Факторы и направленность сукцессионного развития водохранилищ ГЭС
С экологической точки зрения все искусственные водоемы можно разделить на две существенно различающиеся категории: непроточные или мало проточные (водохранилища) и проточные (каналы). Однако водохранилища гидроэнергетического назначения существенно отличаются от всех прочих техническим регулированием уровня воды, которое вносит существенный вклад в формирование экологической специфики этого типа водоемов. По этой причине их, видимо, стоит относить к самостоятельной, третьей категории. Принципиальное отличие водохранилищ ГЭС от всех остальных искусственных водоемов состоит в специфичности режима формирования экосистем и береговых линий в условиях постоянного, сильного и неритмичного колебания уровня воды.
Кроме того, все искусственные водоемы можно классифицировать и по размерам. Поскольку строительство малых ГЭС с началом индустриализации, а потом и глобализации стало невыгодным для строителей, большинство водохранилищ гидроэнергетического назначения относится к разряду средних, крупных и очень крупных.
Все эти формальные признаки водохранилищ ГЭС дают нам некую информацию к размышлению, но не позволяют ответить на главный экологический вопрос, – в чем состоит экологическая суть водохранилищ, к какой категории экологических процессов отнести формирование экосистем водохранилищ. К настоящему времени в мире сформировалось достаточно много крупных водохранилищ гидроэнергетического назначения, что позволяет говорить о них как о новом явлении с особой биосферной ролью. Прежде чем оценить эту роль в достаточном масштабе, необходимо ввести водохранилища ГЭС в устоявшуюся систему экологических понятий и явлений с точки зрения статики и динамики экосистем, вектора и конечной стадии их сукцессионного развития.
Изучение водохранилищ актуально не только потому, что необходима оценка влияния этого нового для биосферы и человечества явления на экосистемы и социумы, но и потому, что водохранилище ГЭС – это принципиально новое экологическое явление, нуждающееся в соответствующей оценке с точки зрения фундаментальных знаний в области экологии. Прежде всего, для оценки водохранилищ ГЭС как нового экологического явления необходимо определить специфику сукцессионного формирования нового водоема.
Как правило, гидроэлектростанции строятся там, где ранее протекали крупные реки. Это позволяет нам рассматривать новый водоем как продукт трансформации речной экосистемы, а сукцессионное его развитие как достижение рекой состояния параклимакса, то есть равновесного состояния под влиянием постоянно действующего антропогенного фактора [4]. В пользу этого утверждения может говорить и тот факт, что биота водохранилища формируется, как правило, из биоты реки главным образом через ее упрощение.
Однако река – это не просто водная экосистема с определенными специфическими параметрами среды, но и пойма, то есть часть суши, вовлекаемая в вещественно-энергетический круговорот реки. Причем эта часть суши непременно должна быть экосистемой, находящейся в конечной стадии сукцессионного развития, что позволяет ей выполнять свои специфические функции пограничной экосистемы, стабилизирующей состояние речных экосистем. Однако при формировании водохранилища пойма прекращает свое существование, становится дном, а берегами нового водоема становятся либо склоны гор, плакорные участки, либо равнинные суходолы. Таким образом, утверждение о том, что водохранилище ГЭС – это река, перешедшая в состояние параклимакса, разбивается о невозможность формирования поймы, являющейся непременным условием существования реки. Правда, в этом случае возникает вопрос, – а не соответствует ли та часть территории, которая непосредственно примыкает к водохранилищу и подвергается регулярным затоплениям в результате технического регулирования уровня воды, статусу водохранилища как реки в состоянии параклимакса? Утвердительный ответ на этот вопрос может быть основан на том, что параклимакс предполагает выход экосистемы на новый эволюционный уровень в условиях появления постоянно действующего антропогенного фактора. В этом случае затопление поймы и техническое регулирование уровня воды в водохранилище может относиться к категории постоянно действующего антропогенного фактора, а прибрежная зона временного затопления может считаться аналогом поймы, подвергшейся действию того же фактора, что и водоем. Один и тот же фактор заставляет материнскую экосистему – реку, перейти к более медленным темпам обмена веществ, а прибрежную полосу подвергаться периодическим затоплениям в гораздо более частом ритме, чем пойма бывшей реки. Однако последний аргумент, а также отсутствие долгосрочного естественного ритма затопления потенциальной поймы нового водоема, которое не позволяет сформироваться в прибрежной полосе специфической устойчивой экосистеме, говорят скорее в пользу того, что эту полосу следует относить к некой маргинальной зоне, а не к самостоятельному типу экосистем. По крайней мере, на нынешнем уровне становления большинства водохранилищ ГЭС, возраст которых измеряется в основном десятками лет, его явно недостаточно для достижения климакса экосистемами нового водоема.
Таким образом, камнем преткновения в данном вопросе является зона временного затопления как полоса взаимодействия между сушей и водоемом [3]. Если основная биота водохранилища – это трансформированная биота реки, то ее береговую линию можно считать скорее аналогом береговой линии моря на том основании, что и там, и здесь не существует естественной ритмики паводков, но существует приливно-отливная полоса, в которой формируется собственная экосистема со специфической биотой. Отличие приливно-отливной полосы моря от зоны временного затопления водохранилища состоит в том, что в первом случае существует четкая суточная ритмика приливов и отливов, происходящая с точностью до минут, а во втором – такая ритмика отсутствует и, с точки зрения существующих на планете естественных ритмов, техническое регулирование воды в водохранилище можно смело отнести к категории стохастических процессов. По частоте перепадов уровня воды техническое регулирование воды в водохранилище находится между паводками реки и приливно-отливными перепадами в море.
Таким образом, временное затопление прибрежной части водохранилища действительно играет роль лимитирующего фактора сукцессионного развития экосистем водохранилища и определяет следующие процессы.
1. Омолаживает экосистемы, не позволяя достигать климаксовой сукцессионной стадии, естественной для больших малопроточных водоемов. Береговая зона в условиях нечастого и незначительного подъема воды в озерах или прудах является форпостом поступательного развития через накопление биомассы и детрита. Морская приливно-отливная зона имеет свою специфическую и богатую биоту, которая вместе с морскими прибрежными мелководьями играет роль подобного форпоста. В водохранилище зона временного затопления крайне бедна жизнью, поскольку неритмичные колебания уровня воды препятствуют наращиванию видового разнообразия и биомассы, а также накоплению детрита в местах, которые в естественных водоемах обладают наибольшей биопродуктивностью.
2. Способствует поляризации ландшафта, устраняя эффект опушки, который в водоемах приходится главным образом на береговую зону и мелководья.
3. Препятствует возникновению специфической экосистемы со своим набором видов, приспособленных к жизни в условиях с широким диапазоном изменения параметров. Приливно-отливные колебания уровня воды сформировали такую экосистему благодаря четкому ритму, существовавшему миллионы лет. В береговой линии водохранилищ такого ритма нет. Впрочем, даже в этих неритмичных условиях возможно формирование биоты береговой линии, пусть и крайне скудной, ведь формироваться ей придется все на базе того же первоначального набора речных видов. Но для этого необходимы те же миллионы лет эволюции при неизменных условиях.
Таким образом, водохранилище ГЭС – это самостоятельный тип экосистем, сформированный на базе реки и сохраняющий поэтому некоторые черты ее биоты, находящейся в сукцессионной динамике в условиях параклимакса.
При этом немаловажным является тот факт, что под воду уходят участки с высокой биопродуктивностью и биоразнообразием, к которым всегда относятся поймы [3], а береговая линия нового водоема формируется на месте, может быть, более стабильных, если исключить антропогенный фактор, но менее биопродуктивных участков, которые в силу особенностей функционирования водохранилища, не могут выполнять функций поймы. В целом такое перемещение береговой линии можно было бы рассматривать как фактор, оказывающий положительное влияние на формирование нового водоема, поскольку высокое биоразнообразие бывшей поймы, а ныне дна водохранилища, может стимулировать более быстрое сукцессионное развитие экосистем водохра¬нилища и, соответственно, быстрое достижение равновесного климаксового состояния с достаточно высоким уровнем биоразнообразия. Однако именно высокие показатели биоразнообразия и биопродуктивности поймы могут направить вектор сукцессионного развития экосистем водохранилища в другом направлении.
Дело в том, что при затоплении наземных экосистем, а поймы в особенности, в оборот водохранилища изначально вовлекается большое количество детрита. Формируется новое направление в переносе детрита из наземных экосистем в водные, вовлечение его в водные экосистемы в количествах, которые без оговорок можно отнести к категории сильного загрязнения. Это изменяет характерное для водных экосистем распределение мертвой и живой органики, изменяет свойства воды, поскольку большая часть твердого детрита наземных экосистем переходит в раствор [2], оказывает существенное влияние на формирование трофической пирамиды. Изменение же вектора сукцессионного развития экосистемы водохранилища при вовлечении в оборот большого количества детрита состоит, вопреки поверхностной логике, в упрощении трофической пирамиды. Это происходит потому, что детрит из стабилизирующего фактора переходит в категорию загрязнителя. Правда, в отличие от искусственных колебаний уровня, наземный детрит не относится к постоянно действующему фактору и потому оказывает влияние только на ранних стадиях становления экосистем водохранилища.
Подводя итоги, необходимо упомянуть еще о трех экологических ролях водохранилищ. К ним относятся: воздействие на климат региона (при формировании системы водохранилищ увеличивается и воздействие), изменение ареалов [1] и скорости, направленности и состава переноса вещества и энергии. Но в этих процессах водохранилища ГЭС выступают скорее как фактор сукцессионных процессов наземных экосистем.
Кроме того, все искусственные водоемы можно классифицировать и по размерам. Поскольку строительство малых ГЭС с началом индустриализации, а потом и глобализации стало невыгодным для строителей, большинство водохранилищ гидроэнергетического назначения относится к разряду средних, крупных и очень крупных.
Все эти формальные признаки водохранилищ ГЭС дают нам некую информацию к размышлению, но не позволяют ответить на главный экологический вопрос, – в чем состоит экологическая суть водохранилищ, к какой категории экологических процессов отнести формирование экосистем водохранилищ. К настоящему времени в мире сформировалось достаточно много крупных водохранилищ гидроэнергетического назначения, что позволяет говорить о них как о новом явлении с особой биосферной ролью. Прежде чем оценить эту роль в достаточном масштабе, необходимо ввести водохранилища ГЭС в устоявшуюся систему экологических понятий и явлений с точки зрения статики и динамики экосистем, вектора и конечной стадии их сукцессионного развития.
Изучение водохранилищ актуально не только потому, что необходима оценка влияния этого нового для биосферы и человечества явления на экосистемы и социумы, но и потому, что водохранилище ГЭС – это принципиально новое экологическое явление, нуждающееся в соответствующей оценке с точки зрения фундаментальных знаний в области экологии. Прежде всего, для оценки водохранилищ ГЭС как нового экологического явления необходимо определить специфику сукцессионного формирования нового водоема.
Как правило, гидроэлектростанции строятся там, где ранее протекали крупные реки. Это позволяет нам рассматривать новый водоем как продукт трансформации речной экосистемы, а сукцессионное его развитие как достижение рекой состояния параклимакса, то есть равновесного состояния под влиянием постоянно действующего антропогенного фактора [4]. В пользу этого утверждения может говорить и тот факт, что биота водохранилища формируется, как правило, из биоты реки главным образом через ее упрощение.
Однако река – это не просто водная экосистема с определенными специфическими параметрами среды, но и пойма, то есть часть суши, вовлекаемая в вещественно-энергетический круговорот реки. Причем эта часть суши непременно должна быть экосистемой, находящейся в конечной стадии сукцессионного развития, что позволяет ей выполнять свои специфические функции пограничной экосистемы, стабилизирующей состояние речных экосистем. Однако при формировании водохранилища пойма прекращает свое существование, становится дном, а берегами нового водоема становятся либо склоны гор, плакорные участки, либо равнинные суходолы. Таким образом, утверждение о том, что водохранилище ГЭС – это река, перешедшая в состояние параклимакса, разбивается о невозможность формирования поймы, являющейся непременным условием существования реки. Правда, в этом случае возникает вопрос, – а не соответствует ли та часть территории, которая непосредственно примыкает к водохранилищу и подвергается регулярным затоплениям в результате технического регулирования уровня воды, статусу водохранилища как реки в состоянии параклимакса? Утвердительный ответ на этот вопрос может быть основан на том, что параклимакс предполагает выход экосистемы на новый эволюционный уровень в условиях появления постоянно действующего антропогенного фактора. В этом случае затопление поймы и техническое регулирование уровня воды в водохранилище может относиться к категории постоянно действующего антропогенного фактора, а прибрежная зона временного затопления может считаться аналогом поймы, подвергшейся действию того же фактора, что и водоем. Один и тот же фактор заставляет материнскую экосистему – реку, перейти к более медленным темпам обмена веществ, а прибрежную полосу подвергаться периодическим затоплениям в гораздо более частом ритме, чем пойма бывшей реки. Однако последний аргумент, а также отсутствие долгосрочного естественного ритма затопления потенциальной поймы нового водоема, которое не позволяет сформироваться в прибрежной полосе специфической устойчивой экосистеме, говорят скорее в пользу того, что эту полосу следует относить к некой маргинальной зоне, а не к самостоятельному типу экосистем. По крайней мере, на нынешнем уровне становления большинства водохранилищ ГЭС, возраст которых измеряется в основном десятками лет, его явно недостаточно для достижения климакса экосистемами нового водоема.
Таким образом, камнем преткновения в данном вопросе является зона временного затопления как полоса взаимодействия между сушей и водоемом [3]. Если основная биота водохранилища – это трансформированная биота реки, то ее береговую линию можно считать скорее аналогом береговой линии моря на том основании, что и там, и здесь не существует естественной ритмики паводков, но существует приливно-отливная полоса, в которой формируется собственная экосистема со специфической биотой. Отличие приливно-отливной полосы моря от зоны временного затопления водохранилища состоит в том, что в первом случае существует четкая суточная ритмика приливов и отливов, происходящая с точностью до минут, а во втором – такая ритмика отсутствует и, с точки зрения существующих на планете естественных ритмов, техническое регулирование воды в водохранилище можно смело отнести к категории стохастических процессов. По частоте перепадов уровня воды техническое регулирование воды в водохранилище находится между паводками реки и приливно-отливными перепадами в море.
Таким образом, временное затопление прибрежной части водохранилища действительно играет роль лимитирующего фактора сукцессионного развития экосистем водохранилища и определяет следующие процессы.
1. Омолаживает экосистемы, не позволяя достигать климаксовой сукцессионной стадии, естественной для больших малопроточных водоемов. Береговая зона в условиях нечастого и незначительного подъема воды в озерах или прудах является форпостом поступательного развития через накопление биомассы и детрита. Морская приливно-отливная зона имеет свою специфическую и богатую биоту, которая вместе с морскими прибрежными мелководьями играет роль подобного форпоста. В водохранилище зона временного затопления крайне бедна жизнью, поскольку неритмичные колебания уровня воды препятствуют наращиванию видового разнообразия и биомассы, а также накоплению детрита в местах, которые в естественных водоемах обладают наибольшей биопродуктивностью.
2. Способствует поляризации ландшафта, устраняя эффект опушки, который в водоемах приходится главным образом на береговую зону и мелководья.
3. Препятствует возникновению специфической экосистемы со своим набором видов, приспособленных к жизни в условиях с широким диапазоном изменения параметров. Приливно-отливные колебания уровня воды сформировали такую экосистему благодаря четкому ритму, существовавшему миллионы лет. В береговой линии водохранилищ такого ритма нет. Впрочем, даже в этих неритмичных условиях возможно формирование биоты береговой линии, пусть и крайне скудной, ведь формироваться ей придется все на базе того же первоначального набора речных видов. Но для этого необходимы те же миллионы лет эволюции при неизменных условиях.
Таким образом, водохранилище ГЭС – это самостоятельный тип экосистем, сформированный на базе реки и сохраняющий поэтому некоторые черты ее биоты, находящейся в сукцессионной динамике в условиях параклимакса.
При этом немаловажным является тот факт, что под воду уходят участки с высокой биопродуктивностью и биоразнообразием, к которым всегда относятся поймы [3], а береговая линия нового водоема формируется на месте, может быть, более стабильных, если исключить антропогенный фактор, но менее биопродуктивных участков, которые в силу особенностей функционирования водохранилища, не могут выполнять функций поймы. В целом такое перемещение береговой линии можно было бы рассматривать как фактор, оказывающий положительное влияние на формирование нового водоема, поскольку высокое биоразнообразие бывшей поймы, а ныне дна водохранилища, может стимулировать более быстрое сукцессионное развитие экосистем водохра¬нилища и, соответственно, быстрое достижение равновесного климаксового состояния с достаточно высоким уровнем биоразнообразия. Однако именно высокие показатели биоразнообразия и биопродуктивности поймы могут направить вектор сукцессионного развития экосистем водохранилища в другом направлении.
Дело в том, что при затоплении наземных экосистем, а поймы в особенности, в оборот водохранилища изначально вовлекается большое количество детрита. Формируется новое направление в переносе детрита из наземных экосистем в водные, вовлечение его в водные экосистемы в количествах, которые без оговорок можно отнести к категории сильного загрязнения. Это изменяет характерное для водных экосистем распределение мертвой и живой органики, изменяет свойства воды, поскольку большая часть твердого детрита наземных экосистем переходит в раствор [2], оказывает существенное влияние на формирование трофической пирамиды. Изменение же вектора сукцессионного развития экосистемы водохранилища при вовлечении в оборот большого количества детрита состоит, вопреки поверхностной логике, в упрощении трофической пирамиды. Это происходит потому, что детрит из стабилизирующего фактора переходит в категорию загрязнителя. Правда, в отличие от искусственных колебаний уровня, наземный детрит не относится к постоянно действующему фактору и потому оказывает влияние только на ранних стадиях становления экосистем водохранилища.
Подводя итоги, необходимо упомянуть еще о трех экологических ролях водохранилищ. К ним относятся: воздействие на климат региона (при формировании системы водохранилищ увеличивается и воздействие), изменение ареалов [1] и скорости, направленности и состава переноса вещества и энергии. Но в этих процессах водохранилища ГЭС выступают скорее как фактор сукцессионных процессов наземных экосистем.
