stringtranslate.com

Гидрология

Дождь, падающий на водосборный бассейн в Шотландии . Понимание круговорота воды в водосборах, через них и из них является ключевым элементом гидрологии.

Гидрология (от древнегреческого ὕδωρ ( húdōr )  «вода» и -λογία ( -logía )  «изучение») — это научное изучение движения, распределения и управления водными ресурсами на Земле и других планетах, включая круговорот воды , водные ресурсы и устойчивость водосборного бассейна . Практикующий гидролог называется гидрологом . Гидрологи — это ученые, изучающие науку о Земле или окружающей среде , гражданское или экологическое строительство и физическую географию . [1] Используя различные аналитические методы и научные приемы, они собирают и анализируют данные, чтобы помочь решить проблемы, связанные с водой, такие как сохранение окружающей среды , стихийные бедствия и управление водными ресурсами . [1]

Гидрология подразделяется на гидрологию поверхностных вод, гидрологию подземных вод ( гидрогеологию ) и морскую гидрологию. Области гидрологии включают гидрометеорологию , поверхностную гидрологию , гидрогеологию , управление водосборным бассейном и качество воды .

Океанография и метеорология не включены, поскольку вода является лишь одним из многих важных аспектов в этих областях.

Гидрологические исследования могут быть полезны для разработки экологической инженерии, политики и планирования .

Филиалы

Приложения

История

Римский акведук в Кесарии Приморской , доставляющий воду из влажных гор Кармель в поселение.

Гидрология была предметом исследований и проектирования на протяжении тысячелетий. Древние египтяне были одними из первых, кто применил гидрологию в своей инженерии и сельском хозяйстве, изобретя форму управления водными ресурсами, известную как бассейновое орошение. [3] Месопотамские города были защищены от наводнений высокими земляными стенами. Акведуки были построены греками и римлянами , в то время как история показывает, что китайцы построили ирригационные и противопаводковые сооружения. Древние сингалы использовали гидрологию для строительства сложных ирригационных сооружений в Шри-Ланке , также известной изобретением клапанной ямы, которая позволила построить большие резервуары, аникуты и каналы, которые до сих пор функционируют.

Марк Витрувий в первом веке до нашей эры описал философскую теорию гидрологического цикла, в которой осадки, выпадающие в горах, просачивались на поверхность Земли и приводили к образованию ручьев и источников в низинах. [4] С принятием более научного подхода Леонардо да Винчи и Бернар Палисси независимо друг от друга достигли точного представления гидрологического цикла. Только в XVII веке гидрологические переменные начали количественно определяться.

Пионеры современной науки гидрологии включают Пьера Перро , Эдме Мариотта и Эдмунда Галлея . Измеряя количество осадков, сток и площадь водосбора, Перро показал, что количество осадков было достаточным для учета стока Сены. Мариотт объединил измерения скорости и поперечного сечения реки, чтобы получить значение расхода, снова в Сене. Галлей показал, что испарение со Средиземного моря было достаточным для учета оттока рек, впадающих в море. [5]

Достижения XVIII века включали пьезометр Бернулли и уравнение Бернулли , созданное Даниэлем Бернулли , и трубку Пито , созданную Анри Пито . XIX век ознаменовался развитием гидрологии подземных вод, включая закон Дарси , формулу скважины Дюпюи-Тима и уравнение капиллярного потока Хагена- Пуазейля .

Рациональный анализ начал заменять эмпиризм в 20 веке, в то время как правительственные агентства начали свои собственные программы гидрологических исследований. Особое значение имели единичный гидрограф Лероя Шермана , теория инфильтрации Роберта Э. Хортона и тест/уравнение водоносного слоя К. В. Тейса, описывающие гидравлику скважин.

Начиная с 1950-х годов к гидрологии стали подходить с более теоретической основой, чем в прошлом, чему способствовали достижения 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 всей Земле разными путями и с разной скоростью. Наиболее ярким примером этого является испарение воды из океана, которое образует облака. Эти облака дрейфуют над землей и производят дождь. Дождевая вода стекает в озера, реки или водоносные горизонты. Затем вода в озерах, реках и водоносных горизонтах либо испаряется обратно в атмосферу, либо в конечном итоге возвращается в океан, завершая цикл. Вода несколько раз меняет свое состояние на протяжении этого цикла.

Области исследований в области гидрологии касаются движения воды между ее различными состояниями или внутри данного состояния, или просто количественного определения количества в этих состояниях в данном регионе. Части гидрологии касаются разработки методов для прямого измерения этих потоков или количества воды, в то время как другие касаются моделирования этих процессов либо для научных знаний, либо для составления прогнозов в практических приложениях.

Грунтовые воды

Построение карты контуров грунтовых вод

Грунтовые воды — это вода под поверхностью Земли, часто откачиваемая для питья. [1] Гидрология грунтовых вод ( гидрогеология ) рассматривает количественную оценку потока грунтовых вод и переноса растворенных веществ. [6] Проблемы описания насыщенной зоны 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 проводить с помощью пьезометра . Водоносные горизонты также описываются с точки зрения гидравлической проводимости, водоудерживающей способности и проницаемости. Существует ряд геофизических методов [7] для характеристики водоносных горизонтов. Существуют также проблемы с характеристикой зоны аэрации (ненасыщенной зоны). [8]

Проникновение

Инфильтрация — это процесс, посредством которого вода проникает в почву. Часть воды поглощается, а остальная просачивается вниз к уровню грунтовых вод . Инфильтрационная способность, максимальная скорость, с которой почва может поглощать воду, зависит от нескольких факторов. Слой, который уже насыщен, обеспечивает сопротивление, пропорциональное его толщине, в то время как это сопротивление плюс глубина воды над почвой обеспечивают движущую силу ( гидравлический напор ). Сухая почва может обеспечить быструю инфильтрацию за счет капиллярного действия ; эта сила уменьшается по мере того, как почва становится влажной. Уплотнение уменьшает пористость и размеры пор. Поверхностный покров увеличивает емкость, замедляя сток, уменьшая уплотнение и другие процессы. Более высокие температуры снижают вязкость , увеличивая инфильтрацию. [9] : 250–275 

Влажность почвы

Влажность почвы можно измерить различными способами: емкостным зондом , рефлектометром временной области или тензиометром . Другие методы включают отбор проб растворенных веществ и геофизические методы. [10]

Поверхностный сток воды

Гидрограф паводка, показывающий уровень реки Шоушин в Уилмингтоне.

Гидрология рассматривает количественную оценку поверхностного водного потока и переноса растворенных веществ, хотя обработка потоков в крупных реках иногда рассматривается как отдельная тема гидравлики или гидродинамики. Поверхностный водный поток может включать поток как в узнаваемых речных руслах, так и в других местах. Методы измерения потока после того, как вода достигла реки, включают в себя струйный датчик (см.: сброс ) и методы трассировки. Другие темы включают химический перенос как часть поверхностных вод, перенос осадка и эрозию.

Одной из важных областей гидрологии является взаимообмен между реками и водоносными горизонтами. Взаимодействие грунтовых вод 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 в пространстве вдоль русла ручья и с течением времени в любом конкретном месте в зависимости от соотношения между уровнем ручья и уровнем грунтовых вод.

Осадки и испарение

Стандартный дождемер NOAA

В некоторых соображениях гидрология рассматривается как начинающаяся на границе суша-атмосфера [11] , поэтому важно иметь адекватные знания как об осадках, так и об испарении. Осадки можно измерить различными способами: дисдрометр для характеристик осадков в точном масштабе времени; радар для свойств облаков, оценки интенсивности дождя, обнаружения града и снега; дождемер для рутинных точных измерений дождя и снегопада; спутник для идентификации дождливых зон, оценки интенсивности дождя, земного покрова/землепользования и влажности почвы, снежного покрова или эквивалента снеговой воды, например. [12]

Испарение является важной частью круговорота воды. На него частично влияет влажность, которую можно измерить пращевым психрометром . На него также влияет наличие снега, града и льда, и оно может быть связано с росой, туманом и дымкой. Гидрология рассматривает испарение различных форм: с водных поверхностей; как транспирацию с поверхностей растений в естественных и агрономических экосистемах. Прямое измерение испарения можно получить с помощью испарительного сосуда Саймона .

Подробные исследования испарения включают рассмотрение пограничного слоя, а также импульса, теплового потока и энергетических балансов.

Дистанционное зондирование

Оценки изменений в запасах воды вокруг рек Тигр и Евфрат , измеренные спутниками GRACE НАСА . Спутники измеряют крошечные изменения в ускорении силы тяжести, которые затем можно обработать, чтобы выявить движение воды из-за изменений в ее общей массе.

Дистанционное зондирование гидрологических процессов может предоставить информацию о местах, где датчики in situ могут быть недоступны или редки. Оно также позволяет проводить наблюдения на больших пространственных расстояниях. Многие из переменных, составляющих водный баланс суши, например, запасы поверхностной воды , влажность почвы , осадки , эвапотранспирация , а также снег и лед , можно измерить с помощью дистанционного зондирования с различными пространственно-временными разрешениями и точностью. [13] Источники дистанционного зондирования включают наземные датчики, воздушные датчики и спутниковые датчики , которые могут захватывать микроволновые , тепловые и ближние инфракрасные данные или использовать лидар , например.

Качество воды

В гидрологии исследования качества воды касаются органических и неорганических соединений, а также растворенного и осадочного материала. Кроме того, на качество воды влияет взаимодействие растворенного кислорода с органическим материалом и различные химические преобразования, которые могут иметь место. 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 .

Интеграция измерений и моделирования

Прогноз

Наблюдения за гидрологическими процессами используются для прогнозирования будущего поведения гидрологических систем (расход воды, качество воды). [14] Одной из основных текущих проблем в гидрологических исследованиях является «Прогнозирование в неизмеренных бассейнах» (PUB), т.е. в бассейнах, где нет или очень мало данных. [15]

Статистическая гидрология

Целью статистической гидрологии является предоставление соответствующих статистических методов для анализа и моделирования различных частей гидрологического цикла. [16] Анализируя статистические свойства гидрологических записей, таких как количество осадков или речной сток, гидрологи могут оценить будущие гидрологические явления. При оценке того, как часто будут происходить относительно редкие события, анализы проводятся с точки зрения периода повторяемости таких событий. Другие величины, представляющие интерес, включают средний сток в реке за год или по сезону.

Эти оценки важны для инженеров и экономистов, так как надлежащий анализ риска может быть выполнен для влияния на инвестиционные решения в будущей инфраструктуре и для определения характеристик надежности водообеспечения систем водоснабжения. Статистическая информация используется для формулирования правил эксплуатации для крупных плотин, входящих в состав систем, которые включают сельскохозяйственные, промышленные и жилые потребности.

Моделирование

Вид сверху потока воды через водосбор , смоделированный с помощью системы гидрологического моделирования SHETRAN

Гидрологические модели — это 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: [17]

Недавние исследования в области гидрологического моделирования направлены на разработку более глобального подхода к пониманию поведения гидрологических систем для составления более точных прогнозов и решения основных проблем в управлении водными ресурсами.

Транспорт

Движение воды является важным средством, с помощью которого другие материалы, такие как почва, гравий, валуны или загрязняющие вещества, транспортируются с места на место. Первоначальный ввод в принимающие воды может возникнуть из точечного источника сброса или линейного источника или источника области , такого как поверхностный сток . С 1960-х годов были разработаны довольно сложные математические модели , чему способствовало наличие высокоскоростных компьютеров. Наиболее распространенными проанализированными классами загрязняющих веществ являются питательные вещества , пестициды , общее количество растворенных твердых веществ и осадок .

Организации

Межправительственные организации

Международные исследовательские организации

Национальные исследовательские организации

Национальные и международные общества

Обзоры по всему бассейну и водосбору

Научные журналы

Смотрите также

Другие области, связанные с водой

Ссылки

  1. ^ abc "Что такое гидрология и чем занимаются гидрологи?". USA.gov . Геологическая служба США . Архивировано из оригинала 19 сентября 2015 г. Получено 7 октября 2015 г.
  2. ^ "Что такое инженерия водных ресурсов?". Калифорнийский университет в Риверсайде . Получено 18 августа 2024 г.
  3. ^ Постел, Сандра (1999). «Ирригация бассейна долины Нила в Египте» (PDF) . waterhistory.com . Отрывок из «Песчаный столб: может ли чудо орошения продлиться долго?» . WW Norton.
  4. ^ Грегори, Кеннет Дж.; Левин, Джон (2014). Основы геоморфологии: ключевые концепции. SAGE. ISBN 978-1-4739-0895-6.
  5. ^ Бисват, Асит К (1970). «Эдмонд Галлей, FSR, выдающийся гидролог». Заметки и записи Лондонского королевского общества . 25. Издательство Королевского общества: 47–57. doi : 10.1098/rsnr.1970.0004 .
  6. ^ Граф, Т.; Симмонс, КТ (февраль 2009 г.). "Переменная плотность потока грунтовых вод и перенос растворенных веществ в трещиноватых породах: применимость аналитического решения Танга и др. [1981]". Water Resources Research . 45 (2): W02425. Bibcode : 2009WRR....45.2425G. doi : 10.1029/2008WR007278. S2CID  133884299.
  7. ^ Верееккен, Х.; Кемна, А.; Мюнх, ХМ; Тиллманн, А.; Ферверд, А. (2006). "Характеристика водоносного горизонта геофизическими методами". Энциклопедия гидрологических наук . John Wiley & Sons. doi :10.1002/0470848944.hsa154b. ISBN 0-471-49103-9.
  8. ^ Уилсон, Л. Грей; Эверетт, Лорн Г.; Каллен, Стивен Дж. (1994). Справочник по характеристике и мониторингу зоны вадоза . CRC Press. ISBN 978-0-87371-610-9.
  9. ^ Редди, П. Джая Рами (2007). Учебник гидрологии (переиздание). Нью-Дели: Laxmi Publ. ISBN 9788170080992.
  10. ^ Робинсон, ДА, 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 в масштабе водораздела: обзор».
  11. ^ Вуд, Пол Дж.; Ханна, Дэвид М.; Сэдлер, Джонатан П. (28 февраля 2008 г.). Гидроэкология и экогидрология: прошлое, настоящее и будущее. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-01018-1.
  12. ^ Шиллинг, Сэмюэл; Диц, Андреас; Кюнцер, Клаудия (20 марта 2024 г.). «Мониторинг эквивалента снежной воды — обзор крупномасштабных приложений дистанционного зондирования». Дистанционное зондирование . 16 (6): 1085. Bibcode : 2024RemS...16.1085S. doi : 10.3390/rs16061085 . ISSN  2072-4292.
  13. ^ Tang, Q.; Gao, H.; Lu, H.; Lettenmaier, DP (6 октября 2009 г.). «Дистанционное зондирование: гидрология». Progress in Physical Geography . 33 (4): 490–509. Bibcode : 2009PrPG...33..490T. doi : 10.1177/0309133309346650. S2CID  140643598.
  14. ^ Archibald, JA; Buchanan, BP; Fuka, DR; Georgakakos, CB; Lyon, SW; Walter, MT (июль 2014 г.). "Простая регионально параметризованная модель для прогнозирования областей неточечных источников на северо-востоке США". Journal of Hydrology: Regional Studies . 1 : 74–91. Bibcode : 2014JHyRS...1...74A. doi : 10.1016/j.ejrh.2014.06.003 .
  15. ^ Бек, Хайлк Э.; Пан, Мин; Лин, Пейронг; Зайберт, Ян; Дейк, Альберт IJM; Вуд, Эрик Ф. (16 сентября 2020 г.). «Глобальное полностью распределенное региональное распределение параметров на основе наблюдаемых расходов воды в 4229 верхних водосборах». Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 125 (17). Bibcode : 2020JGRD..12531485B. doi : 10.1029/2019JD031485 . ISSN  2169-897X.
  16. ^ Лофтис, Джим С. (30 апреля 2019 г.), «Анализ случайных величин качества воды», Статистический анализ гидрологических переменных , Рестон, Вирджиния: Американское общество инженеров-строителей, стр. 381–405, doi :10.1061/9780784415177.ch10, ISBN 9780784415177, S2CID  182417172 , получено 19 мая 2023 г.
  17. ^ Джаджармизаде и др. (2012), Журнал экологической науки и технологий, 5(5), стр.249-261.
  18. ^ "Международная гидрологическая программа (МГП)". МГП. 6 мая 2013 г. Архивировано из оригинала 2 июня 2013 г. Получено 8 июня 2013 г.
  19. ^ "Международный институт управления водными ресурсами (IWMI)". IWMI. Архивировано из оригинала 10 марта 2013 года . Получено 8 марта 2013 года .
  20. ^ "IHE Delft Institute for Water Education". UNIESCO-IHE. Архивировано из оригинала 14 марта 2013 г.
  21. ^ "CEH Website". Центр экологии и гидрологии. Архивировано из оригинала 7 марта 2013 года . Получено 8 марта 2013 года .
  22. ^ "Cranfield Water Science Institute". Cranfield University. Архивировано из оригинала 13 февраля 2013 года . Получено 8 марта 2013 года .
  23. ^ "Eawag aquatic research". Швейцарский федеральный институт водных наук и технологий. 25 января 2012 г. Архивировано из оригинала 25 июня 2015 г. Получено 8 марта 2013 г.
  24. ^ "Professur für Hydrologie". Фрайбургский университет. 23 февраля 2010 г. Архивировано из оригинала 2 мая 2013 г. Получено 8 марта 2013 г.
  25. ^ "Водные ресурсы Соединенных Штатов". USGS. 4 октября 2011 г. Архивировано из оригинала 8 марта 2013 г. Получено 8 марта 2013 г.
  26. ^ "Управление гидрологического развития". Национальная метеорологическая служба . NOAA. 28 октября 2011 г. Архивировано из оригинала 18 сентября 2011 г. Получено 8 марта 2013 г.
  27. ^ "Hydrologic Engineering Center". Инженерный корпус армии США. Архивировано из оригинала 8 марта 2013 года . Получено 8 марта 2013 года .
  28. ^ "Hydrologic Research Center". Hydrological Research Center. Архивировано из оригинала 10 мая 2013 года . Получено 8 марта 2013 года .
  29. ^ "NOAA Economics and Social Sciences". NOAA Office of Program Planning and Integration. Архивировано из оригинала 25 июля 2011 года . Получено 8 марта 2013 года .
  30. ^ "Центр исследований природных опасностей и катастроф". Университет Оклахомы. 17 июня 2008 г. Архивировано из оригинала 24 мая 2013 г. Получено 8 марта 2013 г.
  31. ^ "Национальный центр гидрологических исследований (Саскатун, Саскачеван)". Центры экологических наук . Environment Canada. 25 октября 2007 г. Архивировано из оригинала 12 марта 2013 г. Получено 8 марта 2013 г.
  32. ^ "Национальный институт гидрологии (Рурки), Индия". NIH Roorkee. Архивировано из оригинала 19 сентября 2000 года . Получено 1 августа 2015 года .
  33. ^ "Американский институт гидрологии". Архивировано из оригинала 26 июня 2019 года . Получено 25 сентября 2019 года .
  34. ^ "Hydrogeology Division". Геологическое общество Америки. 10 сентября 2011 г. Архивировано из оригинала 5 апреля 2013 г. Получено 8 марта 2013 г.
  35. ^ «Добро пожаловать в раздел гидрологии (H) AGU». Американский геофизический союз. Архивировано из оригинала 2 мая 2013 года . Получено 8 марта 2013 года .
  36. ^ "Национальная ассоциация грунтовых вод". Архивировано из оригинала 9 сентября 2013 года . Получено 8 марта 2013 года .
  37. ^ "Американская ассоциация водных ресурсов". 2 января 2012 г. Архивировано из оригинала 24 марта 2018 г. Получено 8 марта 2013 г.
  38. ^ "CUAHSI". Архивировано из оригинала 15 марта 2013 года . Получено 8 марта 2013 года .
  39. ^ "Международная ассоциация гидрологических наук (IAHS)". Ассоциации . Международный союз геодезии и геофизики. 1 декабря 2008 г. Архивировано из оригинала 20 января 2013 г. Получено 8 марта 2013 г.
  40. ^ "Международная ассоциация гидрологических наук". Архивировано из оригинала 11 мая 2010 года . Получено 8 марта 2013 года .
  41. ^ "Международная комиссия по статистической гидрологии". STAHY. Архивировано из оригинала 6 июня 2013 года . Получено 8 марта 2013 года .
  42. ↑ Deutsche Hydrologische Gesellschaft. Архивировано 7 сентября 2013 года в Wayback Machine . Проверено 2 сентября 2013 г.
  43. ^ Nordic Association for Hydrology Архивировано 24 июня 2013 г. на Wayback Machine . Получено 2 сентября 2013 г.
  44. ^ "Британское гидрологическое общество". Архивировано из оригинала 2 марта 2013 года . Получено 8 марта 2013 года .
  45. ^ "{title}" Гидрологическая комиссия (на русском языке). Русское географическое общество. Архивировано из оригинала 26 августа 2013 года . Получено 8 марта 2013 года .
  46. ^ "Hydroweb". Международная ассоциация по экологической гидрологии. Архивировано из оригинала 17 февраля 2013 года . Получено 8 марта 2013 года .
  47. ^ "Международная ассоциация гидрогеологов". Архивировано из оригинала 20 июня 2014 года . Получено 19 июня 2014 года .
  48. ^ "Общество гидрологов и метеорологов". Общество гидрологов и метеорологов . Архивировано из оригинала 13 марта 2016 года . Получено 12 июня 2017 года .
  49. ^ "Connected Waters Initiative (CWI)". Университет Нового Южного Уэльса. Архивировано из оригинала 9 апреля 2013 года . Получено 8 марта 2013 года .
  50. ^ "Интегрированное управление водными ресурсами в Австралии: примеры – инициатива бассейна рек Мюррей и Дарлинг". Правительство Австралии, Департамент окружающей среды . Правительство Австралии. Архивировано из оригинала 5 февраля 2014 года . Получено 19 июня 2014 года .
  51. ^ Ветцель, РГ (2001) Лимнология: экосистемы озер и рек , 3-е изд. Academic Press. ISBN 0-12-744760-1 

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Найдите информацию о гидрологии в Викисловаре, бесплатном словаре.