Гипорейная зона

Гипорейная зона — это область отложений и порового пространства под и вдоль русла реки , где происходит смешение неглубоких грунтовых и поверхностных вод . Динамика и поведение потока в этой зоне (называемая гипорейным потоком или нижним потоком ) признана важной для взаимодействия поверхностных и грунтовых вод, а также рыбы нереста и других процессов. ^[1] В качестве инновационной практики городского управления водными ресурсами гипорейная зона может быть спроектирована инженерами и активно управляться с целью улучшения как качества воды, так и прибрежной среды обитания. ^[2]

Совокупности организмов , населяющих эту зону, называются гипореосами .

Термин гипорейный первоначально был придуман Траяном Оргиданом. ^[3] в 1959 году путем объединения двух греческих слов: гипо (ниже) и реос (поток).

Гипорейическая зона и гидрология

Гипорейная зона представляет собой область быстрого обмена, где вода перемещается в русло ручья и из него и уносит с собой растворенный газ и растворенные вещества, загрязняющие вещества, микроорганизмы и частицы. ^[4] В зависимости от подстилающей геологии и топографии гипорейная зона может иметь глубину всего несколько сантиметров или простираться до десятков метров в поперечном направлении или в глубину.

Концептуальная основа гипорейной зоны как зоны смешения и хранения является неотъемлемой частью изучения гидрологии . Первое ключевое понятие, связанное с гипорейной зоной, — это время пребывания ; вода в канале движется с гораздо большей скоростью по сравнению с гипорейной зоной, поэтому этот поток более медленной воды эффективно увеличивает время пребывания воды в русле ручья. Время пребывания в воде влияет на скорость переработки питательных веществ и углерода. Более длительное время пребывания способствует удержанию растворенных веществ, которые позже могут быть выброшены обратно в канал, задерживая или ослабляя сигналы, вырабатываемые каналом потока. ^[5]

Другая ключевая концепция – гипорейный обмен. ^[6]^[7] или скорость, с которой вода входит или покидает подземную зону. Речная вода временно попадает в гипорейную зону, но в конечном итоге речная вода снова попадает в поверхностный канал или способствует накоплению подземных вод. На скорость гипорейного обмена влияет структура русла реки: более короткие пути потока воды создаются из-за неровностей русла. ^[8]^[9] Более длинные пути потока обусловлены геоморфическими особенностями, такими как меандры ручьев, последовательности заводей и перекатов, большие плотины из древесного мусора и другие особенности.

Гипорейная зона и ее взаимодействие влияют на объем речной воды, перемещаемой вниз по течению. Увеличение участка указывает на то, что грунтовые воды сбрасываются в ручей по мере движения воды вниз по течению, так что объем воды в основном русле увеличивается от верхнего течения к нижнему течению. И наоборот, когда поверхностные воды проникают в зону грунтовых вод (что приводит к чистой потере поверхностных вод), то этот участок ручья считается «теряющим» воду.

Гипорейная зона обеспечивает множество экологических преимуществ. Примеры включают в себя: ^[10]

Среда обитания и укрытие для различных видов рыб, водных растений и межклеточных организмов;
Снижение концентрации загрязняющих веществ, растворенных в речной воде;
Контроль водного и растворенного обмена между основным потоком и грунтовыми водами;
Смягчение температуры воды в реке.

Исследование гипорейной зоны

Экосистема ручья или реки — это больше, чем просто текущая вода, которую можно увидеть на поверхности: реки связаны с прилегающими прибрежными территориями. ^[11] Таким образом, ручьи и реки включают в себя динамическую гипорейную зону, расположенную ниже и латеральнее основного русла. Поскольку гипорейная зона находится под поверхностными водами, ее может быть трудно идентифицировать, количественно оценить и наблюдать. Однако гипорейная зона является зоной биологической и физической активности и поэтому имеет функциональное значение для ручьевых и речных экосистем. ^[12] Исследователи используют такие инструменты, как скважины и пьезометры , консервативные и реактивные индикаторы. ^[13] и модели переноса, которые учитывают адвекцию и рассеивание воды как в русле реки, так и в недрах. ^[14] Эти инструменты могут использоваться независимо для изучения движения воды через гипорейную зону и в русло ручья, но часто дополняют друг друга для более точной картины динамики воды в русле в целом.

Биогеохимическое значение

Гипорейная зона представляет собой экотон между ручьем и недрами: это динамическая область смешения поверхностных и грунтовых вод на границе раздела осадочных вод и воды. С биогеохимической точки зрения грунтовые воды часто содержат мало растворенного кислорода, но содержат растворенные питательные вещества. И наоборот, речная вода из основного канала содержит больше растворенного кислорода и меньше питательных веществ. Это создает биогеохимический градиент, который может существовать на разных глубинах в зависимости от протяженности гипорейной зоны. Часто в гипорейной зоне преобладают гетеротрофные микроорганизмы, перерабатывающие растворенные питательные вещества, обмениваемые на этом интерфейсе.

Гипорейная зона: основные характеристики и причины гипорейного обмена

Основные различия между поверхностными и грунтовыми водами касаются концентрации кислорода, температуры и pH. ^[15] В качестве области раздела между основным потоком и грунтовыми водами гипорейная зона подвержена физико-химическим градиентам, генерирующим биохимические реакции, способные регулировать поведение химических соединений и водных организмов в зоне обмена. ^[16] Гипорейная зона вносит важный вклад в поглощение примесей, растворенных в воде канала. ^[17] и к круговороту энергии, питательных веществ и органических соединений. ^[18] Более того, он обеспечивает значительный контроль над переносом загрязняющих веществ по речному бассейну. ^[19]

Основными факторами, влияющими на гипорейный обмен, являются: ^[20]

Геометрия основного водоносного горизонта и гидравлические свойства ^[21]^[22]
Временные изменения высоты уровня грунтовых вод ^[23]
Топографические характеристики и проницаемость русла реки ^[24]
Горизонтальные градиенты, возникающие в результате изменения формы русла ручья. ^[25]

Ссылки

^ Левандовски, Йорг (2019). «Актуальна ли гипорейная зона за пределами научного сообщества?» . Вода . 11 (11): 2230. дои : 10.3390/w11112230 . hdl : 20.500.11850/382125 .
^ Лоуренс, Дж. Э.; М. Скольд; Ф.А. Хусейн; Д. Сильверман; В. Х. Реш; Д.Л. Седлак; Р.Г. Люти; Дж. Э. Маккрей (14 августа 2013 г.). «Зона гипогея в городских ручьях: обзор и возможности повышения качества воды и улучшения водной среды обитания путем активного управления». Экологическая инженерия . 47 (8): 480–501. дои : 10.1089/ees.2012.0235 .
^ Оргидан, Т. (1959). «Новая среда обитания подземных вод: гипорейный биотоп». Архив гидробиологии . 55 :392-414.
^ Бенкала, Кеннет Э. (2000). «Гидрологические процессы гипогейной зоны». Гидрологические процессы . 14 (15): 2797–2798. Бибкод : 2000HyPr...14.2797B . doi : 10.1002/1099-1085(20001030)14:15<2797::AID-HYP402>3.0.CO;2-6 . ISSN 1099-1085 .
^ Гримм, Нэнси Б .; Фишер, Стюарт Г. (1 апреля 1984 г.). «Обмен между поровой и поверхностной водой: последствия для реечного метаболизма и круговорота питательных веществ». Гидробиология . 111 (3): 219–228. дои : 10.1007/BF00007202 . ISSN 1573-5117 . S2CID 40029109 .
^ Финдли, Стюарт (1995). «Значение поверхностно-подземного обмена в речных экосистемах: гипорейная зона» . Лимнология и океанография . 40 (1): 159–164. Бибкод : 1995LimOc..40..159F . дои : 10.4319/lo.1995.40.1.0159 . ISSN 1939-5590 .
^ Бенкала, Кеннет Э. (2006), «Гипорейические обменные потоки», Энциклопедия гидрологических наук , Американское онкологическое общество, doi : 10.1002/0470848944.hsa126 , ISBN 9780470848944
^ Касахара, Тамао; Вондзелл, Стивен М. (2003). «Геоморфическое регулирование гипорейного обменного стока в горных ручьях» . Исследования водных ресурсов . 39 (1): ШБХ 3–1 – ШБХ 3–14. Бибкод : 2003WRR....39.1005K . дои : 10.1029/2002WR001386 . ISSN 1944-7973 .
^ Харви, Джадсон В.; Бенкала, Кеннет Э. (1993). «Влияние топографии русла на поверхностный и подземный водообмен в горных водосборах». Исследования водных ресурсов . 29 (1): 89–98. Бибкод : 1993WRR....29...89H . дои : 10.1029/92WR01960 . ISSN 1944-7973 .
^ Гипорейный справочник: справочник по границе раздела грунтовых и поверхностных вод и гипорейной зоне для специалистов по охране окружающей среды . Агентство окружающей среды. 2009. ISBN 978-1-84911-131-7 .
^ Стэнфорд, Джек А.; Уорд, Джеймс В. (март 1993 г.). «Экосистемная перспектива аллювиальных рек: связность и гипорейный коридор | Scinapse | Академическая поисковая система для бумаги» . Журнал Североамериканского бентологического общества . 12 (1): 48–60. дои : 10.2307/1467685 . JSTOR 1467685 . S2CID 84122703 . Проверено 15 марта 2019 г.
^ Бултон, Эндрю Дж.; Финдли, Стюарт; Мармонье, Пьер; Стэнли, Эмили Х.; Валетт, Х. Морис (1 ноября 1998 г.). «Функциональное значение гипорейной зоны в ручьях и реках». Ежегодный обзор экологии и систематики . 29 (1): 59–81. doi : 10.1146/annurev.ecolsys.29.1.59 . ISSN 0066-4162 .
^ Малхолланд, Патрик Дж.; Танк, Дженнифер Л .; Санцоне, Дайан М.; Воллхейм, Уилфред М.; Петерсон, Брюс Дж.; Вебстер, Джексон Р.; Мейер, Джуди Л. (2000). «Круговорот азота в лесном ручье, определяемый добавкой индикатора 15n». Экологические монографии . 70 (3): 471–493. doi : 10.1890/0012-9615(2000)070[0471:NCIAFS]2.0.CO;2 . hdl : 10919/46856 . ISSN 1557-7015 .
^ Бенкала, Кеннет Э.; Уолтерс, Рой А. (1983). «Моделирование переноса растворенных веществ в горном ручейке: модель временного хранения». Исследования водных ресурсов . 19 (3): 718–724. Бибкод : 1983WRR....19..718B . дои : 10.1029/WR019i003p00718 . hdl : 2027/uc1.31210024756569 . ISSN 1944-7973 .
^ Гипорейный справочник: справочник по границе раздела грунтовых и поверхностных вод и гипорейной зоне для специалистов по охране окружающей среды . Агентство окружающей среды. 2009. ISBN 9781849111317 .
^ Брунке, Матиас; Гонсер, Том (1997). «Экологическое значение обменных процессов между реками и подземными водами» . Пресноводная биология . 37 (1): 1–33. Бибкод : 1997FrBio..37....1B . дои : 10.1046/j.1365-2427.1997.00143.x . ISSN 1365-2427 .
^ Ганди, CJ; Смит, JWN; Джарвис, AP (15 февраля 2007 г.). «Ослабление выбросов загрязняющих веществ горнодобывающей промышленности в гипорейной зоне: обзор». Наука об общей окружающей среде . 373 (2): 435–446. Бибкод : 2007ScTEn.373..435G . doi : 10.1016/j.scitotenv.2006.11.004 . ISSN 0048-9697 . ПМИД 17173955 .
^ Уайт, Дэвид С. (1 марта 1993 г.). «Перспективы определения и разграничения гипорхейных зон». Журнал Североамериканского бентологического общества . 12 (1): 61–69. дои : 10.2307/1467686 . ISSN 0887-3593 . JSTOR 1467686 . S2CID 83923428 .
^ Смит, JWN; Сурридж, BWJ; Хэкстон, TH; Лернер, Д.Н. (15 мая 2009 г.). «Ослабление загрязнения на границе раздела грунтовых и поверхностных вод: схема классификации и статистический анализ с использованием данных по нитратам в национальном масштабе». Журнал гидрологии . 369 (3): 392–402. Бибкод : 2009JHyd..369..392S . doi : 10.1016/j.jгидроl.2009.02.026 . ISSN 0022-1694 .
^ Харви, Ф. Эдвин; Ли, Дэвид Р.; Рудольф, Дэвид Л.; Фрапе, Шон К. (ноябрь 1997 г.). «Определение разгрузки подземных вод в крупных озерах с помощью картирования электропроводности донных отложений». Исследования водных ресурсов . 33 (11): 2609–2615. Бибкод : 1997WRR....33.2609H . дои : 10.1029/97WR01702 . S2CID 131345414 .
^ Фриз, Р. Аллан; Уизерспун, Пенсильвания (1967). «Теоретический анализ регионального потока подземных вод: 2. Влияние конфигурации зеркала грунтовых вод и изменения проницаемости недр». Исследования водных ресурсов . 3 (2): 623–634. Бибкод : 1967WRR.....3..623F . дои : 10.1029/WR003i002p00623 . ISSN 1944-7973 .
^ Винтер, Томас К. (1995). «Последние достижения в понимании взаимодействия подземных и поверхностных вод». Обзоры геофизики . 33 (С2): 985–994. Бибкод : 1995RvGeo..33S.985W . дои : 10.1029/95RG00115 . ISSN 1944-9208 .
^ Пиндер, Джордж Ф.; Зауэр, Стэнли П. (1971). «Численное моделирование изменения волн паводка из-за эффектов берегового хранения». Исследования водных ресурсов . 7 (1): 63–70. Бибкод : 1971WRR.....7...63P . дои : 10.1029/WR007i001p00063 . ISSN 1944-7973 .
^ Харви, Джадсон В.; Бенкала, Кеннет Э. (1993). «Влияние топографии русла на поверхностный и подземный водообмен в горных водосборах». Исследования водных ресурсов . 29 (1): 89–98. Бибкод : 1993WRR....29...89H . дои : 10.1029/92WR01960 . ISSN 1944-7973 .
^ Карденас, М. Баяни (2009). «Модель латерального гипорейного потока, основанная на уклоне долины и извилистости канала». Исследования водных ресурсов . 45 (1): W01501. Бибкод : 2009WRR....45.1501C . дои : 10.1029/2008WR007442 . ISSN 1944-7973 .

Внешние ссылки

Статья о гипорейной зоне ручьев и очистке воды . Включает диаграмму.

Эта гидродинамике, статья, посвященная незавершена . Вы можете помочь Википедии, расширив ее .

[1] Левандовски, Йорг (2019). «Актуальна ли гипорейная зона за пределами научного сообщества?» . Вода . 11 (11): 2230. дои : 10.3390/w11112230 . hdl : 20.500.11850/382125 .

[2] Лоуренс, Дж. Э.; М. Скольд; Ф.А. Хусейн; Д. Сильверман; В. Х. Реш; Д.Л. Седлак; Р.Г. Люти; Дж. Э. Маккрей (14 августа 2013 г.). «Зона гипогея в городских ручьях: обзор и возможности повышения качества воды и улучшения водной среды обитания путем активного управления». Экологическая инженерия . 47 (8): 480–501. дои : 10.1089/ees.2012.0235 .

[3] Оргидан, Т. (1959). «Новая среда обитания подземных вод: гипорейный биотоп». Архив гидробиологии . 55 :392-414.

[4] Бенкала, Кеннет Э. (2000). «Гидрологические процессы гипогейной зоны». Гидрологические процессы . 14 (15): 2797–2798. Бибкод : 2000HyPr...14.2797B . doi : 10.1002/1099-1085(20001030)14:15<2797::AID-HYP402>3.0.CO;2-6 . ISSN 1099-1085 .

[5] Гримм, Нэнси Б .; Фишер, Стюарт Г. (1 апреля 1984 г.). «Обмен между поровой и поверхностной водой: последствия для реечного метаболизма и круговорота питательных веществ». Гидробиология . 111 (3): 219–228. дои : 10.1007/BF00007202 . ISSN 1573-5117 . S2CID 40029109 .

[6] Финдли, Стюарт (1995). «Значение поверхностно-подземного обмена в речных экосистемах: гипорейная зона» . Лимнология и океанография . 40 (1): 159–164. Бибкод : 1995LimOc..40..159F . дои : 10.4319/lo.1995.40.1.0159 . ISSN 1939-5590 .

[7] Бенкала, Кеннет Э. (2006), «Гипорейические обменные потоки», Энциклопедия гидрологических наук , Американское онкологическое общество, doi : 10.1002/0470848944.hsa126 , ISBN 9780470848944

[8] Касахара, Тамао; Вондзелл, Стивен М. (2003). «Геоморфическое регулирование гипорейного обменного стока в горных ручьях» . Исследования водных ресурсов . 39 (1): ШБХ 3–1 – ШБХ 3–14. Бибкод : 2003WRR....39.1005K . дои : 10.1029/2002WR001386 . ISSN 1944-7973 .

[9] Харви, Джадсон В.; Бенкала, Кеннет Э. (1993). «Влияние топографии русла на поверхностный и подземный водообмен в горных водосборах». Исследования водных ресурсов . 29 (1): 89–98. Бибкод : 1993WRR....29...89H . дои : 10.1029/92WR01960 . ISSN 1944-7973 .

[10] Гипорейный справочник: справочник по границе раздела грунтовых и поверхностных вод и гипорейной зоне для специалистов по охране окружающей среды . Агентство окружающей среды. 2009. ISBN 978-1-84911-131-7 .

[11] Стэнфорд, Джек А.; Уорд, Джеймс В. (март 1993 г.). «Экосистемная перспектива аллювиальных рек: связность и гипорейный коридор | Scinapse | Академическая поисковая система для бумаги» . Журнал Североамериканского бентологического общества . 12 (1): 48–60. дои : 10.2307/1467685 . JSTOR 1467685 . S2CID 84122703 . Проверено 15 марта 2019 г.

[12] Бултон, Эндрю Дж.; Финдли, Стюарт; Мармонье, Пьер; Стэнли, Эмили Х.; Валетт, Х. Морис (1 ноября 1998 г.). «Функциональное значение гипорейной зоны в ручьях и реках». Ежегодный обзор экологии и систематики . 29 (1): 59–81. doi : 10.1146/annurev.ecolsys.29.1.59 . ISSN 0066-4162 .

[13] Малхолланд, Патрик Дж.; Танк, Дженнифер Л .; Санцоне, Дайан М.; Воллхейм, Уилфред М.; Петерсон, Брюс Дж.; Вебстер, Джексон Р.; Мейер, Джуди Л. (2000). «Круговорот азота в лесном ручье, определяемый добавкой индикатора 15n». Экологические монографии . 70 (3): 471–493. doi : 10.1890/0012-9615(2000)070[0471:NCIAFS]2.0.CO;2 . hdl : 10919/46856 . ISSN 1557-7015 .

[14] Бенкала, Кеннет Э.; Уолтерс, Рой А. (1983). «Моделирование переноса растворенных веществ в горном ручейке: модель временного хранения». Исследования водных ресурсов . 19 (3): 718–724. Бибкод : 1983WRR....19..718B . дои : 10.1029/WR019i003p00718 . hdl : 2027/uc1.31210024756569 . ISSN 1944-7973 .

[15] Гипорейный справочник: справочник по границе раздела грунтовых и поверхностных вод и гипорейной зоне для специалистов по охране окружающей среды . Агентство окружающей среды. 2009. ISBN 9781849111317 .

[16] Брунке, Матиас; Гонсер, Том (1997). «Экологическое значение обменных процессов между реками и подземными водами» . Пресноводная биология . 37 (1): 1–33. Бибкод : 1997FrBio..37....1B . дои : 10.1046/j.1365-2427.1997.00143.x . ISSN 1365-2427 .

[17] Ганди, CJ; Смит, JWN; Джарвис, AP (15 февраля 2007 г.). «Ослабление выбросов загрязняющих веществ горнодобывающей промышленности в гипорейной зоне: обзор». Наука об общей окружающей среде . 373 (2): 435–446. Бибкод : 2007ScTEn.373..435G . doi : 10.1016/j.scitotenv.2006.11.004 . ISSN 0048-9697 . ПМИД 17173955 .

[18] Уайт, Дэвид С. (1 марта 1993 г.). «Перспективы определения и разграничения гипорхейных зон». Журнал Североамериканского бентологического общества . 12 (1): 61–69. дои : 10.2307/1467686 . ISSN 0887-3593 . JSTOR 1467686 . S2CID 83923428 .

[19] Смит, JWN; Сурридж, BWJ; Хэкстон, TH; Лернер, Д.Н. (15 мая 2009 г.). «Ослабление загрязнения на границе раздела грунтовых и поверхностных вод: схема классификации и статистический анализ с использованием данных по нитратам в национальном масштабе». Журнал гидрологии . 369 (3): 392–402. Бибкод : 2009JHyd..369..392S . doi : 10.1016/j.jгидроl.2009.02.026 . ISSN 0022-1694 .

[20] Харви, Ф. Эдвин; Ли, Дэвид Р.; Рудольф, Дэвид Л.; Фрапе, Шон К. (ноябрь 1997 г.). «Определение разгрузки подземных вод в крупных озерах с помощью картирования электропроводности донных отложений». Исследования водных ресурсов . 33 (11): 2609–2615. Бибкод : 1997WRR....33.2609H . дои : 10.1029/97WR01702 . S2CID 131345414 .

[21] Фриз, Р. Аллан; Уизерспун, Пенсильвания (1967). «Теоретический анализ регионального потока подземных вод: 2. Влияние конфигурации зеркала грунтовых вод и изменения проницаемости недр». Исследования водных ресурсов . 3 (2): 623–634. Бибкод : 1967WRR.....3..623F . дои : 10.1029/WR003i002p00623 . ISSN 1944-7973 .

[22] Винтер, Томас К. (1995). «Последние достижения в понимании взаимодействия подземных и поверхностных вод». Обзоры геофизики . 33 (С2): 985–994. Бибкод : 1995RvGeo..33S.985W . дои : 10.1029/95RG00115 . ISSN 1944-9208 .

[23] Пиндер, Джордж Ф.; Зауэр, Стэнли П. (1971). «Численное моделирование изменения волн паводка из-за эффектов берегового хранения». Исследования водных ресурсов . 7 (1): 63–70. Бибкод : 1971WRR.....7...63P . дои : 10.1029/WR007i001p00063 . ISSN 1944-7973 .

[24] Харви, Джадсон В.; Бенкала, Кеннет Э. (1993). «Влияние топографии русла на поверхностный и подземный водообмен в горных водосборах». Исследования водных ресурсов . 29 (1): 89–98. Бибкод : 1993WRR....29...89H . дои : 10.1029/92WR01960 . ISSN 1944-7973 .

[25] Карденас, М. Баяни (2009). «Модель латерального гипорейного потока, основанная на уклоне долины и извилистости канала». Исследования водных ресурсов . 45 (1): W01501. Бибкод : 2009WRR....45.1501C . дои : 10.1029/2008WR007442 . ISSN 1944-7973 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]