Поверхностный сток (также известный как сток по суше или наземный сток ) представляет собой неограниченный поток воды по поверхности земли, в отличие от стока по руслу (или ручейкового стока ). Он происходит, когда избыток дождевой воды , ливневой воды , талой воды или других источников больше не может достаточно быстро просачиваться в почву . Это может произойти, когда почва полностью пропитана водой, и дождь идет быстрее, чем почва может его впитать. Поверхностный сток часто происходит из-за того, что непроницаемые области (такие как крыши и тротуары ) не позволяют воде впитываться в землю. Кроме того, сток может происходить как в результате естественных, так и в результате антропогенных процессов. [1]
Поверхностный сток является основным компонентом круговорота воды . Он является основным агентом эрозии почвы водой . [2] [3] Площадь суши, производящая сток, который стекает в общую точку, называется водосборным бассейном .
Сток, который происходит на поверхности земли до достижения канала , может быть неточечным источником загрязнения , поскольку он может переносить загрязняющие вещества, созданные человеком, или естественные формы загрязнения (например, гниющие листья). Антропогенные загрязняющие вещества в стоке включают нефть , пестициды , удобрения и другие. [4] Значительная часть сельскохозяйственного загрязнения усугубляется поверхностным стоком, что приводит к ряду последствий ниже по течению, включая загрязнение питательными веществами , которое вызывает эвтрофикацию .
Помимо водной эрозии и загрязнения, поверхностный сток в городских районах является основной причиной городских наводнений , которые могут привести к повреждению имущества, появлению сырости и плесени в подвалах , а также затоплению улиц.
Поверхностный сток определяется как осадки (дождь, снег, мокрый снег или град [5] ), которые достигают поверхностного потока, не проходя ниже поверхности почвы. [6] Он отличается от прямого стока , который представляет собой сток, который достигает поверхностных потоков сразу после выпадения дождя или таяния снега и исключает сток, образующийся в результате таяния снежного покрова или ледников. [7]
Снег и таяние ледников происходят только в районах, достаточно холодных для того, чтобы они могли образоваться навсегда. Обычно пик таяния снега приходится на весну [8] , а таяние ледников — на лето [9], что приводит к выраженным максимальным потокам 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 ручьи 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 производить сток, потому что хранение в почве может поглощать легкие ливни. На чрезвычайно древних почвах Австралии и Южной Африки [ 12] протеоидные корни с их чрезвычайно плотными сетями корневых волосков могут поглощать так много дождевой воды, что предотвращают сток даже при значительном количестве осадков. В этих регионах, даже на менее бесплодных растрескивающихся глинистых почвах , для образования любого поверхностного стока необходимы большие количества осадков и потенциальное испарение, что приводит к специализированным адаптациям к чрезвычайно изменчивым (обычно эфемерным) потокам.
Это происходит, когда скорость осадков на поверхности превышает скорость, с которой вода может просачиваться в землю, и любое углубление хранилища уже заполнено. Это также называется хортоновским потоком поверх земли (в честь Роберта Э. Хортона ), [13] или ненасыщенным потоком поверх земли. [14] Это чаще всего происходит в засушливых и полузасушливых регионах, где интенсивность осадков высока, а способность почвы к инфильтрации снижена из-за поверхностного уплотнения , или в городских районах, где тротуары препятствуют инфильтрации воды. [15]
Когда почва насыщена и хранилище понижения заполнено, а дождь продолжает идти, осадки немедленно вызовут поверхностный сток. Уровень предшествующей влажности почвы является одним из факторов, влияющих на время, пока почва не станет насыщенной. Этот сток называется избыточным стоком с поверхности земли, [15] насыщенным стоком с поверхности земли, [16] или стоком Данна. [17]
Почва сохраняет определенную степень влажности после дождя . Эта остаточная влажность воды влияет на инфильтрационную способность почвы . Во время следующего выпадения осадков инфильтрационная способность приведет к насыщению почвы с другой скоростью. Чем выше уровень предшествующей влажности почвы, тем быстрее она становится насыщенной. Как только почва насыщается, происходит сток. Таким образом, поверхностный сток является существенным фактором в контроле влажности почвы после штормов средней и низкой интенсивности. [18]
После того, как вода просочится в почву на участке склона холма, она может течь вбок через почву и вытекать (вытекать из почвы) ближе к каналу. Это называется подземным возвратным потоком или сквозным потоком .
По мере течения объем стока может быть уменьшен несколькими возможными способами: небольшая его часть может испаряться ; вода может временно храниться в микротопографических понижениях; и часть ее может просачиваться, когда она течет по суше. Любая оставшаяся поверхностная вода в конечном итоге впадает в принимающий водный объект, такой как река , озеро , эстуарий или океан . [19]
Урбанизация увеличивает поверхностный сток, создавая более непроницаемые поверхности , такие как тротуары и здания, которые не позволяют воде просачиваться вниз через почву к водоносному горизонту . Вместо этого она попадает прямо в ручьи или стоки ливневых вод , где эрозия и заиление могут быть серьезными проблемами, даже когда наводнения не являются таковыми. Увеличение стока снижает пополнение грунтовых вод , тем самым понижая уровень грунтовых вод и усугубляя засухи , особенно для фермеров и других, кто зависит от скважин с водой . [20]
Когда антропогенные загрязняющие вещества растворяются или взвешиваются в стоках, воздействие человека расширяется, вызывая загрязнение воды . Эта загрязняющая нагрузка может достигать различных водоемов, таких как ручьи, реки, озера, эстуарии и океаны, что приводит к изменению химического состава воды в этих водных системах и связанных с ними экосистемах. [21]
Поскольку люди продолжают изменять климат посредством добавления парниковых газов в атмосферу, ожидается, что характер осадков изменится, поскольку увеличится емкость атмосферы для водяного пара. Это будет иметь прямые последствия для объемов стока. [22]
Городской сток — это поверхностный сток дождевой воды, орошения ландшафта и мойки автомобилей [23], созданный урбанизацией . Непроницаемые поверхности ( дороги , парковки и тротуары ) сооружаются во время освоения земель . Во время дождя , штормов и других осадков эти поверхности (построенные из таких материалов, как асфальт и бетон ), а также крыши , переносят загрязненную ливневую воду в ливневые стоки , вместо того, чтобы позволить воде просачиваться через почву . [24] Это вызывает понижение уровня грунтовых вод (потому что пополнение грунтовых вод уменьшается) и наводнения, поскольку количество воды, которая остается на поверхности, больше. [25] [26] Большинство муниципальных систем ливневой канализации сбрасывают неочищенную ливневую воду в ручьи , реки и заливы . Эта избыточная вода также может проникать в дома людей через подвалы и просачиваться через стены и полы зданий.
Городские стоки могут стать основным источником 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 эрозии почвы водой : эрозия брызгами, эрозия поверхностных вод, эрозия ручьев и эрозия оврагов . Эрозия брызгами является результатом механического столкновения капель дождя с поверхностью почвы: частицы почвы, которые смещаются под воздействием, затем перемещаются с поверхностным стоком. Эрозия поверхностных вод представляет собой наземный перенос осадков стоком без четко определенного русла. Причины шероховатости поверхности почвы могут привести к тому, что сток сосредоточится в более узких путях потока: по мере того, как они врезаются, образуются небольшие, но четко определенные каналы, известные как ручьи. Эти каналы могут быть шириной от одного сантиметра до нескольких метров. Если сток продолжает врезаться и расширять ручьи, они могут в конечном итоге вырасти и превратиться в овраги. Эрозия оврагов может переносить большие объемы эродированного материала за короткий промежуток времени.
Снижение урожайности сельскохозяйственных культур обычно является результатом эрозии, и эти эффекты изучаются в области сохранения почв . Частицы почвы, переносимые стоком, имеют размер от примерно 0,001 миллиметра до 1,0 миллиметра в диаметре. Более крупные частицы оседают на короткие расстояния, тогда как мелкие частицы могут переноситься на большие расстояния во взвешенном состоянии в толще воды . Эрозия илистой почвы, содержащей более мелкие частицы, приводит к мутности и снижению светопропускания, что нарушает водные экосистемы .
Целые районы стран стали непродуктивными из-за эрозии. На высоком центральном плато Мадагаскара , примерно десять процентов площади страны, практически весь ландшафт лишен растительности , с эрозионными бороздами оврагов, как правило, глубиной более 50 метров и шириной в один километр. Подсечно -огневое земледелие — это система земледелия, которая иногда включает подсечно-огневой метод в некоторых регионах мира. Эрозия приводит к потере плодородного верхнего слоя почвы и снижает ее плодородие и качество сельскохозяйственной продукции.
Современное промышленное земледелие является еще одной важной причиной эрозии. Более трети кукурузного пояса США полностью лишились верхнего слоя почвы . [29] Переход на методы нулевой обработки почвы снизит эрозию почвы на сельскохозяйственных полях США более чем на 70 процентов. [30]
Основные экологические проблемы, связанные со стоком, - это воздействие на поверхностные воды, грунтовые воды и почву посредством переноса загрязняющих веществ в эти системы. В конечном итоге эти последствия приводят к риску для здоровья человека, нарушению экосистемы и эстетическому воздействию на водные ресурсы. Некоторые из загрязняющих веществ, которые оказывают наибольшее воздействие на поверхностные воды, возникающие в результате стока, - это нефтяные вещества, гербициды и удобрения . Количественное поглощение поверхностным стоком пестицидов и других загрязняющих веществ изучалось с 1960-х годов, и на раннем этапе было известно, что контакт пестицидов с водой усиливает фитотоксичность . [31] В случае поверхностных вод воздействие приводит к загрязнению воды , поскольку ручьи и реки получали сток, несущий различные химикаты или отложения. Когда поверхностные воды используются в качестве источников питьевой воды , они могут быть скомпрометированы в отношении рисков для здоровья и эстетики питьевой воды (то есть запаха, цвета и мутности ). Загрязненные поверхностные воды рискуют изменить метаболические процессы водных видов , которых они принимают; Эти изменения могут привести к смерти, например, замору рыбы , или изменить баланс популяций. Другие конкретные воздействия оказываются на спаривании животных, нересте, жизнеспособности икры и личинок , выживании молоди и продуктивности растений. Некоторые исследования показывают, что поверхностный сток пестицидов, таких как ДДТ , может изменять пол видов рыб генетически, что превращает самцов в самок. [32]
Поверхностный сток, происходящий в лесах, может снабжать озера высокими нагрузками минерального азота и фосфора, что приводит к эвтрофикации . Сточные воды в хвойных лесах также обогащены гуминовыми кислотами и могут привести к гумификации водоемов [33] Кроме того, высокие и молодые острова в тропиках и субтропиках могут подвергаться высоким темпам эрозии почвы, а также вносить большой материальный поток в прибрежный океан. Такой сток с суши питательных веществ из осадка, углерода и загрязняющих веществ может иметь большое влияние на глобальные биогеохимические циклы и морские и прибрежные экосистемы. [34]
В случае грунтовых вод основной проблемой является загрязнение питьевой воды, если водоносный горизонт извлекается для использования человеком. Что касается загрязнения почвы , сточные воды могут иметь два важных пути, вызывающих беспокойство. Во-первых, сточные воды могут извлекать загрязняющие вещества из почвы и переносить их в виде загрязнения воды в еще более чувствительные водные среды обитания. Во-вторых, сточные воды могут оставлять загрязняющие вещества на нетронутых почвах, создавая последствия для здоровья или экологии.
Другой контекст сельскохозяйственных проблем включает транспортировку сельскохозяйственных химикатов (нитратов, фосфатов, пестицидов , гербицидов и т. д.) через поверхностный сток. Этот результат возникает, когда использование химикатов чрезмерно или несвоевременно по отношению к обильным осадкам. Полученный загрязненный сток представляет собой не только отходы сельскохозяйственных химикатов, но и экологическую угрозу для экосистем ниже по течению. Сосновая солома часто используется для защиты почвы от эрозии и роста сорняков. [35] Однако сбор этих культур может привести к усилению эрозии почвы.
Поверхностный сток приводит к значительному количеству экономических эффектов. Сосновая солома является экономически эффективным способом борьбы с поверхностным стоком. Более того, поверхностный сток может быть повторно использован за счет роста массы слона. В Нигерии слоновая трава считается экономичным способом, с помощью которого можно уменьшить поверхностный сток и эрозию . [36] Кроме того, Китай пострадал от значительного воздействия поверхностного стока на большинство своих экономических культур, таких как овощи. Поэтому известно, что они внедрили систему, которая сократила потерю питательных веществ (азота и фосфора) в почве. [37]
Наводнение происходит, когда водоток не может передать количество стока, текущего вниз по течению. Частота, с которой это происходит, описывается периодом повторения . Наводнение - это естественный процесс, который поддерживает состав и процессы экосистемы, но он также может быть изменен изменениями в землепользовании, такими как речная инженерия. Наводнения могут быть как полезными для общества, так и причинять ущерб. Сельское хозяйство вдоль поймы Нила использовало сезонные наводнения, которые откладывали полезные для сельскохозяйственных культур питательные вещества. Однако по мере увеличения количества и уязвимости поселений наводнение все чаще становится природной опасностью. В городских районах поверхностный сток является основной причиной городских наводнений , известных своим повторяющимся и дорогостоящим воздействием на сообщества. [38] Неблагоприятные последствия включают потерю жизни, ущерб имуществу, загрязнение водоснабжения, потерю урожая, а также социальную дислокацию и временную бездомность. Наводнения являются одними из самых разрушительных стихийных бедствий. Использование дополнительного орошения также признано важным способом, с помощью которого такие культуры, как кукуруза, могут удерживать азотные удобрения в почве, что приводит к улучшению доступности воды для растений. [39]
Смягчение неблагоприятных последствий стока может осуществляться несколькими способами:
Контроль за землепользованием. Многие мировые регулирующие агентства поощряли исследования методов минимизации общего поверхностного стока путем избегания ненужных твердых ландшафтов . [40] Многие муниципалитеты разработали руководящие принципы и кодексы ( зонирование и связанные с ними постановления ) для застройщиков , которые поощряют минимальную ширину тротуаров, использование мощения, уложенного в землю, для подъездных путей и пешеходных дорожек и другие методы проектирования, чтобы обеспечить максимальную инфильтрацию воды в городских условиях. Примером местной программы, определяющей требования к проектированию, методы строительства и требования к обслуживанию зданий и объектов, является Санта-Моника, Калифорния . [41]
Контроль эрозии появился еще 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 сложными. В 1960-х годах некоторые государственные и местные органы власти начали сосредоточивать свои усилия на смягчении строительного стока, требуя от строителей внедрения мер контроля эрозии и наносов (ESC). Это включало такие методы, как: использование соломенных тюков и барьеров для замедления стока на склонах, установка иловых заграждений , программирование строительства на месяцы с меньшим количеством осадков и минимизация площади и продолжительности открытых градуированных участков. Округ Монтгомери , штат Мэриленд, внедрил первую местную правительственную программу контроля наносов в 1965 году, а за ней последовала общегосударственная программа в Мэриленде в 1970 году. [42]
Программы контроля наводнений еще в первой половине двадцатого века стали количественными в прогнозировании пиковых потоков речных систем. Постепенно были разработаны стратегии для минимизации пиковых потоков, а также для снижения скорости русла. Некоторые из широко применяемых методов: обеспечение удерживающих прудов (также называемых удерживающими бассейнами или балансировочными озерами ) для буферизации пиковых потоков рек, использование рассеивателей энергии в каналах для снижения скорости потока и контроль землепользования для минимизации стока. [43]
Использование и обращение с химикатами . После принятия Закона США о сохранении и восстановлении ресурсов (RCRA) в 1976 году, а затем Закона о качестве воды 1987 года , штаты и города стали более бдительными в контроле за сдерживанием и хранением токсичных химикатов, тем самым предотвращая выбросы и утечки. Обычно применяются следующие методы: требования к двойной изоляции подземных резервуаров для хранения , регистрация использования опасных материалов , сокращение количества разрешенных пестицидов и более строгое регулирование удобрений и гербицидов при обслуживании ландшафта. Во многих промышленных случаях требуется предварительная обработка отходов, чтобы свести к минимуму утечку загрязняющих веществ в санитарную или ливневую канализацию .
Закон США о чистой воде (CWA) требует, чтобы местные органы власти в городских районах (как определено 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»). В постановлениях Агентства по охране окружающей среды и государственных нормативных актах, а также в соответствующих публикациях изложены шесть основных компонентов, которые должна содержать каждая местная программа:
Другие владельцы недвижимости, эксплуатирующие системы ливневой канализации, аналогичные муниципальным, например, государственные системы автомагистралей, университеты, военные базы и тюрьмы, также обязаны соблюдать требования по получению разрешений MS4.
Сток анализируется с использованием математических моделей в сочетании с различными методами отбора проб качества воды . Измерения могут проводиться с использованием непрерывных автоматизированных приборов анализа качества воды, нацеленных на загрязняющие вещества, такие как определенные органические или неорганические химикаты , pH , мутность и т. д., или нацеленных на вторичные показатели, такие как растворенный кислород . Измерения также могут проводиться в пакетном режиме путем извлечения одного образца воды и проведения химических или физических испытаний этого образца.
В 1950-х годах или ранее появились модели гидрологического транспорта для расчета объемов стока, в первую очередь для прогнозирования наводнений . Начиная с начала 1970-х годов были разработаны компьютерные модели для анализа переноса стока, переносящего загрязняющие вещества в воде. Эти модели учитывали скорости растворения различных химикатов, инфильтрацию в почвы и конечную нагрузку загрязняющих веществ, доставляемую в принимающие воды . Одна из самых ранних моделей, рассматривающих химическое растворение в стоке и результирующий 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 исследования по смягчению последствий, которое привело к разработке стратегий землепользования и контроля за обращением с химикатами.
Все чаще специалисты по ливневым стокам признают необходимость моделей Монте-Карло для моделирования процессов ливневых стоков из-за естественных изменений во множестве переменных, влияющих на качество и количество стока. Преимущество анализа Монте-Карло заключается не в снижении неопределенности во входной статистике, а в представлении различных комбинаций переменных, которые определяют потенциальные риски отклонений качества воды. Одним из примеров такого типа модели ливневых стоков является стохастическая эмпирическая модель нагрузки и разбавления (SELDM) [47] [48] — это модель качества ливневых стоков . SELDM предназначена для преобразования сложных научных данных в значимую информацию о риске неблагоприятных последствий стока для принимающих вод, потенциальной необходимости мер по смягчению последствий и эффективности таких мер управления для снижения этих рисков. SELDM предоставляет метод быстрой оценки информации, которую в противном случае трудно или невозможно получить, поскольку он моделирует взаимодействия между гидрологическими переменными (с различными распределениями вероятностей), что приводит к совокупности значений, представляющих вероятные долгосрочные результаты процессов стока и потенциальные эффекты различных мер по смягчению последствий. SELDM также предоставляет средства для быстрого проведения анализа чувствительности с целью определения возможных эффектов различных входных предположений на риски отклонений качества воды.
Были разработаны другие компьютерные модели (например, модель DSSAM ), которые позволяют отслеживать поверхностный сток по течению реки как реактивные загрязнители воды. В этом случае поверхностный сток можно считать линейным источником загрязнения воды в принимающих водах. [49]
