Речной сток , или сток русла , представляет собой поток воды в ручьях и других каналах и является основным элементом круговорота воды . Это один компонент стока , движение воды с суши в водоемы , другой компонент - поверхностный сток . Вода, текущая в каналах, поступает из поверхностного стока с прилегающих склонов холмов, из потока грунтовых вод из-под земли и из воды, сбрасываемой из труб. Расход воды, текущей в канале, измеряется с помощью водомерных постов или может быть оценен с помощью уравнения Мэннинга . Запись потока с течением времени называется гидрографом . Наводнение происходит, когда объем воды превышает вместимость канала.
Ручьи играют важную роль в гидрологическом цикле , который необходим для всей жизни на Земле. Разнообразие биологических видов, от одноклеточных организмов до позвоночных, зависит от систем проточной воды для их среды обитания и пищевых ресурсов. Реки являются основными водными ландшафтами для всех видов растений и животных. Реки даже помогают поддерживать водоносные горизонты под землей полными воды, сбрасывая воду вниз через свои русла. В дополнение к этому, океаны остаются полными воды, потому что реки и сток постоянно освежают их. [1] Речной поток является основным механизмом, посредством которого вода перемещается с суши в океаны или в бассейны внутреннего дренажа .
Речной сток формируется из четырех источников: осадки в русле реки, поверхностный сток, межречной сток и грунтовые воды.
Реки всегда движутся, что хорошо для окружающей среды, так как стоячая вода не остается свежей и привлекательной долго. Существует множество факторов, как природных, так и вызванных человеком, которые заставляют реки постоянно меняться: [3]
Естественные механизмы
Механизмы, вызванные человеком
.jpg/1280px-USGS_Stream_Gaging_Station,_Minnesota_River_at_Lac_qui_Parle_Dam_(42421779314).jpg)
Расход воды измеряется как количество воды, проходящей через определенную точку за определенное время. Единицами измерения, используемыми в Соединенных Штатах, являются кубические футы в секунду , в то время как в большинстве других стран используются кубические метры в секунду . Существует множество способов измерения расхода воды в ручье или канале. Измеритель расхода воды обеспечивает непрерывный расход воды в одном месте с течением времени для управления водными ресурсами и окружающей средой или других целей. Значения расхода воды являются лучшими индикаторами, чем высота измерительного прибора условий вдоль всей реки. Измерения расхода воды производятся примерно каждые шесть недель сотрудниками Геологической службы США (USGS). Они заходят в ручей, чтобы сделать измерение, или делают это с лодки, моста или канатной дороги через ручей. Для каждой измерительной станции соотношение между высотой измерительного прибора и расходом воды определяется путем одновременных измерений высоты измерительного прибора и расхода воды в естественном диапазоне потоков (от очень низких потоков до паводков). Это соотношение обеспечивает данные о расходе воды с этой станции. [5] Для целей, не требующих непрерывного измерения расхода воды с течением времени, можно использовать измерители течения или акустические доплеровские профилометры скорости. Для небольших ручьев — шириной несколько метров или меньше — могут быть установлены плотины .
Один неформальный метод, который обеспечивает приближенное представление расхода воды, называемый оранжевым методом или методом поплавка, заключается в следующем:
В Соединенных Штатах измерители речного стока финансируются в основном из государственных и местных бюджетов. В 2008 финансовом году USGS предоставила 35% финансирования для ежедневной эксплуатации и обслуживания измерителей. [8] Кроме того, USGS использует гидрографы для изучения речного стока в реках. Гидрограф — это диаграмма, показывающая, чаще всего, уровень реки (высоту воды над произвольной высотой) и расход воды (количество воды, обычно в кубических футах в секунду). Также могут быть нанесены на график другие свойства, такие как количество осадков и параметры качества воды . [9]
Для большинства рек, особенно с небольшим водоразделом, записи о расходе отсутствуют. В этом случае можно сделать оценку расхода, используя рациональный метод или его модифицированную версию. Однако, если для рек имеются хронологические записи о расходе, можно сделать краткосрочный прогноз расхода для данного ливня, используя гидрограф.
Этот метод включает построение графика, на котором сток, произведенный ливнем заданного размера, отображается с течением времени, обычно часов или дней. Он называется методом единичного гидрографа, поскольку он рассматривает только сток, произведенный определенным ливнем за определенный период времени — время, необходимое для подъема, пика и спада реки в ответ на шторм.
После того, как установлена связь между осадками и стоком, последующие данные об осадках можно использовать для прогнозирования стока для выбранных штормов, называемых стандартными штормами. Стандартный ливень — это шторм высокой интенсивности с известной величиной и частотой. Один из методов анализа единичного гидрографа заключается в выражении почасового или ежедневного увеличения стока в процентах от общего стока. Нанесенные на график, эти данные из единичного гидрографа для этого шторма, который представляет сток, добавленный к базовому стоку до шторма.
Прогнозировать потоки в большом водосборном бассейне с использованием метода единичного гидрографа было бы сложно, поскольку в большом бассейне географические условия могут значительно различаться от одной части бассейна к другой. Это особенно касается распределения осадков, поскольку отдельный ливень редко покрывает бассейн равномерно. В результате бассейн не реагирует как единое целое на данный шторм, что затрудняет построение надежного гидрографа.
Для больших бассейнов, где единичный гидрограф может быть не полезен и ненадежен, метод величины и частоты используется для расчета вероятности повторения больших потоков на основе записей потоков прошлых лет. В Соединенных Штатах эти записи ведутся Гидрологическим отделом USGS для больших потоков. Для бассейна площадью 5000 квадратных миль или более речная система обычно измеряется в пяти-десяти местах.
Данные с каждой гидропостовой станции относятся к части бассейна выше по течению. Учитывая несколько десятилетий пиковых годовых расходов для реки, можно сделать ограниченные прогнозы для оценки размера некоторого большого потока, который не наблюдался в течение периода записи. Метод включает в себя проектирование кривой (графической линии), образованной при нанесении пиковых годовых расходов на график против их соответствующих интервалов повторяемости. Однако в большинстве случаев кривая сильно изгибается, что затрудняет точное построение проекции. Эту проблему можно преодолеть, нанеся данные о расходе и/или интервале повторяемости на логарифмическую миллиметровую бумагу. После того, как график выпрямлен, можно провести линию через точки. Затем можно сделать проекцию, продлив линию за точки, а затем считав соответствующий расход для рассматриваемого интервала повторяемости.
Сток воды в каналах отвечает за транспортировку осадка , питательных веществ и загрязнений вниз по течению. Без речного стока вода в данном водоразделе не смогла бы естественным образом продвигаться к своему конечному пункту назначения в озере или океане. Это нарушило бы экосистему. Речной сток является одним из важных путей движения воды с суши в озера и океаны. Другими основными путями являются поверхностный сток (поток воды с суши в близлежащие водотоки, который происходит во время осадков и в результате орошения), поток грунтовых вод в поверхностные воды и поток воды из построенных труб и каналов. [10]
Речной сток приносит обществу как пользу, так и опасность. Сток вниз по течению является средством сбора воды для хранения в плотинах для выработки электроэнергии или забора воды. Поток воды способствует транспортировке вниз по течению. У данного водотока есть максимальный расход, который может быть принят каналом, который можно рассчитать. Если расход превышает этот максимальный расход, как это происходит, когда в водотоке присутствует чрезмерное количество воды, канал не может справиться со всей водой, и происходит наводнение.
Наводнение на реке Миссисипи в 1993 году , крупнейшее из когда-либо зарегистрированных на реке, было ответом на сильные, продолжительные весенние и летние ливни. Ранние дожди пропитали почву более чем на 300 000 квадратных миль верхнего водораздела, значительно сократив инфильтрацию и оставив почвы с небольшой или нулевой способностью к хранению. По мере продолжения дождей поверхностные впадины, водно-болотные угодья, пруды, канавы и фермерские поля заполнялись поверхностным стоком и дождевой водой. Не имея оставшейся возможности удерживать воду, дополнительные осадки были вытеснены с земли в притоки и оттуда в реку Миссисипи . Более месяца общая нагрузка воды из сотен притоков превышала пропускную способность русла Миссисипи, заставляя ее переливаться через берега на соседние поймы. Там, где паводковые воды были искусственно сужены спроектированным каналом, ограниченным построенными дамбами и неспособными переливаться на большую часть поймы, уровень паводка поднялся еще выше. [11]