Что такое поймы?

Поймы — это плоские просторы суши, прилегающие к рекам и ручьям, которые испытывают периодическое затопление, когда уровень воды поднимается за пределы пропускной способности канала. Эти низменные районы являются одними из самых динамичных ландшафтов на Земле, постоянно формируемые взаимодействием между проточной водой и осадочными отложениями. На протяжении тысячелетий реки вырезали эти равнины, оставляя позади богатые аллювиальные почвы, которые поддерживают некоторые из самых продуктивных сельскохозяйственных регионов и биологически разнообразные места обитания на планете.

Образование поймы начинается с естественной тенденции реки к извилистости через ее долину.По мере того, как река разрушает внешние берега своих изгибов, она откладывается осадок на внутренних берегах, постепенно наращивая пойму с течением времени.Когда река в конечном итоге переполняет свои берега во время высокого уровня воды, она распространяется по пойме, опуская осадок и питательные вещества, которые обогащают почву. Этот процесс осаждения и эрозии создает сложную мозаику особенностей, включая озёра овец, естественные дамбы, болота и террасы, каждый со своим собственным экологическим характером.

Поймы не являются статическими признаками; они непрерывно развиваются в ответ на изменения климата, землепользования и речной гидрологии. Здоровая пойма существует в состоянии динамического равновесия с рекой, поглощая энергию наводнений и перераспределяя воду и осадок по ландшафту. Этот естественный ритм имеет основополагающее значение для экологического здоровья речных систем и услуг, которые они предоставляют человеческим сообществам.

Механика управления природными наводнениями

Поймы действуют как собственная инфраструктура борьбы с наводнениями, обеспечивая набор гидравлических преимуществ, которые уменьшают тяжесть наводнений вниз по течению. Когда река перекрывает свои берега и распространяется по пойме, несколько процессов работают вместе, чтобы смягчить наводнение:

Хранение и затухание воды

Основная функция управления наводнениями поймы является хранение воды. По мере того, как паводковые воды распространяются по широкой плоской поверхности поймы, глубина воды уменьшается, а скорость потока резко падает. Этот эффект хранения задерживает движение вниз по течению пиков наводнения, давая сообществам больше времени для подготовки и снижения высоты гребней наводнения. Исследования из Геологическая служба США показали, что неповрежденные поймы могут уменьшить пиковые потоки на 20-60% в зависимости от размера события и характеристик поймы.

Эффект затухания наиболее выражен во время умеренных наводнений.Во время экстремальных наводнений емкость хранилища поймы может стать полностью насыщенной, в этот момент ее способность уменьшать пиковые потоки уменьшается.Однако даже в этих экстремальных явлениях поймы продолжают приносить ценные выгоды за счет снижения энергии паводковых вод и распределения их по более широкой площади.

Осадок и ловушка питательных веществ

По мере того, как паводковые воды замедляются на пойме, они теряют энергию, необходимую для переноса взвешенных осадков, которые оседают на поверхности поймы. Этот естественный процесс осадка создает плодородные почвы, а также уменьшает нагрузку на осадки, доставляемую в реки, водохранилища и устья реки. Тот же процесс улавливает питательные вещества, такие как азот и фосфор, которые в противном случае способствовали бы вредному цветению водорослей в озерах и прибрежных водах.

Способность пойм фильтровать загрязняющие вещества имеет значительные последствия для управления качеством воды. Сток с сельскохозяйственных полей и городских районов переносит удобрения, пестициды и другие загрязняющие вещества в реки. Когда этот сток, нагруженный водой, распространяется по пойме, медленные скорости потока и плотная растительность позволяют биологическое поглощение и химическую трансформацию загрязняющих веществ. Агентство по охране окружающей среды признало восстановление пойм в качестве экономически эффективной стратегии для улучшения качества воды в нарушенных водосборах.

Энергетическая диссипация

Наводнение несет в себе огромную кинетическую энергию, которая может вызвать разрушительную эрозию и структурные повреждения. Вынуждая паводковые воды распространяться и взаимодействовать с растительностью и неровной местностью, поймы рассеивают эту энергию до того, как она достигнет уязвимой инфраструктуры. Шероховатость, обеспечиваемая деревьями, кустарниками и травами на поверхности поймы, создает гидравлическое сопротивление, которое замедляет воду и снижает ее эрозионную мощность.

Эта функция рассеивания энергии особенно важна для защиты сообществ и инфраструктуры, расположенных ниже по течению. Когда поймы разрабатываются или сужаются дамбами, это естественное рассеивание энергии теряется, а паводковые воды ограничиваются более узкими каналами, где они текут быстрее и наносят больший ущерб.

Экологическое значение пойменных пойм

Поймы относятся к числу наиболее продуктивных и биоразнообразных экосистем на Земле, поддерживая примечательный массив видов растений и животных, адаптированных к динамическим условиям, создаваемым периодическими наводнениями.Экологическое значение пойм распространяется далеко за их пределы, влияя на здоровье целых речных коридоров и видов, зависящих от них.

Разнообразие среды обитания и поддержка дикой природы

Мозаика мест обитания, найденных на поймах, включая водно-болотные угодья, озера овец, заболоченные слябы, лесные поймы и луга, обеспечивает критическую среду обитания для сотен видов. Мигрирующие водоплавающие птицы полагаются на пойменные водно-болотные угодья в качестве мест остановки во время их долгих путешествий. Рыбные виды используют пойменные места обитания в качестве нерестилищ и питомников, используя теплые, мелководные воды и обильное питание во время сезонных наводнений.

Многие виды имеют жизненные циклы, которые тесно синхронизированы с режимами наводнений. Деревья хлопкового дерева североамериканских пойм, например, производят семена, которые требуют голых, влажных почвенных условий, созданных отступающими паводковыми водами, чтобы прорасти. Потеря естественных режимов наводнений из-за строительства плотины и канализации реки привела к сокращению лесов хлопкового дерева на большей части западной части Соединенных Штатов.

Поймы также обеспечивают критическое убежище и связь для наземной дикой природы. В фрагментированных ландшафтах пойменные коридоры служат путями движения, которые позволяют животным перемещаться между участками обитания. Во время засух поймы могут сохранять влагу дольше, чем окружающие нагорья, обеспечивая жизненно важные источники воды и зеленую растительность, когда другие районы высохли.

Качество воды и питательный цикл

Поймы играют важную роль в поддержании качества воды благодаря их способности фильтровать, преобразовывать и хранить загрязняющие вещества и питательные вещества. Когда паводковые воды распространяются по растительным поймам, растительные сообщества поглощают растворенные питательные вещества, в то время как медленные скорости потока позволяют взвешенным частицам оседать. Плотные корневые системы пойменной растительности стабилизируют почвы и предотвращают эрозию, удерживая осадочные и прикрепленные загрязнители из рек.

Денитрификация — процесс, посредством которого бактерии превращают нитраты в газообразный азот — особенно активна в пойменных почвах и водно-болотных угодьях. Этот естественный процесс удаляет избыток азота из сельскохозяйственного стока до того, как он достигнет водоемов ниже по течению, помогая предотвратить эвтрофикацию и гипоксию в озерах, реках и прибрежных районах. Исследования показали, что восстановленные поймы могут удалять от 40 до 90 процентов азота, поступающего в них из соседних рек, что делает восстановление пойм одной из наиболее эффективных стратегий для решения проблемы загрязнения питательными веществами.

Основные особенности Floodplains

Понимание физических и экологических характеристик пойм имеет важное значение для эффективного управления и сохранения. Хотя каждая пойма уникальна, они имеют несколько определяющих особенностей, которые определяют их функцию и ценность:

  • Периодическое наводнение — Определяющей характеристикой пойм является их регулярное затопление паводковыми водами. Частота, продолжительность и сроки наводнений широко варьируются в разных системах пойм и зависят от климата, характеристик водораздела и модификаций выше по течению. Поймы обычно классифицируются по интервалам повторения наводнений, причем районы, которые чаще наводняются, имеют различные экологические сообщества и соображения управления, чем районы, которые наводняются только во время редких экстремальных событий.
  • Богатые почвенные отложения — Поймы строятся из отложений, осаждаемых реками на протяжении тысяч лет. Эти аллювиальные почвы, как правило, глубокие, плодородные и хорошо дренированные, что делает их одними из самых продуктивных почв для сельского хозяйства. Например, пойма реки Окульге в Грузии имеет почвы в среднем на 30 футов в глубину, накопленные за тысячелетия регулярных наводнений. Это плодородие сопряжено с рисками, поскольку те же почвы, которые поддерживают обильный рост урожая, также накапливают загрязняющие вещества и подвергаются эрозии во время наводнений.
  • Хабитат для дикой природы — Разнообразные места обитания, найденные на поймах, поддерживают некоторые из самых высоких концентраций биоразнообразия в умеренных и тропических регионах. Пойменные леса на юго-востоке Соединенных Штатов, известные как донные леса лиственных пород, обеспечивают критическую среду обитания для сотен видов птиц, десятков видов млекопитающих и бесчисленных амфибий, рептилий и беспозвоночных. Пойма реки Амазонки одна поддерживает тысячи видов рыб, которые эволюционировали, чтобы воспользоваться сезонными циклами наводнений.
  • Природная фильтрация воды — По мере того, как вода перемещается по пойменной растительности и почвам, физические, химические и биологические процессы объединяются для удаления загрязняющих веществ, осадков и избыточных питательных веществ. Плотные корневые системы пойменных растений создают живой фильтр, который улавливает частицы и обеспечивает поверхности прикрепления для микроорганизмов, которые разрушают загрязняющие вещества. Поймы настолько эффективны при фильтрации воды, что многие муниципалитеты изучают восстановление пойм в качестве альтернативы дорогостоящим очистным сооружениям.
  • Подпитка грунтовых вод — Наводнение, распространяющееся по поймам, проникает в подстилающие водоносные слои, перезаряжая подземные воды. Эта функция подпитки особенно важна в засушливых и полузасушливых регионах, где грунтовые воды являются основным источником питьевой воды и ирригационной воды. Медленное проникновение паводковых вод через пойменные почвы также помогает буферизировать последствия засухи, поддерживая базовые потоки в реках в засушливые периоды.
  • Хранение углерода — Поймы и растительность, хранящие значительные количества углерода, помогают смягчить изменение климата. Заболоченные условия в пойменных водно-болотных угодьях замедляют разложение органического вещества, позволяя углероду накапливаться в почвах в течение длительных периодов времени. Когда поймы сливаются или развиваются, этот накопленный углерод выбрасывается в атмосферу, способствуя выбросам парниковых газов.

Человеческое взаимодействие с поймой

На протяжении всей истории человечества поймы привлекали поселения и сельскохозяйственное развитие из-за их плодородных почв, обильной воды и равнинной местности, пригодной для транспортировки и строительства. Великие цивилизации мира — от Месопотамии до долины Инда и Нила — появились на поймах. Сегодня сотни миллионов людей живут и работают на поймах, а напряженность между выгодами ресурсов пойм и рисками опасностей наводнения формирует политику и управленческие решения во всем мире.

Сельскохозяйственное значение

Наводнение пойменных почв поддерживало человеческие общества на протяжении тысячелетий. Ежегодные наводнения Нила способствовали накоплению богатого питательными веществами ила, что позволило египетским фермерам производить обильные культуры в пустынной среде. Современное пойменное сельское хозяйство продолжает извлекать выгоду из этих плодородных почв, причем поймы производят непропорционально большую долю в мировом продовольственном снабжении. Центральная долина Калифорнии, обширная система пойм, которая была в значительной степени истощена и разветвлена для сельского хозяйства, производит более 250 различных культур и ежегодно приносит миллиарды долларов в виде сельскохозяйственных доходов.

В то время как пойменные почвы являются естественными плодородными, регулярные наводнения, которые создали эту плодородность, представляют риски для сельскохозяйственных культур и инфраструктуры. Фермеры разработали многочисленные стратегии для управления этими рисками, включая устойчивые к наводнениям сорта сельскохозяйственных культур, поднятые постельные принадлежности, дренажные системы и соглашения о сотрудничестве, которые позволяют некоторым районам наводнять во время событий с высокой водой, защищая другие. Задача современного управления поймами заключается в сохранении полезных аспектов наводнений - осаждение питательных веществ, подпитка грунтовых вод и снабжение осадками - при минимизации рисков для сельскохозяйственного производства.

Городское развитие и инфраструктура

Те же самые особенности, которые делают поймы привлекательными для сельского хозяйства — равнинная местность, доступ к воде и плодородные почвы — также привлекают городское развитие. Многие из крупных городов мира, включая Лондон, Париж, Бангкок и Новый Орлеан, расположены на поймах. Городское развитие на поймах представляет значительные проблемы, потому что непроницаемые поверхности городов увеличивают стоки и уменьшают проникновение, делая события наводнения более серьезными и более частыми.

Инфраструктура, построенная для защиты городских районов от наводнений — дамбы, паводковые стены и плотины — часто имеет непреднамеренные последствия для функции поймы. Ливесы ограничивают реки узкими каналами, предотвращая естественный перелив, который распределял бы воду по пойме. Это ограничение увеличивает скорости потока и высоты наводнения вниз по течению, эффективно передавая риск наводнений из охраняемых районов в незащищенные сообщества. Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям (FLT:0) задокументировало многочисленные случаи, когда строительство леви увеличило ущерб от наводнений в районах ниже по течению, устраняя естественное хранилище воды, которое обеспечивают поймы.

Проблемы управления наводнениями, создаваемые городским развитием на поймах, усугубляются изменением климата, которое увеличивает частоту и интенсивность экстремальных осадков во многих регионах. Города, построенные для того, чтобы противостоять раз в 100-летним наводнениям, в настоящее время испытывают 50-летние или даже 20-летние наводнения с тревожной регулярностью, бросая вызов предположениям, на которых была разработана их инфраструктура защиты от наводнений.

Стратегии управления поймой

Эффективное управление поймами требует сбалансированного подхода, который признает как преимущества, так и риски оккупации пойм, а лучшие стратегии сочетают в себе структурные меры, неструктурные меры и восстановление экосистем для создания устойчивых сообществ и здоровых речных систем.

Структурные подходы

К числу структурных мер по борьбе с наводнениями относятся дамбы, паводковые стены, плотины, модификации каналов и системы обхода паводков. Эти инженерные решения были доминирующим подходом к управлению наводнениями на протяжении большей части прошлого века, и они защищали бесчисленные общины от наводнений. Например, система дамб реки Миссисипи предотвратила ущерб от наводнений на сотни миллиардов долларов с момента ее строительства после разрушительных наводнений 1927 года.

Однако структурные подходы имеют существенные ограничения. Ливы и плотины порождают ложное чувство безопасности, которое поощряет дополнительное развитие на поймах, увеличивая потенциал катастрофических потерь, когда структуры выходят из строя или перекрываются. Ливы также устраняют экологические функции пойм, нанося вред популяциям рыб и диких животных и ухудшая качество воды. Многие эксперты по управлению наводнениями в настоящее время выступают за более сбалансированный подход, который включает в себя структурные меры, когда это необходимо, но также сохраняет или восстанавливает функцию пойм, где это возможно.

Неструктурные подходы

Стратегии неструктурного управления наводнениями включают планирование землепользования, правила зонирования, строительные нормы, страхование от наводнений и системы раннего предупреждения. Эти подходы направлены на снижение уязвимости к наводнениям без полной ликвидации риска наводнений. Национальная программа страхования от наводнений в Соединенных Штатах требует, чтобы общины приняли правила управления поймами в качестве условия участия, поощряя методы развития, которые уменьшают ущерб от наводнений.

Планирование землепользования является одним из наиболее эффективных неструктурных подходов. Путем направления новых разработок в сторону от наиболее опасных районов пойменных районов общины могут избежать создания новых рисков наводнений при сохранении естественных функций пойменных районов. Правила зонирования, требующие возведения зданий выше уровня базового наводнения или ограничивающие определенные виды развития в районах, подверженных наводнениям, могут значительно уменьшить будущие ущерб от наводнений.

Программы приобретения и переселения представляют собой наиболее комплексный неструктурный подход. Когда недвижимость в подверженных наводнениям районах приобретается и структуры удаляются, земля может быть восстановлена до естественной функции поймы. Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям финансировало приобретение десятков тысяч подверженных наводнениям объектов недвижимости по всей территории Соединенных Штатов, превращая их в открытое пространство, которое обеспечивает хранение наводнений, среду обитания диких животных и возможности для отдыха.

Интегрированная реставрация поймы

Восстановление пойменных троп стремится восстановить естественные функции деградированных пойм, сохраняя при этом надлежащие уровни защиты от наводнений для соседних общин.Проекты восстановления варьируются от небольших усилий по восстановлению связи реки с частью ее исторической поймы до крупномасштабных мероприятий, которые изменяют целые речные коридоры.

Одним из самых амбициозных проектов по восстановлению пойм в мире является восстановление бассейна реки Миссисипи, осуществляемое The Nature Conservancy и ее партнерами. Эти проекты включают в себя отбрасывание дамб, чтобы позволить рекам восстановить связь со своими поймами, восстановление естественного хранения воды и обеспечение среды обитания для рыб и дикой природы. Результаты были многообещающими, с восстановленными поймами, показывающими значительное увеличение биоразнообразия, улучшение качества воды и увеличение способности к затуханию наводнений.

В Европе программа «Комната для реки» в Нидерландах приняла смелый подход к управлению поймами, намеренно предоставляя рекам больше пространства для наводнений. Вместо того, чтобы продолжать поднимать дамбы для сдерживания Рейна и его притоков, голландское правительство переместило дамбы дальше от речного канала, снизило площади пойм и создало вторичные каналы, которые увеличивают поток воды во время наводнений. Этот подход снизил риск наводнений, создавая новые возможности для отдыха и сохранения природы.

Изменение климата и будущее пойменных

Изменение климата коренным образом изменяет гидрологию речных систем и пойм, которые они поддерживают. Более теплые температуры увеличивают водосберегающую способность атмосферы, что приводит к более интенсивным осадкам во многих регионах. В то же время изменение структуры осадков изменяет сроки и величину сезонных наводнений, нарушая экологические циклы, которые развивались в ответ на исторические режимы наводнений.

Последствия для управления поймой являются глубокими. Анализ частоты наводнений на основе исторических данных становится менее надежным по мере изменения климата, что затрудняет проектирование инфраструктуры для будущих условий. Страховые премии, основанные на историческом риске наводнения, могут больше не отражать фактический риск, создавая финансовую уязвимость как для владельцев недвижимости, так и для страховых компаний.

В ответ на эти проблемы руководители пойм все чаще применяют адаптивные подходы к управлению, которые включают гибкость и обучение. Вместо того, чтобы пытаться достичь фиксированного уровня защиты, адаптивное управление признает неопределенность и создает возможности для реагирования на изменяющиеся условия. Это может включать в себя проектирование инфраструктуры, которая может быть изменена по мере изменения условий, или реализацию политики землепользования, которая сохраняет возможность восстановления функции пойм в будущем.

Заключение

Поймы являются одними из самых ценных и находящихся под угрозой ландшафтов на Земле. Их роль в управлении природными наводнениями, улучшении качества воды, поддержке биоразнообразия и хранении углерода делает их незаменимыми как для человеческих, так и для экологических сообществ. Тем не менее десятилетия развития, канализации и строительства дамб ухудшили функцию пойм в большей части развитого мира, уменьшив их способность предоставлять эти основные услуги.

Признание того, что здоровые поймы являются формой естественной инфраструктуры, растет среди специалистов по управлению наводнениями, политиков и общественности. Инвестирование в защиту и восстановление пойм предлагает множество преимуществ, которые конкурируют или превосходят те, которые предоставляются только инженерной инфраструктурой. По мере того, как проблемы изменения климата и увеличения риска наводнений усиливаются, мудрость работы с естественными процессами, которые формируют поймы, становится все более очевидной.

Будущее пойм будет зависеть от нашей коллективной способности сбалансировать конкурирующие потребности в ресурсах пойм. С продуманным планированием, надежной наукой и приверженностью сохранению естественных функций этих динамических ландшафтов мы можем построить сообщества, которые будут более безопасными, более устойчивыми и более устойчивыми перед лицом неопределенного будущего.