بحيرة أحادية النمط

البحيرات أحادية الدورة هي بحيرات كاملة الدورة، حيث تختلط المياه من الأعلى إلى الأسفل خلال فترة اختلاط واحدة كل عام. ويمكن تقسيم البحيرات أحادية الدورة إلى أنواع باردة ودافئة.

البحيرات أحادية الدورة الباردة هي بحيرات مغطاة بالجليد معظم أيام السنة. وخلال فصل الصيف القصير، تبقى درجة حرارة مياهها السطحية عند 4  درجات مئوية أو أقل. ويمنع الجليد اختلاط مياه هذه البحيرات في فصل الشتاء. وخلال فصل الصيف، تفتقر هذه البحيرات إلى التطبق الحراري الملحوظ ، وتختلط مياهها تمامًا من السطح إلى القاع. وتُعد هذه البحيرات نموذجية للمناطق ذات المناخ البارد (مثل معظم مناطق القطب الشمالي). ^{[ 1 ]} ومن الأمثلة على البحيرات أحادية الدورة الباردة بحيرة الدب العظيم في كندا . ^{[ 2 ]}

البحيرات أحادية الدورة الدافئة هي بحيرات لا تتجمد أبدًا، وتتميز بتدرج حراري على مدار معظم أيام السنة. يمنع اختلاف الكثافة بين المياه السطحية الدافئة ( الطبقة العليا ) والمياه القاعية الباردة ( الطبقة السفلى ) اختلاط مياه هذه البحيرات في الصيف. خلال فصل الشتاء، تبرد المياه السطحية إلى درجة حرارة مساوية لدرجة حرارة المياه القاعية. وبسبب افتقارها إلى تدرج حراري ملحوظ، تختلط مياه هذه البحيرات تمامًا كل شتاء من الأعلى إلى الأسفل. تنتشر هذه البحيرات على نطاق واسع من المناطق المناخية المعتدلة إلى الاستوائية. ^{[ 1 ]} ومن الأمثلة على ذلك بحيرة بلو ليك في جنوب أستراليا ، حيث يُشير تغير لونها إلى تغير ملحوظ في دوران المياه. ومن الأمثلة الأخرى غير المألوفة بحيرة ديب ليك في تلال فيستفولد في القارة القطبية الجنوبية . ^{[ 3 ]} لا يتجمد سطح هذه البحيرة شديدة الملوحة في الشتاء بسبب انخفاض درجة التجمد نتيجة ارتفاع نسبة الملح فيها.

يعتمد تحديد وتصنيف البحيرات أحادية الدورة على تكوّن طبقتين: الطبقة السطحية (ماء دافئ وأقل كثافة) والطبقة العميقة (ماء بارد وأكثر كثافة)، يفصل بينهما خط فاصل حراري معظم أيام السنة. ^{[ 4 ]} يُشار إلى الفصل الواضح بين هاتين الطبقتين من عمود الماء مجتمعتين باسم الطبقات الحرارية والكثيفة. يُعدّ التطبق الحراري والكثيف عاملاً حاسماً يؤثر على تكوين عمود الماء، والذي يُشير عادةً إلى وجود أو نقص العناصر الغذائية والكائنات الحية. ^{[ 5 ]} في كل من البحيرات أحادية الدورة، الباردة والدافئة، تكون الطبقة السطحية والعميقة منفصلتين معظم أيام السنة. في البحيرات أحادية الدورة الدافئة، يكون الماء في حالة سائلة متجانسة، بينما في البحيرات أحادية الدورة الباردة، يحتوي الماء على طبقة من الجليد ويكون أكثر برودة. سيتم استعراض المشكلات والحلول المتعلقة بكل من البحيرات أحادية الدورة الدافئة والباردة أدناه.

نظرًا لأن البحيرات الدافئة أحادية الدورة سائلة بالكامل، وذات درجة حرارة مرتفعة، وإنتاجية عالية، فإن التطبق الحراري الصيفي يؤدي عادةً إلى التخثث . ويكون هذا التطبق الحراري الصيفي طويلًا بشكل خاص في البحيرات الدافئة أحادية الدورة. خلال التخثث، تُنتج المغذيات الزائدة وتُستنفد في البحيرة عند طرفي عمود الماء المتقابلين رأسيًا. وهذا بدوره يُحدد نمو ونضج مجموعات الكائنات الحية التي تميل إلى التأثير على مستويات الأكسجين والمغذيات في الماء. في البحيرات الدافئة أحادية الدورة، يُؤدي التطبق الحراري إلى استنفاد الأكسجين في طبقة المياه العميقة (الهيبوليمنيون)؛ حيث يمنع نقص الاختلاط دخول الأكسجين من الغلاف الجوي إلى الماء. يُعرف هذا المقياس بالأكسجين المذاب (DO). عندما ينخفض ​​الأكسجين المذاب في طبقة المياه العميقة، تميل المغذيات مثل الأمونيوم والنترات والفوسفات إلى السيطرة. عندما تكون مستويات الأكسجين منخفضة للغاية، يُعتبر الماء ناقص الأكسجين ولا يمكنه دعم العديد من أشكال الحياة. كما يُحد نقص الأكسجين من العمليات الكيميائية الطبيعية مثل تحويل الأمونيوم إلى نترات. ^{[ 5 ]}

يتطلب نمو النباتات مزيجًا من الأمونيوم والنترات؛ ويرتبط فرط الأمونيوم بضعف نمو النباتات وإنتاجيتها. ^{[ 6 ]} في البحيرات، يشير فرط الأمونيوم أيضًا إلى ظروف لاهوائية وحمضية. يؤدي نقص الأكسجين إلى تعديل جهد الأكسدة والاختزال (ORP) للبحيرة. كلما ارتفع جهد الأكسدة والاختزال، زادت مستويات الأكسجين في الماء. تتراوح المستويات المثالية بين 300 و500 ملي فولت. من الناحية المثالية، تساعد المستويات العالية من الأكسجين البكتيريا والكائنات الدقيقة الموجودة في البحيرة على تحلل المواد العضوية ونشر العناصر الغذائية الضرورية في عمود الماء. ^{[ 7 ]} في المقابل، يؤدي انخفاض جهد الأكسدة والاختزال وانخفاض الأكسجين إلى إطلاق الفوسفور من الرواسب عبر الانتشار على طول تدرجات التركيز من خلال عملية تُعرف بالتحميل الداخلي. ^{[ 8 ]} يمكن أن تؤدي الزيادة في الفوسفور والأمونيوم والنترات مجتمعةً إلى ظهور تكاثر الطحالب السامة. تُؤدي هذه التكاثرات الطحلبية إلى حلقة تغذية راجعة إيجابية تتمثل في استنزاف المغذيات والأكسجين، وما يتبعه من إطلاق المغذيات اللازمة لدعم استمرار نموها. ويمكن أن تكون ظاهرة التخثث عملية طبيعية أو بشرية؛ وتتمثل المدخلات البشرية عادةً في مياه الصرف الصحي، أو تآكل التربة الزراعية وجريان المياه السطحية. ^{[ 9 ]}

تُطرح فرضية حديثة نسبياً تربط بين مدة بقاء الماء والتقسيم الطبقي الموسمي في البحيرات أحادية الدورة، مما يؤدي إلى التخثث. فزيادة مدة بقاء الماء تؤدي إلى فترات أطول من التقسيم الطبقي، وانخفاض اختلاط الماء، وزيادة التخثث في الطبقة السطحية (الإبيليمينون). ويقترح البعض تطوير تدخلات مُخصصة لكل بحيرة للحد من هذه الظروف. ويشير هذا التخصيص إلى التحكم في مدة بقاء الماء في البحيرة لمكافحة التحميل الداخلي والتخثث عن طريق تقليل مدة التقسيم الطبقي. وتستخدم النماذج الحالية إعادة توجيه تدفق الماء إلى داخل وخارج البحيرات أحادية الدورة للمساعدة في تقليب الماء و"التنظيف" الفيزيائي للعوالق النباتية والمغذيات الزائدة. وقد أظهرت هذه الأساليب قدرتها على تقليل مدة بقاء الماء والتقسيم الطبقي لعدة أيام. ورغم أن هذه الأطر الزمنية محدودة النطاق، إلا أنها تُظهر إمكانية تمديدها لتحقيق نتائج أفضل في الدراسات المستقبلية ونماذج البحيرات المختلفة. ^{[ 10 ]}

يهدف تهوية وتزويد الطبقة السفلى من البحيرة بالأكسجين إلى معالجة انخفاض مستويات الأكسجين المذاب فيها، والذي يؤدي إلى ظاهرة التخثث. ومن خلال زيادة مستويات الأكسجين في هذه الطبقة، يُسعى إلى رفع جهد الأكسدة والاختزال وتقليل معدل حدوث التحميل الداخلي. تُستخدم أجهزة التهوية لإدخال الأكسجين، سواءً كان نقيًا أو من الغلاف الجوي، مباشرةً إلى عمود الماء. يُعدّ هذا التدخل مكلفًا للغاية نظرًا لمتطلبات الطاقة الكهربائية اللازمة لتشغيل هذه الأجهزة. هذه التكاليف تجعل استخدام أجهزة التهوية غير مستدام، فهي مكلفة اقتصاديًا، كما أن إنتاج الكهرباء قد يكون له آثار بيئية. وقد ثبت أيضًا وجود مخاطر بيئية، إذ يرتبط استخدام أجهزة التهوية بزيادة انتشار مرض فقاعات الغاز بين الأسماك. مع ذلك، تستفيد كائنات حية أخرى، مثل العوالق الحيوانية والأسماك، من هذه العملية، حيث تُوسّع الظروف الهوائية المتزايدة نطاق انتشارها في البحيرة. ^{[ 11 ]}

يتضمن سحب المياه من الطبقة السفلى سحب المياه من بحيرة غنية بالمغذيات عند ذروة التطبق الموسمي. تُسحب هذه المياه لإزالة الفوسفور بشكل غير مباشر. وعند إعادة إضافتها إلى الطبقة السفلى، يُحد من نمو البكتيريا الزرقاء . كما تُقلل هذه الإضافة إلى الطبقة السفلى من اختلاط عمود الماء وانتشار المغذيات لتغذية الطحالب في الطبقة العليا. يمكن أن تكون الإزالة الفيزيائية للمياه سلبية أو نشطة، وعادةً ما تكون محدودة لتقليل تأثيرات جودة المياه على مستوى سطحها. يمكن أيضًا تصريف هذه المياه في اتجاه مجرى النهر، مما قد يُسبب آثارًا غير مقصودة. فالمياه منخفضة الجودة والغنية بالسموم والمغذيات التي تُزال من الطبقة السفلى عند نقلها إلى بحيرات أخرى قد تُزعزع استقرار عمود الماء فيها. في بعض الحالات، قد تشهد البحيرات المعالجة عن طريق سحب المياه من الطبقة السفلى انخفاضات غير مرغوب فيها في مستوى الماء وارتفاعات عامة في متوسط ​​درجة حرارة الماء يتبعها اختلاط. ^{[ 11 ]}

أخيرًا، يتعلق تجريف الرواسب بالجمع المباشر للرواسب وإزالتها من قاع البحيرة. وتهدف إزالة الطبقة العليا من الرواسب إلى التخلص من المواد العضوية التي تحتوي على مغذيات غير مرغوب فيها. لهذه الطريقة تأثيرات ملموسة على الكائنات القاعية ، وقد يستغرق الأمر ما يصل إلى ثلاث سنوات لاستعادة هذه الكائنات التي أُزيلت بالتجريف. وتُعد هذه الكائنات ضرورية لدورة المغذيات في البحيرات والبيئات المائية. ^{[ 11 ]}

يُعدّ عامل درجة حرارة الهواء العاملَ الأكبرَ المُتحكّم بدرجة حرارة الماء في أي بحيرة. ^{[ 5 ]} تُشكّل التغيرات والاتجاهات الحالية في درجات الحرارة العالمية على مدار العام تهديدًا كبيرًا للنظم البيئية المائية. تُؤكّد الدراسات الحالية أنَّ ارتفاع درجات حرارة الهواء وانخفاض هطول الأمطار يُؤثّران على البحيرات الضحلة أحادية الدورة. وعلى وجه الخصوص، قد يزداد اختلاط المياه فيها، ممّا يُؤدّي إلى زيادة انتشار المغذيات، ونقص الأكسجين، وتكاثر الطحالب . وقد تشهد المناطق الجنوبية أيضًا ارتفاعًا في نسبة الملوحة. ^{[ 11 ]} تُظهر البحيرات الدافئة أحادية الدورة، التي شهدت تاريخيًا فصول شتاء دافئة، استقرارًا حراريًا أكبر. يُقلّل هذا الاستقرار من تفاعلات الاختلاط وأكسجة المياه. علاوة على ذلك، قد تشهد البحيرات الباردة أحادية الدورة ظروفًا أقل برودة على مدار العام، ممّا يُؤدّي إلى زيادة الاختلاط وتغيّرات في الطبقات الحرارية لم تكن لتُلاحظ لولا ذلك. ^{[ 12 ]}

• بوابة البحيرات