Формування стоку - як опади стають стоками SpringerLink
Резюме
4.1 Основні принципи та основні фактори впливу
4.2 Визначення кількості опадів, що впливають на стік
З огляду на численні фактори, що впливають, точний прогноз стокової частини опадів неможливий навіть за найкращих моделей. Для того, щоб оцінити реакцію розряду на питання планування з керованими зусиллями, були встановлені значно спрощені процедури. Вони обмежуються основними механізмами і виключають динаміку багатьох процесів.
Основна увага в цій книзі зосереджена на розрахунку найвищого піку скидання, оскільки саме тут відбуваються найвищі рівні води, і заходи щодо зменшення повеней, як правило, вимірюються їх потенціалом для зниження рівня води. Оскільки найвищі показники стоку на невеликих територіях зазвичай трапляються під час короткочасних дощів з високою інтенсивністю, процедура описана тут насамперед для таких випадків. Процедуру також можна використовувати для інших питань; але тоді слід розглянути й інші дощі. Багато питань пов'язані з обсягом потоку, а не з витратою, напр. Б. Коли йдеться про забруднення водних об’єктів розчиненим фосфатом або питання про те, скільки води втрачається із сільськогосподарської території і, отже, не вистачає для формування врожаю. На відміну від максимальної швидкості стоку, чим більше опадів випадає, тим більший об’єм стоку. Тому в цих випадках тривалі опади важливіші за короткі, високоінтенсивні. Ці застосування моделі CN також обговорюються нижче, хоча і набагато коротше.
4.3 Процедура числення кривої стоку
Метод CN для прогнозування скидів для окремих подій був виведений Американською службою збереження ґрунтів (SCS) у першій половині 20 століття на невеликих сільськогосподарських водозбірних площах США. Тут, після опису методу, показано приклад застосування та представлені вдосконалені параметри моделі, які покращують прогноз скиду в кліматичних та сільськогосподарських умовах Німеччини. Метод дозволяє врахувати велику кількість впливів. Для звичайного випадку планування часто буде достатньо використовувати рівняння. 4.1 та 4.2, а також слід використовувати значення з таблиці 4.2. Однак, якщо враховувати особливі особливості, наводяться додаткові рівняння. Детальніше про процедуру можна дізнатись у [5, 6].
Діапазон можливих пропорцій розряду поширюється від повного розряду до повної відсутності розряду. Першому випадку присвоюється значення CN 100. Це майже стосується герметичних поверхонь, але також і відкритих вод. У другому випадку, якщо жодного стоку не відбувається навіть при нескінченно тривалому дощі, тобто утримання площі нескінченно велике, тоді CN = 0 (це стосується лише морів). Усі можливості лежать між двома крайніми випадками, CN = 0 і CN = 100.
Примітка: Більшість публікацій посилаються на результат цього рівняння як Q, а не Нефф. Тут для консистенції використовується Neff. Q зарезервовано для загального скиду водозбірного басейну (хвильового об'єму), який є результатом множення Neff на водозбірний басейн AEZG (рівняння 2.4), і тому для того самого параметра в методі Лутца використовується та сама абревіатура, що і в методі CN.
Тому стік відбувається лише тоді, коли кількість опадів перевищує 20% від максимально можливого утримання (у деяких варіантах процесу замість 20% використовується 5%, наприклад [16]). Зі збільшенням кількості опадів дедалі менша частка утримання, яке ще не заповнене, вичерпується, так що максимальне утримання S досягається на нескінченності.
Значення CN (число кривої) із середнім спорожненням водойми ґрунтової води (CNII) для різних видів використання ґрунту та гідрологічних грунтових груп (згідно [17], модифіковано). Таблиця рекомендована лише для землекористувань з низьким річним циклом (площі відкритих вод, ліси, луки, райони поселення різної щільності), тоді як рівняння на рис. 4.3 слід використовувати для рільничих культур. Високий рівень вологості ґрунту взимку також слід враховувати, коли площа використовується з низьким річним циклом. Примітки щодо гідрологічної групи грунтів можна знайти в Додатку 8.6
Дерфль. Поселення, зовнішнє поселення
a Наприклад, зорані ділянки або насіннєві грядки до досягнення щонайменше 10% покриття
b кукурудза, цукровий буряк, картопля, соняшник та квасоля; Гідрологічний ефект хмелю та спаржі також трактується як просапні культури; висока тенденція стоку спостерігається особливо при широких міжряддях (екстремальний випадок спаржі 1,2 м, але також і звичайно вирощувана кукурудза), пізній ріст (крайній випадок знову спаржа, але також звичайна кукурудза) та ущільнення ґрунту важкими збиральними машинами (особливо із силосною кукурудзою, цукровим буряком, картоплею) та цистерни для шламу. Крім того, існує висока тенденція до стоку, особливо на етапі створення (менше 50% ґрунтового покриву)
c Пшениця, ячмінь, овес, жито, спельта, тритикале, але також ріпак та гречка; Зерно має високу тенденцію до стоку, особливо в роки після просапних культур з великою вагою врожаю (особливо силосна кукурудза, цукровий буряк, картопля). Тенденцію середнього стоку можна очікувати у другому зерновому році. Крім того, існує висока тенденція до стоку, особливо на етапі створення (менше 50% ґрунтового покриву). Особливо низька тенденція стоку спостерігається через кілька років після кількох років польових кормів (наприклад, конюшина). Особливо це стосується органічного землеробства
d Значення відхиляються від звичайних таблиць. Вони слідують [18]. Чим більші цифри застосовуються в році заснування, тим менші цифри застосовуються в наступному році. Якщо встановлення відбувається не з підготовкою насіннєвих ложків, а з недосівом, проміжні значення слід використовувати протягом першого року
e Ліси та ліси зі змієними лісовими дорогами, по яких можна їхати вантажівкою
f Ліси та ліси з традиційними лісовими дорогами
g Лісоподібні, багаторівневі ліси з низькою (лісовою) щільністю доріг
h Видобуток піску, гравію та каменю, а також будівельні майданчики
Адаптація значення CN CNII, що діє для умов середньої вологості, до відхиляються умов вологості
Параметр М означає відсоток заповнення пор грунтом з М = 0 для повністю сухого ґрунту і М = 100 для повністю насиченого ґрунту. Обидва випадки практично не зустрічаються в природі. Зазвичай грунти можуть змінюватися лише від постійної точки в’янення (тоді можна вважати М 15) і місткості поля (М тоді близько 85).
Довгостроковий середній кліматичний водний баланс (KWB) для місця на півдні Німеччини (середньорічна кількість опадів 850 мм −1; середнє потенційне випаровування 630 мм −1); лише в травні та серпні з корисної ємності поля береться близько 40 мм. Для середньої підлоги з корисною місткістю поля 80 мм - стан, для якого застосовуються значення, наведені в таблиці 4.1. Навпаки, надбавка за значення CN повинна бути передбачена в листопаді-квітні через високу вологість ґрунту
Вплив ґрунтового покриву на значення CN, виміряні в 75 спробах дощування з приблизно 65 мм опадів у різних місцях та з різними культурами (кожна перетворена на гідрологічну грунтову групу C; просапні культури - цукровий буряк та кукурудза; урожай - різні види зерна та ріпаку). Розрахункова зміна співвідношення з високою вологістю ґрунту (близькою до місткості поля в зимові місяці) відображається пунктирними лініями. Дані беруться з [20, 21, 22, 23]
Рівняння застосовується до гідрологічної групи грунтів C. Для перенесення в грунтові групи A, B та D, екв. 4,5 до рівняння 4.7. Гл. 4.4 зручніше обробляти, ніж таблицю 4.1, оскільки немає необхідності розрізняти часи (та культури) з високими та низькими тенденціями стоку. Широкий міжряддя або рання стадія розвитку рослинності, обидва з яких можуть бути причиною високої тенденції до стоку, однаково і адекватно покриваються покривом. Підтвердження цього співвідношення у випадку невеликого дощу, дощу з паузами під час дощу, під час дощу на каламутній поверхні ґрунту через попередній сильний дощ та під час природного дощу можна знайти в Додатку 8.10 .
Щомісячні значення CN різних орних культур за німецьких умов вирощування та пасовищ, лісів, поселень та перевезень для гідрологічної групи грунтів C. Таблиця враховує річний цикл розвитку рослинності та, якщо застосовно, фази перелогу. Протягом місяців з травня по вересень (залежно від ходу вегетації для різних сільськогосподарських культур дещо різниться) середні умови вологості передбачались, і рівняння 4,4 використано. Протягом місяців листопада - березня передбачалося, що вологість ґрунту близька до корисної місткості поля, а значення CN коригували згідно з рис. 4.1. Проміжні значення використовувались протягом місяців з квітня по жовтень. Річний цикл ґрунтового покриву в орних посівах взятий з [24] та [25]. Для наочності кілька культур (наприклад, різні типи озимих зернових) та землекористування (наприклад, різні форми луків, лісів, поселень та транспортних зон) були згруповані і, за необхідності, їх слід диференціювати.
a Переважно яра пшениця, ярий ячмінь та овес
b В основному озима пшениця, озимий ячмінь, озиме жито, тритикале, але також ріпак
c звичайне вирощування; Значне зменшення сівби мульчею та особливо прямою мульчею (див. Рис. 4.3)
Середній річний цикл значень CN, заснований на розподілі землекористування Баварії (лінія). Для порівняння показано 1174 значення CN (символи), які були розраховані за стоком подій з 22 водозбірних басейнів Баварії площею від 12 до 170 км 2
У літературі є лише кілька випадків, коли значення CN диференціюються залежно від охоплення. З іншого боку, часто застосовується корекція вологи, хоча у вологих районах це фактично було б потрібно лише в зимовий період або в умовах, коли вологість ґрунту зростає до значень, близьких до місткості поля. Часте використання корекції вологості пов’язане, з одного боку, з тим, що даних про землекористування часто недостатньо, і тому це враховується лише дуже загально. З іншого боку, вологість ґрунту можна оцінити, хоча і значно спростити, виключно за допомогою метеорологічних даних, навіть якщо немає точної інформації про розмір пор ґрунту та відсоток заповнення пор. Отже, це видається більш простим варіантом, ніж збирати дані про землекористування на основі диференційованого часу. Друга причина ще важливіша для широкого використання корекції вологості. Корекція вологості робить, здавалося б, відносно простим і правдоподібним усунення часто виникаючої помилки в даних. Це слід проілюструвати на невеликому прикладі:
Таблиця 4.2, мабуть, сильно відрізняється в орних посівах і мало в інших землекористуваннях. Однак це лише очевидно, оскільки річні цикли різних орних культур відрізняються набагато більше, ніж, наприклад, річні цикли різних лугових та лісових типів. Для пасовищ та лісів враховувались лише середні умови, але разом з таблицею 4.1 для інших умов можна легко створити річний цикл. Для подальшої диференціації між лісами та альпійськими одиницями ґрунту/рослинності робиться посилання на [27], який, однак, не показує жодних значень CN і диференціюється насамперед залежно від ґрунту і, отже, опосередковано за гідрологічною грунтовою групою.
З іншого боку, для орних культур, скоріше, буде необхідна подальша диференціація, оскільки, наприклад, озимі види зерна озимого ячменю та озимої пшениці сильно різняться між собою за зростанням, особливо з пізньої осені до весни. Також немає різниці між різними формами вирощування. Це буде розглянуто більш докладно нижче. Тому в окремих випадках може знадобитися розширити таблицю 4.2. У більшості випадків, коли в районі водозбору відбувається багато видів використання та варіантів використання, а точні умови часто невідомі, Таблиця 4.2 повинна бути досить диференційованою.
По-друге, ця невідповідність базується на напр. У деяких випадках той факт, що в лісах стік сильно затримується і тому тече з низькою вершиною. Однак це враховується при концентрації стоку і не означає, що стік малий. Це також показують детальні дослідження [28]: Фактична інфільтрація та утворення нових підземних вод під лісом відбувалися майже лише в хребтах і звисах, тоді як на центральних схилах домінував повільно протікаючий середній стік. На вологих нижніх схилах домінував поверхневий стік насичення. Тому нижчі схили головним чином відповідали за (швидкий) стік повені. У сумі повільно протікаючого проміжного стоку та швидкого насичення поверхневого стоку до 53% надходжень опадів залишили модельний схил [28] як сток на рік, що свідчить про високий потенціал стоку навіть у лісах. Більш детальний аналіз даних з [28] та порівняння зі значеннями, рекомендованими в табл. 4.2, можна знайти в додатку 8.10.