Введение

Поверхностный сток (также известный как надземный сток или наземный сток) – это бесконтрольный поток воды по поверхности земли, в отличие от руслового стока (или потока в русле). Он возникает, когда избыточное количество дождевой воды, ливневых стоков, талой воды или других источников больше не может достаточно быстро просачиваться в почву. Это может происходить, когда почва насыщена водой до предела своей способности поглощать, и дождь выпадает быстрее, чем почва может его впитать. Поверхностный сток часто возникает из-за наличия непроницаемых поверхностей (таких как крыши и асфальт), которые не позволяют воде проникать в землю. Кроме того, сток может формироваться как в результате естественных процессов, так и деятельности человека. Поверхностный сток является важным компонентом круговорота воды в природе. Он является основным фактором водной эрозии почвы. Территория, с которой сток собирается в единую точку, называется водосборным бассейном. Сток, образующийся на поверхности земли до попадания в русло, может быть рассеянным источником загрязнения, поскольку он может переносить антропогенные загрязнители или природные формы загрязнения (например, гниющие листья). К антропогенным загрязнителям в стоке относятся нефтепродукты, пестициды, удобрения и другие вещества. Значительная часть сельскохозяйственного загрязнения усугубляется поверхностным стоком, что приводит к ряду негативных последствий ниже по течению, включая загрязнение питательными веществами, вызывающее эвтрофикацию. Помимо водной эрозии и загрязнения, поверхностный сток в городских районах является основной причиной городских наводнений, которые могут приводить к повреждению имущества, сырости и образованию плесени в подвалах, а также к затоплению улиц.

Поколение

Поверхностный сток определяется как осадки (дождь, снег, мокрый снег или град), достигающие поверхностного водотока, не просачиваясь в почву. Он отличается от непосредственного стока, который поступает в поверхностные водотоки сразу после дождя или таяния снега и не включает сток, образовавшийся от таяния снежного покрова или ледников. Снег и ледники тают только в достаточно холодных регионах, где они могут формироваться постоянно. Обычно таяние снега достигает пика весной, а ледников – летом, что приводит к выраженным максимумам расхода воды в реках, испытывающих на себе их влияние. Скорость таяния снега или ледников определяется как температурой воздуха, так и продолжительностью солнечного освещения. В высокогорных районах водотоки часто повышаются в солнечные дни и понижаются в облачные, по этой причине. В районах, где нет снега, сток образуется от дождей. Однако не все дожди приводят к стоку, поскольку почва способна поглощать небольшие осадки. На древнейших почвах Австралии и Южной Африки протеоидные корни с их густой сетью корневых волосков могут поглощать столько дождевой воды, что предотвращают сток даже при значительных осадках. В этих регионах, даже на менее бесплодных крекинговых глинистых почвах, для образования поверхностного стока требуется большое количество осадков и потенциального испарения, что приводит к специализированным адаптациям к крайне изменчивым (обычно пересыхающим) водотокам.

Избыточный поток проникновения по суше

Это происходит, когда интенсивность осадков на поверхности превышает скорость, с которой вода может просачиваться в грунт, и все запасы в углублениях уже заполнены. Это также называют поверхностным стоком по Хортону (в честь Роберта Э. Хортона) или ненасыщенным поверхностным стоком. Это явление чаще встречается в засушливых и полузасушливых регионах, где интенсивность осадков высока, а инфильтрационная способность почвы снижена из-за образования корки на поверхности, или в городских районах, где непроницаемые покрытия препятствуют проникновению воды в грунт.

Насыщенность сверхподземного потока

Когда почва насыщена и емкость депрессий заполнена, а дождь продолжает идти, осадки немедленно вызывают поверхностный сток. Уровень предварительной влажности почвы – один из факторов, влияющих на время, необходимое для насыщения почвы. Этот сток называется избыточным стоком насыщения, или стоком Данна.

Предыдущая влажность почвы

После дождя почва сохраняет некоторое количество влаги. Эта остаточная влажность влияет на инфильтрационную способность почвы. Во время следующего дождя инфильтрационная способность приведет к насыщению почвы с разной скоростью. Чем выше начальная влажность почвы, тем быстрее она насыщается. Как только почва насыщается, начинается поверхностный сток. Следовательно, поверхностный сток является важным фактором, контролирующим влажность почвы после дождей средней и низкой интенсивности.

Поверхностный обратный поток

После того, как вода проникает в почву на наклонной части холма, она может перемещаться боковым образом внутри почвы и выходить на поверхность (экфильтрироваться) ближе к водотоку. Этот процесс называется подземным возвратом потока или межпластовым потоком. В процессе перемещения объем поверхностного стока может уменьшаться несколькими способами: небольшая часть воды может испаряться с поверхности растений и почвы; вода может временно задерживаться в микрозападинах рельефа; и часть воды может просачиваться в почву по мере стекания по поверхности. Любая оставшаяся поверхностная вода в конечном итоге поступает в водоем, такой как река, озеро, лиман или океан.

Влияние человека

Урбанизация увеличивает поверхностный сток, создавая больше непроницаемых поверхностей, таких как мощение и здания, которые препятствуют просачиванию воды в почву и пополнению подземных вод. Вместо этого вода напрямую поступает в ручьи или ливневую канализацию, где эрозия и заиливание могут стать серьезными проблемами, даже при отсутствии наводнений. Увеличение стока снижает пополнение запасов грунтовых вод, что приводит к понижению уровня грунтовых вод и усугублению засух, особенно для сельскохозяйственных производителей и других, зависящих от водяных скважин. При попадании антропогенных загрязнителей в сток, воздействие человека расширяется и приводит к загрязнению воды. Эта нагрузка загрязняющих веществ может достигать различных водоемов, таких как ручьи, реки, озера, эстуарии и океаны, вызывая изменения в химическом составе этих водных систем и связанных с ними экосистем. Поскольку люди продолжают изменять климат, добавляя парниковые газы в атмосферу, ожидается изменение характера осадков по мере увеличения способности атмосферы удерживать водяной пар. Это окажет непосредственное влияние на объемы поверхностного стока.

Эрозия и осаждение

Поверхностный сток может вызывать эрозию земной поверхности; вынесенный материал может отлагаться на значительном расстоянии. Существует четыре основных типа водной эрозии почвы: эрозия от удара капель, плоскостная эрозия, эрозия оврагами и овражная эрозия. Эрозия от удара капель является результатом механического воздействия капель дождя на поверхность почвы: частицы почвы, выбиваемые ударом, перемещаются вместе с поверхностным стоком. Плоскостная эрозия – это поверхностный перенос осадочного материала стоком без образования четко выраженного русла. Шероховатость поверхности почвы может приводить к концентрации стока в более узкие потоки: по мере углубления этих потоков образуются небольшие, но четко очерченные каналы, известные как овраги. Ширина этих каналов может варьироваться от одного сантиметра до нескольких метров. Если сток продолжает углублять и расширять овраги, они могут превратиться в балки (глубокие овраги). Овражная эрозия способна переносить большие объемы вынесенного материала за короткий промежуток времени. Снижение урожайности сельскохозяйственных культур обычно является следствием эрозии, и эти эффекты изучаются в области почвоведения и охраны почв. Размер частиц почвы, переносимых стоком, колеблется от примерно 0,001 до 1,0 миллиметра в диаметре. Крупные частицы оседают на небольших расстояниях, в то время как мелкие частицы могут переноситься на большие расстояния, находясь во взвешенном состоянии в водной толще. Эрозия суглинистых почв, содержащих мелкие частицы, вызывает помутнение воды и уменьшает ее прозрачность, что нарушает функционирование водных экосистем. Целые территории стран стали бесплодными из-за эрозии. На высоком центральном плато Мадагаскара, занимающем около десяти процентов площади страны, практически весь ландшафт лишен растительности, с эрозионными балками глубиной более 50 метров и шириной до одного километра. Подсечно-огневое земледелие – это система земледелия, которая в некоторых регионах мира иногда включает в себя метод "вырубки и выжигания". Эрозия приводит к потере плодородного верхнего слоя почвы и снижает ее плодородие и качество сельскохозяйственной продукции. Современное интенсивное земледелие также является одной из основных причин эрозии. Более трети Кукурузного пояса США полностью утратила верхний слой почвы. Переход к безотвальной обработке почвы позволит снизить эрозию почвы на сельскохозяйственных полях США более чем на 70 процентов.

Экологические последствия

Основными экологическими проблемами, связанными со стоком, являются 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 функционирования экосистем и ухудшению эстетических качеств водных ресурсов. К числу загрязнителей, оказывающих наибольшее влияние на поверхностные воды в результате стока, относятся нефтепродукты, гербициды и удобрения. Количественное определение поглощения пестицидов и других загрязняющих веществ поверхностным стоком изучается с 1960-х годов, и уже тогда было известно, что контакт пестицидов с водой усиливает их фитотоксичность. В отношении поверхностных вод воздействие проявляется в виде загрязнения, поскольку ручьи и реки принимают сток, содержащий различные химические вещества или взвешенные вещества. При использовании поверхностных вод в качестве источников питьевого водоснабжения, они могут стать небезопасными с точки зрения рисков для здоровья и органолептических свойств (то есть запаха, цвета и мутности). Загрязненные поверхностные воды могут изменять метаболические процессы водных организмов, что может приводить к их гибели, например, к массовой гибели рыбы, или к изменению баланса популяций. Другие специфические последствия включают влияние на размножение животных, нерест, жизнеспособность икры и личинок, выживаемость молоди и продуктивность растений. Некоторые исследования показывают, что поверхностный сток пестицидов, таких как ДДТ, может генетически изменять пол рыб, превращая самцов в самок. Поверхностный сток в лесах может приводить к поступлению в озера больших количеств минерального азота и фосфора, вызывая эвтрофикацию. Кроме того, высокие и молодые острова в тропиках и субтропиках подвержены высокой скорости эрозии почвы и вносят значительный вклад в перенос вещества в прибрежные океаны. Такой сток с суши, содержащий взвешенные вещества, питательные вещества, углерод и загрязнители, может оказывать существенное влияние на глобальные биогеохимические циклы и морские и прибрежные экосистемы. В случае с грунтовыми водами, основная проблема заключается в загрязнении питьевой воды, если водоносный горизонт используется для нужд человека. Что касается загрязнения почвы, сточные воды могут представлять две основные угрозы. Во-первых, сточные воды могут вымывать загрязнители из почвы и переносить их в виде загрязнения воды в еще более уязвимые водные среды обитания. Во-вторых, сток может откладывать загрязнители на незагрязненные почвы, создавая риски для здоровья или экологии.

Сельскохозяйственные вопросы

Другой аспект сельскохозяйственных проблем связан с переносом агрохимикатов (нитратов, фосфатов, пестицидов, гербицидов и т.д.) с поверхностным стоком. Это происходит, когда использование химикатов чрезмерно или не совпадает по времени с периодами обильных осадков. Образующийся загрязненный сток представляет собой не только потерю агрохимикатов, но и угрозу для окружающей среды и прилегающих экосистем. Сосновая хвоя часто используется для защиты почвы от эрозии и роста сорняков. Однако сбор хвои может привести к усилению эрозии почвы.

Экономические вопросы

Поверхностный сток приводит к значительным экономическим последствиям. Сосновая хвоя – экономически эффективный способ борьбы с поверхностным стоком. Более того, поверхностный сток можно повторно использовать, способствуя росту слоновой травы. В Нигерии слоновая трава считается экономичным способом снижения поверхностного стока и эрозии. Также Китай сильно пострадал от поверхностного стока, который негативно влияет на многие его экономически важные культуры, такие как овощи. Поэтому известно, что там была внедрена система, уменьшающая потери питательных веществ (азота и фосфора) в почве.

Наводнение

Наводнение происходит, когда водоток не в состоянии пропустить объем стока, движущегося вниз по течению. Частота возникновения этого явления описывается периодом возврата. Наводнение – это естественный процесс, поддерживающий состав и функционирование экосистем, однако он может изменяться под воздействием изменений в землепользовании, таких как инженерные работы на реках. Наводнения могут быть как полезными для общества, так и приносить ущерб. Сельское хозяйство в пойме реки Нил использовало преимущества сезонных наводнений, которые откладывали питательные вещества, необходимые для роста урожая. Однако, с увеличением количества и уязвимости населенных пунктов, наводнения все чаще становятся природной опасностью. В городских районах основной причиной подтоплений является поверхностный сток, известный своим повторяющимся и дорогостоящим воздействием на население. Неблагоприятные последствия включают гибель людей, повреждение имущества, загрязнение источников водоснабжения, потерю урожая, социальные потрясения и временную потерю жилья. Наводнения – одни из самых разрушительных стихийных бедствий. Использование дополнительного орошения также признано важным способом удержания азотных удобрений в почве для таких культур, как кукуруза, что способствует улучшению водообеспеченности растений.

Измерение и математическое моделирование

Анализ стока проводится с использованием математических моделей в сочетании с различными методами отбора проб воды для контроля качества. Измерения могут выполняться с помощью непрерывных автоматизированных приборов анализа качества воды, ориентированных на такие загрязняющие вещества, как специфические органические или неорганические химические вещества, pH, мутность и т.д., или на вторичные показатели, такие как растворенный кислород. Измерения также могут проводиться дискретно, путем отбора единичного пробы воды и проведения на ней любого количества химических или физических анализов. В 1950-х годах и ранее появились гидрологические модели переноса, предназначенные для расчета объемов стока, прежде всего для прогнозирования паводков. Начиная с начала 1970-х годов были разработаны компьютерные модели для анализа переноса стока, содержащего загрязняющие вещества, учитывающие скорости растворения различных химических веществ, инфильтрацию в почву и конечную нагрузку загрязняющих веществ, поступающих в водоем. Одна из первых моделей, учитывающих химическое растворение в стоке и последующий перенос, была разработана в начале 1970-х годов по контракту с Агентством по охране окружающей среды США (EPA). Эта компьютерная модель послужила основой для многих исследований по снижению негативного воздействия, которые привели к разработке стратегий землепользования и контроля за обращением с химическими веществами. Все чаще специалисты по управлению ливневыми стоками признают необходимость использования моделей Монте-Карло для моделирования процессов ливневого стока из-за естественных колебаний множества переменных, влияющих на качество и количество стока. Преимущество анализа Монте-Карло заключается не в снижении неопределенности входных статистических данных, а в представлении различных комбинаций переменных, определяющих потенциальные риски превышения допустимых норм качества воды. Одним из примеров такой модели ливневого стока является стохастическая эмпирическая модель нагрузки и разбавления (SELDM) – модель оценки качества ливневых стоков. SELDM предназначена для преобразования сложных научных данных в содержательную информацию о риске негативного воздействия стока на водоем, потенциальной необходимости в мерах по снижению негативного воздействия и потенциальной эффективности таких мер управления для снижения этих рисков. SELDM предоставляет метод быстрой оценки информации, которую в противном случае было бы трудно или невозможно получить, поскольку она моделирует взаимодействие гидрологических переменных (с различными распределениями вероятностей), что приводит к набору значений, представляющих вероятные долгосрочные результаты процессов стока и потенциальные последствия различных мер по снижению негативного воздействия. SELDM также предоставляет возможность быстрого проведения анализа чувствительности для определения потенциального влияния различных исходных предположений на риски ухудшения качества воды. Были разработаны и другие компьютерные модели (например, модель DSSAM), которые позволяют отслеживать поверхностный сток по руслу реки как источник реактивных загрязнителей воды. В этом случае поверхностный сток может рассматриваться как линейный источник загрязнения воды в водоеме.