شهرنشینی - هیدرولوژی

تغییر رژیم های هیدرولوژیکی طبیعی یک اثر مداوم و فراگیر شهرنشینی بر اکوسیستم های جریان است. الگوهای تخلیه - مقدار و زمان جریان آب از طریق جریان ها - با توسعه شهری تغییر می کند. جنبه های اصلی شهرنشینی بر هیدرولوژی ممکن است شامل موارد زیر باشد:

• کاهش نفوذ و افزایش رواناب سطح بارش همراه با سطوح غیرقابل نفوذ (و به طور مؤثر غیرقابل نفوذ)
• افزایش سرعت و کارآیی تحویل رواناب به جریان ، از طریق زیرساخت های زهکشی آب طوفان
• کاهش تبخیر و تعرق به دلیل حذف پوشش گیاهی
• افزایش تخلیه مستقیم آب ، از طریق فاضلاب و پساب های صنعتی
• افزایش نفوذ به دلیل آبیاری و نشت ناشی از تأمین آب و زیرساخت های فاضلاب
• افزایش برداشت آب و انتقال بین بازین

اثرات گزارش شده از شهرنشینی بر رژیمهای جریان شامل (اما محدود به آنها نیست):

• افزایش فرکانس جریان بالا (شکل 33) [روی و همکاران. 2005 ، Schoonover و همکاران. 2006 ، براون و همکاران. 2009]
• افزایش میزان جریان زیاد (شکل 33 و 34) [رز و پیترز 2001 ، برنز و همکاران. 2005 ، Schoonover و همکاران. 2006]
• افزایش فلش یا سرعت تغییرات جریان (شکل 33) [روی و همکاران. 2005 ، Schoonover و همکاران. 2006 ، چانگ 2007]
• کاهش مدت جریان زیاد [Rose and Peters 2001 ، Poff et al. 2006 ، چانگ 2007]
• کاهش زمان تاخیر (شکل 34) [آرنولد و گیبونز 1996 ، چانگنون و دمیسی 1996]

• کاهش بزرگی جریان کم (شکل 34) [Finkenbine و همکاران. 2000 ، رز و پیترز 2001 ، کافمن و همکاران. 2009]
• افزایش بزرگی جریان [برنز و همکاران. 2005 ، رایلی و همکاران. 2005 ، پاف و همکاران. 2006]
• افزایش مدت جریان کم (شکل 34) [روی و همکاران. 2005 ، Degasperi و همکاران. 2009]

شکل 33. رواناب جریان در طی یک دوره خشک (اوت 2001-FEB 2002) در سه حوضه مطالعه: UND = توسعه نیافته ، MED = مسکونی با چگالی متوسط (1. 6 خانه HA-1 ، 6 ٪ غیرقابل نفوذ) ، بالا = مسکونی با چگالی بالا (2. 8 خانه HA-1، 11 ٪ غیرقابل نفوذ). از Bus D et al. 2005. اثرات توسعه حومه شهر بر تولید رواناب در حوضه رودخانه کروتون ، نیویورک ، ایالات متحده. مجله هیدرولوژی 311: 266-281. چاپ شده با اجازه Elsevier.

شکل 34. هیدروگرافی فرضی برای یک جریان شهری (زرد) و یک جریان روستایی (سبز) پس از طوفان ، نشان دهنده برخی تغییرات متداول در طوفان و جریان پایه که با توسعه شهری رخ می دهد. تغییرات دیگر در سمت چپ ذکر شده است.

این تغییرات هیدرولوژیکی می تواند کیفیت زیستگاه در جریان های شهری را کاهش دهد و بر روی زیست رودخانه ها تأثیر منفی بگذارد. برای مثال، جریان های زیاد می توانند ارگانیسم ها را بشورند و بستر را از بستر رودخانه ها بسازند، در حالی که جریان های کم می توانند مساحت و حجم زیستگاه را کاهش دهند. برای جزئیات بیشتر در مورد پاسخ های زیستی به این تغییرات، ماژول های تغییر جریان و زیستگاه فیزیکی را ببینید.

جریان پایه در جریان های شهری

شهرنشینی به طور کلی منجر به افزایش بزرگی و فراوانی جریان های اوج می شود. با این حال، اثرات جریان پایه معمولاً متغیرتر است، با مطالعاتی که طیف وسیعی از پاسخ ها را در جریان های شهری نشان می دهد [Leer 2002، Brandes et al. 2005، مایر 2005، روی و همکاران. 2005 (شکل 35)، پاف و همکاران. 2006].

شکل 35. مدل های رگرسیون خطی برای متغیرهای جریان پایه که بیشترین همبستگی را با نفوذناپذیری زیرحوضه نشان می دهند: (الف) حداقل مرحله روزانه/میانگین روزانه در اواخر بهار.(ب) حداکثر مدت مرحله پایین< 25th percentile during autumn. Of the nine baseflow variables tested across five seasons, only these two variables showed relationships with r2 >25/0 و تنها در (B) این رابطه معنی دار بود. از روی AH و همکاران. 1384. بررسی دگرسانی هیدرولوژیکی به عنوان مکانیزم جابجایی مجموعه ماهی در رودخانه های شهری. مجله انجمن بنتولوژی آمریکای شمالی 24 (3): 656-678. تجدید چاپ با اجازه.

کاهش در جریان پایه ممکن است ناشی از:

• کاهش نفوذ به دلیل افزایش سطوح غیرقابل نفوذ
• افزایش برداشت آب (سطحی یا زمینی)

این کاهش ها ممکن است با افزایش در جریان پایه ناشی از موارد زیر جبران شود:

• افزایش ذخایر آب وارداتی (یعنی انتقال بین حوضه ای)
• افزایش نشت از فاضلاب و سیستم های سپتیک
• افزایش نشت از زیرساخت های تامین آب
• افزایش آبیاری (به عنوان مثال، آبیاری چمن)
• افزایش تخلیه پساب فاضلاب
• افزایش نفوذ به دلیل جمع آوری آب در مناطق تغذیه
• کاهش تبخیر و تعرق به دلیل کاهش پوشش رویشی

افزایش های مربوط به شهری در جریان پایه می تواند به ویژه در سیستم های تحت تسلط پساب، یا نهرها و رودخانه هایی که در آن ها پساب فاضلاب بخش قابل توجهی از حجم جریان پایه را تشکیل می دهند، مشهود باشد. مثلا:

• تخلیه از دو تصفیه خانه فاضلاب حداقل 70 درصد جریان رودخانه در رودخانه بوش، SC در تابستان 2002 را تشکیل می دهد (اندرسن و همکاران 2004).
• میانگین جریان پساب در رودخانه ساوث پلات، CO 41 درصد کل جریان است. در شرایط جریان کم، این می تواند تا 90٪ افزایش یابد (Woodling et al. 2006).

در نتیجه، تغییرات در جریان پایه در این جریان ها احتمالاً بر کیفیت آب و رسوب تأثیر می گذارد.

برداشت و انتقال آب

برداشت آب و نقل و انتقالات مرتبط با برآورده کردن تقاضای آب شهری می تواند پیامدهای قابل توجهی برای سیستم های جریان داشته باشد. تأثیرات آنها به عوامل زیادی بستگی دارد ، از جمله:

• آب از کجا می آید
  • آب سطحی در مقابل آبهای زیرزمینی
  • در حوضه آبریز در مقابل واردات از حوضه دیگر (یعنی انتقال آب)
  • مصرف مستقیم از کانال در مقابل از مخزن آبرسانی
  • جریانهای کوچک در مقابل بزرگ
  • در حوضه آبریز در مقابل صادر شده به حوضه دیگر (یعنی انتقال آب)
  • جریانهای کوچک در مقابل بزرگ

  

  یک ایستگاه پمپ نیواورلئان که آب را از رودخانه می سی سی پی خارج می کند و آن را به یک مرکز درمانی در نزدیکی (سمت چپ) منتقل می کند ، و یک ساختار ورودی برای یک کارخانه آبرسانی در رودخانه اردک ، TN (راست). عکس با احترام از چارلی برنر (سمت چپ) و USGS (سمت راست)

  

  شکل 36. برآورد غنای برای (الف) متخصص رودخانه و (ب) ماهی های عمومی زیستگاه در مقابل مقادیر شاخص خروج از آب [LN (مجاز به برداشت متوسط ماهانه/7Q10)]. میادین سایتهایی را نشان می دهد که مصرف آب مستقیماً از کانال بود. مثلث ها سایت ها را مستقیماً در پایین دست از مخازن آبرسانی نشان می دهد. داده ها در 28 جریان جورجیا مورد استفاده برای منابع آب شهری ، 2001-2003 جمع آوری شد. از فریمن MC & Marcinek PA. 2006. پاسخ های مونتاژ ماهی به برداشت آب و مخازن آبرسانی در جریان های پیمونت. مدیریت محیط زیست 38 (3): 435-450. چاپ شده با مجوز اسپرینگر. فریمن و مارسینک (2006) بررسی کردند که چگونه برداشت آب سطحی برای تأمین آب شهرداری ، مجموعه های ماهی جریان را در جورجیا پیمونت تحت تأثیر قرار داد ، با استفاده از شاخص برداشت که نشان دهنده میزان آب برداشت شده به طور متوسط ماهانه ، نسبت به 7 روز ، 10- 10- استعود سال جریان کم در آن جریان ها (7Q10). آنها دریافتند که:

  • غنای ماهی های متخصص رودخانه (به عنوان مثال ، بسیاری از مینورها و دارترها) با افزایش میزان مصرف آب کاهش یافته اند (شکل 36).
  • این کاهش به طور کلی هنگامی اتفاق می افتد که میزان برداشت مجاز از تقریباً 0. 5-1 7Q10 معادل آب باشد (شکل 36).
  • با افزایش برداشت آب ، احتمال اینکه سایتها براساس شاخص نمرات یکپارچگی بیوتیک طبقه بندی شوند ، این احتمال وجود دارد.
  • نوع مصرف آب نیز مهم بود ، زیرا حضور مخزن (همراه با میزان برداشت و سطح زهکشی) پیش بینی کننده های قابل توجهی از غنای متخصص رودخانه بود.

  پاسخ های بیوتیک به جریان های شهری

  عکس از تغییرات هیدرولوژیکی ایالات متحده آمریکا در ارتباط با شهرنشینی می تواند مستقیم و غیرمستقیم از بسیاری جهات بر بیوتای جریان تأثیر بگذارد. اثرات ممکن است شامل موارد زیر باشد.

  • شستشوی مستقیم و جابجایی از سطوح بنتیکی به دلیل افزایش جریان اوج
  • زیستگاه فیزیکی تغییر یافته
    • تغییر در شرایط هیدرولیک در جریان (به عنوان مثال ، سرعت آب ، منطقه کانال خیس و مدت زمان)
    • تغییر در ژئومورفولوژی کانال

    

    شکل 37. رابطه بین شاخص بنتیکی یکپارچگی بیولوژیکی برای بی مهرگان و متغیرهای هیدرولوژیکی TQMEAN (A ، C) و T0. 5 سال (B). در (ج) ، تعداد نشان می دهد ٪ پوشش اراضی شهری (سایت هایی که به عنوان دایره ها فاقد داده های پوشش زمین هستند). توجه داشته باشید که مقادیر پایین تر برای TQMEAN و T0. 5 سال نشان دهنده تغییرپذیری جریان و فلش بالاتر است. از غرفه DB و همکاران. 2004. احیای جریانهای شهری: کاربری اراضی ، هیدرولوژی ، زیست شناسی و رفتار انسان. مجله انجمن منابع آب آمریکا 40 (5): 1351-1364. چاپ مجدد با اجازه. به عنوان مثال ، Booth و همکاران.(2004) بررسی کرد که چگونه شاخص بنتیکی یکپارچگی بیولوژیکی (B-IBI) مربوط به دو معیار جریان مرتبط با شهرنشینی است:

    • T_قسم= کسری از سالی که به معنای تخلیه روزانه است بیش از میانگین تخلیه سالانه است
    • T_{0. 5 سال}= کسری از یک دوره چند ساله که یک کانال در معرض جریان های بیشتر از سیل 0. 5 ساله قرار می گیرد

    برای هر دو_قسمو t_{0. 5 سال}مقادیر کم نشانگر شیوع قله های تخلیه بالا است که هم به شدت افزایش می یابد و هم از بین می رود - یعنی افزایش چشمک زدن و تغییرپذیری جریان.