Введение
Пойма – это участок земли, прилегающий к реке. Поймы простираются от берегов речного русла до основания окружающей долины и затапливаются в периоды высоких расходов воды. Почвы обычно состоят из глин, илов, песков и гравия, отложенных во время наводнений. Благодаря регулярным затоплениям, поймы часто отличаются высоким плодородием почвы, так как вместе с паводковыми водами откладываются питательные вещества. Это способствует развитию сельского хозяйства; некоторые важные сельскохозяйственные регионы, такие как бассейн реки Миссисипи и бассейн реки Нил, активно используют поймы. Сельскохозяйственные регионы, а также городские территории развивались вблизи пойм или на них, чтобы воспользоваться богатой почвой и пресной водой. Однако риск затопления привел к усилению мер по борьбе с наводнениями.
A floodplain or flood plain or bottomlands is an area of land adjacent to a river. Floodplains stretch from the banks of a river channel to the base of the enclosing valley, and experience flooding during periods of high discharge. The soils usually consist of clays, silts, sands, and gravels deposited during floods. Because of regular flooding, floodplains frequently have high soil fertility since nutrients are deposited with the flood waters. This can encourage farming; some important agricultural regions, such as the Mississippi river basin and the Nile river basin, heavily exploit floodplains. Agricultural regions, as well as urban areas, have developed near or on floodplains to take advantage of the rich soil and freshwater. However, the risk of inundation has led to increasing efforts to control flooding.
Формирование
Большинство пойм формируются отложением на внутренней стороне речных меандров и переливным течением через берега. Везде, где река извивается, текущая вода размывает берег реки с внешней стороны меандра, в то время как одновременно откладываются осадочные отложения в точечную банку на внутренней стороне меандра. Это называется латеральной аккрецией, поскольку отложение наращивает точечную банку в боковом направлении в русло реки. Эрозия на внешней стороне меандра обычно примерно уравновешивается отложением на внутренней стороне меандра, так что русло смещается в направлении меандра, не изменяясь значительно в ширину. Точечная банка наращивается до уровня, очень близкого к уровню берегов реки. Значительная чистая эрозия осадков происходит только тогда, когда меандр врезается в более высокие участки местности. Общий эффект заключается в том, что по мере извилистого течения реки она создает ровную пойму, состоящую в основном из отложений точечных банок. Скорость смещения русла реки сильно варьируется, зарегистрированные скорости колеблются от слишком медленной для измерения до такой же высокой, как у реки Коси в Индии – до нескольких метров в год. Переливное течение происходит, когда река разливается, и воды становится больше, чем может вместить русло реки. Поток через берега откладывает тонкий слой осадков, который наиболее грубый и толстый вблизи русла. Это называется вертикальной аккрецией, поскольку отложения наращиваются вверх. В нетронутых речных системах перелив через берега – частое явление, обычно происходящее каждые один-два года, независимо от климата или топографии. Уровни осадконакопления при трехдневном наводнении рек Мёз и Рейн в 1993 году показали средние показатели осадконакопления на пойме от 0,57 до 1,0 кг/м². Более высокие показатели были обнаружены на дамбах (4 кг/м² и более) и на низменных участках (1,6 кг/м²). Осадочные отложения от перелива через берега концентрируются на естественных дамбах, кревассовых веерах, в водно-болотных угодьях и мелководных озерах пойменных бассейнов. Естественные дамбы – это валы вдоль берегов рек, которые образуются в результате быстрого осадконакопления при переливе через берега. Большая часть взвешенного песка откладывается на дамбах, оставляя ил и глину, которые откладываются в виде пойменного ила дальше от реки. Дамбы обычно достаточно высоки, чтобы быть относительно хорошо дренированными по сравнению с близлежащими водно-болотными угодьями, а дамбы в незасушливых климатах часто густо заросшие растительностью. Кревассы образуются в результате прорывов из основного русла реки. Берег реки обрушается, и вода наводнения прорезает канал. Осадочные отложения из кревасса распространяются в виде дельтовидных отложений с многочисленными распределительными каналами. Образование кревассов наиболее распространено на участках рек, где русло реки накапливает осадочные отложения (агградируется). Повторные наводнения в конечном итоге создают аллювиальный вал, естественные дамбы и заброшенные петли меандра которого могут возвышаться над большей частью поймы. Аллювиальный вал увенчан поясом русел, образованным последовательными поколениями миграции русел и отсечения меандров. В гораздо более длительные интервалы река может полностью покинуть пояс русла и начать строить новый пояс русла в другом месте на пойме. Этот процесс называется авульсией и происходит с интервалами от 10 до 1000 лет. Исторические авульсии, приведшие к катастрофическим наводнениям, включают наводнение Желтой реки в 1855 году и наводнение реки Коси в 2008 году. Поймы могут формироваться вокруг рек любого типа и размера. Даже относительно прямые участки рек способны образовывать поймы. В плетеных реках центральные отмели мигрируют вниз по течению посредством процессов, напоминающих процессы в точечных банках извилистых рек, и могут наращивать пойму. Количество осадков в пойме значительно превышает речную нагрузку осадков. Таким образом, поймы являются важным местом хранения осадков во время их транспортировки от места образования до конечной среды осаждения. Когда скорость, с которой река углубляется вниз, становится достаточно большой, чтобы переливы через берега стали редкими, река, как говорят, покинула свою пойму, и части покинутой поймы могут быть сохранены в виде речных террас.
Экология
Наводненные равнины поддерживают разнообразные и продуктивные экосистемы. Они характеризуются значительной изменчивостью в пространстве и времени, что, в свою очередь, создает одни из самых богатых видами экосистем. С экологической точки зрения, наиболее отличительной чертой наводненных равнин является пульс наводнения, связанный с ежегодными паводками, поэтому экосистема наводненной равнины определяется как часть речной долины, которая регулярно затапливается и высыхает. Наводнения приносят детритный материал, богатый питательными веществами, и высвобождают питательные вещества из сухой почвы при затоплении. Разложение затопленных наземных растений добавляет питательные вещества. Затопленная прибрежная зона реки (зона, ближайшая к берегу) предоставляет идеальную среду обитания для многих водных видов, поэтому сезон нереста рыб часто совпадает с началом половодья. Рыбам необходимо быстро расти во время наводнения, чтобы пережить последующее понижение уровня воды. По мере отступления воды в прибрежной зоне наблюдается вспышка микроорганизмов, а берега реки высыхают, и наземные растения прорастают, чтобы стабилизировать берег. Деревья быстро растут и устойчивы к повреждению корней. Оппортунисты (например, птицы) привлекаются богатым кормом, предоставляемым пульсом наводнения. Биозоны отражают градиент влажности и содержания кислорода в почве, который, в свою очередь, соответствует градиенту частоты затопления. В первозданных пойменных лесах Европы преобладали дуб (60%), вяз (20%) и граб (13%), но антропогенное воздействие изменило состав в сторону ясеня (49%), с увеличением клена до 14% и уменьшением дуба до 25%. В 1800-х годах пойменные леса составляли 1% ландшафта Европы. Большая часть этих лесов была расчищена в результате деятельности человека, хотя леса наводненных равнин пострадали меньше, чем другие типы лесов. Это делает их важными убежищами для биоразнообразия. (измеряется смертностью) – речные наводнения, особенно в Желтой реке в Китае – см. список самых смертоносных наводнений. Худшим из них, и самым масштабным стихийным бедствием (за исключением голода и эпидемий), было наводнение в Китае в 1931 году, которое, по оценкам, унесло жизни миллионов людей. Ему предшествовало наводнение на Желтой реке в 1887 году, в результате которого погибло около миллиона человек, и это второе по величине стихийное бедствие в истории. Степень затопления поймы зависит, в частности, от величины наводнения, определяемой периодом возврата. В Соединенных Штатах Федеральное агентство по управлению чрезвычайными ситуациями (FEMA) управляет Национальной программой страхования от наводнений (NFIP). NFIP предлагает страхование для объектов, расположенных в зонах, подверженных наводнениям, как это определено на Карте ставок страхования от наводнений (FIRM), которая отображает различные риски наводнения для населенного пункта. FIRM обычно фокусируется на разграничении зоны затопления со 100-летним периодом возврата, также известной в рамках NFIP как Особая зона наводнения. Если было проведено детальное исследование водотока, 100-летняя пойма также будет включать в себя русло реки, критически важную часть поймы, которая включает русло потока и любые прилегающие участки, которые должны быть свободны от застройки, которая может блокировать потоки или ограничивать хранение паводковых вод. Другим распространенным термином является Особая зона наводнения, которая представляет собой любую территорию, подверженную затоплению при наводнении со 100-летним периодом возврата. Проблема заключается в том, что любое изменение водосбора выше рассматриваемой точки может потенциально повлиять на способность водосбора справляться с водой и, следовательно, потенциально повлиять на уровни периодических наводнений. Например, большой торговый центр и парковка могут повысить уровни наводнений с периодом возврата 5 лет, 100 лет и других наводнений, но карты редко корректируются и часто устаревают из-за последующей застройки. Чтобы имущество, подверженное наводнениям, могло претендовать на государственную субсидированную страховку, местное сообщество должно принять постановление, которое защищает русло реки и требует, чтобы новые жилые постройки, возводимые в Особых зонах наводнения, были подняты как минимум до уровня наводнения со 100-летним периодом возврата. Коммерческие постройки могут быть подняты или защищены от наводнений до этого уровня или выше. В некоторых районах, где нет подробной информации об исследованиях, может потребоваться, чтобы постройки были подняты как минимум на два фута выше окружающей местности. Многие государственные и местные органы власти также приняли правила строительства в поймах, которые более строгие, чем те, которые предписаны NFIP. Правительство США также спонсирует мероприятия по смягчению последствий наводнений для уменьшения их воздействия. Программа смягчения последствий стихийных бедствий в Калифорнии является одним из источников финансирования проектов по смягчению последствий. Целые города, такие как Английский, штат Индиана, были полностью переселены, чтобы вывести их из зоны затопления. Другие менее масштабные мероприятия по смягчению последствий включают приобретение и снос зданий, подверженных наводнениям, или их защиту от наводнений. В некоторых поймах, таких как Внутренняя дельта реки Нигер в Мали, ежегодные паводки являются естественной частью местной экологии и сельской экономики, позволяя выращивать урожай с помощью рецессионного земледелия. Однако в Бангладеш, который занимает дельту реки Ганг, преимущества, предоставляемые богатством аллювиальных почв поймы, серьезно нивелируются частыми наводнениями, вызванными циклонами и ежегодными муссонными дождями. Эти экстремальные погодные явления вызывают серьезные экономические сбои и гибель людей в густонаселенном регионе.
Кислород в почвах наводненных равнин
Состав почвы поймы уникален и сильно варьируется в зависимости от микрорельефа. Пойменные леса характеризуются высокой топографической неоднородностью, что создает вариации в локальных гидрологических условиях. Влажность почвы в верхних 30 см почвенного профиля также значительно меняется в зависимости от микрорельефа, что влияет на доступность кислорода. Почва поймы остается аэрированной в течение длительных периодов между паводками, но во время паводка насыщенная почва может обеднеть кислородом, если вода застаивается надолго. На более высоких участках, расположенных дальше от реки, в почве доступно больше кислорода. В пойменных лесах обычно чередуются периоды аэробной и анаэробной активности почвенных микроорганизмов, что влияет на развитие тонких корней и их высыхание.
Цикл фосфора в почвах наводненных равнин
Потоковые поймы обладают высокой буферной емкостью по отношению к фосфору, предотвращая потерю питательных веществ в речные стоки. Избыточное поступление фосфорных соединений является проблемой для пресноводных экосистем. Значительная часть фосфора в пресноводных системах поступает из муниципальных очистных сооружений и сельскохозяйственного стока. Связность ручьев и рек определяет, опосредован ли цикл фосфора отложениями в поймах или внешними процессами. Вода в пресноводных потоках либо временно накапливается в растениях или водорослях, либо откладывается в осадках на длительный срок. Антропогенные изменения пойм также оказывают влияние на цикл фосфора. Взвешенный фосфор и растворимый реактивный фосфор (РРФ) могут способствовать цветению водорослей и токсичности в водных путях при изменении соотношения азота к фосфору выше по течению. В районах, где основная нагрузка фосфора приходится на взвешенные частицы, как, например, в реке Миссисипи, наиболее эффективными методами удаления фосфора выше по течению являются осадконакопление, аккумуляция почвы и захоронение. В бассейнах, где РРФ является основной формой фосфора, биологическое поглощение в пойменных лесах – наиболее эффективный способ удаления питательных веществ. Независимо от формы фосфора, пойменные леса полезны как поглотители фосфора, а антропогенное нарушение связи между поймами и реками усугубляет проблему избыточного содержания фосфора.
Загрязнители окружающей среды в почвах пойменных равнин
Пойменные почвы обычно характеризуются высоким содержанием экозагрязнителей, особенно стойких органических загрязнителей (СОЗ), которые в них откладываются. Достоверная оценка распределения почвенных загрязнителей затруднена из-за значительной изменчивости микрорельефа и текстуры почвы в пределах поймы.