, выполненных В.П. Курдиным [5] и В.А. Эк-зерцевым [13].
Анализ полученных данных позволил оценить современную морфологическую структуру аквальных комплексов Иваньковского водохранилища (табл. 1).
Таблица 1
Состав аквальных комплексов Иваньковского водохранилища, выделенных по основному ландшафтоформирующему процессу, 2006 г.
Виды АК Плес Водохранилище в целом
Шошин-ский Волжский Иваньковский
км2 % км2 % км2 % км2 %
Минеральные аквальные комплексы
Эрозионные 9,5 2,9 6,9 2,1 16,6 5,1 33,0 10,1
Абразионные 0,9 0,3 0,6 0,2 2,4 0,7 3,9 1,2
Минерально-аккумулятивные 0,6 0,2 0,3 0,1 2,0 0,6 2,9 0,9
Биогенно-минеральные аквальные комплексы
Нейтральные 9,5 2,9 3,6 1,1 6,9 2,1 20,0 6,1
Пелоаккумулятив-ные 52,3 16,0 40,2 12,3 84,4 25,8 176, 9 54,1
Биогенные аквальные комплексы
Макрофитно-акку-мулятивные 29,4 9,0 17,6 5,4 21,1 6,1 67,1 20,5
Сплавинно-акку-мулятивные 9,8 3,0 4,8 1,5 8,6 2,6 23,2 7,1
В пределах речного, озерно-речного и озерного ландшафтов водоема преобладают пойменные АК (58,4% площади водохранилища). Комплексы, формирующиеся на I надпойменной террасе, составляют 34,3%, русловые АК — 7,3%. Защищенные урочища занимают 136,6 км2 (41,8%), открытые литоральные — 53 км2 (16,2%), плесовые пелагиально-профундальные — 137,4 км2 (42% от общей площади зеркала водоема).
Преобладание защищенных урочищ в условиях слабой гидродинамической активности и стабильного уровенного режима (с летне-осенним состоянием уровня вблизи НПУ) определило высокую степень развития биогенной аккумуляции вещества, прежде всего за счет макрофито-аккумулятивных акваль-ных комплексов (67,1 км2, или 20,5% площади водоема). Процессы активного заболачивания в прибрежной зоне привели к формированию обширных сплавинных комплексов (23,2 км2, или 7,1%). В общей сложности по относительной доле акватории с преобладанием биогенной аккумуляции (27,6%) Иваньковское водохранилище занимает первое место среди водохранилищ Волжского каскада.
Ветровое волнение и течения способствовали образованию эрозионных и абразионных аквальных комплексов и связанных с ними минерально-аккумулятивных форм рельефа на сравнительно небольшой площади. Эрозионные комплексы развиты на 5,1%, а абразионные на 0,7% площади водохранилища. Исследования показали, что абразионно-эрозионная деятельность в большей мере характер-
на для озерного приплотинного плеса с наиболее высокой степенью повторяемости (до 6%) сильных ветров (более 10 м/с) за период навигации и максимальной зафиксированной высотой волны (1,1 м).
Относительно большая площадь эрозионных комплексов в Шошинском плесе связана с широким распространением плесовых открытых мелководий. На пойме в условиях речного и озерно-реч-ного участков Волжского плеса эрозионные и минерально-аккумулятивные комплексы образовались прежде всего за счет весенних стоковых течений и вместе с абразионными аквальными комплексами занимают наименьшие площади на водоеме. Сравнительно слабое развитие абразионных процессов определило ограниченную аккумуляцию минерального вещества в прибрежной зоне (Волжский плес — 0,1%, Шошинский — 0,2%, Иваньковский плес — 0,6% от общей площади зеркала водохранилища).
В ходе выяснения влияния степени защищенности на размер площади эродированных минеральных АК построен график обратной зависимости и вычислен коэффициент ранговой корреляции, значения которолго свидетельствуют о достаточно тесной связи указанных показателей (г = —0,83 ± 0,09 при п = 24).
Участки с глубиной до 4 м от НПУ в ряде случаев заняты нейтральными аквакомплексами (6,1%), характеризующимися относительным равновесием процессов аккумуляции и выноса илистых частиц. В условиях слабой гидродинамической активности и незначительных колебаний уровня воды в вегетационный период здесь практически не происходит размывание дна, что обеспечивает формирование комплексов, выстланных сохранившими морфологическое строение разбухшими почвами (пе-докомплексы).
Длительная седиментация илистых частиц способствовала широкому развитию пелоаккумулятивных комплексов в пределах профундали водохранилища (54,1% площади водоема). Процесс пелогенной аккумуляции наиболее выражен в озерном литоральном Шошинском плесе и озерно-речном участке Волжского плеса (25,8; 16 и 12,3% от площади водоема соответственно).
Основные латеральные сопряжения аквальных комплексов на 70-м году существования водохранилища в условиях низкой гидродинамической активности (ГДА) выражены следующей последователь-ностьюь: сплавинные комплексы ^ фитокомплек-сы ^ педокомплексы ^ пелокомплексы; в условиях высокой ГДА и абразионно-эрозионной деятельности: псаммокомплексы ^ педокомплексы ^пе-локомплексы.
После заполнения водохранилища в 1937 г. сформировавшиеся временные аквальные комплексы подстилались затопленными почвами поймы и террас Волги и Шоши. За первые два десятилетия
существования водохранилища произошла значительная трансформация затопленной котловины. Развитие внутриводоемных процессов на фоне становления режима регулирования стока привело к формированию аквальных псаммокомплексов, пелокомп-лексов, макрофитных фитокомплексов и почвенных комплексов (педокомплексов), табл. 2.
Таблица 2
Многолетняя динамика площади аквальных комплексов Иваньковского водохранилища
Аквальные комплексы 1958 г. 1975 г. 2006 г.
км2 % км2 % км2 %
Сплавинные фации — — 17,0 5,2 23,2 7,1
Макрофитные фации 54,0 16,5 58,0 17,7 67,1 20,5
Псаммофации 32,7 10,0 36,6 11,2 39,8 12,2
Пелофации 147,2 45,0 163,5 50 176,9 54,1
Педофации 93,1 28,5 51,9 15,9 20,0 6,1
Всего 327 100 327 100 327 100
Так, макрофитные фации, образованные водной растительностью в защищенной литорали, занимали 54 км2 (16,5% от акватории водоема). Основная площадь дна в это время была занята сохранившими рельеф и морфологию почв педофациями (93,1 км2, 28,5%) и пелофациями (147,2 км2, 45%), тяготеющими к условиям профундали (пелагиально-профун-дальные АК). На открытых литоральных участках под влиянием сильной гидродинамической активности сформировались псаммофации (32,7 км2, 10%).
Главное изменение в мелководной зоне Иваньковского водохранилища к 1975 г. — сплавинооб-разование в защищенных урочищах на глубине 60—80 см. Пояс сплавин увеличился к этому времени до 17 км2 (5,2%). Одновременно продолжалось расширение фитофаций. Суммарная площадь биогенных комплексов достигла 65 км2 (22,9%). Быстрым темпом шло накопление макрофитных отложений. Если в 1958 г. они были маломощны и занимали лишь 4% площади акватории, то к 1975 г. эти отложения подстилали большую часть дна фи-токомплексов (до 10%). Сукцессионные процессы привели к замене конкурентно нестойких пионерных видов на болотные группировки. Произошло слабое расширение площади, занимаемой псаммо-фациями (до 11,2%), что связано с вступлением водохранилища в завершающую стадию абразион-но-эрозионных процессов. Седиментация и илона-копление обеспечили значительное увеличение площади распространения пелофаций (с 45 до 50%); это происходило прежде всего за счет заиления разбухших почв, что обеспечило резкое сокращение педофаций с 28,5 до 15,9%. Таким образом, к 1975 г. произошло значительное расширение биогенных фаций (прежде всего за счет процесса спла-
винообразования) и резкое уменьшение площади педокомплексов.
За период с 1975 по 2006 г. темп сплавинооб-разования и зарастания замедлился. К 2006 г. спла-винные комплексы заняли 23,2 км2 (7,1%), а фи-токомплексы — 67,1 км2 (20,5%). Очень незначительно увеличилась площадь псаммокомплексов (на 1%) и сократилась площадь педофаций.
Исследования, проведенные на Рыбинском водохранилище, а также данные В.В. Законнова [2, 3] о распределении донных отложений позволили сравнить темп трансформации плановой структуры ак-вальных комплексов водоемов с различным регулированием стока по десятилетиям (табл. 3, 4).
Таблица 3
Темп преобразования структуры АК Иваньковского водохранилища (%/год)*
Название АК Первое и второе десятилетия Третье и четвертое десятилетия Пятое-седьмое десятилетия
Сплавинные — 0,25 (+) 0,09 (+)
Макрофитные 0,79 (+) 0,1 (+) 0,1 (+)
Макрофитные и сплавинные 0,79 (+) 0,37 (+) 0,21 (+)
Псаммокомплексы 0,48 (+) 0,07 (+) 0,04 (+)
Пелокомплексы 2,1 (+) 0,7 (+) 0,05 (+)
Педокомплексы 3,35 (-) 1,17 (-) 0,21 (-)
*Плюс — увеличение площади; минус — уменьшение.
Таблица 4
Темп преобразования структуры АК Рыбинского водохранилища (%/год)
Название АК Первое и второе десятилетия Третье-пятое десятилетия
Псаммокомплексы 1,41 (+)* 1,18 (+)
Пелокомплексы (с глинистым илом) Пелокомплексы (с торфянистым и песчанистым илом) 0,19 (+) 0,92 (+) 0,33 (+) 0,29 (-)
Макрофитные и сплавинные — 0,03 (+)
Педокомплексы 3,07 (-) 1,23 (-)
Торфяные комплексы 0,13 (-) 0,04 (-)
*См. примечание к табл. 3.
Максимальный темп переформирования АК в водоеме сезонного регулирования стока — в Иваньковском водохранилище — приходятся на педо-комплексы в первом и втором десятилетиях. Средний показатель уменьшения их площади составил более 3% в год. В третьем и четвертом десятилетиях темп уничтожения педокомплексов замедлился почти в 3 раза, но оставался достаточно
высокими (более 1% в год). И лишь в пятом десятилетии произошло резкое замедление этого процесса (0,2% в год).
Наиболее существенное увеличение площади на первом этапе формирования водоема отмечено для пело- (2,1% в год) и макрофитных комплексов (0,79%). На втором этапе (третье и четвертое десятилетия) расширение этих геосистем резко замедлилось (в 3 раза у пелокомплексов и почти в 8 раз у макрофитных комплексов), что связано со стабилизацией процессов переформирования рельефа котловины и завершением становления зоны зарастания. Сукцессионные процессы в условиях незначительного колебания уровня воды привели к активному расширению сплавинных комплексов в пределах защищенной литорали. Прирост суммарной площади (сплавин и макрофитных АК) замедлился в третьем и четвертом десятилетиях в 2 раза, а в пятом-седьмом десятилетиях почти в 4 раза.
Активное разрушение дна и берегов водоема в первые два десятилетия привело к значительной скорости развития псаммокомплексов. В третьем-четвертом десятилетиях прирост этих АК уменьшился почти в 7 раз, а в пятом-седьмом десятилетиях — более чем в 10 раз (0,04% в год).
В условиях Рыбинского водохранилища — водоема с многолетним регулированием стока — формирование псаммокомплексов и разрушение пе-докомплексов в первом-втором десятилетиях сходно с подобными процессами, происходившими в Иваньковском водохранилище. Однако темп расширения псаммокомплексов оказался здесь значительно выше (почти в 3 раза) и сохранился на достаточно высоком уровне в третьем-пятом десятилетиях, чему способствовало постоянное перемещение зоны взаимодействия водной массы с дном при значительном колебании уровня водоема в навигационный период.
Обширная площадь открытых АК и высокая ГДА на Рыбинском водохранилище не позволили сформироваться значительным по площади макро-фитным и сплавинным комплексам.
Темп снижения суммарной площади педо- и торфяных комплексов близок к соответствующим показателям для Иваньковского водохранилища. Важно отметить, что уменьшение площади дна, сохранившего почвенный слой, обеспечивается не только за счет эрозионных процессов, но и в результате илонакопления.
В условиях Иваньковского водохранилища пе-локомплексы формировались активнее и за более короткий срок, чему благоприятствовал стабильный уровенный режим. Следует отметить, что формирование пелокомплексов в Рыбинском водохранилище носит сложный характер. Постоянное расширение площади пелокомплексов сменяется стабилизацией и затем некоторым уменьшением их распространения в водоеме. Тенденция к расширению характерна для пелокомплексов с глинистым илом, а сокращению подвержены пелокомплексы с торфяни-
стым и песчанистым илом (табл. 4). Полученные данные согласуются с материалами исследований В.В. Законнова [2, 3].
Таким образом, в аквальных ландшафтах водохранилищ сезонного и многолетнего регулирования к шестому-седьмому десятилетиям их существования структура АК вполне сложилась. В водоеме сезонного регулирования обширную площадь заняли биогенные сплавинные и макрофитные АК, которые продолжают формироваться с достаточно значительной скоростью. Процесс дальнейшего расширения псаммо- и пелокомплексов резко замедлился.
В водоеме многолетнего регулирования до настоящего времени развиты процессы формирования псаммокомплексов, началось сокращение территорий, занятых пелокомплексами. Темп формирования биогенных аквакомплексов существенно ниже, чем в водохранилище сезонного регулирования и со стабильным уровенным режимом.
По скорости формирования структурных единиц аквакомплексов водохранилищ можно выделить три этапа: первый — быстрого формирования; второй — замедления расширения площадеи и третий — стабилизации структуры и площади (с флук-туационными изменениями). При этом прирост площадей АК, связанных с разрушением материала котловин в водоемах со стабильным уровнем, на втором этапе уменьшается в 7—8 раз, а на третьем этапе — в 10—12 раз. Темп расширения аккумулятивных АК на втором этапе снижается в 3—7 раз, а на третьем этапе — в десятки раз. В условиях водохранилища многолетнего регулирования стока расширение площадей АК, связанных с размыванием дна на втором этапе, более значимо, чем в Иваньковском водохранилище.
Заключение. Анализ распределения АК в водохранилище сезонного регулирования на 70-м году его существования на уровне элементарных структурных единиц показывает глубокое преобразование и распространение пело-, фито- и сплавиных комплексов. Современный этап формирования структурного состава водохранилища характеризуется господСПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Временная организованность геосистем. М.: ИГ АН СССР, 1988.
2. Законное В.В. Осадкообразование в водохранилищах Волжского каскада: Автореф. докт. дис. М., 2007.
3. Законное В.В, Поддубный С.А. Изменение структуры донных отложений в Рыбинском водохранилище // Вод. ресурсы. 2002. Т. 29, № 2.
4. Иеаное А.Н. Подходы к изучению пространственно-временной организации геосистем топологического уровня // Современные проблемы физической географии. М.: Изд -во Моск. ун-та, 1989.
5. Курдин В.П. Грунты Иваньковского водного бассейна // Тр. Института биологии водохранилищ. Вып. 4(7). М.: Изд-во АН СССР, 1961.
ством пелофаций. Пелокомплексы формируются не только в глубоководной части (пелагиально-про-фундальные комплексы), но и в защищенной литорали. На завершающей стадии формирования в литоральной зоне Иваньковского водохранилища господствуют биогенные макрофитные и сплавин-ные аквальные комплексы. В результате зарастания часть прибрежных эрозионных псаммокомплексов трансформируется в фитокомплексы.
Наиболее активное становление аквальных комплексов наблюдалось в первые два десятилетия после заполнения водохранилищ. В условиях водоема сезонного регулирования широкое развитие получили фито- и пелокомплексы, а в водохранилище многолетнего регулирования с более высокой скоростью формировались псаммокомплексы. На втором этапе произошло резкое замедление расширения большинства аквальных комплексов. Исключение составляют бурно развивающиеся сплавинные аквакомплексы на водохранилищах сезонного регулирования. На третьем этапе наступает стабилизация структуры и площади аквакомплексов. Темп расширения площади как эрозионных, так и аккумулятивных аквальных комплексов снижается в десятки раз. Одновременно наблюдается некоторое сокращение территории, занятой пелокомплексами.
АК водохранилищ многолетнего регулирования отличаются большей неустойчивостью и нестабильностью границ геосистем по сравнению с водоемами сезонного регулирования уровня. Скорость формирования биогенных АК в них существенно ниже по сравнению с водохранилищем со стабильным уровнем воды в вегетационный период.
Основная закономерность развития горизонтальной структуры аквальных комплексов водохранилища заключается в сокращении площади педокомп-лексов и их трансформации в пелагиально-про-фундальных условиях в пелокомплексы, в условиях открытой литорали — в псаммокомплексы, а в защищенной литорали — в фито- и сплавинные комплексы. При этом пелокомплексы становятся доминантными, а педокомплексы — редкими.
6. Мамай И.И. Динамика ландшафтов. M.: Изд-во Моск. ун-та, 1992.
7. Поддубный А.Г. Экологическое районирование пресноводных водоемов. Рыбинск, 1990.
8. Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах. Новосибирск: Наука, 1978.
9. Тихомиров О.А. Формирование аквальных комплексов Верхней Волги // X ландшафтная конференция «Структура, функционирование, эволюция естественных и антропогенных пейзажей». M.; СПб., 1997.
10. Тихомиров О.А. Аквальные комплексы как объект геоэкологического исследования. Тверь, 2003.
11. Тихомиров О.А. Классификация и оценка экологического состояния аквальных геосистем Верхней Волги // Проблемы региональной геоэкологии. M., 2005. № 1.
12. Эдельштейн К.К. Водохранилища России: эколо- 13. Экзерцев В.А. Растительность Иваньковского водо-
гические проблемы, пути их решения. М.: ГЕОС, 1998. хранилища // Тр. Института биол. внутр. вод. Вып. 21(24).
Л., 1971.
Поступила в редакцию 16.06.2008
O.A. Tikhomirov
STRUCTURAL TRANSFORMATION OF AQUATIC COMPLEXES
OF A LOWLAND RESERVOIR
Long-term (almost 70-year) observations carried out at the Ivankovskoye reservoir provide information on the dynamics of the structure of its aquatic complexes. Specific features of aquatic complexes evolution at the level of facies were revealed, i.e. decreasing area of terrestrial complexes, their transformation into pelagic complexes under pelagic-profundal conditions, into psammitic complexes under open littoral conditions and into phytocomplexes and floating bog complexes under closed littoral conditions. Pelagic and phyto- complexes became predominant in the reservoir. Processes of aquatic complexes formation during the 70-year evolution of the reservoir are mainly related to the accumulation of mineral and organic matter.
Key words: aquatic complexes, phytocomplexes, floating bog complex, pelagic complexes.
