Поверхностный сток - Surface runoff

Сток, впадающий в ливневая канализация

Поверхностный сток (также известен как сухопутный поток) - поток воды возникающие на поверхности земли при избытке дождевая вода, ливневая вода, талая вода, или другие источники, больше не могут достаточно быстро проникнуть в почва. Это может произойти, когда почва является насыщенный водой на полную мощность, и что дождь идет быстрее, чем может поглотить почва Это. Поверхностный сток часто возникает из-за непроницаемый области (например, крыши и тротуар ) не допускайте впитывания воды в землю. Поверхностный сток - основная составляющая круговорот воды. Это основной агент эрозия почвы водой.[1][2] Земельный участок, производящий сток, который стекает в общую точку, называется водосборный бассейн.

Сток, который происходит на поверхности земли до достижения канал может быть неточечный источник загрязнения, так как он может переносить антропогенные загрязнители или естественные формы загрязнения (например, гниющие листья). Техногенные загрязнители в стоках включают: нефть, пестициды, удобрения и другие.[3]

Помимо водной эрозии и загрязнения, поверхность сток в городских районах является основной причиной городское наводнение, что может привести к повреждению имущества, сырости и плесени в подвалы, и затопление улиц.

Поколение

Поверхностный сток со склона после насыщения почвы

Поверхностный сток может быть вызван дождями, снегопадами, таянием снега или ледниками.

Снег и ледник таяние происходит только в областях, достаточно холодных для того, чтобы они образовались постоянно. Обычно таяние снега пик будет весной, а летом - таяние ледников, что приведет к ярко выраженным максимумам стока в затронутых ими реках. Определяющим фактором скорости таяния снега или ледников является как температура воздуха, так и продолжительность солнечного света. По этой причине в высокогорных регионах реки часто поднимаются в солнечные дни и опускаются в пасмурные.

В районах, где нет снега, сток будет за счет дождя. Однако не все осадки будут вызывать сток, потому что запасы из почвы могут поглощать легкий ливень. На чрезвычайно древних почвах Австралия и Южная Африка,[4] протеидные корни с их чрезвычайно густой сеткой корневых волосков может поглощать столько дождевой воды, что предотвращает сток даже при значительном количестве дождя. В этих регионах даже на менее бесплодных растрескивание глинистых грунтов необходимо большое количество осадков и потенциальное испарение для создания любого поверхностного стока, что ведет к специальной адаптации к чрезвычайно изменчивым (обычно временным) потокам.

Избыток инфильтрации над сушей

сток и фильтр soxx

Это происходит, когда скорость осадки на поверхности превышает скорость, с которой вода может проникнуть земля, и любое хранилище депрессии уже заполнено. Это называется затоплением избыточным сухопутным стоком, хортонским сухопутным стоком (после Роберт Э. Хортон ) или ненасыщенный наземный поток. Это чаще встречается в засушливый и полузасушливый регионах с высокой интенсивностью осадков и почва инфильтрационная способность уменьшается из-за поверхностного уплотнения или в местах с твердым покрытием. Это происходит в основном в городских районах, где тротуары препятствуют проникновению воды.

Избыточное насыщение сухопутным стоком

Когда почва насыщен, и хранилище депрессии заполнено, а дождь продолжает идти, осадки немедленно вызовут поверхностный сток. Уровень предшествующей влажности почвы является одним из факторов, влияющих на время, пока почва не станет насыщенной. Этот сток называется насыщенным избыточным наземным стоком, насыщенным сухопутным стоком или стоком Данна.

Предыдущая влажность почвы

Почва сохраняет определенную влажность после осадки. Эта остаточная влажность воды влияет на инфильтрационная способность. Во время следующего выпадения дождя из-за инфильтрации почва будет насыщаться с другой скоростью. Чем выше уровень предшествующей влажности почвы, тем быстрее она становится насыщенной. Как только почва насыщается, происходит сток.

Подземный обратный сток

После того, как вода проникает в почву на склоне холма, вода может протекать через почву в боковом направлении и вытекать из почвы ближе к каналу. Это называется подземным обратным потоком или сквозной поток.

По мере того, как он течет, количество стока может быть уменьшено рядом возможных способов: небольшая его часть может эвапотранспир; вода может временно скапливаться в микротопографических углублениях; и часть его может проникнуть как течет по суше. Любая оставшаяся поверхностная вода в конечном итоге стекает получение воды тело, такое как река, озеро, устье или океан.[5]

Человеческое влияние

Загрязнения, смываемые осадками, попадают в местные водотоки
Сток городских поверхностных вод

Урбанизация увеличивает поверхностный сток, создавая больше непроницаемые поверхности такие как тротуар и здания, которые не позволяют просачивание воды вниз через почву к водоносный горизонт. Вместо этого он принудительно вводится прямо в потоки или ливневые стоки, где эрозия и заиление могут быть серьезные проблемы, даже когда флуда нет. Увеличенный сток уменьшает грунтовые воды перезарядить, тем самым снизив уровень грунтовых вод и делая засухи хуже, особенно для сельскохозяйственных фермеров и других лиц, которые зависят от колодцы.

Когда антропогенные загрязнители растворяются или взвешиваются в стоках, человеческое воздействие расширяется, создавая загрязнение воды. Эта нагрузка загрязняющих веществ может достигать различных водоприемников, таких как ручьи, реки, озера, эстуарии и океаны, что приводит к изменениям химического состава воды в этих водных системах и связанных с ними экосистемах.

Отчет 2008 г. Национальный исследовательский совет США определили городские ливневые воды как ведущий источник качество воды проблемы в США[6]

Поскольку люди продолжают изменять климат, добавляя парниковые газы В атмосферу ожидается изменение характера выпадения осадков по мере увеличения способности атмосферы к водяному пару. Это будет иметь прямые последствия для объемов стока.[7]

Смотрите также: Городской сток и Сбор дождевой воды

Влияние поверхностного стока

Эрозия и осаждение

Поверхностный сток может вызвать эрозия поверхности Земли; эродированный материал может быть депонированный на значительном расстоянии. Есть четыре основных типа эрозия почвы водой: брызговая эрозия, листовая эрозия, рилл эрозия и овраг эрозия. Брызговая эрозия - это результат механического столкновения капель дождя с поверхностью почвы: частицы почвы, которые смещаются в результате удара, затем перемещаются вместе с поверхностным стоком. Листовая эрозия - это наземный перенос осадок по стоку без четко обозначенного русла. Причины шероховатости поверхности почвы могут привести к тому, что сток будет концентрироваться в более узкие пути потока: поскольку они врезаются, образующиеся небольшие, но четко определенные каналы известны как ручьи. Эти каналы могут быть размером от одного сантиметра в ширину или до нескольких метров. Если сток продолжит надрезать и увеличивать ручейки, они могут в конечном итоге вырасти, чтобы стать овраги. Эрозия оврага может переносить большие количества эродированного материала за небольшой период времени.

Эрозия почвы водой на интенсивно обрабатываемых землях.
Живая изгородь из ивы усиленная фашины для ограничения стока, к северу от Франции.

Снижение урожайности сельскохозяйственных культур обычно является результатом эрозии, и эти эффекты изучаются в области: сохранение почвы. Частицы почвы, переносимые стоком, варьируются по размеру от примерно 0,001 мм до 1,0 мм в диаметре. Более крупные частицы селиться на короткие расстояния переноса, тогда как мелкие частицы могут переноситься на большие расстояния во взвешенном состоянии столб воды. Эрозия илистых почв, содержащих более мелкие частицы, вызывает мутность и уменьшает светопропускание, что нарушает водные экосистемы.

Целые части стран стали непродуктивными из-за эрозии. На высоком центральном плато из Мадагаскар, примерно десять процентов территории страны, практически весь ландшафт лишен растительность с эрозионными овражными бороздами, как правило, глубиной более 50 метров и шириной один километр. Сменное выращивание это система земледелия, которая иногда включает рубить и сжигать метод в некоторых регионах мира. Эрозия приводит к потере плодородного верхнего слоя почвы и снижает ее плодородие и качество сельскохозяйственной продукции.

Современный индустриальный сельское хозяйство еще одна серьезная причина эрозии. В некоторых районах Америки кукурузный пояс, более 50 процентов оригинала верхний слой почвы был увлечен в течение последних 100 лет.

Экологические последствия

Основные экологические проблемы, связанные со стоком, - это воздействие на поверхностные воды, грунтовые воды и почва за счет переноса загрязнителей воды в эти системы. В конечном итоге эти последствия приводят к риску для здоровья человека, нарушению экосистемы и эстетическому воздействию на водные ресурсы. Некоторые из загрязнителей, которые оказывают наибольшее воздействие на поверхностные воды в результате стока: нефть вещества, гербициды и удобрения. Количественное поглощение пестицидов и других загрязняющих веществ поверхностным стоком изучается с 1960-х годов, и было известно, что на раннем этапе контакт пестицидов с водой усиливает фитотоксичность.[8] В случае поверхностных вод воздействия выражаются в загрязнение воды, поскольку в ручьи и реки попали стоки с различными химическими веществами или наносами. Когда поверхностные воды используются в качестве Питьевая вода поставки, они могут быть скомпрометированы относительно риск для здоровья и питьевая вода эстетика (то есть запах, цвет и мутность эффекты). Загрязненные поверхностные воды рискуют изменить метаболические процессы в водной среде. виды что они принимают; эти изменения могут привести к смерти, например убивает рыбу, или изменить баланс присутствующих популяций. Другие специфические воздействия на спаривание, нерест животных, яйцо и личинки жизнеспособность, выживаемость молоди и продуктивность растений. Некоторые исследования показывают поверхностный сток пестицидов, таких как ДДТ, может изменять пол вида рыб генетически, что превращает самцов в самок.[9]

Поверхностный сток, происходящий в лесах, может обеспечивать озера большим количеством минерального азота и фосфора, что приводит к эвтрофикация. Сток вод внутри хвойные леса также обогащены гуминовые кислоты и может привести к гумификация водоемов [10] Кроме того, высокие и молодые острова в тропиках и субтропиках могут подвергаться высокой скорости эрозии почвы, а также вносить большие потоки материалов в прибрежный океан. Такой поверхностный сток питательных веществ, углерода и загрязняющих веществ из отложений может иметь большое влияние на глобальные биогеохимические циклы, а также на морские и прибрежные экосистемы.[11]

В случае с грунтовыми водами основной проблемой является загрязнение питьевой воды, если водоносный горизонт абстрагируется для использования человеком. Что касается Загрязнение почвы, у сточных вод могут быть два важных пути, вызывающих беспокойство. Во-первых, сточные воды могут извлекать загрязняющие вещества из почвы и переносить их в виде загрязнения воды в еще более уязвимые водные среды обитания. Во-вторых, сток может вызвать отложение загрязняющих веществ на нетронутых почвах, что приведет к последствиям для здоровья или окружающей среды.

Вопросы сельского хозяйства

Другой контекст сельскохозяйственных проблем связан с транспортировкой сельскохозяйственных химикатов (нитратов, фосфатов, пестицидов, гербицидов и т. Д.) Через поверхностные стоки. Этот результат возникает, когда использование химикатов чрезмерно или несвоевременно по сравнению с большим количеством осадков. В результате загрязненный сток представляет собой не только отходы сельскохозяйственных химикатов, но и экологическую угрозу для экосистем, расположенных ниже по течению.

Наводнение

Наводнение возникает, когда водоток не может передать количество стекающих вниз по течению стоков. Частота, с которой это происходит, описывается период возврата. Наводнение - это естественный процесс, который поддерживает состав и процессы экосистемы, но он также может быть изменен землепользование изменения, такие как речная инженерия. Наводнения могут принести пользу обществу или причинить ущерб. Сельское хозяйство вдоль Нил Пойма воспользовалась сезонным наводнением, которое внесло полезные для сельскохозяйственных культур питательные вещества. Однако по мере увеличения количества и уязвимости населенных пунктов наводнения все чаще становятся стихийными бедствиями. В городских районах поверхностный сток является основной причиной городских наводнений, известных своим повторяющимся и дорогостоящим воздействием на сообщества.[12] Неблагоприятные воздействия включают гибель людей, материальный ущерб, загрязнение источников водоснабжения, потерю урожая, а также социальное перемещение и временную бездомность. Наводнения относятся к числу самых разрушительных стихийных бедствий.

Смягчение и лечение

Водохранилища для сточных вод (Возвышенность Норт-Бенд, Вашингтон )

Смягчение неблагоприятных воздействий стока может принимать несколько форм:

Контроль землепользования. Многие мировые регулирующие агентства поощряют исследования методов минимизации общего поверхностного стока, избегая ненужных хардскейп.[13] Многие муниципалитеты разработали руководящие принципы и кодексы (зонирование и связанные таинства ) для земельные застройщики которые поощряют тротуары минимальной ширины, использование брусчатка установить в земле для подъездные пути и пешеходные дорожки и другие методы проектирования, позволяющие максимально использовать воду проникновение в городских условиях. Пример программы управления землепользованием можно увидеть в г. Санта-Моника, Калифорния.[14]

Дальнейшая информация: Разработка с низким уровнем воздействия (Канада / США)
Дальнейшая информация: Сбор дождевой воды

Контроль эрозии появились со времен средневековья, когда фермеры осознали важность контурного земледелия для защиты почвенных ресурсов. Начиная с 1950-х годов эти методы ведения сельского хозяйства становились все более изощренными. В 1960-е годы некоторые штат и местное управление начали сосредотачивать свои усилия на уменьшении строительного стока, требуя от строителей эрозия и контроль отложений (ESC). Сюда входили такие методы, как: использование тюки соломы и барьеры для замедления стока на склонах, установка противоиловые заграждения, программирование строительства на месяцы с меньшим количеством осадков и сведение к минимуму площади и продолжительности открытых участков. Округ Монтгомери, Мэриленд реализовала первую программу местного самоуправления по контролю наносов в 1965 году, за ней последовала программа штата Мэриленд в 1970 году.[15]

Программы борьбы с наводнениями уже в первой половине двадцатого века стал количественным в прогнозировании пиковых потоков речной системы. Постепенно были разработаны стратегии для минимизации пиковых потоков, а также для уменьшения скорости в русле. Некоторые из обычно применяемых методов: создание прудов для выдержки (также называемых бассейны задержания или балансирующие озера ) для буферизации пикового стока рек, использование рассеивателей энергии в каналах для снижения скорости потока и контроль землепользования для минимизации стока.[16]

Химическая использование и обращение. После принятия США Закон о сохранении и восстановлении ресурсов (RCRA) в 1976 году, а позже Закон о качестве воды 1987 г., штаты и города стали более бдительными в контроле над локализацией и хранением токсичных химикатов, тем самым предотвращая выбросы и утечки. Обычно применяются следующие методы: требования к двойной изоляции подземные резервуары для хранения, регистрация опасные материалы использование, сокращение количества разрешенных пестицидов и более жесткое регулирование удобрений и гербицидов при уходе за ландшафтом. Во многих промышленных случаях требуется предварительная обработка отходов, чтобы минимизировать попадание загрязняющих веществ в санитарный или ливневая канализация.

Соединенные штаты. Закон о чистой воде (CWA) требует, чтобы местные органы власти в урбанизированные районы (как определено Бюро переписи населения ) получить ливневая вода разрешения на сброс для их дренажных систем.[17][18] По сути, это означает, что в данной местности должен действовать управление ливневыми водами программа для всего поверхностного стока, поступающего в муниципальный отвод ливневая канализация система («MS4»). EPA, государственные нормативные акты и соответствующие публикации описывают шесть основных компонентов, которые должна содержать каждая местная программа:

  • Общественное образование (информирование отдельных лиц, домохозяйств, предприятий о способах предотвращения загрязнения ливневыми водами)
  • Участие общественности (поддержка участия общественности в реализации местных программ)
  • Обнаружение и устранение незаконных выделений (удаление канализации или другие подключения к MS4, кроме ливневой канализации)
  • строительство контроль стока с участка (т.е. контроль эрозии и наносов)
  • Пост-строительный (т.е. постоянный) контроль управления ливневыми водами
  • Предотвращение загрязнения и меры по «хорошей уборке» (например, техническое обслуживание системы).

Другие владельцы собственности, которые эксплуатируют системы ливневой канализации, аналогичные муниципальным, например, государственные автомагистрали, университеты, военные базы и тюрьмы, также подпадают под требования разрешения MS4.

Измерение и математическое моделирование

Сток анализируется с помощью математические модели в сочетании с различными качество воды методы отбора проб. Измерения могут проводиться с использованием инструментов непрерывного автоматического анализа качества воды, ориентированных на загрязняющие вещества, такие как органический или неорганические химические вещества, pH, мутность и т. д. или нацелены на вторичные индикаторы, такие как растворенный кислород. Измерения также можно проводить в виде партии путем отбора одной пробы воды и проведения любого количества химических или физических испытаний на этой пробе.

В 1950-х годах или раньше гидрологические модели транспорта по всей видимости, для расчета количества стока, в первую очередь для прогнозирования паводков. Начиная с начала 1970-х годов были разработаны компьютерные модели для анализа переноса сточных вод, несущих загрязнители воды, которые учитывали растворение нормы различных химикатов, проникновение в почвы и предельная нагрузка загрязняющих веществ, доставленных приемные воды.Одна из самых ранних моделей, рассматривающих химическое растворение в стоке и последующий перенос, была разработана в начале 1970-х годов по контракту с Агентство по охране окружающей среды США (EPA).[19] Эта компьютерная модель легли в основу большей части исследования по смягчению последствий, которое привело к разработке стратегий землепользование и контроль обращения с химическими веществами.

Специалисты по ливневым водам все чаще признают необходимость моделей Монте-Карло для моделирования процессов ливневых стоков из-за естественных вариаций множества переменных, которые влияют на качество и количество стоков. Преимущество анализа Монте-Карло состоит не в уменьшении неопределенности входных статистических данных, а в представлении различных комбинаций переменных, которые определяют потенциальные риски отклонений от качества воды. Одним из примеров этой модели ливневой канализации является стохастическая эмпирическая модель нагружения и разбавления (SELDM)[20][21] это ливневая вода качественная модель. SELDM предназначен для преобразования сложных научных данных в значимую информацию о риске неблагоприятных воздействий стока на водоприемники, потенциальной потребности в мерах по смягчению и потенциальной эффективности таких мер управления для снижения этих рисков. SELDM предоставляет метод быстрой оценки информации, которую иначе трудно или невозможно получить, поскольку он моделирует взаимодействия между гидрологическими переменными (с различными распределениями вероятностей), которые приводят к совокупности значений, которые представляют вероятные долгосрочные результаты процессов стока и потенциальные эффекты различных мер по смягчению воздействия. SELDM также предоставляет средства для быстрого проведения анализа чувствительности для определения потенциального воздействия различных исходных предположений на риски для отклонений от качества воды.

Были разработаны другие компьютерные модели (такие как Модель DSSAM ), которые позволяют отслеживать поверхностный сток через русло реки как химически активные загрязнители воды. В этом случае поверхностный сток можно рассматривать как линейный источник из загрязнение воды в приемные воды.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Ронни Уилсон, Документы Хортона (1933)
  2. ^ Кейт Бевен, Роберт Э. Хортон модель восприятия инфильтрационных процессов, Гидрологические процессы, Wiley Intersciences DOI 10: 1002 hyp 5740 (2004)
  3. ^ Л. Дэвис Маккензи и Сьюзан Дж. Мастен, Принципы экологической инженерии и науки ISBN  0-07-235053-9
  4. ^ МакМахон Т.А. и Finlayson, B .; Глобальный сток: континентальные сравнения годовых и пиковых расходов ISBN  3-923381-27-1
  5. ^ Нельсон, Р. (2004). Круговорот воды. Миннеаполис: Лернер. ISBN  0-8225-4596-9
  6. ^ Соединенные Штаты. Национальный исследовательский совет. Вашингтон. «Управление городскими ливневыми водами в Соединенных Штатах». 15 октября 2008 г. С. 18-20.
  7. ^ Уигли Т.М.Л. и Джонс П.Д. (1985). «Влияние изменения количества осадков и прямого воздействия CO2 на сток реки». Письма к природе. 314 (6007): 149–152. Bibcode:1985Натура.314..149Вт. Дои:10.1038 / 314149a0. S2CID  4306175.
  8. ^ W.F. Спенсер, Распределение пестицидов между почвой, водой и воздухом, Международный симпозиум по пестицидам в почве, 25–27 февраля 1970 г., Университет штата Мичиган, Ист-Лансинг, штат Мичиган.
  9. ^ Новости науки. «Лечение ДДТ превращает самцов рыб в матерей». 2000-02-05. (Только по подписке.)
  10. ^ Климашик Петр, Ржимски Петр «Поверхностный сток как фактор, определяющий трофическое состояние среднелесного озера» Польский журнал экологических исследований, 2011, 20 (5), 1203-1210
  11. ^ Рене К. Таксю, Курт Д. Сторлацци. Источники и распространение наземных стоков от небольших гавайских водостоков до коралловых рифов: выводы по геохимическим признакам. Журнал Estuarine, Coastal and Shelf Science Journal. 13.02.17
  12. ^ Центр технологий соседства, Чикаго, Иллинойс «Распространенность и стоимость наводнений в городах». Май 2013
  13. ^ Агентство по охране окружающей среды США (EPA). «Непроницаемое укрытие». Отдел исследования экосистем, Афины, Джорджия. 2009-02-24. В архиве 9 мая 2009 г. Wayback Machine
  14. ^ Городской сток, Город Санта Моника интернет сайт. Проверено 29 июля 2007 года.
  15. ^ Департамент окружающей среды Мэриленда. Балтимор, Мэриленд. «Контроль за эрозией и наносами и управление ливневыми водами в Мэриленде». 2007. В архиве 12 сентября 2008 г. Wayback Machine
  16. ^ Оценка устойчивости канала для проектов по борьбе с наводнениями Инженерный корпус армии США, (1996) ISBN  0-7844-0201-9
  17. ^ Соединенные Штаты. Свод федеральных правил, 40 CFR 122.26
  18. ^ EPA. Вашингтон. «Ливневые стоки из отдельных муниципальных систем ливневой канализации (MS4s)». 2009-03-11.
  19. ^ СМ. Хоган, Леда Патмор, Гэри Латшоу, Гарри Сейдман и др. Компьютерное моделирование переноса пестицидов в почве для пяти инструментальных водосборов, Агентство по охране окружающей среды США Юго-восточная лаборатория воды, Афины, Джорджия, автор: ESL Inc., Саннивейл, Калифорния (1973)
  20. ^ Гранато, Г.Е., 2013, Стохастическая эмпирическая модель нагружения и разбавления (SELDM) версия 1.0.0: Методы и методы геологической разведки США, книга 4, гл. C3, 112 с. http://pubs.usgs.gov/tm/04/c03/
  21. ^ Granato, G.E., 2014, SELDM: Стохастическая эмпирическая модель нагрузки и разбавления, версия 1.0.3. Страница поддержки программного обеспечения доступна по адресу https://doi.org/10.5066/F7TT4P3G

дальнейшее чтение

  • Геберт, В. А., Д. Дж. Graczyk, W.R. Krug. (1987). Среднегодовой сток в США, 1951-80 гг. [Атлас гидрологических исследований HA-710]. Рестон, штат Вирджиния: Министерство внутренних дел США, Геологическая служба США.
  • Образовательный фонд Shodor (1998 г.).«Моделирование поверхностного стока».

внешние ссылки