Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Абіотичні фактори водних екосистем

Під водною масою розуміють об'єм води, який співпадає з площею і глибиною котловин водних об'єктів або заглибленнями земної поверхні і має однорідні фізико-хімічні характеристики, сформовані під впливом геологічних і кліматичних умов. Водна маса є основним елементом гідрологічної структури водних об'єктів, а її формування залежить від теплового і водного балансу водозбірної площі.

Формування водних мас у водоймах різного типу відбувається за рахунок атмосферних опадів, які випадають на водозбірну площу, підземного стоку та транспорту води з інших регіонів по природних або штучних водотоках (наприклад, каналам територіального перекидання частини стоку). В залежності від походження вод, які надходять у водойми і водотоки, розрізняють основні і вторинні водні маси. Основні - це водні маси морів і великих озер, які тривалий час складають основу їх водного балансу. Оновлення таких вод відбувається поступово - за рахунок річкового стоку, а також обміну з атмосферною вологою. Вторинні морські і прісні водні маси - це ті, які утворюються за рахунок змішування основних вод з тими, що надходять з річковим стоком.

Річкові водні маси, в залежності від сезонних особливостей (весняні води, літні меженні, повеневі, паводкові), формуються в річковому руслі за рахунок надходження з водозбірної площі первинних континентальних вод.

Формування такого місцевого стоку може відбуватись за рахунок вод, які стікають з узгір'я, ґрунтових та підземних вод. У різні сезони року переважає один з цих трьох типів стоку, який визначає генетичні особливості первинних вод. Так, стікаючі води утворюються за рахунок дощових і снігових опадів і тому мають невисоку мінералізацію. Грунтові води формуються в процесі інфільтрації та фільтраційного стікання і тому більш мінералізовані у порівнянні із стікаючими водами. Ще більш тривалий час іде на формування підземних вод, що і визначає їх високу загальну мінералізацію та насиченість гідрокарбонатами, кальцієвими, магнієвими, натрієвими та сульфатними іонами.

Таким чином, формування водних мас є складним фізико-хімічним процесом, який включає стік води з водозбірної площі, атмосферні опади, надходження підземних та інших вод.

В залежності від гідрологічного режиму всі водні об'єкти поділяються на такі групи: водотоки, водойми, підземні водоносні горизонти та артезіанські басейни і льодовики. З точки зору гідроекології найбільший інтерес являють екосистеми водотоків і водойм.

Водотоки характеризуються рухом води в напрямі уклону у витягнутому поглибленні земної поверхні. Це - річки, струмки, канали, протоки між озерами або лагунами і морем. Розрізняють постійні водотоки, у яких відбувається перенесення водних мас протягом цілого року, та тимчасові, які функціонують частину року.

Водойма - це постійне або тимчасове накопичення води в поглибленнях земної поверхні, яке має уповільнений водообмін. Серед водойм виділяють природні і штучно створені. Природні водойми - це океани, моря, озера, болота. Штучні - це водосховища на великих і малих річках, ставки, водойми-охолоджувачі теплових і атомних електростанцій, накопичувачі атмосферних та підземних вод.

Функціонування водних екосистем в значній мірі залежить від водного режиму водойм і водотоків, що складається з сукупної закономірності повторюваних змін рівня води, її об'ємів, швидкості течій, характеру хвилювання та інших гідрологічних характеристик водних об'єктів.

Рівень води, або висота водної поверхні по відношенню до умовної нульової гідрологічної відмітки, є однією з найбільш інформативних характеристик стану водойм і водотоків. Є багато причин, які можуть впливати на рівень води в річках, озерах, водосховищах та інших водних об'єктах. Це можуть бути перш за все сезонні випадіння атмосферних опадів. Влітку, внаслідок меншого їх випадіння та підвищеного випаровування рівень води падає, а восени дещо зростає за рахунок більшої кількості дощів та зменшення випаровування. Взимку, особливо у передвесняний період, рівень води падає до найнижчої відмітки, а з таненням снігів та льоду він різко зростає і досягає максимуму під час повені. Такий режим властивий для річок, що мають снігово-дощове живлення. Для гірських річок характерне літнє підвищення рівня води.

Рівень води у штучно створених водосховищах, на яких побудовані гідроелектростанції, регулюється у відповідності з графіком роботи гідровузлів. Найвищий рівень води в річках буває під час повені і паводку. Повінь - це щорічно повторювана в один і той же сезон фаза водного режиму, яка характеризується найбільшою водністю, високим і тривалим підняттям рівня води. Причиною повені, зокрема на річках України, є весняне сніготанення. Повінь відіграє позитивну екологічну роль для річкових екосистем. Під час її проходження великі маси води промивають річкове русло, очищаючи його від накопичених за зиму відмерлих організмів, продуктів гниття та забрудників. На річках, водність яких формується на значних гірських територіях (наприклад, Дунай) бувають дві повені: весняна, після танення снігу у долинах, та літньо-осіння, пов'язана з таненням снігу в горах та випадінням дощів.

На відміну від повені, паводок - це швидке, порівняно короткочасне підвищення рівня води, яке виникає після сильних дощів або різкого потепління взимку, що обумовлює значне сніготанення. І повінь і паводок можуть мати катастрофічні наслідки, якщо зростання рівня води у річках та водоймах значно перевищує їх можливість до її накопичення або пропуску. В Україні такі повені і паводки найчастіше спостерігаються в Карпатському регіоні.

Формування водного стоку з водозбірної площі залежить від кліматичних факторів. Так, у посушливі сезони надходження води значно менше, ніж, наприклад, восени, коли ідуть часті дощі.

Кількість води, яка протікає через поперечний переріз водотоку за певний проміжок часу, називається об'ємом стоку. Він виражається у кубічних метрах (м3) або кубічних кілометрах (км3) на добу, місяць, сезон, або рік. Об'єм стоку свідчить про водність об'єкта і застосовується у гідрологічних і водогосподарських розрахунках. Витрати води - це її кількість (м3), яка проходить за одиницю часу (секунду) через поперечний розріз водотоку.

В залежності від водності міняється цілий ряд важливих в екологічному відношенні параметрів водних екосистем. Так, при малій водності підвищується мінералізація води, падає водообмін, формуються застійні зони у річках, що негативно впливає на життєдіяльність гідробіонтів.

Крім сезонних змін водності, виділяються багаторічні коливання стоку. Вони характеризуються як маловодні (або 50 % водозабезпечення), середньоводні (75% водозабезпечення) та багатоводні (95% водозабезпечення). Водний баланс - це кількісна оцінка всіх форм надходження і втрат води у водному об'єкті (включаючи випаровування, інфільтрацію тощо), а в глобальному масштабі він є найважливішою характеристикою кругообігу води на Землі. Водний баланс суттєво впливає на стан водних екосистем, їх абіотичні компоненти (гідрологічні параметри, хімічний склад води тощо) та біоту.

Водообмін - це заміна води у водному об'єкті або заміщення на окремих його ділянках одних водних мас іншими. В залежності від величини водойми та кількості води, що надходить за одиницю часу, цей процес може займати дні, місяці, роки, десятки і навіть тисячі років. Наприклад, середній багаторічний період умовного відновлення запасів води Світового океану оцінюється у 2650 років. У найбільшому прісноводному озері Байкал цей процес займає близько 380 років. Період водообміну водосховищ Дніпра в середньому становить: Київського - 36 років, Канівського - 20, Кременчуцького - 85, Дніпродзержинського - 18, Запорізького - 23, Каховського - 130 років. Існують водойми, де вода оновлюється за кілька діб, наприклад, заплавні озера пониззя Дніпра.

Розрізняють зовнішній і внутрішній водообмін. Зовнішній водообмін - це водообмін з атмосферою (випаровування та надходження атмосферної води), з прилеглими ділянками гідрографічної мережі та з грунтовими водами.

Інтенсивність цих процесів виражається в км3/рік або м3/с. Вони відображають загальну кількість води, яка надійшла до водного об'єкту або, навпаки, втрачена ним протягом конкретного проміжку часу.

Внутрішній водообмін залежить від динамічних процесів, які протікають у водоймах, і являє собою обмін водних мас всередині водного об'єкту, між його окремими ділянками та шарами води. Інтенсивність зовнішнього та внутрішнього водообміну в значній мірі взаємопов'язані між собою.

Велике екологічне значення мають течії і циркуляція водних мас

Течія - це поступальне переміщення мас води у водних об'єктах, яке зумовлене різними факторами: нахилом поверхні, обертанням Землі, неоднорідністю температури, вітром, хвилюванням води та іншими фізичними процесами та явищами. Течії розподіляють за положенням шару води, в якому вони знаходяться: на поверхневі, глибинні та придонні. Вони можуть бути постійними або періодичними, теплими або холодними.

Стокові течії, що виникають внаслідок нахилу водної поверхні, є постійними. Вони найшвидші в гірських річках і більш повільні - у рівнинних. Характерною особливістю стокових течій є однакова сила тиску водного потоку на різних його глибинах. Стримуючими факторами стокових течій може бути тертя води з поверхнею донного грунту та протидія зустрічного вітру в поверхневих шарах води.

Особливістю стокових течій у штучно створених водосховищах гідроелектростанцій (зокрема в дніпровських), є залежність від режиму їх роботи. Найбільша швидкість стокових течій співпадає з максимальним денним навантаженням на гідроелектростанції. Навпаки, у нічні години, коли потреба в електроенергії спадає, вода скидається, і об'єм стокових течій зменшується.

Стокові течії в океані - градієнтні течії, оскільки причиною їх виникнення є горизонтальний градієнт гідростатичного тиску.

Вітрові течії виникають внаслідок переміщення верхнього шару води під впливом вітру, який може змінювати нахил водної поверхні та наганяти водні маси в тому напрямі, в якому він дме. Вітрове перемішування води має складний характер, і тому до вітрових зараховують дрейфові та компенсаційні течії, які виникають за дрейфовими у глибинних або придонних шарах води.

Дрейфові течії виникають у поверхневому шарі води і пов'язані безпосередньо з переміщенням води у водних об'єктах під дією вітру. Швидкість дрейфових течій знижується з глибиною водойм і в стратифікованих водоймах не виходить за межі епілімніона (шару води, де спостерігається гомотермія). У більшості континентальних водойм швидкість дрейфових течій не перевищує 5-10 см/с. Під час шторму вона може досягати 100 см/с. З урахуванням можливих вітрів, швидкість дрейфових течій для озерних ділянок Канівського, Дніпродзержинського і Запорізького водосховищ оцінюється в 7-10 см/с, а для Київського, Кременчуцького і Каховського - 10-17 см/с.

В результаті поєднаної дії вітру і обертання Землі утворюються постійні океанічні течії, серед яких наймогутнішим є Гольфстрім.

Особливим типом течій є припливні. Вони виникають в результаті динамічних процесів у морях і океанах, обумовлених взаємодією сил притяжіння Землі, Сонця і Місяця.

Для річок Чорноморського басейну та Приазов'я більш характерним є не припливно-відпливні, а згінно-нагінні явища, які обумовлюються вітром та коливаннями атмосферного тиску. Під час вітру, який дме з моря, значні маси води переміщуються з Чорного моря у Дніпровсько-Бузький, Дністровський лимани та приморську частину дельти Дунаю. При сильному вітрі солоні морські води можуть проникати у пониззя Дніпра. Аналогічні явища можна спостерігати у пониззях річок Дону та Кубані під час вітрового нагону води з Азовського моря.

Навпаки, при напрямі вітру з суші спостерігається більш значне поширення прісних річкових вод у глиб моря та зменшення солоності морської води. Такі зміни гідрологічного і гідрохімічного режимів обумовлюють і видове різноманіття флори і фауни (морської, солонуватоводної, прісноводної) у естуарних екосистемах.

2. Гідрофізичні фактори водних екосистем

До гідрофізичних факторів водних екосистем належить перш за все сама вода, як життєве середовище, її температурний і термічний режим, наявність завислих і розчинених речовин та характер донних грунтів.

2.1 Фізико-хімічні властивості води та їх екологічне значення

Вода - найважливіша середовищеутворююча речовина, вплив якої на життєдіяльність організмів багатосторонній. Саме завдяки особливим властивостям води як універсального розчинника неорганічних і органічних речовин вона стала середовищем зосередження життя на Землі.

Молекулярна структура води, здатність до утворення розчинів неорганічних і органічних електролітів, слабка іонізація, питома теплоємність, велика прихована теплота плавління та пароутворення роблять воду особливо придатною для тієї ролі, яку вона відіграє в водних екосистемах взагалі та для їх біологічних компонентів зокрема.

Вода - рідина без запаху, смаку і кольору, щільністю 1,000 г/см3 при температурі 3,98С. При 0С перетворюється у лід, а при 100С - у пару. Молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню. У природі існує шість ізотопних форм кисню і три - водню.

При взаємодії з іонами вода утворює гідратну оболонку. Під гідратацією розуміють суму енергетичних і структурних змін, які відбуваються у системі в процесі переходу газоподібних молекул та іонів в рідке середовище з утворенням розчину певного складу.

Під впливом температури та деяких хімічних чинників вода може дисоціювати (іонізуватись) на протилежно заряджені іони водню Н+ та гідроксил ОН. При цьому при взаємодії одного з цих іонів з іншими речовинами вода може перетворитись із нейтральної у кислу (переважають Н+) або лужну (переважають негативно заряджені гідроксильні іони ОН).

Саме цим пояснюється те, що при підігріванні води її реакція зміщується в кислу сторону за рахунок збільшення позитивно заряджених водневих іонів.

Такі особливості води необхідно враховувати при оцінці можливого впливу температури, іонного складу та розчинених газів не тільки на її фізико-хімічні властивості, але й на біологічні рідини організмів гідробіонтів, які постійно пристосовуються до коливань абіотичних факторів середовища.

2.2 Щільність води

Під щільністю розуміють масу одиничного об'єму води - кг/м3. Вона залежить від температури, наявності розчинних солей, а також від атмосферного тиску та вищерозташованих мас води.

Найбільша щільність хімічно чистої води, яка практично не має розчинних солей, при температурі 3,98 дорівнює 1 г/см3. Із зниженням температури до 0С, коли вода ще не перетворилась у лід, її щільність становить 998,87 кг/м3. При переході у стан льоду вона відразу зменшується до 916,7 кг/м3. Падає щільність і при підвищенні температури води вище 4С. При досягненні 30С вона становить 995,67 кг/ м3.

На щільність води впливає, крім температури, також кількість розчинених солей. Із зростанням мінералізації дещо підвищується і щільність води. Але між температурою, мінералізацією і щільністю води немає лінійної залежності. Тобто, щільність води зменшується в меншій мірі, ніж це можна було чекати від ступеню зростання температури води і її мінералізації. Така властивість води обумовлює виключно важливу її роль в забезпеченні стійкості водних екосистем та підтриманні якості води. Наприклад, при змішуванні вод різної температури і мінералізації утворюється змішана вода, яка має дещо більшу щільність, ніж кожна з них окремо. Так, при надходженні морської солоної води в Дніпровсько-Бузький лиман, де вона змішується з прісною, спостерігається ущільнення річкової води, що і обумовлює її зосередження переважно у придонних шарах. Перехідна зона між окремими масами води, які мають різну температуру і солоність і в якій спостерігається ущільнення вод, називається гідрологічним фронтом. Така зона може виявлятись на межі між прісними і солоними водами у гирлах річок (естуарний фронт), які впадають у море.

Подібні явища спостерігаються у Чорному морі біля берегів Криму як наслідок підйому глибинних більш холодних вод на поверхню під час згону вітром вод поверхневого шару. Таке явище отримало назву апвелінг.

Завдяки таким процесам відбувається міграція біогенних елементів з донних відкладів у фотичний шар води (шар води, в якому достатня кількість світла для синтезу рослинами органічної речовини з використанням сонячної енергії) і як наслідок, активізація продукційної діяльності фітопланктону, зростання біомаси як фіто-, так і зоопланктону. Фактор щільності води відіграє дуже важливу роль у житті пелагічних організмів.

Найбільші коливання щільності води спостерігаються в місцях гідрофронтів в екотонних екосистемах, розташованих на межі змішування морських солоних і прісних вод, що надходять з річковим стоком.

Гідробіонти дуже чутливі як до зміни щільності, так і тиску води. Встановлено, що із збільшенням глибини прісних водойм на 10,3 м при температурі 4С тиск зростає на 1 атмосферу. Для солоних морських вод цей показник дещо менший. Так, на одну атмосферу тиск підвищується у морях вже на глибині 9,986 м. Така різниця прісних і солоних вод пояснюється більш високою концентрацією солей у морській воді. На великих глибинах океанів тиск може зростати у порівнянні з поверхнею більше, ніж на 1000 атмосфер.

2.3 Кольоровість води

Колір природних вод залежить від власного кольору розчинених у ній речовин, завислих частинок та мікроорганізмів, що населяють водну товщу. Забарвлення води зумовлено взаємовідносинами між водним середовищем, берегами водойми та метеорологічними факторами. На колір води впливають завислі речовини алохтонного и автохтонного походження.

Власний колір води (блакитний) виявляється лише у воді деяких чистих гірських озер. Цей колір залежить від вибіркового поглинання променів сонячного спектру: найперше у воді затухають найдовші світові хвилі (червоної частини спектру), а останніми - короткі хвилі його синьої частини. Сонячне світло, проходячи через воду, звільняється від червоних променів, поступово перетворюючись з білого в синій.

Природні води можуть мати зелене, жовте, буре і навіть чорне забарвлення, що зумовлено переважно наявністю гумінових речовин.

Крім того, колір води часто змінюється внаслідок масового розвитку тих чи інших планктонних організмів (“цвітіння”). Це так зване вегетаційне забарвлення. Зокрема при “цвітінні” синьозеленими водоростями вода набуває відповідного кольору, а при їх розкладі - навіть темносинього, внаслідок виділення пігментів фікоціану і фікобілінів; зелені водорості забарвлюють воду в зелений колір, діатомові надають їй жовтуватого відтінку; Dunaliella salina (дуналіела солоноводна), Euglena rubra (червона евглена) та Primnesium parvum (примнезій маленький ) - червоного кольору.

2.4 Температурний та термічний режим водних об'єктів

Температурний режим водних об'єктів - це зміна температури води по акваторії і глибині на протязі певного проміжку часу. Коливання температури води у водних екосистемах можуть бути добові, місячні, сезонні, річні та багаторічні. У таких випадках говорять про середньодобову, середньомісячну та середню температуру за ряд років. Температура визначає особливості термічного режиму водойм. Під останнім розуміють не тільки режим температури, але й запаси тепла, які утримуються водними масами. Якщо відома кількість води, що міститься у водному об'єкті та її середньодобова (або за інший проміжок часу) температура, то можна підрахувати його теплозапас - кількість тепла, акумульованого у водному об'єкті, яке перевищує його величину при температурі 0С.

Для того, щоб розрахувати теплозапас певного об'єму води у водних екосистемах, користуються формулою:

W ( = CP p T W),

Світло надходить до земної поверхні у вигляді прямої і розсіяної сонячної радіації, які разом оцінюються як сумарна радіація. На її видиму частину спектру припадає близько 45 %, на інфрачервоне випромінювання - 45 %, а на ультрафіолетове - 7 %. Сонячна радіація є джерелом всіх процесів у біосфері, пов'язаних з життям на нашій планеті, та визначає її температуру в поверхневих шарах.

Потік сонячної радіації на одиницю поверхні Землі називається сонячною постійною. Потужність цього потоку становить 340 Вт/м2.

З урахуванням потоку сонячної радіації відбитого атмосферою і поверхнею Землі, потужність сонячної радіації, що досягає поверхні нашої планети, становить близько 150 Вт/м2. Потік сонячної радіації формує основні процеси в біосфері і забезпечує існування життя. Величина сонячної енергії вимірюється у Вт/м2. Але вона може виражатись в інших одиницях.

1 Вт/м2 = 10-3 кВт/м2 = 0,00143 кал/см2с = 698 Дж/м-2с (секунда).

Ця величина найбільша в екваторіальних і тропічних зонах Землі і найменша в арктичних та антарктичних.

В широтах, що обмежують територію України (45-52 північної широти), кількість сонячної енергії, що припадає на одиницю земної поверхні, виражається величинами порядку 450-700 кал/см2хв .

Світловий промінь, що падає на водну поверхню, відбивається і переломлюється, підлягає дифракції, поляризації і спектральному розщепленню. Крім того, він поглинається під час проходження через товщу води (абсорбція світла) і відбивається від завислих частинок, внаслідок чого на різні горизонти припадає різна кількість сонячної енергії, а це зумовлює зниження освітленості з глибиною. В першому наближенні (без врахування особливостей розподілу різних компонентів спектру, залежності освітленості від наявності розчинених і завислих речовин та інших додаткових факторів) інтенсивність поглинання монохроматичного променя, що входить у воду під прямим кутом (нормально до поверхні води) описується законом Ламберта-Бугера:

Iz = I0e-z,

де Іz - освітленість на глибині z, І0 - інтенсивність освітлення на поверхні води, е - основа натуральних логарифмів, - константа для променів будь-якої довжини хвилі (коефіцієнт екстинкції - окремий для кожного виду монохроматичних променів).

Сумарне послаблення світла за рахунок його поглинання та розсіяння виражають рівнянням:

Iz = I0e-(K+m)z,

Іz - освітленість на глибині z, І0 - освітленість поверхні води, е - основа натуральних логарифмів, (K+m)- сумарний коефіцієнт затухання світла.

Під прозорістю води (F) розуміють відношення потоку випромінювання, що пройшов через шар z (Іz), до потоку, що ввійшов у нього (І0)

F = (Іz І0) = e-(k+m)z

Для виміру освітленості застосовуються спеціальні прилади - гідрофотометри. Деякі моделі гідрофотометрів дозволяють вимірювати лише загальну освітленість, а більш досконалі - також проникнення в воду різних компонентів сонячного спектру.

Вплив сонячної радіації на життя у біосфері виявляється через фотобіологічні процеси. Вони приурочені до вузького діапазону спектру сонячної радіації - від 300 до 900 нм. Так, наприклад, автотрофні водяні організми (водорості, вищі водяні рослини) використовують спектр сонячної радіації в діапазоні 380-710 нм. Саме така радіація найбільше впливає на фізіологічні процеси, пов'язані з фотосинтезом водяних рослин. Він називається фотосинтетично активною радіацією (ФАР). Пряма сонячна радіація містить 28-43 % ФАР, а розсіяна - 50-60 %.

Серед різних фізичних факторів природного середовища взаємодія сонячної радіації і фотобіологічних процесів найбільш адекватно пов'язані між собою Так, на діапазон хвиль від 300 до 1100 нм припадає три чверті (3/4) всієї сонячної радіації, яка надходить на Землю. І саме вони мають найбільше значення для фотохімічних реакцій.

Далеко не вся сонячна радіація надходить до земної (водної) поверхні. Більша частина короткохвильового діапазону сонячного світла (менше 290 нм) поглинається озоновим шаром. Довгохвильова частина сонячного випромінювання частково затримується в атмосфері водяною парою, вуглекислим газом і озоном. Та ж, яка доходить до Землі, теж частково відбивається від її поверхні.

Відношення кількості радіації, яка відбивається до тієї, яка падає на поверхню, визначається у відсотках і має назву альбедо. Для відкритої водної поверхні воно становить в середньому 7 %. Альбедо дещо збільшується при посиленні хвилювання на водоймі, а також при збільшенні каламутності води. Найбільше альбедо має чистий сніговий покрив (95-98 %), дещо менше (25-45 %) - лід. Альбедо є важливим екологічним показником, який дозволяє розраховувати кількість сонячної енергії, яка надходить в водне середовище.

Важливою з екологічної точки зору властивістю води є здатність пропускати сонячне світло. Вона залежить від кольору води та її прозорості. Остання залежить від молекулярної структури, концентрації розчинених органічних, переважно забарвлених (гумінові кислоти, фульвокислоти тощо) речовин, завислих часток та планктонних організмів. При гідроекологічних дослідженнях визначають відносну прозорість води за допомогою білого диску (диску Цеккі). Відносна прозорість оцінюється за товщиною шару води, через який можна бачити цей диск (діаметром 30 см) при зануренні його з тіньового боку плавзасобів. За допомогою такого методу можна оцінювати відносну прозорість води з точністю до 5%.

В лабораторних умовах для аналізу санітарно-гігієнічних характеристик води її прозорість визначають за висотою стовпа води в мірному циліндрі, через який можна бачити стандартний шрифт. Сучасні оптичні прилади (прозороміри) дозволяють реєструвати інтенсивність проникнення сонячної радіації на різні глибини за допомогою фотоелементів.

Прозорість води змінюється в залежності від сезону, кількості завислих часток, глибини водойм та багатьох інших причин. У нестратифікованих водоймах прозорість води знижується у придонному шарі внаслідок зростання каламутності, яка пов'язана з порушенням донних грунтів; у стратифікованих найбільша прозорість води у гіполімніоні, а найменша - у зоні максимального розвитку фітопланктону. Знижується прозорість води в зоні термоклину за рахунок більш високої її щільності та затримки детриту.

В Дніпрі та його водосховищах найбільша прозорість води спостерігається взимку, а найменша - під час весняної повені. Так, у Київському водосховищі в зимовий період вона становить 1,5-2,1 м, а в Каховському - 2,4-3,7 м. Сонячна радіація проникає у воду лише на певну глибину. Основна її частина поглинається верхніми шарами води. Встановлено, що при проходженні через атмосферу до поверхні Землі досягає сонячна енергія, яка дорівнює 150 Вт/м2. При проникненні у воду значна частина з цієї енергії поглинається уже у верхніх шарах води. Так, при прозорості 0,7 м і висоті Сонця 12 поглинається однометровим шаром води близько 92 % енергії, при прозорості 1,2 м і висоті Сонця 39 - до 76 %, а при прозорості 1,6 і висоті Сонця 58 - до 46 %.

Негативно впливають на проникнення сонячної радіації у товщу води зарості вищих водяних рослин. Так, у порівнянні з відкритими акваторіями на поверхню води з рогозом широколистим (50-60 % проективного покриття) надходить 40 %, а з очеретом звичайним (90-95 % проективного покриття) - тільки 25 % сонячної радіації. Ще менше надходить сонячної енергії в товщу води. Наприклад, на глибині 0,3 м у заростях лепешняку плаваючого з проективним покриттям 90 % надходить 15 %, а при покритті 60% - 80 % сонячної енергії. Поглинання у верхніх шарах води значної частини сонячної радіації різко обмежує поширення у товщі води фотосинтезуючих рослин. Вони можуть розвиватись на відносно невеликій глибині у континентальних водоймах, морях і океанах.

Верхній шар води, в якому є достатня кількість світла для синтезу рослинами органічної речовини з використанням сонячної енергії, визначається як фотичний, нижній шар, куди не надходить сонячна енергія, називається афотичним. Зона проникнення світла, у якій інтенсивність фотосинтезу перевищує інтенсивність дихання рослин, має назву евфотичної зони. Її нижня межа, де фотосинтез урівноважує інтенсивність дихання, називається компенсаційним горизонтом.

У воді найбільш інтенсивно поглинаються довші хвилі сонячної радіації, які енергетично найбільш співпадають з фотобіологічними процесами. Випромінювання, які проникають скрізь товщу прісних і морських вод, зосереджені переважно в блакитній частині спектру і мають довжину хвиль 475-480 нм. У процесі фотобіологічних реакцій енергія сонячної радіації поглинається дискретними частинками, які називаються фотонами, або квантами. Фотосинтез у бактерій протікає у спектральному діапазоні 400-900 нм, вищих зелених рослин - 400-700 нм, водоростей - 400-550 нм. При довжині хвиль коротших 300 нм порушується молекулярна структура білків і нуклеїнових кислот, і відповідно нормальне функціонування живих систем. Ось чому несе загрозу біосфері скорочення і розриви озонового шару, який затримує проникнення на Землю саме таких часток сонячного випромінювання.

При прозорості води 7, 5 і 2 м найбільш інтенсивно процес фотосинтезу протікає на глибинах до 6, 3 і 1,5 м, де величина фотосинтетичної активної радіації не падає нижче 0,17-0,22 Дж/см2, оскільки для максимальної інтенсивності фотосинтезу необхідно саме така величина сонячної радіації.

Сонячна радіація відіграє виключно важливу роль у функціонуванні водних екосистем. З нею пов'язана поведінка і розселення гідробіонтів у біотопах. Серед них є організми, які інтенсивно розвиваються у верхніх шарах води, куди надходить найбільше сонячної енергії. Це переважно автотрофні організми: водорості, фотосинтетичні бактерії, вищі водяні рослини. В процесі фотосинтезу вони запасають велику кількість енергії у вигляді первинно продукованої органічної речовини (первинної продукції), яку потім використовують організми інших трофічних рівнів.

Інші процеси, які протікають за участю сонячної енергії, не пов'язані безпосередньо з перетворенням сонячного світла в енергію хімічних сполук. Світло може виступати як інформативний фактор, що керує поведінкою водяних рослин і тварин. Наприклад, фотоперіодичні реакції рослин, які синхронізують етапи їх репродуктивного циклу, здійснюються за допомогою пігменту фітохрому.

У водяних тварин репродуктивні цикли теж пов'язані з фотоперіодичними реакціями, опосередкованими через пігментні системи. Такі реакції водяних організмів, як фототаксис та фототропізм, залежать від освітлення водойм.

Фототаксис - це рух організмів під впливом однобічного освітлення. У водоростей, найпростіших, деяких багатоклітинних організмів він виявляється в пересуванні у більш освітлені ділянки водойм. Найбільш активно викликають фототаксис ультрафіолетові, фіолетові та сині спектри сонячної радіації.

Фототропізм виявляється у зміні росту гідробіонтів у відповідь на однобічну дію світла. У водоймах можна спостерігати, як сидячі кишковопорожнинні вигинають своє тіло в сторону більш освітленої частини водойми.

2.7 Седиментація, осадоутворення та формування донних грунтів

У товщі води постійно знаходиться певна кількість завислих часток мінерального і органічного походження. Під дією сили тяжіння вони поступово опускаються на дно. Процес осадження завислих частинок отримав назву седиментація. У водних екосистемах виділяють фізичну і біогенну седиментацію. Фізична седиментація - це процес осадження мінеральних частинок в стоячій воді. Такі частинки бувають різної величини і різного походження. Це можуть бути частинки піску, глини, мулу, вапняку, солі різних металів. Вони надходять у воду під час розмивання берегів, донних грунтів, змиву з прилеглих територій.

В залежності від їх фізичних характеристик змінюється швидкість осадження, яка визначається для стоячої води за формулою Стокса:

,

де V - швидкість фізичної седиментації;

- коефіцієнт в'язкості;

r - радіус часток кулеподібної форми;

g - гравітаційне прискорення;

PS і PW - щільність часток і води.

На швидкість седиментації впливає температура води. З підвищенням її вище 4С прискорюється осадження мінеральних частинок за рахунок зменшення в'язкості води. У стратифікованих водоймах такі частинки можуть затримуватись на якийсь час у зоні термоклину.

Крім мінеральних часток, у водоймах і водотоках відбувається осадження і органічних частинок, які утворюються у процесі життєдіяльності гідробіонтів. До них належать відмерлі організми, пелітні частинки, зокрема відфільтровані харчові мікрогрудки, фекалії, злущений епітелій, слиз. В залежності від трофності водойм, зоопланктонтами щодоби фільтрується від 5 до 90 % загального об'єму води континентальних водойм зі зниженою швидкістю течії води. В загальному процесі осадонакопичення біологічна седиментація може переважати фізичну. Причому в різні сезони року до біоседиментів входить різна кількість відмерлих планктонтів і бентонтів. У морських (океанічних) екосистемах об'єми біоседиментації ще більші. Протягом року вони досягають 100 г органічного вуглецю на 1 м2.

До організмів-седиментаторів, які утворюють пелітні мікрогрудки, належать морські і прісноводні інфузорії, губки, черви, молюски, личинки комах та деякі інші організми. Існують різні механізми утворення пелітних часток. Так, інфузорії завихрюють воду навколо себе спеціальними рухами війок. У такі завихрювання води втягуються органічні слизові і мінеральні частинки, які після злипання швидше осідають на дно. У коловерток частинки корму осаджуються током води, спрямованим коловертковим апаратом. Губки утворюють пелітні мікрогрудки, пропускаючи воду через спеціальні джгутикові камери.

Процес утворення донного осаду включає автохтонні (внутрішньоводоймні) та алохтонні органічні і мінеральні речовини. У протічних водоймах і водотоках частина таких речовин виноситься з потоком води. Швидкість осадоутворення у водоймах залежить від їх трофності. В оліготрофних водоймах цей процес проходить дуже повільно і може розтягнутись на сотні і тисячі років. В мезотрофних озерах і водосховищах осадоутворення іде швидше за рахунок автохтонної і алохтонної органічної речовини. Починаючи з мезотрофної стадії, водойми більш інтенсивно замулюються за рахунок утворення автохтонної органічної речовини, синтез якої прискорюється включенням у внутрішньоводоймний кругообіг азоту, фосфору та інших біогенних елементів, що переходять з донних відкладів у товщу води. Такі процеси характеризують перехід озерної екосистеми з мезотрофної в евтрофну стадію. Подальше зростання біомаси фітопланктону і вищої водяної рослинності призводить зо значного перевантаження органічною речовиною та розвитку дистрофної стадії, або процесу заболочування озер та водосховищ.

Органічні і мінеральні частинки, які опускаються на дно, проходять складний шлях фізико-хімічних і бактеріальних перетворень та ущільнення. В залежності від розміру, структури мінеральних частинок та органічних компонентів первісного дна, формується донний грунт.

Таблиця 4 Класифікація донних грунтів за розміром частинок та вмістом фракцій (величиною менше 0,01 мм)

Донні відклади в процесі їх формування можуть змінювати свої властивості і навіть колір. Так, донні грунти, які утворюються у добре аерованих водоймах з високим рівнем насиченості придонних шарів води киснем, мають світлий колір. Навпаки, при переважанні анаеробних процесів і дефіциті кисню, коли мул насичений сульфідними сполуками, його колір - чорний.

На структуру та властивості грунтів істотно впливають донні гідробіонти (бентос). Під впливом бактерій, олігохет, хірономід та інших бентосних організмів важкорозчинні у воді органічні і мінеральні сполуки переходять у розчинені форми азоту, фосфору, заліза та інших біогенних елементів. Вони виявляються в значній кількості в інтерстиціальній воді донних відкладів, що заповнює капіляри між окремими частинками донного грунту. Використовуючи мул як кормовий компонент, донні черви роблять його більш структурованим. Під впливом зообентосу поступово може змінюватися хімічний склад поверхневого шару донного грунту та полегшуватись кругообіг речовин і енергії між донними відкладами та товщею води. Між донними грунтами та товщею води здійснюється постійний обмін біогенними елементами, що забезпечує функціонування водних екосистем у нерозривній єдності усіх їх компонентів. Зокрема донні грунти функціонують як джерело вторинного забруднення водних об'єктів, бо накопичені в них мінеральні і органічні речовини поступово переходять у товщу води. Цей процес відіграє особливу роль у підтриманні високого вмісту біогенних елементів у водоймах уповільненого стоку (озера, водоймища). В озерних екосистемах відклади донного мулу під дією мікроорганізмів, які мінералізують органічні речовини, можуть перетворюватись у сапропель (“гниючий мул”).

Структура донних відкладів відіграє визначальну роль у розселенні бентонтів, формуванні їх чисельності і біомаси. Так, на мулистих грунтах розселяються переважно черви та личинки комах, які можуть занурюватись в його товщу. В той же час вони уникають напіврідких і легкоперетікаючих донних грунтів.

На піщаних грунтах переважно поширені молюски, здатні закріплюватись на твердому піщаному дні водойм. Особливі умови існування складаються у інтерстиціальних водах піщаних грунтів. В них зосереджуються бактерії, водорості, найпростіші, дрібні безхребетні тварини. Донні грунти прибережних зон визначають і склад фітоценозів вищих водяних рослин.

2.8 Роль гідрофізичних факторів у життєдіяльності гідробіонтів

Турбулентне перемішування водних мас, їх температура, сонячна радіація та осадоутворення відіграють вирішальну роль у формуванні якості води та біологічної продуктивності водних екосистем. В зв'язку із стоковими і вітровими течіями забезпечується насиченість води киснем, прискорюється процес бактеріального розкладу (деструкції) органічної речовини, активуються метаболічні процеси в організмі гідробіонтів, що позитивно впливає на їх продуктивність.