Экогидравлика — это междисциплинарная наука, изучающая гидродинамические факторы, которые влияют на выживание и размножение водных организмов , а также деятельность водных организмов, которые влияют на гидравлику и качество воды . Соображения включают поддержание или развитие среды обитания, взаимодействие среды обитания и потока и реакции организмов. Экогидравлика оценивает величину и время потоков, необходимых для поддержания речной экосистемы, и предоставляет инструменты для характеристики связи между расходом потока, полем потока и доступностью среды обитания в речной экосистеме. Основываясь на этой связи и понимании гидравлических условий, оптимальных для различных видов или сообществ, экогидравлическое моделирование предсказывает, как гидравлические условия в реке изменяют, при различных сценариях развития, водную среду обитания видов или экологических сообществ. Аналогичные соображения применимы также к прибрежным, озерным и морским экосистемам .
В прошлом веке инженеры-гидравлики столкнулись с проблемой моделирования среды обитания, что осложнялось недостатком знаний об экогидравлике. С 1990-х годов, особенно после первого Международного симпозиума по экогидравлике в 1994 году, экогидравлика быстро развивалась, в основном для оценки последствий антропогенных изменений потока воды и условий осадка в речных экосистемах... [1]
Экогидравлика анализирует, моделирует и стремится смягчить неблагоприятные последствия изменений гидравлических характеристик, вызванных строительством плотин и другими видами деятельности человека, на пригодность среды обитания для организмов, таких как рыбы и беспозвоночные , а также прогнозировать изменения в биологических сообществах и биоразнообразии. [2] Во многих статьях сообщаются результаты исследований в области речной экогидравлики. [3] Например, Международная ассоциация по гидроэкологической инженерии и исследованиям (IAHR) и Taylor & Francis издают журнал «Экогидравлика» с 2016 года. Журнал охватывает все темы в области естественной и прикладной экогидравлики во всех экологических условиях. [4]
Водная экосистема определяется как сообщество водных организмов, в котором виды зависят друг от друга и от своей физико-химической среды и связаны посредством потоков энергии и материалов. [5] На закономерности распределения видов влияют пространственные и временные характеристики потока воды.
Скорость течения влияет на доставку пищи и питательных веществ организмам. Она также может вытеснять организмы и не давать им оставаться на месте. Некоторые позвоночные и беспозвоночные, такие как моллюск Corbicula fluminea , фильтруют свою пищу через текущую воду. Скорость течения и турбулентность имеют решающее значение для жизнедеятельности многих видов. Например, некоторые рыбы мигрируют, а некоторые рыбы мечут икру, когда обнаруживают высокие потоки. Однако чрезвычайно высокая скорость течения или высокая интенсивность турбулентности, создаваемая гидротехнической инфраструктурой, может оказывать давление на большинство рыб и беспозвоночных и даже убивать их. Когда скорость течения ниже 0,1 м/с, биологическое сообщество в реке похоже на таковое в озере. Обычно в реках скорость течения от 0,1 до 1 м/с является наиболее подходящей для основных видов рыб.
Высокая скорость течения и турбулентность являются сигналами для определения времени миграции и нереста некоторых рыб. Азиатский карп откладывает плавающую икру, когда чувствует увеличение сброса в результате весеннего паводка. Скорость оседания икры колеблется в диапазоне 0,7-1,5 см/с. Как только икра карпа оседает на дне реки, икра не может вылупиться. Только если скорость течения превышает скорость оседания, икра может оставаться во взвешенном состоянии и завершить инкубацию в течение 24-40 часов. [6]
Золотистые мидии ( Limnoperna fortune ) являются инвазивным видом макробеспозвоночных, питающихся фильтрацией. Плотное прикрепление видов к границам туннелей и трубопроводов для передачи воды приводит к биообрастанию , вызывая высокое сопротивление потоку воды и повреждение стенок трубопровода. Это последствие, наряду с разложением мертвых мидий, вредит качеству воды. [7] Личинки золотистых мидий могут быть убиты высокочастотной турбулентностью и повышенной скоростью потока. Эксперименты показывают, что личинки могут быть убиты в поле потока со скоростями, превышающими 0,08-0,15 м/с, и частотой турбулентности выше 30 Гц. Предварительные результаты показали, что чем выше интенсивность турбулентности, тем выше смертность личинок золотистых мидий. [8] С другой стороны, низкое вертикальное перемешивание или турбулентность являются ключевым фактором, способствующим развитию вредоносного цветения водорослей. [9] [10]
Водохранилища эксплуатируются в соответствии с требованиями выработки электроэнергии, водоснабжения, навигации и, в последние десятилетия, экологических потоков. Таким образом, время и величина пикового сброса паводков могут измениться, что тем самым повлияет на жизненный цикл и среду обитания водных биосообществ. Большинство видов фауны в реке не могут адаптироваться к неестественному изменению потока и исчезают из зоны ниже по течению от плотины. Выбрасывание рыбы на берег, вызванное эксплуатацией водохранилища, произошло ниже по течению от гидроэлектростанций во многих странах. [11] Плотина гидроэлектростанции, такая как плотина Фэншуба на Ист-Ривер, Китай, внезапно сбрасывает воду в дневное время и отключается ночью, чтобы удовлетворить нестабильный спрос на электроэнергию. Мгновенное колебание сброса и скорости потока убивает большинство видов, за исключением тех (например, мелких креветок, Palaemonidae ), которые могут прятаться в расщелинах в отложениях русла реки.
Глубина воды имеет решающее значение для крупной фауны. Среда обитания, созданная неглубокими порогами небольших рек в горных районах, обычно подходит беспозвоночным и мелким позвоночным. Только горные ручьи с множеством глубоких водоемов могут иметь существ среднего размера, таких как радужная форель. Белофляжный дельфин, китайский осетр и бесплавниковая морская свинья требуют глубины воды, связанной со средним и нижним течением реки Янцзы, где есть достаточная глубина воды для их роста и укрытия. С другой стороны, немногие животные могут жить в нижних слоях глубоких озер и водохранилищ из-за низкой концентрации растворенного кислорода (РК).
Температура является важным фактором для многих видов. Лосось может выживать только в холодных реках. Реки Миссисипи и Янцзы не подходят для лосося из-за высоких температур. Однако водные насекомые растут и развиваются быстрее в тропических и субтропических реках, чем в умеренных реках. Некоторые виды могут завершать два или более поколений в год в более теплых местах, но только одно или меньше в более прохладных местах. [12] Некоторые виды стрекоз на Тибетском плато живут более десяти лет в холодной воде, прежде чем достигают половой зрелости и вылупления.
Изменчивость гидравлических характеристик имеет важное значение для биоразнообразия. Для поддержания высокого уровня биоразнообразия в водных экосистемах необходимо большое разнообразие скоростей потока, глубин воды и температур, как пространственных, так и временных.
Эвтрофикация относится к обогащению водоема питательными веществами до уровня, который приводит к цветению водорослей, ухудшению качества воды и нежелательному нарушению баланса водной экосистемы. Эвтрофикация и цветение водорослей происходят в реках, озерах, эстуариях, прибрежных и морских водах. Цветение водорослей в озерах и прибрежных водах может привести к массовой гибели рыбы. Начало и риск цветения водорослей тесно связаны с гидравлическим потоком и вертикальными турбулентными процессами смешивания. Эта связь была показана системой прогнозирования и оповещения в реальном времени, созданной для мониторинга динамики водорослей и РК. Мониторинг показывает, что суточные колебания РК отражают биомассу водорослей. [13] Водоросли высокой плотности могут увеличивать вязкость жидкости более чем на 100%. Системы мониторинга в реальном времени и раннего оповещения могут помочь в адаптивном управлении для смягчения вредных последствий массового цветения водорослей. [14] [15]
Надводная растительность (например, тростник и камыш) на поймах и прибрежных водно-болотных угодьях оказывает значительное сопротивление потоку над берегом. Сопротивление надводной растительности настолько велико, что коэффициент сопротивления в уравнениях гидравлики требует корректировки. Например, n Маннинга увеличивается в десять раз по мере увеличения глубины потока с 0,03 до 0,5 м, в основном из-за надводной растительности. [16] Надводная и подводная растительность изменяют структуру турбулентности и транспортировку осадка, [17] [18] и могут привести к изменению этих величин в зависимости от скорости потока над поймой.
Водные животные могут изменять течение и транспортировку осадков. Начало движения осадков и транспортировка зависят от нереста лососевых. Скопление донных гравийных отложений важно для выживания эмбрионов этого вида. Нерестящиеся рыбы перемещают гальку русла реки и закапывают под нее икру, а глубина захоронения икры, как правило, немного больше, чем наблюдаемая глубина размыва. Вид адаптировал свою стратегию размещения икры к процессу размыва паводком. [19] Бобры могут строить деревянные плотины через небольшие ручьи, и плотины бобров изменяют гидрологический процесс и гидравлические характеристики ручья. Вторжение зебровых и золотистых мидий в трубопроводы, такие как трубопровод охлаждающей воды гидроэлектростанции, может заблокировать трубопроводы и помешать выработке электроэнергии.
Среда обитания — это область, где растения или животные обычно живут, растут, питаются, размножаются и иным образом существуют в течение любой части своего жизненного цикла. Поскольку каждый вид по-разному реагирует на экологические и биотические условия, термин среда обитания специфичен для вида и, в более общем смысле, специфичен для гильдий видов; например, «среда обитания рыб» специфична для рыб. Гидравлические атрибуты считаются наиболее важными характеристиками среды обитания почти для всех организмов в реках. Биологическое разнообразие и обилие видов в ручьях зависят от разнообразия доступной среды обитания. Уклон, плановая форма, ограничение и форма поперечного сечения и размеры потока, а также распределение размера зерен донных отложений влияют на водную среду обитания. В менее нарушенных ситуациях узкое, крутостенное поперечное сечение обеспечивает меньшую физическую площадь для среды обитания, чем широкое поперечное сечение. Крутой, ограниченный поток — это высокоэнергетическая среда, которая может ограничивать возникновение, разнообразие и стабильность среды обитания.
Субстрат — это общий термин, который относится ко всем материалам, составляющим русло реки или ручья, которые в большинстве случаев в основном состоят из отложений. Эрозия русла и берега, транспортировка отложений и осаждение являются одними из наиболее важных факторов, влияющих на водную среду обитания. Стабильные потоки — это потоки со стабильным руслом, которое обычно характеризуется структурами рассеивания энергии и небольшим движением донных наносов (перенос частиц со дна). Такие потоки имеют лучшую среду обитания для рыб и бентосных беспозвоночных. Врезанные потоки — это потоки, испытывающие эрозию русла, которые являются второй лучшей средой обитания. Потоки с интенсивным движением донных наносов и седиментацией являются плохой средой обитания для организмов. Богатство таксонов или биоразнообразие этих различных типов рек чрезвычайно различаются из-за различных масштабов эрозии, седиментации и транспортировки отложений. Однородное песчаное ложе в потоке обеспечивает меньшее потенциальное разнообразие среды обитания, чем ложе с системой ступенчатых водоемов, каскадами валунов, порогами, последовательностями водоемов и перекатов или другими типами «структур русла» из-за мест отдыха, которые предоставляет такая особенность. [20]
Зона гипореи представляет собой слой субстрата на дне реки, в котором бентосные животные обычно живут или существуют в течение любой части своего жизненного цикла. [21] Животные в зоне гипореи обычно защищены от сильных смывов и экстремальных температур. Другие виды предпочитают поверхность русла реки из-за ее более высокой концентрации РК, прямого контакта с текущей водой и высокой доступности пищи. Макробеспозвоночные обитают в слое осадка толщиной около 40–55 см в гравийных слоях, 60 см в галечных слоях, 10–30 см в слоях крупного песка и 5–10 см в слоях мелкого песка. Толщина зоны в слоях глины и ила составляет около 30 см, поскольку слой относительно мягкий; некоторые макробеспозвоночные могут перемещаться в слое жидкого ила. [22]
Экологические потоки определяются как количество, сроки и качество потоков пресной воды и уровней, необходимых для поддержания водных экосистем, которые, в свою очередь, поддерживают человеческую культуру, экономику, устойчивые средства к существованию и благосостояние. [23] Естественный режим потока играет решающую роль в поддержании местного биоразнообразия и целостности экосистем в реках. Концепции и терминология различаются в разных странах, такие как минимальный поток, режим экологического потока, экологическая вода, экологические потоки. В 2010-х годах оценки экологических потоков в масштабе бассейна значительно изменились с применением методов, основанных на среде обитания, или целостных методов для балансировки экологических потоков и водопользования, например, сельского хозяйства и гидроэнергетики, в водном планировании в масштабе водораздела или речного бассейна. [24] [25] [26] Кроме того, некоторые методологии водного планирования оценивают производительность в речных системах, включая стресс-тесты, которые учитывают неопределенность, связанную с климатом и глобальным изменением, и оценивают осуществимость балансировки экологических потоков и других видов водопользования. [27] [28] Например, несколько ирригационных схем рассматривались для развития бассейна реки Киломберо, Танзания. Было определено, какое количество воды можно было бы извлечь из реки, не ухудшая экологическое состояние. [29]
Высокое разнообразие местообитаний поддерживает высокое биоразнообразие. Или, говоря иначе, биоразнообразие зависит от разнообразия местообитаний, которое определяется как разнообразие типов местообитаний, подходящих для различных биосообществ. Физические условия местообитаний ручьев в основном зависят от следующих факторов: 1) субстрат; 2) глубина воды; и 3) скорость течения. [30] Различные физические условия поддерживают различные биосообщества, поэтому разнообразные физические условия могут поддерживать разнообразные биосообщества. Местообитания со скоростью течения менее 0,3 м/с подходят для видов, которые плавают медленно. Местообитания со скоростью течения более 1 м/с подходят для видов, которые любят высокие скорости течения. Разнообразие и богатство видов рыб тесно связаны с комбинацией эффектов субстрата, скорости и глубины, которые могут быть представлены индексом разнообразия местообитаний. Полевые исследования показали, что поток с различными субстратами подходит для большого разнообразия видов беспозвоночных и имеет высокое биоразнообразие. Богатство видов или количество видов, S, пропорционально индексу разнообразия местообитаний. [31]
Разрыв связей местообитаний ухудшает экологию. Связи местообитаний необходимы для сложных биосообществ и высокого биоразнообразия. Разрыв связей искусственными плотинами или шлюзами снижает биоразнообразие и подрывает биосообщества. Некоторые проекты направлены на восстановление связей местообитаний.
Река Янцзы когда-то соединяла тысячи прибрежных озер в среднем и нижнем течении, тем самым образуя сложную систему местообитаний. Вода текла из реки в озера во время подъема паводков и наоборот во время спада паводков. Река имела высокое биоразнообразие и была домом для 400 видов рыб, 3 видов китов и многочисленных видов земноводных, рептилий, птиц и беспозвоночных. Связь между верхним течением и средним и нижним течением, а также связь между рекой и прибрежными озерами была перекрыта, чтобы сократить расходы на строительство дамб и способствовать разведению рыбы, что привело к фрагментации сложных местообитаний. Исследования показали, что перекрытие связей сократило численность видов макробеспозвоночных на 60%, а видов рыб на 40-50% в озерах. В озере Поянху, которое остается связанным с рекой Янцзы, обитает 101 вид рыб, но только 57 и 47 видов рыб в озере Хунху и озере Чжанду, которые были отрезаны от реки. Эксперименты показали, что существенное сокращение числа видов и обилия макробеспозвоночных происходит в течение 4 месяцев после того, как прибрежное водно-болотное угодье изолируется от реки. [32]
Устойчивость относится к стабильности экосистемы и ее способности переносить нарушения и восстанавливаться. Устойчивость экосистемы включает в себя как процесс, так и результат успешной адаптации к экологическим стрессам, а также способность поддерживать нормальные модели производства биомассы после нанесения ущерба. Если нарушение было достаточно масштабным или продолжительным, может быть достигнут порог, при котором экосистема претерпевает сдвиг режима, возможно, навсегда. Экологические проекты, в некотором смысле, предназначены для повышения устойчивости экосистем, сокращения времени, необходимого для возвращения экосистемы к равновесию, и повышения способности экосистемы поглощать нарушения и реорганизовываться. Новая парадигма в управлении реками и прибрежными зонами развивается в направлении экологического улучшения, отдыха и эстетики, а также соблюдения строгого законодательства об охране окружающей среды. Эти сложные проекты требуют обширных данных и инструментов моделирования, чтобы помочь лицам, принимающим решения, и сообществам в выборе стратегий управления, которые предлагают максимальные выгоды, сохраняя и улучшая экологическую целостность речной системы. [33]
Модели , особенно численные модели, часто необходимы. Обычный подход к изучению среды обитания заключается в применении численного гидравлического моделирования с моделями, включенными в PHABSIM. [34] Этот подход основан на одномерной гидравлической характеристике ограниченного участка реки в условиях устойчивого течения. Модель была протестирована для оценки ее способности оценивать подходящую среду обитания для нереста тихоокеанского и атлантического лосося, и результаты показали, что модель хорошо работает для этой стадии жизни, поскольку нерест включает взрослую рыбу и тесно связан с гидрогеоморфологией. [35] [36]
Растительность влияет на интенсивность и структуру турбулентности. Моделирование динамического процесса вегетативной сукцессии описывает связь между гидравлическими характеристиками паводковых возмущений и процессами колонизации и сукцессии растительности на отмелях и поймах. Модель состоит из модулей для гидравлических, древесных и травянистых растений, а также питательных веществ почвы. Гидравлический модуль модели имитирует процессы затопления, промывки и седиментации. Время и места пополнения растений используют характеристики паводка. Смертность растений в каждом месте во время паводка оценивается на основе скоростей эрозии поверхности, полученных с помощью гидродинамической модели. [37]
Разрыв между существующей технологией моделирования и требованиями моделирования всей водной экосистемы в широком диапазоне пространственных и временных масштабов требует исследования. Физические модели среды обитания особенно полезны для оценки воздействия гидроэнергетических проектов, анализа воздействия водозабора на экологию рек и определения минимальных требований к потоку водных популяций.
Как упоминалось выше, гидравлические переменные оказывают глубокое влияние на использование биотой среды обитания. Кривые пригодности речных сред обитания разрабатывались в течение сорока лет. [38] Кроме того, модели пригодности среды обитания применяются для оценки способности среды обитания поддерживать определенный вид. [39] [40] Поведение рыб анализировалось при проектировании микросреды обитания в двумерном (2D) моделировании микросреды обитания с разрешением в один метр. [41]
Индексы пригодности являются основой для моделирования среды обитания, что можно проиллюстрировать на примере китайского осетра. Жизненный цикл китайского осетра в реке Янцзы в основном состоит из нереста, вылупления и созревания. Рыбы-производители ищут подходящие места для нереста и прикрепляют оплодотворенную икру к камням, из которых вылупляются мальки примерно через 120–150 ч. Молодь осетра плывет в Восточно-Китайское море и остается там до достижения зрелости. На пригодность среды обитания китайского осетра влияют десять водных экологических факторов: 1) температура воды для взрослых особей и мальков (V 1 , °C); 2) глубина воды для взрослых особей (V 2 , м); 3) субстрат для взрослых особей (V 3 ); 4) температура воды для нереста (V 4 , °C); 5) глубина воды для нереста (V 5 , м); 6) субстрат для нереста и вылупления (V 6 ); 7) температура воды во время вылупления (V 7 , °C); 8) скорость течения во время нереста (V 8 , м/с); 9) концентрация взвешенных частиц во время нереста (V 9 , мг/л); и 10) соотношение предполагаемого выводка осетровых к икре хищных рыб (V 10 ). Соотношение V 10 важно, поскольку 90% икры страдают от хищников. Индекс пригодности среды обитания (HSI) определяется [42] как
На рисунке 1 показаны кривые пригодности для десяти экофакторов. Используя эти кривые, был рассчитан индекс пригодности среды обитания (HSI), в котором скорость, глубина, температура и субстрат оценивались с использованием двумерной модели гидравлики и движения осадков. Пригодность среды обитания HSI варьируется от 0 (непригодна) до 1 (оптимальна). [42] Йи и др. указали, что пространство и время, подходящие для нереста, сократились после завершения строительства плотины Три ущелья в 2003 году. Модель доказала, что работа водохранилища, пересмотренная для имитации естественного режима потока, повысит пригодность среды обитания.
Строительство плотин создало непреодолимые препятствия для мигрирующих рыб. По крайней мере 1/5 из 9000 видов пресноводных рыб в мире исчезли из-за плотин. Эта доля еще выше в реках с большим количеством плотин, которая составляет 2/5 в Соединенных Штатах и 3/4 в Германии. [43] Более 130 плотин были построены на реке Колумбия и ее притоках, блокируя нерест лосося вверх по течению, что привело к потере рыболовства в размере 6,5 млрд долларов в период с 1960 по 1980 год. [44]
Рыбоход предназначен для того, чтобы помочь мигрирующим рыбам и выводкам пересечь плотину к нерестилищу выше по течению, а рыбоход помогает молоди рыб пересечь плотину к нерестилищу ниже по течению и в море. Рыбоходы и проходы могут быть спроектированы отдельно или объединены в один канал. Основная концепция конструкции рыбохода заключается в создании чрезвычайно высокого сопротивления, позволяя воде от верхнего течения к нижнему течению плотины течь с низкой скоростью, сохраняя при этом большую глубину. Конструкция входного и выходного отверстий рыбохода имеет решающее значение. Если скорость выходного потока ниже по течению слишком высока, рыба не может заплыть в рыбоход. Если скорость выходного потока слишком низкая, рыба не может определить, ведет ли он к нерестилищу выше по течению. Также важна турбулентность вдоль лестницы или прохода.
Самый ранний рыбоход был построен Денилом в 1909 году. [45] Лестница состоит из ряда перегородок, расположенных на стенках и дне канала, все из которых позволяют движущейся вверх по течению рыбе-производителю, в частности атлантическому лососю, обходить запруды и небольшие плотины. Как правило, рыбоход максимизирует рассеивание энергии и снижает скорость потока, форма и положение перегородок создают вторичную внешнюю циркуляцию потока, производя передачу импульса от центральной части канала к стенкам.
Исследования были проведены в отношении рыбной лестницы Денила, в основном сосредоточенной на совершенствовании перегородок. Кроме того, исследования сосредоточены на понимании реакции организма на гидродинамику (скорость потока и турбулентность) в экспериментальных условиях. [46] Внимание было уделено интенсивности турбулентности, размеру вихрей и гидродинамическому сопротивлению в рыбоходах. [47] С другой стороны, биологи рыб тесно сотрудничали с инженерами-гидравликами, чтобы понять, как рыбы реагируют на сложную динамику жидкости. [48] Люди создали различные рыбные лестницы, такие как подводная струя из вертикального щелевого типа, которая подходит для крупной рыбы; тип ступенчатого бассейна и подводного окна, который подходит для средней рыбы; и тип переливного водослива, который подходит для мелкой рыбы (рисунок 2).
В 2004 году был построен рыбоход для того, чтобы выводковая рыба могла обойти плотину Итайпу на реке Парана, а молодь могла спуститься по реке. Максимальная скорость течения была менее 3 м/с. На начальном этапе расход потока, используемый для отлова рыбы, составлял 20 м3 / с, а когда рыба заплывала в проходной канал, расход потока снижался до 11,4 м3 / с. [49]
Самыми успешными рыбоходами в мире являются рыбоходы и рыбоходы, обходящие восемь плотин на реке Колумбия. Правительство США постановило, что плотины на реке Колумбия должны быть построены с рыбоходом. Плотина Бонневиль является самой низкой плотиной на реке, ее высота составляет 60 м. Рыбоход был спроектирован как ряд «кабин», использующих вертикальную щелевую струйную диффузию и рассеивание энергии. С 1930-х годов в среднем 721 000 рыб-производителей ежегодно пересекали плотину и попадали на нерестилище выше по течению. [50]
Эксплуатация водохранилища: С 2010 года водохранилище «Три ущелья» эксплуатируется для содействия нересту азиатского карпа. В июне 2011 года сброс из водохранилища увеличивался на 2000 м3 / с каждый день, а скорость потока и интенсивность турбулентности непрерывно увеличивались в течение 5 дней. Стимулируя поток паводка, выводковые рыбы собирались вниз по течению и нерестились. В 2022 году водохранилище увеличило сброс с 12 800 м3 / с 3 июня до 22 400 м3 / с 8 июня. Количество дрейфующей икры, отложенной карпами на участке Ичан-Иду, увеличилось более чем на 400 миллионов.
Искусственные ступенчатые бассейны : в последние десятилетия искусственные ступенчатые бассейны применялись в горных реках для увеличения разнообразия среды обитания [51] и, таким образом, улучшения речной экологии в Германии, Италии, США, Канаде, Швейцарии, Австрии и других странах. Эксперимент, проведенный на реке Диаога в Юньнани, Китай, доказал, что искусственные ступенчатые бассейны могут создавать стабильную и разнообразную среду обитания с низкой скоростью и глубокими водоемами и водопадами с высокой скоростью. Таким образом, различные виды могут найти подходящую среду обитания для выживания и размножения. Myriophyllum и Periphyton (формы водорослей) росли на русле реки, а первоначальное белое гравийное дно было покрыто зелеными водными растениями. Количество видов беспозвоночных удвоилось, а количество особей на единицу площади увеличилось в 10-85 раз. Система искусственных ступенчатых бассейнов создавала большое сопротивление потоку и уменьшала проблемы с грязевыми потоками. [52]
В других местах используются системы ступенчатых бассейнов. Например, Германия инвестировала 400 000 евро в строительство искусственной системы ступенчатых бассейнов на реке Мангфолл, притоке реки Инн. Италия скопировала систему ступенчатых бассейнов и построила группу небольших плотин с валунами, достигнув значительных результатов в стабилизации потоков и восстановлении речной экологии в северных горных реках. [53] Искусственная система ступенчатых бассейнов, построенная на реке Кляйншмидт в Монтане и на реке Литл-Снейк в Вайоминге, восстановила места обитания лосося и радужной форели. [54]
Восстановление водно-болотных угодий : Канализация реки Киссимми в центральной Флориде уничтожила или ухудшила большую часть среды обитания рыб и диких животных, когда-то предоставленную рекой и ее пойменными водно-болотными угодьями. Последующий проект восстановил биологические ресурсы реки с 1984 по 1989 год. Прямое русло было повторно извилистое, скорость течения была снижена, а уровень воды увеличился. Повторное введение потока через оставшиеся речные каналы увеличило разнообразие среды обитания и привело к благоприятной реакции со стороны рыб и беспозвоночных сообществ. [55] Среда обитания была восстановлена, образовав мелкую и широкую «Реку травы», которая медленно текла через эверглейдс-пилграсс к мангровым эстуариям в Мексиканском заливе [56]
Восстановление связности среды обитания : восстановление связности между средами обитания, которые стали фрагментами, в основном включает в себя дноуглубление и рытье каналов для соединения озер, водно-болотных угодий и рек, а также создание экологических коридоров для водных животных. В 2012 году город Ухань, Китай, соединил 20 озер на левом берегу реки Янцзы. Канал с максимальной шириной 60 м и глубиной 1,5 м был вырыт между озерами. Город построил экологическую сеть Большого Восточного озера на правом берегу реки Янцзы, воссоединив шесть озер с рекой. В ходе проекта насосные станции использовались для обмена водой между озерами и рекой с целью улучшения качества воды. Воссоединение фрагментированной среды обитания восстановило поврежденную экосистему. [57]
Можно привести много примеров. Вот несколько из них.
Экогидравлика для освоения земель: Sand Motor (Нидерланды) - Экогидравлика все чаще используется в поисках решений на основе природы для устойчивого развития. Знаковый пример строительства с природой, «песчаный двигатель», был впервые реализован в Нидерландах в 2011 году в качестве пилотного проекта для предоставления альтернативного решения для отложения большого количества песка вдоль берега для питания побережья и защиты внутренних районов от эрозии. Был построен полуостров в форме крючка объемом около 21,5 млн м 3 песка, выступающий на 1 км в море и покрывающий около 2 км вдоль берега (рисунок 3). Используя естественные процессы, такие как волны, ветер и прилив, для перераспределения песка, этот инновационный подход позволил ограничить нарушение местных экосистем, а также предоставить новые территории для природы и больше видов отдыха [58]
Экогидравлика для восстановления среды обитания перелетных птиц (Южная Корея) - устье реки Нактонган регулируется плотиной длиной 2400 метров, построенной в 1987 году для контроля притока морской воды в сельскохозяйственные угодья и обеспечения питьевой и сельскохозяйственной водой близлежащих регионов, включая Пусан, Ульсан и провинцию Южный Кёнсан (рисунок 4). Однако биоразнообразие реки сократилось с момента строительства плотины; прекращение вторжения морской воды вверх по течению ограничило подачу солоноватой воды на рисовые поля, которые обеспечивали естественную среду обитания для перелетных птиц. В 2019 году был начат проект контролируемого частичного открытия ворот для восстановления и защиты биоразнообразия устья, и к его третьему открытию в июле 2020 года улучшение было подтверждено, поскольку эковиды устья, включая угрей и анчоусов, снова были обнаружены в водах выше по течению от ворот. В направлении побережья образовалась приливная отмель, где скапливаются песок и грязь, переносимые рекой, что обеспечивает плодородную почву, делая территорию плодородной для сельского хозяйства и восстанавливая среду обитания для перелетных птиц. [59] [60]
Другие примеры экогидравлики можно найти в медиатеке IAHR.