Vloeikanaal van die Eersterivier (foto deur die skrywer voorsien)
[A] hyporheic zone is a modulator for most metabolic stream processes and serves as a refuge and habitat for a diverse range of aquatic organisms. It also exerts a major control on river water quality by increasing the contact time with reactive environments, which in turn results in retention and transformation of nutrients, trace organic compounds, fine suspended particles, and microplastics, among others. (Lewandowski ea 2019)
Opsomming
’n Hiporheïese sone, wat dikwels beskryf word as die “lewer van ’n rivier”, speel ’n noodsaaklike rol in ’n akwatiese ekosisteem deur die interaksie van oppervlakwater en grondwater te fasiliteer. Hierdie dinamiese sone is van kardinale belang vir voedingstofsirkulasie, besoedelingfiltrasie en die verskaffing van habitat vir ’n uiteenlopende verskeidenheid organismes. In die artikel word die komplekse funksies van hiporheïese sones bespreek en die belangrike rol in die regulering van watergehalte; die ondersteuning van biodiversiteit word ook spesifiek beklemtoon. Navorsing wat oor die onderwerp gedoen word, bevestig dat die hiporheïese sone as ʼn natuurlike bioreaktor optree, wat die afbreek van kontaminante bevorder en ’n ryk biologiese gemeenskap ondersteun. Verder dra dit by tot temperatuurregulering van strome, veral tydens laevloeiperiodes. Deur die hiporheïese sone met die menslike lewer te vergelyk, word beklemtoon dat voortdurende navorsing oor hierdie noodsaaklike ekologiese funksies en die impak op riviergesondheid en ekosisteemstabiliteit uiters belangrik is.
1. Inleiding
Die lewer van die mens het ’n wye verskeidenheid uiters belangrike funksies. Sommige hiervan is: die verwydering van skadelike gifstowwe uit die bloedstroom; vernietiging van ou en uitgediende rooibloedselle; vervaardiging van gal wat betrokke is by die afbreek van voedingstowwe; metabolisering van proteïene, koolhidrate en vette sodat die liggaam dit kan gebruik; produsering van stowwe om bloed te help stol; regulering van die hoeveelheid bloed in die liggaam; en opberging van glikogeen (’n energiebron) en vitamiene vir latere gebruik deur die liggaam.
Na aanleiding van Kirky van Kirkwood se liedjie “Wie sê nou ’n vrou kan nie boer nie”, kan ’n humoristiese opmerking soos “Wie sê nou ’n rivier het nie ’n lewer nie?” dalk in hierdie verband heeltemal gepas wees.
Dit is algemeen bekend dat riviere oor eienskappe beskik soos bolope, laerlope, meanders (kurwes in stroomkanale), levees (kunsmatig ontwerpte of natuurlike sediment-oewerwalle), deltas, plonspoele en stroomversnellings. Wat sou die “lewer” van ’n rivier dan beteken?
........
Die term hiporheïese sone verwys na die gebied wat onderliggend aan die sedimente van ’n rivierbedding of -stroomkanaal voorkom.
........
Die term hiporheïese sone verwys na die gebied wat onderliggend aan die sedimente van ’n rivierbedding of -stroomkanaal voorkom. Verskillende definisies van die hiporheïese sone word deur ’n wye spektrum vakdissiplines gebruik, maar eenvoudig gestel kan dit gedefinieer word as die gebied rondom ’n rivierkanaal (met ander woorde die rivierbedding en stroomoewer) waar oppervlakwater en grondwater in wisselwerking tree (Howard ea 2024). Hiporheïese uitruiling vind plaas wanneer water van die stroomkanaal na die stroombedding beweeg en weer terug na die stroomkanaal. Hierdie uitruiling word aangedryf deur energiegradiënte wat die gevolg is van hidrostatiese en hidrodinamiese prosesse.
Lewandowski en kollegas (2019) beskryf dit soos volg (my vertaling): “Die hiporheïese sone is ’n alomteenwoordige, reaktiewe koppelvlak tussen die hoofvloeikanaal van ’n rivier en die aanliggende of omliggende sedimente (surrounding sediments) in die riviernetwerk.” Tweerigtingvloei tussen die oppervlakstroom en grondwater vind plaas omdat grondwater deur die oppervlakstroom geabsorbeer word en omgekeerd.
Herontwerpte voorstelling van die hiporheïese sone deur die skrywer. Die driedimensionele model is ontwerp op grond van ’n illustrasie deur Alchetron (Hyporheic zone – Alchetron, The Free Social Encyclopedia)
Die aard van die hiporheïese sone verander met tydsverloop omdat die vlak van die oppervlakwater wissel, die vloeisnelheid van oppervlakwater varieer, die grondwatertafelvlak wissel, en variasies in watertemperatuur voorkom wat die ondergrondse vloeipatrone beïnvloed (Lewandowski ea 2019).
Sommige deskundiges verwys na die hiporheïese sone as die lewer (soms ook ingewande) van rivierstelsels (Lukas 2024), omdat ’n vergelyking getref word tussen biochemiese prosesse wat in die sone plaasvind en die funksies van die lewer. Benewens die hiporheïese sone se rol in die skep, uitruiling, metabolisering en modifikasie van opgeloste chemikalieë, beïnvloed die hiporheïese sone ook die algehele ekosisteem op ’n betekenisvolle wyse (Majeed ea 2024). Die sone skep ’n unieke omgewing wat ryk is aan biologiese aktiwiteit en voedingstofsiklusse.
Die stelling dat die hiporheïese sone beskryf word as die lewer van ’n rivier, is dus nie ’n vergesogte metafoor nie, maar ’n raak vergelyking wat die belangrike ekologiese rol wat hierdie sone binne rivierekosisteme speel, beklemtoon.
Die fokus van hierdie artikel is hoofsaaklik om die komplekse aard en funksionering van hiporheïese sones te verduidelik, bewusmaking van hierdie belangrike aspek van die ekologie van stroomkanaalvloei te bevorder, asook om ’n seleksie van verbandhoudende navorsingsbevindings kortliks te bespreek.
2. Enkele vakkundige perspektiewe
Vanuit ’n suiwer hidrologiese perspektief word die hiporheïese sone gekenmerk deur die infiltrasie van oppervlakwater na die sone en die uitbeweging van oppervlakwater uit die sone. Die ruimtelike omvang van die sone word deur die verhouding tussen die vermenging van oppervlakwater en grondwater bepaal. Die aanwesigheid van oppervlakwater in die mengsone kan wissel van 10% tot 98%, afhangende van die dinamika van grondwater-oppervlakwater-interaksie. Met ander woorde, die proses word beïnvloed deur die wisselende patrone en tempo's waarteen water tussen die grondwater- en oppervlakwatergebiede beweeg (Krause ea 2011). Selfs faktore soos die rivierbeddingmorfologie en grootte van die sedimentpartikels oefen ʼn direkte invloed uit op die vloeibeweging van water na en vanuit die hiporheïese sone (Cook ea 2020).
Biochemici beskou die hiporheïese sone as ’n chemies reaktiewe sone of hiporheïese bioreaktor (hyporheic bioreactor) waarin die afwaartse bewegende oppervlakwater opgeloste suurstof, voedingstowwe en opgeloste organiese koolstof beskikbaarstel om versnelde biogeochemiese aktiwiteit en transformasietempo moontlik te maak. Die teëwerking van waterbesoedeling is dus vanuit ’n biochemiese invalshoek ’n belangrike faktor.
Vanuit ’n ekologiese perspektief word die sone as ’n dinamiese habitat vir lewende organismes beskou, en ’n potensiële toevlugsoord vir beide bentiese spesies (lewende organismes naby aan of op die oppervlak van stroombeddings) en ondergrondse (hipogiese) spesies (Krause ea 2011). Volgens Majeed ea (2024) is die ekologiese aktiwiteite wat binne die hiporheïese sone voorkom, hoofsaaklik afhanklik van oppervlakwater se vloeidinamika. Die aard en verspreiding van die lewende organismes (makro-invertebrate, meiofauna/mikro-invertebrate en protosoë wat enkelsellige organismes is) word beïnvloed deur interne hidrologiese skommelinge wat bepaal word deur die aard van die oppervlakwatervloei.
Cardenas (2015) wys op die besondere belang van hierdie prosesse en die noodsaaklikheid om die verwantskappe tussen die veranderlikes te ondersoek. Die prosesse is van direkte belang vir kennisontwikkeling aangaande hiporheïese sones, asook in ’n wyer konteks, omdat dit ’n omvangryke impak uitoefen op die biogeochemiese funksionering van individuele riviere sowel as op riviernetwerke in die algemeen.
Die navorsingterrein is besonder aktief en dinamies van aard en beweeg in die regte rigting om kritieke fundamentele en toegepaste vrae aan te spreek, met geen duidelike einde in sig wat groeipotensiaal betref nie. Opwindende navorsingsgeleenthede is beskikbaar vir wetenskaplikes uit aanverwante vakrigtings soos die hidrogeologie, geomorfologie, geochemie, omgewingsingenieurswese en omgewingsbewaring (Lewandowski ea 2019).
3. Geselekteerde voorbeelde van vakkundige navorsing
Verskeie belangrike chemiese omsettingsprosesse vind in hiporheïese sones plaas. Benewens opgeloste voedingstowwe en metale, kan ook besoedelingstowwe in die sones geabsorbeer word. Christoph Reith en sy navorsingsgroep verbonde aan die Leibniz Instituut vir Varswaterekologie en Binnelandse Visserye (Reith ea 2023) het hierdie belangrike funksies van die hiporheïese sones ondersoek deur die voorkoms van chemiese verbindings in die hiporheïese sone van die Erperivier, wat deur Berlyn vloei, te ontleed. Die groep het ’n vernuwende metode gebruik deur U-vormige pype as kunsmatige vloeikanale (flow paths) vir grondwater in die hiporheïese sone te installeer.
Spoor- organiese verbindings soos farmaseutiese middels, X-straal-kontrasmedia, kunsmatige versoeters en roesinhibeerders hou risiko’s in vir menslike gesondheid en vir die gehalte van die ekosisteem. Verskeie attenuasieprosesse (prosesse wat die verswakking van die intensiteit van chemiese stowwe veroorsaak), soos hidrolise, fotolise, sorpsie en (bio)transformasie, vind in die hiporheïese sone plaas. Hierdie navorsingsgroep het vasgestel dat vyf van die 18 spoor- organiese verbindings wat bestudeer is, beduidende attenuasie getoon het. Die konsentrasies van asesulfaam (kunsmatige versoeter), iopromied en iomeprol (albei X-straal-kontrasmedia), metoprolol (betablokker) en gabapentien (antikonvulsiewe middel) was minstens 75% laer in die hiporheïese sone aan die einde van die vloeiroetes as in die ooreenstemmende konsentrasies wat in die oppervlakwater gemeet is.
Industriële afvalwater wat in fluviale ekosisteme beland, lei daartoe dat mikroskopiese nutriëntpartikels en besoedeling die gehalte, samestelling en funksionaliteit van die rivierwater ingrypend kan wysig. Die gevolg is ’n beduidende negatiewe effek op die habitat wat deur die hiporheïese sone in stand gehou word.
Sánchez-Morales ea (2018) het agt Mediterreense riviere bestudeer, stroomop sowel as stroomaf van industriële-afvalwater-inlaatpunte. Die doel was om te bepaal in watter mate die hiporheïese habitat asook die hiporheos (die versameling lewende organismes wat in die hiporheïese sone voorkom) daardeur beïnvloed word.
Die resultate dui daarop dat besoedeling van die rivierwater met verstopping/blokkering/verdigting (clogging) van die onderliggende sedimente geassosieer word, wat die tweerigtingdeurvloei van oppervlak- en grondwater in die hiporheïese sone erg benadeel. Die voorkoms van giftige partikels en organiese materiaal in die sedimente het stroomaf van die afvalwaterinlaat sterk toegeneem.
Ongewerwelde organismes in die hiporheïese sone is beduidend meer deur sedimentverdigting benadeel as deur eutrofikasie (die geleidelike toename in die konsentrasie van fosfor en stikstof, op grond waarvan algegroei en planktonontwikkeling bevorder word). Beide die voorkoms en die diversiteit van lewende organismes in die steekproewe het beduidend negatief gekorreleer met sedimentverdigtingskenmerke. Krewel- en krapagtige organismes (macrocrustaceans), watermyte en parasiete, asook verskeie insekspesies is uiters negatief beïnvloed deur die impak van besoedeling op die hiporheïese sone.
Frei en sy navorsingsgenote (2019) is verbonde aan die Universiteit van Bayreuth, Duitsland. Die groep verteenwoordig die vakgebiede hidrologie, limnologie en ekologie. Hulle stel ondersoek in na die voorkoms van mikroplastiek in die hiporheïese sone van die Roter Main-rivier in Suidoos-Duitsland.
Die navorsers het groter mikroplastiekdeeltjies, wat wissel van 500 tot 5 000 mikrometer, met behulp van gevorderde spektroskopie tegnieke in sedimentmonsters van die rivier geïdentifiseer. Hulle het vasgestel dat hierdie groter deeltjies teenwoordig was tot 'n diepte van 0,6 m onder die rivierbedding, maar slegs in baie klein hoeveelhede (minder as een deeltjie per kilogram sediment). In teenstelling hiermee het kleiner mikroplastiekdeeltjies, veral dié tussen 20 en 500 mikrometer, in baie hoër konsentrasies voorgekom, naamlik ongeveer 30 000 deeltjies per kilogram sediment. Dié studie toon aan dat die hiporheïese sone beduidende hoeveelhede mikroplastiek van kleiner formaat kan laat ophoop – ʼn bevinding wat nog nie in vorige navorsing gedokumenteer is nie.
Hierdie konsentrasies van mikroplastiek hou 'n potensiële risiko in vir akwatiese lewe wat in die hiporheïese sone voorkom. Hierdie sone is 'n kritieke habitat vir organismes wat die basis van riviere se voedselketting vorm. Hiporheïese uitruiling (die beweging van water tussen die oppervlakvloei en rivierbeddingsedimente) kan ook die oordrag van mikroplastiek na grondwaterstelsels fasiliteer. Dit kan implikasies hê vir drinkwaterveiligheid, veral wanneer drinkwater vanaf rivieroewers onttrek word.
Met die doel om meer lig te werp op die wyse waarop die ruwe oppervlakke van ysbedekkings (die bo- sowel as onderkante) op riviere die watervloei daaronder beïnvloed, het Chen ea (2024) ’n rekenaarmodel ontwikkel wat beide die oppervlakwatervloei en die vloeipatrone deur die sediment van die hiporheïese sone simuleer. Die model is vooraf teen werklike data van ’n vroeëre eksperimentele studie getoets om te verseker dat dit wel akkuraat is. Daarna is die model gebruik om te bepaal hoe verskillende vlakke van ysruheid en waterdiepte die wisselwerking van grondwater en oppervlakwater in die hiporheïese sone beïnvloed. Die navorsers het verskeie sleutelfaktore rakende hiporheïese tweerigtingvloei gekontroleer, onder andere die hoeveelheid water wat tussen hierdie twee sones vloei, die grootte van die gebied waar hierdie uitruiling plaasvind, en hoe lank water in die hiporheïese sone vertoef.
Namate die ysbedekking ruwer word, word die hoeveelheid water wat deur die hiporheïese sone vloei, verhoog, en terselfdertyd word die sone vlakker gemaak. Dit beteken dat water gouer die hiporheïese sone verlaat in vergelyking met wanneer daar geen ysbedekking is nie. Die resultate van Chen ea toon dat dieper watervlakke aanleiding gee tot sterker hiporheïese uitruiling, en dat ruwe ys beduidende veranderinge in die turbulensie van die watervloei onder die ys veroorsaak. Die navorsingsbevindings dra by tot beter begrip van die wyse waarop ysbedekkings waterbeweging in rivierstrome beïnvloed
4. Gevolgtrekking
........
Net soos die menslike lewer voedingstowwe verwerk en skadelike stowwe in die liggaam ontgif, speel die hiporheïese sone ’n deurslaggewende rol in die filtrering en transformering van voedingstowwe en organiese materiaal.
........
Net soos die menslike lewer voedingstowwe verwerk en skadelike stowwe in die liggaam ontgif, speel die hiporheïese sone ’n deurslaggewende rol in die filtrering en transformering van voedingstowwe en organiese materiaal. Dit reguleer die siklus van koolstof en stikstof, wat noodsaaklik is vir die handhawing van gesonde akwatiese ekosisteme. Hierdie verwerking is van kritieke belang vir die ondersteuning van diverse biologiese gemeenskappe, insluitend mikroörganismes en bentiese ongewerwelde diere, wat die grondslag van die riviervoedselketting vorm.
Die hiporheïese sone dien ook as ’n natuurlike filter vir besoedelingstowwe en oortollige voedingstowwe wat die waterstelsel binnedring. Deur verskeie biochemiese prosesse kan kontaminante afgebreek of geabsorbeer word voordat hulle groter waterstelsels bereik, en sodoende bydra tot die algehele gesondheid van die rivierekosisteem.
Die hiporheïese sone ondersteun ’n ryk biodiversiteit, wat ’n natuurlike habitat bied aan verskeie organismes wat in die sone se suurstofryke omgewing floreer. Hierdie biodiversiteit is deurslaggewend vir ekosisteemstabiliteit en veerkragtigheid. Die interaksie tussen oppervlakwater en koeler grondwater in die hiporeiese sone help om stroomtemperature te reguleer, veral gedurende laevloeiperiodes in die somer en herfs. Hierdie temperatuurregulering is noodsaaklik vir die handhawing van geskikte toestande vir lewende organismes. Die hiporheïese sone beïnvloed watervloeidinamika binne riviere, wat bepaal op watter wyse water deur sedimente beweeg.
’n Metaforiese vergelyking tussen die hiporheïese sone en die menslike lewer is dus nie heeltemal vergesorg nie. Net soos die lewer ’n deurslaggewend rol speel ten opsigte van die handhawing van liggaamlike gesondheid, is die hiporheïese sone noodsaaklik vir die handhawing van die ekologiese integriteit van rivierstelsels.
5. Ten slotte
Wat sou die huidige stand van sake behels wat kennis oor die hiporheïese sones van die belangrikste riviere in Suid-Afrika betref? Is die restourasie van hiporheïese sones spesifiek (en rivierstelsels in die algemeen) enigsins ’n prioriteit in Suid-Afrika? Watter fisiese struktuurverskille kom voor in die hiporheïese sones van dieselfde rivier, asook tussen verskillende riviere? Hoe verskil die mikrobiologiese aktiwiteit wat onderhou word deur die hiporheïese sones tussen rivierstelsels?
Lawrence ea (2013) wys aansluitend daarop dat hiporheïese sones meer doeltreffend by stedelike waterbestuur geïnkorporeer behoort te word, insluitend stroomrestourasie. Goeie kennis van die oppervlak- en ondergrondse strukture is veral belangrik, veral dié wat bevorderlik is vir waterdeurvloei, watergehalte en biodiversiteit in die hiporheïese sone. Van die belangrikste struikelblokke is egter ʼn gebrek aan noodsaaklike kennis en die afwesigheid van betroubare en geldige maatstawwe vir die evaluering van sukses, asook die beperkte getal goed gekontroleerde eksperimente wat in stedelike omgewings uitgevoer word.
Eindnota
Marianna Smith (limnoloog) word bedank vir haar insette, wat die gehalte van die artikel verhoog het.
Bibliografie
Cardenas, MB. 2015. Hyporheic zone hydrologic science: a historical account of its emergence and a prospectus. Water Resources Research, 51:3601–16. DOI:10.1002/ 2015WR017028. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2015WR017028.
Chen, X, J Yin, X Fang, X Tu, L Chen en Z Yu. 2024. Rough ice cover modified hyporheic exchange: a numerical study on the mechanical effect propagating from the ice-water interface to the sediment–water interface. Journal of Hydrology, 637:131415. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.131415.
Cook, S, O Price, A King, C Finnegan, R van Egmond, H Schäfer, JM Pearson, S Abolfathi en GD Bending. 2020. Bedform characteristics and biofilm community development interact to modify hyporheic exchange. Science of the Total Environment, 749:141397. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141397.
Frei, S, S Piehl, BS Gilfedder, MGJ Löder, J Krutzke, L Wilhelm en C Laforsch. 2019. Occurrence of microplastics in the hyporheic zone of rivers. Scientific Reports, 9:15256. https://doi.org/10.1038/s41598-019-51741-5.
Howard, BC, I Baker, M Blackmore, N Kettridge, S Ullah en S Krause. 2024. Restoring the liver of the river: actionable research insights to guide the restoration of the hyporheic zone for the improvement of water quality. Research Gate, Februarie. Hoofstuk 16 in Krause, Hannah en Grimm (reds) 2023. Ecohydrological interfaces. New Jersey: John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9781119489702.ch16.
Krause, S, DM Hannah, JH Fleckenstein, CM Heppell, D Kaeser, R Pickup, G Pinay, AL Robertson en PJ Wood. 2011. Inter-disciplinary perspectives on processes in the hyporheic zone. Echohydrology, 4:481–99. https://www.researchgate.net/profile/Roger-Pickup/publication/312992412_Interdisciplinary_perspectives_on_processes_in_the_hyporheic_zone/links/63fc96430cf1030a5657c046/Inter-disciplinary-perspectives-on-processes-in-the-hyporheic-zone.pdf.
Lawrence, JE, ME Skold, FA Hussain, DR Silverman, VH Resh, DL Sedlak, RG Luthy en JE McCray. 2013. Environmental Engineering Science, 30(8):480–501. https://doi.org/10.1089/ees.2012.0235.
Lewandowski, J, S Arnon, E Banks, O Batelaan, A Betterle, T Broecker, C Coll, JD Drummond, J Gaona-Garcia, J Galloway, J Gomez-Velez, RC Grabowski, SP Herzog, R Hinkelmann, A Höhne, J Hollender, MA Horn, A Jaeger, S Krause ... L Wu. 2019. Is the hyporheic zone relevant beyond the scientific community? Water, 11(11):2230. https://doi.org/10.3390/w11112230.
Lukas, D. 2024. The river’s liver. An underground ghost. Lukas Guides Newsletter, 29 Februarie. https://www.lukasguides.com/the-rivers-liver.
Majeed, LR, LF Majeed, S Rashid, SA Bhat, N Kumar en V Kumar. 2024. Intensification of contaminants, hydrology, and pollution of hyporheic zone: the liver of river ecology – a review. Environmental Sustainability, 7:121–33. https://doi.org/10.1007/s42398-023-00290-9.
Reith, CJ, S Spahr, A Putschew en J Lewandowski. 2023. Attenuation of trace organic compounds along hyporheic flow paths in a lowland sandbed stream. Journal of Hydrology, 624:129905. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129905.
Sánchez-Morales, M, F Sabater en I Muñoz. 2018. Effects of urban wastewater on hyporheic habitat and invertebrates in Mediterranean streams. Science of the Total Environment, 642:937–45. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.06.132.
Lees ook:
Yet again, turmoil around a small town’s water: Cradock’s story and its wider messages