Уязвимые воды относятся к географически изолированным водно-болотным угодьям (GIWs) и к эфемерным и прерывистым потокам. [1] Эфемерные и прерывистые потоки являются сезонно текущими и расположены в верхнем положении. Они являются внешними и наименьшими ветвями гидрологических сетей. Изолированные водно-болотные угодья расположены за пределами поймы и показывают плохую поверхностную связь с притоками или поймами. Географически изолированные водно-болотные угодья охватывают насыщенные понижения, которые являются результатом речных, эоловых, ледниковых и/или прибрежных геоморфологических процессов. Они могут быть естественными формами рельефа или результатом вмешательства человека. [2] Уязвимые воды представляют собой основную долю речных сетей. [1]
Эти водоемы уязвимы к природным и антропогенным нарушениям, поскольку они плохо связаны гидрологически [1] и часто находятся в серой зоне нормативных рамок охраняемых вод стран и штатов. [3] В США статус защиты GIW и эфемерных/прерывистых водотоков в отношении Закона о чистой воде пересматривается. [1] В контексте Рамочной директивы ЕС по водным ресурсам (WFD) небольшие верховья рек игнорируются, особенно в сельскохозяйственных условиях. [4]
Эти водоемы играют важную гидрологическую и экологическую роль в масштабе от местного до водосборного бассейна. [5] [6] Они контролируют хранение воды, осадка в дренажной сети, [7] [6] увеличивают фильтрацию осадка [8] и биохимическую трансформацию. [9] Кроме того, уязвимые воды способствуют увеличению биоразнообразия ландшафта, поскольку они служат убежищем для эндемичных видов [10] и каналами для миграции. [11] Верховья рек и изолированные водно-болотные угодья демонстрируют гидрологическую и экологическую связь посредством прерывистых поверхностных процессов и процессов в грунтовых водах. [2]
Верховья ручьев относятся к самым маленьким каналам речной сети, где начинается речной сток. [12] Они считаются потоками первого-третьего порядка в системе классификации ручьев Штралера . [13] Обозначение прерывистого и эфемерного потока относится к непрерывности речного стока в течение года. [13] Эфемерный поток течет эпизодически, после выпадения осадков, в то время как прерывистый поток течет непрерывно в течение части года. В обоих случаях высыхание русла происходит из-за того, что местный уровень грунтовых вод опускается ниже поверхности русла. Большинство эфемерных и прерывистых потоков находятся в верховьях, но в низинных условиях небольшие притоки вдоль речной сети могут быть эфемерными или прерывистыми.
Географически изолированные водно-болотные угодья (GIW) — это водно-болотные угодья, полностью окруженные возвышенностями. [2] GIW получают воду с прилегающих возвышенностей и осадков. Однако ни один поток любого типа не поставляет воду в GIW. Несмотря на то, что GIW имеют плохую гидрологическую связь с сетями ручьев, они могут демонстрировать подповерхностную связь или даже временный отток поверхностных вод в сторону других водно-болотных угодий или ручьев. [13] [14] GIW, не имеющие полной поверхностной или подповерхностной гидрологической связи с каким-либо водоемом, будут терять воду в основном за счет эвапотранспирации или в грунтовые воды, которые не связаны с сетью ручьев. [13] Несмотря на отсутствие гидрологической связи, они могут демонстрировать биологическую и химическую связь с речными системами. [13]
GIW, которые гидрологически связаны (подземным соединением или временным поверхностным соединением), могут считаться непойменными водно-болотными угодьями. [13] Непойменные водно-болотные угодья расположены за пределами пойм и демонстрируют однонаправленную гидрологическую связь с ручьями, что означает, что вода течет только к ручьям, расположенным на более низких высотах. [13] Гидрологическая связь между непойменными водно-болотными угодьями и ручьями осуществляется через поверхностные или подземные процессы. [13] Поверхностные связи могут быть эфемерными и прерывистыми ручьями. [15] [13]
В США естественными типами GIWS являются: прерийные водно- болотные угодья, плайи, водно-болотные угодья бассейна дождевой воды и Сандхиллз Небраски , весенние водоемы Западного побережья , водно-болотные угодья с карстовыми воронками, заливы Каролины , внутридюнные и междюнные водно-болотные угодья , пустынные источники, бессточные бассейны в Большом Бассейне и котловины в ледниковых регионах. [2]
Непойменные водно-болотные угодья классифицируются по трем категориям, которые включают GIW: водно-болотные угодья понижений, водно-болотные угодья склонов и водно-болотные угодья равнин. [13] Водно-болотные угодья понижений встречаются в топографических понижениях с поверхностными стоками или без них. [16] Водно-болотные угодья понижений включают котловины, выбоины, весенние бассейны, озера плайас и заливы Каролины. Водно-болотные угодья склонов расположены вдоль склонов холмов и в основном подпитываются грунтовыми водами. [16] Болота являются обычным типом водно-болотных угодий склонов. Водно-болотные угодья равнин встречаются на больших плоских участках, таких как междуречье , высохшее дно озер или большие пойменные террасы. Большие плайас представляют собой тип равнин с преобладанием минеральной почвы. Водно-болотные угодья равнин также могут быть образованы из органических почв, таких как торфяники .
Пойменные водно-болотные угодья и непойменные водно-болотные угодья могут возникнуть в результате одного или комбинации геоморфологических процессов: эоловых (рытвины, плайи, бассейны дождевой воды, заливы Каролины, междюнные водно-болотные угодья), (пери)ледниковых (котлы, низинные болота), карстовых (карстовые воронки) и озерных (заливы Каролины, бессточный бассейн).
Эфемерные и прерывистые верховья рек и подземные водотоки имеют самую короткую площадь водосбора и длину потока, но вместе они могут представлять собой основную долю речных сетей и водоразделов . [13]
В США верховья рек составляют более 60% длины речной сети [17] [1] , а географически изолированные водно-болотные угодья охватывают около 16% ресурсов пресной воды. [18] [1] В 17 штатах есть потоки с отношением длины прерывистого потока к общей длине выше 82%. [12] Северная Дакота , Южная Дакота и Миннесота являются тремя штатами с наибольшим количеством гектаров географически изолированных водно-болотных угодий. [18] Во многих исследованиях сообщается, что фактические карты гидрографической сети США недооценивают распределение верховьев рек [13] [19]
Приблизительная длина рек первого-третьего порядка в мире составляет соответственно 45 660 000, 22 061 000 и 10 660 100 км, и они представляют собой доминирующий порядок рек Стралера в мире. [20]
Правовой статус временных и непостоянных верхних рек и подземных водотоков различается в разных законодательствах.
В США Агентство по охране окружающей среды (EPA) с 1972 года несет ответственность за регулирование вод Соединенных Штатов в соответствии с Законом о чистой воде (CWA). Закон о чистой воде , представленный президентом Ричардом Никсоном , ясно дал понять, что континентальные воды должны быть «пригодны для плавания и рыбалки» для американского населения. [21] Это был большой шаг к защите речных местообитаний и улучшению качества воды. [22]
Согласно Конституции США, федеральное правительство может защищать только межгосударственные воды, используемые для навигации, которые определяются как «воды Соединенных Штатов» (WOTUS). С 1972 по 2015 год Агентство по охране окружающей среды определяло WOTUS как:
«[...] традиционные судоходные воды, межгосударственные воды (включая межгосударственные водно-болотные угодья), все другие воды, которые могут повлиять на межгосударственную или иностранную торговлю, водохранилища Соединенных Штатов, притоки, территориальные моря и прилегающие водно-болотные угодья» (CWA, (33 CFR 328.3; 40 CFR 122.2) [1]
CWA определяет водно-болотные угодья как:
«[...] территории, которые затапливаются или насыщаются поверхностными или грунтовыми водами с частотой и продолжительностью, достаточными для поддержания, и которые при нормальных обстоятельствах поддерживают, преобладание растительности, обычно приспособленной к жизни в условиях насыщенной почвы. Водно-болотные угодья обычно включают болота, топи, трясины и подобные территории» (CWA, раздел 404). [1]
Определение WOTUS оспаривалось в суде несколько раз, особенно в отношении интеграции изолированных водно-болотных угодий, но до 2000 года Федеральный суд США придерживался первоначального определения, заявляя, что пойменные водно-болотные угодья связаны с водотоками, к которым они примыкают. [1] Затем, в 2001 году, было вынесено решение, что изолированные водно-болотные угодья не включены в определение WOTUS, поскольку они не показывают «значительной связи» с судоходными водотоками. В 2006 году в деле Рапанос против Соединенных Штатов возникла дополнительная путаница относительно определения WOTUS. Решение большинства не было получено, поскольку два основных мнения разделились среди судей. Первое, защищаемое судьей Антонином Скалиа, заключалось в том, что сфера действия CWA включала только постоянные водотоки и водно-болотные угодья со значительными поверхностными связями с судоходными водотоками. Второе мнение, высказанное судьей Энтони Кеннеди, состояло в том, что воды имеют значимую связь с судоходными водами, если они существенно влияют на их химическую, физическую и биологическую целостность.
Определение WOTUS фактически пересматривается. Президент США Дональд Трамп подписал указ 13778 (82 FR 12495, 3 марта 2017 г.), в котором просит Агентство по охране окружающей среды и Инженерный корпус армии США пересмотреть определение WOTUS таким образом, чтобы это соответствовало мнению судьи Антонина Скалиа. [1] Это мнение призывает к защите постоянных вод и водно-болотных угодий, показывающих поверхностные связи с относительно постоянными водами, [1] что исключает GIWS и эфемерные/прерывистые водотоки.
В Европейском союзе (ЕС) с 2000 года Водная рамочная директива (WFD) направлена на достижение ряда целей по улучшению качества воды в озерах, реках и прибрежных зонах. [23] Ключевыми целями являются общая защита водной экосистемы, защита ресурсов питьевой воды и защита пригодных для купания вод. [23] Эти цели достигаются посредством мер по управлению реками в масштабе бассейна. [4] WFD требует разграничения водных объектов, которые будут являться целевыми для конкретной диагностики и мер по управлению. Наименьший диапазон площади, рассматриваемый для определения этих водных объектов, составляет от 10 до 100 квадратных километров. Из-за своего небольшого размера верховья рек обычно не идентифицируются как один из водных объектов, на которые нацелена WFD, и, следовательно, становятся более уязвимыми для деятельности человека. [4]
Агентство по охране окружающей среды США (EPA) классифицирует верховья рек (включая эфемерные/прерывистые реки) и экологические функции GIW по пяти категориям: функции источника, стока, убежища, трансформации и задержки. [13] [24] Эти функции зависят от уровня связности (гидрологической, седиментологической, биологической) между подкомпонентами речной системы (русло, пойма , водно -болотные угодья ). [25] Многие функции являются общими для рек, приречных водно-болотных угодий и непойменных водно-болотных угодий. Было проведено гораздо больше исследований роли верховьев рек по сравнению с GIW. [13]
Верховья рек и GIW представляют собой доминирующие источники материалов и энергии в речных сетях. Они экспортируют воду, осадок, питательные вещества, органический мусор и организмы из горных районов в нижнюю часть речной сети.
Верхние ручьи являются доминирующим источником воды в речной сети. [13] Они поставляют воду вниз по течению, которая необходима для водных местообитаний. Они способствуют наводнениям и при этом переносят отложения и питательные вещества в соседние речные местообитания. Верхние ручьи также обычно являются зонами эрозии. [13] Они собирают отложения от береговой эрозии и из коллювия в горных районах. Поступление отложений из верхних ручьев влияет на динамическое равновесие между стоком и транспортной способностью, отвечая за аградацию и деградацию каналов. [26] [13] Верхние ручьи также собирают древесину, органические вещества, питательные вещества и мелкие частицы посредством эрозии и затопления речных водно-болотных угодий. [13] Верхние ручьи обеспечивают богатые питательными веществами воды, которые приносят пользу микроорганизмам, таким как водоросли и беспозвоночные. [13] Например, было показано, что потоки первого порядка вносят 40% азота, достигающего потоков четвертого и пятого порядка. [27] [13] Также было продемонстрировано, что верховья рек являются источниками беспозвоночных, которые приносят пользу всей пищевой цепи ниже по течению: лососевые являются хорошим примером видов, которые приносят пользу. [28] [13] Верховья рек поставляют органические вещества вниз по течению, которые необходимы для физических и биологических процессов во всей речной сети. Они также поставляют бревна и древесный мусор, которые оказывают влияние на морфологию русла, скорость стока и на пространственное распределение экологических местообитаний. [29] [13]
GIW могут быть источником верхних ручьев. GIW могут обеспечивать большую часть воды ручья в засушливый период. [30] Однако процесс переноса воды из GIW в ручей зависит от предшествующих условий влажности, преобладающих в GIW. В условиях насыщения GIW будут поставлять воду в другие водоемы ниже по течению, включая ручьи. [13] В GIW имеются обильные и разнообразные популяции микроорганизмов. [31] Низкий pH, низкая соленость и присутствие органических веществ создают благоприятные условия для развития сульфатредуцирующих бактерий. [32] Эти бактерии отвечают за выработку метилртути. [32] GIW, таким образом, являются источником метилртути и других растворенных органических соединений и кислот, которые могут переноситься вниз по течению временными поверхностными потоками. Несмотря на то, что метилртуть является особенно токсичным загрязнителем, растворенные органические вещества являются основным источником энергии для водных организмов, расположенных ниже по течению в речной сети. [13]
Функция стока относится к общему чистому импорту энергии и материалов из потока в прибрежную среду или за пределы сети потока. [13]
В естественных условиях происходит много обменов водой между верховьями рек и их прибрежной средой. Трение о дно и трение о прибрежную поверхность во время потоков через берег приводит к чистой потере энергии потока, особенно в горных реках с грубыми донными наносами. [33] Это приводит к чистому снижению эрозионной способности потока в его нижнем течении. [33] В прибрежной зоне трение и мелкая глубина воды способствуют снижению скорости потока и отложению взвешенных отложений. [34] Между тем, чистая потеря воды из затопленной прибрежной среды в атмосферу может происходить за счет испарения или транспирации растительности. [35] Поглощение азота бактериями, когда сток воды, насыщенный питательными веществами, проникает в гипорейную зону, является еще одним проявлением функции стока верхнего течения. [36] [13] Найт и др. (2010) определили, что речные водно-болотные угодья, действующие как буфер, являются наиболее эффективным инструментом для смягчения воздействия неточечных источников загрязнения на потоки. [37]
GIW, как и речные водно-болотные угодья, могут перехватывать питательные вещества и другие загрязняющие вещества из точечных источников (например, канав, дренажных труб) или из диффузных (неточечных) источников (например, выщелачивание с сельскохозяйственных полей). Процессы, вовлеченные в улавливание питательных веществ, разнообразны и включают: процесс денитрификации , [31] удержание фосфора посредством ассимиляции растениями [38] и процессы сорбции или седиментации. [13] Удаление питательных веществ GIW оказывает большое влияние на качество воды в речных сетях. [13] Исследование, проведенное Dierberg и Brezonik (1984), показало, что лесистые непойменные водно-болотные угодья отвечают за удаление 95% фосфора, нитрата, аммония и общего азота после применения человеческих сточных вод. [39] В условиях низкой насыщенности GIW будут хранить воду вместо того, чтобы выпускать ее. Хранение воды и последующее эвапотранспирация приведут к общей потере воды для речной сети. [40]
Функция убежища заключается в обеспечении благоприятных условий для многих водных и наземных форм жизни. [13]
Верховья рек и их речные водно-болотные угодья предлагают многим организмам убежища от хищников, высыхания и экстремальных температур. Они обеспечивают среду обитания, необходимую для завершения части или полного жизненного цикла видов рыб, [41] макробеспозвоночных, [42] млекопитающих, птиц и видов земноводных. [43] Речные водно-болотные угодья демонстрируют мозаику местообитаний из-за пространственной неоднородности гидрологических и морфологических процессов. [44] [13] Разнообразие местообитаний и обилие пищи (см. Функция источника) делают речные водно-болотные угодья идеальными местами кормления, размножения и укрытия для видов рыб, [45] [46] земноводных и макробеспозвоночных. [13] Речные водно-болотные угодья также являются убежищем для большого разнообразия видов растений. [13] Потоки воды в пойме используются растениями для распространения своих семян [47] В свою очередь, живые организмы вносят вклад в пространственную и временную сложность речных систем, что необходимо для поддержания высокого уровня связности между потоками и их речной средой. Например, плотины, построенные бобром, создают бассейны вдоль истоков ручьев, которые в конечном итоге становятся подходящими местами обитания рыб [48] и усиливают взаимодействие грунтовых вод с поверхностными водами. [49]
GIWs были определены как места размножения птиц, [50] видов рыб, [51] млекопитающих (ондатр, выдр), земноводных и рептилий. [13] Виды рыб извлекают выгоду из временного повышения уровня воды и создания поверхностных связей для миграции из GIWs в ручьи или другие водно-болотные угодья. [51] Млекопитающие и виды птиц служат транспортными векторами для распространения семян растений, водорослей [52] и беспозвоночных. [13]
Функция трансформации относится к биогеохимической переработке органических и неорганических элементов. [13]
Питательные вещества, поступающие в верховья рек, проходят множество циклов трансформации посредством биологических и химических процессов (поглощение водорослями, переваривание рыбой, поглощение бактериями и т. д.). Круговорот питательных веществ через различные формы и различные отсеки речной системы называется «спирализацией питательных веществ». Органическое вещество также будет проходить цикл трансформации в верховьях рек, в основном посредством дыхания организмов и микробов. [53] Другие процессы трансформации органического вещества, такого как мертвые листья, включают погружение, [54] физическое истирание [55] и фотодеградацию. [56] [13] Водообмен через гипорейную зону верховьев рек также может опосредовать форму и подвижность загрязняющих веществ, тем самым снижая концентрацию загрязняющих веществ ниже по течению. [13] В речных водно-болотных угодьях происходит множество процессов трансформации, в ходе которых питательные вещества и другие соединения теряются в атмосфере [57] [13] или изолируются в почве или растительности.
Преобразование элементарной ртути в метилртуть осуществляется микробными сообществами, живущими в кислых водно-болотных угодьях (см. Функция источника). Метилртуть — это токсичная форма ртути, которая очень подвижна и накапливается в пищевой цепи. [13] Денитрификация — это еще один процесс преобразования, происходящий в GIW. [31]
Функция запаздывания относится к временному хранению энергии и материалов. Поскольку они являются доминирующими источниками воды в сети рек, [13] верховья рек и водно-болотные угодья оказывают большое влияние на частоту, продолжительность и величину переноса материалов и энергии вниз по течению. Интенсивность функции запаздывания коррелирует с обилием и разнообразием локальных компонентов хранения (болотные угодья, аллювиальные водоносные горизонты, берега рек и поймы) и с уровнем связности между этими компонентами.
В верховьях ручьев текущая вода взаимодействует с руслами русла, берегами ручьев и растительностью. Эти взаимодействия приводят к снижению скорости потока и временному хранению грунтовых вод, что уменьшает масштабы наводнения во время сильных осадков. [13] С другой стороны, в сухой сезон временное хранение и отсроченный перенос грунтовых вод в поток будут поддерживать минимальный базовый сток [58] [59], необходимый для водных видов. Тот же процесс применяется к отложениям, питательным веществам и органическим веществам, которые переносятся вниз по течению из верхних областей водораздела и временно хранятся в пойме, включая речные водно-болотные угодья. [13] Живые организмы, присутствующие в верховьях ручьев, способствуют задержке переноса вниз по течению отложений, питательных веществ и органических веществ посредством потребления, [53] ассимиляции [60] и биоконсолидации. [61] [13]
Временное хранение воды в GIW способствует задержке поступления осадков в ручьи или другие связанные водоемы. [2] Такая функция обеспечивает базовый сток ручьев и способствует подпитке местных и региональных водоносных горизонтов, особенно в засушливые периоды [13] [30] Временное хранение в GIW также способствует уменьшению величины наводнений во время сильных осадков или в периоды таяния снега. [62] [40] Напротив, поскольку емкость хранения в значительной степени определяется предшествующими условиями влажности, насыщенные GIW будут быстро транспортировать воду вниз по течению, что может увеличить величину наводнения. [40] Следуя этой идее, GIW также могут уменьшать базовый сток посредством хранения и эвапотранспирации, когда условия насыщения низкие. [40]