Hydrologia

W przypadku innych zastosowań zobacz Hydrologia (ujednoznacznienie) .

Deszcz nad szkocką zlewnią . Zrozumienie obiegu wody w zlewniach, przez nie i ze zlewni jest kluczowym elementem hydrologii.

Hydrologia (od starogreckiego ὕδωρ ( húdōr ) „woda” i -λογία ( -logía ) „badanie”) to naukowe badanie ruchu, dystrybucji i zarządzania wodą na Ziemi i innych planetach, w tym obieg wody , zasoby wodne i zrównoważony rozwój zlewni . Praktykujący hydrologię nazywa się hydrologiem . Hydrologowie to naukowcy badający o ziemi lub środowisku , inżynierii lądowej lub środowiskowej oraz geografii fizycznej . Korzystając z różnych metod analitycznych i technik naukowych, zbierają i analizują dane, aby pomóc w rozwiązywaniu problemów związanych z wodą, takich jak ochrona środowiska , klęski żywiołowe i gospodarka wodna .

Hydrologia dzieli się na hydrologię wód powierzchniowych, hydrologię wód podziemnych (hydrogeologię) i hydrologię morską. Dziedziny hydrologii obejmują hydrometeorologię , hydrologię powierzchniową , hydrogeologię , zarządzanie zlewniami i jakość wody .

Oceanografia i meteorologia nie zostały uwzględnione, ponieważ woda jest tylko jednym z wielu ważnych aspektów w tych dziedzinach.

Badania hydrologiczne mogą stanowić podstawę inżynierii środowiska, polityki i planowania .

Gałęzie

Aplikacje

Historia

Rzymski akwedukt w Caesarea Maritima , doprowadzający do osady wodę z bardziej wilgotnych gór Karmel .

Hydrologia była przedmiotem badań i inżynierii od tysiącleci. Starożytni Egipcjanie byli jednymi z pierwszych, którzy zastosowali hydrologię w swojej inżynierii i rolnictwie, wymyślając formę gospodarki wodnej znaną jako nawadnianie basenów. Mezopotamskie miasta były chronione przed powodzią wysokimi ziemnymi murami. Akwedukty budowali Grecy i Rzymianie , natomiast historia pokazuje, że Chińczycy budowali urządzenia irygacyjne i przeciwpowodziowe. Starożytni syngalescy używali hydrologii do budowy skomplikowanych systemów irygacyjnych Sri Lanka , znana również z wynalezienia Valve Pit, która umożliwiła budowę dużych zbiorników wodnych, anicutów i kanałów, które nadal funkcjonują.

Marek Witruwiusz w I wieku p.n.e. opisał filozoficzną teorię cyklu hydrologicznego, w którym opady atmosferyczne spadające w górach infiltrowały powierzchnię Ziemi i prowadziły do ​​powstawania strumieni i źródeł na nizinach. Przyjmując bardziej naukowe podejście, Leonardo da Vinci i Bernard Palissy niezależnie osiągnęli dokładną reprezentację cyklu hydrologicznego. Dopiero w XVII wieku zaczęto kwantyfikować zmienne hydrologiczne.

Do pionierów współczesnej nauki hydrologii należą Pierre Perrault , Edme Mariotte i Edmund Halley . Mierząc opady, odpływ i obszar zlewni, Perrault wykazał, że opady były wystarczające, aby uwzględnić przepływ Sekwany. Mariotte połączył pomiary prędkości i przekroju poprzecznego rzeki, aby uzyskać wartość przepływu, ponownie w Sekwanie. Halley wykazał, że parowanie z Morza Śródziemnego było wystarczające, aby uwzględnić odpływ rzek wpływających do morza.

Postępy w XVIII wieku obejmowały piezometr Bernoulliego i równanie Bernoulliego autorstwa Daniela Bernoulliego oraz rurkę Pitota autorstwa Henri Pitota . W XIX wieku nastąpił rozwój hydrologii wód podziemnych, w tym prawa Darcy'ego , wzoru studni Dupuita-Thiema i równania przepływu kapilarnego Hagena- Poiseuille'a .

Racjonalne analizy zaczęły zastępować empiryzm w XX wieku, a agencje rządowe rozpoczęły własne programy badań hydrologicznych. Szczególnie ważne były hydrogramy jednostek Leroya Shermana , teoria infiltracji Roberta E. Hortona oraz test/równanie warstwy wodonośnej CV Theis opisujące hydraulikę studni.

Od lat pięćdziesiątych XX wieku podejście do hydrologii opierało się na bardziej teoretycznych podstawach niż w przeszłości, co ułatwił postęp w fizycznym zrozumieniu procesów hydrologicznych oraz pojawienie się komputerów, a zwłaszcza systemów informacji geograficznej (GIS ) . (Zobacz także GIS i hydrologia )

Motywy

Główny artykuł: obieg wody

Głównym tematem hydrologii jest to, że woda krąży po całej Ziemi różnymi drogami iz różną szybkością. Najbardziej wyrazistym tego obrazem jest parowanie wody z oceanu, które tworzy chmury. Chmury te dryfują nad lądem i powodują deszcz. Woda deszczowa wpływa do jezior, rzek lub warstw wodonośnych. Woda w jeziorach, rzekach i warstwach wodonośnych następnie albo odparowuje z powrotem do atmosfery, albo ostatecznie spływa z powrotem do oceanu, kończąc cykl. Woda zmienia swój stan kilka razy w ciągu tego cyklu.

Obszary badań w ramach hydrologii dotyczą ruchu wody pomiędzy różnymi jej stanami lub w obrębie danego stanu, lub po prostu ilościowego określania ilości w tych stanach w danym regionie. Części hydrologii dotyczą opracowywania metod bezpośredniego pomiaru tych przepływów lub ilości wody, podczas gdy inne dotyczą modelowania tych procesów w celu uzyskania wiedzy naukowej lub przewidywania w praktycznych zastosowaniach.

Wody gruntowe

Budowanie mapy konturów wód podziemnych

Wody gruntowe to woda pod powierzchnią Ziemi, często pompowana w celu uzyskania wody pitnej. Hydrologia wód podziemnych ( hydrogeologia ) uwzględnia ilościowe określenie przepływu wód podziemnych i transportu substancji rozpuszczonych. Problemy w opisie strefy nasyconej obejmują charakterystykę warstw wodonośnych pod względem kierunku przepływu, ciśnienia wód gruntowych oraz wnioskowania o głębokości wód gruntowych (patrz: test warstwy wodonośnej ). Pomiary tutaj można wykonać za pomocą piezometru . Warstwy wodonośne są również opisywane pod względem przewodnictwa hydraulicznego, spiętrzenia i przepuszczalności. Istnieje wiele geofizycznych metod charakteryzowania warstw wodonośnych. Istnieją również problemy z charakteryzacją strefy wadozy (strefy nienasyconej).

Infiltracja

Główny artykuł: Infiltracja (hydrologia)

Infiltracja to proces, w którym woda dostaje się do gleby. Część wody jest wchłaniana, a reszta przenika do wód gruntowych . Zdolność infiltracji, czyli maksymalna szybkość, z jaką gleba może wchłaniać wodę, zależy od kilku czynników. Warstwa, która jest już nasycona, zapewnia opór proporcjonalny do jej grubości, podczas gdy ta plus głębokość wody nad gruntem zapewnia siłę napędową ( wysokość hydrauliczną ). Sucha gleba może pozwolić na szybką infiltrację przez działanie kapilarne ; siła ta maleje, gdy gleba staje się mokra. Zagęszczanie zmniejsza porowatość i wielkość porów. Pokrycie powierzchni zwiększa wydajność poprzez opóźnianie spływu, zmniejszanie zagęszczania i innych procesów. Wyższe temperatury zmniejszają lepkość , zwiększając infiltrację.

Wilgotność gleby

Główny artykuł: Wilgotność gleby

Wilgotność gleby można mierzyć na różne sposoby; przez sondę pojemnościową , reflektometr w dziedzinie czasu lub tensjometr . Inne metody obejmują pobieranie próbek substancji rozpuszczonej i metody geofizyczne.

Przepływ wód powierzchniowych

Hydrograf powodziowy przedstawiający etap rzeki Shawsheen w Wilmington.

Hydrologia rozważa ilościowe określenie przepływu wód powierzchniowych i transportu substancji rozpuszczonych, chociaż leczenie przepływów w dużych rzekach jest czasami uważane za odrębny temat hydrauliki lub hydrodynamiki. Przepływ wód powierzchniowych może obejmować przepływ zarówno w rozpoznawalnych korytach rzecznych, jak i poza nimi. Metody pomiaru przepływu po dotarciu wody do rzeki obejmują wodowskaz ( patrz: zrzut ) oraz techniki śladowe. Inne tematy obejmują transport chemikaliów jako część wód powierzchniowych, transport osadów i erozję.

Jednym z ważnych obszarów hydrologii jest wymiana rzek i warstw wodonośnych. Interakcje wód podziemnych i powierzchniowych w strumieniach i warstwach wodonośnych mogą być złożone, a kierunek strumienia wody netto (do wód powierzchniowych lub do warstwy wodonośnej) może zmieniać się przestrzennie wzdłuż koryta strumienia i w czasie w dowolnym konkretnym miejscu, w zależności od relacji między etapami strumienia i poziom wód gruntowych.

Opady i parowanie

Standardowy miernik deszczu NOAA

W niektórych rozważaniach uważa się, że hydrologia zaczyna się na granicy ląd-atmosfera, dlatego ważne jest posiadanie odpowiedniej wiedzy zarówno na temat opadów atmosferycznych, jak i parowania. Opady można mierzyć na różne sposoby: disdrometr do charakterystyki opadów w dokładnej skali czasowej; radar do wykrywania właściwości chmur, szacowania natężenia deszczu, wykrywania gradu i śniegu; deszczomierz do rutynowych dokładnych pomiarów opadów deszczu i śniegu; na przykład satelita do identyfikacji obszarów deszczowych, szacowania natężenia opadów, pokrycia terenu/użytkowania gruntów i wilgotności gleby.

Parowanie jest ważną częścią obiegu wody. Częściowo wpływa na to wilgotność, którą można zmierzyć za pomocą psychrometru zawiesia . Wpływa na to również obecność śniegu, gradu i lodu i może odnosić się do rosy, mgły i mgły. Hydrologia rozważa parowanie w różnych formach: z powierzchni wody; jako transpiracja z powierzchni roślin w ekosystemach naturalnych i rolniczych. Bezpośredni pomiar parowania można uzyskać za pomocą parownika Simona .

Szczegółowe badania parowania obejmują rozważania dotyczące warstwy granicznej, a także pędu, strumienia ciepła i budżetów energetycznych.

Zdalne wykrywanie

Główny artykuł: Teledetekcja
Szacunki zmian w magazynowaniu wody wokół rzek Tygrys i Eufrat , mierzone przez satelity GRACE NASA . Satelity mierzą niewielkie zmiany przyspieszenia grawitacyjnego, które można następnie przetwarzać, aby ujawnić ruch wody w wyniku zmian jej całkowitej masy.

Zdalne wykrywanie procesów hydrologicznych może dostarczyć informacji o lokalizacjach, w których czujniki in situ mogą być niedostępne lub nieliczne. Umożliwia również obserwacje na dużych obszarach przestrzennych. Wiele zmiennych składających się na lądowy bilans wodny, na przykład magazynowanie wód powierzchniowych , wilgotność gleby , opady atmosferyczne , ewapotranspiracja oraz śnieg i lód , są mierzalne za pomocą teledetekcji przy różnych rozdzielczościach przestrzenno-czasowych i dokładnościach. Źródła teledetekcji obejmują czujniki naziemne, czujniki powietrzne i czujniki satelitarne , które mogą na przykład rejestrować dane mikrofalowe , termiczne i bliskiej podczerwieni lub wykorzystywać lidar .

Jakość wody

Główny artykuł: Jakość wody

W hydrologii badania jakości wody dotyczą związków organicznych i nieorganicznych, zarówno materiału rozpuszczonego, jak i osadu. Ponadto na jakość wody wpływa interakcja rozpuszczonego tlenu z materiałem organicznym i różne przemiany chemiczne, które mogą mieć miejsce. Pomiary jakości wody mogą obejmować metody in situ, w których analizy odbywają się na miejscu, często automatycznie, oraz analizy laboratoryjne i mogą obejmować analizę mikrobiologiczną .

Integracja pomiarów i modelowania

Prognoza

Obserwacje procesów hydrologicznych służą do przewidywania przyszłego zachowania się systemów hydrologicznych (przepływ wody, jakość wody). Jednym z głównych aktualnych problemów badań hydrologicznych jest „Prognozowanie w basenach niekontrolowanych” (PUB), tj. w basenach, w których nie ma danych lub istnieje ich bardzo niewiele.

Hydrologia statystyczna

Analizując właściwości statystyczne zapisów hydrologicznych, takich jak opady deszczu czy przepływ rzek, hydrolodzy mogą oszacować przyszłe zjawiska hydrologiczne. Oceniając, jak często będą występowały stosunkowo rzadkie zdarzenia, dokonuje się analiz pod kątem okresu nawrotu tych zdarzeń. Inne interesujące wielkości obejmują średni przepływ w rzece w ciągu roku lub sezonu.

Szacunki te są ważne dla inżynierów i ekonomistów, aby można było przeprowadzić odpowiednią analizę ryzyka , aby wpłynąć na decyzje inwestycyjne w przyszłej infrastrukturze i określić charakterystykę niezawodności uzysku wody w systemach zaopatrzenia w wodę. Informacje statystyczne są wykorzystywane do formułowania zasad eksploatacji dużych zapór wodnych wchodzących w skład systemów uwzględniających potrzeby rolne, przemysłowe i mieszkaniowe .

Modelowanie

Główny artykuł: Modelowanie hydrologiczne
Widok z góry przepływu wody przez zlewnię symulowany przez system modelowania hydrologicznego SHETRAN .

Modele hydrologiczne to uproszczone, koncepcyjne reprezentacje części cyklu hydrologicznego. Służą przede wszystkim do prognozowania hydrologicznego i zrozumienia procesów hydrologicznych w ramach ogólnej dziedziny modelowania naukowego . Można wyróżnić dwa główne typy modeli hydrologicznych:

  • Modele oparte na danych. Modele te to czarnych skrzynek , wykorzystujące koncepcje matematyczne i statystyczne do powiązania określonych danych wejściowych (na przykład opadów) z danymi wyjściowymi modelu (na przykład odpływ ). Powszechnie stosowane techniki to regresja , transfer funkcji i identyfikacja systemu . Najprostszym z tych modeli mogą być modele liniowe, ale często stosuje się komponenty nieliniowe w celu przedstawienia pewnych ogólnych aspektów reakcji zlewni bez zagłębiania się w rzeczywiste procesy fizyczne. Przykładem takiego aspektu jest dobrze znane zachowanie, że zlewnia reaguje znacznie szybciej i silniej, gdy jest już mokra niż wtedy, gdy jest sucha.
  • Modele oparte na opisach procesów. Modele te starają się reprezentować procesy fizyczne obserwowane w świecie rzeczywistym. Zazwyczaj takie modele zawierają reprezentacje spływu powierzchniowego , przepływu podpowierzchniowego , ewapotranspiracji i przepływu kanałowego , ale mogą być znacznie bardziej skomplikowane. W ramach tej kategorii modele można podzielić na konceptualne i deterministyczne. Modele koncepcyjne łączą uproszczone reprezentacje procesów hydrologicznych na danym obszarze, podczas gdy modele deterministyczne mają na celu rozwiązanie jak największej części fizyki systemu. Modele te można podzielić na modele pojedynczego zdarzenia i modele ciągłej symulacji.

Niedawne badania w zakresie modelowania hydrologicznego mają na celu przyjęcie bardziej globalnego podejścia do zrozumienia zachowania systemów hydrologicznych w celu lepszego prognozowania i stawienia czoła głównym wyzwaniom w zarządzaniu zasobami wodnymi.

Transport

Główny artykuł: model transportu hydrologicznego

Ruch wody jest istotnym środkiem transportu innych materiałów, takich jak gleba, żwir, głazy lub zanieczyszczenia, z miejsca na miejsce. Początkowy dopływ do wód odbiornika może pochodzić ze punktowego , źródła liniowego lub źródła obszarowego , takiego jak spływ powierzchniowy . Od lat sześćdziesiątych opracowano dość złożone modele matematyczne , co ułatwiła dostępność szybkich komputerów. Najczęściej analizowanymi klasami zanieczyszczeń są substancje odżywcze , pestycydy , substancje rozpuszczone i osad .

Organizacje

Organizacje międzyrządowe

Międzynarodowe organy badawcze

Krajowe jednostki badawcze

Społeczeństwa krajowe i międzynarodowe

Przeglądy obejmujące całe dorzecze i zlewnię

  • Inicjatywa Connected Waters, University of New South Wales – Badanie i podnoszenie świadomości na temat problemów z wodami gruntowymi i zasobami wodnymi w Australii
  • Murray Darling Basin Initiative, Departament Środowiska i Dziedzictwa, Australia

Czasopisma badawcze

  • International Journal of Hydrology Science and Technology
  •   Procesy hydrologiczne , ISSN 1099-1085 (wersja elektroniczna) 0885-6087 (papier), John Wiley & Sons
  •   Hydrology Research , ISSN 0029-1277 , IWA Publishing (dawniej Nordic Hydrology )
  •   Journal of Hydroinformatics , ISSN 1464-7141 , IWA Publishing
  •   Journal of Hydrologic Engineering , ISSN 0733-9496 , publikacja ASCE
  • Journal of Hydrology
  • Badania wody
  • Badania zasobów wodnych
  •     Hydrological Sciences Journal - Journal of the International Association of Hydrological Sciences (IAHS) ISSN 0262-6667 (druk), ISSN 2150-3435 (online)

Zobacz też

Inne dziedziny związane z wodą
  • Oceanografia to bardziej ogólne badanie wody w oceanach i ujściach rzek.
  • Meteorologia to bardziej ogólne badanie atmosfery i pogody, w tym opadów w postaci śniegu i deszczu.
  • Limnologia zajmuje się badaniem ekosystemów jezior, rzek i terenów podmokłych. Obejmuje biologiczne, chemiczne, fizyczne, geologiczne i inne cechy wszystkich wód śródlądowych (wody płynące i stojące, zarówno słodkie, jak i słone, naturalne lub sztuczne).
  • Zasoby wodne to źródła wody, które są użyteczne lub potencjalnie użyteczne. Hydrologia bada dostępność tych zasobów, ale zwykle nie ich wykorzystanie.

Dalsza lektura

  • Eslamian, S., 2014, (red.) Handbook of Engineering Hydrology, tom. 1: Podstawy i zastosowania, Francis i Taylor, CRC Group, 636 stron, USA.
  • Eslamian, S., 2014, (red.) Handbook of Engineering Hydrology, tom. 2: Modeling, Climate Change and Variability, Francis i Taylor, CRC Group, 646 stron, USA.
  • Eslamian, S, 2014, (red.) Handbook of Engineering Hydrology, tom. 3: Hydrologia środowiskowa i gospodarka wodna, Francis i Taylor, CRC Group, 606 stron, USA.
  •   Anderson, Malcolm G.; McDonnell, Jeffrey J., wyd. (2005). Encyklopedia nauk hydrologicznych . Hoboken, NJ: Wiley. ISBN 0-471-49103-9 .
  •   Hendriks, Martin R. (2010). Wprowadzenie do hydrologii fizycznej . Oksford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-929684-2 .
  •   Hornberger, George M.; Wiberg, Patricia L .; Raffensperger, Jeffrey P.; D'Odorico, Paolo P. (2014). Elementy hydrologii fizycznej (wyd. 2). Baltimore, MD: Johns Hopkins University Press. ISBN 9781421413730 .
  •   Maidment, David R., wyd. (1993). Podręcznik hydrologii . Nowy Jork: McGraw-Hill. ISBN 0-07-039732-5 .
  •   McCuen, Richard H. (2005). Analiza i projektowanie hydrologiczne (wyd. 3). Upper Saddle River, NJ: Pearson-Prentice Hall. ISBN 0-13-142424-6 .
  •   Viessman, Warren Jr.; Gary'ego L. Lewisa (2003). Wprowadzenie do hydrologii (wyd. 5). Upper Saddle River, NJ: Pearson Education. ISBN 0-673-99337-X .

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hydrology&oldid=1137587740 ”