[分享]水文学是如何运作的

发表于2019-12-05    51人浏览    1人跟帖    总热度:175  


水文循环
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水——我们喝水解渴,用水洗澡,入水嬉戏。水赋予我们生命,但水过多或过少也可能夺走人的生命。水是地球上最常见的物质,却常常一滴也不能喝。水的特殊属性赋予了这个星球生命,否则这个星球可能是荒芜且贫瘠的。举个例子,水结冰时实际上会膨胀,密度变小,从而浮在水面上。如果冰不是浮在水面上,我们的星球将会是一个非常不同的地方,沉入江河湖海底部的冰在春天无法被太阳融化,而冰的融化是形成云和雨的必要过程,保证水循环持续流动。年复一年,水不断结冰沉入江河湖海底部,最终地球上除了冰什么都没有了,彻底成为不适合生物居住的废墟。
水有三种存在状态——固态、液态和气态——这三种状态构成了地球的水文循环,也就是我们熟知的水循环。在这个循环中,淡水以雨、雨夹雪、雪和冰雹的形式进入地球,日夜不停地倾泻在海洋和陆地上。落在陆地上的水汇入较大的水域,比如湖泊和河流,或者渗入地下变成地下水,在渗透的过程中滋养我们的庄稼。当太阳出来时,阳光加热水体,产生水蒸气,水蒸气上升到空中凝结成云,云聚集起来,逐渐变重,最后以雨的形式落回地球。
这个循环自地球存在以来就一直在进行,并使地球孕育生命成为可能。事实上,与恐龙时代相比,现在全球的水既没有增加也没有减少,可以把地球的水循环看作是最终的循环方式,也难怪水文学家对它如此着迷。
水文学家
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 水文学家、软件工程师、 Sandia国家实验室的经济学家 Leonard Malczynski
 利用系统动力学建立模型,帮助水资源规划者预测不同因素如何改变消费者的使用
水文学是研究水在水循环中流动的科学,水文学家是研究这项科学的人。虽然大多数人并不怎么在意水,但水文学家们对水的每个方面都进行了研究——包括水从何来,数量多少,流向何方,如何抵达目的地,以及这个过程中发生了什么。
为了这些研究,他们运用了大量数学计算和一些非常酷的小工具,有时他们甚至会被水溅一身,研究结果也往往令人震惊。水文学家帮助设计师和工程师建造水坝和防洪堤,以保护城镇免受洪水侵袭,并能追踪污染源,寻找新水源——水文学甚至有助于在太空中追踪水源。
因为水无处不在,且几乎对我们所做的每一件事都有至关重要的影响,所以水文学家的研究几乎涵盖了科学的每一个分支,从物理学和地质学,从天文学和生态学。研究地球上的水的方法有很多,本文介绍的只是其中的一小部分。
空间水文学是利用地理信息系统(GIS)开发的空间数据库对地球上的水在水循环中的运动进行研究。这意味着他们试图将不同的空间——也就是土地——与不同的时间和水的流动联系起来。
水文地质学,或称地下水文学,追踪流经土壤进入地下系统的水。水文地质学家协助人们寻找可用于饮用的地下水源(含水层)。他们监测地下水源及流入地下水网的水量,以确定有多少水可被取出,他们还研究出水是如何流经土壤的。听起来可能很无聊,但如果你是一个农民,需要适量的土壤水分来种植你的作物,这是至关重要的信息。水文地质学家协助农业灌溉,监测渗入土壤进入我们的水井的污染物。
包气带水文学是水文地质学的一个分支,主要研究含水层之上的土壤层,即包气带。这个区域很重要,因为它是雨水变成地下水之前经过的最后一个过滤器和通气装置,地下水有时直接通过水井从地下取出,没有经过净化流程。如果包气带受到污染,那么我们的饮用水也将是不健康的。
水力学与能够让汽车做特技的条件没有任何关系(好吧,其实有关系,只是不在此时这种情况下)。本文的水力学指的是对水的物理流动的研究。水力学专业人员使用数学模型来跟踪水从一个水源到另一个水源的流动,主要目的不是追踪水,而是追踪其中的污染物。例如,如果一家工厂将工业废弃物倾入河中,它将顺流而下,最终扩散到海洋中。谁知道这种过程最终会在哪里结束呢?研究水力学的人知道。
水文气象学,也被称为水文气候学,使用气象仪器计算出降雨量及降雨区域。水文气象学有很多好处——不仅仅可以让你知道什么时候出门需要带伞,还可以协助确定某一地区一年中有多少降雨量,有助于防洪设施和灌溉系统的建设。
树木水文学这门学科中,树木水文学家利用树木的年轮来确定历史上的降雨和干旱情况、溪流、径流等等。了解这些信息可以帮助那些没有可靠历史记录的地区预测未来的水文趋势。
如果当今世界的水资源总量和最初一样,那么怎么有浪费水的可能呢?水不会经过水循环得到恢复吗?为什么人们还会为了争夺水资源发生战争呢?
供水管制及污染控制
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水文学家不断寻找改善水处理厂的方法
虽然地球上的水仍然和最初一样多,但水的需求量比以往任何时候都大。人口持续增长,每个人都需要食物和衣物,而原材料种植必须用水灌溉。同样的,人需要住在用钢铁、木材或其他各种建筑材料建造的房子里——再次强调,这些材料需要大量的水进行制造或生长。当然,人们还要洗澡、洗衣服、上厕所……所有这一切,都需要水。
你想知道真正的始作俑者是谁吗?地球上的水并不是均匀分布的,某个地方可能会有过多降水,造成洪水和破坏,而另一个地方可能少得可怜,造成干旱。一旦水进入下水道,它需要被处理一段时间才能恢复成可再次使用的水。如果你所在的地区没有足够的降雨量,且人口用水量过多,那么水源储备水平下降的速度将超过得到补充的速度。
水文学家一直在寻找能够找到更多水源的方法,以满足当前社会的需求。水处理设施将用过的废水转化为干净的新水,可再次使用。水文学家不仅在寻找改善这些设施的方法,还试图找到新的地下水源,也许更重要的是,找出如何在日益严重的污染威胁下维持这些水源的方法。
污染指的是工业废弃物、汽车尾气、农场的流失农药和动物粪便以及土壤中富余养分造成的不平衡状态。它们可以流入湖泊、河流和小溪,渗入地下水,或者聚集在空气中,以酸雨的形式落回地面。通过环境水力学测绘这些污染物的过程,是水文学家搜寻和清除污染物的一种方法。
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沃尔玛实验项目总监唐 · 莫斯利在 Colo. 奥罗拉一家新的、
更环保的实验性沃尔玛超市的停车场里展示吸水沥青
另一种方法是使用类似透水路面这样的创新材料。雨水有时会携带污染物, 像大多数城市一样,在人口众多的地方往往也有大量的混凝土。雨水冲刷掉道路上的所有污染物,并将它们排入最近的下水道、排水系统或河流,导致这些地方充满了水,无法排到其他地方。混凝土是不透水的——它不让水通过并渗入地下。这就成了一个问题,因为利用岩石和沙子过滤污染物是地下水必经的第一个自然过滤系统。
解决这个问题的一个答案就是可渗透混凝土,其表面允许水通过,有点像土壤。在大雨期间,所有的水和废弃物都不得不排出,可渗透混凝土减轻了城市区域污水系统的压力。同时,可渗透混凝土还有助于防洪和污染控制。然而,采用可渗透混凝土的费用有时可能过于高昂,挖掘街道路面和更换混凝土可不是一件小事。启用可渗透混凝土最佳方式是从项目的规划阶段开始纳入设计。
这只是水文学家保护地下水安全的众多方法之一。其他水文学家则研究雪、土壤甚至冰川的污染程度。
防洪
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密苏里州弗利市,一家商店被洪水包围,洪水来自密西西比河
任何一个经历过洪水或有朋友经历过洪水的人都知道洪水的危害严重。它能在几秒内摧毁整个社区,夷平数百年的历史。
突然到来的洪水被称为山洪暴发或临界洪水。有时甚至不需要附近任何地方下雨就可能遭遇山洪暴发——当上游发生暴雨,水顺流而下,山洪暴发就会发生。另一种临界洪水是指某种防洪设备(如大坝或堤岸等)崩塌后冲出的洪水。
非临界洪水是发生缓慢、在一个相对较长的时间段内形成的洪水。当连降数天大雨,河流、湖泊和小溪的水位超过它们的正常范围时,就会发生非临界洪水。不要被这个名字欺骗了——如果没有做好准备,非临界洪水可能和山洪爆发一样具有毁灭性,也可能导致严重的洪水。
水文学家不断努力尝试防止洪水和减轻洪水的严重程度。水文气候学家利用降雨量数据和气象技术协助确定一个地区的最大降雨量,然后他们试图确定可能发生洪水的时间以及足以淹没一个地区的雨水量。
有了这些信息,水文学家就可以与美国联邦应急管理局(FEMA)等组织合作,帮助规划城市发展和应急响应。这是基于大洪水每一百年发生一次的想法, 水文学家的目标之一是找出百年内可能导致最严重洪水的可能性因素,并围绕这种可能性因素进行设计,以尽量缩小危害性和减少重建成本。有时候,建造一个百年洪水强度的洪水设备的成本远远超过重建的成本,工程师们就会依照25年或30年洪水的可能性因素——即每25到30年可能发生一次的最严重洪水——进行建造。这种情况通常发生在偏远地区,比如公园或森林,那里可能受到影响的人数较少。
水文学家的工作不仅决定了在哪里以及如何建造防洪设施,如堤岸、水坝和涵洞等,还决定了在哪里建造整个城市和社区。安全是最重要的,成功的防洪措施并不总是很常见,但失败的尝试却明显得多。
有些水文学家去到世界尽头研究水系统,而有些人甚至走得更远。
地图和工具
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这张数字地图显示了英国某些地区洪水泛滥的危险。诺威奇联合保险公司使用数字技术制作洪水地图,使其能够评估洪泛平原附近个别房屋的风险
水无处不在,但它并不总是触手可及的。水文学家利用模型、地图和图形来帮助自己辨别水的位置所在——地下蓄水层和偏远的冰川都难不倒一个消息灵通的水文学家。
空间水文学家利用 GIS (地理信息系统)和 GPS (全球定位系统)来帮助他们绘制河流、污染和各种环境问题的分布地图。这些地图看起来有可能像任何东西,从线图到河流或地下水系统的全尺寸三维模型。这些高科技系统利用坐标、测量结果和数据生成该地区的详细图片。
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这张来自美国宇航局卫星的图片显示了巴哈马、佛罗里达和古巴的海岸线。
岸边是浅水珊瑚礁,反射光线穿过海洋,使海水呈现明亮的蓝色
水文学家要想得到水文流动的信息,还要走很远的路。遥感卫星围绕地球轨道运行,拍摄海洋图片以及其中发生的事情,绘制海洋地形图,帮助水文学家研究海洋及其整体运动。现在甚至还有珊瑚礁遥感工具。珊瑚礁是一种伟大的生态资源,有助于产生氧气,并保持整个地球的生态环境平衡, 了解这些珊瑚礁的位置及掌握对它们的研究方法是非常重要的。
参数水文学是水文学的一个更具理论性的分支。它利用计算机模拟来得出水文循环中的各个事件之间的关系,然后利用这些关系生成新的可能事件。
总的来说,水文学家是一个庞大而多样化的群体,他们致力于通过任何必要的手段保护地球的水资源。水文学家通过帮助调节洪水、污染和污水三者的关系来帮助人类维持生计。不仅如此,他们还制作了一些非常吸引人的模型。水文学作为科学的一个分支,特别是针对人口持续增长和淡水需求增加等问题,将永远是需求。
来源: 水科学论坛
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 发表于2019-12-05   |  只看该作者      

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