Порядок водотока или водоема — это положительное целое число, используемое в геоморфологии и гидрологии для обозначения уровня разветвленности речной системы .
Существуют различные подходы [1] к топологическому упорядочению рек или участков рек на основе их расстояния от истока («сверху вниз» [2] ) или от слияния (точки слияния двух рек) или устья реки («снизу вверх» [3] ), а также их иерархического положения в речной системе. В качестве терминологии чаще используются слова «поток» и «ветвь», а не «река».
Классический порядок ручья , также называемый порядком ручья Хака или порядком ручья Гравелиуса , представляет собой иерархию «снизу вверх», которая присваивает номер «1» реке с устьем в море (главный ствол ). Порядок ручья является важным аспектом водосборного бассейна. Он определяется как мера положения ручья в иерархии ручьев. Притокам присваивается номер на единицу больше, чем у реки или ручья, в которые они впадают. Так, например, всем непосредственным притокам главного ствола присваивается номер «2». Притокам, впадающим в «2», присваивается номер «3» и так далее. [4]
Этот тип порядка ручьев указывает на место реки в сети. Он подходит для общих картографических целей, но может создавать проблемы, поскольку при каждом слиянии необходимо принять решение о том, какой из двух рукавов является продолжением основного русла, и имеет ли основной русло свой исток в месте слияния двух других меньших ручьев. Поток первого порядка — это тот, который при каждом слиянии имеет наибольший объемный расход, что обычно отражает давнее наименование рек. С этой системой порядка ручьев был связан поиск географами 19-го века «истинного» истока реки. В ходе этой работы обсуждались другие критерии, позволяющие определить основной поток. Помимо измерения длины рек (расстояния между самым дальним истоком и устьем) и размеров различных водосборов , географы искали поток, который меньше всего отклонялся в месте слияния, а также принимали во внимание последовательные названия рек и их притоков, таких как Рейн и Ааре или Эльба и Влтава .
Согласно системе «сверху вниз», разработанной Штралером , реки первого порядка являются самыми внешними притоками. Если сливаются два потока одного порядка, то полученному потоку присваивается номер на единицу больше. Если сливаются две реки с разными порядками потоков, то полученному потоку присваивается больший из двух номеров. [5] [6]
Порядок Стрэлера призван отражать морфологию водосбора и формирует основу важных гидрографических показателей его структуры, таких как его бифуркационное отношение, плотность дренажа и частота. Его основой является линия водораздела водосбора. Однако он зависит от масштаба. Чем больше масштаб карты , тем больше порядков потока можно выявить. Общую нижнюю границу для определения «потока» можно установить, определив его ширину в устье или, ссылаясь на карту, ограничив его протяженность. Сама система также применима для других мелкомасштабных структур за пределами гидрологии.
Система Шрива также присваивает самым удаленным притокам номер «1». В отличие от метода Стрэлера, в месте слияния эти два числа суммируются. [7]
Порядок течения Шрива предпочтителен в гидродинамике : он суммирует количество источников в каждом водосборе выше уровня стока или оттока и примерно коррелирует с объемами сброса и уровнями загрязнения. Как и метод Стрэлера, он зависит от точности включенных источников, но менее зависим от масштаба карты. Его можно сделать относительно независимым от масштаба, используя подходящую нормализацию, и тогда он в значительной степени независим от точного знания верхних и нижних течений области. [7]
Другие системы включают в себя порядок потоков Хортона, раннюю нисходящую систему, разработанную Робертом Э. Хортоном [8], и топологическую систему порядка потоков, которая является системой «снизу вверх», и в которой номер порядка потоков увеличивается на единицу при каждом слиянии. [4]
Классическим или топологическим системам упорядочения присваивается безразмерный числовой порядок «один», начиная с устья потока, которое является его самой низкой точкой возвышения. Затем порядок вектора увеличивается по мере продвижения вверх по течению и схождения с другими меньшими потоками, что приводит к корреляции чисел более высокого порядка с более высоко поднятыми верховьями.
Хортон предложил установить обратный порядок. В исследовательском отчете Хортона 1947 года был установлен метод упорядочения потоков, основанный на векторной геометрии. В 1952 году Артур Стралер предложил модификацию метода Хортона. Оба метода Хортона и Стралера установили назначение самого низкого порядка, номера 1, начиная с верховья реки, которое является самой высокой точкой возвышения. Классическое назначение порядкового номера коррелирует с высотой и высотой и прослеживает вверх по течению, но методы упорядочения потоков Хортона и Стралера коррелируют с гравитационным потоком и прослеживают вниз по течению.
Методы упорядочения потоков Хортона и Стралера основаны на принципах векторной геометрии точка-линия. Правила Хортона и Стралера формируют основу алгоритмов программирования, которые интерпретируют данные карты, запрашиваемые Географическими информационными системами .
Классическое использование порядка ручья — в общей гидрологической картографии. Системы порядка ручья также важны для систематического картирования речной системы, позволяя четко маркировать и упорядочивать ручьи.
Методы Стрэлера и Шрива особенно ценны для моделирования и морфометрического анализа речных систем, поскольку они определяют каждый участок реки. Это позволяет разделить сеть на каждом уровне или выходе на режимы вверх и вниз по течению, и классифицировать эти точки. Эти системы также используются в качестве основы для моделирования водного баланса с использованием моделей хранения или временных моделей, моделей осадков-выходов и т.п.
В науках о Земле на основе ГИС используются эти две модели, поскольку они показывают графическую протяженность объекта реки. Порядок Хака, Стралера и Шрива может быть вычислен с помощью RivEX, инструмента ESRI ArcGIS Pro 3.3.x.
Исследовательская деятельность после отчета Стрэлера 1952 года была сосредоточена на решении некоторых проблем при преобразовании двухмерных карт в трехмерные векторные модели. Одной из проблем было преобразование растровых пиксельных изображений потоков в векторный формат. Другая проблема заключалась в том, что корректировки масштабирования карты при использовании ГИС могли изменить классификацию потоков на коэффициент или на один-два порядка. В зависимости от масштаба карты ГИС некоторые мелкие детали древовидной структуры речной системы могут быть потеряны.
Научно-исследовательские усилия частного сектора, университетов и федеральных правительственных агентств, таких как EPA и USGS, объединили ресурсы и сосредоточили внимание на изучении этих и других проблем. Основная цель — стандартизировать программное обеспечение и правила программирования, чтобы данные ГИС были постоянно надежными в любом масштабе карты. С этой целью и EPA, и USGS возглавили усилия по стандартизации, завершившиеся созданием Национальной карты . Оба федеральных агентства, а также ведущие частные компании-разработчики программного обеспечения приняли принципы векторов порядка потоков Хортона и Страхлера в качестве основы для правил кодирования логики, встроенных в стандартизированное программное обеспечение Национальной карты.