Гидрология была предметом исследований и инженерных исследований на протяжении тысячелетий. Древние египтяне были одними из первых, кто применил гидрологию в инженерном деле и сельском хозяйстве, изобретая форму управления водными ресурсами, известную как бассейновое орошение. [2] Месопотамские города были защищены от наводнений высокими земляными стенами. Акведуки были построены греками и римлянами , а история показывает, что китайцы построили ирригационные и противопаводковые сооружения. Древние сингальцы использовали гидрологию для строительства сложных ирригационных сооружений на Шри-Ланке , также известной изобретением клапанной ямы, которая позволила построить большие резервуары, аникуты и каналы, которые функционируют до сих пор.
Марк Витрувий в первом веке до нашей эры описал философскую теорию гидрологического цикла, согласно которой осадки, выпадающие в горах, проникали на поверхность Земли и приводили к образованию ручьев и родников в низинах. [3] Приняв более научный подход, Леонардо да Винчи и Бернар Палисси независимо друг от друга достигли точного представления гидрологического цикла. Лишь в 17 веке гидрологические переменные начали определять количественно.
Среди пионеров современной науки гидрологии — Пьер Перро , Эдм Мариотт и Эдмунд Галлей . Измерив количество осадков, сток и площадь водосбора, Перро показал, что осадков достаточно, чтобы объяснить сток Сены. Мариотт объединил измерения скорости и поперечного сечения реки, чтобы получить значение расхода, снова в Сене. Галлей показал, что испарения со Средиземного моря было достаточно, чтобы объяснить отток рек, впадающих в море. [4]
Рациональный анализ начал заменять эмпиризм в 20 веке, когда правительственные учреждения начали свои собственные программы гидрологических исследований. Особое значение имели единичный гидрограф Лероя Шермана , теория инфильтрации Роберта Э. Хортона и тест/уравнение водоносного горизонта К.В. Тайса, описывающее гидравлику скважины.
С 1950-х годов к гидрологии стали подходить на более теоретической основе, чем раньше, чему способствовал прогресс в физическом понимании гидрологических процессов и появление компьютеров и особенно географических информационных систем (ГИС). (См. также ГИС и гидрология )
Темы
Центральная тема гидрологии заключается в том, что вода циркулирует по Земле разными путями и с разной скоростью. Самый яркий образ этого — в испарении воды океана, образующем облака. Эти облака плывут по земле и вызывают дождь. Дождевая вода стекает в озера, реки или водоносные горизонты. Вода в озерах, реках и водоносных горизонтах затем либо испаряется обратно в атмосферу, либо в конечном итоге стекает обратно в океан, завершая цикл. В течение этого цикла вода меняет свое состояние несколько раз.
Области исследований в области гидрологии касаются движения воды между ее различными состояниями или внутри данного состояния или просто количественного определения количества воды в этих состояниях в данном регионе. Некоторые части гидрологии касаются разработки методов прямого измерения этих потоков или количества воды, тогда как другие связаны с моделированием этих процессов либо для научных знаний, либо для прогнозирования в практических приложениях.
Подземные воды
Грунтовые воды – это вода под поверхностью Земли, которую часто перекачивают для получения питьевой воды. [1] Гидрология подземных вод ( гидрогеология ) рассматривает количественную оценку потока подземных вод и переноса растворенных веществ. [5] Проблемы описания зоны насыщения включают характеристику водоносных горизонтов с точки зрения направления потока, давления грунтовых вод и, как следствие, глубины грунтовых вод (см.: испытание водоносного горизонта ). Измерения здесь можно производить с помощью пьезометра . Водоносные горизонты также описываются с точки зрения гидравлической проводимости, сохраняемости и пропускаемости. Существует ряд геофизических методов [6] для характеристики водоносных горизонтов. Существуют также проблемы с характеристикой вадозной зоны (ненасыщенной зоны). [7]
Проникновение
Инфильтрация – это процесс проникновения воды в почву. Часть воды впитывается, а остальная часть просачивается в грунтовые воды . Инфильтрационная способность, максимальная скорость, с которой почва может поглощать воду, зависит от нескольких факторов. Уже насыщенный слой обеспечивает сопротивление, пропорциональное его толщине, а это плюс глубина воды над почвой обеспечивает движущую силу ( гидравлический напор ). Сухая почва может обеспечить быстрое проникновение за счет капиллярного действия ; эта сила уменьшается по мере того, как почва становится влажной. Уплотнение уменьшает пористость и размеры пор. Поверхностное покрытие увеличивает производительность, замедляя сток, уменьшая уплотнение и другие процессы. Более высокие температуры снижают вязкость , увеличивая инфильтрацию. [8] : 250–275
Гидрология рассматривает количественную оценку стока поверхностных вод и переноса растворенных веществ, хотя рассмотрение потоков в крупных реках иногда рассматривается как отдельная тема гидравлики или гидродинамики. Сток поверхностных вод может включать сток как в узнаваемых речных руслах, так и в других местах. Методы измерения расхода после того, как вода достигла реки, включают водомер ( см.: Расход ) и методы отслеживания. Другие темы включают перенос химических веществ с поверхностными водами, перенос отложений и эрозию.
Одной из важных областей гидрологии является взаимообмен рек и водоносных горизонтов. Взаимодействие подземных и поверхностных вод в ручьях и водоносных горизонтах может быть сложным, а направление чистого потока воды (в поверхностные воды или в водоносный горизонт) может меняться пространственно вдоль русла реки и во времени в любом конкретном месте, в зависимости от соотношения между стадиями потока. и уровень грунтовых вод.
Осадки и испарение
Некоторые считают, что гидрология начинается на границе суши и атмосферы [10] , поэтому важно иметь адекватные знания как об осадках, так и об испарении. Осадки можно измерять различными способами: с помощью дисдрометра для определения характеристик осадков в точном временном масштабе; радар для определения свойств облаков, оценки интенсивности дождя, обнаружения града и снега; дождемер для регулярных точных измерений дождя и снегопада; спутник, например, для определения дождливых зон, оценки интенсивности дождя, земного покрова/землепользования и влажности почвы.
Испарение является важной частью круговорота воды. Частично на нее влияет влажность, которую можно измерить пращным психрометром . На него также влияет наличие снега, града и льда, а также роса, туман и туман. Гидрология рассматривает испарение различных форм: с водной поверхности; в виде транспирации с поверхности растений в природных и агрономических экосистемах. Прямое измерение испарения можно получить с помощью испарительного поддона Саймона .
Детальные исследования испарения включают рассмотрение пограничного слоя, а также импульса, теплового потока и баланса энергии.
Дистанционное зондирование
Дистанционное зондирование гидрологических процессов может предоставить информацию о местах, где датчики на месте могут быть недоступны или редки. Это также позволяет проводить наблюдения на больших пространственных территориях. Многие переменные, составляющие водный баланс Земли, например, запасы поверхностных вод , влажность почвы , осадки , суммарное испарение , снег и лед , поддаются измерению с помощью дистанционного зондирования с различным пространственно-временным разрешением и точностью. [11] Источники дистанционного зондирования включают наземные датчики, бортовые датчики и спутниковые датчики , которые могут собирать данные в микроволновом , тепловом и ближнем инфракрасном диапазонах или использовать , например, лидар .
Качество воды
В гидрологии исследования качества воды касаются органических и неорганических соединений, а также растворенных веществ и отложений. Кроме того, на качество воды влияет взаимодействие растворенного кислорода с органическими веществами и различные химические превращения, которые могут происходить. Измерения качества воды могут включать как методы in-situ, при которых анализы проводятся на месте, часто автоматически, так и лабораторные анализы, которые могут включать микробиологический анализ .
Наблюдения за гидрологическими процессами используются для прогнозирования будущего поведения гидрологических систем (поток воды, качество воды). [12] Одной из основных текущих проблем гидрологических исследований является «Прогнозирование в неизмеренных бассейнах» (PUB), т.е. в бассейнах, где данные отсутствуют или существуют очень мало. [13]
Статистическая гидрология
Целью статистической гидрологии является предоставление соответствующих статистических методов для анализа и моделирования различных частей гидрологического цикла. [14] Анализируя статистические свойства гидрологических данных, таких как количество осадков или речной сток, гидрологи могут оценить будущие гидрологические явления. При оценке того, как часто будут происходить относительно редкие события, проводится анализ с точки зрения периода повторяемости таких событий. Другие представляющие интерес величины включают средний расход реки за год или по сезонам.
Эти оценки важны для инженеров и экономистов, поскольку можно провести надлежащий анализ рисков , чтобы повлиять на инвестиционные решения в будущей инфраструктуре и определить характеристики надежности систем водоснабжения. Статистическая информация используется для формулирования правил эксплуатации крупных плотин, являющихся частью систем, включающих сельскохозяйственные, промышленные и жилые нужды.
Моделирование
Гидрологические модели представляют собой упрощенные концептуальные представления части гидрологического цикла. Они в основном используются для гидрологического прогнозирования и понимания гидрологических процессов в рамках общей области научного моделирования . Можно выделить два основных типа гидрологических моделей: [15]
Модели на основе данных. Эти модели представляют собой системы «черного ящика» , использующие математические и статистические концепции для связи определенных входных данных (например, осадков) с выходными данными модели (например, стоком ). Обычно используемые методы - регрессия , передаточные функции и идентификация системы . Простейшими из этих моделей могут быть линейные модели, но нелинейные компоненты обычно используются для представления некоторых общих аспектов реакции водосбора, не вдаваясь глубоко в реальные физические процессы. Примером такого аспекта является хорошо известное поведение водосбора, который реагирует гораздо быстрее и сильнее, когда он уже влажный, чем когда он сухой.
Модели, основанные на описаниях процессов. Эти модели пытаются представить физические процессы, наблюдаемые в реальном мире. Обычно такие модели содержат представления поверхностного стока , подземного стока , суммарного испарения и руслового стока , но они могут быть гораздо более сложными. В рамках этой категории модели можно разделить на концептуальные и детерминистические. Концептуальные модели связывают упрощенные представления гидрологических процессов в районе, тогда как детерминистические модели стремятся решить как можно большую часть физики системы. Эти модели можно разделить на модели одного события и модели непрерывного моделирования.
Недавние исследования в области гидрологического моделирования пытаются применить более глобальный подход к пониманию поведения гидрологических систем, чтобы делать более точные прогнозы и решать основные проблемы в управлении водными ресурсами.
Инициатива «Соединенные воды», Университет Нового Южного Уэльса [47] – Исследование и повышение осведомленности о проблемах подземных вод и водных ресурсов в Австралии.
Океанография — это более общее исследование воды в океанах и эстуариях.
Метеорология – это более общее исследование атмосферы и погоды, включая осадки в виде снега и осадков.
Лимнология – это изучение озер, рек и экосистем водно-болотных угодий. Он охватывает биологические, химические, физические, геологические и другие характеристики всех внутренних вод (проточных и стоячих, как пресных, так и соленых, природных или искусственных). [49]
Водные ресурсы – это источники воды, которые являются полезными или потенциально полезными. Гидрология изучает наличие этих ресурсов, но обычно не изучает их использование.
Рекомендации
^ abc «Что такое гидрология и чем занимаются гидрологи?». США.gov . Геологическая служба США . Архивировано из оригинала 19 сентября 2015 года . Проверено 7 октября 2015 г.
^ Постел, Сандра (1999). «Ирригация бассейна долины Нила в Египте» (PDF) . www.waterhistory.com . Отрывок из книги «Песчаный столп: может ли чудо ирригации продлиться долго?» . WW Нортон.
^ Грегори, Кеннет Дж.; Левин, Джон (2014). Основы геоморфологии: ключевые понятия. МУДРЕЦ. ISBN978-1-4739-0895-6.
^ Бисват, Асит К (1970). «Эдмонд Галлей, FSR, выдающийся гидролог». Заметки и отчеты Лондонского королевского общества . Издательство Королевского общества. 25 : 47–57. дои : 10.1098/rsnr.1970.0004 .
^ Граф, Т.; Симмонс, Коннектикут (февраль 2009 г.). «Поток подземных вод переменной плотности и перенос растворенных веществ в трещиноватых горных породах: применимость аналитического решения Тана и др. [1981]». Исследования водных ресурсов . 45 (2): W02425. Бибкод : 2009WRR....45.2425G. дои : 10.1029/2008WR007278. S2CID 133884299.
^ Верикекен, Х.; Кемна, А.; Мюнх, ХМ; Тильманн, А.; Ферверд, А. (2006). «Характеристика водоносного горизонта геофизическими методами». Энциклопедия гидрологических наук . Джон Уайли и сыновья. дои : 10.1002/0470848944.hsa154b. ISBN0-471-49103-9.
^ Уилсон, Л. Грей; Эверетт, Лорн Г.; Каллен, Стивен Дж. (1994). Справочник по характеристике и мониторингу зоны Vadose . ЦРК Пресс. ISBN978-0-87371-610-9.
^ Редди, П. Джая Рами (2007). Учебник гидрологии (Переиздание. Под ред.). Нью-Дели: Laxmi Publ. ISBN9788170080992.
^ Робинсон, Д.А., К.С. Кэмпбелл, Дж.В. Хопманс, Б.К. Хорнбакл, С.Б. Джонс, Р. Найт, Ф.Л. Огден, Дж. Селкер и О. Вендрот. (2008) «Измерение влажности почвы для экологических и гидрологических обсерваторий водосборного масштаба: обзор».
^ Вуд, Пол Дж.; Ханна, Дэвид М.; Сэдлер, Джонатан П. (28 февраля 2008 г.). Гидроэкология и экогидрология: прошлое, настоящее и будущее. Джон Уайли и сыновья. ISBN978-0-470-01018-1.
^ Тан, К.; Гао, Х.; Лу, Х.; Леттенмайер, ДП (6 октября 2009 г.). «Дистанционное зондирование: гидрология». Успехи физической географии . 33 (4): 490–509. дои : 10.1177/0309133309346650. S2CID 140643598.
^ Арчибальд, Дж.А.; Бьюкенен, BP; Фука, ДР; Георгакакос, CB; Лион, Юго-Запад; Уолтер, Монтана (июль 2014 г.). «Простая модель с региональной параметризацией для прогнозирования областей неточечных источников на северо-востоке США». Журнал гидрологии: региональные исследования . 1 : 74–91. Бибкод : 2014JHyRS...1...74A. дои : 10.1016/j.ejrh.2014.06.003 .
^ Бек, Хилк Э.; Пан, Мин; Лин, Пейронг; Зайберт, Ян; Дейк, Альберт IJM; Вуд, Эрик Ф. (16 сентября 2020 г.). «Глобальное регионализация полностью распределенных параметров на основе наблюдаемого речного стока из 4229 водосборных бассейнов верховьев». Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 125 (17). Бибкод : 2020JGRD..12531485B. дои : 10.1029/2019JD031485 . ISSN 2169-897X.
^ Лофтис, Джим К. (30 апреля 2019 г.), «Анализ случайных переменных качества воды», Статистический анализ гидрологических переменных , Рестон, Вирджиния: Американское общество инженеров-строителей, стр. 381–405, doi : 10.1061/9780784415177.ch10 , ISBN9780784415177, S2CID 182417172 , получено 19 мая 2023 г.
^ Джаджармизаде и др. (2012), Журнал экологических наук и технологий, 5 (5), стр. 249–261.
^ «Международная гидрологическая программа (МГП)» . ИГП. 6 мая 2013 года. Архивировано из оригинала 2 июня 2013 года . Проверено 8 июня 2013 г.
^ «Международный институт управления водными ресурсами (IWMI)» . ИВМИ. Архивировано из оригинала 10 марта 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ "Делфтский институт водного образования IHE" . ЮНЕСКО-ИГЕ. Архивировано из оригинала 14 марта 2013 года.
^ "Сайт ЦВЗ" . Центр экологии и гидрологии. Архивировано из оригинала 7 марта 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ "Крэнфилдский институт водных наук". Крэнфилдский университет. Архивировано из оригинала 13 февраля 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ "Водные исследования Eawag" . Швейцарский федеральный институт водных наук и технологий. 25 января 2012 года. Архивировано из оригинала 25 июня 2015 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ "Профессор гидрологии" . Университет Фрайбурга. 23 февраля 2010 года. Архивировано из оригинала 2 мая 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ «Водные ресурсы США». Геологическая служба США. 4 октября 2011 года. Архивировано из оригинала 8 марта 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ «Управление гидрологического развития». Национальная метеорологическая служба . НОАА. 28 октября 2011 года. Архивировано из оригинала 18 сентября 2011 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ "Гидрологический инженерный центр". Инженерный корпус армии США. Архивировано из оригинала 8 марта 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ "Гидрологический исследовательский центр". Гидрологический исследовательский центр. Архивировано из оригинала 10 мая 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ "Экономика и социальные науки NOAA". Управление планирования и интеграции программ NOAA. Архивировано из оригинала 25 июля 2011 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ «Центр исследования природных опасностей и катастроф». Университет Оклахомы. 17 июня 2008 г. Архивировано из оригинала 24 мая 2013 г. Проверено 8 марта 2013 г.
^ «Национальный центр гидрологических исследований (Саскатун, СК)» . Центры экологических наук . Окружающая среда Канады. 25 октября 2007 г. Архивировано из оригинала 12 марта 2013 г. Проверено 8 марта 2013 г.
^ «Национальный институт гидрологии (Рурки), Индия». НИЗ Рурки. Архивировано из оригинала 19 сентября 2000 года . Проверено 1 августа 2015 г.
^ "Американский институт гидрологии". Архивировано из оригинала 26 июня 2019 года . Проверено 25 сентября 2019 г.
^ "Отдел гидрогеологии". Геологическое общество Америки. 10 сентября 2011 года. Архивировано из оригинала 5 апреля 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ «Добро пожаловать в секцию гидрологии (H) AGU» . Американский геофизический союз. Архивировано из оригинала 2 мая 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ «Национальная ассоциация подземных вод». Архивировано из оригинала 9 сентября 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ «Американская ассоциация водных ресурсов». 2 января 2012 г. Архивировано из оригинала 24 марта 2018 г. . Проверено 8 марта 2013 г.
^ "КУАХСИ". Архивировано из оригинала 15 марта 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ «Международная ассоциация гидрологических наук (IAHS)» . Ассоциации . Международный союз геодезии и геофизики. 1 декабря 2008 г. Архивировано из оригинала 20 января 2013 г. Проверено 8 марта 2013 г.
^ "Международная ассоциация гидрологических наук". Архивировано из оригинала 11 мая 2010 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ «Международная комиссия по статистической гидрологии». СТАХИ. Архивировано из оригинала 6 июня 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
↑ Deutsche Hydrologische Gesellschaft. Архивировано 7 сентября 2013 года в Wayback Machine . Проверено 2 сентября 2013 г.
^ Северная ассоциация гидрологии. Архивировано 24 июня 2013 года в Wayback Machine . Проверено 2 сентября 2013 г.
^ "Британское гидрологическое общество". Архивировано из оригинала 2 марта 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ "{title}" Гидрологическая комиссия [Гидрологическая комиссия] (на русском языке). Русское географическое общество. Архивировано из оригинала 26 августа 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ "Гидропаутина". Международная ассоциация экологической гидрологии. Архивировано из оригинала 17 февраля 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ "Международная ассоциация гидрогеологов". Архивировано из оригинала 20 июня 2014 года . Проверено 19 июня 2014 г.
^ «Общество гидрологов и метеорологов». Общество гидрологов и метеорологов . Архивировано из оригинала 13 марта 2016 года . Проверено 12 июня 2017 г.
^ «Инициатива Connected Waters (CWI)» . Университет Нового Южного Уэльса. Архивировано из оригинала 9 апреля 2013 года . Проверено 8 марта 2013 г.
^ «Интегрированное управление водными ресурсами в Австралии: тематические исследования - инициатива бассейна Мюррей-Дарлинг» . Правительство Австралии, Департамент окружающей среды . Правительство Австралии. Архивировано из оригинала 5 февраля 2014 года . Проверено 19 июня 2014 г.
^ Ветцель, Р.Г. (2001) Лимнология: экосистемы озер и рек , 3-е изд. Академическая пресса. ISBN 0-12-744760-1
дальнейшее чтение
Эсламян С., 2014, (ред.) Справочник по инженерной гидрологии, Том. 1: Основы и приложения, Фрэнсис и Тейлор, CRC Group, 636 страниц, США.
Эсламян С., 2014, (ред.) Справочник по инженерной гидрологии, Том. 2: Моделирование, изменение и изменчивость климата, Фрэнсис и Тейлор, CRC Group, 646 страниц, США.
Эсламян С., 2014, (ред.) Справочник по инженерной гидрологии, Том. 3: Экологическая гидрология и управление водными ресурсами, Фрэнсис и Тейлор, CRC Group, 606 Pages, США.
Андерсон, Малкольм Г.; Макдоннелл, Джеффри Дж., ред. (2005). Энциклопедия гидрологических наук . Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 0-471-49103-9.
Хендрикс, Мартин Р. (2010). Введение в физическую гидрологию . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-929684-2.
Хорнбергер, Джордж М.; Виберг, Патрисия Л .; Раффенспергер, Джеффри П.; Д'Одорико, Паоло П. (2014). Элементы физической гидрологии (2-е изд.). Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джонса Хопкинса. ISBN 9781421413730.
Мейдмент, Дэвид Р., изд. (1993). Справочник по гидрологии . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-039732-5.
МакКуэн, Ричард Х. (2005). Гидрологический анализ и проектирование (3-е изд.). Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси: Пирсон-Прентис Холл. ISBN 0-13-142424-6.
Виссман, Уоррен младший; Гэри Л. Льюис (2003). Введение в гидрологию (5-е изд.). Река Аппер-Седл, Нью-Джерси: Pearson Education. ISBN 0-673-99337-Х.
Внешние ссылки
Поищите гидрологию в Викисловаре, бесплатном словаре.
Hydrology.nl - Портал международной гидрологии и водных ресурсов.
Схема принятия решений по выбору метода неопределенности для гидрологического и гидравлического моделирования (архивировано 1 июня 2013 г.)