Поверхностный сток (также известный как сухопутный сток или наземный сток ) представляет собой неограниченный поток воды по поверхности земли, в отличие от руслового стока (или реечного стока ). Это происходит, когда избыток дождевой , ливневой , талой воды или других источников больше не может достаточно быстро проникать в почву . Это может произойти, когда почва насыщена водой на полную мощность, а дождь выпадает быстрее, чем почва может его поглотить. Поверхностный сток часто возникает из-за того, что непроницаемые участки (такие как крыши и тротуары ) не позволяют воде впитываться в землю. Кроме того, сток может происходить как в результате естественных, так и антропогенных процессов. [1]
Поверхностный сток является основным компонентом круговорота воды . Это основной агент водной эрозии почвы . [2] [3] Площадь суши, производящая сток, который стекает в общую точку, называется дренажным бассейном .
Сток, который происходит на поверхности земли до достижения канала, может быть неточечным источником загрязнения , поскольку он может нести загрязняющие вещества, созданные человеком, или естественные формы загрязнения (например, гниющие листья). К антропогенным загрязнителям стоков относятся нефть , пестициды , удобрения и другие. [4] Значительная часть сельскохозяйственного загрязнения усугубляется поверхностным стоком, что приводит к ряду воздействий в нижнем течении, включая загрязнение биогенными веществами , вызывающее эвтрофикацию .
Помимо водной эрозии и загрязнения, поверхностный сток в городских районах является основной причиной городских наводнений , которые могут привести к повреждению имущества, сырости и плесени в подвалах , а также к затоплению улиц.
Поверхностный сток определяется как осадки (дождь, снег, мокрый снег или град [5] ), которые достигают поверхностного потока, даже не проходя ниже поверхности почвы. [6] Он отличается от прямого стока , который представляет собой сток, который достигает поверхностных водотоков сразу после дождя или таяния снега и исключает сток, образующийся в результате таяния снежного покрова или ледников. [7]
Таяние снега и ледников происходит только в районах, достаточно холодных для их постоянного формирования. Обычно пик таяния снегов приходится на весну [8] , а таяние ледников — летом, [9] что приводит к выраженным максимумам стока в реках, на которые они влияют. [10] Определяющим фактором скорости таяния снега или ледников является как температура воздуха, так и продолжительность солнечного света. [11] По этой причине в высокогорных районах потоки часто поднимаются в солнечные дни и опускаются в пасмурные.
В районах, где нет снега, сток будет происходить за счет осадков. Однако не все осадки будут вызывать сток, поскольку накопление в почве может поглощать небольшие ливни. На чрезвычайно древних почвах Австралии и Южной Африки [12] протеоидные корни с чрезвычайно густой сетью корневых волосков могут поглощать столько дождевой воды, что предотвращают ее сток даже при значительном количестве осадков . В этих регионах, даже на менее неплодородных растрескивающихся глинистых почвах , для образования поверхностного стока необходимы большие количества осадков и потенциальное испарение, что приводит к специальной адаптации к чрезвычайно изменчивым (обычно эфемерным) потокам.
Это происходит, когда количество осадков на поверхности превышает скорость, с которой вода может проникнуть в землю, а любое углубление уже заполнено. Это также называется хортоновским сухопутным потоком (в честь Роберта Э. Хортона ) [13] или ненасыщенным сухопутным потоком. [14] Это чаще происходит в засушливых и полузасушливых регионах, где интенсивность осадков высока, а способность почвы к инфильтрации снижается из-за уплотнения поверхности , или в городских районах, где тротуары предотвращают проникновение воды. [15]
Когда почва насыщена водой и углубление заполнено, а дождь продолжает идти, осадки немедленно вызывают поверхностный сток. Уровень предшествующей влажности почвы является одним из факторов, влияющих на время, пока почва не станет насыщенной. Этот сток называется избыточным поверхностным стоком насыщения, [15] насыщенным сухопутным стоком, [16] или стоком Данна. [17]
Почва сохраняет определенную влажность после дождя . Остаточная влага воды влияет на инфильтрационную способность почвы . Во время следующего дождя инфильтрационная способность приведет к тому, что почва будет насыщаться с другой скоростью. Чем выше уровень предшествующей влажности почвы, тем быстрее почва насыщается. Когда почва насыщается, происходит сток. Таким образом, поверхностный сток является важным фактором регулирования влажности почвы после ливней средней и низкой интенсивности. [18]
После того, как вода проникает в почву на склоне холма, вода может течь в поперечном направлении через почву и просачиваться (вытекать из почвы) ближе к каналу. Это называется подземным возвратным потоком или сквозным потоком .
По мере течения количество стока может быть уменьшено несколькими возможными способами: небольшая его часть может испариться ; вода может временно накапливаться в микротопографических понижениях; и часть его может проникнуть по мере течения по суше. Любая оставшаяся поверхностная вода в конечном итоге попадает в принимающий водоем , такой как река , озеро , устье реки или океан . [19]
Урбанизация увеличивает поверхностный сток за счет создания более непроницаемых поверхностей, таких как тротуары и здания, которые не позволяют воде просачиваться через почву в водоносный горизонт . Вместо этого он попадает непосредственно в ручьи или ливневые стоки , где эрозия и заиление могут стать серьезными проблемами, даже если наводнений нет. Увеличение стока уменьшает пополнение грунтовых вод , тем самым снижая уровень грунтовых вод и усугубляя засухи , особенно для сельскохозяйственных фермеров и других лиц, которые зависят от колодцев . [20]
Когда антропогенные загрязнители растворяются или взвешиваются в стоках, воздействие человека расширяется и приводит к загрязнению воды . Эта нагрузка загрязняющих веществ может достигать различных принимающих вод, таких как ручьи, реки, озера, устья рек и океаны, что приводит к изменению химического состава воды в этих водных системах и связанных с ними экосистемах. [21]
Поскольку люди продолжают изменять климат, добавляя в атмосферу парниковые газы , ожидается, что характер осадков изменится по мере увеличения способности атмосферы удерживать водяной пар. Это будет иметь прямые последствия для объемов стока. [22]
Городской сток – это поверхностный сток дождевой воды, орошения ландшафтов и мойки автомобилей [23], созданный урбанизацией . Непроницаемые поверхности ( дороги , парковки и тротуары ) сооружаются во время освоения земель . Во время дождя , урагана и других осадков эти поверхности (построенные из таких материалов, как асфальт и бетон ), а также крыши переносят загрязненные ливневые воды в ливневые стоки , вместо того, чтобы позволить воде просачиваться через почву . [24] Это вызывает понижение уровня грунтовых вод (поскольку пополнение грунтовых вод уменьшается) и наводнения , поскольку количество воды, остающейся на поверхности, увеличивается. [25] [26] Большинство муниципальных систем ливневой канализации сбрасывают неочищенные ливневые воды в ручьи , реки и заливы . Эта избыточная вода также может проникать в дома людей через резервные копии подвалов и просачиваться через стены и полы зданий.
Городские стоки могут быть основным источником городских наводнений и загрязнения воды в городских сообществах по всему миру.
Поверхностный сток может вызвать эрозию поверхности Земли; эродированный материал может откладываться на значительном расстоянии. Существует четыре основных типа водной эрозии почвы : водная эрозия, листовая эрозия, ручейковая эрозия и овражная эрозия. Брызговая эрозия – это результат механического столкновения дождевых капель с поверхностью почвы: частицы почвы, смещаемые при ударе, затем перемещаются вместе с поверхностным стоком. Пластовая эрозия – это перенос наносов по суше со стоком без четко определенного русла. Причины шероховатости поверхности почвы могут привести к концентрации стока в более узких путях потока: по мере того, как они прорезаются, образуются небольшие, но четко определенные каналы, известные как ручейки. Эти каналы могут иметь ширину от одного сантиметра до нескольких метров. Если сток продолжит прорезать и расширять ручьи, они могут в конечном итоге превратиться в овраги. Овражная эрозия может переносить большое количество эродированного материала за небольшой период времени.
Снижение урожайности сельскохозяйственных культур обычно является результатом эрозии, и эти последствия изучаются в области охраны почв . Частицы почвы, переносимые со стоком, имеют размер от примерно 0,001 миллиметра до 1,0 миллиметра в диаметре. Более крупные частицы оседают на короткие расстояния транспортировки, тогда как мелкие частицы могут переноситься на большие расстояния во взвешенном состоянии в толще воды . Эрозия илистых почв, содержащих более мелкие частицы, приводит к мутности и уменьшению светопропускания, что разрушает водные экосистемы .
Целые части стран стали непроизводительными в результате эрозии. На высоком центральном плато Мадагаскара , занимающем примерно десять процентов территории страны, практически весь ландшафт лишен растительности , с эрозионными оврагами , глубина которых обычно превышает 50 метров, а ширина — один километр. Вахтовое земледелие — это система земледелия, которая в некоторых регионах мира иногда включает подсечно-огневой метод. Эрозия приводит к потере плодородного верхнего слоя почвы, снижает ее плодородие и качество сельскохозяйственной продукции.
Современное промышленное сельское хозяйство является еще одной серьезной причиной эрозии. Более трети Кукурузного пояса США полностью лишились верхнего слоя почвы . [29] Переход на нулевую обработку почвы позволит снизить эрозию почвы на сельскохозяйственных полях США более чем на 70 процентов. [30]
Основными экологическими проблемами, связанными со стоком, являются воздействия на поверхностные и грунтовые воды и почву в результате переноса загрязнителей воды в эти системы. В конечном итоге эти последствия выражаются в риске для здоровья человека, нарушении экосистем и эстетическом воздействии на водные ресурсы. Некоторыми загрязнителями, оказывающими наибольшее воздействие на поверхностные воды в результате стоков, являются нефтепродукты , гербициды и удобрения . Количественное поглощение пестицидов и других загрязнителей поверхностными стоками изучается с 1960-х годов, и уже на ранних этапах контакта пестицидов с водой было известно, что они усиливают фитотоксичность . [31] В случае поверхностных вод воздействие выражается в загрязнении воды , поскольку в ручьи и реки попадают стоки, несущие различные химические вещества или отложения. Когда поверхностные воды используются в качестве источника питьевой воды , они могут быть подвергнуты риску с точки зрения рисков для здоровья и эстетики питьевой воды (то есть запаха, цвета и мутности ). Загрязненные поверхностные воды рискуют изменить метаболические процессы водных видов , которые в них обитают; эти изменения могут привести к смерти, например, гибели рыбы , или изменить баланс присутствующих популяций. Другие конкретные воздействия касаются спаривания животных, нереста, жизнеспособности яиц и личинок , выживаемости молоди и продуктивности растений. Некоторые исследования показывают, что поверхностный сток пестицидов, таких как ДДТ , может генетически изменить пол вида рыб, в результате чего самцы превращаются в самок. [32]
Поверхностный сток, происходящий в лесах, может поставлять в озера большое количество минерального азота и фосфора, что приводит к эвтрофикации . Сточные воды в хвойных лесах также обогащены гуминовыми кислотами и могут приводить к гумификации водоемов [33]. Кроме того, высокостоящие и молодые острова в тропиках и субтропиках могут подвергаться высокой скорости эрозии почвы, а также вносить большие потоки материалов в прибрежный океан. . Такой сток питательных веществ, углерода и загрязняющих веществ, поступающий с суши, может иметь серьезные последствия для глобальных биогеохимических циклов , а также морских и прибрежных экосистем. [34]
В случае с подземными водами основной проблемой является загрязнение питьевой воды, если водоносный горизонт забирается для использования человеком. Что касается загрязнения почвы , сточные воды могут вызывать беспокойство по двум важным путям. Во-первых, сточные воды могут экстрагировать загрязняющие вещества из почвы и переносить их в виде загрязнения воды в еще более чувствительные водные среды обитания. Во-вторых, стоки могут откладывать загрязняющие вещества на нетронутых почвах, создавая последствия для здоровья и экологии.
Другой контекст сельскохозяйственных проблем связан с переносом сельскохозяйственных химикатов (нитратов, фосфатов, пестицидов , гербицидов и т. д.) через поверхностные стоки. Этот результат возникает, когда использование химикатов является чрезмерным или несвоевременным из-за большого количества осадков. Образующиеся в результате загрязненные стоки представляют собой не только отходы сельскохозяйственных химикатов, но и экологическую угрозу для экосистем ниже по течению. Сосновая солома часто используется для защиты почвы от эрозии почвы и роста сорняков. [35] Однако сбор этих культур может привести к усилению эрозии почвы.
Поверхностный сток приводит к значительному экономическому эффекту. Сосновая солома — экономически эффективный способ борьбы с поверхностными стоками. Более того, поверхностный сток можно повторно использовать за счет роста массы слонов. В Нигерии слоновая трава считается экономичным способом уменьшения поверхностного стока и эрозии . [36] Кроме того, Китай пострадал от значительного воздействия поверхностных стоков на большинство своих экономичных культур, таких как овощи. Поэтому известно, что они внедрили систему, которая снижает потерю питательных веществ (азота и фосфора) в почве. [37]
Наводнение происходит, когда водоток не может переносить количество стоков, стекающих вниз по течению. Частота, с которой это происходит, описывается периодом возврата . Наводнение — это естественный процесс, который поддерживает состав и процессы экосистемы, но его также можно изменить в результате изменений в землепользовании, например, в результате строительства рек. Наводнения могут быть как полезными для общества, так и причинять ущерб. Сельское хозяйство в пойме Нила воспользовалось сезонными наводнениями, которые отложили питательные вещества, полезные для сельскохозяйственных культур. Однако по мере увеличения количества и уязвимости поселений наводнения все чаще становятся стихийными бедствиями. В городских районах поверхностный сток является основной причиной городских наводнений , известных своим повторяющимся и дорогостоящим воздействием на население. [38] Неблагоприятные последствия включают гибель людей, материальный ущерб, загрязнение водоснабжения, потерю урожая, а также социальные потрясения и временную бездомность. Наводнения являются одними из самых разрушительных стихийных бедствий. Использование дополнительного орошения также признано важным способом сохранения азотных удобрений в почве такими культурами, как кукуруза, что приводит к улучшению доступности воды для сельскохозяйственных культур. [39]
Смягчение негативного воздействия стока может принимать несколько форм:
Контроль за землепользованием. Многие мировые регулирующие органы поощряют исследования методов минимизации общего поверхностного стока, избегая ненужного жесткого ландшафта . [40] Многие муниципалитеты разработали руководящие принципы и кодексы ( зонирование и соответствующие постановления ) для застройщиков , которые поощряют тротуары минимальной ширины, использование брусчатки, уложенной в землю, для подъездных дорожек и дорожек , а также другие методы проектирования, обеспечивающие максимальное проникновение воды в городских условиях. Пример местной программы, определяющей требования к проектированию, методы строительства и требования к техническому обслуживанию зданий и объектов недвижимости, можно найти в Санта-Монике, Калифорния . [41]
Средства борьбы с эрозией появились со времен средневековья, когда фермеры осознали важность контурного земледелия для защиты почвенных ресурсов. Начиная с 1950-х годов эти методы ведения сельского хозяйства становились все более изощренными. В 1960-х годах некоторые правительства штатов и местные органы власти начали концентрировать свои усилия на смягчении последствий строительных стоков, требуя от строителей внедрения мер контроля эрозии и наносов (ESC). Сюда входили такие методы, как: использование тюков соломы и барьеров для замедления стока на склонах, установка иловых заграждений , планирование строительства на месяцы с меньшим количеством осадков и минимизация площади и продолжительности открытых спланированных территорий. Округ Монтгомери , штат Мэриленд , реализовал первую программу местного самоуправления по борьбе с отложениями в 1965 году, за ней последовала программа штата Мэриленд в 1970 году .
Программы борьбы с наводнениями еще в первой половине двадцатого века стали количественными в прогнозировании пиковых расходов речных систем. Постепенно были разработаны стратегии по минимизации пиковых расходов, а также по снижению скоростей в русле. Некоторые из обычно применяемых методов: создание прудов-отстойников (также называемых накопительными бассейнами или балансирующими озерами ) для буферизации пикового стока рек, использование рассеивателей энергии в каналах для снижения скорости потока и контроль землепользования для минимизации стока. [43]
Использование химикатов и обращение с ними. После принятия Закона США об сохранении и восстановлении ресурсов (RCRA) в 1976 году, а затем Закона о качестве воды 1987 года , штаты и города стали более бдительны в контроле над сдерживанием и хранением токсичных химикатов, предотвращая тем самым выбросы и утечки. Обычно применяются следующие методы: требования двойной изоляции подземных резервуаров для хранения , регистрация использования опасных материалов , сокращение количества разрешенных пестицидов и более строгое регулирование использования удобрений и гербицидов при уходе за ландшафтом. Во многих промышленных случаях требуется предварительная обработка отходов, чтобы свести к минимуму попадание загрязняющих веществ в санитарную или ливневую канализацию .
Закон США о чистой воде (CWA) требует, чтобы местные органы власти в урбанизированных районах (согласно определению Бюро переписи населения ) получали разрешения на сброс ливневых вод для своих дренажных систем. [44] [45] По сути это означает, что населенный пункт должен реализовать программу управления ливневыми водами для всех поверхностных стоков, которые попадают в муниципальную отдельную систему ливневой канализации («MS4»). Постановления Агентства по охране окружающей среды, государственные нормативы и соответствующие публикации определяют шесть основных компонентов, которые должна содержать каждая местная программа:
Требования разрешения MS4 также распространяются на других владельцев недвижимости, которые эксплуатируют системы ливневой канализации, аналогичные муниципальным, например, государственные автомагистрали, университеты, военные базы и тюрьмы.
Сток анализируется с использованием математических моделей в сочетании с различными методами отбора проб качества воды . Измерения могут проводиться с использованием инструментов непрерывного автоматического анализа качества воды, ориентированных на загрязнители, такие как определенные органические или неорганические химические вещества , pH , мутность и т. д., или нацеленных на вторичные индикаторы, такие как растворенный кислород . Измерения также можно проводить серийно, отбирая одну пробу воды и проводя с этой пробой любое количество химических или физических тестов.
В 1950-х годах или ранее появились гидрологические модели транспорта для расчета количества стока, в первую очередь для прогнозирования наводнений . С начала 1970-х годов были разработаны компьютерные модели для анализа переноса загрязняющих веществ со стоками, несущими водные загрязнители, которые учитывали скорость растворения различных химических веществ, инфильтрацию в почву и конечную нагрузку загрязняющих веществ, поступающих в принимающие воды . Одна из самых ранних моделей, учитывающих растворение химических веществ в стоках и, как следствие, перенос, была разработана в начале 1970-х годов по контракту с Агентством по охране окружающей среды США (EPA). [46] Эта компьютерная модель легла в основу большей части исследований по смягчению последствий, которые привели к разработке стратегий контроля землепользования и обращения с химическими веществами.
Специалисты по ливневой канализации все чаще осознают необходимость использования моделей Монте-Карло для моделирования процессов ливневой канализации из-за естественных изменений множества переменных, которые влияют на качество и количество стока. Преимущество анализа Монте-Карло заключается не в уменьшении неопределенности входных статистических данных, а в представлении различных комбинаций переменных, которые определяют потенциальные риски отклонений качества воды. Одним из примеров этого типа модели ливневых вод является стохастическая эмпирическая модель нагрузки и разбавления (SELDM) [47] [48] — модель качества ливневых вод . SELDM предназначен для преобразования сложных научных данных в значимую информацию о риске неблагоприятного воздействия стока на принимающие воды, потенциальной необходимости в мерах по смягчению последствий и потенциальной эффективности таких мер управления для снижения этих рисков. SELDM обеспечивает метод быстрой оценки информации, которую иначе трудно или невозможно получить, поскольку он моделирует взаимодействия между гидрологическими переменными (с различными распределениями вероятностей), которые приводят к совокупности значений, которые представляют собой вероятные долгосрочные результаты процессов стока и потенциальные последствия различных мер по смягчению последствий. SELDM также предоставляет средства для быстрого проведения анализа чувствительности для определения потенциального влияния различных исходных допущений на риски отклонений качества воды.
Были разработаны другие компьютерные модели (например, модель DSSAM ), которые позволяют отслеживать поверхностный сток по руслу реки как активные загрязнители воды. В этом случае поверхностный сток можно рассматривать как линейный источник загрязнения водоприемников . [49]
