Гидрология

Чтобы узнать о других значениях, см. Гидрология (значения) .

Дождь над шотландским водосбором . Понимание круговорота воды в водосборах, через них и из них является ключевым элементом гидрологии.

Гидрология (от древнегреческого ὕδωρ ( húdōr ) «вода» и -λογία ( -logía ) «изучение») — это научное исследование движения, распределения и управления водой на Земле и других планетах, включая водный цикл , водный цикл. ресурсы и водосборного бассейна устойчивость . Практикующего гидрологию называют гидрологом . Гидрологи – это ученые, изучающие о Земле или науки окружающей среде , гражданскую или экологическую инженерию и физическую географию . Используя различные аналитические 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, подземных вод гидрологию ( гидрогеология ) и морскую гидрологию. Области гидрологии включают гидрометеорологию , поверхностную гидрологию , гидрогеологию , управление дренажными бассейнами и качество воды .

Океанография и метеорология не включены, поскольку вода является лишь одним из многих важных аспектов в этих областях.

Гидрологические исследования могут стать основой экологической инженерии, политики и планирования .

Филиалы

• Химическая гидрология – это изучение химических свойств воды.
• Экогидрология — это изучение взаимодействий между организмами и гидрологического цикла.
• Гидрогеология – это изучение наличия и движения подземных вод .
• Гидрогеохимия - это изучение того, как земная вода растворяет минералы, выветривание и это влияет на химический состав воды.
• Гидроинформатика - это адаптация информационных технологий к приложениям в области гидрологии и водных ресурсов.
• Гидрометеорология - это изучение переноса воды и энергии между сушей, поверхностями водных объектов и нижними слоями атмосферы.
• Изотопная гидрология - это изучение изотопных характеристик воды.
• Поверхностная гидрология — это изучение гидрологических процессов, происходящих на поверхности Земли или вблизи нее.
• Управление водосборными бассейнами охватывает хранение воды в виде водохранилищ и защиту от наводнений.
• Качество воды включает в себя химический состав воды в реках и озерах, как загрязняющих веществ, так и природных растворенных веществ.

Приложения

• Расчет осадков .
• Расчет суммарного испарения
• Расчет поверхностного стока и осадков .
• Определение водного баланса региона.
• Определение водного баланса сельского хозяйства .
• Разработка проектов восстановления прибрежной зоны .
• Смягчение и прогнозирование наводнений , оползней и засухи . риска
• в режиме реального времени Прогнозирование наводнений , предупреждение о наводнениях , анализ частоты наводнений
• Проектирование ирригационных схем и управление продуктивностью сельского хозяйства.
• Часть модуля опасностей при моделировании катастроф .
• Обеспечение питьевой водой .
• Проектирование плотин для водоснабжения или выработки гидроэлектроэнергии .
• Проектирование мостов .
• Проектирование канализационных и городских дренажных систем.
• Анализ воздействия предшествующей влаги на канализационные системы.
• Прогнозирование геоморфологических изменений, таких как эрозия или седиментация .
• Оценка воздействия природных и антропогенных изменений окружающей среды на водные ресурсы .
• Оценка риска переноса загрязняющих веществ и разработка руководящих принципов экологической политики.
• Оценка водно-ресурсного потенциала речных бассейнов.
• водными ресурсами . Управление
• Инженерия водных ресурсов - применение гидрологических и гидравлических принципов к планированию, развитию и управлению водными ресурсами для полезного использования человеком. Он включает в себя оценку доступности, качества и спроса на воду; проектирование и эксплуатация водной инфраструктуры; и реализация стратегий устойчивого управления водными ресурсами.

История

Римский акведук в Кесарии Приморской , доставляющий воду из более влажных гор Кармель в поселение.

Гидрология была предметом исследований и инженерных исследований на протяжении тысячелетий. Древние египтяне были одними из первых, кто применил гидрологию в инженерном деле и сельском хозяйстве, изобретая форму управления водными ресурсами, известную как бассейновое орошение. Месопотамские города были защищены от наводнений высокими земляными стенами. Акведуки были построены греками и римлянами , а история показывает, что китайцы построили ирригационные и противопаводковые сооружения. Древние сингальцы использовали гидрологию для строительства сложных ирригационных сооружений на Шри-Ланке , также известной изобретением клапанной ямы , которая позволила построить большие резервуары, аникуты и каналы, которые функционируют до сих пор.

Марк Витрувий в первом веке до нашей эры описал философскую теорию гидрологического цикла, согласно которой осадки, выпадающие в горах, проникали на поверхность Земли и приводили к образованию ручьев и родников в низинах. Приняв более научный подход, Леонардо да Винчи и Бернар Палисси независимо друг от друга достигли точного представления гидрологического цикла. Лишь в 17 веке гидрологические переменные начали определять количественно.

Среди пионеров современной науки гидрологии — Пьер Перро , Эдм Мариотт и Эдмунд Галлей . Измерив количество осадков, сток и площадь водосбора, Перро показал, что осадков достаточно, чтобы объяснить сток Сены. Мариотт объединил измерения скорости и поперечного сечения реки, чтобы получить значение расхода, снова в Сене. Галлей показал, что испарения со Средиземного моря было достаточно, чтобы объяснить отток рек, впадающих в море.

Достижения 18-го века включали Бернулли пьезометр и уравнение Бернулли Даниэля Бернулли , а также трубку Пито Анри Пито . В 19 веке произошло развитие гидрологии подземных вод, включая закон Дарси , формулу колодца Дюпюи-Тима и Хагена- Пуазейля уравнение капиллярного течения .

Рациональный анализ начал заменять эмпиризм в 20 веке, когда правительственные учреждения начали свои собственные программы гидрологических исследований. Лероя Шермана Особое значение имели единичный гидрограф , теория инфильтрации Роберта Э. Хортона и тест/уравнение водоносного горизонта К.В. Тайса, описывающее гидравлику скважины.

С 1950-х годов к гидрологии стали подходить на более теоретической основе, чем раньше, чему способствовал прогресс в физическом понимании гидрологических процессов и появление компьютеров и особенно географических информационных систем (ГИС). (См. также ГИС и гидрология )

Темы

Основная статья: Круговорот воды

Центральная тема гидрологии заключается в том, что вода циркулирует по Земле разными путями и с разной скоростью. Самый яркий образ этого — в испарении воды океана, образующем облака. Эти облака плывут по земле и вызывают дождь. Дождевая вода стекает в озера, реки или водоносные горизонты. Вода в озерах, реках и водоносных горизонтах затем либо испаряется обратно в атмосферу, либо в конечном итоге стекает обратно в океан, завершая цикл. В течение этого цикла вода меняет свое состояние несколько раз.

Области исследований в области гидрологии касаются движения воды между ее различными состояниями или внутри данного состояния или просто количественного определения количества воды в этих состояниях в данном регионе. Некоторые части гидрологии касаются разработки методов прямого измерения этих потоков или количества воды, в то время как другие связаны с моделированием этих процессов либо для научных знаний, либо для прогнозирования в практических приложениях.

Подземные воды

Построение карты контуров подземных вод

Грунтовые воды – это вода под поверхностью Земли, которую часто перекачивают для получения питьевой воды. Гидрология подземных вод ( гидрогеология ) рассматривает количественную оценку потока подземных вод и переноса растворенных веществ. Проблемы описания зоны насыщения включают характеристику водоносных горизонтов с точки зрения направления потока, давления грунтовых вод и, как следствие, глубины грунтовых вод (см.: испытание водоносного горизонта ). Измерения здесь можно производить с помощью пьезометра . Водоносные горизонты также описываются с точки зрения гидравлической проводимости, сохраняемости и пропускаемости. Существует несколько геофизических методов. для характеристики водоносных горизонтов. Существуют также проблемы с характеристикой вадозной зоны (ненасыщенной зоны).

Проникновение

Основная статья: Инфильтрация (гидрология)

Инфильтрация – это процесс, посредством которого вода попадает в почву. Часть воды впитывается, а остальная часть просачивается в грунтовые воды . Инфильтрационная способность, максимальная скорость, с которой почва может поглощать воду, зависит от нескольких факторов. Уже насыщенный слой обеспечивает сопротивление, пропорциональное его толщине, а это плюс глубина воды над почвой обеспечивает движущую силу ( гидравлический напор ). Сухая почва может обеспечить быстрое проникновение за счет капиллярного действия ; эта сила уменьшается по мере того, как почва становится влажной. Уплотнение уменьшает пористость и размеры пор. Поверхностное покрытие увеличивает производительность, замедляя сток, уменьшая уплотнение и другие процессы. Более высокие температуры снижают вязкость , увеличивая инфильтрацию.

Влажность почвы

Основная статья: Влажность почвы

Влажность почвы можно измерить различными способами; с помощью емкостного зонда , рефлектометра во временной области или тензиометра . Другие методы включают отбор проб растворенных веществ и геофизические методы.

Расход поверхностных вод

Гидрограф паводка, показывающий уровень реки Шоушин в Уилмингтоне.

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. Сток поверхностных вод может включать сток как в узнаваемых речных руслах, так и в других местах. Методы измерения расхода после того, как вода достигла реки, включают водомер (см.: Расход ) и методы отслеживания. Другие темы включают перенос химических веществ с поверхностными водами, перенос отложений и эрозию.

Одной из важных областей гидрологии является взаимообмен рек и водоносных горизонтов. Взаимодействие подземных и поверхностных вод в ручьях и водоносных горизонтах может быть сложным, и направление чистого потока воды (в поверхностные воды или в водоносный горизонт) может меняться пространственно вдоль русла реки и во времени в любом конкретном месте, в зависимости от соотношения между стадиями потока. и уровень грунтовых вод.

Осадки и испарение

Стандартный NOAA датчик дождя

Некоторые считают, что гидрология начинается на границе суши и атмосферы. поэтому важно иметь адекватные знания как об осадках, так и об испарении. Осадки можно измерять различными способами: с помощью дисдрометра для определения характеристик осадков в точном временном масштабе; радар для определения свойств облаков, оценки интенсивности дождя, обнаружения града и снега; дождемер для регулярных точных измерений дождя и снегопада; спутник , например, для определения дождливых зон, оценки интенсивности дождя, земного покрова/землепользования и влажности почвы.

Испарение является важной частью круговорота воды. Частично на нее влияет влажность, которую можно измерить пращным психрометром . На него также влияет наличие снега, града и льда, а также роса, туман и туман. Гидрология рассматривает испарение различных форм: с водной поверхности; как транспирация с поверхности растений в природных и агрономических экосистемах. Прямое измерение испарения можно получить с помощью испарительного поддона Саймона .

Детальные исследования испарения включают рассмотрение пограничного слоя, а также импульса, теплового потока и баланса энергии.

Дистанционное зондирование

Основная статья: Дистанционное зондирование

Оценки изменений в запасах воды вокруг рек Тигр и Евфрат , измеренные спутниками НАСА GRACE . Спутники измеряют крошечные изменения гравитационного ускорения, которые затем можно обработать, 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 редки. Это также позволяет проводить наблюдения на больших пространственных территориях. Многие переменные, составляющие водный баланс Земли, например поверхностных вод , запасы , влажность почвы , осадки , суммарное испарение , снег и лед , поддаются измерению с помощью дистанционного зондирования с различным пространственно-временным разрешением и точностью. Источники дистанционного зондирования включают наземные датчики, бортовые датчики и спутниковые датчики , которые могут собирать в микроволновом , тепловом и ближнем инфракрасном диапазонах данные лидар или использовать , например, .

Качество воды

Основная статья: Качество воды

В гидрологии исследования качества воды касаются органических и неорганических соединений, а также растворенных веществ и отложений. Кроме того, на качество воды влияет взаимодействие растворенного кислорода с органическими веществами и различные химические превращения, которые могут происходить. Измерения качества воды могут включать как методы in-situ, при которых анализы проводятся на месте, часто автоматически, так и лабораторные анализы, которые могут включать микробиологический анализ .

Интеграция измерений и моделирования

• Бюджет анализируется
• Оценка параметров
• Масштабирование во времени и пространстве
• Усвоение данных
• Контроль качества данных – см., например, двойной массовый анализ.

Прогноз

Наблюдения за гидрологическими процессами используются для прогнозирования будущего поведения гидрологических систем (поток воды, качество воды). Одной из основных текущих задач гидрологических исследований является «Прогнозирование в неизмеренных бассейнах» (PUB), т.е. в бассейнах, где данные отсутствуют или существуют очень мало.

Статистическая гидрология

Целью статистической гидрологии является предоставление соответствующих статистических методов для анализа и моделирования различных частей гидрологического цикла. Анализируя статистические свойства 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, проводится анализ с точки зрения периода повторяемости таких событий. Другие представляющие интерес величины включают средний расход реки за год или по сезонам.

Эти оценки важны для инженеров и экономистов, поскольку можно провести надлежащий анализ рисков, чтобы повлиять на инвестиционные решения в будущей инфраструктуре и определить характеристики надежности систем водоснабжения. Статистическая информация используется для формулирования правил эксплуатации крупных плотин, являющихся частью систем, включающих сельскохозяйственные, промышленные и жилые нужды.

Моделирование

Основная статья: Гидрологическое моделирование

Вид сверху на расход воды через водосборный бассейн , смоделированный системой ШЕТРАН гидрологического моделирования

Гидрологические модели представляют собой упрощенные концептуальные представления части гидрологического цикла. Они в основном используются для гидрологического прогнозирования и понимания гидрологических процессов в рамках общей области научного моделирования . Можно выделить два основных типа гидрологических моделей:

• Модели на основе данных. Эти модели представляют собой системы «черного ящика» , использующие математические и статистические концепции для связи определенных входных данных (например, осадков) с выходными данными модели (например, стоком ). Обычно используемые методы - регрессия , передаточные функции и идентификация системы . Простейшими из этих моделей могут быть линейные модели, но нелинейные компоненты обычно используются для представления некоторых общих аспектов реакции водосбора, не вдаваясь глубоко в реальные физические процессы. Примером такого аспекта является хорошо известное поведение, когда водосборный бассейн реагирует гораздо быстрее и сильнее, когда он уже влажный, чем когда он сухой.
• Модели, основанные на описаниях процессов. Эти модели пытаются представить физические процессы, наблюдаемые в реальном мире. Обычно такие модели содержат представления поверхностного стока , подземного стока , суммарного испарения и руслового стока , но они могут быть гораздо более сложными. В рамках этой категории модели можно разделить на концептуальные и детерминистические. Концептуальные модели связывают упрощенные представления гидрологических процессов в районе, тогда как детерминистические модели стремятся решить как можно большую часть физики системы. Эти модели можно разделить на модели одного события и модели непрерывного моделирования.

Недавние исследования в области гидрологического моделирования пытаются применить более глобальный подход к пониманию поведения гидрологических систем , чтобы делать более точные прогнозы и решать основные проблемы в управлении водными ресурсами.

Транспорт

Основная статья: Модель гидрологического транспорта

Движение воды является важным средством переноса с места на место других материалов, таких как почва, гравий, валуны или загрязняющие вещества. Первоначальное поступление в водоприемники может происходить из точечных источников , линейных источников или площадных источников , таких как поверхностный сток . С 1960-х годов были разработаны довольно сложные математические модели , чему способствовало наличие высокоскоростных компьютеров. Наиболее распространенными классами загрязняющих веществ, которые анализируются, являются питательные вещества , пестициды , общее количество растворенных твердых веществ и отложения .

Организации

Межправительственные организации

• Международная гидрологическая программа (МГП)

Международные исследовательские организации

• Международный институт управления водными ресурсами (ИВМИ)
• Делфтский институт водного образования ООН-ИГЕ

Национальные исследовательские органы

• Центр экологии и гидрологии – Великобритания
• Центр водных наук, Университет Крэнфилда , Великобритания
• eawag – водные исследования, ETH Zürich, Швейцария
• Институт гидрологии Фрайбургского университета Альберта-Людвига, Германия
• Геологическая служба США - Водные ресурсы США
• – NOAA Национальная метеорологическая служба Управление гидрологического развития, США
• Гидрологический инженерный центр инженерного корпуса армии США , США
• Центр гидрологических исследований , США
• NOAA по экономике и социальным наукам, США
• Центр исследования природных опасностей и катастроф Университета Оклахомы, США
• Национальный гидрологический исследовательский центр , Канада
• Национальный институт гидрологии , Индия

Национальные и международные общества

• Американский институт гидрологии (AIH)
• Геологическое общество Америки (GSA) - Отдел гидрогеологии
• Американский геофизический союз (AGU) - Секция гидрологии
• Национальная ассоциация подземных вод (NGWA)
• Американская ассоциация водных ресурсов
• Консорциум университетов по развитию гидрологических наук, Inc. (CUAHSI)
• Международная ассоциация гидрологических наук (IAHS)
• Рабочая группа по статистике в гидрологии (подгруппа IAHS)
• Немецкое гидрологическое общество (DHG: Немецкое гидрологическое общество)
• Итальянское гидрологическое общество (SII-IHS) – Итальянское гидрологическое общество
• Северная ассоциация гидрологии
• Британское гидрологическое общество
• Русское географическое общество (Московский центр) – Гидрологическая комиссия
• Международная ассоциация экологической гидрологии
• Международная ассоциация гидрогеологов
• Общество гидрологов и метеорологов – Непал

Обзоры по всему бассейну и водосбору

• Инициатива «Соединенные воды», Университет Нового Южного Уэльса – Исследование и повышение осведомленности о проблемах подземных вод и водных ресурсов в Австралии.
• Инициатива бассейна Мюррей-Дарлинг , Департамент окружающей среды и наследия, Австралия

Исследовательские журналы

• Международный журнал гидрологической науки и технологий
• Гидрологические процессы , ISSN   1099-1085 (электронный) 0885-6087 (бумажный), John Wiley & Sons
• Гидрологические исследования , ISSN   0029-1277 , IWA Publishing (ранее Nordic Hydrology )
• Журнал Гидроинформатики , ISSN   1464-7141 , издательство IWA
• Журнал гидрологической техники , ISSN   0733-9496 , ASCE Публикация
• Журнал гидрологии
• Исследования воды
• Исследования водных ресурсов
• Журнал гидрологических наук - Журнал Международной ассоциации гидрологических наук (IAHS) ISSN   0262-6667 (Печать), ISSN   2150-3435 (онлайн)
• Гидрология и науки о системе Земли
• Журнал гидрометеорологии

См. также

• Водный раствор
• Климатология
• Экологическая инженерия
• Геологическая инженерия
• Green Kenue – программный инструмент для разработчиков гидрологических моделей.
• Гидравлика
• HydroCAD - программное обеспечение для гидрологического и гидравлического моделирования.
• Гидрография
• Гидрология (сельское хозяйство)
• Международная гидрологическая программа
• Коэффициент эффективности модели Нэша – Сатклиффа
• Очерк гидрологии
• Потамаль
• Социально-гидрология
• Почвоведение
• Распределение воды на Земле
• Программное обеспечение WEAP (Water Evaluation And Planning) для моделирования гидрологии водосбора на основе данных о климате и землепользовании.
• Гидрология водосбора

Другие области, связанные с водой

• Океанография — это более общее исследование воды в океанах и эстуариях.
• Метеорология – это более общее исследование атмосферы и погоды, включая осадки в виде снега и осадков.
• Лимнология – это изучение озер, рек и экосистем водно-болотных угодий. Он охватывает биологические, химические, физические, геологические и другие характеристики всех внутренних вод (проточных и стоячих вод, как пресных, так и соленых, природных или искусственных).
• Водные ресурсы – это источники воды, которые являются полезными или потенциально полезными. Гидрология изучает наличие этих ресурсов, но обычно не изучает их использование.

Дальнейшее чтение

• Эсламян С., 2014, (ред.) Справочник по инженерной гидрологии, Том. 1: Основы и приложения, Фрэнсис и Тейлор, CRC Group, 636 страниц, США.
• Эсламян С., 2014, (ред.) Справочник по инженерной гидрологии, Том. 2: Моделирование, изменение и изменчивость климата, Фрэнсис и Тейлор, CRC Group, 646 страниц, США.
• Эсламян С., 2014, (ред.) Справочник по инженерной гидрологии, Том. 3: Экологическая гидрология и управление водными ресурсами, Фрэнсис и Тейлор, CRC Group, 606 Pages, США.
• Андерсон, Малкольм Г.; Макдоннелл, Джеффри Дж., ред. (2005). Энциклопедия гидрологических наук . Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN  0-471-49103-9 .
• Хендрикс, Мартин Р. (2010). Введение в физическую гидрологию . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-929684-2 .
• Хорнбергер, Джордж М.; Виберг, Патрисия Л .; Раффенспергер, Джеффри П.; Д'Одорико, Паоло П. (2014). Элементы физической гидрологии (2-е изд.). Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джонса Хопкинса. ISBN  9781421413730 .
• Мейдмент, Дэвид Р., изд. (1993). Справочник по гидрологии . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN  0-07-039732-5 .
• МакКуэн, Ричард Х. (2005). Гидрологический анализ и проектирование (3-е изд.). Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси: Пирсон-Прентис Холл. ISBN  0-13-142424-6 .
• Виссман, Уоррен младший; Гэри Л. Льюис (2003). Введение в гидрологию (5-е изд.). Река Аппер-Седл, Нью-Джерси: Pearson Education. ISBN  0-673-99337-Х .

Внешние ссылки

• Hydrology.nl - Портал международной гидрологии и водных ресурсов.
• Схема принятия решений по выбору метода неопределенности для гидрологического и гидравлического моделирования (архивировано 1 июня 2013 г.)
• Экспериментальная гидрология вики