Войти
Дождь над водосбором Шотландии. Понимание круговорота воды в водосборные бассейны, через них и из них является ключевым элементом гидрологии. Гидрология (от греческого: ὕδωρ, «hýdōr» означает «вода» и λόγος, «lógos», что означает «исследование») - это научное исследование движения, распределения и управления водой на Земле и других планетах, включая круговорот воды, водные ресурсы и экологическая устойчивость водосборов. Практикующего гидролога называют гидрологом. Гидрологи - это ученые, изучающие науку о Земле или окружающей среде, гражданскую или экологическую инженерию, а также физическую географию. Используя различные аналитические методы и научные методы, они собирают и анализируют данные, чтобы помочь решить проблемы, связанные с водой, такие как охрана окружающей среды, стихийные бедствия и управление водными ресурсами.
Гидрология подразделяется на гидрологию поверхностных вод, гидрологию (гидрогеологию) подземных вод и морскую гидрологию. Области гидрологии включают гидрометеорологию, гидрологию поверхности, гидрогеологию, управление водосборными бассейнами и качество воды, где вода играет центральную роль.
Океанография и метеорология не включены, потому что вода - лишь один из многих важных аспектов в этих областях.
Гидрологические исследования могут дать информацию об экологической инженерии, политике и планировании.
Римский акведук в Кесарии Приморской, доставляющий воду с более влажных гор Кармель к поселению. Гидрология была предметом исследований и инженерных разработок на протяжении тысячелетий. Например, около 4000 г. до н.э. Нил был перекрыт плотиной для повышения продуктивности сельского хозяйства на ранее бесплодных землях. Города Месопотамии были защищены от наводнений высокими земляными стенами. Акведуки были построены греками и римлянами, а история показывает, что китайцы строили ирригационные и противопаводковые сооружения. Древние сингальцы использовали гидрологию для строительства сложных ирригационных сооружений на Шри-Ланке, также известных изобретением арматурной ямы, которая позволила построить большие водохранилища, брусчатки и каналы, которые все еще функционируют.
Марк Витрувий в первом веке до нашей эры описал философскую теорию гидрологического цикла, согласно которой осадки, выпавшие в горах, проникали на поверхность Земли и приводили к ручьям и источникам в низинах. Приняв более научный подход, Леонардо да Винчи и Бернар Палисси независимо друг от друга достигли точного представления о гидрологическом цикле. Только в 17 веке гидрологические переменные начали оцениваться количественно.
Пионерами современной гидрологии являются Пьер Перро, Эдм Мариотт и Эдмунд Галлей. Измеряя количество осадков, сток и площадь водосбора, Перро показал, что осадков достаточно, чтобы учесть течение Сены. Мариотт объединил измерения скорости и поперечного сечения реки, чтобы получить значение расхода, опять же в Сене. Галлей показал, что испарения из Средиземного моря было достаточно, чтобы учесть отток рек, впадающих в море.
Успехи в 18 веке включали Бернулли пьезометр и уравнение Бернулли, по Даниилу Бернулли, и трубки Пито, по Анри Пито. В 19 веке произошли разработки в гидрологии подземных вод, включая закон Дарси, формулу колодца 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 испытание / уравнение водоносного горизонта К.В. Тайса, описывающее гидравлику скважины.
С 1950-х годов к гидрологии подходили на более теоретической основе, 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 )
Центральная тема гидрологии заключается в том, что вода циркулирует по Земле разными путями и с разной скоростью. Наиболее яркое изображение этого - испарение воды из океана, которое образует облака. Эти облака плывут над землей и вызывают 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 стекает обратно в океан, завершая цикл. Вода меняет свое состояние несколько раз в течение этого цикла.
Области исследований в гидрологии касаются движения воды между ее различными состояниями или внутри данного государства, или просто количественной оценки количества воды в этих состояниях в данном регионе. Части гидрологии связаны с разработкой методов прямого измерения этих потоков или объемов воды, в то время как другие относятся к моделированию этих процессов либо для научных знаний, либо для прогнозирования в практических приложениях.
Построение карты контуров подземных вод Грунтовые воды - это вода под поверхностью Земли, часто перекачиваемая для получения питьевой воды. Гидрология подземных вод ( гидрогеология ) рассматривает количественную оценку потока подземных вод и переноса растворенных веществ. Проблемы при описании насыщенной зоны включают характеристику водоносных горизонтов с точки зрения направления потока, давления грунтовых вод и, соответственно, глубины грунтовых вод (см.: испытание водоносного горизонта ). Измерения здесь можно производить с помощью пьезометра. Водоносные горизонты также описываются с точки зрения гидравлической проводимости, хранимости и проницаемости. Для характеристики водоносных горизонтов существует ряд геофизических методов. Также существуют проблемы с характеристикой вадозной зоны (ненасыщенной зоны).
Инфильтрация - это процесс попадания воды в почву. Часть воды впитывается, а остальная просачивается до уровня грунтовых вод. Пропускная способность, максимальная скорость, с которой почва может впитывать воду, зависит от нескольких факторов. Уже пропитанный слой обеспечивает сопротивление, пропорциональное его толщине, а это плюс глубина воды над почвой обеспечивает движущую силу ( гидравлический напор ). Сухая почва может способствовать быстрой инфильтрации за счет капиллярного действия ; эта сила уменьшается по мере того, как почва становится влажной. Уплотнение уменьшает пористость и размер пор. Покрытие поверхности увеличивает производительность за счет замедления стекания, уменьшения уплотнения и других процессов. Более высокие температуры снижают вязкость, увеличивая инфильтрацию.
Влажность почвы можно измерить разными способами; с помощью емкостного датчика, рефлектометра или тензиометра. Другие методы включают отбор проб растворенных веществ и геофизические методы.
Потоп гидрограф, показывающий этап для реки Shawsheen в Уилмингтон. Гидрология рассматривает количественную оценку стока поверхностных вод и переноса растворенных веществ, хотя рассмотрение потоков в крупных реках иногда рассматривается как отдельная тема гидравлики или гидродинамики. Поток поверхностных вод может включать поток как в узнаваемых руслах рек, так и в других местах. Методы измерения потока после того, как вода достигла реки включают датчик потока (см разряда ), а также методы изотопных индикаторов. Другие темы включают перенос химических веществ как часть поверхностных вод, перенос наносов и эрозию.
Одна из важных областей гидрологии - обмен реками и водоносными горизонтами. Взаимодействие грунтовых и поверхностных вод в ручьях и водоносных горизонтах может быть сложным, и направление чистого потока воды (в поверхностные воды или в водоносный горизонт) может варьироваться в пространстве вдоль русла ручья и с течением времени в любом конкретном месте, в зависимости от соотношения между стадиями потока. и уровни грунтовых вод.
Стандартный датчик дождя NOAA В некоторых случаях считается, что гидрология начинается на границе суши и атмосферы, поэтому важно иметь адекватные знания как об осадках, так и об испарении. Осадки можно измерить различными способами: с помощью дисдрометра для характеристики осадков в мелком временном масштабе; радар для определения свойств облаков, оценки интенсивности дождя, обнаружения града и снега; измеритель дождя для регулярных точных измерений дождя и снегопада; спутник, например, для определения дождливой зоны, оценки интенсивности дождя, растительного покрова / землепользования и влажности почвы.
Испарение - важная часть круговорота воды. Частично на него влияет влажность, которую можно измерить с помощью строп-психрометра. На него также влияет наличие снега, града и льда и может быть связано с росой, туманом и туманом. Гидрология рассматривает испарение в различных формах: с поверхности воды; как транспирация с поверхности растений в естественных и агрономических экосистемах. Прямое измерение испарения можно получить с помощью испарительной ванны Саймона.
Подробные исследования испарения включают рассмотрение пограничного слоя, а также количества движения, теплового потока и энергии.
Оценки изменений в запасах воды вокруг рек Тигр и Евфрат, измеренные спутниками НАСА GRACE. Спутники измеряют крошечные изменения гравитационного ускорения, которые затем могут быть обработаны, чтобы выявить движение воды из-за изменений ее общей массы. Дистанционное зондирование гидрологических процессов может предоставить информацию о местах, где датчики на месте могут быть недоступны или немногочисленны. Это также позволяет проводить наблюдения в больших пространственных масштабах. Многие из переменных, составляющих водный баланс суши, например, запасы поверхностных вод, влажность почвы, осадки, суммарное испарение, а также снег и лед, можно измерить с помощью дистанционного зондирования с различным пространственно-временным разрешением и точностью. Источники дистанционного зондирования включают наземные датчики, бортовые датчики и спутниковые датчики, которые могут, например, захватывать данные в микроволновом, тепловом и ближнем инфракрасном диапазонах или использовать лидар.
В гидрологии исследования качества воды касаются органических и неорганических соединений, а также растворенных материалов и отложений. Кроме того, на качество воды влияет взаимодействие растворенного кислорода с органическими веществами и различные химические превращения, которые могут иметь место. Измерения качества воды могут включать как методы на месте, при которых анализы проводятся на месте, часто автоматически, так и лабораторные анализы, которые могут включать микробиологический анализ.
Наблюдения за гидрологическими процессами используются для прогнозирования будущего поведения гидрологических систем (расход воды, качество воды). Одной из основных текущих проблем в гидрологических исследованиях является «Прогнозирование в неотслеживаемых бассейнах» (PUB), то есть в бассейнах, по которым нет данных или существует очень мало данных.
Анализируя статистические характеристики гидрологических данных, таких как количество осадков или речной сток, гидрологи могут оценить будущие гидрологические явления. При оценке того, как часто будут происходить относительно редкие события, анализ проводится с точки зрения периода повторяемости таких событий. Другие представляющие интерес величины включают средний сток в реке за год или по сезону.
Эти оценки важны для инженеров и экономистов, так как можно провести надлежащий анализ рисков, чтобы повлиять на инвестиционные решения в будущую инфраструктуру и определить характеристики надежности урожайности систем водоснабжения. Статистическая информация используется для формулирования правил эксплуатации больших плотин, составляющих часть систем, которые включают сельскохозяйственные, промышленные и жилые потребности.
Вид сверху моделируемого потока воды через водосбор с использованием гидрологической модели SHETRAN. Гидрологические модели - это упрощенные концептуальные представления части гидрологического цикла. Они в основном используются для гидрологического прогнозирования и для понимания гидрологических процессов в рамках общей области научного моделирования. Можно выделить два основных типа гидрологических моделей:
Недавние исследования в области гидрологического моделирования пытаются найти более глобальный подход к пониманию поведения гидрологических систем, чтобы делать более точные прогнозы и решать основные проблемы в управлении водными ресурсами.
Движение воды является важным средством, с помощью которого другие материалы, такие как почва, гравий, валуны или загрязнители, переносятся с места на место. Первоначальный вход в водоприемники может происходить из точечного источника, линейного источника или поверхностного источника, такого как поверхностный сток. С 1960-х годов были разработаны довольно сложные математические модели, чему способствовало наличие высокоскоростных компьютеров. Наиболее часто анализируемыми классами загрязнителей являются питательные вещества, пестициды, общее количество растворенных твердых веществ и отложения.
