Hydrologia - Hydrology

Deszcz nad zlewnią Szkocji . Zrozumienie obiegu wody do, przez i ze zlewni jest kluczowym elementem hydrologii.

Hydrologia (z greckiego: ὕδωρ , „hýdōr” oznaczające „wodę” i λόγος , „lógos” oznaczające „badania”) to naukowe badanie ruchu, dystrybucji i zarządzania wodą na Ziemi i innych planetach, w tym obiegu wody , zasoby wodne i zrównoważony rozwój zlewni. Praktyk hydrologii nazywa się hydrologiem. Hydrolodzy to naukowcy badający nauki o ziemi lub środowisku , inżynierię lądową lub środowiskową oraz geografię fizyczną . Korzystając z różnych metod analitycznych i technik naukowych, zbierają i analizują dane, aby pomóc w rozwiązywaniu problemów związanych z wodą, takich jak ochrona środowiska , klęski żywiołowe i gospodarka wodna .

Hydrologia dzieli się na hydrologię wód powierzchniowych, hydrologię wód podziemnych (hydrogeologię) i hydrologię morską. Dziedziny hydrologii obejmują hydrometeorologię , hydrologię powierzchniową , hydrogeologię , gospodarkę zlewniową oraz jakość wód , gdzie woda odgrywa główną rolę.

Oceanografia i meteorologia nie są uwzględnione, ponieważ woda jest tylko jednym z wielu ważnych aspektów w tych dziedzinach.

Badania hydrologiczne mogą wpłynąć na inżynierię środowiska, politykę i planowanie .

Gałęzie

  • Hydrologia chemiczna to nauka o właściwościach chemicznych wody.
  • Ekohydrologia to nauka o interakcjach między organizmami a cyklem hydrologicznym.
  • Hydrogeologia to badanie obecności i ruchu wód gruntowych.
  • Hydrogeochemia to badanie, w jaki sposób woda lądowa rozpuszcza minerały wietrzenie i ten wpływ na chemię wody.
  • Hydroinformatyka to adaptacja technologii informatycznych do zastosowań w hydrologii i zasobach wodnych.
  • Hydrometeorologia zajmuje się badaniem transferu wody i energii między powierzchniami lądu i akwenów wodnych a niższą atmosferą.
  • Hydrologia izotopowa zajmuje się badaniem sygnatur izotopowych wody.
  • Hydrologia powierzchniowa to nauka o procesach hydrologicznych zachodzących na powierzchni Ziemi lub w jej pobliżu.
  • Zarządzanie zlewniami obejmuje retencjonowanie wody w postaci zbiorników oraz ochronę przeciwpowodziową.
  • Jakość wody obejmuje skład chemiczny wody w rzekach i jeziorach, zarówno zanieczyszczeń, jak i naturalnych substancji rozpuszczonych.

Aplikacje

Historia

Akwedukt rzymski w Caesarea Maritima , sprowadzający do osady wodę z wilgotniejszych gór Karmelu .

Hydrologia jest przedmiotem badań i inżynierii od tysiącleci. Na przykład około 4000 rpne Nil został spiętrzony, aby poprawić wydajność rolnictwa na wcześniej jałowych ziemiach. Miasta mezopotamskie były chronione przed powodzią wysokimi ziemnymi murami. Akwedukty zbudowali Grecy i Rzymianie , natomiast historia pokazuje, że Chińczycy budowali prace nawadniające i przeciwpowodziowe. Starożytni Syngaleczycy wykorzystywali hydrologię do budowy skomplikowanych prac irygacyjnych na Sri Lance , znanej również z wynalezienia szybu zaworowego, który umożliwił budowę dużych zbiorników, zbiorników wodnych i kanałów, które nadal funkcjonują.

Marek Witruwiusz w I wieku p.n.e. opisał filozoficzną teorię cyklu hydrologicznego, w której opady spadające w górach przenikały do ​​powierzchni Ziemi i prowadziły do ​​strumieni i źródeł na nizinach. Dzięki przyjęciu bardziej naukowego podejścia Leonardo da Vinci i Bernard Palissy niezależnie osiągnęli dokładne odwzorowanie cyklu hydrologicznego. Dopiero w XVII wieku zaczęto określać ilościowo zmienne hydrologiczne.

Do pionierów współczesnej nauki hydrologicznej należą Pierre Perrault , Edme Mariotte i Edmund Halley . Mierząc opady, spływy i obszar odwadniania, Perrault wykazał, że opady były wystarczające, aby uwzględnić przepływ Sekwany. Mariotte połączył pomiary prędkości i przekroju rzeki, aby uzyskać wartość przepływu, ponownie w Sekwanie. Halley wykazał, że parowanie z Morza Śródziemnego było wystarczające, aby wyjaśnić odpływ rzek wpadających do morza.

Postępy w 18 wieku obejmowały Bernoulliego Piezometer i równania Bernoulliego , przez Daniela Bernoulliego , oraz rurki Pitota , przez Henri Pitota . W XIX wieku nastąpił rozwój hydrologii wód podziemnych, w tym prawo Darcy'ego , wzór dla studni Dupuita-Thiema oraz równanie przepływu kapilarnego Hagena- Poiseuille'a .

Analizy racjonalne zaczęły zastępować empiryzm w XX wieku, a agencje rządowe rozpoczęły własne programy badań hydrologicznych. Szczególne znaczenie miały hydrograf jednostkowy Leroya Shermana , teoria infiltracji Roberta E. Hortona oraz test/równanie poziomu wodonośnego CV Theisa opisujące hydraulikę odwiertów.

Od lat pięćdziesiątych XX wieku do hydrologii podchodzi się bardziej teoretycznie niż w przeszłości, dzięki postępowi w fizycznym zrozumieniu procesów hydrologicznych oraz pojawieniu się komputerów, a zwłaszcza systemów informacji geograficznej (GIS). (Zobacz także GIS i hydrologia )

Motywy

Głównym tematem hydrologii jest to, że woda krąży po Ziemi różnymi drogami iw różnym tempie. Najbardziej żywym tego obrazem jest parowanie wody z oceanu, która tworzy chmury. Te chmury dryfują nad lądem i wytwarzają deszcz. Woda deszczowa wpływa do jezior, rzek lub warstw wodonośnych. Woda w jeziorach, rzekach i warstwach wodonośnych albo wyparowuje z powrotem do atmosfery, albo ostatecznie spływa z powrotem do oceanu, kończąc cykl. W trakcie tego cyklu woda kilkakrotnie zmienia swój stan istnienia.

Dziedziny badań w hydrologii dotyczą przemieszczania się wody pomiędzy różnymi jej stanami lub w obrębie danego stanu lub po prostu kwantyfikacji ilości w tych stanach w danym regionie. Część hydrologii dotyczy opracowywania metod bezpośredniego pomiaru tych przepływów lub ilości wody, podczas gdy inne dotyczą modelowania tych procesów albo dla wiedzy naukowej, albo dla przewidywania w zastosowaniach praktycznych.

Wody gruntowe

Budowanie mapy konturów wód podziemnych

Woda gruntowa to woda pod powierzchnią Ziemi, często pompowana do picia. Hydrologia wód podziemnych ( hydrogeologia ) uwzględnia ilościowe określenie przepływu wód podziemnych i transportu substancji rozpuszczonych. Problemy w opisie strefy nasyconej obejmują scharakteryzowanie poziomów wodonośnych pod względem kierunku przepływu, ciśnienia wód gruntowych oraz, przez wnioskowanie, głębokości wód gruntowych (patrz: badanie poziomu wodonośnego ). Pomiary można tutaj wykonać za pomocą piezometru . Warstwy wodonośne są również opisywane w kategoriach przewodnictwa hydraulicznego, magazynowania i przepuszczalności. Istnieje szereg geofizycznych metod charakteryzowania warstw wodonośnych. Występują również problemy w charakterystyce strefy wadozy (strefy nienasyconej).

Infiltracja

Infiltracja to proces, w którym woda przedostaje się do gleby. Część wody jest wchłaniana, a reszta przesącza się do lustra wody . Zdolność infiltracji, czyli maksymalna szybkość, z jaką gleba może wchłaniać wodę, zależy od kilku czynników. Już nasączona warstwa zapewnia opór proporcjonalny do jej grubości, a ta plus głębokość wody nad gruntem zapewnia siłę napędową ( głowica hydrauliczna ). Sucha gleba może umożliwić szybką infiltrację przez działanie kapilarne ; siła ta maleje, gdy gleba staje się wilgotna. Zagęszczanie zmniejsza porowatość i rozmiary porów. Pokrycie powierzchni zwiększa wydajność, opóźniając spływanie, zmniejszając zagęszczanie i inne procesy. Wyższe temperatury zmniejszają lepkość , zwiększając infiltrację.

Wilgotność gleby

Wilgotność gleby można mierzyć na różne sposoby; za pomocą sondy pojemnościowej , reflektometru w dziedzinie czasu lub tensjometru . Inne metody obejmują pobieranie próbek substancji rozpuszczonych i metody geofizyczne.

Przepływ wód powierzchniowych

Hydrogramu powódź przedstawiający scenę na rzece SHAWSHEEN w Wilmington.

Hydrologia rozważa ilościowe określenie przepływu wód powierzchniowych i transportu substancji rozpuszczonych, chociaż traktowanie przepływów w dużych rzekach jest czasami uważane za odrębny temat hydrauliki lub hydrodynamiki. Przepływ wód powierzchniowych może obejmować przepływ zarówno w rozpoznawalnych kanałach rzecznych, jak i nie tylko. Metody pomiaru przepływu po dotarciu wody do rzeki obejmują wodowskaz (patrz: odpływ ) oraz techniki znacznikowe. Inne tematy obejmują transport chemiczny w ramach wód powierzchniowych, transport osadów i erozję.

Jednym z ważnych obszarów hydrologii jest wymiana rzek i warstw wodonośnych. Interakcje wód podziemnych i powierzchniowych w strumieniach i warstwach wodonośnych mogą być złożone, a kierunek przepływu wód netto (do wód powierzchniowych lub do warstwy wodonośnej) może zmieniać się przestrzennie wzdłuż koryta strumienia i w czasie w dowolnym konkretnym miejscu, w zależności od relacji między etapami strumienia i poziom wód gruntowych.

Opady i parowanie

Standardowy miernik deszczu NOAA

W niektórych rozważaniach uważa się, że hydrologia zaczyna się na granicy ląd-atmosfera, dlatego ważne jest posiadanie odpowiedniej wiedzy na temat opadów i parowania. Opady można mierzyć na różne sposoby: disdrometr do charakterystyki opadów w dokładnej skali czasowej; radar do właściwości chmur, szacowania opadów deszczu, wykrywania gradu i śniegu; deszczomierz do rutynowych dokładnych pomiarów deszczu i śniegu; satelita do identyfikacji obszarów deszczowych, szacowania natężenia opadów, pokrycia terenu/użytkowania terenu i wilgotności gleby, na przykład.

Parowanie jest ważną częścią obiegu wody. Częściowo ma na nią wpływ wilgotność, którą można zmierzyć za pomocą psychrometru . Wpływa na nią również obecność śniegu, gradu i lodu i może być związana z rosą, mgłą i mgłą. Hydrologia rozważa parowanie różnych form: z powierzchni wody; jako transpiracja z powierzchni roślin w ekosystemach naturalnych i agronomicznych. Bezpośredni pomiar parowania można uzyskać za pomocą miski parownika Simona .

Szczegółowe badania parowania obejmują rozważania dotyczące warstwy granicznej, a także pędu, strumienia ciepła i budżetów energetycznych.

Teledetekcja

Szacunki zmian w magazynowaniu wody wokół Tygrysu i Eufratu , zmierzone przez satelity NASA GRACE . Satelity mierzą niewielkie zmiany przyspieszenia grawitacyjnego, które można następnie przetworzyć w celu ujawnienia ruchu wody w wyniku zmian jej całkowitej masy.

Teledetekcja procesów hydrologicznych może dostarczyć informacji o miejscach, w których czujniki in situ mogą być niedostępne lub nieliczne. Umożliwia również obserwacje w dużych zakresach przestrzennych. Wiele zmiennych składających się na bilans wody lądowej, na przykład magazynowanie wód powierzchniowych , wilgotność gleby , opady atmosferyczne , ewapotranspiracja oraz śnieg i lód , można zmierzyć za pomocą teledetekcji w różnych przestrzenno-czasowych rozdzielczościach i dokładnościach. Źródła teledetekcji obejmują czujniki naziemne, czujniki powietrzne i czujniki satelitarne, które mogą na przykład przechwytywać dane mikrofalowe , termiczne i bliskie podczerwieni lub wykorzystywać lidar .

Jakość wody

W hydrologii badania jakości wody dotyczą związków organicznych i nieorganicznych, a także materiału rozpuszczonego i osadowego. Ponadto na jakość wody wpływa oddziaływanie rozpuszczonego tlenu z materiałem organicznym oraz różne przemiany chemiczne, które mogą mieć miejsce. Pomiary jakości wody mogą obejmować zarówno metody in situ, w których analizy odbywają się na miejscu, często automatycznie, jak i analizy laboratoryjne i mogą obejmować analizę mikrobiologiczną .

Integracja pomiarów i modelowania

Prognoza

Obserwacje procesów hydrologicznych służą do prognozowania przyszłego zachowania systemów hydrologicznych (przepływ wody, jakość wody). Jednym z głównych bieżących problemów w badaniach hydrologicznych jest „Prognoza w basenach nieoznaczonych” (PUB), tj. w basenach, w których nie ma danych lub jest ich bardzo niewiele.

Hydrologia statystyczna

Analizując statystyczne właściwości zapisów hydrologicznych, takich jak opady deszczu lub przepływ rzeki, hydrolodzy mogą oszacować przyszłe zjawiska hydrologiczne. Dokonując oceny, jak często będą miały miejsce zdarzenia stosunkowo rzadkie, dokonuje się analiz pod kątem okresu powrotu takich zdarzeń. Innymi interesującymi wielkościami są średni przepływ w rzece, w roku lub w sezonie.

Szacunki te są ważne dla inżynierów i ekonomistów, aby można było przeprowadzić odpowiednią analizę ryzyka, aby wpłynąć na decyzje inwestycyjne w przyszłej infrastrukturze i określić charakterystyki niezawodności wydajności systemów wodociągowych. Informacje statystyczne są wykorzystywane do formułowania zasad działania dużych zapór stanowiących część systemów obejmujących potrzeby rolnicze, przemysłowe i mieszkaniowe .

Modelowanie

Widok z góry symulowanego przepływu wody przez zlewnię przy użyciu modelu hydrologicznego SHETRAN .

Modele hydrologiczne to uproszczone, koncepcyjne reprezentacje części cyklu hydrologicznego. Są one używane przede wszystkim do prognozowania hydrologicznego i do zrozumienia procesów hydrologicznych w ogólnej dziedzinie modelowania naukowego . Można wyróżnić dwa główne typy modeli hydrologicznych:

  • Modele oparte na danych. Modele te są systemami czarnoskrzynkowymi , wykorzystującymi pojęcia matematyczne i statystyczne do powiązania pewnych danych wejściowych (na przykład opadów) z danymi wyjściowymi modelu (na przykład spływem ). Powszechnie stosowanymi technikami są regresja , funkcje transferu i identyfikacja systemu . Najprostszym z tych modeli mogą być modele liniowe, ale często stosuje się nieliniowe komponenty w celu przedstawienia pewnych ogólnych aspektów reakcji zlewni bez zagłębiania się w rzeczywiste procesy fizyczne. Przykładem takiego aspektu jest dobrze znane zachowanie, że zlewnia zareaguje znacznie szybciej i silniej, gdy jest już mokra, niż gdy jest sucha.
  • Modele oparte na opisach procesów. Modele te starają się reprezentować procesy fizyczne obserwowane w świecie rzeczywistym. Zazwyczaj takie modele zawierają reprezentacje spływu powierzchniowego , przepływu podpowierzchniowego , ewapotranspiracji i przepływu kanałowego , ale mogą być znacznie bardziej skomplikowane. W ramach tej kategorii modele można podzielić na konceptualne i deterministyczne. Modele koncepcyjne łączą uproszczone reprezentacje procesów hydrologicznych na danym obszarze, podczas gdy modele deterministyczne dążą do rozwiązania jak największej części fizyki systemu. Modele te można podzielić na modele jednozdarzeniowe i modele ciągłej symulacji.

Ostatnie badania nad modelowaniem hydrologicznym mają na celu wypracowanie bardziej globalnego podejścia do zrozumienia zachowania systemów hydrologicznych, aby lepiej prognozować i stawić czoła głównym wyzwaniom w zarządzaniu zasobami wodnymi.

Transport

Ruch wody jest ważnym środkiem transportu z miejsca na miejsce innych materiałów, takich jak ziemia, żwir, głazy czy zanieczyszczenia. Wstępny dopływ do odbiorników wodnych może pochodzić ze źródła punktowego lub źródła liniowego lub obszarowego , takiego jak spływ powierzchniowy . Od lat 60. opracowano dość złożone modele matematyczne , ułatwione dzięki dostępności szybkich komputerów. Najczęściej analizowanymi klasami zanieczyszczeń są składniki odżywcze , pestycydy , całkowita ilość rozpuszczonych ciał stałych i osady .

Organizacje

Organizacje międzyrządowe

Międzynarodowe instytucje badawcze

Krajowe jednostki badawcze

Stowarzyszenia krajowe i międzynarodowe

Przeglądy zlewni i zlewni

  • Connected Waters Initiative, University of New South Wales – Badanie i podnoszenie świadomości na temat problemów związanych z wodami gruntowymi i zasobami wodnymi w Australii
  • Murray Darling Basin Initiative, Departament Środowiska i Dziedzictwa, Australia

Czasopisma naukowe

  • International Journal of Hydrology Science and Technology
  • Procesy hydrologiczne , ISSN  1099-1085 (elektroniczny) 0885-6087 (papier), John Wiley & Sons
  • Hydrology Research , ISSN  0029-1277 , IWA Publishing (dawniej Nordic Hydrology )
  • Journal of Hydroinformatics , ISSN  1464-7141 , IWA Publishing
  • Journal of Hydrologic Engineering , ISSN  0733-9496 ,publikacja ASCE
  • Czasopismo Hydrologii
  • Badania wody
  • Badania zasobów wodnych
  • Hydrological Sciences Journal - Journal of International Association of Hydrological Sciences (IAHS) ISSN  0262-6667 (drukowany), ISSN  2150-3435 (online)

Zobacz też

Inne dziedziny związane z wodą
  • Oceanografia to bardziej ogólne badanie wody w oceanach i ujściach rzek.
  • Meteorologia to bardziej ogólne badanie atmosfery i pogody, w tym opadów atmosferycznych, takich jak śnieg i opady deszczu.
  • Limnologia zajmuje się badaniem ekosystemów jezior, rzek i terenów podmokłych. Obejmuje biologiczne, chemiczne, fizyczne, geologiczne i inne cechy wszystkich wód śródlądowych (wody płynące i stojące, zarówno słodkie, jak i słone, naturalne lub stworzone przez człowieka).
  • Zasoby wodne to źródła wody przydatne lub potencjalnie przydatne. Hydrologia bada dostępność tych zasobów, ale zwykle nie ich zastosowania.

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Eslamian, S., 2014, (red.) Handbook of Engineering Hydrology, tom. 1: Podstawy i zastosowania, Francis i Taylor, CRC Group, 636 Pages, USA.
  • Eslamian, S., 2014, (red.) Handbook of Engineering Hydrology, tom. 2: Modelowanie, zmiany klimatyczne i zmienność, Francis i Taylor, CRC Group, 646 Pages, USA.
  • Eslamian, S, 2014, (red.) Handbook of Engineering Hydrology, tom. 3: Hydrologia środowiskowa i gospodarka wodna, Francis i Taylor, CRC Group, 606 Pages, USA.
  • Anderson, Malcolm G.; McDonnell, Jeffrey J., wyd. (2005). Encyklopedia nauk hydrologicznych . Hoboken, NJ: Wiley. Numer ISBN 0-471-49103-9.
  • Hendriks, Martin R. (2010). Wprowadzenie do hydrologii fizycznej . Oksford: Oxford University Press. Numer ISBN 978-0-19-929684-2.
  • Hornberger, George M.; Wiberg, Patricia L .; Raffensperger, Jeffrey P.; D'Odorico, Paolo P. (2014). Elementy hydrologii fizycznej (wyd. 2). Baltimore, MD: Johns Hopkins University Press. Numer ISBN 9781421413730.
  • Pokojówka, David R., wyd. (1993). Podręcznik hydrologii . Nowy Jork: McGraw-Hill. Numer ISBN 0-07-039732-5.
  • McCuen, Richard H. (2005). Analiza i projektowanie hydrologiczne (wyd. 3). Upper Saddle River, NJ: Pearson-Prentice Hall. Numer ISBN 0-13-142424-6.
  • Viessman Jr., Warren; Gary L. Lewis (2003). Wprowadzenie do hydrologii (wyd. 5). Upper Saddle River, NJ: Edukacja Pearson. Numer ISBN 0-673-99337-X.

Zewnętrzne linki