Введение
Поток воды в ручьях и других каналах. Сток в русле, или каналный сток, – это движение воды в ручьях и других каналах, являющееся важной частью водного цикла. Это один из компонентов стока, представляющий собой перенос воды с суши в водоемы, в то время как другой компонент – поверхностный сток. Вода, текущая в руслах, поступает из поверхностного стока с прилегающих склонов, из подземного стока, выходящего на поверхность, и из воды, сбрасываемой из труб. Расход воды, текущей в русле, измеряется с помощью гидропостов или может быть оценен по уравнению Мэннинга. График изменения расхода во времени называется гидрографом. Наводнение происходит, когда объем воды превышает пропускную способность русла.
Streamflow, or channel runoff, is the flow of water in streams and other channels, and is a major element of the water cycle. It is one runoff component, the movement of water from the land to waterbodies, the other component being surface runoff. Water flowing in channels comes from surface runoff from adjacent hillslopes, from groundwater flow out of the ground, and from water discharged from pipes. The discharge of water flowing in a channel is measured using stream gauges or can be estimated by the Manning equation. The record of flow over time is called a hydrograph. Flooding occurs when the volume of water exceeds the capacity of the channel.
Роль в цикле воды
Потоки играют критически важную роль в гидрологическом цикле, необходимом для всей жизни на Земле. Разнообразие биологических видов, от одноклеточных организмов до позвоночных, зависит от систем проточных вод как от среды обитания и источника пищевых ресурсов. Реки являются основными водными ландшафтами для всех видов растений и животных. Более того, реки способствуют пополнению подземных водоносных горизонтов, просачивая воду вниз через русло. Помимо этого, океаны поддерживают свой уровень благодаря постоянному притоку воды из рек и поверхностного стока. Речной сток – основной механизм переноса воды с суши в океаны или в бассейны внутреннего стока.
Измерение
Расход измеряется как количество воды, проходящей через определенную точку за определенный промежуток времени. В Соединенных Штатах используются кубические футы в секунду, а в большинстве других стран – кубические метры в секунду. Существует множество способов измерения расхода потока или канала. Пост гидрологических наблюдений обеспечивает непрерывное измерение расхода в одной точке для управления водными ресурсами и охраны окружающей среды или в других целях. Значения расхода являются более надежным показателем условий по всей длине реки, чем уровень воды. Измерения расхода проводятся примерно каждые шесть недель сотрудниками Геологической службы США (USGS). Они заходят в русло реки для проведения измерений или используют для этого лодку, мост или канатную дорогу над рекой. Для каждой станции гидрологических наблюдений зависимость между уровнем воды и расходом определяется путем одновременного измерения уровня воды и расхода в естественном диапазоне расходов (от очень низких расходов до паводков). Эта зависимость позволяет получать данные о расходе на данной станции. Для задач, не требующих непрерывного измерения расхода во времени, могут использоваться турбинные расходомеры или акустические доплеровские профилометры скорости. Для небольших рек шириной в несколько метров или меньше могут устанавливаться гидротехнические сооружения (перепады).
Мониторинг
В Соединенных Штатах финансирование поста гидрологических измерений осуществляется преимущественно за счет средств федеральных, региональных и местных органов власти. В 2008 финансовом году USGS обеспечила 35% финансирования для текущей эксплуатации и обслуживания постов. Кроме того, USGS использует гидрографы для изучения стока рек. Гидрограф – это график, на котором чаще всего отображаются уровни воды в реке (высота воды над произвольным уровнем отсчета) и расход воды (объем воды, обычно измеряемый в кубических футах в секунду). На гидрографе также могут быть представлены другие параметры, такие как количество осадков и показатели качества воды.
Прогнозирование
Для большинства ручьев, особенно тех, которые имеют небольшой водосборный бассейн, отсутствуют данные о расходе воды. В этом случае можно выполнить оценку расхода, используя рациональный метод или его модифицированную версию. Однако, если имеются хронологические данные о расходе для ручья, можно составить краткосрочный прогноз расхода для конкретного ливня, используя гидрограф. Метод единичного гидрографа. Этот метод предполагает построение графика, на котором расход воды, генерируемый ливнем определенной интенсивности, отображается во времени, обычно в часах или днях. Он называется методом единичного гидрографа, поскольку учитывает только сток, образованный конкретным ливнем за определенный период времени – время, необходимое реке для подъема, достижения пика и спада в ответ на ливень. После установления зависимости между осадками и стоком, последующие данные об осадках можно использовать для прогнозирования расхода воды для выбранных ливней, называемых стандартными ливнями. Стандартный ливень – это ливень высокой интенсивности с известной величиной и частотой. Один из методов анализа единичного гидрографа заключается в выражении почасового или ежедневного увеличения расхода воды в процентах от общего стока. На графике отображаются данные единичного гидрографа для этого ливня, представляющие собой сток, добавленный к базовому расходу до ливня. Прогнозировать расход воды в большом водосборном бассейне с использованием метода единичного гидрографа было бы сложно, поскольку в большом бассейне географические условия могут значительно различаться от одной части бассейна к другой. Это особенно касается распределения осадков, поскольку отдельный ливень редко равномерно покрывает весь бассейн. В результате бассейн не реагирует на данный ливень как единое целое, что затрудняет построение надежного гидрографа. Метод величины и частоты. Для больших бассейнов, где единичный гидрограф может оказаться недостаточно полезным и надежным, метод величины и частоты используется для расчета вероятности повторения больших расходов воды на основе данных о расходах прошлых лет. В Соединенных Штатах эти данные ведет Гидрологическое отделение USGS для крупных рек. Для бассейна площадью 5000 квадратных миль и более речная система обычно измеряется в пяти-десяти пунктах. Данные с каждой измерительной станции относятся к части бассейна, расположенной выше по течению от данного пункта. Имея данные о пиковых ежегодных расходах воды для реки за несколько десятилетий, можно сделать ограниченные прогнозы для оценки величины крупных расходов воды, которые не наблюдались в течение периода наблюдений. Метод предполагает построение кривой (линии на графике), образованной при нанесении пиковых ежегодных расходов воды на график с соответствующими интервалами их повторения. Однако в большинстве случаев кривая сильно изгибается, что затрудняет точное построение проекции. Эту проблему можно решить, нанося данные о расходе и/или интервале повторения на логарифмическую графическую бумагу. После выравнивания графика можно провести линию, проходящую через точки. Затем можно сделать проекцию, продлив линию за пределы точек и определив соответствующий расход воды для заданного интервала повторения.
Отношение к окружающей среде
Отток воды в руслах отвечает за перенос осадочных пород, питательных веществ и загрязнений вниз по течению. Без речного стока вода в конкретном водосборном бассейне не смогла бы естественным образом достичь своего конечного пункта назначения – озера или океана. Это привело бы к нарушению экосистемы. Речной сток – один из важных путей поступления воды с суши в озера и океаны. Другими основными путями являются поверхностный сток (движение воды с земли в близлежащие водотоки, происходящее во время осадков и в результате орошения), приток грунтовых вод к поверхностным водам и сток воды по искусственным трубопроводам и каналам.
Отношения с обществом
Речной сток приносит обществу как пользу, так и опасность. Сток вниз по течению является способом сбора воды для хранения в водохранилищах с целью выработки электроэнергии или водозабора. Поток воды способствует транспортировке вниз по течению. У каждого водотока есть максимальная пропускная способность, которую может обеспечить русло, и она может быть рассчитана. Если речной сток превышает эту максимальную пропускную способность, что происходит при избыточном количестве воды в водотоке, русло не может справиться со всем объемом воды, и происходит наводнение. Наводнение на реке Миссисипи в 1993 году, самое масштабное за всю историю наблюдений, было вызвано обильными и продолжительными весенними и летними осадками. Первоначальные дожди насытили почву на площади более 300 000 квадратных миль в верхнем бассейне реки, значительно снизив инфильтрацию и оставив почву с минимальной или отсутствующей способностью к удержанию влаги. По мере продолжения дождей поверхностные углубления, водно-болотные угодья, пруды, канавы и сельскохозяйственные поля заполнялись поверхностным стоком и дождевой водой. Поскольку возможности для удержания воды больше не оставалось, дополнительные осадки стекали с земли в притоки, а затем в реку Миссисипи. Более месяца общий приток воды сотен притоков превышал пропускную способность русла Миссисипи, что приводило к выходу реки из берегов на прилегающие поймы. В тех местах, где поток воды был искусственно ограничен руслом, спроектированным с учетом дамб и не имеющим возможности разливаться на значительные участки поймы, уровень наводнения поднимался еще выше.