Hyporheic zóna - Hyporheic zone

The hyporheic zóna je oblast sedimentu a porézního prostoru pod a podél a koryto potoka, kde dochází k míchání mělkých podzemní voda a povrchová voda. Dynamika toku a chování v této zóně (nazývané hyporheic tok nebo podtečení) je považován za důležitý pro interakce povrchových a podzemních vod a také Ryba plodit, mimo jiné procesy.[1] Jako inovativní město vodní hospodářství V praxi může být hyporheic zóna navržena inženýry a aktivně řízena pro zlepšení kvality vody a pobřežní místo výskytu.[2]

Seskupení organismů, které obývají tuto zónu, se nazývá hyporheos.

Termín hyporheic původně vytvořil Traian Orghidan[3] v roce 1959 kombinací dvou řeckých slov: hypo (níže) a rheos (tok).

Hyporheic zóna a hydrologie

Hyporheic zóna proces

Hyporheic zóna je oblast rychlé výměny, kde se voda pohybuje do a ven z koryta proudu a nese rozpuštěný plyn a rozpuštěné látky, kontaminanty, mikroorganismy a částice s sebou.[4] V závislosti na podkladové geologii a topografii může být hyporheická zóna hluboká jen několik centimetrů, nebo se rozšířit až na desítky metrů příčně nebo hluboko.

Koncepční rámec hyporheic zóny jako míchací a skladovací zóny jsou nedílnou součástí studia hydrologie. První klíčový koncept týkající se hyporheic zóny je doba pobytu; voda v kanálu se pohybuje mnohem rychleji ve srovnání s hyporheickou zónou, takže tento tok pomalejší vody účinně zvyšuje dobu zdržení vody v kanálu proudu. Doby zdržení vody ovlivňují rychlost zpracování živin a uhlíku. Delší doby zdržení podporují retenci rozpuštěné rozpuštěné látky, která může být později uvolněna zpět do kanálu, což zpomaluje nebo zeslabuje signály produkované proudovým kanálem.[5]

Dalším klíčovým konceptem je hyporheická výměna,[6][7] nebo rychlost, jakou voda vstupuje do podpovrchové zóny nebo ji opouští. Proudová voda dočasně vstupuje do hyporheic zóny, ale nakonec proudící voda vrací do povrchového kanálu nebo přispívá k ukládání podzemní vody. Rychlost hyporheic výměny je ovlivněna strukturou toku, s kratšími cestami toku vody vytvořenými drsností toku.[8][9] Delší cesty jsou indukovány geomorfními prvky, jako jsou vzory meandrů potoků, sekvence bazénových riffů, velké vodní přehrady a další prvky.

Hyporheic zóna a její interakce ovlivňují objem proudu vody, který se pohybuje po proudu. Dosahování naznačuje, že podzemní voda je vypouštěna do proudu při pohybu vody po proudu, takže objem vody v hlavním kanálu se zvyšuje od proti proudu k proudu. Naopak, když voda pronikne do zóny podzemní vody, což má za následek čistou ztrátu povrchové vody, je dosah proudu považován za „ztrácící“ vodu.

Hyporheic zóna poskytuje různé výhody jako:[10]

  • Zvyk a úkryt pro různé druhy ryb, vodních rostlin a vsunutých organismů;
  • Snížení koncentrace znečišťujících látek rozpuštěných v proudové vodě;
  • Kontrola výměny vody a rozpuštěných látek mezi hlavním proudem a podzemní vodou;
  • Snižování teploty říční vody.

Studium hyporheické zóny

Potok nebo říční ekosystém není jen tekoucí voda, kterou lze vidět na povrchu: řeky jsou spojeny s přilehlými břehovými oblastmi.[11] Potoky a řeky proto zahrnují dynamickou hyporheickou zónu, která leží dole a laterálně od hlavního kanálu. Protože hyporheic zóna leží pod povrchovou vodou, to může být obtížné identifikovat, kvantifikovat a pozorovat. Hyporheic zóna je však zóna biologické a fyzické aktivity, a proto má funkční význam pro říční a říční ekosystémy.[12] Výzkumní vědci používají nástroje, jako jsou studny a piezometry, konzervativní a reaktivní stopovací látky,[13] a transportní modely, které zohledňují šíření a rozptyl vody jak v kanálu proudu, tak v podpovrchu.[14] Tyto nástroje lze použít samostatně ke studiu pohybu vody přes hyporheickou zónu a do kanálu proudu, ale často se doplňují pro přesnější obraz dynamiky vody v kanálu jako celku.

Biogeochemický význam

Hyporheic zóna je ekoton mezi potokem a podpovrchem: jedná se o dynamickou oblast směšování mezi povrchovou vodou a podzemní vodou na rozhraní sediment-voda. Z biogeochemického hlediska má podzemní voda často málo rozpuštěného kyslíku, ale nese rozpuštěné živiny. Naopak proudová voda z hlavního kanálu obsahuje vyšší rozpuštěný kyslík a nižší živiny. To vytváří biogeochemický gradient, který může existovat v různých hloubkách v závislosti na rozsahu hyporheic zóny. Hyporheické zóně často dominují heterotrofní mikroorganismy, které zpracovávají rozpuštěné živiny vyměňované na tomto rozhraní.

Hyporheic zóna: hlavní charakteristiky a příčiny hyporheic výměny

Hlavní rozdíly mezi povrchovou a podzemní vodou se týkají koncentrace kyslíku, teploty a pH.[15] Jako oblast rozhraní mezi hlavním proudem a podzemní vodou je hyporheická zóna vystavena fyzikálně-chemickým gradientům generujícím biochemické reakce schopné regulovat chování chemických sloučenin a vodních organismů v oblasti výměny.[16] Hyporheic zóna poskytuje důležitý příspěvek k útlumu znečišťujících látek rozpuštěných ve vodě kanálu[17] a na cyklus energie, živin a organických sloučenin.[18] Kromě toho vykazuje významnou kontrolu nad transportem znečišťujících látek přes povodí.[19]

Hlavní faktory ovlivňující výsledky hyporheic směny:[20]

  • Geometrie zvodnělé vrstvy a hydraulické vlastnosti;[21][22]
  • Časová změna výšky hladiny podzemní vody;[23]
  • Topografická charakteristika a propustnost koryta toku;[24]
  • Horizontální přechody generované variací planimetrické morfologie hlavního kanálu.[25]


Reference

  1. ^ Lewandowski, Jörg (2019). „Je hyporheic zóna relevantní mimo vědeckou komunitu?“. Voda. 11 (11): 2230. doi:10,3390 / w11112230.
  2. ^ Lawrence, J. E.; M. Skold; F.A. Hussain; D. Silverman; V.H. Resh; D.L. Sedlak; R.G. Luthy; J.E. McCray (14. srpna 2013). „Hyporheic Zone in Urban Streams: A Review and Opportunities for Enhancing Quality Water and Improving Aquatic Habitat by Active Management“. Věda o environmentálním inženýrství. 47 (8): 480–501. doi:10.1089 / ees.2012.0235.
  3. ^ Orghidan, T. (1959). „Ein neuer Lebensraum des unterirdischen Wassers: Der hyporheische Biotop“. Archiv pro hydrobiologii. 55: 392–414.
  4. ^ Bencala, Kenneth E. (2000). "Hyporheic zone hydrological processes". Hydrologické procesy. 14 (15): 2797–2798. Bibcode:2000HyPr ... 14.2797B. doi:10.1002 / 1099-1085 (20001030) 14:15 <2797 :: AID-HYP402> 3.0.CO; 2-6. ISSN  1099-1085.
  5. ^ Grimm, Nancy B.; Fisher, Stuart G. (04.04.1984). „Výměna mezi intersticiální a povrchovou vodou: důsledky pro metabolismus proudu a koloběh živin“. Hydrobiologia. 111 (3): 219–228. doi:10.1007 / BF00007202. ISSN  1573-5117. S2CID  40029109.
  6. ^ Findlay, Stuart (1995). „Důležitost výměny povrchů a podpovrchů v ekosystémech toků: hyporheická zóna“. Limnologie a oceánografie. 40 (1): 159–164. Bibcode:1995LimOc..40..159F. doi:10.4319 / lo.1995.40.1.0159. ISSN  1939-5590.
  7. ^ Bencala, Kenneth E. (2006), „Hyporheic Exchange Flows“, Encyclopedia of Hydrological Sciences, Americká rakovinová společnost, doi:10.1002 / 0470848944.hsa126, ISBN  9780470848944
  8. ^ Kasahara, Tamao; Wondzell, Steven M. (2003). „Geomorfní regulace hyporheického směnného toku v horských potocích“. Výzkum vodních zdrojů. 39 (1): SBH 3–1 – SBH 3-14. Bibcode:2003WRR .... 39,1005K. doi:10.1029 / 2002WR001386. ISSN  1944-7973.
  9. ^ Harvey, Judson W .; Bencala, Kenneth E. (1993). „The effect of strreambed topography on surface-subsurface water exchange in mountain persignes“. Výzkum vodních zdrojů. 29 (1): 89–98. Bibcode:1993WRR .... 29 ... 89H. doi:10.1029 / 92WR01960. ISSN  1944-7973.
  10. ^ Hyporheic příručka: příručka o rozhraní podzemní vody a povrchové vody a hyporheic zóny pro správce životního prostředí. Agentura pro životní prostředí. 2009. ISBN  978-1-84911-131-7.
  11. ^ "Perspektiva ekosystémů naplavených řek: konektivita a hyporheický koridor | Scinapse | Akademický vyhledávač papíru". Scinapse. Citováno 2019-03-15.
  12. ^ Boulton, Andrew J .; Findlay, Stuart; Marmonier, Pierre; Stanley, Emily H .; Valett, H. Maurice (01.11.1998). "Funkční význam hyporheic zóny v potokech a řekách". Výroční přehled ekologie a systematiky. 29 (1): 59–81. doi:10.1146 / annurev.ecolsys.29.1.59. ISSN  0066-4162.
  13. ^ Mulholland, Patrick J .; Tank, Jennifer L .; Sanzone, Diane M .; Wollheim, Wilfred M .; Peterson, Bruce J .; Webster, Jackson R .; Meyer, Judy L. (2000). "Cyklus dusíku v lesním proudu stanovený přídavkem stopovače 15n". Ekologické monografie. 70 (3): 471–493. doi:10.1890 / 0012-9615 (2000) 070 [0471: NCIAFS] 2.0.CO; 2. hdl:10919/46856. ISSN  1557-7015.
  14. ^ Bencala, Kenneth E .; Walters, Roy A. (1983). „Simulace transportu rozpuštěných látek v horském proudu bazénu a proudění: přechodný úložný model“. Výzkum vodních zdrojů. 19 (3): 718–724. Bibcode:1983WRR .... 19..718B. doi:10.1029 / WR019i003p00718. hdl:2027 / uc1.31210024756569. ISSN  1944-7973.
  15. ^ Hyporheic příručka: příručka o rozhraní podzemní vody a povrchové vody a hyporheic zóny pro správce životního prostředí. Agentura pro životní prostředí. 2009. ISBN  9781849111317.
  16. ^ Brunke, Matthias; Gonser, Tom (1997). „Ekologický význam výměnných procesů mezi řekami a podzemními vodami“. Sladkovodní biologie. 37 (1): 1–33. doi:10.1046 / j.1365-2427.1997.00143.x. ISSN  1365-2427.
  17. ^ Gandy, C. J .; Smith, J. W. N .; Jarvis, A. P. (15. února 2007). „Útlum znečišťujících látek pocházejících z těžby v hyporheické zóně: ​​přehled“. Věda o celkovém prostředí. 373 (2): 435–446. Bibcode:2007ScTEn.373..435G. doi:10.1016 / j.scitotenv.2006.11.004. ISSN  0048-9697. PMID  17173955.
  18. ^ White, David S. (1. března 1993). "Perspektivy definování a vymezení hyporheických zón". Journal of the North American Benthological Society. 12 (1): 61–69. doi:10.2307/1467686. ISSN  0887-3593. JSTOR  1467686.
  19. ^ Smith, J. W. N .; Surridge, B. W. J .; Haxton, T. H .; Lerner, D. N. (15. května 2009). „Útlum znečišťujících látek na rozhraní podzemní vody a povrchové vody: klasifikační schéma a statistická analýza s využitím údajů o dusičnanech v celostátním měřítku“. Journal of Hydrology. 369 (3): 392–402. Bibcode:2009JHyd..369..392S. doi:10.1016 / j.jhydrol.2009.02.026. ISSN  0022-1694.
  20. ^ Harvey, F. Edwin; Lee, David R .; Rudolph, David L .; Frape, Shaun K. (listopad 1997). "Lokalizace vypouštění podzemní vody ve velkých jezerech pomocí mapování elektrické vodivosti dna sedimentu". Výzkum vodních zdrojů. 33 (11): 2609–2615. Bibcode:1997WRR .... 33,2609H. doi:10.1029 / 97WR01702.
  21. ^ Freeze, R. Allan; Witherspoon, P. A. (1967). „Teoretická analýza regionálního toku podzemní vody: 2. Vliv konfigurace podzemní vody a variace podpovrchové propustnosti“. Výzkum vodních zdrojů. 3 (2): 623–634. Bibcode:1967WRR ..... 3..623F. doi:10.1029 / WR003i002p00623. ISSN  1944-7973.
  22. ^ Winter, Thomas C. (1995). „Nedávný pokrok v porozumění interakci podzemních a povrchových vod“. Recenze geofyziky. 33 (S2): 985–994. Bibcode:1995RvGeo..33S.985W. doi:10.1029 / 95RG00115. ISSN  1944-9208.
  23. ^ Pinder, George F .; Sauer, Stanley P. (1971). Msgstr "Numerická simulace modifikace povodňových vln v důsledku efektů uložení banky". Výzkum vodních zdrojů. 7 (1): 63–70. Bibcode:1971WRR ..... 7 ... 63P. doi:10.1029 / WR007i001p00063. ISSN  1944-7973.
  24. ^ Harvey, Judson W .; Bencala, Kenneth E. (1993). „The effect of strreambed topography on surface-subsurface water exchange in mountain persignes“. Výzkum vodních zdrojů. 29 (1): 89–98. Bibcode:1993WRR .... 29 ... 89H. doi:10.1029 / 92WR01960. ISSN  1944-7973.
  25. ^ Cardenas, M. Bayani (2009). "Model laterálního hyporheic toku založeného na svahu údolí a sinuozitě kanálu". Výzkum vodních zdrojů. 45 (1): W01501. Bibcode:2009WRR ... 45.1501C. doi:10.1029 / 2008WR007442. ISSN  1944-7973.

externí odkazy