Ручейный сток , или сток по каналам , представляет собой поток воды в ручьях и других каналах и является основным элементом круговорота воды . Это один компонент стока – движение воды с суши к водоемам , а другой компонент – поверхностный сток . Вода, текущая в каналах, поступает из поверхностного стока с прилегающих склонов холмов, из- под грунтовых вод из-под земли и из вод, сбрасываемых из труб. Расход воды , текущей в канале, измеряется с помощью водомеров или может быть оценен по уравнению Мэннинга . Запись стока во времени называется гидрографом . Наводнение происходит, когда объем воды превышает пропускную способность канала.
Потоки играют решающую роль в гидрологическом цикле , который необходим для всей жизни на Земле. Разнообразие биологических видов, от одноклеточных организмов до позвоночных, зависит от систем проточной воды как их среды обитания и пищевых ресурсов. Реки являются основными водными ландшафтами для самых разных растений и животных. Реки даже помогают поддерживать подземные водоносные горизонты наполненными водой, сбрасывая воду вниз через свои русла. Кроме того, океаны остаются полными воды, поскольку реки и стоки постоянно их освежают. [1] Речной поток является основным механизмом, с помощью которого вода перемещается с суши в океаны или в бассейны внутреннего дренажа .
Расход ручья происходит из четырех источников: русловых осадков, сухопутного стока, перетока и подземных вод.
Реки постоянно текут, что хорошо для окружающей среды, поскольку стоячая вода не остается свежей и привлекательной очень долго. Существует множество факторов, как природных, так и антропогенных, которые заставляют реки постоянно меняться: [3]
Естественные механизмы
Человеко-индуцированные механизмы
.jpg/1280px-USGS_Stream_Gaging_Station,_Minnesota_River_at_Lac_qui_Parle_Dam_(42421779314).jpg)
Речной сток измеряется как количество воды, проходящей через определенную точку с течением времени. В США используются кубические футы в секунду , тогда как в большинстве других стран используются кубические метры в секунду . Существует множество способов измерения расхода ручья или канала. Датчик потока обеспечивает непрерывный поток во времени в одном месте для управления водными ресурсами и окружающей средой или для других целей. Значения речного стока являются лучшими индикаторами условий вдоль всей реки, чем высота колеи . Измерения стока проводятся примерно каждые шесть недель персоналом Геологической службы США (USGS). Они заходят в ручей, чтобы провести измерения, или делают это с лодки, моста или канатной дороги через ручей. Для каждой гидрометрической станции соотношение между высотой водомера и расходом реки определяется путем одновременных измерений высоты водомера и расхода реки в естественном диапазоне расходов (от очень низких расходов до паводков). Это отношение предоставляет данные о стоке с этой станции. [5] Для целей, которые не требуют непрерывного измерения расхода ручья с течением времени, можно использовать вертушки или акустические доплеровские измерители скорости. Для небольших ручьев — шириной несколько метров или меньше — можно установить плотины .
Один неофициальный метод, который обеспечивает аппроксимацию потока потока, называемый оранжевым методом или методом плавания :
В Соединенных Штатах расходомеры финансируются в основном из фондов государственных и местных органов власти. В 2008 финансовом году Геологическая служба США предоставила 35% финансирования повседневной эксплуатации и технического обслуживания датчиков. [8] Кроме того, Геологическая служба США использует гидрографы для изучения стока рек. Гидрограф — это диаграмма , показывающая, чаще всего, уровень реки (высота воды над произвольной высотой) и расход реки (количество воды, обычно в кубических футах в секунду). Другие свойства, такие как количество осадков и параметры качества воды, также могут быть отображены на графике. [9]
Для большинства рек, особенно с небольшим водоразделом, данные о расходе отсутствуют. В этом случае можно произвести оценку расходов, используя рациональный метод или его модифицированную версию. Однако, если для потока доступны хронологические записи о расходе воды, можно сделать краткосрочный прогноз расхода для данного ливня с помощью гидрографа.
Метод единичного гидрографа. Этот метод включает в себя построение графика, на котором расход, вызванный ливнем заданного размера, отображается в зависимости от времени, обычно часов или дней. Он называется методом единичного гидрографа, потому что он учитывает только сток, вызванный конкретным ливнем за определенный период времени - время, необходимое реке для подъема, достижения пика и падения в ответ на шторм.
После установления зависимости между количеством осадков и стоком последующие данные об осадках можно использовать для прогнозирования стока рек для выбранных штормов, называемых стандартными штормами. Стандартный ливень — это шторм высокой интенсивности известной силы и частоты. Один из методов анализа единичного гидрографа включает выражение почасового или ежедневного увеличения стока реки в процентах от общего стока. Эти данные единичного гидрографа для этого шторма нанесены на график, который представляет собой сток, добавленный к основному стоку перед штормом.
Прогнозировать стоки в большом водосборном бассейне с использованием метода единичного гидрографа было бы затруднительно, поскольку в большом бассейне географические условия могут существенно различаться от одной части бассейна к другой. Это особенно верно в отношении 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.
Амплитудно-частотный метод. Для крупных бассейнов, где единичный гидрограф может оказаться бесполезным и надежным, метод величины и частоты используется для расчета вероятности повторения крупных потоков на основе данных о стоках прошлых лет. В Соединенных Штатах эти записи для крупных рек ведутся Гидрологическим отделом Геологической службы США. Для бассейна площадью 5000 квадратных миль и более речная система обычно измеряется в пяти-десяти точках.
Данные каждой гидрометрической станции относятся к части бассейна выше по течению от этого места. Учитывая пиковые годовые расходы реки в течение нескольких десятилетий, можно сделать ограниченные прогнозы для оценки размера какого-либо крупного стока, который не наблюдался в течение периода учета. Этот метод включает в себя проецирование кривой (линии графика), образующейся при построении пиковых годовых расходов в зависимости от их соответствующих интервалов повторяемости. Однако в большинстве случаев кривая сильно изгибается, что затрудняет точное построение проекции. Эту проблему можно решить, нанеся на график данные о разряде и/или интервале повторения на логарифмической миллиметровой бумаге. После того, как участок выпрямлен, через точки можно провести линию. Затем можно сделать проекцию, продлив линию за пределы точек и затем прочитав соответствующий разряд для рассматриваемого интервала повторения.
Сток воды в каналах ответственен за перенос наносов , питательных веществ и загрязнений вниз по течению. Без речного стока вода в данном водоразделе не сможет естественным образом достичь конечного пункта назначения в озере или океане. Это нарушит экосистему. Речной сток — один из важных маршрутов воды с суши к озерам и океанам. Другими основными путями являются поверхностный сток (сток воды с земли в близлежащие водотоки, происходящий во время осадков и в результате орошения), поступление грунтовых вод в поверхностные воды, а также сток воды из построенных труб и каналов. [10]
Речной поток приносит обществу как пользу, так и опасность. Сток вниз по течению является средством сбора воды для хранения в плотинах для выработки электроэнергии при заборе воды. Поток воды способствует транспорту вниз по течению. Данный водоток имеет максимальную скорость потока, которую может обеспечить рассчитанный канал. Если расход реки превышает эту максимальную скорость, как это происходит при наличии в водотоке чрезмерного количества воды, канал не может справиться со всей водой, и происходит затопление.
Наводнение на реке Миссисипи 1993 года , крупнейшее из когда-либо зарегистрированных на реке, было ответом на обильные и продолжительные весенние и летние дожди. Ранние дожди насытили почву на площади более 300 000 квадратных миль верхнего водораздела, значительно сократив инфильтрацию и оставив почву практически без емкости для хранения. Поскольку дожди продолжались, поверхностные впадины, водно-болотные угодья, пруды, канавы и сельскохозяйственные поля заполнялись наземным стоком и дождевой водой. Из-за отсутствия оставшейся способности удерживать воду дополнительные осадки выбрасывались с земли в притоки, а оттуда в реку Миссисипи . Более месяца суммарная нагрузка воды сотен притоков превышала пропускную способность русла Миссисипи, в результате чего она выливалась из берегов на прилегающие поймы. Там, где паводковые воды были искусственно ограничены спроектированным каналом, ограниченным построенными дамбами и неспособными разлиться на большую часть поймы, уровень паводка стал еще выше. [11]