Strumień przepływu - Streamflow

Streamflow lub spływ kanałowy to przepływ wody w strumieniach , rzekach i innych kanałach i jest głównym elementem obiegu wody . Jest to jeden ze składników spływu wód z lądu do akwenów , drugi to spływ powierzchniowy . Woda płynąca w kanałach pochodzi ze spływów powierzchniowych z sąsiednich skarp, z odpływu wód gruntowych z gruntu oraz z wód odprowadzanych z rur. Odpływ wody przepływającej w kanale mierzona jest za pomocą mierników strumieniowych i może być określona przez równanie Manning . Zapis przepływu w czasie nazywany jest hydrografem . Do zalania dochodzi, gdy objętość wody przekracza pojemność kanału.

Rola w obiegu wody

Strumienie i rzeki odgrywają kluczową rolę w cyklu hydrologicznym , niezbędnym dla wszelkiego życia na Ziemi. Różnorodność gatunków biologicznych, od organizmów jednokomórkowych po kręgowce, jest uzależniona od systemów wód płynących, jeśli chodzi o ich siedliska i zasoby pokarmowe. Rzeki są głównymi krajobrazami wodnymi dla wszystkich rodzajów roślin i zwierząt. Rzeki pomagają nawet utrzymać pod ziemią warstwy wodonośne pełne wody, odprowadzając wodę w dół przez koryta strumieni. Ponadto oceany są pełne wody, ponieważ rzeki i spływy nieustannie je odświeżają. Przepływ strumieniowy jest głównym mechanizmem, za pomocą którego woda przemieszcza się z lądu do oceanów lub do basenów drenażu wewnętrznego .

Źródła strumienia

Źródła powierzchniowe i podpowierzchniowe: Odpływ strumienia pochodzi z czterech źródeł: opadów kanałowych, przepływu naziemnego, przepływu i wód gruntowych.

  • Opady kanałowe to wilgoć opadająca bezpośrednio na powierzchnię wody, a w większości strumieni dodaje bardzo niewiele do odprowadzania. Z drugiej strony wody gruntowe są głównym źródłem zrzutów iw dużych strumieniach stanowią większość średniego dziennego przepływu.
  • Wody gruntowe wpływają do koryta strumienia, gdzie kanał przecina zwierciadło wody, zapewniając stały dopływ wody, zwany przepływem podstawowym, zarówno w okresach suchych, jak i deszczowych. Ze względu na dużą podaż wód gruntowych dostępnych dla cieków oraz powolną reakcję wód gruntowych na opady, przepływ podstawy zmienia się stopniowo w czasie i rzadko jest główną przyczyną powodzi. Przyczynia się jednak do zalania, zapewniając scenę, na którą nakłada się spływ z innych źródeł.
  • Interflow to woda, która infiltruje glebę, a następnie przemieszcza się bocznie do kanału strumienia w strefie nad lustrem wody. Duża część tej wody jest przenoszona w samej glebie, a część porusza się po horyzontach. Obok przepływu bazowego jest najważniejszym źródłem odpływu strumieni na terenach zalesionych. Przepływ lądowy na obszarach silnie zalesionych w niewielkim stopniu przyczynia się do przepływu strumienia.
  • W regionach suchych, uprawnych i zurbanizowanych głównym źródłem przepływu strumieni jest zwykle przepływ lądowy lub spływ powierzchniowy . Przepływ lądowy to spływ wody deszczowej, który zaczyna się jako cienka warstwa wody, która porusza się bardzo powoli (zwykle mniej niż 0,25 stopy na sekundę) nad ziemią. Przy intensywnych opadach i przy braku barier, takich jak nierówny grunt, roślinność i absorbująca gleba, może się wspinać, szybko docierając do kanałów strumieniowych w ciągu kilku minut i powodując nagły wzrost przepływu. Najszybsze czasy reakcji między opadami deszczu a przepływem strumieni występują na obszarach zurbanizowanych, gdzie odpływy podwórzowe, rynny uliczne i kanały burzowe gromadzą spływ lądowy i kierują go bezpośrednio do strumieni. Prędkości spływu w rurach kanalizacji burzowej mogą sięgać od 10 do 15 stóp na sekundę.

Mechanizmy powodujące zmiany w przepływie strumienia

Rzeki ciągle się poruszają, co jest dobre dla środowiska, ponieważ stojąca woda nie pozostaje świeża i zachęcająca zbyt długo. Istnieje wiele czynników, zarówno naturalnych, jak i wywoływanych przez człowieka, które powodują ciągłe zmiany rzek:

Mechanizmy naturalne

  • Odpływ z opadów deszczu i roztopów
  • Parowanie z gleby i wód powierzchniowych
  • Transpiracja przez roślinność
  • Zrzut wód gruntowych z warstw wodonośnych
  • Zasilanie wód gruntowych ze zbiorników wód powierzchniowych
  • Sedymentacja jezior i terenów podmokłych
  • Tworzenie lub rozpraszanie lodowców, pól śnieżnych i wiecznej zmarzliny

Mechanizmy wywołane przez człowieka

  • Ujęcia wód powierzchniowych i zmiany dorzecza
  • Regulacja przepływu rzeki dla elektrowni wodnych i żeglugi
  • Budowa, usuwanie i sedymentacja zbiorników i stawów retencyjnych wód opadowych
  • Kanalizacja strumienia i budowa grobli
  • Drenaż lub rekultywacja terenów podmokłych
  • Zmiany użytkowania gruntów, takie jak urbanizacja, które zmieniają tempo erozji, infiltracji, przepływu lądowego lub ewapotranspiracji
  • Wyloty ścieków
  • Przepływ powrotny ścieków do nawadniania

Pomiar

Zobacz także: Miernik strumienia § Pomiar przepływu strumienia

Przepływ strumienia jest mierzony jako ilość wody przechodzącej przez określony punkt w czasie. Jednostki używane w Stanach Zjednoczonych to stopy sześcienne na sekundę , podczas gdy w większości innych krajów stosuje się metry sześcienne na sekundę . Jedna stopa sześcienna to 0,028 metra sześciennego. Istnieje wiele sposobów mierzenia przepływu strumienia lub kanału. Miernik strumienia zapewnia ciągły przepływ w czasie w jednym miejscu w celu zarządzania zasobami wodnymi i środowiskiem lub do innych celów. Wartości przepływu są lepszymi wskaźnikami niż wysokość skrajni warunków wzdłuż całej rzeki. Pomiary przepływu są wykonywane mniej więcej co sześć tygodni przez personel United States Geological Survey (USGS). Wchodzą do strumienia, aby dokonać pomiaru lub robią to z łodzi, mostu lub kolejki linowej nad strumieniem. Dla każdej stacji wodowskazowej zależność między wysokością wodowskazu a przepływem wyznaczana jest poprzez jednoczesne pomiary wysokości wodowskazu i przepływu w naturalnym zakresie przepływów (od bardzo niskich przepływów do powodzi). Relacja ta zapewnia dane strumienia bieżącego stanu z tej stacji. Do celów, które nie wymagają ciągłego pomiaru przepływu strumienia w czasie, można zastosować mierniki prądu lub akustyczne profilery prędkości Dopplera. Dla małych strumieni — kilkumetrowych lub mniejszych — można zainstalować jazy .

Przybliżenie

Jedną z nieformalnych metod, która zapewnia przybliżenie przepływu strumienia, nazywaną metodą Orange lub metodą Float, jest:

  1. Zmierz długość strumienia i zaznacz punkty początkowe i końcowe. Pożądana jest najdłuższa długość bez zmiany warunków strumienia, aby uzyskać najdokładniejszy pomiar.
  2. Umieść pomarańczę w punkcie początkowym i zmierz stoperem czas dotarcia do punktu końcowego. Powtórz to co najmniej trzy razy i uśrednij czasy pomiaru.
  3. Ekspresowa prędkość w metrach na sekundę. Jeżeli pomiary zostały wykonane w połowie strumienia (prędkość maksymalna), średnia prędkość strumienia wynosi około 0,8 prędkości zmierzonej dla dna nierównego (kamienistego) i 0,9 prędkości zmierzonej dla dna gładkiego (muł, piasek, gładkie podłoże skalne).

Monitorowanie przepływu w Stanach Zjednoczonych

W Stanach Zjednoczonych mierniki przepływu strumienia są finansowane głównie z funduszy stanowych i samorządowych. W roku podatkowym 2008 Urząd Geologiczny Stanów Zjednoczonych (USGS) zapewnił 35 procent środków na codzienną eksploatację i konserwację mierników. Dodatkowo USGS wykorzystuje hydrografy do badania przepływu w rzekach. Hydrogram to wykres pokazujący, najczęściej etap River (poziom wody nad dowolnej wysokości) i streamflow (ilość wody, zwykle w stopach sześciennych na sekundę). Można również wykreślić inne właściwości, takie jak opady i parametry jakości wody.

Metody prognozowania streamflow

W przypadku większości strumieni, zwłaszcza tych z małym zlewiskiem, brak jest danych dotyczących zrzutów. W takim przypadku możliwe jest oszacowanie zrzutu za pomocą metody racjonalnej lub jej zmodyfikowanej wersji. Jeśli jednak dla strumienia dostępne są chronologiczne zapisy wypływu, na podstawie hydrogramu można sporządzić krótkoterminową prognozę wypływu dla danej ulewy .

Metoda hydrografu jednostkowego. Metoda ta polega na zbudowaniu wykresu, na którym wyładowanie generowane przez ulewę o określonej wielkości jest wykreślane w czasie, zwykle w godzinach lub dniach. Nazywa się to metodą hydrografu jednostkowego, ponieważ dotyczy tylko spływu wytworzonego przez określoną burzę w określonym czasie - czasie potrzebnym na wzrost, szczyt i spadek rzeki w odpowiedzi na burzę. Po ustaleniu zależności opad-odpływ, kolejne dane o opadach mogą być wykorzystane do prognozowania przepływu strumienia dla wybranych burz, zwanych burzami standardowymi. Standardowa burza to burza o dużej intensywności o znanej wielkości i częstotliwości. Jedna z metod analizy hydrogramów jednostkowych polega na wyrażeniu wzrostu przepływu z godziny na godzinę lub z dnia na dzień jako procent całkowitego odpływu. Wykreślone na wykresie te dane z hydrografu jednostkowego dla tej burzy, która reprezentuje odpływ dodany do przepływu bazowego przed burzą. Prognozowanie przepływów w dużym zlewni za pomocą metody hydrografu jednostkowego byłoby trudne, ponieważ w dużym zlewni warunki geograficzne mogą się znacznie różnić w zależności od części zlewni. Dzieje się tak zwłaszcza w przypadku rozkładu opadów, ponieważ pojedyncza ulewa rzadko pokrywa równomiernie dorzecze. W rezultacie basen nie reaguje jako jednostka na daną burzę, co utrudnia skonstruowanie niezawodnego hydrografu.

Metoda amplitudy i częstotliwości. W przypadku dużych basenów, gdzie hydrogram jednostkowy może nie być przydatny i wiarygodny, do obliczenia prawdopodobieństwa ponownego wystąpienia dużych przepływów na podstawie zapisów przepływów z poprzednich lat stosuje się metodę wielkości i częstotliwości. W Stanach Zjednoczonych rejestry te są utrzymywane przez Wydział Hydrologiczny US Geological Survey dla większości rzek i dużych strumieni. W przypadku dorzecza o powierzchni 5000 mil kwadratowych lub większej, system rzeczny jest zwykle mierzony w pięciu do dziesięciu miejscach. Dane z każdej stacji pomiarowej dotyczą części zlewni powyżej tej lokalizacji. Biorąc pod uwagę kilka dziesięcioleci szczytowych rocznych zrzutów dla rzeki, można wykonać ograniczone prognozy, aby oszacować wielkość jakiegoś dużego przepływu, którego nie zaobserwowano w okresie sprawozdawczym. Technika ta polega na rzutowaniu krzywej (linii wykresu) utworzonej, gdy szczytowe roczne zrzuty są wykreślane w stosunku do ich odpowiednich przedziałów nawrotów. Jednak w większości przypadków krzywa mocno się wygina, co utrudnia dokładne wykreślenie projekcji. Problem ten można rozwiązać, wykreślając dane odstępów wyładowań i/lub nawrotów na logarytmicznym papierze milimetrowym. Po wyprostowaniu fabuły można wykreślić linię przez punkty. Następnie można wykonać projekcję, przedłużając linię poza punkty, a następnie odczytując odpowiednie wyładowanie dla danego przedziału nawrotów.

Związek ze środowiskiem

odpływ i filtr soxx

Odpływ wody w kanałach jest odpowiedzialny za transport osadów , składników pokarmowych i zanieczyszczeń w dół rzeki. Bez przepływu strumienia woda w danym zlewni nie byłaby w stanie w naturalny sposób dotrzeć do ostatecznego miejsca przeznaczenia w jeziorze lub oceanie. Zakłóciłoby to ekosystem. Streamflow jest jedną z ważnych dróg wodnych z lądu do jezior i oceanów. Pozostałe główne szlaki to spływ powierzchniowy (odpływ wód z lądu do pobliskich cieków wodnych, który występuje podczas opadów atmosferycznych i w wyniku nawadniania), spływ wód podziemnych do wód powierzchniowych oraz spływ wód z wybudowanych rur i kanałów.

Stosunek do społeczeństwa

Streamflow przynosi społeczeństwu zarówno korzyści, jak i zagrożenia. Spływ w dół jest środkiem gromadzenia wody do przechowywania w zaporach do wytwarzania energii w poborze wody. Przepływ wody wspomaga transport w dół rzeki. Dany ciek wodny ma maksymalne natężenie przepływu, które może pomieścić kanał i które można obliczyć. Jeżeli przepływ strumienia przekroczy tę maksymalną wartość, jak ma to miejsce w przypadku nadmiernej ilości wody w cieku, kanał nie jest w stanie obsłużyć całej wody i następuje zalanie. 1993 Mississippi rzeka powódź , największy w historii na rzece, był odpowiedzią na ciężkie, długie trwania opadów wiosną i latem. Wczesne deszcze nasyciły glebę na ponad 300 000 mil kwadratowych górnego zlewni, znacznie zmniejszając infiltrację i pozostawiając gleby o niewielkiej lub żadnej pojemności. W miarę upływu deszczu depresje powierzchniowe, tereny podmokłe, stawy, rowy i pola uprawne wypełniały się strumieniami lądowymi i deszczówką. Bez pozostałej zdolności do zatrzymywania wody, dodatkowe opady deszczu zostały zmuszone z lądu do kanałów dopływowych, a stamtąd do Missisipi. Przez ponad miesiąc łączny ładunek wody z setek dopływów przekraczał przepustowość kanału Missisipi, powodując rozlewanie się jej brzegów na sąsiednie równiny zalewowe. Tam, gdzie wody powodziowe zostały sztucznie zawężone przez sztuczny kanał otoczony zbudowanymi wałami przeciwpowodziowymi i nie mogący rozlać się na dużą część równiny zalewowej, poziomy powodzi wymuszały jeszcze wyższe.

Zobacz też

Bibliografia