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 земли, а также 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 полными воды, 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 речного 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 потока 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 ручья, называемый « оранжевым методом» или « методом с плавающей запятой» , следующий:
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 дневного увеличения стока реки в процентах от общего стока. Эти данные единичного гидрографа для этого шторма нанесены на график, который представляет собой сток, добавленный к базовому 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. У данного водотока есть максимальная скорость потока, которую может обеспечить канал, который можно рассчитать. 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]