Введение

Физический параметр бассейна стока

Плотность дренажа – это величина, используемая для описания физических параметров бассейна стока. Впервые описанная Робертом Э. Хортоном, плотность дренажа определяется как общая длина русла в бассейне стока, деленная на общую площадь, что выражается следующим уравнением:

Эта величина представляет собой среднюю длину русла на единицу площади водосбора и измеряется в единицах , которые часто приводят к . Плотность дренажа зависит как от климата, так и от физических характеристик бассейна стока. Проницаемость почвы (сложность инфильтрации) и тип горных пород, залегающих в основании, влияют на поверхностный сток в водосборе; непроницаемая почва или обнаженное скальное основание приводят к увеличению поверхностного стока и, следовательно, к более частым ручьям и рекам. Районы с пересеченным рельефом или большим перепадом высот также будут иметь более высокую плотность дренажа, чем другие бассейны, при прочих равных условиях. При определении общей длины ручьев в бассейне необходимо учитывать как постоянные, так и временные водотоки. Если в бассейне стока присутствуют только временные водотоки, то плотность дренажа, рассчитанная по приведенной выше формуле, будет равна нулю, если учитывать только длину постоянных водотоков. Игнорирование временных водотоков при расчетах не отражает поведение бассейна во время паводков и, следовательно, не полностью характеризует дренажные особенности бассейна. Плотность дренажа является показателем инфильтрационной способности и проницаемости бассейна стока, а также связана с формой гидрографа. Плотность дренажа зависит как от климата, так и от физических характеристик бассейна стока. Высокая плотность дренажа также соответствует высокому коэффициенту бифуркации.

Инверс плотности дренажа как физическая величина

Плотность дренажа может быть использована для оценки средней длины поверхностного стока в водосборном бассейне. Хортон (1945) использовал следующее уравнение для описания средней длины поверхностного стока как функции плотности дренажа: каналы не ограничиваются каким-либо одним порядком или диапазоном порядков. Каналы более низких порядков объединяются, образуя каналы более высоких порядков. Соответствующие площади склонов – это склоны, непосредственно впадающие в каналы. Опишите условия, необходимые для формирования каналов. Формирование каналов – это концепция, тесно связанная с формированием и эволюцией дренажной системы и влияющая на плотность дренажа водосбора. Предлагаемое ими соотношение определяет поведение данного склона в ответ на небольшое возмущение. Они предлагают следующее уравнение, описывающее связь между площадью истока, уклоном истока и потоком наносов через эту площадь истока: где ΔS – изменение объема в резервуаре, R – осадки, ET – испаропотоотдача, Gi и Go – входящий и выходящий потоки грунтовых вод в бассейн соответственно, Gs – сброс грунтовых вод в ручьи, а Qw – сброс грунтовых вод из бассейна через скважины. Плотность дренажа связана с условиями хранения и стока. Плотность дренажа связана с эффективностью переноса воды по ландшафту. Вода переносится по каналам гораздо быстрее, чем по склонам, поскольку насыщенный поверхностный сток замедляется из-за уменьшения его толщины и препятствий в виде растительности или пор в почве. Следовательно, бассейн с относительно высокой плотностью дренажа будет осушаться более эффективно, чем бассейн с низкой плотностью. Это уравнение отражает влияние плотности дренажа на инфильтрацию. С увеличением плотности дренажа объем притока грунтовых вод в ручей уменьшается для данного бассейна, поскольку инфильтрация, способствующая притоку грунтовых вод, снижается. Это соотношение показывает, что среда с более высокой плотностью дренажа более эффективно транспортирует воду через бассейн. Убывающая ветвь гидрографа следует за пиком и характеризуется снижением поверхностного стока до фоновых уровней. В системах с высокой плотностью дренажа поверхностный сток быстрее достигает каналов, что приводит к более узкой убывающей ветви. Базовый сток – еще один фактор, влияющий на гидрограф. Пик базового стока в каналы наступит после пика быстрого стока, поскольку поток грунтовых вод значительно медленнее. Поскольку пик базового стока следует за пиком быстрого стока, он влияет на форму убывающей ветви. где ws – средняя ширина истока, ρw – плотность воды, R0 – средняя интенсивность осадков, W* – ширина начала русла, ρs – насыпная плотность почвы, Kz – вертикальная гидравлическая проводимость насыщенной почвы, θ – уклон в начале русла, а φ – угол внутреннего трения почвы. R0, средняя интенсивность осадков, показывает зависимость плотности дренажа от климата. При прочих равных условиях увеличение осадков в бассейне дренажа приводит к увеличению плотности дренажа. в истоковой зоне бассейна, что приведет к формированию каналов и уменьшит диапазон значений плотности дренажа независимо от состава почвы. где P – выход наносов, R – среднее эффективное количество осадков, α ~ 2.3, γ ~ 3.33, а a и b варьируются в зависимости от единиц измерения. График этого уравнения имеет максимум между 10 и 14 дюймами и резкое снижение по обе стороны от пика. При более низких эффективных осадках выход наносов меньше, поскольку меньше осадков для размыва склонов. При эффективных осадках более 10-14 дюймов снижение выхода наносов интерпретируется как результат увеличения растительного покрова. Поскольку уклоны склонов часто превышают угол естественного откоса, доминирующим эрозионным процессом в пустынях Кейневиля является массовое сползание. Отсутствие растительности не обеспечивает стабильность склонов и не увеличивает угол естественного откоса, предотвращая массовое сползание. Однако области ниже угла естественного откоса все еще имеют значительный уклон, и диффузия склона, согласно следующему соотношению, остается значительным источником эрозии: где Ks – коэффициент диффузии склона, z – высота склона, а x – горизонтальное расстояние. Диапазон плотности дренажа в пустынях Кейневиля иллюстрирует сложный характер плотности дренажа в районах с низким количеством осадков. В исследовании этого региона Алан Ховард (1996) обнаружил, что влияние увеличения углов рельефа в разных бассейнах не оказывало постоянного влияния на плотность дренажа. Для регионов с относительно небольшим рельефом плотность дренажа и рельеф положительно коррелируют. Это продолжается до достижения порога при более высоком отношении рельефа, когда увеличение угла наклона сопровождается уменьшением плотности дренажа. Ховард интерпретирует это как результат увеличения необходимой площади истока для поддержания канала. При большем уклоне эрозия происходит быстрее и более эффективно направляется по меньшему количеству каналов. Меньшее количество каналов приводит к меньшей плотности дренажа бассейна. Эта качественная топографическая карта участка пустыни Кейневиля показывает обширную дренажную сеть в засушливой среде. В соответствии с определением Монтгомери и Дитрих основных элементов бассейна дренажа, площадь истока для каждого из каналов относительно невелика, что приводит к образованию большого количества каналов. Изображение пустыни Кейневиля демонстрирует отсутствие растительности и многочисленные каналы. Пустыня Кейневиля расположена в засушливой среде, получая в среднем 125 мм осадков в год. Это низкое количество осадков контрастирует с уравнением Монтгомери и Дитрих для плотности дренажа, которое предсказывает, что плотность дренажа должна быть низкой при низком количестве осадков. Это поведение более соответствует выражению Лангбейна и Шумма для скорости эрозии как функции осадков. Согласно уравнению, эрозия увеличивается с увеличением осадков до точки, где осадки могут поддерживать стабилизирующую растительность. Отсутствие растительности на изображении пустыни Кейневиля указывает на то, что количество осадков в этом регионе ниже критического уровня, необходимого для поддержания растительности.