Кіріспе

Экогидрология (грекше οἶκος, oikos, "үй"; ὕδωρ, hydōr, "су"; және λογία, logia) – су және экологиялық жүйелердің өзара әрекеттесуін зерттейтін салааралық ғылыми сала. Ол гидрологияның экологиялық бағытындағы мамандық болып саналады. Бұл өзара әрекеттесулер өзендер мен көлдер сияқты су қоймаларында немесе құрлықта, ормандарда, шөлдерде және басқа да құрлықтағы экожүйелерде жүзеге асуы мүмкін. Экогидрологиядағы зерттеу салаларына транспирация және өсімдіктердің суды пайдалануы, организмдердің су ортасына бейімделуі, өсімдіктер мен су түбіндегі өсімдіктердің өзен ағысы мен функциясына тигізетін әсері, сондай-ақ экологиялық процестер, топырақ көміртегінің су сіңіру қабілеті және гидрологиялық цикл арасындағы байланыс жатады.

Негізгі ұғымдар

Гидрологиялық цикл – Жер бетінде, оның үстінде және астында судың үздіксіз ағыны. Бұл ағын экожүйелердің көптеген тұстарында өзгереді. Өсімдіктердің булануы атмосфераға судың көп бөлігін жібереді. Судың жер бетімен ағуына өсімдік жамылғысы ықпал етеді, ал өзен арналары олардың ішіндегі өсімдіктердің әсерінен қалыптасады. Экогидрология ЮНЕСКО-ның Халықаралық гидрологиялық бағдарламасы шеңберінде дамыды. Экогидрологтар құрлықтағы және судықтағы жүйелерді зерттейді. Құрлықтағы экожүйелерде (орман, шөл және саванна сияқты) өсімдіктер, жер беті, капиллярлық аймақ және жер асты сулары арасындағы өзара әрекеттесулер негізгі назарда болады. Су экожүйелерінде (өзендер, ағыстар, көлдер және батпақтар) су химиясы, геоморфология және гидрологияның олардың құрылымы мен функциясына қалай әсер ететініне ерекше мән беріледі.

Өсімдіктер мен су стрессі

Экогидрологияның негізгі ұғымы – топырақ көміртегі шұңқырының және өсімдік физиологиясының дамуы тікелей судың қолжетімділігімен байланысты. Суы мол жерлерде, мысалы, жаңбырлы ормандарда, өсімдіктердің өсуі көбінесе қоректік заттардың болуына тәуелді. Дегенмен, Африка саванналары сияқты жартылай шөлейтті аймақтарда, өсімдіктердің түрі мен таралуы өсімдіктердің топырақтан ала алатын су мөлшерімен тікелей байланысты. Топырақтағы су жеткіліксіз болғанда, су тапшылығы пайда болады. Су тапшылығына ұшыраған өсімдіктер, оның ішінде жапырақ саңылауларын жабу арқылы, тершілу мен фотосинтезді бірнеше жолмен азайтады. Жапырақ қаптамасының, су ағынының және көмірқышқыл газ ағынының төмендеуі айналасындағы климат пен ауа райына әсер ете алады. Топырақтың ылғалдылығының жеткіліксіздігі өсімдіктерде стресс тудырады, ал судың қолжетімділігі – түрлердің таралуын анықтайтын екі маңызды фактордың бірі (екіншісі – температура). Күшті жел, атмосфераның төменгі салыстырмалы ылғалдылығы, көмірқышқыл газының азаюы, жоғары температура және жоғары сәулелену топырақтың ылғалдылығының жетіспеушілігін күшейтеді. Топырақтың ылғалдылығы төмен температурада да азаяды. Ылғал жеткіліксіздігіне ең алғашқы реакциялардың бірі – тургор қысымының төмендеуі; жасушалардың кеңеюі мен өсуі дереу тежеледі, ал суберзияланбаған өркендер тез кеуіп қалады. 1920 жылдары Стоккер әзірлеген су тапшылығы тұжырымы, өсімдікте судың сіңірілуі мен жоғалуы арасындағы тепе-теңдіктің пайдалы көрсеткіші болып табылады. Аз ғана су тапшылығы қалыпты жағдай және өсімдіктің жұмыс істеуіне кедергі келтірмейді, ал үлкен тапшылық өсімдіктің қалыпты процестерін бұзады. Тамырлы ортадағы ылғалдың артуы (топырақтағы көміртегі шұңқыры), бес атмосфераға дейін, өсімдіктердің өсуіне, тершілуіне және ішкі су балансына әсер етеді. Бұл Норвегия шыршасының көшеттеріне қайың, аспан немесе шотланд қарағайына қарағанда көбірек әсер етеді. Шыршадағы сіңіру жылдамдығының төмендеуі басқа түрлерге қарағанда жоғары, ал осы түрлердің ішінде тек шырша ғана топырақ құрғаған сайын суды тиімді пайдаланудың артуын көрсетпейді. Екі қылқан жапырақты – Норвегия шыршасы мен Шотландия қарағайы, қатты жапырақты ағаштарға қарағанда жапырақ пен субстрат арасындағы су потенциалында үлкен айырмашылықты көрсетеді. Сондықтан, ассимиляция өсімдіктерде су тапшылығы жоғары болған кезде қарағайға қарағанда шыршада ұзаққа созылуы мүмкін, бірақ шырша, ең алдымен, "судан таусылуы" мүмкін.

Топырақ ылғалдылығының динамикасы

Топырақтың ылғалдылығы – жер астындағы топырақтың қанықпаған бөлігі, яғни вадозалық аймақтағы су мөлшерін сипаттайтын жалпы термин. Өсімдіктер тіршілікке қажетті биологиялық процестерді орындау үшін осы суға тәуелді болғандықтан, топырақ ылғалдылығы экогидрологияны зерттеудің маңызды бөлігі болып табылады. Топырақ ылғалдылығы әдетте судың мөлшері, немесе қанығу арқылы сипатталады. Бұл терминдер кеуектілік арқылы байланыстырылады. Топырақ ылғалдылығының уақыт өте келе өзгеруі топырақ ылғалдылығының динамикасы деп аталады. Судың тұрақты изотоптарын пайдалана отырып жүргізілген жақындағы жаһандық зерттеулер, топырақ ылғалдылығының барлығы жер асты суларын толықтыруға немесе өсімдіктердің булануына бірдей қолжетімді емес екенін көрсетті. Құмды топырақтағы өсімдіктерге қолжетімді суды сепиолит балшығының болуы арқылы арттыруға болады.

Азық-түлік спиральдері мен су айдындарының денсаулығы

Қоректік спираль – бұл қоректік заттардың тасымалын немесе оларды реттеуді бақылау үшін биологиялық және физикалық процестердің үйлесімді жұмысын сипаттайды. Су ағыс бойымен қозғалып, қоректік заттарға бай көтерілістер және оттегіге бай төмендеулер арқылы қоректік заттармен алмасады. Қоректік заттар біртіндеп немесе үздіксіз алмаспай, өзен төсегінің бөліктерінде айналым жасап отырады. Жалпы спираль ұзындығы (S) сіңіру ұзындығы (Sw) және айналу ұзындығынан (Sp және Sc) тұрады. Sw – еріген қоректік заттың қайта сіңірілгенге дейін ағысқа қарай тасымалданатын орташа ұзындығы. Бұл процесті көзге елестете алғанда спираль тәрізді болады. Қоректік спираль ағын деңгейіне байланысты өзгеруі мүмкін, себебі қоректік цикл жүретін арна төсегімен судың әрекеттесуі жоғары немесе төмен болуы мүмкін. Ағын деңгейі жоғары болғанда қоректік заттармен әрекеттесу төмен, ал деңгейі төмен болғанда – жоғары. (Су алаптары өздерінің бейістігі, шығыны және жылдамдығына байланысты қоректік заттарды айналымға келтіру қабілетін арттыра немесе азайта алады. Алайда, адамзаттың да осы салаға елеулі әсері болды, көп жағдайларда су алаптарының жалпы денсаулығының нашарлауына алып келді. "Ауыл шаруашылығы, қала құрылысы және пайдалы қазбаларды өндіру қоректік заттардың мөлшерін күрт арттырып, еріген органикалық заттардың (ООЗ) жеткізілімін және өндірісін өзгертті. Соңғы 60 жылда адамның қызметі жаһандық азот фиксациясын екі еседен астам, ал фосфор мөлшерін төрт есеге арттырды. Сонымен қатар, адамның жерді пайдалануы жаһандық жер бетінің жартысын тікелей бұзып, экожүйенің осы қоректік заттарды сақтау немесе өңдеу қабілетін түбегейлі өзгертті.")

Уақыт пен кеңістіктік мәндер

Экогидрологиялық теория уақыт (мерзім) және кеңістіктік (ғарыш) қатынастарды қарастыруға да маңыз береді. Гидрология, әсіресе жауын-шашынның уақыты, экожүйенің уақыт өте дамуындағы шешуші фактор болуы мүмкін. Мысалы, Жерорта теңізі аймақтарында жазда құрғақ, қыста ылғал болады. Егер өсімдіктер жазғы маусымда өссе, олар су тапшылығына ұшырауы мүмкін, тіпті жыл бойы жауын-шашынның жалпы мөлшері орташа деңгейде болса да. Осы аймақтардағы экожүйелер әдетте қыста суға қажеттілігі жоғары шөптерге, ал жазда судың жетіспеуін бастан кешіретін құрғақшылыққа төзімді ағаштарға бейімделген. Экогидрология сонымен қатар өсімдіктердің кеңістікте таралуына әсер ететін гидрологиялық факторларды зерттейді. Өсімдіктердің ең қолайлы арақашықтығы мен кеңістіктік құрылымы, судың болуына байланысты белгіленеді. Топырақтағы ылғалдылығы төмен экожүйелерде ағаштар, жақсы суармалы аймақтардағы ағаштарға қарағанда көбінесе бір-бірінен қашық орналасқан.

Бір нүктедегі су балансы

Экогидрологиядағы негізгі теңдеу – ландшафттағы бір нүктедегі су балансы. Су балансы топыраққа кіретін су мөлшері, топырақтан шығатын су мөлшеріне және топырақта сақталған су мөлшерінің өзгеруіне тең болуын білдіреді. Су балансының төрт негізгі компоненті бар: жауын-шашынның топыраққа сіңуі, булану, судың өсімдікке қолжетімді емес топырақтың терең қабаттарына сүзіліп кетуі және жер бетінен ағып кетуі. Ол келесі теңдеумен сипатталады:

Теңдеудің сол жағындағы терминдер топырақ көміртек шұңқырының тамырлық аймағындағы судың жалпы мөлшерін көрсетеді. Өсімдіктерге қолжетімді бұл судың көлемі топырақтың кеуектілігіне, қанықтығына және өсімдіктің тамырларының тереңдігіне көбейтілгенге тең. Дифференциалдық теңдеу топырақтың қанықтығының уақыт өте қалай өзгеретінін сипаттайды. Оң жақтағы терминдер жауын-шашынның, суды тоқтатудың, ағып кетудің, буланудың және сүзіліп кетудің қарқынын көрсетеді. Бұл көрсеткіштер әдетте тәулігіне миллиметрмен (мм/күн) беріледі. Ағып кету, булану және сүзіліп кетудің барлығы белгілі бір уақытта топырақтың қанықтығына өте байланысты. Теңдеуді шешу үшін топырақ ылғалдылығына байланысты булану қарқынын білу қажет. Оны сипаттау үшін қолданылатын модель, белгілі бір қанықтықтан жоғары, булану тек күн сәулесі сияқты климаттық факторларға тәуелді болады дейді. Бұл шектен төмен түскенде, топырақ ылғалдылығы булануды бақылайды және топырақ өсімдіктер суды шығара алмайтын деңгейге жеткенше азаяды. Бұл топырақ деңгейі әдетте «тұрақты солу нүктесі» деп аталады. Бұл терминді қолдану шатастыруға әкелуі мүмкін, себебі көптеген өсімдік түрлері шын мәнінде «солмайды».

Дамкёлер сандары

Дамколер саны – белгілі бір қоректік заттың немесе ерітіндінің нақты бір су қоймасында немесе ағынында болу мерзімі, нақты бір реакцияның жүруіне жеткілікті уақыт болатынын болжайтын өлшемсіз шама. Мұнда T – тасымалдау немесе реакция уақытын көрсетеді. Реакцияның іс жүзінде жүру мүмкіндігін анықтау үшін, T уақытын тасымалдау уақытымен алмастыруға болады, яғни реактивтің реакцияға қажетті жағдайларға тасымалдау уақытының қанша бөлігінде ұшырастығына байланысты. Дамколер саны 1-ден жоғары болса, реакция толыққанды жүруге уақыты жетеді, ал 1-ден төмен болса, керісінше болады.

Дарси заңы

Дарси заңы - саңылаулы орта арқылы сұйықтың ағысын сипаттайтын теңдеу. Бұл заңды Генри Дарси 1800 жылдардың басында Францияның Дижон қаласына жер асты суларын жеткізу міндеті алған кезде жасаған. Генри теңдеуді шығару үшін құм төсектері арқылы су ағысының әртүрлі тәжірибелерін жүргізді. Мұнда Q – секундқа куб метрмен (м³/с) өлшенетін шығын. K – гидравликалық өткізгіштік (м/с). A – судың өтетін көлденең қимасының ауданы (м²). Мұнда H – жер асты суының біртіндеп өзгеретін қашықтығы бойынша биіктіктің айырмасы (м). Мұнда L – жер асты суының ұзындығы немесе судың жүретін қашықтығы (м).

Гидрограф

Гидрографтар – өзеннің белгілі бір нүктесінде су шығынын талдауға қолданылатын модельдер. Олар көбінесе жаңбыр немесе су тасқынынан кейін су ағынының қалай өзгеретінін көрсету үшін пайдаланылады. Ол көлем/уақыт арқылы өлшенеді. Гидрографта 3 негізгі ось болады: уақыт, шығын және жауын-шашын.