Strefa Hyporheic - Hyporheic zone

Strefa hyporheic to obszar osadów i przestrzeni porowatych pod i wzdłuż koryta potoku , gdzie dochodzi do mieszania się płytkich wód podziemnych i powierzchniowych . Uznaje się, że dynamika przepływu i zachowanie w tej strefie (określane jako przepływ hiporeiczny lub dolny ) jest ważna między innymi dla interakcji wody powierzchniowej i gruntowej, a także dla tarła ryb . Jako innowacyjna praktyka zarządzania wodą miejską , strefa hyporheic może być zaprojektowana przez inżynierów i aktywnie zarządzana w celu poprawy zarówno jakości wody, jak i siedlisk nadbrzeżnych .

Skupisko z organizmów , które zamieszkują ten obszar nazywa hyporheos .

Termin hyporheic został pierwotnie ukuty przez Traiana Orghidana w 1959 roku przez połączenie dwóch greckich słów: hypo (poniżej) i rheos (przepływ).

Strefa hyporheiczna i hydrologia

Proces strefy hypoheicznej

Strefa hyporheic to obszar szybkiej wymiany, w którym woda jest przemieszczana do i z koryta strumienia i przenosi ze sobą rozpuszczony gaz i substancje rozpuszczone, zanieczyszczenia, mikroorganizmy i cząstki. W zależności od podstawowej geologii i topografii, strefa hyporheic może mieć tylko kilka centymetrów głębokości lub rozciągać się na kilkadziesiąt metrów w bok lub w głąb.

Ramy koncepcyjne strefy hyporheicznej jako strefy mieszania i magazynowania są integralną częścią badań hydrologicznych . Pierwszym kluczowym pojęciem związanym ze strefą hiporeiczną jest czas przebywania ; woda w korycie porusza się znacznie szybciej niż w strefie hiporeicznej, więc ten przepływ wolniejszej wody skutecznie wydłuża czas przebywania wody w korycie cieku. Czasy przebywania w wodzie wpływają na tempo przetwarzania składników odżywczych i węgla. Dłuższe czasy przebywania sprzyjają retencji rozpuszczonej substancji rozpuszczonej, która może być później uwolniona z powrotem do kanału, opóźniając lub tłumiąc sygnały wytwarzane przez kanał strumienia.

Inną kluczową koncepcją jest wymiana hiporeiczna, czyli prędkość, z jaką woda wpływa lub opuszcza strefę podpowierzchniową. Woda ze strumienia tymczasowo wchodzi do strefy hyporheicznej, ale ostatecznie woda ze strumienia wraca do kanału powierzchniowego lub przyczynia się do magazynowania wód podziemnych. Na szybkość wymiany hiporeicznej wpływa struktura koryta, z krótszymi drogami przepływu wody tworzonymi przez chropowatość koryta. Dłuższe ścieżki przepływu są indukowane przez cechy geomorficzne, takie jak wzory meandrów strumieni, sekwencje basenów, duże tamy z gruzu drzewnego i inne cechy.

Strefa hiporeiczna i jej interakcje wpływają na objętość wody w strumieniu, która jest przemieszczana w dół. Zyski wskazują, że wody gruntowe są odprowadzane do strumienia, gdy woda płynie w dół, tak że objętość wody w głównym kanale wzrasta z góry na dół. Odwrotnie, gdy woda powierzchniowa infiltruje do strefy wód gruntowych (co powoduje utratę netto wody powierzchniowej), wówczas zasięg strumienia uważa się za „tracący” wodę.

Strefa hyporeiczna zapewnia szereg korzyści ekologicznych. Przykłady obejmują:

  • Siedlisko i schronienie dla różnych gatunków ryb, roślin wodnych i organizmów śródmiąższowych;
  • Zmniejszenie stężenia zanieczyszczeń rozpuszczonych w wodzie potoku;
  • Kontrola wymiany wody i substancji rozpuszczonych między głównym nurtem a wodami gruntowymi;
  • Łagodzenie temperatury wody w rzekach.

Badanie Strefy Hyporheicznej

Ekosystem strumieni lub rzek to coś więcej niż tylko płynąca woda, którą można zobaczyć na powierzchni: rzeki są połączone z przyległymi obszarami nadbrzeżnymi. Dlatego strumienie i rzeki obejmują dynamiczną strefę hiporeiczną, która leży poniżej i z boku głównego kanału. Ponieważ strefa hyporheic znajduje się pod wodą powierzchniową, jej identyfikacja, kwantyfikacja i obserwacja mogą być trudne. Jednak strefa hyporeiczna jest strefą aktywności biologicznej i fizycznej, a zatem ma znaczenie funkcjonalne dla ekosystemów potokowych i rzecznych. Naukowcy wykorzystują narzędzia, takie jak studnie i piezometry , znaczniki konserwatywne i reaktywne oraz modele transportu, które uwzględniają adwekcję i dyspersję wody zarówno w kanale strumienia, jak i pod powierzchnią. Narzędzia te mogą być używane niezależnie do badania ruchu wody w strefie hyporheicznej i do kanału strumienia, ale często uzupełniają się, aby uzyskać dokładniejszy obraz dynamiki wody w całym kanale.

Znaczenie biogeochemiczne

Strefa hiporeiczna jest ekotonem między strumieniem a powierzchnią podpowierzchniową: jest to dynamiczny obszar mieszania się wód powierzchniowych i podziemnych na granicy osad-woda. Z biogeochemicznego punktu widzenia wody gruntowe często mają niską zawartość rozpuszczonego tlenu, ale niosą rozpuszczone składniki odżywcze. Odwrotnie, woda strumieniowa z głównego kanału zawiera więcej rozpuszczonego tlenu i mniej składników odżywczych. Tworzy to gradient biogeochemiczny, który może występować na różnych głębokościach w zależności od zasięgu strefy hyporheicznej. Często strefa hyporheic jest zdominowana przez mikroorganizmy heterotroficzne, które przetwarzają rozpuszczone składniki odżywcze wymieniane na tym interfejsie.

Strefa hiporeiczna: główne cechy i przyczyny wymiany hiporeicznej

Główne różnice między wodami powierzchniowymi i gruntowymi dotyczą stężenia tlenu, temperatury i pH. Jako obszar styku głównego nurtu z wodami gruntowymi, strefa hyporheic podlega fizykochemicznym gradientom generującym reakcje biochemiczne, które mogą regulować zachowanie związków chemicznych i organizmów wodnych w obszarze wymiany. Strefa hyporheic stanowi ważny wkład w tłumienie zanieczyszczeń rozpuszczonych w wodzie kanału oraz w obieg energii, składników odżywczych i związków organicznych. Ponadto wykazuje znaczną kontrolę transportu zanieczyszczeń przez dorzecze.

Główne czynniki wpływające na wyniki wymiany hiporeicznej:

  • Geometria warstwy wodonośnej i właściwości hydrauliczne;
  • Czasowa zmienność wysokości zwierciadła wody;
  • Charakterystyka topograficzna i przepuszczalność koryta;
  • Gradienty poziome generowane przez zmienność morfologii planimetrycznej głównego kanału.


Bibliografia

  1. ^ Lewandowski, Jörg (2019). „Czy strefa hiporeiczna ma znaczenie poza społecznością naukową?” . Woda . 11 (11): 2230. doi : 10.3390/w11112230 .
  2. ^ Lawrence, JE; M. Skolda; FA Hussain; D. Silvermana; VH Resz; DL Sedlak; RG Luthy; JE McCray (14 sierpnia 2013). „Strefa Hyperheic w strumieniach miejskich: przegląd i możliwości poprawy jakości wody i poprawy siedlisk wodnych poprzez aktywne zarządzanie”. Inżynieria środowiska . 47 (8): 480-501. doi : 10.1089/ees.2012.0235 .
  3. ^ Orghidan, T. (1959). „Ein neuer Lebensraum des unterirdischen Wassers: Der hyporheische Biotop”. Archiwum hydrobiologii . 55 : 392–414.
  4. ^ Bencala, Kenneth E. (2000). „Procesy hydrologiczne strefy hyporheicznej”. Procesy hydrologiczne . 14 (15): 2797–2798. Kod bib : 2000HyPr...14.2797B . doi : 10.1002/1099-1085(20001030)14:15<2797::AID-HYP402>3.0.CO;2-6 . ISSN  1099-1085 .
  5. ^ Grimm, Nancy B .; Fisher, Stuart G. (1984-01-01). „Wymiana między wodami śródmiąższowymi i powierzchniowymi: implikacje dla metabolizmu strumienia i obiegu składników odżywczych”. Hydrobiologia . 111 (3): 219–228. doi : 10.1007/BF00007202 . ISSN  1573-5117 . S2CID  40029109 .
  6. ^ Findlay Stuart (1995). „Znaczenie wymiany powierzchniowo-podpowierzchniowej w ekosystemach strumieniowych: strefa hiporeiczna” . Limnologia i oceanografia . 40 (1): 159–164. Kod Bib : 1995LimOc..40..159F . doi : 10.4319/lo.1995.40.1.0159 . ISSN  1939-5590 .
  7. ^ Bencala, Kenneth E. (2006), "Hyporheic Exchange Flows", Encyklopedia Nauk Hydrologicznych , American Cancer Society, doi : 10.1002/0470848944.hsa126 , ISBN 9780470848944
  8. ^ Kasahara, Tamao; Wonderzell, Steven M. (2003). „Geomorficzne kontrole przepływu wymiany hiporeicznej w potokach górskich” . Badania zasobów wodnych . 39 (1): SBH 3-1–SBH 3-14. Kod bib : 2003WRR .... 39.1005K . doi : 10.1029/2002WR001386 . ISSN  1944-7973 .
  9. ^ Harvey, Judson W.; Bencala, Kenneth E. (1993). „Wpływ topografii dna potoku na wymianę wód powierzchniowo-podpowierzchniowych w zlewniach górskich”. Badania zasobów wodnych . 29 (1): 89-98. Kod Bibcode : 1993WRR....29...89H . doi : 10.1029/92WR01960 . ISSN  1944-7973 .
  10. ^ Poradnik hiporeiczny: podręcznik o styku wody gruntowej z wodą powierzchniową i strefie hiporeicznej dla zarządców środowiska . Agencja Ochrony Środowiska. 2009. ISBN 978-1-84911-131-7.
  11. ^ „Perspektywa ekosystemu rzek aluwialnych: łączność i korytarz hyporheic | Scinapse | Akademicka wyszukiwarka papieru” . Scinpse . Pobrano 15.03.2019 .
  12. ^ Boulton, Andrew J.; Findlay, Stuart; Marmonier, Pierre; Stanley, Emily H.; Valett, H. Maurice (1998-11-01). „Funkcjonalne znaczenie strefy hyporheic w strumieniach i rzekach”. Roczny Przegląd Ekologii i Systematyki . 29 (1): 59–81. doi : 10.1146/annurev.ecolsys.29.1.59 . ISSN  0066-4162 .
  13. ^ Mulholland, Patrick J.; Czołg, Jennifer L .; Sanzone, Diane M.; Wollheim, Wilfred M.; Peterson, Bruce J.; Webster, Jackson R.; Meyer, Judy L. (2000). „Cykl azotu w strumieniu leśnym określony przez dodanie znacznika 15n”. Monografie ekologiczne . 70 (3): 471–493. doi : 10.1890/0012-9615(2000)070[0471:NCIAFS]2.0.CO;2 . hdl : 10919/46856 . ISSN  1557-7015 .
  14. ^ Bencala, Kenneth E.; Walters, Roy A. (1983). „Symulacja transportu substancji rozpuszczonej w górskim strumieniu basen-i-Riffle: Przejściowy model przechowywania”. Badania zasobów wodnych . 19 (3): 718-724. Kod Bibcode : 1983WRR....19..718B . doi : 10.1029/WR019i003p00718 . hdl : 2027/uc1.31210024756569 . ISSN  1944-7973 .
  15. ^ Podręcznik hyporheic : podręcznik o styku wody gruntowej i powierzchniowej i strefie hyporheicznej dla zarządców środowiska . Agencja Ochrony Środowiska. 2009. ISBN 9781849111317.
  16. ^ Brunke, Maciej; Gonser, Tom (1997). „Ekologiczne znaczenie procesów wymiany między rzekami a wodami podziemnymi”. Biologia słodkowodna . 37 (1): 1-33. doi : 10.1046/j.1365-2427.1997.00143.x . ISSN  1365-2427 .
  17. ^ Gandy, CJ; Smith, JWN; Jarvis, AP (15 lutego 2007). „Osłabienie zanieczyszczeń pochodzenia górniczego w strefie hiporeicznej: przegląd”. Nauka o całkowitym środowisku . 373 (2): 435–446. Kod Bib : 2007ScTEn.373..435G . doi : 10.1016/j.scitotenv.2006.11.004 . ISSN  0048-9697 . PMID  17173955 .
  18. ^ Biały, David S. (1 marca 1993). „Perspektywy na definiowanie i wytyczanie stref Hyporheic”. Journal of the North American Benthological Society . 12 (1): 61-69. doi : 10.2307/1467686 . ISSN  0887-3593 . JSTOR  1467686 .
  19. ^ Smith, JWN; Surridge, BWJ; Haxton, TH; Lerner, DN (15 maja 2009). „Atenuacja zanieczyszczeń na styku wód gruntowych z wodami powierzchniowymi: schemat klasyfikacji i analiza statystyczna z wykorzystaniem danych azotanów w skali krajowej”. Czasopismo Hydrologii . 369 (3): 392-402. Kod bib : 2009JHyd..369..392S . doi : 10.1016/j.jhydrol.2009.02.026 . ISSN  0022-1694 .
  20. ^ Harvey, F. Edwin; Lee, David R.; Rudolf, David L.; Frape, Shaun K. (listopad 1997). „Lokalizowanie zrzutów wód gruntowych w dużych jeziorach za pomocą mapowania przewodności elektrycznej osadów dennych”. Badania zasobów wodnych . 33 (11): 2609–2615. Kod Bibcode : 1997WRR....33.2609H . doi : 10.1029/97WR01702 .
  21. ^ Zamrozić, R. Allan; Witherspoon, PA (1967). „Analiza teoretyczna regionalnego przepływu wód podziemnych: 2. Wpływ konfiguracji zwierciadła wody i zmiany przepuszczalności podpowierzchniowej”. Badania zasobów wodnych . 3 (2): 623–634. Kod Bibcode : 1967WRR.....3..623F . doi : 10.1029/WR003i002p00623 . ISSN  1944-7973 .
  22. ^ Zima Thomas C. (1995). „Ostatnie postępy w zrozumieniu interakcji wód gruntowych i powierzchniowych”. Recenzje Geofizyki . 33 (S2): 985-994. Kod bib : 1995RvGeo..33S.985W . doi : 10.1029/95RG00115 . ISSN  1944-9208 .
  23. ^ Pinder, George F.; Sauer, Stanley P. (1971). „Symulacja numeryczna modyfikacji fali powodziowej ze względu na efekty przechowywania banku”. Badania zasobów wodnych . 7 (1): 63–70. Kod bib : 1971WRR.....7...63P . doi : 10.1029/WR007i001p00063 . ISSN  1944-7973 .
  24. ^ Harvey, Judson W.; Bencala, Kenneth E. (1993). „Wpływ topografii dna potoku na wymianę wód powierzchniowo-podpowierzchniowych w zlewniach górskich”. Badania zasobów wodnych . 29 (1): 89-98. Kod Bibcode : 1993WRR....29...89H . doi : 10.1029/92WR01960 . ISSN  1944-7973 .
  25. ^ Cardenas, M. Bayani (2009). „Model bocznego przepływu hiporeicznego oparty na nachyleniu doliny i sinusowatości kanału” . Badania zasobów wodnych . 45 (1): W01501. Kod Bibcode : 2009WRR....45.1501C . doi : 10.1029/2008WR007442 . ISSN  1944-7973 .

Zewnętrzne linki


Ikona skrótu

Ten artykuł dotyczący dynamiki płynów jest skrótem . Możesz pomóc Wikipedii, rozwijając ją .