А.Н. Петин, М.Г. Лебедева, О.В. Крымская
Анализ и оценка качества поверхностных вод
Учебное пособие. – Белгород: Изд-во БелГУ, 2006. – 252 с.

1. Водоемы и показатели качества воды

1.1. Разнообразие континентальных водоемов

Тип водоема определяет сочетание факторов среды, действующих на сообщество организмов, населяющих этот водоем. Основных типов водоемов не очень много, их классификация строится на том, что они бывают пресными либо солеными, большими и маленькими, текучими и стоячими.

В целом стоячие водоемы возникают во всех достаточно крупных впадинах суши; текучие – в долинах, ими же и промытых. Бессточные стоячие водоемы при долгом существовании, как правило, становятся солеными (таков Мировой океан, и ряд крупных озер, особенно в засушливых областях); проточные – почти всегда остаются пресными.

Реки. Рекой называется водный поток, протекающий в естественном русле и питающийся за счет поверхностного и подземного стоков речного бассейна. Главная особенность – наличие течения, которое выносит и переотлагает частицы ила, детрита и песка, формирует донные субстраты и перемешивает воду. Как правило, в реках относительно небольшая глубина, достаточно света и кислорода. Течение постоянно смывает с берегов почву, детрит, опад и растворенные в воде соли. Загрязнения воды в реке собираются со всего водосбора (поэтому по состоянию реки можно судить о загрязнителях целого района), но не накапливаются, а постоянно проносятся дальше (в отличие от озер и прудов).

Особенности самой жизни: мало планктона, он несется вместе с течением, видоизменяясь по пути. Бентос и макрофиты так или иначе приспосабливаются к течению и привыкают пользоваться большим количеством растворенного кислорода. Плавающих макрофитов мало, но хорошо растут укореняющиеся растения (ежеголовка, рдесты, лютики, омежник, стрелолист, кубышка).

Очень многое зависит от силы течения. Если течение быстрое (более 0,5 м/с), детрит и ил на дне не залеживаются, обнажаются камни и галька (каменистый перекат). Организмы или надежно прикрепляются к чему-нибудь, или очень хорошо плавают. При скоростях течения выше 3-5 м/с сообщество бентоса на камнях практически не развивается.

При более слабом течении отлагается песок – образуются песчаные перекаты. В местах с медленным течением (в плесах и омутах) взвешенные частицы выпадают в осадок, дно покрывается рыхлыми субстратами, они часто пышно зарастают макрофитами, у берегов течение почти сходит на нет – флора и фауна близки к озерным. Течение здесь уже не давит, но создает некоторое перемешивание воды, насыщая все биотопы кислородом – и жизнь, как правило, весьма богата.

Ручьи и истоки рек. Ручьи – водотоки малых размеров, не вполне четко отделенные от рек и часто представляющие их истоки. У ручьев, как правило, недоразвитые долины в виде оврагов или балок (обычно нет зоны аккумуляции, а только вымывания, нет нормальных меандров и стариц). Малый размер обусловливает резкие сезонные и погодные колебания уровня воды, силы течения и самой проточности. Уклон русла часто довольно большой (поскольку долина не выработана), но скорость течения все равно мала (при малой глубине – велико сопротивление дна), и жесткие субстраты могут не обнажаться. Иногда (по осени) русла ручьев целиком заполняет листовой опад; зато макрофиты чаще всего отсутствуют. Освещенность определяется не глубиной, а наличием деревьев по берегам и вообще очень многое зависит от окружающей местности (питание, принос органики, характер долины). Из всех водоемов ручей в наибольшей степени связан с наземной экосистемой.

Ручьи часто бывают временные или периодически распадающиеся на серии луж. Обычно в них почти нет планктона, и вообще мало своих продуцентов. Органика в основном внешняя (аллохтонная) – смывается с суши и падает с деревьев. Единственная группа собственных продуцентов – водоросли-обрастатели донных субстратов. Донные субстраты бывают любыми, но часто отдельные субстраты лежат такими мелкими пятнами, что не образуют собственных сообществ бентоса. Фауна специфическая и различная для постоянных ручьев с грунтовым питанием, пересыхающих и «распадающихся» ручьев.

По питанию ручьи можно разделить на несколько групп:

1. Ручьи с преобладающим грунтовым питанием – уже прорыли свою долину до водоносного горизонта, и вода в них поступает более или менее постоянно. Такие ручьи (имеющие родники) обычно не замерзают зимой и не пересыхают летом, именно в них развиты специфические ручьевые (реокренные) сообщества, несколько сходные с таковыми рек (хотя набор видов в них в основном другой).

2. Ручьи с болотным питанием – вытекают из понижений местности, где застаивается дождевая вода. Питание их не столь постоянно, течение обычно слабое, фауна формируется из видов, присущих заболоченным лужам и устойчивых к пересыханию. В более крупных из таких ручьев иногда пышно развивается водно-болотная растительность.

3. Ручьи с дождевым питанием – не имеют явного истока, но служат коллектором всех вод, стекающих по поверхности земли. Они при нашем климате эфемерны – существуют несколько часов или дней после сильного дождя, затем пересыхают. Фауна их состоит из почвенных животных, устойчивых к затоплению, и немногих водных микроорганизмов, устойчивых к длительному высыханию. Макрофауна и планктон чаще всего отсутствуют вообще.

Характер питания, течения и фауны ручья, а потом и реки изменяется вдоль его долины – сначала довольно быстро, потом медленно и плавно. Закономерности постепенной смены условий вдоль течений рек связаны с увеличением размера реки и расстояния от истока.

Ручей чаще всего вытекает из полупостоянной заболоченной лужи (то есть питается мягкой болотной водой, время от времени пересыхает и несет соответствующую фауну луж). Затем вода постепенно промывает себе долину и разгоняется, уклон русла возрастает, но ручей остается пересыхающим. Фауна луж беднеет и исчезает, остается всего несколько видов, устойчивых ко всему. Наконец, долина ручья подрезает уровень грунтовых вод, в русле появляются родники и с ними – постоянное питание жесткой водой, и сразу возникает настоящая ручьевая фауна. Дальше, постепенно углубляясь, ручей течет все быстрее, в русле перестают залеживаться детрит и опад, появляются песчаные и каменистые перекаты со своей фауной, мягкие грунты оттесняются к берегам. На протяжении нескольких километров образуется быстрая речка с каменистыми бурными перекатами и песчаными плесами. А потом, обычно при ширине русла 5-10 метров долина перестает углубляться – речка приближается к уровню, на котором находится ее устье (базис эрозии), уклон русла падает, течение замедляется, в плесах отлагаются ил и детрит. Вследствие разложения детрита в русле вода насыщается биогенными элементами, а вследствие расширения русла и долины деревья над речкой расступаются, и увеличивается освещенность. Появляются благоприятные условия для роста макрофитов, которые заселяют в первую очередь перекаты и прибрежья. Диатомовые обрастания камней постепенно уступают место высшим растениям.

Еще ниже, при дальнейшем уменьшении уклона русла и накопления наносов, каменистые перекаты сменяются песчаными. Заросли растений становятся еще больше, но в основном оттесняются к берегам. Наконец, в низовьях крупных равнинных рек  скорость течения падает настолько, что на огромных пространствах дна начинает накапливаться ил, подобно дну озер и водохранилищ.

Большинство рек, в отличие от ручьев, имеют смешанное питание – в них стекают воды со всех окрестных болот, родников, прудов и все поверхностные воды. Поэтому они меньше различаются между собой, чем ручьи (чем крупнее реки, тем больше они имеют общих черт между собой и тем меньше зависят от окружающей местности).

Ключи и родники. Это водоемы, связанные с выходом на поверхность грунтовых вод из-под земли. Чаще всего встречаются на склонах гор и в долинах рек. Мелкие родники – истоки многих ручьев. Условия жизни в родниках весьма постоянны – вода не пересыхает, довольно холодная (но не замерзает), жестка (поскольку из земли) и бедна органикой. Часто вода родников богата чем-нибудь специфичным – вроде солей железа, иногда подогрета вулканической деятельностью.

Озера. Естественные водоемы с замедленным водообменом, на дно которых почти не проникает свет, и макрофиты растут только у берегов. Питание чаще всего смешанное: грунтовое (из подземных родников) и поверхностное (с впадающими ручьями и реками). Обычно, чем больше по площади озеро, тем большую роль играет поверхностное питание и меньшую – грунтовое. Все мягкие грунты в крупных озерах смываются на большую глубину и образуют илистую подушку на дне, нарастающую со временем. Все озера постепенно заполняются грунтом и органикой; малые озера живут сотни и тысячи лет, крупные – иногда и миллионы лет.

У озер большая, хорошо освещенная пелагиаль – и великолепно развито сообщество планктона, а также комплекс пелагических планктоноядных рыб.

Крупные озера летом не прогреваются до дна, но расслаиваются: теплая вода легче и остается наверху, перемешиваясь ветром, холодная, слабо освещенная – лежит внизу. Между слоями, на глубине около 2-5 метров пролегает термоклин – зона температурного скачка и резкой смены плотности воды. Полное перемешивание воды происходит весной – когда вода нагревается и осенью – когда она остывает. Как правило, основная жизнь сосредоточена над термоклином, где много света и тепла. Возможны варианты: в эпилимнионе (выше термоклина) кончаются биогены, и в планктоне наступает голод, прекращающийся только с осенним перемешиванием.

Свежепоявившиеся озера имеют минеральное дно (из песка и камней), очень бедны любой органикой и богаты кислородом. Такие озера называются олиготрофными. Постепенно зарастая, озера меняют внешний вид и внутреннее содержание. Увеличивается количество органических отложений на дне, постепенно накапливаются минеральные вещества (биогены) в воде, больше становится водной растительности – больше корма для животных; больше становится и животных. Но резко возрастает и расход кислорода. Это стадия мезотрофных озер, а потом – эвтрофных, когда максимально обилие жизни. Потом наступает переломный момент, начиная с которого лимитирует уже не количество корма, а количество растворенного кислорода. Когда кислорода не хватает на окисление органики на дне, там начинает интенсивно накапливаться неперегнивший детрит – торф, а биогены перестают возвращаться в воду, она становится мягкой и кислой. Из растений начинает преобладать мох сфагнум, быстро отлагающий новые слои торфа и еще больше закисляющий воду. Большинство животных и многие макрофиты вымирают. Это стадия дистрофного озера – с бурой торфянистой водой, затянутого с берегов сфагновой сплавиной. Наконец, озеро зарастает совсем, превращаясь в торфяное болото и исчезает как водоем – поверх него вырастает лес.

Водохранилища. Так называют крупные искусственные стоячие водоемы, создаваемые с помощью запруд (плотин) на реках. Сукцессия водохранилищ резко отличается от озерной. С самого начала при создании плотины водой заливается участок плодородной суши – леса, поля и луга вдоль бывшей реки. Все это вымирает и начинает резко гнить. Вода сначала несколько лет тухнет от бактерий, потом их съедают, но биогенов все равно много, развиваются водоросли, и водохранилище почти сразу становится эвтрофным. Но берега при этом могут оставаться голыми и прибойными еще десятки лет, пока их не освоит водная флора, а с ней – фауна. Быстрее всего зарастают тихие заливы.

В дальнейшем трофность водохранилища определяется во многом питающей его рекой. Если река богата биогенами, в водохранилище их тоже хватает. Терморежим зависит от стока воды в плотине: если слив верхний, то вода остается холодной и быстро идет заиливание; если слив нижний (что делают чаще), в водохранилище скапливается более теплая и богатая кислородом вода, зато ниже течет очень холодная река.

Пруды и малые озера. Стоячие водоемы небольших размеров, причем искусственные (пруды) в нашем регионе гораздо более распространены, чем естественные. От озер они отличаются искусственностью создания, от озер и водохранилищ – тем, что их площадь меньше 1км²; макрофиты могут расти по всей акватории; от водохранилища – тем, что нет управляемых шлюзов на плотине. Пруды могут как питаться грунтовыми водами, так и не иметь к ним выхода.

Пруды, предоставленные сами себе, подвержены быстрому зарастанию – в силу малой глубины. В зависимости от обстоятельств, их покрывают рогоз, тростник, ряска, телорез, водокрас. Дно при этом быстро заиливается, пруд становится эвтрофным, а через несколько десятков лет – дистрофным. Но пруды быстро появляются, большинство из них – молодые, многие человек регулярно чистит и даже спускает, обращая сукцессию вспять до мезо- или эвтрофной стадии. Поэтому в прудах обычно пышно растут макрофиты, преобладает фитофильная тепловодная фауна (вода летом прогревается до дна, термоклина нет) и тепловодные, нетребовательные к кислороду рыбы (карась, карп, ротан).

Лужи. Стоячие водоемы малых размеров, в том числе пересыхающие и промерзающие до дна. Крайнее непостоянство условий не позволяет развиваться нормальной водной растительности, поэтому лужи слабо зарастают. Выхода к грунтовым водам не имеют, питание преимущественно дождевое и поверхностное. Как правило, лужи наполняются весной талыми водами, бурно живут в начале лета, к концу лета пересыхают; потом с осенними дождями наполняются, замерзают и зимуют под снегом, часто промерзая до дна.

Существует классификация луж по времени обводненности. Так, выделяют лужи эфемерные (пересыхающие летом на 3 и более месяца), периодические (пересыхают на 1-3 месяца) и полупостоянные (пересыхают на срок до 1 месяца и не каждый год). В последнем случае уже развивается водная растительность (болотник, камыш лесной, осока, ряска, рогоз, частуха), и довольно быстро идет заболачивание.

Болота. Болото может появиться двумя способами. Первый – зарастание донными макрофитами и сплавиной стоячих водоемов любой глубины от озер до сырых лощин. Второй способ – естественное заболачивание переувлажненных территорий суши (на суходолах); таким образом образовалось около 90 % болот России. Заболачивание земель обычно происходит, если до грунтовых вод меньше 1 метра. Чаще всего заболачиваются неглубокие плоские понижения водоразделов, на которых поселяются мхи – политрихум, затем сфагнум.

Общие черты болотной жизни: обилие органических веществ и очень слабая проточность, из чего следует регулярная (особенно зимой) кислородная недостаточность. Наиболее действенная классификация болот связана с питанием и гидрохимией их: болота делятся на низинные (с грунтовым питанием) и верховые (с дождевым питанием).

Заросшие макрофитами мелкие водоемы с грунтовым питанием и светлой, богатой биогенами водой – низинные болота. Жизнь в них может быть очень богата, в основном фитофильной фауной (улитки, поденки, стрекозы, клопы, жуки); лимитирует ее наличие кислорода. Поскольку вода очень слабо перемешивается, поверхностные растения заслоняют свет, а гниющих остатков очень много, на дне, как правило, возникает замор (кончается кислород, жизнь вымирает и уходит к поверхности). Тем более, чреваты замором непроточные болота зимой. Летом, когда воды остается мало и она сильно нагревается, тоже все загнивает. Часть фауны поэтому относится к болотам как к лужам – быстро населяет их в благоприятный период и покидает (откладывает покоящиеся яйца) при возникновении замора.

Если же питают водоем в основном дождевые воды, вода в нем становится мягкой и основным растением-зарастателем выступает мох сфагнум – мощный эдификатор всех условий жизни в воде, гарант дальнейшей эволюции водоема в сторону верхового болота. Сфагнум вытягивает в свои клетки почти все оставшиеся в воде ионы металлов (делая ее совсем мягкой), взамен выделяя сульфат-ионы (вода становится кислой, рН снижается до 4-5). Отмирая, сфагнум выделяет гуминовые кислоты – сложные органические вещества, почти не разлагаемые водными гетеротрофами. Именно гумины придают болотным водам бурый цвет. Под сфагновую сплавину почти не проникает кислород, органика там совсем не гниет и накапливается торф (слоем до 1 см в год). Сплавина постепенно затягивает водоем с поверхности, а торф забивает его по всей толщине. Другие макрофиты, за отсутствием в воде биогенов, развиты слабо (в основном это осоки, кувшинки). Живет специфичный планктон (десмидиевые водоросли, кое-какие кладоцеры, коретра), бентос жмется к краю сплавины (в основном личинки комаров, стрекоз, клопы и жуки). Дно покрыто слоем торфа, там живут лишь немногие хирономиды.

Собственно верховые болота – участки переувлажненной суши с преобладающим дождевым питанием и доминированием сфагнума; водных растений и макроживотных там нет. Зато живет специфичный малоизученный мейобентос – тихоходки, клещи и т.п. Характерная флора – сфагнум, береза или сосна (угнетена), багульник, мирт, клюква, подбел, пушица, росянка. Накапливается торф. Собственно, из-за торфа многие верховые болота снова становятся водоемами – торф добывают, а выработанные карьеры заполняются водой.