Влияние прудов с донным водоспуском типа монах на качества водотоков в верховьях бассейна, на примере изучения температуры воды в водоёмах регионов Лимузен и Берри

ТУШАР Л., БАРТУ П., 2015, Влияние прудов с донным водоспуском типа монах на качества водотоков в верховьях бассейна, на примере изучения температуры воды в водоёмах регионов Лимузен и Берри // Touchart L., Bartout P. & Motchalova O., Dir., Национальный и международный опыт исследования прудов на территории Франции и Восточной Европы. Brive, les Monédières, ouvrage bilingue français – russe, 422 c.: 151-161.

Pour HAL :

Mise en page différente de celle de l’éditeur

Влияние прудов с донным водоспуском типа «монах» на качество водотоков в верховьях бассейна, на примере изучения температуры

воды в водоёмах регионов Лимузен и Берри

Лоран ТУШАР ¹ , Паскаль БАРТУ ¹

1 лабораторий устойчивого развития территорий и окружающей среды (EA 1210 CEDETE), Орлеанский университет, Франция.

Введение

Температура воды – одна из основных физических характеристик, определяющая состояние и качество гидрографической сети (Williams, 1968). Она влияет на жизнь водных организмов как прямым образом (Brett, 1956, Burrows, 1967, Brown, 1969, Brooker, 1981, Verneaux, 1973, Dajoz, 1985, Calow et Petts, 1992, Amoros et Wade, 1993, Harper, 1995, Crisp, 1996, Angelier, 2000), так и опосредованно, воздействуя на насыщенность кислородом (Truesdale et al., 1955) и на растворимость газов (Labroue et al., 1995). Эффект термического воздействия прудов на малые водотоки менее изучен исследователями, чем влияние водохранилищ на крупные реки и известен главным образом благодаря работам отраслевых организаций и публикациям отчётов (Palisson, 1972, Mouillé, 1982, Gisclard, 1985, Denardou, 1987, Flirden, 2001, Trintignac et Kerléo, 2004, Géonat, 2008). Более глубокое изучение температуры воды в верховьях гидрографической сети стало обязательным после вступления в силу Европейской Рамочной водной Директивы 2000г., обязывающей охранять качество воды в верхней части бассейна. Зависит ли влияние прудов на качество воды элементарных водотоков в верховьях бассейна от типа устройств для выхода воды в прудовой плотине? Если да, то как уменьшить воздействие прудов на температуру вытекающих водотоков?

Французская администрация вменяет в обязанность собственникам проводить всё большее количество работ по обустройству прудов за собственный счёт, одновременно субсидируя засыпку прудов. Такие предписания возникают, в частности, при продаже, переоформлении, приватизации, изменении статуса или прекращении рыбоводческой деятельности. Администрация обладает прерогативой потребовать оборудовать пруд в любой момент и завершить работы в течение двух лет независимо от правового статуса пруда (право пользования, полученное в феодальную эпоху и освобождённое от процедур лицензирования и продления права; старинный рыбоводческий пруд, основанный до 1829г.; рыбоводство в туристических целях;

«закрытая вода» ¹ , «свободная вода»). Требование оборудовать пруд сливом типа

«монах» встречается в числе наиболее частых предписаний.

Настоящее исследование не затрагивает вопросы, связанные с безопасностью плотин, и рассматривает исключительно прудовые устройства и только в контексте

1 «Закрытая вода», «свободная вода» - понятия, используемые в законодательных текстах Франции.

Напр.: в Кодексе по окружающей среде (статьи R 431-7 и L 431-4) «закрытая вода» определяется как

водоём, представляющий препятствие для естественного прохода рыбы. (Прим. переводчика)

снижения их воздействия на окружающую среду. Системы отвода воды разбирались отдельно (Touchart et Bartout, 2011), здесь мы сосредоточимся исключительно на изучении роли водослива типа «монах». Насколько эффективна данная система донного или придонного водоспуска и адаптирована ли она ко всем случаям? Изучение случаев в западной части центра Франции (Лимузен, Берри) может способствовать раскрытию этого вопроса. Эти территории, сложенные кристаллическими породами, насчитывают около 20°000 прудов различного размера, значительная часть которых обладает большой глубиной, – что открывает возможности для широкого диапазона термических исследований при спуске глубинных слоёв. К тому же, некоторые административные образования Лимузена и Берри предоставляют весьма интересные особенности, которые важно учитывать при комплексном географическом подходе. Так, Генеральный Совет департамента Коррез предусматривает финансовую поддержку собственникам прудов – до 30% от стоимости работ – для установки оборудования типа «монах», снижающего воздействие на среду; в то время как Агентство водных ресурсов этого региона субсидирует только ликвидацию прудов.

1. Географическое расположение прудов со сливом типа «монах»

«Монах» – это система эвакуации воды из пруда, расположенная перед плотиной и сливной трубой, позволяющая забирать воду на различной глубине и регулировать напор оттока воды. Он состоит из стояка каменной кладки и донной плиты, образующих ёмкость, оборудованную подвижными элементами - одним или несколькими рядами решёток и щитков. Его функционирование было описано M. Huet (1970), B. Bachasson (1997), J. Arrignon (1998), B. Breton (2001), O. Schlumberger (2002), D. Boch (2004), L. Touchart et P. Bartout (2010).

Из 18187 водоёмов региона Лимузен, расцениваемых как пруды на региональном уровне, 10858 были изучены на предмет системы эвакуации воды; из них только 1453 оказались оснащены сливом типа монах – т.е. 13% от общего количества изученных прудов (Bartout, 2010, 2012). На территории Берри подсчёт был проведён в зоне бассейна р. Вовр и эта пропорция увеличилась до 16% (Bartout, неизданное). Подобный низкий процент весьма отличается от желаемого национальной администрацией и свидетельствует о необходимости проведения разъяснительной работы, чтобы добиться оборудования прудовых плотин этим типом водослива.

По сравнению с другими прудами Лимузена, пруды, оснащённые «монахом», представлены в избытке в бассейнах I-го и II-го порядков по Стралеру, но малочисленны в бассейнах 0-го порядка. Это можно было бы объяснить меньшей обязательностью собственников малых прудов, расположенных у самых источников бассейна, более требовательным контролем за исполнением законодательства в отношении прудов на ручьях постоянного водотока или необходимостью постоянного водоснабжения, поскольку система с «монахом» создаёт потери воды, которые надо компенсировать. Таким образом, возможна связь с морфометрией прудов.

Действительно, пруды с «монахом» чуть более глубоки (медиана глубины 2,20м; 1,80м

для всех остальных прудов) и заметно более широки (1,26 га в среднем; 0,60 га для всех

остальных прудов). Добавим, что пруды с «монахом» часто являются частью сети

прудов (54% против 37,6% для всех остальных прудов), расположенной отнюдь не в самых верховьях бассейна. Почти каждый второй из питающих водотоков уже подвергнут физической модификации прежде, чем войти в пруд с «монахом» (среднее расстояние от ближайшего пруда выше по течению – 70м ; 110м для всех остальных вместе взятых прудов).

Мы выбрали четыре пруда с «монахом», расположенных в бассейне р. Луары и в подбассейне р. Вьенны. Два объекта непрерывных измерений – пруд de la Pouge (45°47’

с.ш. – 0°56’ в.д.) и пруд de la Chaume (46°20’ с.ш. – 1°27’ в.д.) – схожих размеров, они перегораживают водотоки 4-го порядка по Стралеру с наибольшей амплитудой суточной температуры по Vannote (1980). Два контрольных объекта были добавлены для измерений, оценивающих не только влияние «монаха». Речь идёт о сложной сети прудов, где чередуются не только многие водоёмы, но и различные системы эвакуации воды: поверхностный водосброс, деривация и «монах». Цепь прудов Ribières (45°55’

с.ш. – 1°57’ в.д.) принадлежит к бассейну р. Торион, цепь прудов Rochegaudon и Moulin (46°26’ с.ш. – 1°17’ в.д.) – к бассейну р. Крёз.

2. Методы регистрации температуры воды

Учитывая, что, за редким исключением (Webb & Walling, 1996, 1997), большая часть исследований температуры воды рек и влияния на неё водоёмов длится не более нескольких месяцев подряд (Smith, 1972). Основная методологическая оригинальность данного исследования выражается как во временной протяжённости и непрерывности серии данных, так и в их пространственной репрезентативности. Температура воды измерялась подводными регистрирующими термометрами с пьезоэлектрическим щупом, степень точности которых – две десятых градуса. При этом, мы их эталонировали с помощью высокоточного ручного термометра сопротивления Lufft C100 с платиновым датчиком 100, снабжённым четырьмя нитями. Использованный в данном исследовании термометр за серийным номером 033.0805.0202.4.2.1.20 гарантирует точность измерений до сотой градуса, что устанавливается ежегодно метрологическим сертификатом предприятия Avantec для температуры от 0°С до 30°С.

С 1997 по 2010гг. мы непосредственно установили и обслуживали примерно

сорок подводных регистрирующих термометров и собирали данные по тридцати зонам

Лимузена и Берри. Учитывая поломки, утери и другие проблемы, на протяжении

двенадцати лет нам удалось собрать в целом около 1млн. 700 тыс. новых данных о

температуре воды (данные L. Touchart). Бόльшая часть полученных измерений касается

прудов с поверхностным водосливом, на втором месте – данные по небольшим

водохранилищам с донным затвором; данные по прудам с «монахом» – только на

третьем месте и представляют сто сорок тысяч замеров, что составляет 8% от всей

нашей базы данных.

3. Результаты: умеренный, но постоянный прогрев гидрографической сети

3.1. Разница на входе в пруд и выходе: прогрев водотока, но снижение суточных колебаний температуры

На выбранных водоёмах годовое изменение температуры, полученное при сравнении результатов на входе и на выходе потоков из пруда с монахом соответствует прогреву водотока на 1,2°С. Сезонный цикл, по результатам среднемесячных данных, показывает практически отсутствие влияния пруда на водоток за период «холодного полугодия», сдвинутого на весну – с декабря по май, и явный прогрев в период

«теплого полугодия», сдвинутого на осень – с июня по ноябрь. Прогрев достигает пика с августа по сентябрь.

Согласно почасовым данным, годовые измерения показывают, что пруд с

«монахом» разогревает водоток в течение двух третей года в определённом диапазоне температур, где наиболее заметное значение приобретает класс от 2 до 4°С. Например, из 17 520 часов – с 01 часа 1 января 1998г. по 23 часа 31 декабря 1999г. – р. Горрэ подвергалась прогреву под воздействием пруда de la Pouge в течение 11 587 часов, т.е.

66% времени. Температуры были строго однозначными на входе и выходе из пруда в течение 1 116 часов, т.е. 6% времени. Река подвергалась охлаждению под воздействием

«монаха» в течение 4 817 часов, или 27% времени. Внутри 11 587 часов разогрева, вызванного «монахом», 6 040 часов (34% от всего времени за два года и 52% от времени разогрева) соответствуют значениям выше или равным 2°С; 1 878 часов (11 % от всего времени и 16 % от времени разогрева) – значениям выше или равным 4°C; 398 часов (2

% от всего времени и 3,4 % от времени разогрева) – значениям выше или равным 6°C и 24 часа (0,1 % от всего времени и 0,2 % от времени разогрева) – значениям выше или равным 8°C.

В результате воздействия пруда с «монахом» максимальные температуры реки изменились незначительно, тогда как минимальные – существенно повысились. На входе и на выходе из пруда наименьшие значения температуры воды в каждый из 12 месяцев повысилась из-за влияния «монаха». Пик потепления воды приходится на август, т.е. повышение температуры, вызванное «монахом», составляет от 4,8 С до 8,2 С в зависимости от пруда. Незначительные изменения температурного максимума и значительное повышение температурного минимума привели к снижению разницы между дневной и ночной температурами. Суточная амплитуда температуры реки, согласно среднегодовым данным, уменьшилась под влиянием пруда с «монахом» более, чем на полтора градуса и стала в четыре раза меньше на выходе из пруда, чем на входе.

Последний критерий, позволяющий понять влияние «монаха» на колебания

температуры реки за короткий отрезок времени – разница между средним дневным

температурным максимумом и минимумом каждого месяца, которую назовём

межсуточной разницей. Это значение особенно понижается под влиянием пруда в июне,

июле и августе.

В итоге, именно в конце лета, особенно, в августе и в сентябре пруд с «монахом»

разогревает водоток в большей степени – будь то среднемесячные результаты или одномоментный максимум. Но, в период этих же самых тёплых месяцев «монах»

эффективнее стабилизирует колебания температуры реки на коротких временных интервалах – от часа к часу, от одного дня к другому.

3.2. Дальность воздействия на вытекающий водоток: вопрос о суточном температурном минимуме

Наиболее протяжённый речной участок, снабжённый измерительным оборудованием, находится на ручье de la Chaume: пять регистрирующих термометров расположены на отрезке длиной более десяти километров вниз по течению от запруды до слияния с р.Бенэз. Шестой термометр установлен до впадения водотока в пруд для сравнения с температурой, не подвергшейся влиянию пруда.

Согласно среднелетней температуре, существенная часть прогрева утрачивается на протяжении четырёх первых километров, однако, чередование многочисленных прудов препятствует быстрому восстановлению температуры реки. Суточный максимум подвергся незначительным изменениям – температурные значения почти идентичны при входе в пруд и в десяти километрах вниз по течению – лёгкий прогрев, вызванный

«монахом», компенсируется охлаждением по ходу течения вытекающей реки. Напротив, значительное повышение суточного минимума под воздействием пруда с «монахом»

распространяется далеко вниз по течению. Например, самая большая одномоментная разница достигла +2,92°C и была зарегистрирована на термометрах, расположенных до входа в пруд и в 10 425 метрах 1 августа 2007г. в7ч. утра. Второй подобный результат в +2,90°C был получен 14 августа в 6ч. утра. Эти значения соответствовали выраженным суточным минимумам верховья, в то время как «монах» поставлял стабильно тёплую воду без почасовых колебаний.

Оставляя температурный максимум почти неизменным и повышая минимум, пруд с «монахом» сглаживает суточную амплитуду температур, что распространяется на много километров вниз по течению.

4. Дискуссия: как ухудшается биогеографическое качество вытекающего водотока под влиянием донных прудовых вод?

4.1. Лимнологическая дискуссия: термический эффект, ритмизированный интенсивным перемешиванием

Несмотря на то, что на территории Лимузена «монах» используется скорее как

неподвижный донный затвор, чем регулируемая система для смешивания водных слоёв,

вода вытекающего водотока всё же не совсем та же самая, что на дне пруда – это,

скорее, смесь глубинных вод. Действительно, устройство этого слива позволяет

эвакуировать водный слой определённой толщины, но одновременно нарушает стратификацию на уровне плотины.

Рис.1 Влияние «монаха» на температуру ручья Gorret в зависимости от чередования стратификации и гомотермии пруда de la Pouge

Условные обозначения. 1 – 4: термический профиль пруда. 1: стратификация 1 июня 2000г. в 20ч00. 2: стратификация 5 июня 2000г. в 20ч00. 3: стратификация 6 июня 2000г. в 8ч00. 4:

гомотермия 10 июля 2000г. в 7ч00. Т1 – Т4: температура впадающего водотока в месте впадения в

пруд (глубина стрелок соответствует глубине пруда, на которой в данный момент отмечена

соответствующая температура). T1 : температура впадающего водотока 19,8 °C 1

июня 2000г. в

20ч, на глубине 127 см. T2 : температура впадающего водотока 17,0 °C 5

июня 2000г. в 20ч, на

глубине 455 см. T3 : температура впадающего водотока 15,3 °C 6

июня 2000г. в 8ч.; холоднее, чем

дно пруда. T4 : температура впадающего водотока 16,0 °C 10

июля 2000г. в 7ч. ; холоднее, чем дно

пруда. E1 – E4 : температура вытекающего водотока на выходе из пруда (глубина стрелок

соответствует глубине пруда, на которой в данный момент отмечена соответствующая

температура). E1 : температура вытекающего водотока 17,7 °C 1

июня 2000г. в 20ч. E2 :

температура вытекающего водотока 17,7 °C 5

июня 2000г. в 20ч. E3 : температура вытекающего

водотока 17,7 °C 6

июня 2000г. в 8ч. E4 : температура вытекающего водотока 20,9 °C 10

июля

2000г. в 7ч. R1 - R4 : Разница температур между местами входа и выхода водотоков. R23 :

умеренное нагревание вытекающего водотока в результате воздействия «монаха» в период

стратификации пруда (распространённый случай в летний период). R4 : сильное нагревание

вытекающего водотока в результате воздействия «монаха» в период механического

перемешивания массы воды (случай летних атмосферных возмущений). R1 : охлаждение

вытекающего водотока в результате воздействия «монаха» в период летней жары и ярко

выраженной стратификации пруда (редкий случай).

Сравнение температурных замеров на глубине в середине пруда и после прохода через слив показывает, что весной, летом, и осенью вода, проходящая через «монах», всегда теплее, чем на дне. Это расхождение может объясняться искусственным перемешиванием глубинных слоёв, происходящим в системе эвакуации воды. Разница температур максимальна в период термической стратификации пруда, когда «монах»

смешивает неоднородную водную толщу, добавляя в донные слои вышележащие и более тёплые: таким образом, температура воды, попадающей в водоток, выше, чем на дне пруда. Разница уменьшается при естественном перемешивании, обычно в апреле или в октябре при температурной инверсии; или – в исключительных случаях, как в июле 2000г., отмеченном большим количеством атмосферных возмущений.

Так, донные слои, выкаченные «монахом», определяют температуру вытекающего водотока. Степень прогрева глубин зависит от двух известных состояний пруда в тёплый сезон: стратификации и перемешивания. Большую часть времени пруд глубиной, превышающей полтора метра, стратифицирован. При редких и кратких перетеканиях толща воды перемешивается в ритме: каждые десять дней – до трёх- четырёх метров глубины, каждые четыре-пять недель – более пяти-шести метров глубины (Touchart, 2002).

В летний период, в состоянии устойчивой термической стратификации пруд умеренно разогревает вытекающий водоток. Впадающий водоток также несёт достаточно тёплые воды, в то время как под термоклином эффект инсоляции изолирует в течение многих недель глубинный слой – hypostagnion ² (Touchart, 2007) без контакта с поверхностными слоями. Разумеется, hypostagnion в целом чуть теплее, чем питающий водоток, но эта разница незначительна; вытекающий водоток подвергается слабому прогреву прудом – как это происходит в июне. В конце продолжительных жарких периодов, когда прогреваются ручьи в верховьях и изолируется прохлада слоя hypostagnion, водоём с

«монахом» может даже охлаждать водоток.

То же самое устойчивое состояние стратификации объясняет насколько «монах»

стирает разницу суточных или межуточных температурных колебаний. Hypostagnion без обмена с поверхностью пруда прогоняет в течение многих недель воду с температурой, остающейся неизменной день ото дня, как днём, так и ночью – пока стратификация не будет нарушена.

Наконец, та же стабильность глубинного слоя объясняет зависимость разницы температур водотоков на входе и на выходе из водоёма с «монахом» от температурных колебаний выше по течению. При отсутствии изменений температуры на выходе из пруда, именно фазы охлаждения воды выше по течению провоцируют самый большой термический разрыв с выходом, тогда как фазы прогрева воды на входе сокращают разницу температур в водотоках выше и ниже по течению, постоянно создавая более тёплый выход из пруда, чем вход. В период стабильности это явление провоцирует

2

Понятия, уточняющие зависимость температуры от глубины в прудах, введены Л.Тушаром. (Touchart.

Géographie de l’étang : des théories globales aux pratiques locales. 131, 2007) : hypostagnion –- слой перемешивания (нижний), сформировавшийся ранее в пруду на протяжении нескольких недель;

métastagnion – слой термического скачка (срединный), на протяжении нескольких недель; épistagnion –

активный слой перемешивания (верхний) на протяжении нескольких недель. (Прим. переводчика)

достижение суточного температурного максимума при прогреве водотока прудом рано утром, когда питающий водоток наиболее холодный.

Несмотря на состояние термической стратификации, за время тёплого полугодия глубокий пруд испытывает несколько эпизодов перемешивания. Термоклин нарушается, ветер перемешивает слои, и накопленные на поверхности калории распределяются по всей толще воды до самого дна. В таком случае «монах» сливает воду, разогретую благодаря перемешиванию с поверхностью. В любой временной шкале, моменты наибольшего прогрева водотока прудом с «монахом» соответствуют периодам ломки термической стратификации. На длительных отрезках времени именно это объясняет долговременные потепления вытекающего водотока, среднемесячные температуры конца лета и осени – и, в частности, высокие значения сентября. На коротких временных отрезках это объясняет резкое потепление на несколько часов, вызванное прудом, в результате перемешивания после повышенной инсоляции, особенно при грозах и др. летних атмосферных возмущениях. Этим также объясняется, что minima minimorum водотоков каждого летнего месяца формируют переменную, согласно которой пруд с «монахом» провоцирует самые сильный прогрев между истоком и устьем. Но случай, касающийся minima, заслуживает отдельного рассмотрения.

Во время тёплого полугодия температурные minima питающего водотока имеют два происхождения. Первые сопровождаются атмосферными возмущениями, вторые вызваны ночным воздействием в моменты антициклонической стабильности.

Минимальные температуры отмечаются в питающих водотоках, когда западные циклоны достигают территории региона, принося летние осадки. В конечном счёте, подобные атмосферные возмущения при наличии более или менее сильных ветров форсированно перемешивают водную массу пруда. Подобная механическая конвекция передаёт в глубинные слои калории, накопленные на поверхности и, в результате,

«монах» сливает в водоток прогретую воду. Что и создаёт значительную разницу температур между водотоком питающим, достигающим своих минимальных летних значений, и вытекающим, который недалёк от своих максимальных температур. Это абсолютный наибольший прогрев вытекающих ручьёв, производимый прудом с

«монахом». Этот разрыв даже имеет тенденцию к увеличению при продвижении атмосферного фронта, поскольку питающий ручей продолжает охлаждаться быстрее, чем толща прудовой воды, ставшая гомотермичной, перемешивание которой сопровождается медленным понижением температур.

Другая серия минимальных температур питающих водотоков – это довольно

прохладные температуры, отмечаемые в условиях антициклона, в спокойные периоды

рано утром, после безоблачной ночи. Действительно, эти потери тепла достигают

поверхности пруда, вызывают свободную конвекцию, что ослабляет и ещё глубже

опускает термоклин. Но, за исключением очень мелких прудов, это явление не

нарушает стратификацию. Температура глубинных слоёв остаётся неизменной, лишь

hypostagnion теряет свою толщину. Это сильное ночное охлаждение питающего

водотока не ощущается на выходе из пруда с «монахом» и вызывает довольно

значительный разрыв температур между входом и выходом из пруда. Таким образом,

пруд с «монахом» вызывает относительное потепление водотока в том смысле, что

именно охлаждение впадающего водотока при сохраняющемся неизменным глубинном слое провоцирует большую разницу температур.

В холодный сезон происходят иные процессы. Минимальные температурные значения верхних водотоков близки к 0°C – пруд или замерзает, или имеет довольно стабильную обратную температурную стратификацию. Вода с температурой близкой к температуре максимальной плотности на глубине сливается «монахом», вызывая прогрев водотока, могущий достигнуть 4°C в течение нескольких дней, увеличивая таким образом минимальные значения. Между тем, согласно данным среднемесячных температур в регионах умеренного гиперморского климата Юго-Запада Франции преобладают периоды зимнего перемешивания, в результате чего пруд с «монахом»

слегка охлаждает воду с декабря по февраль.

4.2. Гидрографическая дискуссия : распространение среднесуточного температурного минимума в результате неспособности вытекающего водотока охлаждать ночную воду в течение дня

С точки максимального воздействия пруда на водоток, совпадающей с системой слива воды, вытекающий водоток постепенно возвращается к своему исходному состоянию – соответственно дистанции пробега, зависящей от климатических условий, приноса притоков, отношений с грунтовыми водами. Роль как этих факторов, так и дистанции восстановления водотока были рассмотрены в других работах (Touchart, 2007, Touchart et Bartout, 2010).

Здесь интересно подчеркнуть, что эти повышенные минимальные температуры распространяются как можно дальше. Ночному охлаждению во время антициклонов, быстро остужающему водотоки в верховьях пруда, не удаётся заметно понизить температуру реки даже в нескольких километрах ниже плотины – пруд с «монахом»

срабатывает между двумя водотоками. В периоды спокойной солнечной погоды пруд сохраняет устойчивую стратификацию, в результате чего «монах» поставляет воду постоянной температуры, которая в конце ночи почти не холоднее, чем в конце дня.

Этой утренней относительно тёплой воде не удаётся охладиться в вытекающем водотоке, поскольку она протекает в дневные часы; и здесь, мы выдвигаем гипотезу, что основной причиной этого является расхождение во времени, приводящее к тому, что максимальная разница температур между выходом и входом в пруд проявляется рано утром, что и является основной характеристикой функционирования «монаха» по сравнению с такой системой сброса воды как переливное устройство. Кроме того, это явление может быть усилено инерцией нижнего течения реки, наполняемого другими приносами.

4.3. Биогеографическая дискуссия: влияние «монаха» пагубно летом и благотворно зимой

Форель фарио выбрана в качестве представителя видов чувствительных к

изменению среды.. Её термический порог взят за основу расчётов как для изучения

летних рисков – установление связи между температурой и жизнью в воде молодых и

взрослых особей; так и для изучения зимних рисков – определение отношений между

температурой и жизнью икры и личинок в слое речного гравия с момента кладки икры до выхода мальков.

С момента создания биотипологии J.Verneaux (1973) простой классический индикатор, позволяющий количественно определять связь между температурой и биологией, опирается на среднюю температуру тридцати самых тёплых дней в году. В случае р. Горрэ классификация по убыванию 365 среднесуточных температур 1998г.

позволяет показать роль пруда de la Pouge. Вверх по течению от водоёма наивысшее среднее значение 30 среднесуточных температур было 18,9 °C, вниз от «монаха» этот показатель составил 21,2 °C, что теплее на 2,3 °C. Разница между истоком и устьем пруда увеличивается вместе с убыванием среднесуточных температур, подтверждая , таким образом, что «монах», в отличие от других устройств эвакуации воды, скорее увеличивает наиболее низкие, чем высокие летние температуры водотоков. Индикатор J.Verneaux сводит к минимуму влияние «монаха», а точнее, выявляет, что это устройство оказывает умеренное воздействие на более тёплые температуры, которые могли бы стать пагубными для жизни ценных биологических видов.

Два других простых критерия предоставляют важную информацию, если изучать не только среднесуточные температуры, но и почасовые изменения. Речь идёт как об определении летальных температур, так и о пороге термического преферендума.

Летальный порог можно фиксировать при 25°C, а порог преферендума при 19°C.

Возможное превышение этих пороговых значений может быть выражено количественно в общем количестве часов, числе временных отрезков, а также в количестве последовательных часов как самого длинного отрезка времени, так и временного эпизода с самыми высокими результатами.

Превышение летального порога на наших участках не наблюдалось ни разу. Из 17 520 часов с 0 часов 1-го января 1998г. до 23 часов 31-го декабря 1999г. ни один полученный замер не достиг значения 25 °C, ни вверх, ни вниз по течению от пруда de la Pouge с донным сливом «монах». Аналогично, из 669 часов с 18 часов 26 июля 2007г.

по 14 часов 23 августа 2007г. ни один температурный показатель не превысил 25 °C ни вниз, ни вверх по течению от пруда de la Chaume также оборудованному сливом

«монах».

Однако, «монах» способствует превышению порога термического преферендума.

Общее количество часов с превышающими температурами ясно это показывает. Из 17 520 часов за 1998–1999гг. значение 19 °C вверх по течению пруда de la Pouge превышалось в 5% времени (всего 962 часа, или в среднем 481 часа в год), а вниз по течению от «монаха» – уже в 21 % времени (всего 3 695 часов всего, или 1 848 часов в год). В конце лета термический преферендум на выходе из пруда нарушается практически в течение всего измеряемого временного отрезка. Таким образом, в августе 1999г. превышение порога заняло 33% времени на входе в пруд de la Pouge (246 часа из 744) и 100% времени ниже по течению от «монаха». Эти значения подтверждаются данными по пруду de la Chaume. Из 669 часов – с 18ч. 26 июля по 14ч. 23 августа – 10%

времени температура превышала 19 °C выше по течению и 87% времени ниже по

течению от «монаха».

Изучение временных эпизодов, проведённое нами на протяжении всего 1998г. на примере пруда de la Pouge, позволяет уточнить результаты. В верхнем течении 377 часов превышения порога в 19 °C распределены на 33 временных отрезка, самый длительный из которых составляет 61 час (16% от всего времени). Этот отрезок не совпадает с отрезком в 45 часов, показавшим одномоментный температурный максимум (22,7°C). В нижнем течении 1616 часов превышения термического порога распределены на 9 временных отрезков, самый длительный из которых в 1 331 час (82 % от всего времени) соответствует периоду одномоментного температурного максимума (23 °C).

Из 33 временных отрезков вверх по течению 21 совпадает с временными эпизодами вниз по течению, показавшими превышение порога. Можно заключить, что в течение этих временных отрезков «монах» не меняет термические качества водотока.

Примечательно, что термическое равновесие нарушается в обоих направлениях. В течение 12-ти коротких эпизодов превышение порога отмечается в верхнем течении и отсутствует в нижнем. В таких случаях «монах» может рассматриваться как преимущество, препятствующее нарушению преферендума. Концентрация этих коротких отрезков времени приходится на весенний период и самое начало лета и распределяется с 14 мая (1 отрезок в 6 ч.) по 24 июня (1 отрезок в 7 ч.).

Напротив, во время 8 длинных фрагментов времени превышение порога наблюдалось вниз по течению, а в верхнем течении реки сохранялся преферендум.

Большинство этих фрагментов сдвинуты к концу лета, самый продолжительный длился с 5 июля по 29 августа, а самый последний в сезоне - с 2 по 11 сентября. В этих случаях донный слив «монах» можно расценивать как систему, деградирующую качество воды в реке. С июля по сентябрь, препятствуя ночному охлаждению водотока и заметно повышая среднесуточный температурный минимум, пруд с «монахом» создаёт для уязвимых видов постоянные условия слишком тёплой воды, в то время как в верхнем течении, не подвергнутом влиянию пруда, отмечаются только точечные превышения температуры

В зимний период термические риски больше затрагивают не существование взрослых особей в полной воде, а жизнь в слое речного гравия от кладки икры до выхода мальков. Согласно работам D.T. Crisp (1996) и Jungwirth & Winkler (1984) оптимальная температура для развития икринок и эмбрионов форели отмечается между 1 °C и 12 °C. Даты кладки, располагаясь между ноябрём и февралём, достигают пика в декабре – короткая световая продолжительность дня играет большую роль в запуске механизма нереста. По примеру A. Caudron и др. (2008) мы произвольно выбрали дату 15 декабря.

На р. Горрэ в верховьях пруда, с точки отсчёта, фиксированной 15 декабря 1997г., 420

градусо-дней, отделяющих дату кладки от выклева предличинок 24 февраля 1998г.,

протекли без превышения порога в 12 °C. 310 последующих градусо-дней до выхода

мальков завершились 1 апреля 1998г.; два последних дня – 29 марта и 1 апреля –

среднесуточная температура превышала 12 °C на две десятых градуса. Вниз по течению

от «монаха» пруда de la Pouge 420 градусо-дней между кладкой икры и выклевом

предличинок завершились точно в ту же дату 24 февраля 1998г. и в тех же

благоприятных условиях, когда ни один среднесуточный показатель не превысил 12 °C.

Следующие 310 градусо-дней между выклевом и выходом мальков были достигнуты на один день раньше – 31 марта 1998г. и в более благоприятных условиях, чем в верхнем течении; ни одна среднесуточная температура не превысила 12 °C. Следующая зима также подтверждает пользу «монаха». В верхнем течении 420 градусо-дней, отделяющих кладку от выклева завершились 2 марта 1999г.; без превышения порога 12 °C среднесуточными температурами. 310 градусо-дней между выклевом и выходом мальков завершились 4 апреля 1999г. с превышением порога в 12 °C на один градус в течении последних четырёх дней. В низовье от пруда de la Pouge срок в 420 градусо- дней был достигнут 7 марта в тех же благоприятных условиях и без превышения порога 12 °C среднесуточными температурами. Последующий цикл в 310 градусо-дней завершился 7 апреля в лучших условиях, чем в верхнем течении с превышением всего на одну десятую градуса 6 апреля и на три десятых градуса 7 апреля.

Таким образом, можно заключить, что как в верховье, так и в низовье пруда термические условия для жизни эмбрионов и личинок форели фарио в слое гравия соблюдались. Этот биогеографический критерий показал, что «монах» не нарушает термические качества реки и даже имеет тенденцию их немного улучшить.

Заключение и сравнение «монаха» с другими водосливными сооружениями

Значение нашего исследования для обустройства территорий и как ответа на конкретный общественно-экономический запрос требует сделать выводы, касающиеся не только воздействия «монаха» на водотоки, но и провести сравнение с влиянием прудов, оборудованных другими типами водосбросных сооружений, а именно, деривацией и поверхностным водосливом.

Согласно среднегодовым температурным данным «монах» вызывает прогрев вытекающего водотока примерно на 1°C, а поверхностный водослив – на 2°C. Сезон наибольшего прогрева водотока в нижнем течении наступает в августе-сентябре для пруда с «монахом», и в июне-августе – для пруда с поверхностным водосливом.

Максимальные летние значения почти не изменяются «монахом», в то время как они значительно повышаются поверхностным водосливом. Напротив, минимальные летние температуры повышаются под воздействием «монаха» и почти не изменяются поверхностным водосливом.

Летом оба устройства – и «монах», и поверхностный водослив – провоцируют нагревание водотоков в течение одинакового количества часов. Но, «монах» вызывает повышение минимальных, а водослив – максимальных температур вниз по течению. И

«монах», и водослив функционируют таким образом, что вызывают прогрев вытекающего водотока. Влияние как монаха, так и водослива на повышение температуры в нижнем течении водотока не вызывает сомнения, но «монах» прогревает воду в меньшей степени. В итоге, деривация-водоотвод является единственной системой, эффективно противостоящей прогреву водотока. Пруд с «монахом»

уменьшает на три четверти суточную амплитуду температуры вытекающего водотока, а

поверхностный слив – на четверть. Существенная разница между «монахом» и

водосливом заключается в том, что «монах» снижает разницу температур день ото дня (регуляризация среднесуточных температур), тогда как поверхностный слив её увеличивает. Пруд с «монахом» может прогревать воду вытекающего водотока на расстоянии до 12 километров вниз от плотины, но на таких дистанциях прогрев проявляется в повышении минимальных утренних температур. Влияние поверхностного водослива распространяется примерно на то же расстояние вниз по течению, но, именно после полудня повышенные температуры совершают наибольший пробег.

Описанные различия объясняются тем, что «монах» повышает температуру реки, сливая глубинные слои воды, разогретые в результате форсированного перемешивания толщи воды. Эта механическая конвекция, вызванная ветром, происходит после прогревания солнцем поверхности пруда. Что и объясняет сдвиг в нагревании вытекающего водотока на конец лета и осень, снижение общего среднего потепления воды и максимальных температур, а также повышение минимальных температур.

Таким образом, между температурой воздуха и температурой глубинных вод, вытекающих в реку через слив «монах», корреляция отсутствует. Но, корреляция очевидна между температурами воздуха и воды, вытекающей через поверхностный водослив, поскольку температура поверхностного слоя пруда зависит от солнечного тепла. Проще говоря, если входящий водоток несёт теплые воды в пруд с поверхностным водосливом – вода будет ещё теплее на выходе, в то время как вода на входе и на выходе из пруда с «монахом» подвергается более сложным и менее предсказуемым изменениям, зависящим в значительной степени от атмосферных воздействий и ветров, нарушающих термическую стратификацию пруда.

Последствия термических воздействий этих типов водосливов на биогеографию речных систем достаточно различны, чтобы позволить их сравнение. В зимнее время – ни поверхностный водослив, ни «монах» не нарушают термические качества водотоков.

Точнее, термические условия необходимые для жизни эмбрионов и личинок форели

фарио в слое гравия соблюдаются и вверх и вниз по течению от пруда. Согласно этим

биогеографическим критериям «монах» не только не ухудшает термические качества

реки, а даже показывает тенденцию к их небольшому улучшению. Тёплый сезон более

противоречив. Летом «монах» стремиться препятствовать ночному охлаждению

вытекающего водотока и существенно повысить минимальную температуру, что

постоянно создаёт слишком тёплые условия для чувствительных видов, тогда как

поверхностный водослив оставляет окна для ночного охлаждения выходящего

водотока, что важно для термического преферендума. Летальный порог температур ни

разу не был достигнут вниз по течению от «монаха», в то время как есть случаи

значительного разогрева с превышением порога летальных температур для

чувствительных видов вниз по течению от прудов с поверхностным водосливом.

Литература

Amoros C. & Wade P.M., 1993, « Successions écologiques » in Amoros & Petts, Dir., Hydrosystèmes fluviaux. Paris, Masson, 300 p.: 201-231.

Angelier E., 2000, Ecologie des eaux courantes. Paris, Techniques et Documentation, 199 p.

Arrignon J., 1998, Aménagement piscicole des eaux douces. Paris, Tec et Doc, 589 p.

Bachasson B., 1997, Mise en valeur des étangs. Paris, Lavoisier, coll. « Tec et Doc », 176 p.

Bartout P., 2010, Pour un référentiel des zones humides intérieures de milieu tempéré : l’exemple des étangs en Limousin (France). Sarrebruck, Editions Universitaires Européennes, 464 p.

Bartout P., 2012, Les étangs du Limousin, des zones humides face au développement durable. Brive-la- Gaillarde, Les Monédières, 294 p.

Boch D., 2004, L’étang d’agrément : étude et maintenance de l’écosystème. Lyon, Ecole Nationale Vétérinaire, thèse n° 152, Univ. Lyon I Claude Bernard, 287 p.

Breton B., 2001, Créer et gérer son étang de pêche. Paris, Rustica, 128 p.

Brett J.R., 1956, « Some Principles in the Thermal Requirements of Fishes » The Quarterly Review of Biology, 31 : 75-87.

Brooker M.P., 1981, « The impact of impoundments on the downstream fisheries and general ecology of rivers » Advances in Applied Biology, 6: 91-152.

Brown G.W., 1969, « Predicting temperatures of small streams » Water Resource Research, 5(1) : 68- 75.

Burrows R.F., 1967, « Water temperature requirements for maximum productivity of salmon » in Eldridge E.F., Ed, Water temperature, influences, effects and controls. Portland, US Department on the Interior Federal Water Pollution Control Administration, Proceedings of the 12

Pacific Northwest Symposium on water pollution research, 157 p. : 29-34.

Calow P. & Petts, 1992, The rivers handbook : hydrological and ecological principles. London, Blackwell Scientific Publ., vol.1, 526 p.

Caudron A., Vigier L. & Catinaud L., 2008, « L’utilisation des suivis thermiques annuels pour compléter les diagnostics piscicoles sur les cours d’eau à truites (Salmo trutta L.) » in Fédération Nationale de la Pêche, Gestion des ressources piscicoles et restauration morphologique des milieux. Périgueux, Les Journées Nationales d’Echanges Techniques, 14 et 15 octobre, non paginé.

Crisp D.T., 1996, « Environmental requirements of common riverine European Salmonid fish species in fresh water with particular reference to physical and chemical aspects » Hydrobiologia, 323 (3) : 201-221.

Dajoz R., 1985, Précis d’écologie. Paris, Dunod, 5

éd., 505 p.

Denardou L.M., 1987, Etang de la Pouge, construction de la digue. DDAF Haute-Vienne, Syndicat Intercommunal d’AEP Vienne-Briance-Gorre, 9 p.

Flirden L., 2001, Suivi thermique de la Vauvre (36), été 2000. Stage de DEUST de l’Univ. Aix- Marseille III à la FDAAPPMA de l’Indre, 49 p.

Géonat, Coord., 2008, Guide de gestion durable de l’étang en Limousin. Limoges, Conseil Régional du Limousin, 79 p.

Gisclard F., 1985, Etude de la situation actuelle de l’aquaculture d’étangs du Limousin. Limoges, SRAE Limousin, 45 p.

Harper P.-P., 1995, « Croissance et dynamique des populations d’invertébrés benthiques » in Pourriot R. & Meybeck M., Dir., Limnologie Générale. Paris, Masson, 956 p. : 368-388.

Huet M., 1970, Traité de pisciculture. Bruxelles, Ch. de Wyngaert, 4

éd., 718 p.

Jungwirth M. & Winkler H., 1984, « The temperature dependance of embryonic development of

grayling (Tyumallus thumallus), Danube salmon (Hucho hucho), Arctic char (Salvelinus

alpinus) and brown trout (Salmo trutta fario) » Aquaculture, 38 : 315-327.