Гипореаль

Гипореаль (англ. Hyporheic zone) — это область осадочного и пористого пространства под руслом реки и вдоль него, где происходит смешивание неглубоких грунтовых вод и поверхностных вод. Динамика и поведение потока в этой зоне (называемой гипореальным потоком, или нижним потоком) считаются важными для взаимодействия поверхностных и грунтовых вод, а также для нереста рыб и других процессов[1]. В качестве инновационной практики управления городскими водными ресурсами, инженеры могут проектировать гипореальную зону и активно ею управлять для улучшения как качества воды, так и прибрежной среды обитания[2].

Совокупности организмов, населяющие эту зону, называются гипореос.

Термин «гипореальный» был первоначально введён Траяном Оргиданом[3] в 1959 году путём объединения двух греческих слов: «hypo» (ниже) и «rheos» (течь).

Гипореальная зона и гидрология

Процессы в гипореальной зоне

Гипореальная зона — это область быстрого обмена, где вода перемещается в русло реки и из него, перенося с собой растворённые газы и вещества, загрязняющие вещества, микроорганизмы и частицы[4]. В зависимости от геологии и рельефа глубина гипореальной зоны может составлять всего несколько сантиметров или простираться до десятков метров в поперечном направлении или в глубину.

Концептуальная основа гипореальной зоны как зоны смешивания и хранения является неотъемлемой частью изучения гидрологии. Первая ключевая концепция, связанная с гипореальной зоной, — это время пребывания[англ.]; вода в русле движется с гораздо большей скоростью по сравнению с гипореалем, поэтому этот поток более медленной воды эффективно увеличивает время пребывания воды в русле ручья. Время пребывания воды влияет на скорость переработки питательных веществ и углерода. Более длительное время пребывания способствует удержанию растворённых веществ, которые впоследствии могут быть возвращены обратно в русло, задерживая или ослабляя сигналы, производимые потоком[5].

Другая ключевая концепция — это гипореальный обмен[6][7], или скорость, с которой вода входит в подповерхностную зону или выходит из неё. Речная вода временно попадает в гипореаль, но в конечном итоге она возвращается в поверхностное русло или способствует накоплению подземных вод. Скорость гипореального обмена зависит от структуры русла реки, при этом более короткие пути потока воды создаются неровностью русла реки[8][9]. Более длинные пути течения обусловлены геоморфологическими особенностями, такими как извилистые русла рек, последовательности перекатов, крупные плотины из древесного мусора и другие особенности.

Зона гипореаль и её взаимодействие влияют на объём воды, перемещаемой вниз по течению. Набирающие силу участки указывают на то, что грунтовые воды сбрасываются в поток по мере того, как вода движется вниз по течению, так что объём воды в главном русле увеличивается от верхнего течения к нижнему. И наоборот, когда поверхностные воды просачиваются в зону грунтовых вод (тем самым приводя к чистой потере поверхностной воды), то этот участок потока считается «теряющим» воду.

Гипореаль обеспечивает целый ряд экологических преимуществ. К этим примерам относятся[10]:

  • Среда обитания и укрытие для различных видов рыб, водных растений и других организмов;
  • Снижение концентрации загрязняющих веществ, растворённых в воде потока;
  • Контроль обмена водой и растворёнными веществами между основным потоком и грунтовыми водами;
  • Снижение температуры речной воды.

Изучение гипореаля

Экосистема ручья или реки — это не просто текущая вода, которую можно увидеть на поверхности: реки связаны с прилегающими прибрежными территориями[11]. Таким образом, ручьи и реки включают динамическую гипореальную зону, которая лежит ниже и латеральнее основного русла. Поскольку гипореальная зона находится под поверхностью воды, её может быть трудно идентифицировать, количественно оценить и наблюдать. Однако гипореальная зона является зоной биологической и физической активности и поэтому имеет функциональное значение для экосистем ручьёв и рек[12]. Исследователи используют такие инструменты, как скважины и пьезометры, консервативные и реактивные трассеры[13] и транспортные модели, которые учитывают адвекцию и дисперсию воды как в русле реки, так и под поверхностью[14]. Эти инструменты можно использовать независимо друг от друга для изучения движения воды через гипореаль и в русле реки, но часто они дополняют друг друга для получения более точной картины динамики воды в русле в целом.

Биогеохимическое значение

Гипореаль представляет собой экотон между потоком и недрами: это динамическая область смешивания поверхностных и грунтовых вод на границе раздела осадочные отложения — вода. С биогеохимической точки зрения подземные воды часто содержат мало растворённого кислорода, но содержат растворённые питательные вещества. Напротив, вода из основного русла содержит больше растворённого кислорода и меньше питательных веществ. Это создаёт биогеохимический градиент, который может существовать на разных глубинах в зависимости от протяженности гипореальной зоны. Часто в гипореальной зоне преобладают гетеротрофные микроорганизмы, которые перерабатывают растворённые питательные вещества.

Гипореаль: основные характеристики и причины гипореального обмена

Основные различия между поверхностными и грунтовыми водами касаются концентрации кислорода, температуры и pH[15]. Как область между основным потоком и грунтовыми водами, гипореальная зона подвержена физико-химическим градиентам, генерирующим биохимические реакции, способные регулировать поведение химических соединений и водных организмов в пределах обменной зоны[16]. Гипореаль вносит важный вклад в ослабление загрязняющих веществ, растворённых в воде потока[17], а также в круговорот энергии, питательных веществ и органических соединений[18]. Более того, он оказывает существенное влияние на перенос загрязняющих веществ через речной бассейн[19].

Основными факторами, влияющими на гипореальный обмен, являются[20]:

  • Геометрия и гидравлические свойства подземного водоносного горизонта[21][22]
  • Временное изменение высоты уровня грунтовых вод[23]
  • Топографические характеристики и проницаемость русла реки[24]
  • Горизонтальные градиенты, возникающие из-за изменений формы русла реки[25]

Примечания

  1. ↑ Lewandowski, Jörg (2019). "Is the hyporheic zone relevant beyond the scientific community?". Water (англ.). 11 (11): 2230. doi:10.3390/w11112230. hdl:20.500.11850/382125.
  2. ↑ Lawrence, J.E.; M. Skold; F.A. Hussain; D. Silverman; V.H. Resh; D.L. Sedlak; R.G. Luthy; J.E. McCray (14 августа 2013). "Hyporheic Zone in Urban Streams: A Review and Opportunities for Enhancing Water Quality and Improving Aquatic Habitat by Active Management". Environmental Engineering Science. 47 (8): 480–501. doi:10.1089/ees.2012.0235.
  3. ↑ Orghidan, T. (1959). "Ein neuer Lebensraum des unterirdischen Wassers: Der hyporheische Biotop". Archiv für Hydrobiologie. 55: 392–414.
  4. ↑ Bencala, Kenneth E. (2000). "Hyporheic zone hydrological processes". Hydrological Processes (англ.). 14 (15): 2797–2798. Bibcode:2000HyPr...14.2797B. doi:10.1002/1099-1085(20001030)14:15<2797::AID-HYP402>3.0.CO;2-6. ISSN 1099-1085.
  5. ↑ Grimm, Nancy B.; Fisher, Stuart G. (1 апреля 1984). "Exchange between interstitial and surface water: Implications for stream metabolism and nutrient cycling". Hydrobiologia (англ.). 111 (3): 219–228. doi:10.1007/BF00007202. ISSN 1573-5117. S2CID 40029109.
  6. ↑ Findlay, Stuart (1995). "Importance of surface-subsurface exchange in stream ecosystems: The hyporheic zone". Limnology and Oceanography (англ.). 40 (1): 159–164. Bibcode:1995LimOc..40..159F. doi:10.4319/lo.1995.40.1.0159. ISSN 1939-5590.
  7. ↑ Bencala, Kenneth E. (2006), "Hyporheic Exchange Flows", Encyclopedia of Hydrological Sciences (англ.), American Cancer Society, doi:10.1002/0470848944.hsa126, ISBN 9780470848944
  8. ↑ Kasahara, Tamao; Wondzell, Steven M. (2003). "Geomorphic controls on hyporheic exchange flow in mountain streams". Water Resources Research (англ.). 39 (1): SBH 3–1–SBH 3-14. Bibcode:2003WRR....39.1005K. doi:10.1029/2002WR001386. ISSN 1944-7973.
  9. ↑ Harvey, Judson W.; Bencala, Kenneth E. (1993). "The Effect of streambed topography on surface-subsurface water exchange in mountain catchments". Water Resources Research (англ.). 29 (1): 89–98. Bibcode:1993WRR....29...89H. doi:10.1029/92WR01960. ISSN 1944-7973.
  10. ↑ The hyporheic handbook: a handbook on the groundwater-surface water interface and hyporheic zone for environment managers. — Environment Agency, 2009. — ISBN 978-1-84911-131-7.
  11. ↑ Stanford, Jack A.; Ward, James V. (March 1993). "An ecosystem perspective of alluvial rivers: connectivity and the hyporheic corridor | Scinapse | Academic search engine for paper". Journal of the North American Benthological Society (англ.). 12 (1): 48–60. doi:10.2307/1467685. JSTOR 1467685. S2CID 84122703. Дата обращения: 15 марта 2019.
  12. ↑ Boulton, Andrew J.; Findlay, Stuart; Marmonier, Pierre; Stanley, Emily H.; Valett, H. Maurice (1 ноября 1998). "The functional significance of the hyporheic zone in streams and rivers". Annual Review of Ecology and Systematics. 29 (1): 59–81. doi:10.1146/annurev.ecolsys.29.1.59. ISSN 0066-4162.
  13. ↑ Mulholland, Patrick J.; Tank, Jennifer L.; Sanzone, Diane M.; Wollheim, Wilfred M.; Peterson, Bruce J.; Webster, Jackson R.; Meyer, Judy L. (2000). "Nitrogen Cycling in a Forest Stream Determined by a 15n Tracer Addition". Ecological Monographs (англ.). 70 (3): 471–493. doi:10.1890/0012-9615(2000)070[0471:NCIAFS]2.0.CO;2. hdl:10919/46856. ISSN 1557-7015.
  14. ↑ Bencala, Kenneth E.; Walters, Roy A. (1983). "Simulation of solute transport in a mountain pool-and-riffle stream: A transient storage model". Water Resources Research (англ.). 19 (3): 718–724. Bibcode:1983WRR....19..718B. doi:10.1029/WR019i003p00718. hdl:2027/uc1.31210024756569. ISSN 1944-7973.
  15. ↑ The hyporheic handbook : a handbook on the groundwater-surface water interface and hyporheic zone for environment managers. — Environment Agency, 2009. — ISBN 9781849111317.
  16. ↑ Brunke, Matthias; Gonser, Tom (1997). "The ecological significance of exchange processes between rivers and groundwater". Freshwater Biology (англ.). 37 (1): 1–33. Bibcode:1997FrBio..37....1B. doi:10.1046/j.1365-2427.1997.00143.x. ISSN 1365-2427.
  17. ↑ Gandy, C. J.; Smith, J. W. N.; Jarvis, A. P. (15 февраля 2007). "Attenuation of mining-derived pollutants in the hyporheic zone: A review". Science of the Total Environment (англ.). 373 (2): 435–446. Bibcode:2007ScTEn.373..435G. doi:10.1016/j.scitotenv.2006.11.004. ISSN 0048-9697. PMID 17173955.
  18. ↑ White, David S. (1 марта 1993). "Perspectives on Defining and Delineating Hyporheic Zones". Journal of the North American Benthological Society. 12 (1): 61–69. doi:10.2307/1467686. ISSN 0887-3593. JSTOR 1467686. S2CID 83923428.
  19. ↑ Smith, J. W. N.; Surridge, B. W. J.; Haxton, T. H.; Lerner, D. N. (15 мая 2009). "Pollutant attenuation at the groundwater–surface water interface: A classification scheme and statistical analysis using national-scale nitrate data". Journal of Hydrology (англ.). 369 (3): 392–402. Bibcode:2009JHyd..369..392S. doi:10.1016/j.jhydrol.2009.02.026. ISSN 0022-1694.
  20. ↑ Harvey, F. Edwin; Lee, David R.; Rudolph, David L.; Frape, Shaun K. (November 1997). "Locating groundwater discharge in large lakes using bottom sediment electrical conductivity mapping". Water Resources Research (англ.). 33 (11): 2609–2615. Bibcode:1997WRR....33.2609H. doi:10.1029/97WR01702. S2CID 131345414.
  21. ↑ Freeze, R. Allan; Witherspoon, P. A. (1967). "Theoretical analysis of regional groundwater flow: 2. Effect of water-table configuration and subsurface permeability variation". Water Resources Research (англ.). 3 (2): 623–634. Bibcode:1967WRR.....3..623F. doi:10.1029/WR003i002p00623. ISSN 1944-7973.
  22. ↑ Winter, Thomas C. (1995). "Recent advances in understanding the interaction of groundwater and surface water". Reviews of Geophysics (англ.). 33 (S2): 985–994. Bibcode:1995RvGeo..33S.985W. doi:10.1029/95RG00115. ISSN 1944-9208.
  23. ↑ Pinder, George F.; Sauer, Stanley P. (1971). "Numerical Simulation of Flood Wave Modification Due to Bank Storage Effects". Water Resources Research (англ.). 7 (1): 63–70. Bibcode:1971WRR.....7...63P. doi:10.1029/WR007i001p00063. ISSN 1944-7973.
  24. ↑ Harvey, Judson W.; Bencala, Kenneth E. (1993). "The Effect of streambed topography on surface-subsurface water exchange in mountain catchments". Water Resources Research (англ.). 29 (1): 89–98. Bibcode:1993WRR....29...89H. doi:10.1029/92WR01960. ISSN 1944-7973.
  25. ↑ Cardenas, M. Bayani (2009). "A model for lateral hyporheic flow based on valley slope and channel sinuosity". Water Resources Research (англ.). 45 (1): W01501. Bibcode:2009WRR....45.1501C. doi:10.1029/2008WR007442. ISSN 1944-7973.

Ссылки

Information related to Гипореаль