Кіріспе
Жердегі және басқа планеталардағы судың қозғалысы, таралуы және сапасы туралы ғылым. Гидрология – Жердегі және басқа планеталардағы судың қозғалысы, таралуы және басқаруы, соның ішінде су айналымы, су ресурстары және су алабының тұрақтылығын зерттейтін ғылыми сала. Гидрологиямен айналысатын маман гидролог деп аталады. Гидрологтар – Жерді немесе қоршаған ортаны зерттеуші ғалымдар, азаматтық немесе экологиялық инженерлер және физикалық география мамандары. Олар түрлі талдау әдістері мен ғылыми техникаларды қолдана отырып, сумен байланысты мәселелерді – қоршаған ортаны қорғау, табиғи апаттар және су шаруашылығы сияқты – шешуге көмектесу үшін деректерді жинайды және талдайды. Месопотамия қалалары су тасқынынан биік топырақ қабырғалармен қорғалған. Гректер мен римдіктер акведуктар салған, ал тарих көрсеткендей, қытайлықтар суару және су тасқынын бақылау жұмыстарын жүзеге асырған. Ежелгі сингальдықтар Шри-Ланкада күрделі суару жүйелерін салу үшін гидрологияны пайдаланған, сондай-ақ, қазірге дейін қолданылып келе жатқан ірі су қоймалары, аникуттар мен каналдарды салуға мүмкіндік берген клапандық шұңқырды ойлап тапқандарымен де танымал. Б.з.т. бірінші ғасырында Маркус Витрувий гидрологиялық циклдің философиялық теориясын сипаттаған, онда тауларда жауған жаңбыр Жердің бетіне сіңіп, жазық жерлерде өзендер мен бұлақтардың пайда болуына себеп болған. Ғылыми тәсілді қабылдаған Леонардо да Винчи мен Бернард Палисси гидрологиялық циклдің нақты бейнесін дербес түрде жасаған. Тек 17 ғасырда ғана гидрологиялық айнымалылар сандық тұрғыда анықтала бастады. Гидрологияның қазіргі заманғы ғылымының негізін қалаушылар қатарында Пьер Перро, Эдме Мариот және Эдмунд Галлей бар. Жаңбырдың мөлшерін, судың ағынын және су жинау алақанын өлшеу арқылы Перро Сене өзенінің ағынын түсіндіру үшін жаңбырдың жеткілікті екенін көрсетті. Мариот жылдамдық пен өзеннің көлденең қимасын өлшеуді біріктіріп, Сенедегі су шығынының мәнін анықтады. Галлей Жерорта теңізінен булану теңізге құятын өзендердің ағынын түсіндіруге жеткілікті екенін көрсетті. 18 ғасырдағы жетістіктерге Даниэль Бернуллидің Бернулли пьезометрі мен Бернулли теңдеуі, Анри Питоның Пито түтігі кірді. 19 ғасырда жер асты сулары гидрологиясы дамыды, оның ішінде Дарси заңы, Дюпюи-Тием ұңғыма формуласы және Хаген-Пуазейльдің капиллярлық ағын теңдеуі пайда болды. 20 ғасырда эмпиризмді рационалды талдаулар ығыстыра бастады, ал үкіметтік органдар өздерінің гидрологиялық зерттеу бағдарламаларын іске қосты. Ерекше маңызға ие болғандары – Лерой Шерманның су тасқыны графигі, Роберт Э. Хортонның инфильтрация теориясы және С.В. Тейістің сулы горизонттардағы сынақ/теңдеуі. 1950 жылдан бері гидрология бұрынғыдан гөрі теориялық негізде қарастырылуда, бұл гидрологиялық процестерді физикалық тұрғыдан түсінудегі жетістіктермен және компьютерлердің, әсіресе географиялық ақпараттық жүйелердің (ГИС) пайда болуымен жеңілдетілді. (ГИС және гидрология туралы да қараңыз).
Hydrology is the scientific study of the movement, distribution, and management of water on Earth and other planets, including the water cycle, water resources, and drainage basin sustainability. A practitioner of hydrology is called a hydrologist. Hydrologists are scientists studying earth or environmental science, civil or environmental engineering, and physical geography. Using various analytical methods and scientific techniques, they collect and analyze data to help solve water related problems such as environmental preservation, natural disasters, and water management. Mesopotamian towns were protected from flooding with high earthen walls. Aqueducts were built by the Greeks and Romans, while history shows that the Chinese built irrigation and flood control works. The ancient Sinhalese used hydrology to build complex irrigation works in Sri Lanka, also known for the invention of the Valve Pit which allowed construction of large reservoirs, anicuts and canals which still function. Marcus Vitruvius, in the first century BC, described a philosophical theory of the hydrologic cycle, in which precipitation falling in the mountains infiltrated the Earth's surface and led to streams and springs in the lowlands. With the adoption of a more scientific approach, Leonardo da Vinci and Bernard Palissy independently reached an accurate representation of the hydrologic cycle. It was not until the 17th century that hydrologic variables began to be quantified. Pioneers of the modern science of hydrology include Pierre Perrault, Edme Mariotte and Edmund Halley. By measuring rainfall, runoff, and drainage area, Perrault showed that rainfall was sufficient to account for the flow of the Seine. Mariotte combined velocity and river cross section measurements to obtain a discharge value, again in the Seine. Halley showed that the evaporation from the Mediterranean Sea was sufficient to account for the outflow of rivers flowing into the sea. Advances in the 18th century included the Bernoulli piezometer and Bernoulli's equation, by Daniel Bernoulli, and the Pitot tube, by Henri Pitot. The 19th century saw development in groundwater hydrology, including Darcy's law, the Dupuit Thiem well formula, and Hagen Poiseuille's capillary flow equation. Rational analyses began to replace empiricism in the 20th century, while governmental agencies began their own hydrological research programs. Of particular importance were Leroy Sherman's unit hydrograph, the infiltration theory of Robert E. Horton, and C. V. Theis' aquifer test/equation describing well hydraulics. Since the 1950s, hydrology has been approached with a more theoretical basis than in the past, facilitated by advances in the physical understanding of hydrological processes and by the advent of computers and especially geographic information systems (GIS). (See also GIS and hydrology)
Тақырыптар
Гидрологияның басты тақырыбы – судың Жер шарында әртүрлі жолдармен және әртүрлі жылдамдықпен айналуы. Бұл процестің ең айқын мысалы – мұхиттан судың булануы, нәтижесінде бұлттар пайда болады. Бұл бұлттар құрлық үстінен жылжып, жаңбыр жаудырады. Жаңбыр суы көлдерге, өзендерге немесе жер асты суларына сіңеді. Көлдердегі, өзендердегі және жер асты суларындағы су кейін атмосфераға буланып қайта оралады немесе ақырында мұхитқа ағып, циклді толықтай аяқтайды. Су осы цикл ішінде бірнеше рет күйін өзгертеді. Гидрологияның зерттеу салалары судың түрлі күйлер арасындағы қозғалысын, немесе белгілі бір күйдегі қозғалысын, немесе белгілі бір аймақтағы осы күйлердегі су мөлшерін анықтаумен айналысады. Гидрологияның бір бөлігі осы ағындарды немесе су мөлшерін тікелей өлшеу әдістерін жасауға, ал екінші бөлігі осы процестерді ғылыми білімді дамыту үшін немесе практикалық қолдануда болжам жасау үшін модельдеуге қатысты.
Жер асты сулары
Жер асты сулары – Жер бетінің астындағы су, көбінесе ішуге қолданылатын су ретінде сорылады. Қанығу аймағын сипаттаудағы мәселелерге аквиферлерді ағын бағыты, жер асты суының қысымы және, содан туындайтын, жер асты суының деңгейі тұрғысынан сипаттау кіреді (қараңыз: аквифер сынағы). Мұндай өлшемдерді пьезометр арқылы жүргізуге болады. Аквиферлер гидравликалық өткізгіштік, сыйымдылық және беріліс қабілеті арқылы да сипатталады. Әртүрлі геофизикалық әдістер бар.
Топырақтың ылғалдылығы
Топырақтың ылғалдылығын әр түрлі жолдармен өлшеуге болады: сыйымдылық зонды, уақыт домені рефлектометрі немесе тензиометр арқылы. Басқа әдістерге ерітінділерді сынау және геофизикалық әдістер кіреді.
Жер бетіндегі су ағыны
Гидрология жер бетіндегі су ағынын және ерітінділердің тасымалдануын сандық тұрғыдан анықтауды қарастырады, бірақ ірі өзендердегі ағындарды зерттеу кейде гидротехника немесе гидродинамиканың жеке тақырыбы ретінде қарастырылады. Жер бетіндегі су ағынына анық өзен арналарындағы және басқа да ағындар кіруі мүмкін. Су өзенге жеткеннен кейін ағынды өлшеу әдістеріне су өлшегіш (қараңыз: шығын) және іздеуші әдістер жатады. Басқа тақырыптарға жер бетіндегі судың құрамындағы химиялық тасымалдау, шөгінділердің тасымалдануы және эрозия кіреді. Гидрологияның маңызды салаларының бірі – өзендер мен жер асты сулары арасындағы алмасу. Өзендердегі және жер асты суларындағы жер үсті сулары мен жер асты суларының өзара әрекеттесуі күрделі болуы мүмкін, ал су ағынының бағыты (жер үсті суларына немесе жер асты суларына) өзен арнасы бойымен және нақты бір жерде уақыт өте келе, өзен деңгейі мен жер асты сулары деңгейі арасындағы қатынасқа байланысты өзгеруі мүмкін.
Жауын-шашын және булану
Кейбір көзқарас бойынша гидрология құрлық пен атмосфераның шекарасынан басталады деп саналады, сондықтан жауын-шашын мен булану туралы толыққанды білім болуы қажет. Жауын-шашынды түрлі тәсілдермен өлшеуге болады: жауын-шашын сипаттамаларын ұсақ уақыт аралығында өлшеу үшін дидрометр; бұлт қасиеттерін, жаңбыр қарқынын бағалау, бұршақ пен қарды анықтау үшін радар; жаңбыр мен қардың дәл, жүйелі өлшемдері үшін жаңбыр өлшегіш; жаңбырлы аймақтарды анықтау, жаңбыр қарқынын бағалау, жер жамылғысы/жер пайдалану және топырақ ылғалдылығын анықтау үшін спутник. Булану – су айналымының маңызды бөлігі. Ол ылғалдылыққа ішінара тәуелді, оны слингопсихометрмен өлшеуге болады. Сонымен қатар, қар, бұршақ және мұздың болуы да оған әсер етеді және оны шық, тұман және былдырмен байланыстыруға болады. Гидрологияда буланудың әртүрлі түрлері қарастырылады: су бетінен; табиғи және аграрлық экожүйелердегі өсімдік бетінен транспирация түрінде. Булануды тікелей өлшеу үшін Саймонның булану ыдысын пайдалануға болады. Булануды егжей-тегжейлі зерттеулер шекаралық қабатты, сондай-ақ импульс, жылу ағыны және энергия балансын қарастырады.
from plant surfaces in natural and agronomic ecosystems. Direct measurement of evaporation can be obtained using Simon's evaporation pan. Detailed studies of evaporation involve boundary layer considerations as well as momentum, heat flux, and energy budgets.
Қашықтан зондтау
Гидрологиялық процестерді қашықтан зондтау, ин-ситу сенсорлары қолжетімсіз немесе сирек орналасқан жерлер туралы ақпаратты қамтамасыз етеді. Бұл сонымен қатар үлкен аумақтарда бақылау жүргізуге мүмкіндік береді. Жер үстіндегі су балансын құрайтын көптеген факторлар, мысалы, жер бетіндегі су қоры, топырақтың ылғалдылығы, жауын-шашын, булану, қар мен мұз, әртүрлі кеңістіктік-уақыттық ажыратымдылықта және дәлдікте қашықтан зондтау арқылы өлшенуі мүмкін. Қашықтан зондтау көздеріне жердегі сенсорлар, әуедегі сенсорлар және микротолқынды, жылулық және жақын инфрақызыл деректерді түсіре алатын, сондай-ақ лидар сияқты құралдарды қолданатын спутниктік сенсорлар жатады.
Су сапасы
Гидрологияда су сапасын зерттеу органикалық және органикалық емес қосылыстарды, сондай-ақ еріген және шөгінді заттарды қамтиды. Бұған қоса, су сапасына еріген оттегінің органикалық заттармен өзара әрекеттесуі және түрлі химиялық өзгерістер де әсер етеді. Су сапасын өлшеу in situ әдістерімен, яғни талдаудың орын басында, көбінесе автоматты түрде жүргізілуімен, сондай-ақ зертханалық талдаулармен, оның ішінде микробиологиялық талдаулармен жүзеге асырылуы мүмкін.
Болжам
Гидрологиялық процестерді бақылау гидрологиялық жүйелердің болашақ әрекетін болжау үшін пайдаланылады (су ағыны, су сапасы). Гидрологиялық зерттеулердегі қазіргі маңызды мәселелердің бірі – "Дерексіз алаптарда болжау" (PUB), яғни деректердің жоқтығы немесе өте аз деректер бар алаптарда.
Статистикалық гидрология
Статистикалық гидрологияның мақсаты – гидрологиялық циклдің әртүрлі бөліктерін талдау және модельдеу үшін қажетті статистикалық әдістерді ұсыну. Гидрологиялық жазбалардың, мысалы, жауын-шашын немесе өзен ағынының статистикалық қасиеттерін талдау арқылы гидрологтар болашақ гидрологиялық құбылыстарды болжауға мүмкіндік алады. Сирек кездесетін құбылыстардың қанша рет болатынын бағалау үшін, мұндай оқиғалардың қайталану периоды ескеріледі. Өзендегі орташа су ағыны, жылдық немесе маусымдық ағын сияқты басқа да маңызды көрсеткіштер бар. Бұл бағалаулар инженерлер мен экономистер үшін маңызды, олардың көмегімен болашақ инфрақұрылымға инвестиция жасау туралы дұрыс шешімдер қабылдауға және сумен жабдықтау жүйелерінің сенімділігін анықтауға болатын тәуекелдерді талдау жүргізіледі. Статистикалық мәліметтер ауыл шаруашылығы, өнеркәсіп және тұрғын үй қажеттіліктерін қамтитын жүйелерге кіретін ірі су тоғандарының жұмыс ережелерін жасау үшін қолданылады.
Модельдеу
Гидрологиялық модельдер – гидрологиялық циклдің бір бөлігінің жеңілдетілген, тұжырымдамалық бейнелері болып табылады. Олар негізінен гидрологиялық болжамдар жасау және ғылыми модельдеудің жалпы саласында гидрологиялық процестерді түсіну үшін қолданылады. Гидрологиялық модельдердің екі негізгі түрін ажыратуға болады: деректерге негізделген модельдер. Бұл модельдер – математикалық және статистикалық ұғымдарды пайдаланып, белгілі бір кірісті (мысалы, жаңбыр) модельдің нәтижесімен (мысалы, су ағыны) байланыстыратын «қара жәшік» жүйелері. Көбінесе регрессия, трансферт функциялары және жүйелік идентификация сияқты әдістер қолданылады. Бұл модельдердің ең қарапайым түрлері сызықтық модельдер болуы мүмкін, бірақ нақты физикалық процестерге терең бойдамай, су жиналатын алаптың кейбір жалпы ерекшеліктерін бейнелеу үшін сызықтық емес компоненттерді қолдану жиі кездеседі. Мысал ретінде, су жиналатын алаптың ылғалды болған кезде құрғақ кездегіден гөрі тез әрі күштірек реакция жасайтынын айтуға болады. Процесс сипаттамаларына негізделген модельдер. Бұл модельдер нақты әлемде байқалатын физикалық процестерді көрсетуге тырысады. Әдетте, мұндай модельдерде жер беттік ағын, жер асты ағыны, булану және арналық ағын бейнеленеді, бірақ олар одан да күрделі болуы мүмкін. Бұл санатта модельдер тұжырымдамалық және детерминистік болып бөлінеді. Тұжырымдамалық модельдер аймақтағы гидрологиялық процестердің жеңілдетілген бейнелерін байланыстырады, ал детерминистік модельдер жүйенің физикасының мүмкіндігінше көп бөлігін анықтауға тырысады. Бұл модельдерді жеке оқиға модельдері және үздіксіз симуляциялық модельдер деп бөлуге болады. Гидрологиялық модельдеудегі соңғы зерттеулер гидрологиялық жүйелердің мінез-құлқын түсінуге, жақсы болжамдар жасауға және су ресурстарын басқарудағы маңызды мәселелерге қарсы тұруға бағытталған, жаһандық тәсілді пайдалануға ұмтылады.
Models based on data. These models are black box systems, using mathematical and statistical concepts to link a certain input (for instance rainfall) to the model output (for instance runoff). Commonly used techniques are regression, transfer functions, and system identification. The simplest of these models may be linear models, but it is common to deploy non linear components to represent some general aspects of a catchment's response without going deeply into the real physical processes involved. An example of such an aspect is the well known behavior that a catchment will respond much more quickly and strongly when it is already wet than when it is dry. Models based on process descriptions. These models try to represent the physical processes observed in the real world. Typically, such models contain representations of surface runoff, subsurface flow, evapotranspiration, and channel flow, but they can be far more complicated. Within this category, models can be divided into conceptual and deterministic. Conceptual models link simplified representations of the hydrological processes in an area, whereas deterministic models seek to resolve as much of the physics of a system as possible. These models can be subdivided into single event models and continuous simulation models. Recent research in hydrological modeling tries to have a more global approach to the understanding of the behavior of hydrologic systems to make better predictions and to face the major challenges in water resources management.
Көлік
Су қозғалысы – топырақ, құм, тас, немесе ластағыштар сияқты басқа материалдардың бір жерден екінші жерге тасымалдануының маңызды тәсілі болып табылады. Су қабылдау ошағына бастапқы түсу нүктелік көзден, сызықтық көзден немесе жер бетінен ағып келу сияқты аумақтық көзден туындауы мүмкін. 1960 жылдардан бері жоғары жылдамдықты компьютерлердің болуына байланысты, күрделі математикалық модельдер әзірленді. Көбінесе талданған ластағыштардың түрлері – қоректік заттар, пестицидтер, толық еріген қатты заттар және шөгінділер.