Hydrological Processes

Stormwater best management practice (BMP) design must incorporate the expected long‐term performance from both a water quantity and water quality perspective to sustainably mitigate hydrologic and water quality impacts of development. Infiltration trench structures are one of many infiltration BMPs that reduce runoff volume and capture pollutants. Research on the longevity of these structures is sparse, leading to concerns about their long‐term value and impeding implementation. In the present study, an infiltration trench was monitored from its inception to determine its hydrologic performance over time and total suspended solids (TSS) capture efficiency. The infiltration trench was intentionally undersized to accelerate longevity‐related processes. The infiltration trench provided a 36% TSS removal rate and displayed a distinct decrease in its ability to infiltrate stormwater runoff over the first three years of operation. Results indicate that infiltration through the bottom of the BMP became negligible, while infiltration through the sides of the BMP remained active over the 3‐year study period. The results lead to recommendations for BMP design. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

The first results of a regional circulation model REMO_iso fitted with water isotope diagnostics are compared with various isotope series from central Europe. A 2 year case study is conducted from March 1997 to February 1999 centred over Europe, analysing daily and monthly measurements. Isotope signals over Europe are dominated by the typical isotopic effects such as temperature, continental and altitude effects, both on annual and seasonal scales. These well‐known isotopic effects are successfully reproduced by REMO_iso, using two different boundary data sets. In a first simulation, the European Centre for Medium‐range Weather Forecasts (ECMWF) analyses serve as boundary conditions, where water isotopes were parameterized by a simple temperature dependence. In a second simulation, boundary conditions both for climatic and isotopic variables are taken from the ECHAM_iso general circulation model output. The comparison of both simulations shows a very high sensitivity of the simulated δ¹⁸O signal to boundary conditions. The ECMWF‐nested simulation shows an average offset of −4·5‰ in mean δ¹⁸O values and exaggerated seasonal amplitude. The ECHAM‐nested simulation represents correctly the observed mean δ¹⁸O values, although with a dampened seasonality. REMO_iso's isotope module is further validated against daily δ¹⁸O measurements at selected stations (Nordeney, Arkona and Hohenpeissenberg) situated in Germany. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.

Các lớp vỏ đất sinh học (BSC) là lớp che phủ sống chủ yếu trong nhiều vùng khô cằn trên thế giới. Chúng có nhiều đặc điểm có thể ảnh hưởng đến các khía cạnh khác nhau của chu trình thủy văn địa phương, bao gồm độ rỗng của đất, khả năng hấp thụ, độ nhám, độ ổn định của tổ hợp hạt, kết cấu, sự hình thành lỗ, và khả năng giữ nước. Ảnh hưởng của các lớp vỏ đất sinh học đến những yếu tố này phụ thuộc vào cấu trúc nội tại và bên ngoài của chúng, thay đổi theo khí hậu, loại đất và lịch sử can thiệp. Bài báo này trình bày các loại lớp vỏ đất sinh học khác nhau, thảo luận về cách mà loại lớp vỏ có thể ảnh hưởng đến các khía cạnh khác nhau của chu trình thủy văn, và tổng hợp những gì được biết và chưa được biết về ảnh hưởng của các lớp vỏ sinh học đến sản xuất trầm tích và khả năng thấm nước so với dòng chảy trong các vùng khô cằn khác nhau trên thế giới. Hầu hết các nghiên cứu xem xét tác động của lớp vỏ đất sinh học đến thủy văn địa phương được thực hiện bằng cách so sánh các địa điểm không bị xáo trộn với những địa điểm gần đây bị xáo trộn bởi các nhà nghiên cứu. Thật không may, điều này làm phức tạp đáng kể việc giải thích kết quả. Những can thiệp áp dụng làm biến đổi nhiều đặc điểm của đất như kết cấu đất, độ nhám, độ ổn định của tổ hợp hạt, sự hình thành lớp vỏ vật lý, độ rỗng, và mật độ khối theo những cách có thể không giống nhau nếu lớp vỏ không tự nhiên hiện diện. Tổng hợp lại, những nghiên cứu này cho thấy ít có sự đồng thuận về cách mà các lớp vỏ sinh học ảnh hưởng đến khả năng thấm nước hay dòng chảy. Tuy nhiên, khi các nghiên cứu được phân tách theo loại lớp vỏ sinh học và sử dụng những khác biệt tự nhiên giữa các loại này, các kết quả cho thấy rằng các lớp vỏ sinh học trong các vùng cực khô làm giảm khả năng thấm và tăng dòng chảy, có tác động hỗn hợp trong các vùng khô cằn, và tăng khả năng thấm và giảm dòng chảy trong các vùng khô cằn mát và lạnh. Tuy nhiên, cần nhiều nghiên cứu hơn trước khi có thể đưa ra những khái quát rộng rãi về cách mà các lớp vỏ sinh học ảnh hưởng đến khả năng thấm và dòng chảy. Chúng ta cần đặc biệt các nghiên cứu kiểm soát các đặc điểm đất dưới bề mặt như mật độ khối, lỗ vi mô và vĩ mô, và cấu trúc lớp vỏ sinh học. Không giống như những tác động hỗn hợp của lớp vỏ sinh học lên khả năng thấm và dòng chảy giữa các vùng, hầu hết các nghiên cứu cho thấy rằng các lớp vỏ sinh học đều làm giảm sản xuất trầm tích, bất kể loại lớp vỏ hay loại vùng khô cằn.

Một mô hình được đề xuất để dự đoán sự biến thiên không gian của độ sâu đất colluvial, kết quả của mô hình này được sử dụng trong một mô hình riêng biệt để xem xét ảnh hưởng của sức mạnh rễ và độ dẫn ngang bão hòa thay đổi theo chiều dọc lên độ ổn định của sườn đất. Mô hình độ sâu đất giải quyết cân bằng khối lượng giữa sự sản xuất đất từ đá mẹ phía dưới và sự phân kỳ của việc vận chuyển đất qua khuếch tán. Mô hình này được áp dụng sử dụng dữ liệu độ cao số với độ phân giải cao của một địa điểm đã được nghiên cứu kỹ lưỡng tại miền Bắc California, và sự thay đổi độ sâu đất được tính toán bằng mô hình sai phân hữu hạn dưới các điều kiện ban đầu khác nhau. Dữ liệu hiện trường hỗ trợ việc giảm sản xuất đất theo cấp số nhân với độ sâu đất tăng lên và độ khuếch tán khoảng 50 cm²/năm. Mô hình dự đoán về sự dày và mỏng của đất colluvium tương ứng tốt với các quan sát thực địa. Độ dày của đất trên các đỉnh nhanh chóng đạt được độ sâu cân bằng, điều này gợi ý rằng các quan sát thực địa chi tiết liên quan đến độ sâu đất với độ cong địa hình địa phương có thể kiểm tra mô hình này tốt hơn. Đá mẹ xuất hiện nơi mà độ cong gây ra sự vận chuyển phân kỳ vượt quá tỷ lệ sản xuất đất, do đó, mô hình không gian của các lớp đá mẹ đặt ra những hạn chế đối với luật sản xuất.

Các mạng lưới kênh với mật độ thoát nước hoặc độ phân giải tùy ý có thể được trích xuất từ dữ liệu độ cao số. Tuy nhiên, để các mạng lưới từ dữ liệu độ cao số trở nên hữu ích, chúng phải được trích xuất ở thang đo chiều dài hoặc mật độ thoát nước chính xác. Ở đây, chúng tôi đề xuất một tiêu chí để xác định mật độ thoát nước thích hợp mà từ đó có thể trích xuất mạng lưới từ dữ liệu độ cao số. Tiêu chí này về cơ bản là trích xuất mạng lưới có độ phân giải cao nhất (mật độ thoát nước cao nhất) mà thỏa mãn các quy luật tỉ lệ mà từ trước đến nay đã được tìm thấy áp dụng cho các mạng lưới kênh. Các quy trình sử dụng tiêu chí này được trình bày và thử nghiệm trên 21 tập dữ liệu độ cao số được phân bố tốt trên toàn nước Mỹ.

SWAT (Công cụ Đánh giá Đất và Nước) là một mô hình lý thuyết, thời gian liên tục được phát triển vào đầu những năm 1990 nhằm hỗ trợ các nhà quản lý tài nguyên nước trong việc đánh giá tác động của quản lý và khí hậu đến nguồn nước và ô nhiễm từ nguồn không điểm tại các lưu vực và lưu vực sông lớn. SWAT là sự tiếp nối của hơn 30 năm phát triển mô hình trong Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ thông qua Dịch vụ Nghiên cứu Nông nghiệp và được phát triển để 'mở rộng' mô hình quy mô thực địa trước đây đến các lưu vực sông lớn. Các thành phần của mô hình bao gồm thời tiết, thủy văn, xói mòn/sedimentation, sự phát triển thực vật, chất dinh dưỡng, thuốc trừ sâu, quản lý nông nghiệp, định tuyến dòng chảy và định tuyến hồ/bể chứa. Phiên bản mới nhất, SWAT2000, có một số cải tiến đáng kể bao gồm: quy trình vận chuyển vi khuẩn; quy trình đô thị; phương trình thấm Green và Ampt; trình tạo thời tiết được cải thiện; khả năng đọc dữ liệu bức xạ mặt trời hàng ngày, độ ẩm tương đối, tốc độ gió và ET tiềm năng; định tuyến kênh Muskingum; và tính toán thời kỳ nghỉ ngơi được điều chỉnh cho các khu vực nhiệt đới. Một bộ tài liệu hoàn chỉnh cho mô hình về các phương trình và thuật toán, hướng dẫn người dùng mô tả đầu vào và đầu ra của mô hình, cùng với hướng dẫn giao diện ArcView hiện đã hoàn tất cho SWAT2000. Mô hình đã được mã lại bằng Fortran 90 với một từ điển dữ liệu hoàn chỉnh, cấp phát động của các mảng và các chương trình con theo mô-đun. Nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào vi khuẩn, các khu vực ven sông, địa hình hố nước, sự phát triển rừng, việc khoét sâu và mở rộng kênh, cùng với phân tích không chắc chắn đầu vào.

Mô hình SWAT hiện được sử dụng tại nhiều quốc gia trên toàn thế giới. Những phát triển gần đây trong Chính sách Môi trường Châu Âu, chẳng hạn như việc thông qua chỉ thị Khung Nước Châu Âu vào tháng 12 năm 2000, yêu cầu các công cụ cho quản lý lưu vực sông tích hợp. Mô hình SWAT có thể áp dụng cho mục đích này. Đây là một mô hình linh hoạt có thể được sử dụng dưới nhiều điều kiện môi trường khác nhau, như bài chuyên đề này sẽ cho thấy. Các bài báo được biên soạn ở đây là kết quả của Hội nghị SWAT Quốc tế lần thứ nhất được tổ chức vào tháng 8 năm 2001 tại Rauischholzhausen, Đức. Hơn 50 người tham gia từ 14 quốc gia đã thảo luận về kinh nghiệm mô hình hóa của họ với đội ngũ phát triển mô hình từ Hoa Kỳ. Mười chín bài báo được chọn với các vấn đề từ những phát triển mới nhất, đánh giá quản lý lưu vực sông, các cách tiếp cận liên ngành cho quản lý lưu vực sông, tác động của thay đổi sử dụng đất, các khía cạnh phương pháp và các mô hình được derived từ SWAT đã được công bố trong số đặc biệt này. Bản quyền © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.

A độ chính xác của các dự đoán của các mô hình thủy văn phân tán phần nào phụ thuộc vào việc xác định đúng các đường chảy. Bài báo này khảo sát một số vấn đề trong việc xác định các đường chảy từ dữ liệu địa hình số raster trong bối cảnh dự đoán thủy văn sử dụng TOPMODEL. Trạng thái độ ẩm phân tán được dự đoán trong TOPMODEL dựa trên các chỉ số không gian phụ thuộc vào định nghĩa đường chảy. Độ nhạy của chỉ số này đối với thuật toán đường chảy và kích thước lưới được khảo sát trong trường hợp mà địa hình bề mặt là chỉ số tốt cho các градиент thủy lực địa phương. Một chiến lược cho trường hợp mà các đường chảy ngầm xuống dốc có thể khác biệt so với những gì được chỉ ra bởi địa hình bề mặt được mô tả qua một ứng dụng ví dụ.