أكثر

حساب مسارات التدفق في اتجاه مجرى نقطة ما

حساب مسارات التدفق في اتجاه مجرى نقطة ما


أقوم بتقييم مخاطر الفيضانات التي يشكلها فشل خط الأنابيب. أحتاج إلى حساب مسارات التدفق المحتملة لمياه الفيضانات في اتجاه مجرى المواقع الحرجة على طول خط الأنابيب باستخدام نظام المعلومات الجغرافية.

أنا على دراية بأساليب ArcGIS و QGIS / GRASS / SAGA لحساب شبكات القنوات ومستجمعات المياه المنبع من وجهة نظر معينة ولكن ما هي أفضل طريقة للتقييم المصب مسارات التدفق الناشئة في موقع نقطة؟

من الناحية المثالية ، ستكون أي طريقة مؤتمتة إلى حد ما حيث يتم تقييم عدد من المواقع.

يتوفر لدي ArcGIS 9.3 و QGIS (أحدث إصدار).


توجد أداة في أدوات التحليل الجغرافي المكاني GIS Whitebox GIS المجانية والمفتوحة المصدر (مرخصة من GNU) والتي يمكنها تحديد مسار التدفق من أي نقطة أو مجموعة من النقاط المحددة إما على شكل ShapeFile أو كمؤشر نقطي. الأداة تسمى تتبع ممرات الانحدار:

تأخذ الأداة مؤشر تدفق D8 (اتجاهات التدفق) كمدخل ، والذي يمكن حسابه باستخدام مؤشر التدفق D8 الأداة الموجودة أيضًا في ملف الأدوات الهيدرولوجية صندوق الأدوات. إذا كانت خوارزمية التدفق الأكثر انحدارًا (D8) غير مناسبة لتطبيقك ، فيرجى إبلاغي بذلك وسأقوم بتعديل الأداة لإخراج مسار تدفق D-infinity المتشتت أيضًا. الإدخال الثاني هو ملف "Seed Point" ، والذي يمكن أن يكون إما نقطية (مع جميع وحدات البكسل الصالحة ، الأكبر من صفر والتي تعمل كنقاط انطلاق لمسار التدفق) أو ملف ShapeFile للنقاط ، والذي يمكن اشتقاقه من خلال الرقمنة على الشاشة إذا رغبت . يرجى ملاحظة أنني المطور الرئيسي لمشروع Whitebox Geospatial Analysis Tools.


إذا كنت معتادًا بالفعل على أدوات التتبع الأولية ، فيجب أن تكون قادرًا على تطبيق الخطوات التالية:

  1. إنشاء خطوط نقطية ثابتة. القيمة الثابتة للصفر هي رقم مناسب.

  2. اطرح خط النقطية للارتفاع من الخطوط النقطية الثابتة ، مما يترك لك معكوس خط النقطية للارتفاع. إذا استخدمت قيمة ثابتة تساوي صفرًا ، فإن النقطية العكسية أصبحت الآن سالبة من خطوط الارتفاع (على سبيل المثال: الارتفاع 679.00 = -679.00).

  3. قم بتطبيق أدوات التتبع المنبع على خطوط المسح العكسي للحصول على مسار التدفق السفلي.

لم أفعل هذا بنفسي ، لكنه سيكون أسلوبي الأول. إذا حاولت أنت أو أي شخص آخر ذلك ، فيرجى مشاركة أي تحديات تواجهها.


حساب مسارات التدفق في اتجاه مجرى نقطة ما - نظم المعلومات الجغرافية

النمذجة الهيدرولوجية السطحية وتحديد مستجمعات المياه

مع زيادة الضغوط السكانية على المناظر الطبيعية ، يبحث مديرو الأراضي باستمرار عن طرق جديدة لإدارة ومراقبة المناظر الطبيعية و quothealth. & quot من أجل تحليل خصائص المناظر الطبيعية ، في الواقع ، من أجل مراقبة أي كائن ، من الضروري تقسيم هذا الكائن إلى وحدات يمكن إدارتها. في الماضي ، كانت المناظر الطبيعية تدار على أساس الملكية. ومع ذلك ، فقد أظهرت التجربة أن الأساليب القديمة لإدارة الأراضي لا تفعل بيولوجي اشارة. لا تتوقف معظم العمليات البيولوجية عند حدود الملكية. تهاجر أنواع الحيوانات عبر الأراضي الخاصة والعامة (طالما أنها تستطيع تجاوز الأسوار). قد تجتاز الأراضي الحرجية المتاخمة العديد من الملكيات. تتدفق التيارات عبر مختلف الملكيات والحدود السياسية.

ما تم اقتراحه كوحدة منطقية لإدارة الأراضي هو مستجمعات المياه. ما هو مستجمعات المياه؟ يعرّف قاموس التراث الأمريكي مستجمعات المياه على أنها: & quot المنطقة التي تصب في نهر أو نظام نهر أو جسم مائي. & quot يتم دائمًا تحديد مستجمعات المياه فعليًا بالمنطقة الواقعة أعلى المنبع من نقطة منفذ معينة. هذا يعني عمومًا أنه بالنسبة لشبكة التدفق ، فإن المنطقة المساهمة في المنبع إلى خط التلال. تفصل خطوط Ridgelines مستجمعات المياه عن بعضها البعض.

وهكذا ، فإن نهر كولومبيا له مستجمع مائي يمتد إلى منطقة كبيرة جدًا في أمريكا الشمالية ، من حدود واشنطن-أوريغون شمالًا إلى كولومبيا البريطانية ، ومن الجنوب إلى أوريغون ، ومن الشرق إلى التقسيم القاري. يتم تحديد مستجمعات المياه في نهر كولومبيا من خلال المنطقة التي تقع أعلى المنبع في المحيط الهادئ. لكن نهر كولومبيا له روافد عديدة. سمك السلمون ، الأفعى ، ويلاميت ، ليست سوى عدد قليل من الأنهار الأخرى التي تساهم في تدفق نهر كولومبيا. عندما تلتقي هذه الأنهار ، يمكن التعامل مع نهر كولومبيا كنقاط مخرج لكل رافد فردي ، وهكذا ، حتى الشبكة الهيدرولوجية للتيارات والأحواض الفرعية.


مستجمعات المياه في نهر كولومبيا

قبل أن يمكن إدارة المناظر الطبيعية كمستجمعات مائية ، نحتاج إلى تحديد حدود مستجمعات المياه ، حتى نتمكن من استخدام مصطلحات مكانية مشتركة. تحتوي العديد من تطبيقات برمجيات نظم المعلومات الجغرافية على إجراءات لتحديد حدود مستجمعات المياه ، وإجراء تحليلات هيدرولوجية أخرى. سيصف هذا القسم أدوات التحليل الهيدرولوجي لـ ArcGIS. وتشمل هذه الأدوات مثل ترسيم مستجمعات المياه ، وتراكم التدفق ، وطول التدفق.

تتوفر جميع الأدوات الهيدرولوجية في ArcGIS فقط بعد تمكين ملحق المحلل المكاني. يتم الوصول إلى الأدوات الهيدرولوجية من خلال برنامج ArcToobox.

    • إنشاء ماركا ألمانيا منخفض الكآبة
    • اتجاه التدفق
    • تراكم التدفق
    • نقاط منافذ مستجمعات المياه
    • تحديد مستجمعات المياه

    ترسيم مستجمعات المياه

    إنشاء DEM غير مكتئب

    تتمثل الخطوة الأولى في أي من أدوات النمذجة الهيدرولوجية في ArcGIS في ملء شبكة الارتفاع. يجب أن تبدأ بسطح لا يحتوي على أحواض. الأحواض هي مناطق تصريف داخلي ، أي مناطق لا تستنزف في أي مكان. السبب في ضرورة ملء الأحواض هو أنه تم بناء شبكة تصريف تعثر على مسار التدفق لكل خلية ، وفي النهاية خارج حافة الشبكة. إذا لم تستنزف الخلايا من حافة الشبكة ، فقد تحاول التصريف في بعضها البعض ، مما سيؤدي إلى حلقة معالجة لا نهاية لها.

    بالنظر إلى الشبكة في المقطع العرضي ، إليك صورة بسيطة لما يفعله FILLing ، إما تقطيع الخلايا الطويلة أو ملء الأحواض:


    ملحوظة : هذه العملية تتطلب استخدام الكمبيوتر بشكل مكثف. حاول فقط هذه العملية على شبكة كبيرة إذا كنت تستخدم جهاز كمبيوتر سريعًا ، إلا إذا كنت قادرًا على بدء العملية والعودة بعد فترة طويلة من الوقت.

    لحساب شبكة الصرف أو مستجمعات المياه ، يجب أن توجد شبكة مشفرة للاتجاه الذي تستنزف فيه كل خلية في السطح. يعد اتجاه التدفق مهمًا في النمذجة الهيدرولوجية لأنه من أجل تحديد مكان تصريف المناظر الطبيعية ، من الضروري تحديد اتجاه التدفق لكل خلية في المناظر الطبيعية. يتم تحقيق ذلك من خلال اختيار قائمة حساب اتجاه التدفق. لكل خلية في شبكة السطح ، يجد معالج شبكة ArcGIS الاتجاه الأكثر انحدارًا للأسفل.

    اتجاه التدفق هو وظيفة محورية. لكل حي من 3 × 3 خلايا ، يتوقف معالج الشبكة عند الخلية المركزية ويحدد الخلية المجاورة الأقل. اعتمادًا على اتجاه التدفق ، سيكون لشبكة الإخراج قيمة خلية في الخلية المركزية ، كما هو محدد بواسطة هذه المصفوفة:

    إذا كانت الخلية تتدفق شمالًا ، فعندئذٍ في شبكة الإخراج ، سيكون للخلية الموجودة في موقعها قيمة 64

    إذا كان اتجاه التدفق لخلية ما يرجع إلى الشمال ، ففي شبكة الإخراج ، ستكون قيمة تلك الخلية 64. لا تحتوي هذه الأرقام على أي معنى مطلق أو نسبي أو نسبة ، فهي تستخدم فقط كمواضع رقمية للاتجاه الاسمي قيم البيانات (لأن قيم الشبكة رقمية دائمًا).

    اتجاه التدفق هو اختيار على هيدرو قائمة. يجب أن يتم إجراؤه فقط على شبكات معروفة بأنها خالية من الأحواض.

    في إطار البيانات هذا ، يتم عرض الخلايا المتدفقة باتجاه الشمال باللون الأصفر.

    تراكم التدفق هو الخطوة التالية في النمذجة الهيدرولوجية. يتم تحديد مستجمعات المياه مكانيًا من خلال الخاصية الجيومورفولوجية للتصريف. من أجل إنشاء شبكة صرف ، من الضروري تحديد مسار التدفق النهائي لكل خلية على الشبكة الأفقية. يستخدم تراكم التدفق لإنشاء شبكة صرف ، بناءً على اتجاه تدفق كل خلية. من خلال اختيار الخلايا ذات التدفق المتراكم الأكبر ، يمكننا إنشاء شبكة من الخلايا عالية التدفق. يجب أن تقع هذه الخلايا عالية التدفق على قنوات التدفق وفي قيعان الوادي.

    بمجرد حساب تراكم التدفق ، من المعتاد تحديد تلك الخلايا ذات التدفق العالي. يمكن القيام بذلك باستخدام ملف استعلام الخريطة أو حساب الخريطة، أو ببساطة عن طريق تغيير تصنيف وسيلة الإيضاح. يجب أن يشبه العرض شبكة تيار متجه لمنطقة الدراسة.

    سيكون للخلايا ذات التدفق الأعلى قيمة أكبر ، وفي إطار البيانات أعلاه ، سيكون لونها أحمر أعمق.

    فيما يلي عرض للخلايا ذات التدفق المتراكم الذي يزيد عن 5000 خلية معروضة باللون الأحمر.

    يضاف إلى إطار البيانات تيارات متجهة. قيمة 5000 تبدو معقولة. تذكر أننا في النهاية سنحدد نقاط المنفذ ، لذلك من الأهمية بمكان أن يتم تحديد الخلايا ذات التدفق الأعلى في اتجاه التيار أكثر من جميع التيارات المرتفعة. أيضًا ، ستجد دائمًا أن شبكة تدفق المتجهات لا تتوافق تمامًا مع شبكة التدفق المولدة بـ DEM ، بسبب المصادر المختلفة لهذه البيانات.

    نقاط منفذ مستجمعات المياه (& quotpour & quot)

    الخطوة التالية في تحديد مستجمعات المياه هي تحديد نقاط الصب. عادة ما تكون هذه النقاط على حافة الشبكة ، أو مجرد مصب من التقاء الرئيسي. يتم إنشاء نقاط الصب عن طريق إضافة طبقة نقطة جديدة إلى المشروع. يجب إضافة النقاط القريبة من مركز الخلايا قدر الإمكان. لهذا السبب ، من الجيد أن يتم عرض الخلايا عالية التدفق وإطار البيانات على نطاق واسع جدًا.

    ضع العديد من نقاط الصب في إطار البيانات حسب الحاجة.

    قبل أن يمكن ترسيم مستجمعات المياه ، يجب تحويل النقاط إلى طبقة شبكية. يجب أن تحتوي النقاط على سمة عدد صحيح تحدد كل نقطة بشكل فريد ، لأن مستجمعات المياه الناتجة سيكون لها نفس قيمة خلايا الشبكة التي تعمل كنقاط صب. استخدم هذه السمة كحقل القيمة في شبكة الإخراج.

    تأكد من استخدام نطاق التحليل المطابق لمدى طبقة الشبكة التي تمثل الارتفاع. تأكد أيضًا من تعيين حجم الخلية بنفس حجم شبكة الارتفاع.

    تحديد مستجمعات المياه

    الخطوة الأخيرة في ترسيم مستجمعات المياه هي أداء الوظيفة نفسها. يحتاج معالج الشبكة إلى ثلاث طبقات شبكية: نقاط الصب وتراكم التدفق واتجاه التدفق.

    فيما يلي الخطوط الكنتورية الموضوعة فوق مستجمعات المياه. تقوم حدود مستجمعات المياه بعمل جيد إلى حد ما في اتباع خطوط التلال.

    وإذا كنت تواجه صعوبة في تصور الخطوط الكنتورية ، فإليك نموذج DEM المظلل بشكل تحليلي.

    سيكون عليك على الأرجح إجراء ترسيم مستجمعات المياه على أساس تكراري أثناء التحرك في اتجاه التيار. سيحتوي المستجمع المائي الأول على منطقة الدراسة بأكملها. ستنشئ الجولة الثانية من تعيينات مستجمعات المياه أحواض فرعية أولية. ستستمر في إنشاء أحواض فرعية أصغر وأصغر حتى يتم تحقيق أهداف دراسة الإدارة (على سبيل المثال ، الحد الأقصى لحجم الحوض الفرعي ، تمثيل جميع نقاط الصب ، أو تحديد منطقة الدراسة بأكملها).

    تحديد مستجمعات المياه تلقائيًا

    يمكن تحديد مستجمعات المياه تلقائيًا باستخدام حوض قيادة. يتم تحديد نقاط التدفق تلقائيًا من حيث تصب الشبكة عند حوافها ، ويتم تحديد مستجمعات المياه.

    هذه الطريقة سهلة ولا تحتاج إلا إلى مدخلات محدودة من المستخدم. ومع ذلك ، تمنع هذه الطريقة المستخدم من اختيار أو عرض نقاط الصب ، والتي تعد واحدة من أهم الخطوات في ترسيم مستجمعات المياه.

    يستخدم الترسيم التلقائي لمستجمعات المياه قيمة تراكم التدفق التي تحددها. يبحث ArcGIS عن الخلايا الموجودة على حافة الشبكة التي تحتوي على هذا المقدار من تراكم التدفق ، ويحول هذه الخلايا إلى نقاط صب. فيما يلي مستجمعات المياه التي تم إنشاؤها باستخدام حوض

    من المحتمل أن تؤدي هذه الطريقة إلى إنشاء عدد كبير من مستجمعات المياه ، لا يتطابق أي منها مع أي حدود يمكن استخدامها لتخطيط الإدارة.

    حساب طول التدفق

    إحدى الأدوات المتوفرة في مجموعة الأدوات الهيدرولوجية السطحية هي طول التدفق. طول التدفق هو المسافة المقطوعة من أي خلية على طول شبكة تدفق السطح إلى منفذ. يمكن استخدام هذا للعثور على المناطق القريبة من مواقع المياه الرأسية أو أقرب إلى منافذ التيار. في الصورة أدناه ، الخلايا الحمراء هي الأبعد عن مخرج التيار ، وتلك الخلايا الزرقاء هي الأقرب إلى المنفذ. بدءًا من مجموعة الخلايا الحمراء في وسط الغابة ، يتجه مسار التدفق شرقًا ، ثم شمالًا إلى نهر Little Mashel ، ثم باتجاه الشرق عبر نهر Mashel ، ثم يتجه أخيرًا جنوبًا وغربًا إلى نهر Nisqually.

    بالإضافة إلى طول التدفق الإجمالي ، من الممكن حساب طول التدفق المحلي ، من كل خلية إلى أقرب موقع تيار. هنا ، تكون الخلايا ذات اللون الأحمر بعيدة عن شبكة التدفق على طول مسار التدفق.

    قارن هذا بنتيجة مسافة إقليدية (خط مستقيم) بسيطة:

    يمكن لمسار طول التدفق أن يصوغ عن كثب تأثيرات المصب. على سبيل المثال ، قد تسلك رواسب المسار من أجل دخول قناة تيار لا تتطابق مع مسافة خط مستقيم بسيطة.


    الفصل 16 Geomorphometry في TAS GIS

    TAS هو نظام معلومات جغرافية (GIS) متاح مجانًا لأنظمة تشغيل Windows ® التي تم تطويرها لتحليل بيانات الارتفاع الرقمية. يستخدم البرنامج في الغالب للبحث الأكاديمي والتعليم في الجامعات في جميع أنحاء العالم. يعكس الاهتمام بـ TAS كأداة بحث قدراتها الكبيرة لنمذجة عمليات مستجمعات المياه. يحتوي البرنامج على قائمة واسعة من معلمات سطح الأرض ، ويتوفر بعد ذلك بشكل عام في حزم نظم المعلومات الجغرافية التجارية. يمكن أيضًا حساب العديد من شبكات التدفق وقياسات شكل الحوض من التدفقات المستخرجة ومستجمعات المياه من نموذج الارتفاع الرقمي (DEM). يقدم الفصل قوائم المعلمات الأولية والثانوية لسطح الأرض التي يمكن استخلاصها من DEMs باستخدام TAS. العديد من هذه المعلمات غير متوفرة بشكل شائع في حزم GIS والعديد منها متاح فقط في TAS. TAS سهل التثبيت وسهل الاستخدام ، مما يجعله مثاليًا للأغراض التعليمية وللاستخدام من قبل غير الخبراء. تم توجيه تطوير TAS إلى حد كبير من خلال التعليقات المقدمة من مجتمع المستخدمين وهو مستمر. تم إصلاح معظم الأخطاء التي حدثت في الإصدارات المبكرة من TAS في الإصدارات الأحدث.


    دع الأنبوب به مساحة $ A $ ، والثقب $ a $. دع ضغط الإدخال يكون $ p_i $ وسرعة الإدخال $ v_i $. استخدم نفس الترميز لسرعة الإخراج مع الرمز f. لنفترض أن سرعة السائل الخارج من الحفرة تساوي $ v_h $ ، والضغط الجوي $ p_0 $. الكثافة $ rho $.

    أنا أبتعد عن معادلة برنولي هنا ، لديها بعض المشكلات عند تطبيقها على أنظمة مثل هذه. سأنتقل من منظور أكثر أساسية.

    لنأخذ القليل من الوقت $ dt $. في هذا الوقت ، اترك عمودًا سائلًا بطول $ dx_i $ يدخل الأنبوب ، و $ dx_f $ اترك الأنبوب ، و $ dx_h $ اترك الفتحة. من الواضح أن $ dx_i = v_idt $ & ampc. الآن ، العمل الذي تم بالضغط هو $ p_iAdx_i $ عند المدخل ، و $ -p_fAdx_f $ عند المنفذ ، و $ -p_hadx_h $ عند الفتحة. إذن ، الشغل المنجز $ w = p_iAdx_i-p_fAdx_f-p_0adx_h $ الآن ، الماء ذو ​​الكتلة $ rho A dx_i $ يدخل بسرعة $ v_i $ & ampc. وبالتالي ، التغيير في الطاقة الحركية $ Delta KE = frac <1> <2> rho (Adx_fv_f ^ 2 + adx_hv_h ^ 2-Adx_iv_i ^ 2) $. تطبيق نظرية العمل والطاقة ، $ p_iAdx_i-p_fAdx_f-p_0adx_h = frac <1> <2> rho (Adx_fv_f ^ 2 + adx_hv_h ^ 2-Adx_iv_i ^ 2) qquad cdots (1) $

    الآن ، للحفاظ على الكتلة ، كمية المياه الداخلة هي $ rho Adx_i = rho Av_idt $. معادلة هذا بكمية المياه المتبقية ، وإلغاء $ dt $ ، $ Av_i = av_h + Av_f qquad cdots (2) $ (IIRC وهذا ما يسمى بمعادلة الاستمرارية)

    الآن ، استبدال $ v_idt = x_i $ & ampc في (1) ، وإلغاء $ dt $ نحصل على: $ p_iAv_i-p_fAv_f-p_0av_h = frac <1> <2> rho (Av_f ^ 3 + av_h ^ 3-Av_i ^ 3 ) qquad cdots (3) $

    أنا الآن أقوم بتطبيق الحفاظ على الزخم الأفقي. هذا خطأ ، لأن حواف الثقب يمكن أن تمارس قوة أفقية على النظام ، لكني أشعر أن الاضطراب سيظهر في الصورة بعد ذلك. نظرًا لأننا نتجاهل الاضطراب ، فلا بأس من تطبيق الزخم: $ rho Adx_iv_i = rho Adx_fv_f $ ، أو $ v_i ^ 2 = v_f ^ 2 implies v_i = v_f qquad (4) $ هذا يتعارض (2) ، ولكن يمكننا المتابعة بافتراض أن $ v_i almost v_f $. هذا يمكن تبريره فقط إذا كان $ A & gt & gta $. بعد ذلك ، يمكننا استبدال جميع مثيلات $ v_i ^ 3-v_f ^ 3 $ بـ $ 3v_i ^ 2 Delta v $ ، حيث $ Delta v = v_i-v_f = frac$. يمكن استبدال كل مثيلات $ v_f $ الأخرى بـ $ v_i $.

    إذا كانت لدينا معادلة أخرى ، فمن المحتمل أن نتمكن من حلها دون أي افتراضات ، لكن لا يمكنني التفكير في معادلة أخرى. أظن بشدة أن الوضع مستحيل دون التفكير في الاضطرابات (وربما سمك الحفرة). ثم أعتقد أننا قد نحتاج إلى تطبيق Navier-Stokes (لست جيدًا في ذلك).

    مع وجود ثقوب متعددة ، ستكون الطريقة متشابهة. نظرًا لأن $ v_i almost v_f $ ، فإن كل ثقب يغير الضغط فقط ، لذلك يمكنك تطبيق أي صيغة تحصل عليها بشكل متكرر مقابل $ p_f = f (p_i) $.


    حدود

    المدخلات النقطية التي توضح اتجاه التدفق خارج كل خلية.

    يمكن إنشاء خطوط اتجاه التدفق باستخدام أداة Flow Direction.

    اتجاه القياس على طول مسار التدفق.

    • المصب - لحساب مسافة المنحدر على طول مسار التدفق ، من كل خلية إلى حوض أو مخرج على حافة البيانات النقطية.
    • المنبع - يحسب أطول مسافة منحدر على طول مسار التدفق ، من كل خلية إلى قمة فجوة الصرف.

    إدخال نقطي اختياري لتطبيق وزن على كل خلية.

    إذا لم يتم تحديد الوزن النقطي ، فسيتم تطبيق وزن افتراضي قدره 1 على كل خلية. لكل خلية في البيانات النقطية الناتجة ، ستكون النتيجة عدد الخلايا التي تتدفق فيها.

    قيمة الإرجاع

    البيانات النقطية الناتجة التي تظهر لكل خلية المسافة بين المنبع والمصب على طول مسار التدفق.

    البيانات النقطية المدخلة التي توضح اتجاه التدفق خارج كل خلية.

    يمكن إنشاء خطوط اتجاه التدفق باستخدام أداة Flow Direction.

    اتجاه القياس على طول مسار التدفق.

    • DOWNSTREAM - حساب مسافة المنحدر على طول مسار التدفق ، من كل خلية إلى حوض أو مخرج على حافة البيانات النقطية.
    • UPSTREAM - يحسب أطول مسافة منحدر على طول مسار التدفق ، من كل خلية إلى أعلى فجوة الصرف.

    إدخال نقطي اختياري لتطبيق وزن على كل خلية.

    إذا لم يتم تحديد الوزن النقطي ، فسيتم تطبيق وزن افتراضي قدره 1 على كل خلية. لكل خلية في البيانات النقطية الناتجة ، ستكون النتيجة عدد الخلايا التي تتدفق فيها.

    قيمة الإرجاع

    البيانات النقطية الناتجة التي تظهر لكل خلية المسافة بين المنبع والمصب على طول مسار التدفق.

    عينة التعليمات البرمجية

    هذا المثال يحسب المسافة النهائية على طول مسار التدفق لكل خلية.

    هذا المثال يحسب المسافة النهائية على طول مسار التدفق لكل خلية.


    حساب مسارات التدفق في اتجاه مجرى نقطة ما - نظم المعلومات الجغرافية

    فيما يلي الاختصارات المستخدمة في مقاربة وزن الدليل.

    HW / D = نسبة عمق المياه الرأسية (HW) إلى نسبة قطر المجرى (D)

    R / D = ارتفاع خط الصدأ (R) إلى نسبة قطر المجرى (D)

    D / BMP = نسبة قطر المجرى (D) إلى القطر المطلوب المقدر (BMP). في هذه الحالة ، يعتمد القطر المطلوب المقدر على الفيضان لمدة 50 عامًا.

    VW / CW = نسبة عرض الوادي (VW) إلى عرض القناة (CW)

    * = غير موثق في النهج

    الجدول 10 - & # 8212 ملخص لحقول البيانات المقترحة لمستويات مختلفة من عبور مجرى الطريق وجرد وتقييم الصرف.


    اقتراحات الجرد والتقييم
    يمكن جرد شبكة تصريف الطرق على مستويات مختلفة من الشدة ، اعتمادًا على أهداف المخزون ، والقيود الزمنية والنقدية. سيوفر الجرد الأساسي ، على الأقل ، مواقع نظام الصرف المركب. في الطرف الآخر من الطيف يوجد تقييم كامل للمخاطر البيئية التي تتناول جميع المكونات المعروضة في الشكل 2. يتم تقديم أربعة مستويات مكثفة بشكل متزايد من الجرد والتقييم. تم تجميع تقنيات الجرد المقترحة هذه من مراجعة التقنيات الحالية المعروضة في القسم السابق ومن الدراسات الأخرى التي تفحص أداء تقاطعات الطرق.

    • جرد العواقب& # 8212 تم تصميمه لتحديد موقع النظام المثبت وتوثيقه وتحديد حدوث إمكانية التحويل فوق منطقة المخزون ، وهذا هو أسرع تقنية جرد. نظرًا لأن معالجة إمكانية التحويل غالبًا ما تكون غير مكلفة ومباشرة ، فهي تهدف إلى تحديد المواقع التي يمكن فيها التقليل بسهولة من عواقب التآكل الكبيرة.
    • الاتصال / جرد الصرف المتقاطع& # 8212 يحدد مقدار الطريق المتصلة هيدرولوجيًا بشبكة القنوات الطبيعية. ويقصد به 1) تحديد مناطق التعرية المزمنة حيث يتم تسليم الرواسب مباشرة إلى قنوات التدفق و 2) تحديد الفرص لتقليل آثار الرواسب على النظم البيئية المائية من خلال & # 8220 فصل & # 8221 الطرق من الجداول.
    • تقييم الخطر& # 8212 يعالج احتمال وحجم التآكل المحتمل لعبور الفشل بناءً على جهود جمع البيانات الأكثر شمولاً.
    • تقييم المخاطر البيئية& # 8212 بناءً على النتائج الناتجة عن تقييم المخاطر ، يتم دمج الموارد ذات الأهمية (نقاط النهاية) لتحديد المواقع التي لديها أكبر احتمالية للتأثير على تلك الموارد.
      ويرد ملخص لحقول البيانات هذه في الجدول 10 لمستويات الجرد الأربعة. بالنسبة للمصارف المتقاطعة ، يُقترح مجموعة بيانات أصغر (الجدول 10). لاحظ أنه يمكن تصميم مجموعات البيانات هذه لتناسب احتياجات محددة ولتلبية القيود الزمنية والمالية.

    المواد المطلوبة
    كل ما هو مطلوب لجرد النتائج هو شريط لقياس قطر المجرى ووسيلة لتحديد موقع الموقع (على سبيل المثال ، خريطة طبوغرافية أو صورة جوية).

    لمزيد من التقييمات المكثفة للأخطار أو المخاطر البيئية ، يلزم مقياس الميل أو مستوى اليد وقضيب الملاعب لقياس منحدرات التعبئة والقنوات. يُعد محدد المدى مفيدًا للحصول على مسافات تحويل محتملة أو لعمليات تعبئة كبيرة جدًا.

    يتم تحديد منطقة الصرف بسهولة باستخدام خريطة طبوغرافية ، ومع ذلك ، فإن تحديد موقع الموقع على الصور الجوية سيسهل أيضًا تطبيقات نظام المعلومات الجغرافية (GIS) المحتملة. يمكن أيضًا تحديد موقع الموقع باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، وقد تمت مناقشة هذا الأسلوب في الصفحة 18.

    الوقت اللازم
    سيختلف الوقت اللازم لمستويات الجرد والتحليل المختلفة اعتمادًا على الوصول ، وتكرار هياكل الصرف ، وطريقة جمع البيانات (أي استخدام نظام تحديد المواقع العالمي ، والذي تمت مناقشته في القسم التالي). التقديرات الواردة في الجدول 11 تفترض وصول المركبات ، ومسجل البيانات الآلي ، ونظام تحديد المواقع العالمي.

    استخدام نظام تحديد المواقع العالمي لعبور الجرد
    تشمل مزايا استخدام GPS ما يلي:

    • تحديد الموقع الدقيق لهياكل الصرف على طرق غير مخططة أو سيئة التخطيط
    • يتم إدخال معلومات الموقع مباشرة إلى مسجل البيانات دون الحاجة إلى نقل المعلومات لاحقًا
    • يمكن أن تنتقل نقاط GPS والبيانات المرتبطة بها مباشرة إلى نظام المعلومات الجغرافية.

    تشمل العيوب ما يلي:

    • تكلفة المعدات
    • أقل من الموثوقية الكاملة للمعدات
    • احتمال حدوث خطأ عامل التشغيل
    • حسب توفر القمر الصناعي ، والذي يمكن أن يتأثر بالتوقيت والمظلة والتضاريس
    • الحاجة إلى تدريب متخصص للعاملين في مجال الاستخدام الميداني وتقليل البيانات وتحليلها.

    يمكن إجراء جرد العبور باستخدام أو بدون استخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). يجب تحديد موقع المعابر بدقة بحيث يمكن حساب منطقة الصرف الحقيقية. يمكن المساعدة في ذلك باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، على الرغم من أنه لا يزال من المفيد تحديد الموقع على خريطة طبوغرافية وصورة جوية كنسخة احتياطية وتأكيد. في حالة عدم توفر نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، يجب أن تكون الخريطة الطبوغرافية والصورة الجوية كافيتين لتحديد موقع المعبر. لسوء الحظ ، لا تظهر بعض الطرق على الخرائط الطبوغرافية أو يتم تحديد موقعها بشكل تقريبي فقط. بدون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، من المحتمل أن يتم معالجة هذا الموقف بشكل أفضل من خلال رسم الموقع على صورة جوية ونقل هذه النقطة إلى صورة تقويمية أو تقويم رقمي.

    تحليل البيانات وتفسيرها
    استخدام نظام المعلومات الجغرافية في تقييم العبور

    تشمل مزايا استخدام نظام المعلومات الجغرافية لتقييم العبور ما يلي:

    • القدرة على دمج المعلومات المتقاطعة مع التغطيات الأخرى للتحليل والعرض
    • سهولة تحديث المعلومات عند حدوث ترقيات وإلغاء عمليات وفشل
    • حساب منطقة الحوض المساهمة للمعبور باستخدام خطوط الكنتور الممسوحة ضوئيًا لرسم المنطقة على شاشة
    • تبادل المعلومات ، والذي يمكن تعزيزه عن طريق نقل البيانات الإلكترونية.

    العيب الأساسي هو أن خبرة نظم المعلومات الجغرافية مطلوبة لمعالجة البيانات.

    بمجرد أن تكون مواقع العبور (النقاط) ، ومناطق الصرف (المضلعات) ، والمعلومات المرتبطة بها (السمات) في نظام GIS ، يصبح من السهل مقارنتها مكانيًا. يمكن أن تحتوي نقاط العبور على سمات مضافة من التغطيات المضلعة الحالية مثل: جيولوجيا الأساس الصخري ، الجيومورفولوجيا ، تدرج المنحدر ، موضع المنحدر ، التربة ، الغطاء النباتي ، وهطول الأمطار. قد تساعد هذه السمات في التنبؤ بخصائص المعابر غير المخترقة. يمكن التحقق من المعابر من أجل الدقة المكانية على الشاشة باستخدام تقويم العظام الرقمي أو عن طريق مقارنة مواقع العبور بمجرى الطريق أو تجويف الطريق (الانحدار حيث قد تحدث القناة كما هو موضح بواسطة خطوط الكنتور). يمكن رسم مواقع المعابر والسمات مثل تصنيف المخاطر بالاقتران مع التغطيات الأخرى مثل الطرق ، والتضخم ، وموضع المنحدر لإظهار مكان المعابر فيما يتعلق بهذه الميزات. يمكن أن يكون هذا مفيدًا للتحليل المكاني للمعلومات. على سبيل المثال ، قد تشير قطعة الأرض إلى أن معظم المعابر ذات الخطورة العالية تقع في مواقع منحدرات منخفضة على أنواع جيولوجية معينة في جزء معين من مستجمعات المياه. من ناحية أخرى ، قد يكون لموقع منحدر أعلى على نوع جيولوجي مختلف عدد قليل جدًا من المعابر ، مع وجود مخاطر منخفضة.

    حساب السعة الهيدروليكية
    السعة الهيدروليكية للقناة هي تدفق التصميم الذي يمكن أن تستوعبه عند عمق مائي محدد (عمق المياه عند المدخل فيما يتعلق بقاعدة مدخل المجاري). يمكن تحديد السعة من الرسوم البيانية المقدمة في نورمان وآخرون. (1985) لعمق معين من المنبع. بالنسبة للمداخل المنبعجة ، يجب تعديل القطر وفقًا لذلك. Piehl et al. (1988 أ) استخدم معادلة لتقريب نيموجراف للقناطر المعدنية الدائرية والمموجة التي يتحكم فيها المدخل.

    باستخدام هذه المعادلة ، تتيح بيانات المخزون المدمجة في جدول بيانات الكمبيوتر الحوسبة السريعة لقدرات المجاري. استنادًا إلى جمع البيانات الهيدرولوجية لكل موقع ، يمكن أن تولد التدفقات التخطيطية لفترات تكرار مختلفة منحنى تردد الفيضان والتعبير عن السعة الهيدروليكية للقناة كاحتمال تجاوز أو فاصل تكرار (T) (الشكلان 4 و 5). هذه الطريقة غير مناسبة للمصارف المتقاطعة أو المجاري الصغيرة حيث لا يمكن تحديد منطقة الصرف بدقة. بالنسبة للقنوات الكبيرة نسبيًا في المجاري الصغيرة ، يمكن أن ينتج عن الحساب والاستقراء فترات تكرار كبيرة بشكل غير معقول (أو احتمالات تجاوز صغيرة بشكل غير محتمل). للعرف ، السعة الهيدروليكية لها قيمة قصوى T = 250 سنة (ع = 0.004).

    يجب توخي الحذر عند تفسير النتائج. ستختلف عمليات التصريف اعتمادًا على الطريقة المستخدمة لتقدير تدفقات الذروة ، ويمكن أن يكون الخطأ لتقديرات تدفق التصميم الفردي كبيرًا. ومع ذلك ، إذا تم اعتباره ترتيبًا نسبيًا لجميع معابر مجرى الطريق في منطقة التقييم ، يمكن أن تشير النتائج إلى مواقع ذات أولوية عالية محتملة بناءً على احتمال التجاوز. نظرًا لأن التجاوز الهيدروليكي قد لا يكون الآلية الأساسية لعبور الفشل (الشكل 5) ، يجب وصف تقييم القدرة الهيدروليكية على أنه مستوى الفرز الأدنى لتقييم المخاطر. إذا لم تتمكن القناة من اجتياز ذروة تدفق التصميم ، فمن المحتمل أنه لا يمكن تمرير الحطام والرواسب المصاحبة أيضًا.

    تتطلب زيادة السعة الهيدروليكية للقناة عادةً إما زيادة حجم الأنبوب أو إضافة قنوات أو معالجات نهائية مثل المداخل الجانبية المستدقة (راجع AISI 1994 للحصول على قائمة بالمعالجات النهائية).

    سعة الحطام الخشبي
    يُعد سد القنوات بواسطة الحطام العضوي إحدى آليات الفشل الشائعة. يقلل الحطام المتراكم عند مدخل القناة من السعة الهيدروليكية ويعزز انسدادًا إضافيًا بواسطة الحطام العضوي والرواسب. على الرغم من أن تراكم الرواسب غالبًا ما يُعتبر سببًا للفشل ، إلا أن التنقيب يكشف أحيانًا عن انسداد بواسطة قطعة واحدة أو أكثر من قطع الخشب. علاوة على ذلك ، قد لا يكون الانسداد ناتجًا عن إعاقة نقل الحطام الكبير ، ولكن بسبب الأطراف الصغيرة والأغصان ، التي غالبًا لا تكون أطول بكثير من قطر المجرى (الشكل 6) ، والتي يتم نقلها بسهولة عن طريق العواصف التي تحدث بشكل متكرر (Flanagan في المراجعة)

    يؤثر عرض قناة التدفق على توزيع حجم الحطام الخشبي المنقولة (على سبيل المثال ، Lienkaemper and Swanson 1987 ، Nakamura and Swanson 1994 ، Braudrick et al. 1997). في القنوات ذات الترتيب المنخفض في شمال غرب كاليفورنيا ، كان 99 في المائة من الأخشاب المنقولة التي يزيد طولها عن 300 مم أقل من عرض القناة (Flanagan قيد المراجعة). تشير هذه النتائج إلى أن القنوات ذات الأحجام المساوية لعرض القناة سوف تمر بجزء كبير من الخشب الذي يحتمل أن يكون قابلاً للتوصيل. ومع ذلك ، تظل نسبة 1 في المائة المتبقية تشكل خطرًا. وبالتالي ، يمكن تقليل مخاطر انسداد الخشب ، ولكن لا يمكن القضاء عليها. يمكن تقييم سعة الحطام الخشبي للتقاطع عن طريق أخذ نسبة قطر المجرى إلى عرض القناة (w *). المعابر ذات القيم المنخفضة لـ w * تكون أكثر عرضة لانسداد الحطام. باستخدام منطقة الساحل الشمالي الغربي لولاية كاليفورنيا كمثال ، فإن تحجيم القنوات التي تساوي عرض القناة ، في معظم الحالات ، سوف يرضي ذروة تدفق التصميم لمدة 100 عام (الشكل 7). ومع ذلك ، على القنوات الأوسع (على سبيل المثال ، GT 2 م) ، يمكن أن تكون تكلفة استخدام هذه الاستراتيجية باهظة.

    سيؤثر تكوين حوض المدخل أيضًا على انسداد الخشب. يجب أن يسعى تصميم حوض المدخل للحفاظ على المقطع العرضي للقناة الموجود مسبقًا ، وشكل التخطيط ، وتدرج التدفق. عادة ما يكون توسيع القناة في اتجاه المنبع غير مرغوب فيه (الشكل 8). أثناء ظروف البركة (HW / D & gt 1) ، يتراكم الحطام في النقل في الدوامات التي تشكلها القناة الموسعة. يعزز دوران القطعة في الدوامات المحاذاة العمودية لمدخل القناة. علاوة على ذلك ، عندما يتم غمر المدخل بالكامل ، يتراكم الخشب في البركة. عندما يتم إعادة تعريض المدخل ، غالبًا ما يتم تقديمه بطوف هائل من الحطام ، وغالبًا ما يكون متشابكًا (الشكل 9).
    تؤثر زاوية اقتراب القناة ، أو انحراف المجاري ، أيضًا على موضع الحطام (الشكل 8). عندما تدخل القناة في المجرى بزاوية ، يزداد إيداع الحطام (Weaver and Hagans 1994). أثناء أحداث الجريان السطحي ، لا يمكن للخشب أثناء النقل أن يدور بالتوازي مع القناة ويمر خلالها. تتأثر المصارف المتقاطعة بهذا الانقباض لأنها غالبًا ما تمتلك زوايا اقتراب عالية (Garland 1983 و Piehl et al. 1988b).

    الشكل 4 & # 8212يتطلب تحديد سعة تصميم العاصفة لتركيبات المجاري الحالية استخدام مقدر للفيضان والقدرة الهيدروليكية للقناة المضبوطة لأي انبعاج أو تكسير للمدخل. باستخدام معادلة قدمها Piehl et al. (1988) ، يمكن أتمتة هذا الإجراء بسهولة في جدول بيانات أو تطبيق مشابه لتقييم عدد كبير من المجاري. راجع أيضًا الشكل 5.

    الشكل 5 & # 8212يمكن التعبير عن السعة الهيدروليكية للقناة كفاصل تكرار (T). في هذا المثال ، تم حساب تصريفين للتصميم لبرخ 900 ملم. التفريغ عند HW / D = 1 يتم تعيين فترة تكرار مدتها 31 عامًا (احتمالية التجاوز = 0.032). التفريغ اللازم لتجاوز الطريق (في هذه الحالة ، يكون ارتفاع التعبئة فوق انعكاس المدخل 1.5 مترًا) يتم تعيين فترة تكرار تبلغ 149 عامًا (احتمالية التجاوز = 0.0067). تم إنشاء هذا المثال لتكرار الفيضان باستخدام مقدر الفيضان الإقليمي لشمال غرب كاليفورنيا (Waananen and Crippen 1978).

    الشكل 6 & # 8212غالبًا ما يكون الحطام الخشبي الموجود في مداخل المجاري أطول قليلاً من قطر المجرى. لاحظ أنه يتم التعبير عن طول الخشب كنسبة لقطر المجرى (ن = 50).

    قدرة الرواسب
    تمت مناقشة ثلاثة أنواع من مدخلات الرواسب هنا: النقل النهري ، والرواسب & # 8220slugs ، & # 8221 وتدفق الحطام (كتلة لزجة ، متدفقة من المياه ، والرواسب ، والحطام الخشبي).

    بشكل عام ، تعتبر القنوات الناقلة فعالة للرواسب بسبب مقطعها العرضي الضيق والسلس نسبيًا والموحد. عادة ما تشكل الرواسب المنقولة بالفلوفيلي خطرًا ضئيلًا لتدفق تركيبات العبور. غالبًا ما يكون دفن المدخل بواسطة الرواسب المنقولة عبر النهر نتيجة الحطام الخشبي الموجود في المدخل. وبالتالي ، فإن ترسب الرواسب غالبًا ما يكون نتيجة وليس سببًا للفشل. تم دمج تصميم المجاري وتقييم الحد الأقصى لحجم الجسيمات المحتمل الذي من المحتمل أن يتم تعبئته أثناء التدفقات القصوى لتمرير الأحمال ، مما يضمن قطرًا ومنحدرًا كافيين. من أجل تمرير الرواسب ، يجب ضبط القنوات على درجة مرتبطة بقناة التيار (Weaver and Hagans 1994). قيمة المؤشر لخطر انسداد الرواسب هي نسبة منحدر المجرى إلى منحدر القناة (س*). يفترض هذا أن القنوات المسطحة نسبيًا على القنوات شديدة الانحدار تكون أكثر عرضة لتراكم الرواسب من القنوات شديدة الانحدار.

    عادةً ما تكون المدخلات السريعة والأكثر كارثية للرواسب (& # 8220 الرواسب البزاقة & # 8221) مسؤولة عن الفشل الناجم عن الرواسب. قد تؤدي حالات الفشل الصغيرة من المنحدرات شديدة الانحدار بالقرب من المدخل إلى دفن مداخل المصارف المتقاطعة وعبور التيار الصغير. تكون المجاري الصغيرة ذات الأحواض الصغيرة نسبيًا المداخل المجاورة للمنحدرات شديدة الانحدار هي الأكثر عرضة لذلك. ومع ذلك ، من الصعب التنبؤ بالمكان الذي يحتمل أن تحدث فيه مثل هذه الإخفاقات. إذا كان الدليل يشير إلى احتمال فشل المنحدرات المجاورة ، فيجب إجراء مزيد من التفتيش على الموقع. أثناء مرحلة التصميم ، يجب وضع المداخل بعيدًا عن منحدرات القطع غير المستقرة. في حين أن توسيع حوض المدخل لالتقاط الحطام يعد خيارًا ، إلا أنه يجب تنفيذه فقط في حالة عدم وجود معالجة أخرى لأن الأحواض الموسعة قد تغير المكونات الهيدروليكية للتيار وتعزز الحطام الخشبي وترسب الرواسب.

    تقييم مخاطر تدفق الحطام أمر صعب. تمت مناقشة الخصائص المورفومترية لتدفقات الحطام ومناطق البدء بواسطة Costa and Jarret (1981) و Benda (1990). يمكن تقدير مخاطر تدفق الحطام من الصور الجوية وبيانات التضاريس الرقمية والأدلة في الموقع (على سبيل المثال ، Chatwin وآخرون 1994). تتفاعل تدفقات الحطام مع مناشير التعبئة المتقاطعة لتيار الطريق إما عن طريق الإزالة أو الإمساك بالحشو. يجب تقليل أحجام الردم لتقليل تكاليف الاستبدال أو الحفر. يمكن للمخلفات المهواة التعامل بفعالية مع تدفقات الحطام عن طريق تقليل التدخل في عمليات التدفق الطبيعي من ملء الطريق. البديل الآخر هو & # 8220 التصلب & # 8221 التعبئة لتقليل فرصة الانجراف.

    الشكل 7 & # 8212القدرة الهيدروليكية (معبراً عنها بفاصل تكرار) بـ 22 قناة بأقطار تساوي عرض القناة. يجب موازنة مثل هذه الإستراتيجية لتسهيل مرور الحطام الخشبي مع تكاليف تركيب مجرى هواء كبير على قناة واسعة. التكاليف هي أقل أهمية في القنوات الأصغر. يمكن أن تقلل تعديلات المدخل لتعزيز المرور من الحاجة إلى أقطار كبيرة للقناة. البيانات من شمال غرب كاليفورنيا.

    الشكل 8 & # 8212عرض خطة حوض المدخل. تعمل أحواض المدخل التي تحافظ على التكوين الطبيعي للقناة على تعزيز نقل الحطام والمرور عبر القناة. عندما يُسمح للتيار بالانتشار بشكل جانبي ، يمكن أن يتراكم الحطام ويزيد من فرصة الانسداد. علاوة على ذلك ، يتم تعزيز دوران الحطام في الدوامات المضطربة لتدفق اتساع. وبالمثل ، عندما تغير القناة اتجاهها بشكل مفاجئ ، يتم تحسين ترسيب الخشب. هذا تكوين شائع للمصارف المتقاطعة.

    عواقب التآكل
    عند تجاوز سعة العبور ، تتراكم المياه والحطام والرواسب في حوض المدخل. إذا كان تجاوز السعة حجمًا كافيًا ، فسيحدث تجاوز التعبئة مع عواقب تآكل مصاحبة. إن تقدير عواقب التآكل المحتملة أمر بسيط نسبيًا. سيؤثر المسار الذي تسلكه المياه الفائضة أثناء تجاوز السعة على حجم العواقب. التآكل من التدفقات التي تتخطى التعبئة وإعادة دخول القناة بالقرب من المخرج مقيد بكمية مواد تعبئة الطريق التي تمتد عبر القناة. تمت مناقشة حساب حجم التعبئة أدناه. عندما ينحدر الطريق بعيدًا عن المعبر في اتجاه واحد على الأقل ، يمكن تحويل التدفقات الفوقية خارج القناة وبعيدًا عن الموقع عبر الطريق أو الخندق (الشكل 10). يعد التعرف على إمكانات التحويل أمرًا مهمًا وقد تتآكل كميات كبيرة من المواد حيث تؤدي التدفقات إلى توسيع الخندق الداخلي وتجاوز المعابر المجاورة و / أو توسيع قنوات الاستقبال و / أو التدفق على منحدرات التلال غير المعتادة على التدفقات البرية المركزة. للحصول على مناقشة أكثر اكتمالاً حول إمكانية التحويل ، ارجع إلى الوثيقة المصاحبة في هذه السلسلة ، & # 8220Diversion Potential at Road-Stream Crossings & # 8221 (Furniss et al. 1997).

    الشكل 9 & # 8212في المناطق التي يتدفق فيها الحطام الخشبي في مجرى مجرى النهر ، فإن المعابر التي تشكل مياه البركة ستشكل فرصة أكبر للانسداد من المعابر التي لا تتجمع فيها المياه. يتراكم الخشب في منطقة البركة ومن المحتمل حدوث انسداد عندما تنخفض التدفقات وتعريض المدخل لكتلة الحطام.

    الشكل 10 & # 8212يمكن أن يؤدي تحويل تدفقات التدفق عند تقاطعات التدفق إلى عواقب تآكل كبيرة بعيدة كل البعد عن موقع الفشل الأولي. هنا ، أدت المياه التي تم تحويلها على طول الخندق الداخلي لعدة مئات من الأمتار إلى حدوث أعطال إضافية في العبور على طول الطريق. الصورة مقدمة من غابة سيسكيو الوطنية.

    تقدير حجم التعبئة
    حسابات حجم الملء مطلوبة لتقييم المخاطر وتقييمات المخاطر البيئية. الإجراء الخاص بحساب حجم الملء الموصوف مناسب فقط لتقدير كمية المواد القابلة للتآكل أو كمية المواد التي سيتم حفرها للمعالجة. نظرًا لأنه من المفترض أن يؤدي فشل العبور إلى إزالة منشور التعبئة بالكامل ، ويتم استخدام تقريب لهذه القيمة لتقييم عواقب التآكل ، لا ينبغي استخدام هذه الطريقة لمواصفات العقد ، والتي تتطلب استطلاعات أكثر تفصيلاً. تم تصميم هذا المجلد للمساعدة في المقارنات بين المواقع. لا يشمل التيار المتعرج الذي يحتمل تآكله الذي يصل إلى المنبع من المعابر المحددة فوق الدرجة أو الأحجام المرتبطة بالتأثيرات خارج الموقع في حالة فشل العبور. علاوة على ذلك ، فإن القياس الفردي لعرض التعبئة (WF) على طول خط الوسط للطريق غالبًا ما يبالغ في تقدير الجزء العلوي من التعبئة (V.ج) وتقليل جزء المصب (V.د).يمكن حساب حجم أكثر دقة إذا تم أخذ عرض التعبئة على حافة الطريق الداخلية والخارجية. يتم استخدام متوسط ​​هذين القياسين لحساب الحجم تحت سطح الطريق (V.ص).

    لحساب حجم التعبئة (انظر الشكل 11) قم بقياس:

    دبليوF = عرض التعبئة على طول خط الوسط للطريق وعمودي على محور القناة

    دبليوج = عرض القناة المعرضة للفيضانات

    إلش = ملء طول المنحدر من الحافة الداخلية للطريق إلى عكس المدخل

    سش = منحدر L.ش (على درجات). إذا تم جمع البيانات الميدانية بالنسب المئوية ، يتم إجراء التحويل إلى درجات باستخدام وظيفة قوس الظل.

    يشير الرمز & # 8220d & # 8221 في المعادلات التالية إلى القياسات المذكورة أعلاه التي تم أخذها على الجزء السفلي من تعبئة الطريق.

    الشكل 11 & # 8212قياسات التعبئة المتقاطعة & # 8212 الخطوط الصلبة هي القيم المقاسة ، ويتم حساب الخطوط المتقطعة. لاحظ أن L.د غالبًا ما يمتد أسفل فتحة المجرى. الطريقة المعروضة هنا مخصصة لتقدير حجم التعبئة. سيحدث بعض الاستخفاف على جانب المصب بينما سيتم المبالغة في تقدير جزء المدخل.

    التوصيل الهيدرولوجي & # 8212 تقييم إمكانات التآكل المزمن
    تمثل المصارف المتقاطعة حالة خاصة لعواقب التآكل. بالإضافة إلى الخضوع للمدخلات التي تمت مناقشتها أعلاه ، فإن المصارف المتقاطعة تركز على تصريف المياه من سطح الطريق وتعترض المياه الجوفية عند منحدر القطع. غالبًا ما يتم نقل هذه المياه إلى منحدرات التلال غير المتقنة حيث قد يتشكل أخدود. قد تتصل هذه القناة المشكلة حديثًا بشبكة القنوات الطبيعية ، وتمددها ، وتساهم في الرواسب المستمدة من الطريق والجريان السطحي الإضافي للنظام البيئي المائي. أثناء عملية الجرد ، يجب توثيق المصارف المتقاطعة مع الأخاديد أو أعمدة الرواسب الممتدة إلى قناة طبيعية من أجل المعالجة الممكنة.

    يتم جمع أطوال أجزاء الطريق المتصلة بشبكة القناة الطبيعية ، ويتم تحديد نسبة شبكة الطرق المتصلة هيدرولوجيًا. يمكن استهداف الطرق الفردية ذات الاتصال العالي من أجل & # 8220 قطع الاتصال & # 8221 من خلال المعالجة المناسبة (على سبيل المثال ، الانحدار على المنحدرات أو الانحدار إلى الخارج).

    يمكن أيضًا حساب امتداد شبكة القناة الناتج عن الطرق إذا كان طول الخندق ومدى الأخدود / العمود الناتج عن الطريق معروفًا. يمكن استخدام الامتداد النسبي لشبكة الصرف لتحديد المناطق التي يكون فيها النظام الهيدرولوجي الطبيعي أكثر تأثراً.

    إجراء التقييم
    قد تستمر التقييمات بمجرد اكتمال الجرد والحسابات المطلوبة لمستوى المخزون. تم وصف تقنيات لكل مستوى من مستويات المخزون أدناه.

    الاتصال / جرد الصرف المتقاطع
    سينتج عن جرد الاتصال قائمة بأجزاء الطريق المتصلة هيدرولوجيًا بشبكة القناة. هذا المستوى من المخزون لا يعطي الأولوية للقطاعات. ستعتمد المعالجات إلى & # 8220 فصل & # 8221 قطاعات الطريق الفردية على توافر الأموال واحتياجات النقل.

    جرد العواقب
    ينتج عن جرد العواقب قائمة بالمواقع التي يمكن تحويلها. ستعتمد العلاجات للقضاء على إمكانية التحويل على توافر الأموال واحتياجات النقل. يمكن أن يعتمد تحديد أولويات المواقع أيضًا على الطول المحتمل للتحويل وتلقي الميزات.

    تقييم الخطر

    لتقييم المخاطر ، يتم تعيين درجة للمواقع بناءً على عدة عناصر. بالنسبة لبيانات الخطر ، التي تم تجميعها في جدول بيانات أو قاعدة بيانات ، يمكن تعيين الدرجات عن طريق الفرز على كل عنصر من العناصر أو باستخدام اذا ثم أمر. يهدف نظام التسجيل المقترح أدناه إلى توفير وسيلة مرنة لتقييم العبور. يمكن للمستخدم تعديل النتائج وإضافة عوامل أخرى لتناسب احتياجات المخزون.

    درجة الخطر = المدخلات + السعة + العواقب

    المدخلات وعناصر تسجيل القدرات هي:

    • T & # 8212 تعبير عن السعة الهيدروليكية (أقل قيم T هي أكبر خطر)
      - T & lt 10 سنوات: 3
      - T من 10 إلى 100 سنة: 2
      - T & GT 100 سنة: 1
      - الموقع ليس به منطقة تصريف محددة أو أنه مستنقع غير مجرى: 0
    • w * & # 8212 تعبير عن سعة الحطام الخشبي & # 8212 قطر المجلفن / عرض القناة (القيم الأدنى هي أكبر خطر)
      - w * & lt 0.5: 3
      - w * 0.5 إلى 1.0: 2
      - w * & gt 1.0: 1
      - لا توجد قناة محددة: 0
    • زاوية الانحراف & # 8212 عامل إضافي لسعة الحطام
      - موقع بقناة محددة و زاوية الانحراف & gt 45 درجة: 1
      - موقع بدون قناة محددة أو زاوية الانحراف & # 8804 45 درجة: 0
    • s * (منحدر المجرى / منحدر القناة) & # 8212 يمكن استخدامه لتقييم قدرة المجرى المائي على نقل الرواسب (القيم الأدنى هي أعلى المخاطر)
      - s * & lt 0.3: 2
      - ق * 0.3 إلى 0.6: 1
      - s * & gt 0.6: 0
    • R & # 8212if الطرق المنحدرة موجودة
      - توجد طرق Upslope: 1
      - في حالة عدم وجود طرق منحدر: 0

    بالنسبة لدرجات النتائج ، فإن عمليات العبور مع إمكانية تحويل التدفق تأخذ الأولوية على القنوات المحتملة لعدم التحويل لأن تحويل التيار يؤدي عادةً إلى أحجام متآكلة أكبر بكثير.

    • مسافة التحويل (القيم الأعلى هي الخطر الأكبر)
      - المسافة & GT 300 م: 5
      - المسافة من 100 الى 300 م: 3
      - المسافة من 50 الى 100 م: 2
      - المسافة & لتر 50 م: 1
      - لا توجد إمكانية تحويل: 0
    • التحويل إلى ميزة استقبال غير مستقرة (فئات محددة مسبقًا من البيانات الحالية ، على سبيل المثال ، تدفق الأرض ، جانبية شديدة الانحدار)
      - التحويل إلى شكل أرضي غير مستقر (قد يكون هو نفسه الجيولوجيا غير المستقرة الموصوفة
      أدناه): 3
      - التحويل إلى حشوة جانبية: 2
      - التحويل إلى قاع الوادي: 1
    • حجم التعبئة (الأحجام الأكبر هي أكبر المخاطر)
      - الحجم و GT 1000 م & sup3: 4
      - حجم 500-1000 م & sup3: 3
      - الحجم من 100 إلى 500 م & sup3: 2
      - الحجم & لتر 100 م & sup3: 1
    • الجيولوجيا غير المستقرة (فئات محددة مسبقًا من البيانات الجيولوجية الحالية)
      - الموقع يقع في منطقة غير مستقرة: 3
      - يقع الموقع في منطقة تضاريس غير مستقرة إلى حد ما (إن أمكن): 2
      - يقع الموقع في منطقة تضاريس مستقرة نسبيًا: 0
    • متصلة هيدرولوجيا
      - الموقع عبارة عن معبر مجرى طريق أو مجرى عرضي متصل هيدرولوجيًا بشبكة الصرف: 1
      - الموقع عبارة عن مصرف عرضي غير متصل بشبكة الصرف: 0

    يتم تحديد أولويات المواقع بناءً على نتائجها النسبية. ومع ذلك ، يمكن أن تضيع ميزات مهمة في حساب درجة الخطر. على سبيل المثال ، قد يحتوي الموقع الذي يحتوي على درجة عالية من احتمالية التحويل على درجات منخفضة جدًا للعناصر الأخرى. في هذه الحالة ، قد يرغب المستخدم في تصنيف الموقع تلقائيًا كأولوية عالية للعلاج.

    تقييم المخاطر البيئية

    لتقييم المخاطر البيئية ، تستخدم درجة التقاطع نقاط نهاية محددة مسبقًا جنبًا إلى جنب مع درجات المخاطر الموصوفة سابقًا. يتم التعبير عن المخاطر البيئية على النحو التالي:

    المخاطر البيئية = المخاطر النهائية

    قيمة نقاط النهاية هي مجموع قيم نقاط النهاية الفردية للموقع.

    يتم تعيين قيمة واحدة للموقع إذا كان يؤثر على نقطة نهاية. قد تكون بعض نقاط النهاية:

    • الأسماك (أو الأنواع الأخرى ذات الأهمية الخاصة) في الموقع & # 8212 هذا يجب أيضًا إنشاء تقييم منفصل لممر الأسماك.
    • الأسماك (أو الأنواع الأخرى ذات الأهمية الخاصة) داخل الحوض الجاري جرده.
    • مستجمعات المياه الفرعية التي تحتوي على المعبر لها قيمة ملجأ (على سبيل المثال ، رافد المياه الباردة).
    • إمدادات المياه المنزلية في الحوض.
    • منطقة الإدارة الخاصة & # 8212 مناطق الاستخدام الخاص قد تتطلب تخصيص وزن إضافي لتلك المواقع.

    عدد نقاط النهاية غير ثابت ويجب مناقشتها والاتفاق عليها من خلال تحليل متعدد التخصصات. للحصول على نتائج ذات مغزى ، يجب تحديد نقطة نهاية واحدة على الأقل.

    يقدم الجدول 12 مثالاً لجدول الغلبة من تقييم المخاطر البيئية الذي تم إجراؤه على 383 تقاطع طريق في منطقة 295 كم & sup2. توضح الملاحظات أن الطرق الفردية تميل إلى الحصول على غالبية المواقع التي تسجل نقاطًا مماثلة. يعد هذا مناسبًا لتطوير البرامج أو إيقاف تشغيلها حيث يكون من العملي للغاية معالجة جزء واحد من الطريق أو منطقة معينة.

    محددات
    تتطلب الدرجات النهائية تفسيرًا دقيقًا. يمكن فقدان السمات الهامة (مثل الأسماك في الموقع) في حالة عدم وجود عناصر خطرة كبيرة في الموقع. على الرغم من أن النهج مصمم لجعل نقاط النهاية تعكس مستوى المخاطر البيئية ، يجب على المستخدم تقييم ما إذا كان سيناريو المخاطر البيئية واقعيًا. هذا النهج هو المقصود ل يقترح مواقع لمزيد من التفتيش.

    قد يرغب المستخدمون في تعديل نظام التسجيل ليعكس الإعدادات المحلية. يهدف نظام التسجيل المقدم إلى تعيين قيم مخاطر أعلى للمعابر مع إمكانية التحويل. العناصر التي لا تلعب دورًا كبيرًا في زيادة مخاطر الموقع بناءً على الملاحظات في المناطق الجبلية (على سبيل المثال ، s *) تضيف أقل إلى درجة الخطر الإجمالية. مرة أخرى ، الأمر متروك للمستخدم لتقييم حجم الدرجات وتحديد ما إذا كانت تمثل الحجم النسبي لعناصر الخطر في منطقة المخزون.

    تقييم النتائج حسب جزء الطريق
    يتمثل أحد البدائل لتقييم نتائج مقياس الموقع في إنشاء نتائج لأجزاء الطريق الفردية. هذا النهج مناسب بشكل خاص حيث تستخدم جهود تخطيط النقل وإيقاف التشغيل أجزاء الطريق كوحدة للتحليل. التوصيل الهيدرولوجي مناسب تمامًا لهذا النهج. يمكن استخدام نهج مماثل لقائمة جرد المخاطر كما هو موضح في الجدول 13.

    البيانات المناسبة لتقييم أجزاء الطريق بالإضافة إلى تلك المدرجة في الجدول 13 هي:

    • طول الخندق / كم من الطريق
    • متوسط ​​طول الخندق / الصرف المتقاطع (أو العبور)
    • يعني درجة الخطر
    • يعني درجة المخاطرة.

    تقييمات العبور الفاشلة
    توفر حالات الفشل المتقاطعة فرصة فريدة لتقييم إجراءات التصميم والتركيب. بعد أحداث العاصفة الكبيرة ، غالبًا ما يتم إنشاء تقارير أضرار العواصف للمساعدة في تقييم حجم ومدى الضرر. يجب أن توفر هذه الجهود الفرصة للتصميم التكيفي. يتبع مناقشة الميزات التكيفية المصممة لمعالجة تركيبات المجاري الفاشلة.

    آليات فشل عبور مجرى الطريق
    يعد تحديد آلية الفشل في الموقع أمرًا مهمًا لأنه من المحتمل أن يتكرر الفشل ما لم يتم تنفيذ التصميمات لتقليل المخاطر المستقبلية. يسرد الجدول 14 الآليات ، وأدلة ما بعد الفشل للآليات ، ومعايير التصميم المحتملة للحد من المخاطر. بشكل عام ، ينتج الفشل عن:


    4.2 تقدير الجريان السطحي

    يتم تحديد حجم أي تركيب للصرف وفقًا لاحتمالية حدوث ذروة تصريف متوقعة خلال العمر الافتراضي للتركيب. هذا ، بالطبع ، مرتبط بكثافة ومدة أحداث هطول الأمطار التي تحدث ليس فقط في المنطقة المجاورة المباشرة للهيكل ، ولكن أيضًا في الجزء العلوي من الهيكل. في مناطق الثلج ، قد تكون ذروة التفريغ نتيجة فترة الاحترار الشديد التي تسبب ذوبان الجليد السريع.

    بالإضافة إلى النظر في شدة حدث ذروة هطول الأمطار ومدته ، فإن التكرار ، أو عدد المرات التي يُتوقع فيها حدوث الحد الأقصى للتصميم ، يعد أيضًا أحد الاعتبارات ويعتمد في الغالب على عمر الطريق وحركة المرور وعواقب الفشل . غالبًا ما تتضمن الطرق السريعة الأساسية فترات تكرار تتراوح من 50 إلى 100 عام ، والطرق الثانوية 25 عامًا ، وطرق الغابات ذات الحجم المنخفض من 10 إلى 25 عامًا.

    من المياه التي تصل إلى الأرض على شكل مطر ، سيتسرب بعضها إلى التربة ليتم تخزينها حتى يتم امتصاصها بواسطة النباتات أو نقلها عبر المسام كتدفق تحت السطح ، وسيتبخر بعضها مرة أخرى في الغلاف الجوي ، وسيساهم الباقي للتدفق البري أو الجريان السطحي. يتكون تدفق التدفق من رطوبة التربة المخزنة التي يتم توفيرها للتيار بمعدل ثابت إلى حد ما أو أقل على مدار العام في شكل تدفق المياه الجوفية أو الجوفية بالإضافة إلى المياه التي تساهم في القناة بسرعة أكبر حيث تتوسع شبكة الصرف إلى قنوات سريعة الزوال لتضمينها هطول الأمطار الزائدة خلال حدث عاصفة كبيرة. تعتمد نسبة هطول الأمطار التي تتحول في النهاية إلى تدفق مجرى على العوامل التالية:

    حجم منطقة الصرف. كلما كبرت المساحة ، زاد حجم الجريان السطحي. هناك حاجة إلى تقدير مساحة الحوض من أجل استخدام صيغ الجريان السطحي والرسوم البيانية.

    الطبوغرافيا. يزداد حجم الجريان السطحي بشكل عام مع انحدار المنحدر. قد يوفر متوسط ​​الانحدار ، وارتفاع الحوض ، والجانب ، على الرغم من أنه لا يتم طلب ذلك غالبًا في معظم صيغ الجريان السطحي والرسوم البيانية ، أدلة مفيدة في تحسين التصميم.

    تربة . يختلف الجريان السطحي باختلاف خصائص التربة ، وخاصة النفاذية والقدرة على التسلل. معدل تسلل التربة الجافة ، بحكم طبيعة نفاذية التربة الجوهرية ، سوف ينخفض ​​باطراد مع مرور الوقت عندما تصبح مبللة ، بالنظر إلى معدل هطول الأمطار المستمر. إذا كان معدل هطول الأمطار أكبر من معدل التسلل النهائي للتربة (قدرة التسلل) ، فإن تلك الكمية من المياه التي لا يمكن امتصاصها يتم تخزينها في المنخفضات في الأرض أو تتدفق من السطح. أي حالة تؤثر سلبًا على خصائص تسلل التربة ستزيد من كمية الجريان السطحي. قد تشمل هذه الظروف الكراهية للماء والضغط والأرض المتجمدة.

    يتوفر عدد من الطرق المختلفة للتنبؤ بتدفقات الذروة. يعد تحليل تواتر الفيضانات أكثر الطرق دقة المستخدمة عند توفر بيانات هيدرولوجية كافية. على سبيل المثال ، نشرت هيئة المسح الجيولوجي بالولايات المتحدة معادلات تجريبية تقدم تقديرات لتصريفات الذروة من التيارات في أجزاء كثيرة من الولايات المتحدة بناءً على البيانات الإقليمية التي تم جمعها من التدفقات "المحجوبة". في شمال غرب ولاية أوريغون ، كشف تحليل التردد أن التصريف لحدث التدفق الذي له فاصل تكرار مدته 25 عامًا يرتبط ارتباطًا وثيقًا بمنطقة الصرف وكثافة هطول الأمطار لحدث العاصفة لمدة عامين و 24 ساعة. هذا ، إلى حد بعيد ، هو أفضل وسيلة لتقدير تدفقات الذروة على تيار غير مسقوف حيث يمكن تحديد فترة التكرار المرتبطة بأي حدث تدفق معين واستخدامها لتقييم احتمالية الفشل.

    يجب تحديد احتمالية حدوث تدفقات الذروة التي تتجاوز السعة التصميمية لتركيب عبور تيار مقترح واستخدامها في إجراء التصميم. لدمج هذه المعلومات في التصميم ، يجب تحديد مخاطر الفشل على مدى عمر التصميم. من خلال تحديد مستوى مقبول من المخاطر ، يحدد مدير الأرض رسميًا المستوى المطلوب من النجاح (أو الفشل) الذي يجب تحقيقه مع هياكل تصريف الطرق. يسرد الجدول 25 فترات تكرار الفيضانات للتركيبات فيما يتعلق بعمر تصميمها واحتمال الفشل.

    الجدول 23: فترة تكرار الفيضان (سنوات) فيما يتعلق بعمر التصميم واحتمال الفشل. * (ميغان ، 1977).


    حساب مسارات التدفق في اتجاه مجرى نقطة ما - نظم المعلومات الجغرافية

    توفر مستجمعات المياه الحرجية بيئة هيدروجيولوجية فريدة لدراسة آثار العمليات مثل تغير المناخ ، والترسب الحمضي ، وإزالة الغابات ، والتوسع الحضري الزاحف. ومع ذلك ، فإن أوجه عدم اليقين الرئيسية الواضحة من محاولات نمذجة الهيدرولوجيا والكيمياء لمستجمعات الغابات تتمثل في تحديد كمية المياه التي يتم توصيلها من مسارات التدفق الهيدرولوجية المختلفة لتدفق التيار ، وتحديد تفاعلات التجوية التي تحشد المواد المذابة على طول ممرات التدفق هذه. تعتبر الأدوات الموثوقة لتقييم كل من المياه والمصادر المذابة ضرورية إذا أردنا أن نفهم تمامًا آثار الاضطرابات الطبيعية والبشرية على وظيفة مستجمعات المياه.

    تعتبر نظائر الأكسجين والهيدروجين (أي "نظائر الماء") الآن أدوات شائعة الاستخدام لتحديد مصادر المياه في مستجمعات المياه. يتمثل الاستخدام الرئيسي لنظائر O و H في أبحاث مستجمعات المياه في تحديد مساهمات المياه "القديمة" و "الجديدة" في تدفق العواصف (Sklash et al.، 1976 Sklash and Farvolden، 1979 Bishop، 1991) ، حيث توجد المياه "القديمة" تُعرف بأنها المياه التي كانت موجودة في مستجمعات المياه قبل عاصفة معينة أو حدث ذوبان معين ، ويتم تعريف المياه "الجديدة" على أنها المياه التي أدت إلى حدوث الحدث. تعتبر نظائر الماء من أهم أدوات التتبع الفعالة لمصادر المياه ("مصادر الوقت" في مصطلحات Sklash et al. ، 1976) لأن الأكسجين والهيدروجين هما المكونان لجزيئات الماء ، وبالتالي يتحركان مع جزيئات الماء. في ظل الظروف المواتية ، قد يكون للمياه المتدفقة على طول مسار تدفق معين تركيبات مميزة من النظائر O و / أو H ، وبالتالي ، يمكن في بعض الأحيان النظر إلى نظائر الماء على أنها تتبع لمسارات تدفق المياه. يتم تناول العمليات التي تؤثر على تكوين نظائر الماء وتطبيق نظائر الماء على دراسات مستجمعات المياه في عدة فصول من هذا الكتاب ، ويتم إحالة القارئ إلى تلك الفصول لمناقشة الأسس النظرية لأنظمة نظائر الأكسجين والهيدروجين.

    على النقيض من ذلك ، فإن النظائر الذائبة (مثل السترونتيوم والكربون والرصاص) لم يتم استخدامها بعد بشكل كافٍ في أبحاث مستجمعات المياه مقارنة بنظائر الماء. قدم التحليل التفصيلي للتركيب النظائري لـ Sr في مياه المجاري ، وآفاق التربة العضوية والمعدنية ، والكتلة الحيوية ، والمدخلات الجوية في عدد قليل من المواقع نظرة ثاقبة على دورة Sr ، وقياس Ca والمغذيات ذات الصلة في مستجمعات المياه (Graustein ، 1989 Aberg et al.، 1989 Gosz and Moore، 1989 Miller et al.، 1993 Bailey et al.، 1996). توفر نظائر C المستقرة معلومات فريدة عن أصل قلوية الكربونات والأهمية النسبية لعمليات مثل انحلال معدن الكربونات ، والتحلل المائي للسيليكات ، وأكسدة المواد العضوية وتكوين الميثان (Mills ، 1988 Kendall ، 1993 Katz et al. ، 1995) . يمكن استخدام نظائر الرصاص لتمييز ممرات التدفق الضحلة ، التي يغلب عليها الرصاص الجوي ، وممرات الجريان العميقة التي يهيمن عليها الرصاص من معادن مستجمعات المياه. ومع ذلك ، تم استخدام نظائر Pb في عدد قليل فقط من دراسات مستجمعات المياه (Sirahata et al. ، 1980 Erel et al. ، 1991 Bullen et al. ، 1994) ولا يتم التعرف عليها عمومًا على أنها أدوات اقتفاء مفيدة في مستجمعات المياه.

    لا تتحرك المواد المذابة بالضرورة بشكل متحفظ مع الماء ، وبالتالي يمكن للنظائر الذائبة تتبع مصادر المذاب فقط ، وليس مصادر المياه. ومع ذلك ، يمكن أن تكون بمثابة أدوات اقتفاء مفيدة لمسارات التدفق بمعنى أن الوحدات الجيولوجية المختلفة والمعادن المكونة لها ("المصادر الجغرافية" في مصطلحات Sklash et al. ، 1976) التي تمت مواجهتها على طول ممرات التدفق قد تحتوي على تركيبات نظيرية متناقضة. على سبيل المثال ، يمكن تمييز ممرات التدفق عبر منطقة التربة بتركيبات كيميائية ونظيرية مختلفة مقارنة بتلك التي تميز مسارات التدفق عبر الصخر الأساسي. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما تستخدم أدوات تتبع النظائر الذائبة لاختبار الفرضيات التي تم تطويرها من معايير أخرى ، مثل تفسيرات كيمياء المياه أو الهيدرولوجيا. على وجه الخصوص ، يمكن استخدامها لإثبات أو إزالة مسارات التفاعل الجيوكيميائي المحتملة (بلامر وآخرون ، 1983). نظرًا لأن نسب نظائر الذائبة تتأثر عادةً بعدد أقل من العمليات من التركيزات الكيميائية ، فإن تفسيرات التغيرات في التركيب النظيري غالبًا ما تكون أقل غموضًا من التغييرات المتزامنة في كيمياء الماء (Kendall et al. ، 1995).

    الغرض من هذا الفصل هو إثبات أنه من خلال تجميع المعلومات المقدمة بواسطة العديد من متتبعات النظائر ، يمكن للمرء أن يدرك قدرًا أكبر من الفهم على مستوى العملية من مجرد تأكيد الفرضية. يمكن أن يستفيد "النهج متعدد النظائر" من حقيقة أن أدوات التتبع غير التفاعلية (مثل نظائر H و O) والمتتبعات التفاعلية (مثل نظائر Sr و Pb و C) توفر معلومات مختلفة جدًا حول كيفية "عمل" المستجمع.على سبيل المثال ، يمكن استخدام نظائر الماء لاختبار صلاحية مسار التدفق المتوقع من القياسات الهيدرولوجية ، ويمكن أن يوفر تحليل النظائر الذائبة في المياه التي تم جمعها على طول مسار التدفق معلومات حول المعادن التي تساهم في كيمياء المياه. في حالة عدم وجود تحليلات النظائر الذائبة ، من المحتمل أن تتشابك محاولات التحديد الفريد لتجميع المعادن التفاعلية من كيمياء المياه بسبب التعقيد المعدني لمستجمع المياه ، حتى لو تم تطبيق كلا من توازن الكتلة والنماذج الكيميائية لمسار التفاعل في وقت واحد (انظر الفصل 8) . وبالمثل ، في حالة عدم وجود نظائر الماء ، سيكون من الصعب حصر العينات في مسار تدفق واحد ، وذلك بسبب الطبيعة غير المحافظة لمعظم الأنواع الذائبة ولعدم اليقين المتأصل الناتج عن الافتراضات في النماذج الهيدرولوجية.

    نحن نرى أن النظائر Sr و Pb و C من المحتمل أن تكون أكثر أدوات تتبع نظائر الذائبة القابلة للتطبيق على نطاق واسع لأبحاث المستجمعات ، خاصة عند النظر إليها في ضوء القيود التي توفرها نظائر الماء. في هذا الفصل ، نقدم مناقشة للأسس النظرية للأنظمة النظيرية Sr و Pb و C ، ونضع معايير تطبيقها الناجح ، ونناقش العوامل التي تؤثر على تكوين النظائر الذائبة في مياه مستجمعات المياه. نقدم بعد ذلك نظرة عامة على ثلاث دراسات مستجمعات المياه التي تستخدم نهجًا متعدد النظائر في معالجة مشكلات مسار التفاعل أو مسارات التدفق المحددة. أخيرًا ، نناقش الأسس النظرية والتطبيقات المحتملة للعديد من متتبعات النظائر المذابة الأخرى.

    18.1.2 الأسس النظرية لنظائر السترونشيوم والرصاص والكربون

    يمكن الاطلاع على مناقشة عامة للكيمياء الجيولوجية للمقتفعات النظيرية في أنظمة مستجمعات المياه في الفصل 2. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تقديم مقدمة لتطبيق Sr و Pb والنظائر "الصخرية" الأخرى لدراسات مستجمعات المياه في الفصل 8. وفي هذا الفصل ، نقدم ملخصًا أكثر تفصيلاً لأساسيات أنظمة نظائر المذاب Sr و Pb و C ، متبوعًا بقسم عن دراسات الحالة باستخدام هذه النظائر. بالنسبة لأنظمة النظائر المشعة Sr- و Pb ، نشدد على أهمية التوزيع التفاضلي للنظائر المشعة Sr و Pb ونظائرهما الأصلية في معادن مستجمعات المياه ومصادر الغلاف الجوي / البشرية. بالنسبة لنظام النظائر C المستقر ، تركز المناقشة على العمليات التي تؤثر على تركيبات النظائر داخل مستجمعات المياه الحاملة للكربونات والخالية من الكربونات.

    الروبيديوم (Rb) - السترونشيوم (الأب)
    يحتوي معدن الأرض القلوي Sr على أربعة نظائر مستقرة تحدث بشكل طبيعي: 84 Sr و 86 Sr و 88 Sr. فقط 87 Sr مشع (أي ينتج عن التحلل الإشعاعي لنظير آخر) ويزيد تدريجيًا في المعادن بسبب لتحلل بيتا للمعدن القلوي المشع 87 Rb ، والذي يبلغ نصف عمر 48.8 × 10 9 سنوات. وبالتالي ، هناك نوعان من مصادر 87 Sr في أي مادة: تلك التي تشكلت أثناء تخليق النواة البدائية جنبًا إلى جنب مع 84 Sr و 86 Sr و 88 Sr ، وكذلك تلك التي تشكلت عن طريق التحلل الإشعاعي البالغ 87 Rb. النسبة 87 Sr / 86 Sr ، التي توفر مقياسًا للنسبة النسبية للإشعاع إلى Sr المستقر ، هي المعلمة التي يتم الإبلاغ عنها عادةً في التحقيقات الجيولوجية. اليوم 87 Sr / 86 Sr من معدن يحمل Sr هو دالة لـ 87 Sr / 86 Sr الأولي ، ونسبة Rb إلى Sr (87 Rb / 86 Sr) ، وعمر المعدن:

    توفر الاختلافات في النسبة المطلقة للمواد المشعة 87 Sr بين المعادن وغيرها من المصادر المتتبع التشخيصي لتلك المواد المصدر. لذلك ، يجب تصحيح الفروق المقاسة في 87 Sr / 86 Sr في مواد مختلفة بسبب تجزئة النظائر المستقرة (بشكل أساسي بسبب التأثيرات الحرارية في مطياف الكتلة). لحسن الحظ ، يمكن استخدام زوج النظائر المستقرة 88 Sr / 86 Sr كشاشة داخلية للتجزئة الطبيعية والتحليلية. في حالة عدم وجود تجزئة النظائر المستقرة ، يجب أن يكون 88 Sr / 86 Sr متطابقًا في جميع المواد ، مع قيمة مقبولة تبلغ 8.37521 (IUGS: الاتحاد الدولي لعلماء الجيولوجيا). عندما تنقسم النظائر Sr (وغيرها) ، فإن مقدار التجزئة بين أزواج النظائر يتناسب مع نسب الكتلة الخاصة بهم. لذلك ، كإجراء تحليلي قياسي ، يتم قياس 87 Sr / 86 Sr في وقت واحد مع 88 Sr / 86 Sr ، ويتم تعديل 87 Sr / 86 Sr المقاس بمقدار يتناسب مع المبلغ المطلوب لتصحيح 88 Sr / 86 Sr to القيمة المقبولة. وبالتالي ، فإن 87 Sr / 86 Sr المبلغ عنها "مصحح للتجزئة".

    تنتج فائدة نظام نظائر Rb-Sr من حقيقة أن المعادن المختلفة في بيئة جيولوجية معينة يمكن أن يكون لها قيم مختلفة بوضوح 87 Sr / 86 Sr نتيجة لأعمار مختلفة ، وقيم Rb / Sr الأصلية ، و 87 Sr / 86 أولية الأب على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك حالة الصخور النارية البسيطة مثل الجرانيت الذي يحتوي على المعادن الحاملة للفلسبار بلاجيوجلاز الفلسبار ، والفلسبار ، والهورنبلند ، والمسكوفيت والبيوتايت. إذا تبلورت هذه المعادن من نفس الصهارة ، فإن كل معدن له نفس 87 Sr / 86 Sr الأولي مثل ذوبان الأصل ، ولكن نسب مختلفة من Rb إلى Sr اعتمادًا على تفضيل موقع الشبكة لهذين العنصرين المتناقضين كيميائيًا. عادة ، يزيد Rb / Sr في ترتيب بلاجيوجلاز ، هورنبلند ، K-feldspar ، مسكوفيت ، بيوتايت. لذلك ، بالنظر إلى الوقت الكافي لإنتاج المواد المشعة 87 Sr / 86 Sr / 86Sr في الوقت الحاضر ، ستكون مختلفة في المعادن ، وستزداد بنفس الترتيب. يظهر تطور متغير 87 Sr / 86 Sr في معادن الجرانيت بشكل تخطيطي في الشكل 18.1 ، مخطط Rb-Sr التقليدي "isochron". يجب أن تحدث اختلافات مماثلة في 87 Sr / 86 Sr أيضًا بين معادن المستجمعات المشتقة من مصادر حجرية متعددة (على سبيل المثال في مستجمعات المياه المتداخلة في الرواسب الجليدية) ، على الرغم من أن ترتيب زيادة 87 Sr / 86 Sr في المعادن قد يختلف عن ذلك بالنسبة للجرانيت البسيط النظام. على سبيل المثال ، قد يكون لمجموع hornblendes المشتق من مصادر عديدة أكبر 87 Sr / 86 Sr من مجموع K-feldspar. مطلوب عمل منفصل للمعادن صارم لتأكيد ترتيب زيادة 87 ريال / 86 ريال بين المعادن من أي مستجمع.

    المفهوم المهم لتتبع النظائر هو أن Sr المشتق من أي معدن من خلال تفاعلات التجوية سيكون له نفس 87 Sr / 86 Sr مثل المعدن. لذلك ، تتطلب الاختلافات في 87 Sr / 86 Sr بين مياه مستجمعات المياه إما اختلافات في علم المعادن على طول مسارات التدفق المتناقضة ، أو اختلافات في الكميات النسبية من Sr المستمدة من المعادن المختلفة. يمكن أن تنشأ الحالة الأخيرة بعدة طرق. أولاً ، نظرًا لأن المياه تقترب من التشبع فيما يتعلق بالمعادن المختلفة بمعدلات مختلفة ، فإن التغيرات التدريجية في كيمياء المياه على طول مسارات التدفق ستؤدي إلى تغيرات متوازية في معدلات الذوبان النسبية وكمية Sr المشتقة من المعادن (Plummer et al. ، 1983) . قد تؤدي الاختلافات في عوامل مثل pCO 2 والمحتوى الحمضي العضوي لمياه مستجمعات المياه إلى تعزيز التباين في معدلات الذوبان. ثانيًا ، قد تؤثر الاختلافات في الحركات النسبية للمياه على مستويات تتراوح من المسام بين الحبوب إلى مستوى مستجمعات المياه بشكل عميق على 87 Sr / 86 Sr (Bullen et al. ، 1996). على سبيل المثال ، ستكون التركيبات الكيميائية والنظيرية الأبوية للمياه غير المتحركة عند حدود حبيبات بلاجيوجلاز-هورنبلند مختلفة عن تلك الموجودة في حدود حبيبات الكوارتز والميكا. ثالثًا ، الاختلافات في المساحات السطحية النسبية "الفعالة" للمعادن بسبب "التسمم" الانتقائي للأسطح التفاعلية بواسطة الطلاءات العضوية و / أو الطلاءات بهيدروكسيد المعدن سوف تسبب أيضًا اختلافات في كيمياء الماء وتركيب النظائر المشعة.

    بالمعنى الأساسي ، من غير الواقعي توقع أن المياه المأخوذة على طول مسارات التدفق المتناقضة من خلال مستجمع متعدد المعادن يجب أن يكون لها نفس 87 Sr / 86 Sr. بدلاً من ذلك ، تتفاعل المياه التي تتحرك على طول مسارات تدفق معينة مع المعادن بطريقة مميزة وتقترب تدريجياً توازن كيميائي مميز على مدى فترات زمنية طويلة. في الواقع ، يمكن تفسير التركيب الكيميائي لمياه التيار في العديد من مستجمعات المياه إلى حد كبير عن طريق الخلط البسيط لعضوين نهائيين متميزين كيميائيًا أو أكثر ، ولكل منهما تركيبة ثابتة (Hooper et al. ، 1990). على سبيل المثال ، في جبل بانولا في جورجيا ، بيدمونت ، الولايات المتحدة الأمريكية ، يمكن تفسير أكثر من 80٪ من التباين في الكالسيوم ، SO 4 ، Na ، Mg ، SiO 2 ، والقلوية في مياه التيار عن طريق خلط ثلاث مياه ، لكل منها ثابت ومتميز التركيبات: مياه الأفق العضوية ، ومياه منحدر التلال ، والمياه الجوفية (Hooper et al. ، 1990). بالنظر إلى نطاق أوقات بقاء الماء النموذجية لمستجمعات المياه الصغيرة ، قد تكون المياه داخل وحدات مستجمعات المياه المحددة قد وصلت إلى نوع من التركيب الكيميائي للحالة المستقرة ، وبالتالي قد يُتوقع أن يكون لها حالة مستقرة ومتميزة على أمل التراكيب النظيرية Sr.

    بالنسبة لمستجمعات المياه المتداخلة في مواد متعددة المعادن ، يمثل 87 Sr / 86 Sr في أي طرد مائي عادةً خليطًا من Sr من عدة مصادر ، وبالتالي يصعب تحديد المساهمات الدقيقة من المعادن الفردية باستخدام بيانات Sr-isotope وحدها. ومع ذلك ، عند النظر إليها بالاقتران مع كيمياء المياه ، توفر النظائر Sr أداة قوية للتمييز بين المصادر المذابة. على سبيل المثال ، عند محاولة تطوير نموذج تفاعل لشرح الزيادة التدريجية للمغنيسيوم في المياه الجوفية على طول مسار التدفق بواسطة محلول dis-solution إما هورنبلند أو biotite ، يجب أن توفر نظائر Sr تمييزًا فعالًا لأن Sr المشتق من hornblende سيكون أقل بكثير مشعة من ذلك من البيوتايت.

    بمجرد الوصول إلى الحل ، يجب أن يتصرف الأب كيميائيًا بطريقة مشابهة لتلك الخاصة بعنصر الأرض القلوية Ca (Elias et al. ، 1982). كملاحظة تحذيرية ، مع ذلك ، نشير إلى أن 87 Sr / 86 Sr ليس في حد ذاته مؤشرًا أكيدًا لمصادر Ca في مستجمعات المياه لأن Sr يمكن أن يساهم به كل من المعادن الغنية بالكالسيوم والفقيرة من الكالسيوم. على سبيل المثال ، يحتوي بلاجيوجلاز sodic و K-feldspar على القليل من الكالسيوم ولكن كبير ، وبسبب احتوائهما Rb / Sr المرتفع نسبيًا على Sr إشعاعي أكثر من بلاجيوجلاز الكالسي. سيكون للتركيب النظائري لـ Sr المشتق من التجوية المتزامنة لجميع أنواع الفلسبار الثلاثة قيمة وسيطة يمكن أن تكون مماثلة ، على سبيل المثال ، لتلك الموجودة في hornblende. استنادًا إلى نظائر Sr وحدها ، قد يستنتج المرء خطأً أن الجزء الأكبر من Ca في المحلول مشتق من hornblende ، على الرغم من أن انحلال hornblende قد يكون قد لعب دورًا ثانويًا فقط في التطور الكيميائي للمياه. من الواضح أن نظائر Sr يجب أن تتكامل بشكل وثيق مع كيمياء المياه من أجل تحديد المعادن المساهمة المهمة على طول مسارات التفاعل.

    هناك ما يبرر مناقشة موجزة لتدوين التقارير هنا. في جميع الأدبيات الجيولوجية ، تم الإبلاغ عن التركيب النظائري لـ Sr في المواد الطبيعية بشكل تقليدي من حيث تدوين عشري من أربعة إلى ستة خانات لـ 87 Sr / 86 Sr (على سبيل المثال ، 0.71024). من أجل الاتساق داخل هذا المجلد ، نستخدم ترميز "دلتا" للإبلاغ عن التركيب النظيري كلما أمكن ذلك. كما هو الحال مع الرموز القياسية لأنظمة نظائر الأكسجين والهيدروجين ، تُعطى قيمة d لعينة نسبة إلى معيار بواسطة المعادلة:

    اليورانيوم (U) - الثوريوم (Th) - الرصاص (Pb)
    يحتوي الرصاص على أربعة نظائر مستقرة تحدث بشكل طبيعي: 204 Pb و 206 Pb و 207 Pb و 208 Pb. كل من 206 Pb و 207 Pb و 208 Pb كلها إشعاعية ، وهي المنتجات النهائية لسلاسل الاضمحلال المعقدة التي تبدأ عند 238 U و 235 U و 232 Th على التوالي. تختلف فترات نصف العمر المقابلة لمخططات الانحلال هذه بشكل ملحوظ: 4.47 × 10 9 سنوات ، 7.04 × 10 8 سنوات و 1.4 × 10 10 سنوات ، على التوالي. في التحقيقات الجيولوجية ، يتم الإبلاغ عن كل نظير مشع بشكل نموذجي بالنسبة لـ 204 Pb. يمكن كتابة معادلات النمو (الاضمحلال) المماثلة لتلك الخاصة بنظام Rb-Sr لأنظمة U-Pb و Th-Pb. تتراوح نطاقات قيم النسبة النظيرية لمعظم المواد الجيولوجية من 14.0 إلى 30.0 لـ 206 Pb / 204 Pb و 15.0 إلى 17.0 لـ 207 Pb / 204 Pb و 35.0 إلى 50.0 لـ 208 Pb / 204 Pb (Doe ، 1970) ، على الرغم من تعددها تم الإبلاغ عن أمثلة القيم خارج هذه النطاقات في الأدبيات. بسبب الطبيعة المكونة من ثلاثة مكونات لنظام نظائر Pb ، لا توجد وسيلة بسيطة لتحويل القيم العشرية لتركيب النظائر إلى تعليق d -not ذي مغزى. لذلك ، تم الإبلاغ عن تركيبات نظائر Pb في هذا الفصل بالتدوين العشري.

    كما هو الحال مع النظائر Sr ، يجب إجراء تصحيحات لتجزئة النظائر المستقرة في كل من الطبيعة وأثناء التحليل. ومع ذلك ، لا يوجد زوج ثابت وغير إشعاعي من نظائر الرصاص يمكن استخدامه كأساس لتصحيح التجزئة. للتحايل على هذه المشكلة ، يتم عادةً تصحيح تحليلات نظائر Pb للتجزئة أثناء التحليل باستخدام عوامل تحددها التحليلات المتكررة لبعض معايير Pb ، مثل N.I.S.T. المواد المرجعية SRM 981 و 982 و 983. ومع ذلك ، لا توجد وسيلة واضحة لتصحيح احتمال حدوث تجزئة في الطبيعة ، وبالتالي فإننا نفترض أن نظائر الرصاص لا تنقسم بشكل ملموس في الطبيعة بسبب قيم كتلتها العالية. على الرغم من أنه من المحتمل أن يكون صحيحًا ، إلا أن عدم اليقين المرتبط بتصحيح التجزئة التحليلية يجعل تحليلات نظائر الرصاص أقل دقة بشكل متأصل من تحليلات الأب. ولحسن الحظ ، فإن مدى تركيبة نظائر الرصاص الملحوظة في الطبيعة كبير.

    تكمن فائدة نظام نظائر U-Th-Pb في حقيقة أنه في صخرة واحدة ، تحصل المعادن الفردية على توقيعات Pb-isotope التشخيصية بسبب الاختلافات طويلة العمر في U / Pb و Th / Pb و Th / U. يظهر مثال في الشكل 18.2 ، الذي يقارن التراكيب النظيرية المولدة للبول والصدر من معادن سيليكات الألومينو الأولية المنفصلة عن التربة التي تم تطويرها على طمي جرانيتي بالقرب من ميرسيد ، كاليفورنيا (Bullen et al. ، 1997). نظرًا لأن الفلسبار يشتمل على Pb ولكن لا يحتوي على مواضع شعرية لـ U و Th ، فإن لهما تركيبات نظيرية غير مشعة نسبيًا مقارنة بتلك الخاصة بالهورنبلند والميكا اللذان لهما مواقع شبكية لما بعد اليورانيوم ويدمجان أطوار التتبع الغنية U و Th. يميل Hornblende إلى الحصول على Th / U أكبر ، وبالتالي أكبر 208 Pb / 204 Pb عند المعطى 206 Pb / 204 Pb من تلك الموجودة في الميكا بسبب التضمين التفضيلي لمراحل التتبع مثل المونازيت الغني بالـ Th-monazite في hornblende والزركون الغني بـ U في البيوتايت. على الرغم من أنها مقاومة للعوامل الجوية نفسها ، إلا أن مراحل التتبع هذه تعمل على إنتاج النويدات المشعة في شبكات مضيفاتها المغناطيسية الحديدية من خلال عمليات ارتداد جسيمات ألفا التي تصاحب الانحلال التلقائي لـ 232 Th و 238 U. لأن U و Th و Pb تتصرف بشكل مختلف جيوكيميائيًا حقيقة أن التركيب النظيري للرصاص لأي مادة هو مركب من ثلاث سلاسل اضمحلال مستقلة تخلق احتمالية لحدوث اختلافات أكبر في القيم النظيرية بين معادن صخرة واحدة بالنسبة إلى تلك الخاصة بنظام Rb-Sr.

    كربون
    يحتوي الكربون على نظيرين مستقرين يحدثان بشكل طبيعي: 12 درجة مئوية و 13 درجة مئوية ، ولا يعتبر أي من النظائر مشعة ، وبالتالي فإن الاختلافات في 13 درجة مئوية / 12 درجة مئوية بين المعادن والمياه والغازات هي نتيجة تجزئة النظائر في بيئات بيوجيوكيميائية مختلفة. يتم الإبلاغ عن تركيبات نظائر الكربون في التعليق d حيث:

    يمكن أن تحتوي المواد الحاملة للكربون المختلفة في مستجمعات المياه على قيم d 13C المميزة. عادةً ما تحتوي صخور الكربونات على قيم d 13 C من 0 & plusmn 5 الكربونات الحرارية المائية يمكن أن تكون خارج هذا النطاق. تقوم النباتات بتحويل الكربون الجوي (د 13 درجة مئوية = -7 درجة) إلى مركبات عضوية عن طريق التمثيل الضوئي. يوجد توزيع ثنائي النسق لقيم d 13 C للنباتات الأرضية ناتج عن الاختلافات في تفاعل التمثيل الضوئي الذي يستخدمه النبات. تحتوي نباتات C 3 (مثل أشجار الصنوبر والتفاح) على قيم d 13 درجة مئوية تبلغ حوالي -25 درجة (النطاق: -22 إلى -33 درجة) ، بينما تحتوي نباتات C4 (مثل الذرة) على قيم d 13 درجة مئوية تبلغ حوالي -12 درجة ( النطاق: -10 إلى -20 درجة) (بندر ، دينس 1971 ، 1980). د 13 C من الكربون غير العضوي المذاب (d 13 C DIC) في مياه مستجمعات المياه يتراوح عمومًا من -5 إلى -25 درجة. تشير القيم الأكثر سالبة عادةً إلى وجود الميثان المؤكسد.

    التفاعلات الأولية التي تنتج مدينة دبي للإنترنت هي: (1) تجوية معادن الكربونات عن طريق المطر الحمضي أو الأحماض القوية الأخرى (2) تجوية معادن السيليكات بواسطة حمض الكربونيك الناتج عن انحلال التربة البيولوجية المنشأ عن طريق تسرب المياه ، و (3) التجوية من معادن الكربونات بواسطة حمض الكربونيك. ينتج التفاعل الأول والثاني مدينة دبي للإنترنت التي لها d 13 درجة مئوية مماثلة لتلك الموجودة في تفاعل الكربونات أو حمض الكربونيك ، على التوالي ، بينما ينتج التفاعل الثالث مدينة دبي للإنترنت بقيمة d 13 C وسيطة تمامًا بين تركيبات الكربونات وحمض الكربونيك. وبالتالي ، بدون مزيد من المعلومات ، يكون DIC الناتج فقط عن طريق التفاعل الثالث مطابقًا لـ DIC ولا يمكن تمييزه عن DIC المنتج بكميات متساوية من التفاعل الأول والثاني.

    إذا كانت قيم d 13 C للأنواع الحاملة للكربون المتفاعلة معروفة وتم تحديد d 13 C DIC للتيار ، فمن الناحية النظرية يمكننا حساب المساهمات النسبية لمعادن الكربونات وحمض الكربونيك في إنتاج تيار DIC وقلوية الكربونات ، بافتراض أن: (1) انحلال معدن الكربونات يحدث في ظل ظروف النظام المغلق (أي معزول عن الخزانات المحتملة لثاني أكسيد الكربون في منطقة التربة أو الغلاف الجوي) و (2) لا توجد مصادر أو أحواض أخرى للكربون (كيندال وآخرون . ، 1992). مع معلومات كيميائية أو نظيرية إضافية ، يمكن استخدام قيم d 13 C لتقدير نسب مدينة دبي للإنترنت المشتقة من التفاعلات الثلاثة المذكورة أعلاه. ومع ذلك ، فإن العمليات الأخرى التي قد تعقد تفسير قيم تيار d 13 C تشمل إزالة غاز ثاني أكسيد الكربون ، وترسيب الكربونات ، والتبادل مع الغلاف الجوي أو ثاني أكسيد الكربون في التربة ، وامتصاص الكربون بواسطة الكائنات المائية ، وتوليد الميثان ، وأكسدة الميثان (Kendall ، 1993). قد يوفر ارتباط الاختلافات في d 13 C مع التغيرات في الكيمياء والنظائر الأخرى مثل Sr ، وهي عوامل لن تتأثر بهذه العمليات ، دليلاً على أن هذه العمليات غير مهمة.

    18.1.3 العوامل الجيولوجية / البيئية التي تؤدي إلى التتبع الناجح للنظائر الذائبة

    غالبًا ما يُسأل علماء الجيولوجيا المائية النظيرية عما إذا كانت التقنيات النظيرية يمكن أن تساعد في الإجابة على أسئلة بحثية محددة. نقدم هنا بعض المعايير الأساسية التي يمكن للباحثين تطبيقها على مستجمعات المياه الخاصة بهم لتحديد ما إذا كانت النظائر الذائبة ستوفر معلومات مهمة. أولاً وقبل كل شيء ، لكي تكون النظائر الذائبة متتبعة فعالة لتفاعلات التجوية ومسارات تدفق المياه ، يجب أن تكون هناك تباينات كبيرة في التركيب النظائري بين معادن مستجمعات المياه ومحاليل التجوية. نظائر C هي بطبيعتها أدوات اقتفاء ممتازة لتفاعلات العوامل الجوية التي تشمل الصخور و / أو الأحماض الحاملة للكربون. بالنسبة لنظائر Sr و Pb ، يعتبر عمر المعادن والتميز مقارنة بالمدخلات الجوية / البشرية من الاعتبارات المهمة. على سبيل المثال ، قد تكون النظائر Sr متتبعًا ضعيفًا للتجوية المعدنية التفاضلية في مجموعة مستجمعات المياه في تضاريس بركانية صغيرة جدًا بحيث لم يمض وقت كافٍ للسماح بتطوير اختلافات كبيرة في d 87 Sr بين معادن مستجمعات المياه. ومع ذلك ، في نفس مستجمعات المياه ، يمكن أن يكون d 87 Sr متتبعًا مفيدًا لتمييز المساهمات عن التجوية وهطول الأمطار. ثانيًا ، يجب أن تكون حلول التجوية قادرة على حمل النويدات الكاشفة بعيدًا عن موقع التجوية.على سبيل المثال ، حتى بالنسبة لمستجمعات المياه الموجودة في التضاريس الجرانيتية القديمة ، فإن نظائر الرصاص ستكون متتبعًا غير فعال إذا كانت حلول التجوية غير قادرة على تعبئة الرصاص المتحرر من المشابك في المراحل التي تعرضت للعوامل الجوية.

    لكي تكون نظائر Sr و C و Pb مفيدة كمقتفعات لمسارات تدفق المياه ، يجب أن تنقل تفاعلات المياه الصخرية على طول مسارات التدفق هذه تركيبات نظيرية مميزة إلى المياه. من المحتمل أن تكون التركيبات النظيرية للمياه التي تم تطويرها على طول ممرات الجريان الضحلة والعميقة متميزة بسبب الاختلافات الناتجة في كيمياء المياه وأوقات الإقامة. على سبيل المثال ، في ملامح التربة المتغيرة العوامل الجوية ، فإن التطور الكيميائي على طول المسارات الضحلة يهيمن عليه التبادل الكاتيوني وانحلال الأطوار المقاومة المتبقية مثل K-feldspars وربما الطين. على النقيض من ذلك ، فإن التطور الكيميائي على طول المسارات العميقة ، ربما عند السطح البيني الصخري-الصخري ، يهيمن عليه انحلال الأطوار التفاعلية الأكثر وفرة مثل المعادن الحديدية والمغناطيسية والفلدسبار بلاجيوجلاز والكالسيت. يمكن إنشاء تباين نظيري مشابه بين المسارات الضحلة والعميقة إذا كان المدخلات الجوية / البشرية في مستجمعات المياه متمايزة بشكل متساوي عن تلك الناتجة عن العوامل الجوية ، وممرات التدفق الضحلة التي تنقل المواد المذابة المشتقة أساسًا من مصادر الغلاف الجوي. يمكن أن تعزز الاختلافات في سماكة التربة المعدنية أيضًا التباين في بصمات النظائر المشعة التي تم تطويرها على طول مسارات التدفق المختلفة.

    يعتبر الوصول التفاضلي للمياه إلى المعادن التفاعلية على طول مسارات التدفق اعتبارًا إضافيًا. على سبيل المثال ، يمكن أن تتطور المياه التي لها تركيبة كيميائية مختلفة استجابة لتغير أوقات مكوثها في جزء معين من مستجمعات المياه. قد ترث المياه المتسربة ببطء من خلال تدفق المصفوفة الملتوية المواد المذابة من مجموعة معدنية مختلفة عن المياه التي يتم تدفقها عبر النظام بسرعة أكبر عبر المسام الكبيرة ، على الرغم من أن مسارات كلتا المياه ضحلة نسبيًا أو تجتاز نفس المسافة (كيندال ، 1993). وبالمثل ، يمكن أن تتطور تركيبات مائية مختلفة في الصخور المكسورة ، حيث قد تعمل الكسور كقنوات تفضيلية وقد تصطف بواسطة معادن مميزة مثل الكالسيت. قد يوفر الاستخدام المشترك لنظائر Sr و C متتبعًا قويًا بشكل خاص للتدفق عبر هذا النوع من نظام الكسر.

    من أجل تقييم قابلية تطبيق أي نظام نظائر مذابة كمتتبع ، يجب على كل باحث النظر في القضايا التي يتم تناولها في دراسة مستجمعات المياه الخاصة بهم في ضوء العوامل الهيدرولوجية والجيوكيميائية مثل تلك المذكورة أعلاه. عوامل مثل عمر المعادن وعدم تجانس المصادر الصخرية ، ومدى تطور المظهر الجانبي للعوامل الجوية ، وحركة السوائل والمذابات من خلال أجزاء مختلفة من مستجمعات المياه ، ومصادر المدخلات الجوية / البشرية إلى مستجمعات المياه كلها عوامل مهمة. علاوة على ذلك ، يجب على الباحث أن يدرك أن الاستنتاجات المستندة إلى تطبيق نظام نظيري واحد من المحتمل أن تكون غامضة ، وبالتالي فإن استخدام النهج متعدد النظائر بالتنسيق مع البيانات الكيميائية والهيدرولوجية المتاحة ضروري لتقليل الغموض.


    18.2 التأثيرات على التركيب النظائري لـ Sr و Pb و C في مياه مستجمعات المياه

    18.2.1 ضوابط ليثولوجية على التركيب النظائري للسترونتيوم والرصاص

    من منظور المذاب ، يمكن النظر إلى مستجمعات المياه على أنها "أوعية تفاعل" يتم من خلالها معالجة المياه النيزكية. في غياب التباين الصخري الإجمالي ، من المغري الاعتقاد بأن مساهمة التجوية في مستجمعات المياه قد يكون لها "إشارة" مميزة ومميزة تحددها بشكل أساسي علم المعادن الخاص. ومع ذلك ، حتى في مستجمعات المياه التي تتميز بتوزيع معدني موحد ، فإن العديد من العوامل التي يتم التحكم فيها بواسطة الحجر مثل معدل انحلال المعادن ، وسعة التبادل الكاتيوني ، وحركة السوائل ، وحركية التفاعل على الأسطح المعدنية تحدد معًا صافي مخزون المذاب المضاف إلى طرد الماء المتطور على طول مسار التدفق (Bullen et al. ، 1996). في هذا القسم ، نناقش كيف تؤثر هذه العوامل على التركيب النظيري لـ Sr و Pb في مياه مستجمعات المياه. الملاحظة الأساسية هي أنه يمكن الحصول على مجموعة من تركيبات نظائر Sr و Pb من مادة مصدر متعددة المعادن بسبب التباين النظيري بين المعادن المكونة. لذلك ، لا ينبغي للمرء أن يتوقع إشارة نظيرية واحدة مميزة من عمليات التجوية في مستجمعات المياه. هذه النقطة حاسمة بشكل خاص عند محاولة تقدير المدخلات الجوية / البشرية في مستجمعات المياه.

    معدلات التجوية التفاضلية للمعادن
    من المعترف به الآن على نطاق واسع أن المعادن تذوب أو تتفاعل بمعدلات مختلفة ، اعتمادًا على مجموعة متنوعة من العوامل مثل التركيب والهيكل المعدني ، ودرجة الحرارة والكيمياء لمحاليل التجوية. في نظام متعدد المعادن ، يجب أن تؤدي معدلات التجوية التفاضلية هذه إلى تغييرات تدريجية في نسب المعادن وصافي حمل الذائبة مع الوقت وطول مسار التدفق. من الناحية النظرية ، يمكن للمرء أن يتنبأ بالتركيب النظائري لـ Sr و Pb الذي يوفره التجوية بناءً على معرفة المعادن المكونة ومعدلات انحلالها. لسوء الحظ ، فإن تقدير معدلات التجوية في مستجمعات المياه الفردية يمثل مشكلة في أحسن الأحوال بسبب الافتراضات الملازمة لنماذج التفاعل المستخدمة تقليديًا لإجراء تلك التقديرات (على سبيل المثال ، التقديرات ليست أفضل من الافتراضات التي تم إجراؤها حول المعلمات التي لا يمكن قياسها بسهولة). علاوة على ذلك ، لا يزال هناك تناقض مزعج بين تقديرات المعدلات المحسوبة للتجوية في الحقل مقارنة بتلك التي تم تحديدها في التجارب المعملية (Paces، 1983 Velbel، 1985 White and Peterson، 1990). على الرغم من أن نماذج التفاعل أصبحت أكثر قوة بشكل واضح ، إلا أنها لا تزال شديدة التبسيط. وبالمثل ، على الرغم من أن التجارب المعملية أصبحت أكثر تعقيدًا ، إلا أنها لا تزال تفشل في محاكاة تأثيرات التجوية طويلة المدى في ظل الظروف الميدانية بدقة. من غير المعروف في جميع المناقشات حول التجوية كيف تتغير معدلات انحلال المعادن مع التجوية التدريجية وتطور حلول التجوية في مستجمعات المياه متعددة المعادن.

    في محاولة لتقييم التجوية في نظام جرانيتي بسيط ، وايت وآخرون. (1996) وبولين وآخرون. (1997) عن الدراسات المعدنية والكيميائية والنظيرية للتسلسل الزمني للتربة من تصريف نهر ميرسيد في وسط كاليفورنيا (هاردن ، 1987). تتراوح أعمار التربة من 10 Ka إلى 3 Ma ، ويتم تطويرها على رواسب متتالية من الطمي الجليدي المشتق من مجموعة مقيدة جغرافيًا من بلوتونات سييرا نيفادا الجرانيتية. من المحتمل أن تحتوي هذه الرواسب الغرينية على معادن وتراكيب سائبة متشابهة ، ومن الواضح أن المعادن المكونة لها لها تركيبات نظيرية Sr- و Pb مماثلة قبل تطوير التربة. من الناحية الهيدرولوجية ، من المحتمل أن يهيمن على النظام التسلل الرأسي لهطول الأمطار على مدى 3 ملايين من تنمية التربة.

    بناءً على التغييرات التدريجية في نسب المعادن المرصودة في ستة أعضاء من التسلسل الزمني ، يبدو أن معدلات التجوية المعدنية تنخفض في ترتيب البيوتايت ، والهورنبلند ، والبلاجيوجلاز ، والفلدسبار. يتوافق ترتيب التجوية المعدنية هذا مع الترتيب المحدد في دراسات أخرى للتجوية في التضاريس الجرانيتية (Lasaga ، 1984). متوسط ​​معدل الذوبان المحسوب للبلاجيوجلاز (10-19.9 مول / سم 2 / ثانية) هو في الواقع أكبر من المعدل المحسوب للهورنبلند (10-20.1 مول / سم 2 / ثانية) ، ولكن مساحة السطح التفاعلية الأكبر بكثير على حبيبات الهورنبلند ينتج عنها معدل التجوية أكبر فعالية. من الواضح أن K-feldspar هو أكثر المراحل مقاومة للعوامل الجوية ، وهو معدن الألومينو سيليكات الأساسي الوحيد المتبقي في تربة 3 Ma (White et al. ، 1996). يتم دعم الترتيب المستنتج للعوامل الجوية المعدنية أيضًا من خلال الاتجاهات في التركيب النظيري لـ Sr الذي يمكن استبداله من التربة باستخدام أسيتات الأمونيوم المخزنة بدرجة الحموضة. يكون Sr القابل للاستبدال أكثر إشعاعًا في التربة الأصغر ، بما يتوافق مع المساهمة التفضيلية لـ Sr المشع نسبيًا من biotite ، ويصبح أقل إشعاعًا مع عمر التربة ، مما يعكس مساهمة أكبر بشكل تدريجي لـ Sr غير مشع نسبيًا من بلاجيوجلاز وهورنبلند (Bullen et al. ، 1997 ).

    من ناحية أخرى ، تشير البيانات المعدنية والنظيرية إلى تفسير أكثر تعقيدًا لأصل الأب في حلول التجوية. على سبيل المثال ، على الرغم من انخفاض وفرة البيوتايت في أول 40 كا من التجوية ، إلا أن وفرتها تظل ثابتة بشكل أساسي خلال الفترة المتبقية من تاريخ 3 Ma. علاوة على ذلك ، على الرغم من أن البيوتايت المنفصل عن التربة هو الأكثر إشعاعًا من مراحل الجرانيت الأصلية ، إلا أن d 87 Sr أقل بكثير ، ومحتواه Sr أكبر من المحتوى الموجود في البيوتيت المنفصل عن الجرانيتات نفسها (مقارنة بالتحليلات التي أبلغ عنها Kistler et آل (1986)). تشير هذه الملاحظات إلى أن "التجوية" في البيوتايت تنطوي في الواقع على امتصاص الأب غير المشع نسبيًا من حلول التجوية. ومما يزيد من إرباك المشكلة حقيقة أنه على الرغم من أن Sr القابل للاستبدال هو الأكثر إشعاعًا في أصغر أنواع التربة ، إلا أن d 87 Sr مطابق بشكل ثابت تقريبًا ولكنه أقل قليلاً من ذلك الموجود في K-feldspars المنفصلة عن التربة. يمكن للمرء أن يجادل بأن K-feldspar ، المعدن الجرانيتي الأكثر مقاومة للعوامل الجوية على أساس النسب المعدنية الملحوظة ، يوفر في الواقع أكبر نسبة من Sr لمحاليل التجوية في التربة الأصغر ، ربما بسبب ترشيح مواقع العيوب على أسطح حبيبات K-feldspar في وجود المحاليل المخففة (Bullen et al. ، 1997).

    سيناريو آخر للتجوية يوفر فيه الطور المعدني الذي يُفترض مقاومته مساهمة مذابة أكبر من الأطوار التي يُفترض أنها أكثر تفاعلًا أثناء تطور المياه الجوفية المخففة في طبقة المياه الجوفية الرملية السيليكات في شمال ولاية ويسكونسن (Bullen et al. ، 1993 Bullen et al. ، 1996). في هذه الحالة ، فإن التطور الكيميائي المبكر للمياه الجوفية المنبثقة من بحيرة تسرب مخففة تهيمن عليه مساهمات بلاجيوجلاز ، كما يتضح من الزيادات التدريجية القوية في الصوديوم والسيليان الذائب وخاصة الأب. ومع ذلك ، بعد ما يقرب من 15 عامًا من التطور على طول مسار التدفق ، يتباطأ معدل زيادة Na و Sr بشكل كبير في حين تستمر تركيزات Ca و Mg في الارتفاع ، ويفترض أن انحلال أطوار الحديد المغنيسي الكلسى التي تعاني من نقص Sr نسبيًا تبدأ في الهيمنة. يجادل السلوك الموازي لـ Na و Sr في هذه الحالة ضد آلية تبادل الكاتيونات البسيطة للتحكم في تركيزاتها في المياه المتطورة. علاوة على ذلك ، فإن الانخفاض التدريجي في مساهمة بلاجيوجلاز لصالح الأطوار المغناطيسية الحديدية على طول مسار التدفق يتوافق مع كل من نماذج توازن الكتلة ومسار التفاعل. من الواضح أن القواعد البسيطة لسلوك المراحل التفاعلية في أنظمة التجوية الجرانيتية يجب أن تطبق بحذر ، لا سيما عند محاولة تفسير الاختلافات النظيرية على طول مسار التدفق.

    حركية التفاعل على الأسطح المعدنية
    تقليديا ، تم تقدير قابلية معدن معين للتجوية من خلال مدى عدم توازنه المفترض أو المحسوب مع حلول التجوية المحددة. فيما يتعلق بالظروف على سطح الأرض ، فإن معادن سيليكات الحديد والمغناطيسية تكون خارج حالة التوازن أكثر من الفلسبار ، كما أن الفلسبار بلاجيوجلاز أكثر من حالة التوازن من K-feldspars. ومع ذلك ، فقد وثق عدد متزايد من دراسات حركية التفاعل على الأسطح المعدنية أن العوامل الأخرى غير التركيب المعدني لها أهمية حاسمة في تحديد معدلات انحلال المعادن (Schott and Petit، 1987 انظر أيضًا مراجعات White، 1990 and Blum، 1994). من الأهمية بمكان مفهوم أن حلول التجوية يجب أن تكون قادرة على الوصول إلى الأيونات القابلة للذوبان داخل الشبكة المعدنية أو الهيكل ، والعوامل التي تحد أو تعزز هذا الوصول سيكون لها تأثير واضح على معدلات الانحلال المقاسة.

    استنادًا إلى المعايرات باستخدام أنظمة السوائل المعدنية البسيطة ، يمكن تقدير درجة نقص التشبع لمرحلة معدنية فيما يتعلق بكيمياء السوائل المعقدة باستخدام أي عدد من رموز الكمبيوتر الجيوكيميائية (على سبيل المثال ، WATEQ (Truesdell and Jones ، 1974) ، SOLMINEQ .88 (Kharaka وآخرون ، 1988) ، NETPATH ​​(بلامر وآخرون ، 1991)). من المفترض أن يكون معدل انحلال المعادن مرتبطًا بدرجة نقص التشبع ، ويفترض عمومًا أن يتباطأ بطريقة أسية مع اقتراب التشبع. ومع ذلك ، فقد أظهر العمل التجريبي الأخير في نظام Albite- H 2 O أن انحلال الفلسبار يتم تقريبه عن طريق وظيفة الخطوة ، بحيث يتباطأ الانحلال فجأة عند درجة حرجة من نقص التشبع. من المفترض أن يكون الانخفاض التدريجي في معدل الذوبان مرتبطًا بانخفاض قدرة السائل على تكوين حفر حفر على أسطح حبيبات الفلسبار (بورش وآخرون ، 1994). يشرح هذا النوع من وظيفة الخطوة جزئيًا حقيقة أن تجارب الذوبان المخبرية باستخدام الحبوب المعدنية الطازجة والماء المقطر تتقدم بمعدلات مقدارها 2 إلى 3 درجات أكبر من تلك التي لوحظت في الدراسات الميدانية للعوامل الجوية (White and Peterson ، 1990). المعنى الواضح هو أنه بالنسبة لعلم معادن مستجمع معين ، فإن المساهمات النسبية للمواد المذابة من المعادن المختلفة ، وبالتالي يمكن أن يتغير التركيب النظائري لتلك المواد المذابة بشكل كبير نتيجة للتغيرات الطفيفة في التركيب الكيميائي لمحاليل التجوية ، لا سيما في المخفف الأنظمة.

    هناك عامل آخر ربما يحد من وصول حلول التجوية إلى مرحلة معدنية معينة وهو تكوين المعادن الثانوية التي تستخدم أسطح المعادن الأولية كمنصات للنمو. في معظم أنظمة التجوية بالسيليكات ، سرعان ما تصبح المحاليل مشبعة فيما يتعلق بالمعادن الطينية ، وتحت ظروف مؤكسدة ومتعادلة للظروف القلوية ، أوكسي هيدروكسيدات الحديد. حدسيًا ، في حالة حدوث "تسمم" أو "تدريع" للأسطح المعدنية بهذه المعادن الثانوية ، فإن الركيزة المحتملة لبدء تكوين المعادن الثانوية ستكون أسطح المعادن الأولية غير المتفاعلة نسبيًا. في المقابل ، يجب أن تتعطل نوى نمو المعادن الثانوية التي تحاول الارتباط بمراحل أكثر تفاعلية بسرعة مع تقدم حفر الحفر القوي لأسطح تلك الأطوار التفاعلية (Velbel ، 1993). من الواضح أن الفحص البصري والكيميائي المفصل للأسطح المعدنية على طول مسارات التدفق المحددة في مستجمعات المياه مطلوب لتوثيق أهمية "التسمم" أو "التدريع" التفضيلي للأسطح المعدنية كوسيلة لتقييد الوصول إلى حلول التجوية لبعض الأطوار المعدنية.

    تبادل الأيونات
    يعكس تجمع تبادل الكاتيونات في أي مكان على طول مسار التدفق مساهمات كل من تفاعلات التجوية المعدنية والمدخلات من الغلاف الجوي والبشرية إلى مستجمعات المياه. من المفترض أن العناصر المتحركة مثل Sr يتم تبادلها بكفاءة على الأسطح المعدنية ، ونسبة الكاتيون مثل Sr إلى الكاتيونات الأخرى القابلة للتبديل (على سبيل المثال ، Sr / Ca ، Sr / Mg ، Sr / Na) في حوض التبادل تظل ثابتة نسبيًا لـ بالنظر إلى معادن الطين ، ودرجة الحموضة في الماء ، وكيمياء المياه ، انظر Davis and Kent (1990) للحصول على مراجعة شاملة للقواعد النظرية لتبادل الكاتيونات وعمليات تكوين الأسطح المعدنية. بمجرد إنشائه ، يعمل حوض التبادل بشكل فعال على حماية كيمياء المياه من التقلبات الطفيفة. تؤدي الاضطرابات القوية في النظام ، مثل التغيرات في الأس الهيدروجيني الناتجة عن مدخلات المطر الحمضي ، إلى تغييرات في كل من تركيز Sr والكاتيونات الأخرى القابلة للتبديل ، وكذلك نسبة Sr إلى تلك الكاتيونات في تجمع التبادل. بغض النظر ، بالنظر إلى الوقت الكافي لتطور حالة الاستقرار ، يجب أن يكون للسائل وتجمع التبادل نفس d 87 الأب. لسوء الحظ ، لا يوجد حاليًا سوى القليل من البيانات حول الوقت المطلوب للوصول إلى حالة مستقرة.

    يمكن أن تؤدي عمليات الخروج من الحالة المستقرة ، مثل الحركة السريعة لمياه التسلل المتنوعة كيميائيًا إلى المنطقة غير المشبعة عبر المسام الكبيرة ، إلى توفير حالة يكون فيها تجمع السوائل والتبادل خارج توازن التبادل. سيستجيب النظام بعد ذلك لاستعادة توازن جديد عن طريق إذابة المعادن والتبادل الأيوني ، على الرغم من أن عامل الوقت لنظائر Sr لم يتم تحديده تجريبيًا. بغض النظر ، قد تكون مياه مستجمعات المياه المنقولة إلى عمق معين على طول المسام الكبيرة مختلفة بشكل كبير عن المياه التي انتقلت إلى نفس العمق عبر تدفق المصفوفة ، وقد لا تكون في حالة توازن نظيري مع حوض التبادل عند هذا العمق. على سبيل المثال ، تُظهر بياناتنا غير المنشورة عن مستجمعين يهيمن عليهما الطين في جورجيا وبورتوريكو أن مياه التربة ليست في حالة توازن النظائر مع مجموعة تبادل الكاتيون في التربة في أعماق أخذ العينات ، كما تم قياسها بواسطة تبادل خلات الأمونيوم. علاوة على ذلك ، يتطلب نموذج التطور الزمني لـ d 87 Sr لحوض التبادل الكاتيوني في تربة التسلسل الزمني لـ Merced (CA) التي تمت مناقشتها سابقًا أن كفاءة التبادل لـ Sr يجب أن تنخفض بشكل كبير مع زيادة عمر التربة (Bullen et al. ، 1997). من الواضح أن التجارب المعملية لتحديد الوقت اللازم للموازنة النظيرية لـ Sr بين السوائل وحوض التبادل في أنواع التربة المختلفة ضرورية.

    على عكس Sr ، يمتص الرصاص بقوة على الأسطح المعدنية ويرتبط بنقل أوكسي هيدروكسيدات المعادن. يتم نقل Pb كمادة مذابة فقط في المحاليل منخفضة الأس الهيدروجيني في بيئات الأس الهيدروجيني الأعلى ، ويمكن نقلها كمجمعات عضوية من الرصاص (Erel et al. ، 1991). لذلك ، على الرغم من أن المرحلة الغنية نسبيًا بالرصاص مثل الفلسبار قد تتفاعل على طول مسار التدفق ، فإن الرصاص من هذا الفلسبار لديه ميل ضئيل لدخول المحلول ما لم يكن الرقم الهيدروجيني منخفضًا أو يكون الكربون العضوي الكلي (TOC) مرتفعًا ، وإلا يصبح الرصاص على الفور. ملزمة في المواقع السطحية أو مدمجة في تعجيل المراحل الثانوية. هذه الخصائص تجعل من الصعب استخدام الرصاص كمتتبع لتفاعلات التجوية ومسارات تدفق المياه في الأنظمة الحديثة حيث يميل الأس الهيدروجيني للمحلول إلى أن يكون محايدًا ويتطور تجمع تبادل الكاتيونات بسرعة استجابة لتكوين الطين ، ما لم تكن TOC عالية بشكل خاص. من ناحية أخرى ، يمكن أن تكون نظائر Pb متتبعًا قويًا بشكل خاص لأنظمة التجوية القديمة التي يهيمن عليها الطين والتي يكون فيها الرقم الهيدروجيني لمحاليل التربة منخفضًا نسبيًا ، أو للأنظمة التي يكون فيها نقل الرصاص كمجمعات عضوية - Pb عملية مهمة .

    تنقل السوائل في المصفوفات متعددة المعادن
    عندما ينتقل مائع مخفف عبر مصفوفة متعددة المعادن ، تزداد تركيزات المذاب استجابة لتفاعلات الذوبان. يحدد الاستقرار الديناميكي الحراري لأي معدن فيما يتعلق بكيمياء السائل في جزء كبير منه معدل تفاعل هذا المعدن. سيستمر أي جزء من السائل ملامسًا لمعدن معين في البحث عن المواد المذابة من هذا المعدن طالما استمر نقص التشبع. يمكن لسوائل المسام الراكدة التي تتلامس مع معدن تفاعلي واحد فقط مثل حبة الفلسبار في مصفوفة غنية بالكوارتز أن تتطور كيميائيًا فقط إلى حد محدود تحدده مؤشرات التشبع. من ناحية أخرى ، فإن المزيد من السوائل المتحركة لديها احتمالية عالية للتلامس مع جميع الأطوار التفاعلية للتجميع ، وبالتالي فإن كيمياء الماء ستعكس مساهمات المواد المذابة من العديد من المعادن.مع التطور الكيميائي التدريجي ، سرعان ما يصل الماء إلى التشبع فيما يتعلق بالمعادن مثل الطين وأوكسي هيدروكسيدات الحديد ، مما يؤدي إلى ترسيبها وإزالة المواد المذابة الموروثة من المعادن المتفاعلة. وبالتالي فإن تكوين المعادن الثانوية يحفز الذوبان المستمر للمعادن المتفاعلة. وبالتالي يمكن أن يستمر التطور الكيميائي في تكوين حلول مركزة نسبيًا.

    بشكل عام ، تشير الحسابات النموذجية إلى أن مياه مستجمعات المياه أقل تشبعًا إلى حد كبير فيما يتعلق بسيليكات الحديد والمغنيسيوم مقارنة بالفلسبار (Garrels and Mackenzie، 1967 Schott et al.، 1981 Siegel and Pfannkuch، 1984) ، مما يدعم الملاحظة أن الفلسبار هي أكثر مراحل التفاعل مقاومة في أنظمة التجوية السيليكاتية بمرور الوقت. وبالتالي ، في ظل ظروف الركود وإهمال العوامل المهمة المحتملة مثل التسمم السطحي المعدني بواسطة الرواسب الثانوية ، يجب أن يتطور السائل الذي يتلامس مع المعادن المغناطيسية الحديدية إلى حد أكبر من السائل الملامس للفلسبار. علاوة على ذلك ، يجب أن يعكس التركيب الكيميائي والنظيري المذاب للسائل الراكد الكتلي مساهمة أكبر من الأطوار المغناطيسية الحديدية أكثر من المائع المتكون في ظل ظروف أكثر قدرة على الحركة. قد ينشأ تعقيد إضافي إذا كان المستجمع يتكون من الحجر ليس فقط من حبيبات معدنية فردية ولكن أيضًا من شظايا صخرية متعددة المعادن. حتى في ظل ظروف الركود ، ستعمل الأجزاء متعددة المعادن كمراكز تفاعلية دقيقة يمكن أن يحدث حولها تطور كيميائي مطول (Bullen et al. ، 1996). عندما يتم تعبئة هذا المائع الراكد في وقت لاحق ، فإن المائع الكتلي سيكون له تركيبة كيميائية ونظيرية مذابة تعكس مساهمة نسبية أكبر من الأجزاء متعددة المعادن أكثر من السائل المتكون في ظروف متحركة. يتم تقديم دراسة حالة تصف هذه الظاهرة في قسم لاحق.

    18.2.2 المدخلات الجوية / البشرية من الأب ، والرصاص ، والجيم

    أبلغ العديد من الباحثين عن تركيزات Sr والتركيبات النظيرية في هطول الأمطار في مستجمعات المياه (مثل Gosz and Moore ، 1989 Graustein ، 1989 Miller et al. ، 1993 Bullen et al. ، 1996 ، 1997). هطول الأمطار قابل للقياس Sr ، مع تركيزات في حدود عدة أجزاء من البليون و 87 Sr قريبة من مياه البحر الحالية (87 الأب = -1.4 درجة). تُظهر قاعدة بياناتنا الحالية التي تضم ما يقرب من 50 عينة من الأمطار من العديد من مستجمعات المياه في جميع أنحاء الولايات المتحدة وبورتوريكو نطاقًا من d 87 Sr من -3.50 درجة إلى + 1.50 درجة. يحتوي الترسيب الجاف أيضًا على Sr قابل للقياس ، حيث يعكس d 87 Sr ترسب الجسيمات المحتمل اشتقاقها من مسافات كبيرة من مستجمعات المياه. من الواضح أن الأهمية النسبية للمساهمات الخارجية والداخلية لـ Sr ستختلف بين مستجمعات المياه ، وقد يكون من الصعب تحديد ما إذا كان التركيب النظائري للغلاف الجوي SR يتداخل مع معادن مستجمعات المياه الداخلية.

    يوفر الانسياب المدخل الرئيسي لـ Sr إلى سطح مستجمعات المياه ، وعادة ما يهيمن عليه Sr المعاد تدويره الذي تم التقاطه بواسطة جذور النباتات ونضح على أسطح الأوراق (Bailey et al. ، 1996). في معظم مستجمعات المياه ، يجب أن يكون متوسط ​​السرعة المعبأة من منطقة التربة متوسطًا جيدًا ، حيث يعكس D 87 Sr النطاق المحلي لتجوية المعادن. بالنسبة للمستجمعات التي يكون فيها مدى التجوية متغيرًا مكانيًا ، فإن d 87 Sr لامتصاص الجذر وبالتالي من خلال التدفق سيكون متغيرًا أيضًا. تعتبر المصادر الخارجية لـ Sr ذات أهمية ثانوية بشكل عام لمياه مستجمعات المياه ، على الرغم من أن المساهمات الكبيرة من الهباء الجوي قد تم توثيقها ، فإن مدى هذه المساهمات يعتمد بشكل أساسي على نوع المظلة (Graustein and Armstrong، 1983 Gosz and Moore، 1989 Miller et al.، 1993 Clow وآخرون ، 1997).

    على عكس Sr ، فإن Pb شديد التفاعل مع الجسيمات ويسهل تعقيده بواسطة الأنواع العضوية (Davis and Kent ، 1990). وبالتالي تكون تركيزات الرصاص المذاب في مياه مستجمعات المياه منخفضة للغاية ، وعادة ما تكون أقل من 1 جزء في البليون ، وهي شديدة التأثر بالتلوث. على الرغم من أنها تتطلب عناية قصوى أثناء جمع العينات والتحضير المختبري ، فإن هذه الخصائص تجعل نظائر الرصاص متتبعًا حساسًا بشكل خاص للمدخلات الجوية / البشرية في المستجمع. يدخل الرصاص المشتق من مصادر خارجية المستجمعات إما على شكل ترسيب جاف أو في هطول الأمطار ، وهو مرتبط فعليًا بالسنتيمترات القليلة العلوية الغنية بالعضوية من التربة (Erel et al. ، 1991). ستحمل المياه المعبأة من هذه المنطقة الضحلة نسبة صغيرة من هذا الرصاص كمجمعات عضوية- Pb. إذا تم تمييز نظائرها بشكل كافٍ عن معادن مستجمعات المياه وبالتالي عن المياه التي تم تطويرها في منطقة التجوية المعدنية ، يصبح الغلاف الجوي / البشري المنشأ متتبعًا فريدًا لكل من المياه المتسربة والمياه التي يتم حشدها على طول ممرات التدفق الضحلة عبر الأفق O ، كما هو موضح في مستجمعات المياه الرئيسية في فيرمونت بولين وآخرون. (1994). هذا التطبيق مشابه لاستخدام الكربون العضوي القابل للتحلل كمتتبع لمسارات التدفق الضحلة (Hornberger et al. ، 1994).

    إيريل وآخرون (1991) استفاد من التركيبات النظيرية المختلفة للرصاص من الرصاص المشتق من الغلاف الجوي والمشتق من التجوية الصخرية المأخوذة من تيار سييران لإثبات أن الرصاص في مياه التيار أثناء ذوبان الثلج يتم توفيره بشكل أساسي من خزان تراكم التربة العضوي. وأشاروا كذلك إلى أنه في حين أن الرصاص المشتق من التجوية الصخرية يجب أن يكون ثابتًا نسبيًا في التركيب النظيري بمرور الوقت ، فقد تغير التركيب النظيري وكمية الرصاص المشتق من الغلاف الجوي بشكل ملحوظ بمرور الوقت. يرجع هذا التغيير في المقام الأول إلى الإزالة الفعالة لإضافات الرصاص في بنزين السيارات منذ الستينيات. تم تسجيل نجاح الجهود المبذولة لتقليل مصدر تلوث الرصاص هذا بشكل واضح على أنه انخفاض تدريجي في تركيزات الرصاص في حلقات نمو الشعاب المرجانية من غرب المحيط الأطلسي (باترسون وسيتل ، 1984). لذلك ، بالإضافة إلى التحليل الشامل للمصادر الصخرية المحتملة للرصاص ، فإن فهم تاريخ ترسب الغلاف الجوي للرصاص في أي مستجمعات المياه أمر ضروري للتفسير الناجح للتغيرات النظيرية للرصاص في مياه مستجمعات المياه. ينبغي أن يساعد التحليل النظيري المفصل للرصاص في هطول الأمطار وهطول الأمطار في الهواء الطلق في أي مستجمع على التمييز بين الرصاص المشتق من المصادر المحلية (أي الغبار من العمليات الزراعية أو الانبعاثات الصناعية القريبة) من "الغلاف الجوي" الإقليمي / العالمي المتوسط ​​بشكل جيد.

    مساهمة C مثل مدينة دبي للإنترنت من هطول الأمطار لا تذكر في معظم أنظمة مستجمعات المياه. بالنسبة للمطر مع درجة حموضة 4 ودرجات حرارة في حدود 10-25 درجة مئوية ، يكون محتوى حمض الكربونيك المتوازن

    10-20 ومايكرومولار (Stumm and Morgan ، 1980). إذا افترض المرء أن حمض الكربونيك في حالة توازن نظيري مع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي (-7 درجة) ، فسيكون له قيمة d 13 C تبلغ -8 (Deines et al. ، 1974). نظرًا لسقوط القليل جدًا من الأمطار مباشرة على قناة التيار ، حيث يتدفق المطر عبر التربة وعبرها ، فإن مدينة دبي للإنترنت لديها فرصة كبيرة للتبادل النظائري مع ثاني أكسيد الكربون في التربة. لذلك ، فإن مساهمة مدينة دبي للإنترنت من التهطال إلى تدفق مجرى المياه ربما تكون أقل بكثير من إجمالي مدخلات الغلاف الجوي. من المرجح أن يكون تأثير مصدر الغلاف الجوي لمدينة دبي للإنترنت أكثر أهمية في فصل الشتاء المطير منه خلال الصيف بسبب انخفاض متوسط ​​قيم مدينة دبي للإنترنت للتيار ، وانخفاض معدلات إنتاج ثاني أكسيد الكربون في التربة ، وارتفاع معدلات الجريان السطحي للتسلل في الشتاء والربيع (كيندال ، 1993).

    من ناحية أخرى ، قد تكون المساهمات النسبية لمدينة دبي للإنترنت من معادن الكربونات في الترسيب الجاف كبيرة ، كما تم افتراضه بالنسبة للعديد من مستجمعات جبال الألب مثل Loch Vale ، كولورادو (Clow et al. ، 1993). لسوء الحظ ، من غير المحتمل أن يكون للكربونات في الترسيب الجاف d 13 درجة مئوية مختلفة بما فيه الكفاية عن الكربونات في مستجمعات المياه الصخرية لـ d 13 C لتكون مفيدة كمتتبع لمدخلات الغلاف الجوي في المستجمعات. ومع ذلك ، نظرًا لأن الكربونات تحتوي عادةً على نسبة كبيرة من الأب ، فإن الاستخدام المشترك لنظائر C و Sr قد يوفر وسيلة قوية للتمييز بين المصادر الداخلية والخارجية لمساهمات الكربونات في مياه مستجمعات المياه (Clow et al. ، 1997).

    18.2.3 تأثيرات التدوير العضوي وغير العضوي على التركيب النظائري للكربون

    المحيط الحيوي ، وخاصة عدد من عمليات التربة لها تأثير هائل على D 13 C من مدينة دبي للإنترنت في مياه مستجمعات المياه. يتكون ثاني أكسيد الكربون في التربة بشكل أساسي من خليط مشتق من الغلاف الجوي (13 درجة مئوية = -7 درجة مئوية) وثاني أكسيد الكربون المستنشق ميكروبيًا. التنفس هو نوع من الأكسدة البيولوجية للمادة العضوية ، وعلى هذا النحو ينتج ثاني أكسيد الكربون بنفس قيمة d 13 C تقريبًا مثل المادة العضوية (Park and Epstein ، 1961) وبالتالي ، يجب أن تحتوي المناطق التي تهيمن عليها نباتات C 3 على تربة CO 2 مع قيم د 13 درجة مئوية حول -25 درجة. يمكن أيضًا أن تتأثر d 13 C من ثاني أكسيد الكربون في التربة بالتخمير الذي ينتج عنه غاز الميثان الذي يتراوح في التركيب من -52 إلى -80 درجة (Stevens and Rust ، 1982). مع تقدم عملية التخمير ، تصبح تركيبات ثاني أكسيد الكربون أو المنتجات الثانوية لمدينة دبي للإنترنت غنية بشكل متزايد في 13 درجة مئوية (Carothers and Kharaka ، 1980). سيكون الكربون الناتج أكثر إثراءًا في 13 درجة مئوية من الكالسيت ، مع قيم أكبر من +10 درجة ليست غير شائعة. ينتج عن أكسدة الميثان ثاني أكسيد الكربون بنفس تركيبة الميثان الأصلي تقريبًا. يؤدي تقليل الكبريتات أثناء تحلل المادة العضوية التي تحتوي على d 13 درجة مئوية من حوالي -25 درجة إلى إنتاج مدينة دبي للإنترنت بحوالي -20 درجة مئوية (بريسلي وكابلان ، 1968).

    إذا كانت مدينة دبي للإنترنت في مياه التربة أو تبادل المياه الجوفية نظيرًا مع الأنواع الأخرى الحاملة للكربون ، فقد تكون التواقيع النظيرية غير واضحة ولا يمكن افتراض الخلط المحافظ لاثنين من التركيبات المميزة للعضو النهائي. يتم التحكم في تطور التركيبات النظيرية للمواد الحاملة للكربون في الأنظمة غير الملوثة حيث يتم اشتقاق الكربون من معادن الكربونات وثاني أكسيد الكربون في التربة من خلال حالتين محددتين: الأنظمة المفتوحة حيث يتفاعل الكربونات مع الماء عند ملامسة الطور الغازي مع pCO2 ثابت ، والأنظمة المغلقة حيث يتم عزل الماء من خزان CO 2 قبل إذابة الكربونات (Deines et al. ، 1974). تقع الظروف التي يتم فيها إذابة الكربونات بين هذين النقيضين ، وكلاهما يفترض أوقات بقاء الماء طويلة بما يكفي لحدوث تبادل نظيري مهم بين الغاز والمرحلة المائية.

    أنواع الكربون السائدة عند قيم الأس الهيدروجيني النموذجية للتربة من حوالي 5 إلى 6 هي حمض الكربونيك. يكون تجزئة نظائر التوازن بين ثاني أكسيد الكربون وحمض الكربونيك 1 درجة (Deines et al.، 1974). تنتج مدينة دبي للإنترنت عن طريق إذابة الكالسيت (د 13 ج = 0 درجة) بواسطة حمض الكربونيك (د 13 ج = -22 درجة) لها د 13 ج = -11 درجة. إذا حدث هذا الانحلال في ظل ظروف النظام المفتوح ، فستتبادل مدينة دبي للإنترنت مع خزان ثاني أكسيد الكربون في التربة (-21 درجة) وتصل إلى 13 درجة مئوية بقيمة -22 درجة مئوية تقريبًا ، وبالتالي القضاء على أي دليل نظائر للكربون على أن نصف مدينة دبي للإنترنت مشتق من حل الكالسيت. بالطبع ، إذا كان d 87 Sr من الكالسيت مميزًا بالنسبة إلى d 87 Sr لمعادن مستجمعات المياه الأخرى ، فقد يكون انحلال الكالسيت قد ترك "توقيعه" في d 87 Sr من الماء.

    الكربون الموجود في المياه الجوفية الذي يتدفق إلى مجاري المياه ليس في حالة توازن كيميائي ونظائر مع الغلاف الجوي. على سبيل المثال ، غالبًا ما تصل تركيزات ثاني أكسيد الكربون في منطقة التربة إلى 5٪. لذلك ، نظرًا لأن تركيز الغلاف الجوي يبلغ حوالي 0.03٪ ، فإن ثاني أكسيد الكربون يفقد بسرعة عندما تتسرب مياه التربة إلى مجرى مائي. تشير التجارب المعملية التي أجراها Mook (1968) إلى أن D 13 C من مدينة دبي للإنترنت يزداد بسرعة بنحو 0.5 درجة أثناء التفريغ. علاوة على ذلك ، فإن التبادل النظيري بين مدينة دبي للإنترنت وثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أمر لا مفر منه. في التيارات ذات قيم الأس الهيدروجيني من 5 إلى 6 ودرجات حرارة 20 درجة مئوية ، يجب أن يكون التوازن d 13 درجة مئوية لتيار مدينة دبي للإنترنت حوالي -8 درجة. ومن ثم ، إذا كان وقت بقاء الماء في التيار طويلًا بدرجة كافية ، فإن d 13 C من مدينة دبي للإنترنت سيقترب تدريجياً من -8 درجة. ومع ذلك ، نظرًا لعدم وجود دليل عادةً على أي زيادة في المصب d 13 C إلى جانب 0.5 درجة الناتجة عن تفريغ الغاز (Kendall ، 1993) ، لا يبدو أن التبادل النظيري بين تيار مدينة دبي للإنترنت وثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي يمثل مشكلة في الأول والثاني- ترتيب تيارات من مستجمعات الغابات.

    يمكن أن تؤثر عمليات التدفق الإضافية على d 13 C لمدينة دبي للإنترنت. ينتج عن استيعاب الأحياء المائية لمدينة دبي للإنترنت مادة عضوية بتكوين حوالي 30 درجة مستنفدة في 13 درجة مئوية بالنسبة لتكوين الكربون المستخدم (Rau ، 1979) ، مما أدى إلى زيادة في D 13C من DIC المتبقية. في المقابل ، سيؤدي ترسيب الكالسيت إلى انخفاض في d 13C من DIC المتبقية ، بسبب تجزئة التوازن بين الكالسيت و DIC بحوالي 2 درجة.

    إذا كانت أي من هذه العمليات في منطقة التربة أو ضمن التيار مصادر مهمة أو أحواض للكربون ، فإنها قد تعقد تفسير قيم تيار d 13 C (كيندال ، 1993). ومع ذلك ، فإن ارتباط الاختلافات في d 13 C بالتغيرات في الهيدرولوجيا أو الكيمياء أو نظائر أخرى مثل Sr قد يوفر دليلاً على أن هذه العمليات غير مهمة. على سبيل المثال ، فإن عدم وجود أي زيادة منتظمة في المصب d 13 C ، خاصة في الصيف عندما يكون التدفق بطيئًا ، من شأنه أن يجادل ضد التبادل الكبير لتيار مدينة دبي للإنترنت مع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. وبالمثل ، فإن انخفاض الرقم الهيدروجيني لمياه التيار سوف يستبعد ترسيب الكالسيت كوسيلة لخفض d 13C من تيار مدينة دبي للإنترنت. أخيرًا ، هناك علاقة إيجابية قوية بين d 13 C و DIC لمياه التيار ، والعلاقة السلبية النموذجية بين هذه المعلمات و d 87 Sr معًا تجادل بشكل مقنع لحل الكالسيت.

    18.3.4 التركيب: نظرة نظيرية لمستجمع

    توضح الدراسات المذكورة أعلاه أنواع التباين النظيري المتوقع في المياه التي تساهم في تدفق مجاري المياه في مستجمعات المياه. من المحتمل أن تكون نظائر الماء متغيرة مثل المياه "الجديدة" التي يتم تسليمها إلى مستجمعات المياه أثناء الأحداث ، على الرغم من احتمال حدوث درجة معينة من متوسط ​​المياه الجوفية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الإثراء التبخيري لنظائر الماء سيسهم في التنوع النظائري للمياه الجوفية في مستجمعات المياه حيث تشكل البحيرات مكونًا مهمًا. يبدو أن عناصر التحكم المهمة في تكوين النظائر الذائبة هي وقت بقاء الماء في منطقة التربة وسمكها ، وطول مسار التدفق إلى التيار ، وفي حالة نظائر Sr و C ، مدى التجوية المعدنية للسيليكات والكربونات. يلخص الشكل 18.11 الاختلافات المتوقعة في الماء وتركيب النظائر المذابة لمختلف مسارات التدفق المعممة من خلال مستجمعات المياه الافتراضية.

    من وجهة نظرنا لمستجمع المياه ، الذي يُفترض هنا أنه يحتوي على مكون كربونات ، من المتوقع أن تهيمن التجوية الحمضية القوية حيث تكون التربة أقل سُمكًا ، مما ينتج عنه كثافة سكانية منخفضة نسبيًا ومحلول إشعاعي مذاب عند منسوب المياه. مع تكثيف التربة ، تستمر التجوية الحمضية القوية في السيطرة في آفاق التربة الضحلة التي تم تجريد الكربونات منها إلى حد كبير ، مما أدى إلى مدينة دبي للإنترنت خفيفة نسبيًا و Sr المشع المذاب في المياه المتسربة. ومع ذلك ، فإن تجوية حمض الكربونيك تصبح مهمة في التربة المعدنية العميقة الحاملة للكربونات ، مما يؤدي إلى مدينة دبي للإنترنت وسيط وأقل إشعاعًا مذابًا مذابًا عند منسوب المياه. من حيث نظائر الرصاص ، يجب أن يهيمن الرصاص المشتق من الغلاف الجوي على مياه التربة الضحلة ، بينما يجب أن تهيمن المياه الجوفية العميقة على الرصاص المشتق من التجوية الصخرية. عندما تزداد ثخانة التربة ، يجب أن يوفر النقل الهابط للرصاص المشتق من الغلاف الجوي آلية لتقسيم المياه الجوفية إلى طبقات فيما يتعلق بنظائر الرصاص. أخيرًا ، من المحتمل أن تكون المساهمات من حجر الأساس متغيرة بشكل كبير من الناحية النظيرية ، اعتمادًا بشكل أساسي على حركية نقل المياه عبر نظام الكسر. بشكل عام ، ومع ذلك ، فإننا نقترح أن المياه الجوفية المشتقة على طول مسارات الصخور الأساسية يجب أن تحتوي على مواد مشعة نسبيًا Sr و Pb و C.

    إذا افترضنا أن مياه مستجمعات المياه تتطور وتحافظ على "بصمات" نظيرية مميزة على طول مسارات التدفق المختلفة ، فيمكن عندئذٍ النظر إلى تركيبات نظائر الماء والمذاب التي لوحظت في تدفق مجرى المياه كدالة لحجم المساهمة. على سبيل المثال ، في ظل ظروف التدفق الأساسي ، يجب أن يهيمن التوقيع النظيري المميز لبيئة النهر. ومع ذلك ، استجابة لحدث مثل عاصفة ممطرة أو ذوبان الجليد ، سيتم إيصال مياه إضافية إلى التيار على طول ممرات التدفق التي تحددها الخصائص الهيدروجيولوجية لمستجمعات المياه. ستختلف تركيبات الماء والنظائر الذائبة لتدفق المجرى الناتج عن تلك الخاصة بالتدفق القاعدي اعتمادًا على تدفقات الكتلة النسبية من "أحجام" مستجمعات المياه المختلفة مثل أفق التربة العضوية والمياه الجوفية الضحلة ونظام كسر الصخور الأساسية. على الرغم من التبسيط المعترف به ، فإن وجهة النظر هذه للسلوك النظائري في مستجمعات المياه قابلة للاختبار بوضوح من خلال مجموعة متنوعة من التقنيات الهيدرولوجية والكيميائية والنظيرية. نحن ننظر إلى اختبار الفرضيات كعنصر حاسم في أي دراسة لهيدرولوجيا مستجمعات المياه.


    18.4 متتبعات إضافية للنظائر الذائبة: Li، B، Fe

    من المواد المعروضة أعلاه ، من الواضح أن نظائر Sr و Pb و C يمكن أن توفر قيودًا ذات مغزى لدراسات مستجمعات المياه ، نظرًا لتعدد استخداماتها كمتتبع هيدرولوجي بالإضافة إلى الطبيعة المباشرة نسبيًا لتحليلها. وتجدر الإشارة إلى أن الغالبية العظمى من أجهزة قياس الطيف الكتلي ذات المصدر الصلب قيد التشغيل حاليًا هي أو يمكن استخدامها بشكل روتيني لتحليل التركيبات النظيرية لـ Sr و Pb في الصخور ، والانتقال من تحليلات الصخور إلى تحليل المكونات الذائبة في الماء يتطلب فقط تطوير الإجراءات المعملية لفصل وتنقية الأب و الرصاص للتحميل على الخيوط. تمتلك العديد من المرافق الأكاديمية والبحثية حاليًا القدرة على تحليل التركيب النظائري لـ C في الأنواع المذابة والمواد الصلبة والسوائل والغازات. تم تطبيق أنظمة نظائر الذائبة الأخرى بشكل مفيد في دراسات مستجمعات المياه ، ولا سيما النويدات المشعة من سلسلة اليورانيوم والثوريوم (انظر المراجعة ، الفصل 20) ، ونظائر الكبريت (انظر المراجعة ، الفصل 15) ، ونظائر النيتروجين (انظر المراجعة ، الفصل 16) ). توفر المؤلفات الجيولوجية والبيولوجية الهائلة حول سلوك هذه الأنظمة النظيرية في الطبيعة أساسًا قويًا لتفسير الاختلافات في التركيب النظائري الذي لوحظ في مستجمعات المياه ذات الجيولوجيا والأنظمة البيئية المتنوعة.

    في المستقبل القريب ، قد تجد أنظمة النظائر المذابة الإضافية غير المستغلة حاليًا بسبب كل من الصعوبات التحليلية ونقص المعلومات المتعلقة بأسباب ومدى الاختلافات النظيرية في الطبيعة قابلية للتطبيق على نطاق واسع في دراسات مستجمعات المياه. كأمثلة ، نقدم في هذا القسم الأسس النظرية لأنظمة النظائر المستقرة Li و B و Fe. لم يتم استخدام هذه الأنظمة حتى الآن في دراسات مستجمعات المياه ، ولكن يجب أن توفر معلومات مهمة خاصة عند تطبيقها من خلال نهج متعدد النظائر. نقترح أن تتصرف نظائر Li و B كمتتبعين متحفظين نسبيًا لمسارات تدفق المياه ، ويجب أن تثبت قيمتها في تمييز المساهمات من التجوية في منطقة التربة عن تلك الناتجة عن التجوية في واجهة الصابروليت والصخور. قد توفر نظائر الحديد متتبعًا حساسًا للعمليات الكيميائية الجيوكيميائية الحساسة للاختزال التي تحدث داخل مستجمعات المياه.

    نظائر الليثيوم
    يحتوي الليثيوم على اثنين من النظائر المستقرة بشكل طبيعي ، 6 Li و 7 Li.على عكس معظم أنظمة النظائر المستقرة الأخرى ، فإن النظير الثقيل 7 Li هو النوع السائد ، بحيث يبلغ متوسط ​​7 Li / 6 Li في الطبيعة حوالي 12.0. في الأدبيات المحدودة الموجودة لنظائر Li ، تم الإبلاغ عن البيانات بشكل نموذجي فيما يتعلق بـ N.I.S.T. معيار L-SVEC في تدوين دلتا المشترك. تم الإبلاغ عن تباين كبير في d 7 Li للمواد الطبيعية ، على الرغم من أن العديد من البيانات التحليلية التي تم إنتاجها قبل الثمانينيات مشكوك فيها الآن. نظرًا لأن Li عنصر خفيف ، فقد كان التحليل في مطياف كتلة المصدر الصلب صعبًا بسبب تأثيرات التجزئة الحرارية التي لا يمكن السيطرة عليها على ما يبدو. ومع ذلك ، فإن الإجراءات التحليلية البديلة التي تم تطويرها مؤخرًا (مثل Chan and Edmond ، 1988) جعلت التحليل الدقيق لتركيب نظائر Li في كل من الصخور والمياه أمرًا روتينيًا نسبيًا. ومع ذلك ، كما هو الحال مع أي نظام نظيري مستقر ، فإن الوسيلة الحقيقية الوحيدة لضمان دقة القياسات هي تشغيل نسخ مكررة من كل عينة من خلال الإجراء التحليلي الكلي وتأكيد مستوى معين من الدقة الخارجية.

    في الطبيعة ، تتسبب معادن سيليكات الطبقة في أكبر تجزئة لنظائر الليثيوم ، حيث يتم استبدال 6 Li بشكل تفضيلي في مواقع الاوكتاهدرا التي يشغلها عادةً Mg و Fe 2+. تم توضيح آلية التجزئة هذه للأنظمة ذات درجة الحرارة المرتفعة بواسطة Chan and Edmond (1988) اللذان أبلغا عن التكوينات النظيرية لـ Li في المياه الحرارية لجبال وسط المحيط والمراحل الصلبة المرتبطة بها. في دراستهم ، تم حساب المعادن الثانوية المنتجة بالماء الحراري على أنها تحتوي على d 7 Li بقدر 19 درجة أخف من السوائل التي تمت معايرتها بها. تسببت العمليات الحرارية المائية المستمرة عند مرتفعات المحيطات والتراكم التفضيلي لـ 6 ليترات في المراحل الثانوية على مدار الزمن الجيولوجي في زيادة ثقل Li لمياه البحر بشكل تدريجي بحيث يحتوي على أعلى d 7 Li من المواد الطبيعية التي تم تحليلها حتى الآن.

    استخدم Bullen and McMahon (1992) الاختلاف المتوقع في d 7 Li بين البيئات البحرية وبيئات طبقة السيليكات لتتبع التطور الكيميائي للمياه الجوفية في طبقة المياه الجوفية الساحلية الصخرية. على طول مسار التدفق الإقليمي ، تتطور مياه التغذية المخففة في نهاية المطاف إلى تراكيب NaHCO 3 ، ويفترض أولاً عن طريق انحلال الأراجونيت في الجزء الرملي من الخزان الجوفي وبعد ذلك عن طريق تبادل Ca-for-Na على الطين. تمشيا مع هذا السيناريو ، يعتبر Li خفيفًا نسبيًا في منطقة إعادة الشحن ، ويصبح أثقل بشكل كبير مع زيادة (HCO3) - تزداد التركيزات ، ويصبح أخف بشكل ملحوظ في الجزء الغني بالطين من الخزان الجوفي حيث يرتفع Na / Ca من المياه الجوفية بسرعة. استنادًا إلى تحليلات المواد الصلبة المأخوذة من النوى المأخوذة على طول مسار التدفق ، يكون Li في الأراجونيت

    35 ... أثقل من المادة المترسبة من طبقة المياه الجوفية الغنية بالطين.

    بناءً على استنتاجات هذه الدراسات ، يمكن إجراء بعض التنبؤات البسيطة المتعلقة بسلوك نظائر Li في مستجمعات المياه. من الواضح أن معادن الطين ستلعب دورًا مهمًا في إنشاء تنوع نظائر Li. سيحتوي الطين على أخف كمية من معادن مستجمعات المياه ، وستكون مياه مستجمعات المياه أكثر تنوعًا في نظائر Li عندما يختلف تأثير التفاعلات مع المعادن الطينية بين مسارات التدفق. على سبيل المثال ، يجب أن ترث المياه المتسربة التي تمر عبر تربة غنية بالطين أن ترث Li أخف بكثير من المياه الجوفية التي تنتقل على طول وتتفاعل عند السطح البيني الصخري-سابروليت. علاوة على ذلك ، يجب أن يصبح Li المذاب أثقل تدريجيًا على طول مسارات التدفق حيث يحدث بنشاط ترسيب معادن Mg-Fe 2+ -Li الحاملة للطين. مصدر Li إضافي ذو صلة خاصة بالمستجمعات الساحلية هو هطول الأمطار الذي يهيمن عليه البحر ، والذي سيكون أثقل بكثير من Li من معادن مستجمعات المياه. بافتراض أن المصادر أو البيئات المتميزة نظريًا يمكن تحديدها داخل مستجمعات المياه ، فإن Li في المياه المشتقة منها يجب أن يتصرف كمتتبع مذاب نسبيًا لتلك المياه.

    البورون
    يحتوي البورون على نظيرين مستقرين طبيعيين ، 10 ب و 11 ب. على عكس معظم أنظمة النظائر المستقرة الأخرى ولكن بشكل مشترك مع نظائر Li ، فإن النظير الثقيل 11 ب هو النوع السائد ، بحيث يكون متوسط ​​11 ب / 10 ب في الطبيعة. ما يقرب من 4.0. يوجد مؤلفات واسعة النطاق لنظائر B ، خاصة بالنسبة لبيئات الطاقة الحرارية الأرضية والبيئات البحرية. في معظم الدراسات ، تم الإبلاغ عن البيانات المتعلقة بـ N.I.S.T. المعيار NBS-951 في التعليق المشترك d. كما هو الحال مع نظائر Li ، تم الإبلاغ عن تباين كبير في d 11 B للمواد الطبيعية (مثل Bassett ، 1990). ومع ذلك ، فإن العديد من المحاولات التحليلية لتحديد دقيق قبل الثمانينيات من القرن الماضي مشكوك فيها الآن لنفس أسباب نظائر Li. أدى التطور الحديث إلى حد ما لاثنين من الإجراءات التحليلية البديلة إلى جعل تحليل نظائر B في الماء أمرًا روتينيًا إلى حد ما ، فإن تحليل نظائر B في صخور السيليكات أمر صعب إلى حد ما وتقنية عالية التخصص. تتضمن الطريقتان قياس الأيونات الموجبة (سبيفاك وإدموند ، 1986) أو الأيونات السالبة (فينجوش وآخرون ، 1991). ميزة طريقة تحليل الأيونات السالبة ، خاصة للأنظمة المخففة مثل مستجمعات المياه ، هي أن حجم العينة المطلوب (

    1 نانوغرام ب) أقل بكثير من توليد الأيونات الموجبة (

    1 & ميكروغ ب). من ناحية أخرى ، يُفترض أن استنساخ القياسات أسوأ باستخدام طريقة تحليل الأيونات السالبة ، ولكن باستخدام تقنية تحضير العينة الدقيقة يمكن أن تكون أفضل من 1 درجة.

    في المياه الطبيعية ، يوجد B في حالتين ، حمض البوريك (H 3 BO 3) وأيون البورات (H 4 BO 4) -. تتأثر بيئة التنسيق لذرة B بالاختلاف في عدد مجموعات الهيدروكسيل في أنواع البورون هذه ، مما يتسبب في تجزئة نظيرية بين حمض البوريك المتعايش وأيون البورات. في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة مثل البيئة البحرية ، يكون B في أيون البورات أخف بمقدار 20 درجة من حمض البوريك (Hemming and Hanson ، 1992). كنوع غير مشحون ، يعتبر حمض البوريك محافظًا بشكل أساسي على النقيض من ذلك ، يمكن امتصاص أيون البورات المشحون على الأسطح المعدنية وإدراجه كشوائب في المعادن مثل الكربونات. كما هو الحال مع نظائر Li ، أدى التطور التدريجي للتجمعات المعدنية الحرارية المائية الغنية بالسيليكات في تلال وسط المحيط ووفرة المعادن الطينية في البيئة البحرية إلى التثقل التدريجي لـ B في مياه البحر على مدار الزمن الجيولوجي. نطاق d 11 B في المواد الطبيعية في حدود 100 درجة (باسيت ، 1990).

    قد يكون توزيع الأنواع B كدالة للأس الهيدروجيني وثيق الصلة بشكل خاص بدراسات مستجمعات المياه. عند الأس الهيدروجيني أقل من 6 ، يوجد B المذاب بالكامل في صورة حمض البوريك. مع زيادة الرقم الهيدروجيني ، يصبح أيون البورات الأخف وزنًا بشكل تدريجي أكثر وفرة وأثقل (Kakihana et al. ، 1977). وبالتالي ، يمكن أن يكون هناك تباين كبير في d 11 B من B المذاب على طول مسارات التدفق من خلال مجموعات معدنية مختلفة ، أو على طول مسارات التدفق التي تتميز باختلاف الأس الهيدروجيني والتطور الجيوكيميائي. من المحتمل أن يكون التحكم الرئيسي في d 11 B لمياه مستجمعات المياه هو فعالية امتصاص أيون البورات كدالة للرقم الهيدروجيني والكيمياء. المصادر الإضافية للنظائر B الفريدة التي قد تكون مهمة هي الكربونات من داخل مستجمعات المياه والأملاح المترسبة في الغلاف الجوي سواء من أصل بحري أو بشري (أي تعديلات التربة الغنية بالبورون والأسمدة).

    حديد
    يحتوي الحديد على أربعة نظائر مستقرة بشكل طبيعي ، 54 Fe ، 56 Fe ، 57 Fe و 58 Fe. الوفرة النسبية لنظائر الحديد في الطبيعة هي حوالي 54 Fe (5.8٪) ، 56 Fe (91.7٪) ، 57 Fe (2.2٪) و 58 Fe (0.3٪). ركز الكثير من العمل السابق على قياس التركيب النظيري لـ Fe على تحديد الاختلافات بسبب العمليات المصاحبة للتخليق النووي (أي دراسات النيزك) وتكوين الخام (Volkening and Papanatassiou، 1989 Maeck، 1992). ومع ذلك ، لأسباب تحليلية في المقام الأول ، هناك ندرة في المعلومات حول الاختلافات النظيرية المستقرة للحديد في أنظمة درجات الحرارة المنخفضة.

    دراستان حديثتان تستخدمان تقنيات تحليلية محسنة لهما صلة وثيقة بالعمل المحتمل مع نظائر الحديد في مستجمعات المياه. في دراسة استطلاعية لتركيبات نظائر الحديد ، ديكسون وآخرون. (1992) أظهر الاختلافات النظيرية التي تحدثها العمليات الميكروبية في جبل Loihi البحري. تشير نتائجهم إلى أن تقليل Fe بوساطة ميكروبية يفضل كسر الروابط التي تنطوي على أنواع الحديد الأخف وزناً. في دراسة أخرى حول اختزال الحديد ونقله في موقع انسكاب البنزين ، أظهر Bullen and McMahon (1997) مع كل من الأدلة الميدانية والتجريبية أن اختزال Fe بوساطة ميكروبية يتصرف كعملية تقطير Rayleigh ، مع Fe 2+ باستمرار 5 درجات أخف من التعايش Fe 3+. الاستنتاج المهم لهذه الدراسة هو أنه يمكن استخدام تركيبة نظائر الحديد في الماء الخارج من النظام لتقدير كمية اختزال الحديد التي حدثت في النظام ، مع قيم ثقيلة بشكل متزايد تعكس كميات أكبر من تقليل الحديد.

    يكمن التطبيق المحتمل لنظائر الحديد في دراسات مستجمعات المياه في افتراض أن الحديد المعبأ بشكل غير عضوي من المعادن في ظل ظروف منخفضة أو منخفضة الأس الهيدروجيني سيكون له تركيبة نظيرية مختلفة عن الحديد المختزل ميكروبيًا. إلى الحد الذي يمكن أن تتميز فيه مناطق أو ممرات تدفق معينة في مستجمعات المياه بالدوران الميكروبي للحديد المتغير ، قد توفر نظائر الحديد متتبعًا فعالًا للمساهمات من هذه المسارات. على سبيل المثال ، قد يكون توصيف العمليات الحيوية على طول مسارات المياه التي توفر الحديد المسئول عن تلطيخ طبقات مجاري المياه أحد تطبيقات نظائر الحديد في دراسات مستجمعات المياه. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى مزيد من العمل التجريبي على كل من تطوير الإجراءات التحليلية لقياس نظائر الحديد بتركيزات منخفضة وكذلك تحديد كفاءة التجزئة النسبية للعوامل الميكروبية المختلفة.

    تعتبر نظائر الماء أدوات مفيدة جدًا لتحديد مصادر المياه (مصادر الوقت) في مستجمعات المياه. تعتبر أدوات التتبع الكيميائية مفيدة جدًا لفهم التفاعلات على طول مسارات التدفق. ومع ذلك ، لا تعتبر أدوات التتبع النظيرية ولا الكيميائية مفيدة جدًا لقياس كميات المياه من مسارات التدفق المختلفة أو وحدات الصخور / التربة - الأول لأن مصادر المياه لا تحتاج إلى أن تتوافق مع مسارات تدفق المياه ، والأخيرة لأن المكونات الكيميائية لا تحتاج إلى التصرف بشكل متحفظ. من الواضح أن محاولات تقييم المساهمات النسبية من ممرات التدفق يجب أن تأخذ في الاعتبار مجموعة متنوعة من الأدوات الهيدرولوجية والجيوكيميائية والنظيرية بالتنسيق ، وقد لا تنجح.

    لحسن الحظ ، يمكن أن توفر النظائر المذابة التفاعلية مثل نظائر 13 C و 34 S و 15 N و 87 Sr و Pb معلومات قيمة حول مسارات التدفق للنمذجة الجيوكيميائية والهيدرولوجية على وجه التحديد لأنها تعكس التفاعلات المميزة لممرات تدفق معينة (Kendall et al. ، 1992 Kendall et al. ، 1995 Bullen et al. ، 1996). أولاً ، يمكن أن تعمل نظائر الذائبة التفاعلية كقيود ديناميكية حرارية إضافية لاختبار مسارات التفاعل الجيوكيميائي الممكنة (بلامر وآخرون ، 1983). ثانيًا ، يتم أحيانًا تمييز المياه المتدفقة على طول آفاق مميزة من الناحية المعدنية من خلال التركيبات النظيرية لمذاباتها. على سبيل المثال ، غالبًا ما تحتوي المياه المتدفقة عبر منطقة التربة على قيم d 13 درجة مئوية والتي يتم استنفادها في 13 درجة مئوية بالنسبة إلى المياه الجوفية العميقة بسبب الإنتاج الحيوي لحمض الكربونيك في التربة العضوية (كيندال ، 1993). وبالمثل ، يجب أن تنقل مياه التربة الضحلة الرصاص الذي يغلب عليه الغلاف الجوي ، في حين أن المياه الجوفية العميقة ستنقل الرصاص المشتق من التجوية الصخرية (Bullen et al. ، 1994). ثالثًا ، يمكن أن يكون النهج متعدد النظائر مفيدًا بشكل خاص في تتبع التفاعلات الخاصة بمسار التدفق (Krabbenhoft et al. ، 1994). نظرًا لأن متتبعات النظائر الذائبة تتأثر عادةً بعدد أقل من العمليات من المكونات الكيميائية ، فإن تفسيرات التغيرات في التركيب النظيري تكون أقل غموضًا من التغييرات المتزامنة في تركيزات المذاب (Kendall et al. ، 1995).

    في هذا الفصل ، أكدنا على أهمية استخدام النظائر بطريقة تكميلية ، في المقام الأول لتقييد وإثراء النماذج المطورة من البيانات الهيدرولوجية والكيميائية. من الواضح أن النظائر هي أدوات اقتفاء قوية للعمليات الهيدرولوجية والجيوكيميائية ، ولكن غالبًا ما تكون الاستنتاجات القائمة على النظر في نظام نظيري واحد غامضة في أحسن الأحوال. إحدى الفوائد القوية للنهج متعدد النظائر الذي تمت مناقشته هنا هو أن نقاط القوة في نظام نظيري واحد قد تعوض عن نقاط ضعف نظام نظيري آخر. هذا لا يعني أن جميع دراسات مستجمعات المياه ستستفيد من تحليل كل نظام نظائر متاح تحليليًا ، ويجب على كل باحث أن يحدد بعناية أنواع المعلومات المطلوبة من البيانات النظيرية. من المحتمل أن يُنظر إلى النظائر بشكل أفضل على أنها أدوات للاختبار بدلاً من تطوير الفرضيات ، لا سيما في الدراسات التي تعمل في ظل قيود صارمة على الميزانية. ومع ذلك ، فإن تجربتنا هي أن النظائر توسع باستمرار رؤيتنا لوظيفة مستجمعات المياه ، وعادة ما تؤدي إلى طرق غير متوقعة للبحث.


    2. وصف الموقع والطرق

    2.1. وصف الموقع

    [7] يقع مستجمعات الدراسة (12 هكتارًا) داخل منطقة Fair Hill لإدارة الموارد الطبيعية (NRMA) (39 ° 42′N ، 75 ° 50′W) في مقاطعة سيسيل ، ماريلاند (الشكل 1) وهي جزء من دراسة مكثفة ومستمرة على DOM [ إينامدار وآخرون، 2011]. يتم صرف مستجمعات المياه من خلال رافدين من الدرجة الأولى (ST1 و ST2) يندمجان ليشكلوا ST3 عند منفذ تجميع المياه. يكون التيار ST1 معمرًا وينشأ من تسرب المياه الجوفية بينما تجف أجزاء من التيار ST2 أحيانًا وتصبح منفصلة هيدرولوجيًا خلال الأجزاء الأكثر جفافاً من العام (أغسطس - أكتوبر). تصب مستجمعات المياه التي تبلغ مساحتها 12 هكتارًا في جدول Big Elk الذي يقع داخل منطقة بيدمونت الفيزيوجرافية ويصب في النهاية في خليج تشيسابيك. تتمتع مقاطعة سيسيل بمناخ قاري رطب مع مواسم محددة جيدًا. كان متوسط ​​درجة الحرارة اليومية القصوى (1971-2000) 24.6 درجة مئوية (يوليو) وكان الحد الأدنى اليومي -0.6 درجة مئوية (يناير) ، بمتوسط ​​درجة حرارة سنوية 12.2 درجة مئوية. بالنسبة لهذه الفترة نفسها ، كان متوسط ​​هطول الأمطار السنوي في هذه المنطقة 1231 ملم مع حدوث تساقط للثلوج في فصل الشتاء بمقدار 350 ملم (صفحة بيانات مكتب علم المناخ بولاية ماريلاند ، http://metosrv2.umd.edu/∼climate/cono/norm.html ، تمت الزيارة في 3 يناير 2009). يميل الصيف المتأخر (أغسطس - سبتمبر) إلى أن يكون أكثر فترات العام جفافاً في حين أن أواخر الربيع (أبريل - مايو) هو الأكثر رطوبة.

    [8] تقع منطقة الدراسة تحت جبل. تشكيل كوبا Wissahickon ويتضمن النيس pelitic و pelitic schist مع الأمفيبوليت والبغماتيت المرؤوسين [ بلاكمير، 2005]. تنتمي التربة في منطقة الدراسة إلى سلسلة Glenelg ، والتي تتكون من تربة عميقة جيدة التصريف ومستوية تقريبًا إلى تربة شديدة الانحدار. على منحدرات التلال ، تكون التربة طينية خشنة ومختلطة وميسرة ، بينما في قيعان الوادي ، يؤدي تشبع المياه الموسمي إلى تكوين Oxyaquic Dystrudepts. يتراوح الارتفاع من 252 إلى 430 مترًا فوق مستوى سطح البحر. يتكون الغطاء النباتي في مستجمعات الدراسة من غابة متساقطة الأوراق مع مراعي على طول محيط مستجمعات المياه. أنواع الأشجار المهيمنة هي فاجوس غرانديفوليا (الزان الأمريكي) ، Liriodendron tulipifera (الحور الأصفر) و أيسر ربروم (القيقب الأحمر) [ ليفيا وآخرون., 2010 ].

    2.2. المراقبة الهيدرولوجية

    [9] تمت مراقبة تصريف تدفق التيار عند مخرج مستجمع 12 هكتارًا عند ST3 باستخدام مجرى بارشال بعرض حلق يبلغ 15 سم. تم تسجيل مستوى الماء في المسيل كل 15 دقيقة باستخدام مسجل المياه العالمية (Inc.) ومحول ضغط. تم بعد ذلك تحويل عمق التدفق إلى تصريف باستخدام معادلة مقدمة من الشركة المصنعة للمسيل. تم فحص تصريف التدفق المحسوب باستخدام المعادلة من خلال قياس التدفق اليدوي مرتين على الأقل في السنة. تم تسجيل عمق المياه الجوفية (من سطح التربة) في خمسة مواقع (الشكل 1) في مستجمعات المياه على فترات 30 دقيقة باستخدام مسجلات المياه العالمية (Inc.). تتكون آبار تسجيل المياه الجوفية من أنابيب PVC (قطر 5 سم) ∼2 متر تحت سطح الأرض والتي تم شقها بشكل مستمر من عمق 0.3 متر تحت سطح التربة. كانت بيانات هطول الأمطار ودرجة حرارة الهواء متاحة على تردد 5 دقائق من محطة أرصاد جوية تقع في Fairhill NRMA ، على بعد حوالي 1000 متر من منفذ تجمع 12 هكتارًا.

    2.3 أخذ عينات وتحليلات كيمياء المياه

    [10] تم جمع عينات مياه التيار عند مخرج مستجمعات المياه (الشكل 1) أثناء أحداث العواصف وكذلك فترات التدفق الأساسي. تم إجراء أخذ عينات من حدث العاصفة باستخدام جهاز أخذ عينات ISCO الآلي الذي تم تشغيله لأخذ العينات عندما تجاوزت كمية الأمطار 2.54 ملم في فترة ساعة واحدة. تم جمع العينات في نموذج البرنامج "غير الموحد" والذي تم تعديله بناءً على نوع المطر المتوقع (أي حدث طويل الأمد مقابل حدث عالي الكثافة قصير المدة). تراوح تردد أخذ العينات من 15 دقيقة على الطرف الصاعد للهيدروغراف إلى 3 ساعات على طرف الركود. بالإضافة إلى مياه المجاري المائية ، تم أيضًا جمع عينات مياه الأمطار (موقع واحد) ، والممر (موقعان) ، والقمامة (موقعان في أرض الغابة) خلال 24 ساعة بعد أحداث العواصف [DEOS، 2008]. تتكون أجهزة أخذ العينات من الأمطار وسقوطها من عبوات زجاجية كهرمانية سعة 1 لتر تجمع المياه من خلال قمع بلاستيكي. تتكون أجهزة أخذ عينات القمامة من عبوات زجاجية كهرمانية سعة 1 لتر متصلة (عبر أنابيب بلاستيكية) بصواني بلاستيكية (∼1 م 2) تحتوي على طبقة الأفق O.

    [11] أخذ العينات غير العواصف لمياه التيار عند مخرج مستجمعات المياه يحدث كل ثلاثة إلى أربعة أسابيع ويتضمن جمع عينات يدويًا (تم إجراء أخذ العينات كل 2-3 أسابيع للفترة 2008-09 وكل أربعة أسابيع في عام 2010). بالإضافة إلى جمع مياه التيار ، تم أيضًا جمع عينات من مصادر مستجمعات المياه المختلفة في هذا الوقت. كان القصد من وصف تركيزات DOM وجودتها في مصادر مستجمعات المياه المختلفة [ إينامدار وآخرون، 2011]. يتم توفير وصف كامل لأخذ عينات من مصادر مستجمعات المياه إينامدار وآخرون [2011] ويتم تقديم وصف موجز فقط هنا. تضمنت العينات التي تم جمعها ما يلي: مياه التربة الرطبة ذات التوتر الصفري (WSW) ومياه التربة الرطبة (U) والمياه الجوفية الضحلة والعميقة (SGW و DGW ، على التوالي) ، والمياه الجوفية النهرية (RGW) ، وتسرب المياه الجوفية (Seep) والمياه النافعة (HY) (الشكل 1) ). تم أخذ عينات من مياه التربة في الأراضي الرطبة في أربعة مواقع (الشكل 1) في الأراضي الرطبة في قاع الوادي. تم أخذ عينات من مياه التربة باستخدام أجهزة lysimeters عديمة التوتر والتي تتكون من أنابيب PVC قطرها 5 سم تم إدخالها بزاوية 45 درجة إلى عمق 30 سم. تم جمع عينات مياه التربة المتوترة باستخدام عشّين من مقياسين لشد الكوب الماص (Soilmoisture Equipment Corp.) بعمق 10 و 30 سم لكل منهما. تم جمع عينات المياه الجوفية الضحلة من أربعة آبار تقع في الأراضي الرطبة في قاع الوادي (الشكل 1) وتم بناؤها من أنابيب PVC بطول 5 سم ، ورفعها إلى 2 متر وفحصها لكامل الطول من 30 سم تحت سطح التربة. تم تجميع بئرين للمياه الجوفية العميقة مع آبار المياه الجوفية الضحلة في الأراضي الرطبة وتم غربلتهم فقط للأدنى 50 سم وذلك لتجميع فقط الجزء الأعمق من المياه الجوفية (1.5 إلى 2 متر تحت سطح التربة).كانت بئر المياه الجوفية على ضفاف النهر مماثلة للمياه الجوفية الضحلة باستثناء أنها كانت تقع في موقع مشاطئ لم يكن أرضًا رطبة (الشكل 1). تم جمع عينات Hyporheic في موقعي تيار (الشكل 1) وتتكون من أنابيب PVC مشقوقة (قطرها 5 سم) تم إدخالها بزاوية 45 درجة على عمق 30 سم في قاع المجرى. تم استعادة جميع العينات من مواقع التربة والمياه الجوفية باستخدام مضخة شفط يدوية. تم جمع عينات التسرب يدويًا في موقعين متسربين من أحد روافد مستجمعات المياه (ST1) (الشكل 1).

    2.4 معالجة العينات والتحليل الكيميائي

    [12] تم ترشيح جميع العينات من خلال 0.45 ميكرومترورق الترشيح m (Millipore، Inc.) خلال 24 ساعة من التجميع وتخزينها عند 4 درجات مئوية. تم تخزين عينة فرعية لتحليلات المغذيات والكاتيونات والأنيون في زجاجات مغسولة بحمض HDPE قبل التحليل. تم تخزين عينات لتوصيف DOM في قوارير زجاجية كهرمانية سعة 40 مل قبل قياسات الأشعة فوق البنفسجية والفلورة. أجرى مختبر الكيمياء الحيوية في جامعة SUNY-ESF ، نيويورك ، وهو أحد المشاركين في برنامج USGS QA / QC ، التحليلات التالية: درجة الحموضة باستخدام الكاتيونات الرئيسية لمقياس الأس الهيدروجيني (Ca 2+، Mg 2+، Na +، K +، Si ، Mn ، S) باستخدام أنيون أداة Perkin-Elmer ICP-AEC Div 3300 (Cl - ، NO3 - ، SO4 2−) باستخدام Dionex IC NH4 + مع محلل ذاتي باستخدام تفاعل Berthelot متبوعًا بتحليل لوني للنيتروجين المذاب الكلي (TDN) باستخدام إجراء أكسدة بيرثيلوت [ أميل وآخرون.، 1993] متبوعًا بتحليل قياس الألوان على محلل تلقائي و DOC باستخدام محلل Tekmar-Dohrmann Phoenix 8000 TOC. تم حساب تركيزات DON على أنها الفرق بين TDN والنيتروجين غير العضوي (NO3 - ، NH 4+) [ إينامدار وميتشل، 2007]. تحليلات لنظائر الأكسجين -18 (δ تم إجراء 18 O) للمياه باستخدام الإجراءات القياسية من قبل مختبر النظائر البيئية في جامعة واترلو ، كندا (بروتوكولات لتحليل العينات ، http://www.uweilab.ca/index.html ، آخر دخول ، 7 أبريل 2011) .

    2.5 تحليلات وقياسات الأشعة فوق البنفسجية والفلورية

    [13] تم إجراء جميع تحليلات الأشعة فوق البنفسجية والفلورة في مختبر Inamdar Watershed Laboratory بجامعة ديلاوير. تم قياس امتصاص الأشعة فوق البنفسجية لـ DOC عند 254 نانومتر باستخدام كفيت نافذة كوارتز 1 سم مع شعاع واحد من مقياس Shimadzu UV-mini 1240 الطيفي (Shimadzu Inc.). توفر SUVA (امتصاص خاص للأشعة فوق البنفسجية) مقياسًا لعطرية DOM [ Weishaar et al.، 2003] وتم حسابه عن طريق قسمة امتصاص الأشعة فوق البنفسجية التنازلي عند 254 نانومتر (م -1) على تركيز DOC (ملجم C L 1) [ Weishaar et al.، 2003]. تزيد رائحة دوم مع زيادة قيم سيارات الدفع الرباعي. نظرًا لأن الحديد (Fe) يمتص الضوء عند 254 نانومتر ، فإن التركيزات المرتفعة من الحديد (& gt0.5 مجم لتر -1) يمكن أن تؤدي إلى قيم SUVA غير صحيحة [ Weishaar et al.، 2003]. لقد تحققنا من ذلك عن طريق التحقق من قيم SUVA الخاصة بنا مقابل تركيزات Fe في العينة (تم أيضًا فحص قيم DOC المقابلة). تحتوي معظم بياناتنا (أكثر من 99 ٪) على تركيزات Fe أقل بكثير من 0.5 مجم لتر.

    [14] بالإضافة إلى ذلك ، فإن معامل الامتصاص عند 254 نانومتر (أ254 في م −1) باستخدام معامل امتصاص الأشعة فوق البنفسجية النابر باتباع إجراءات الأخضر والأزرق [1994]. ال254 يوفر مقياسًا للعطرية ولكن بدون تطبيع لـ C [ هيلمز وآخرون.، 2008]. مؤشر آخر للأشعة فوق البنفسجية ، هو نسبة الانحدار الطيفي ، S.ر، تم حسابه أيضًا كنسبة منحدر منطقة الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية الأقصر (275-295 نانومتر) إلى منطقة الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية الأطول (350-400 نانومتر) [ هيلمز وآخرون.، 2008] وتم الحصول عليها باستخدام الانحدار الخطي على النطاقات الطيفية المحولة لوغاريتميًا [ ياماشيتا وآخرون، 2010]. نسبة الانحدار الطيفي ، Sر يرتبط عكسيًا بالوزن الجزيئي لـ DOM [ هيلمز وآخرون., 2008 ].

    [15] تم جمع عمليات المسح الفلورية ثلاثية الأبعاد على مقياس طيف الفلوروماكس- P (Horiba Jobin-Yvon Inc.) وتم تصحيح انحياز الأداة باستخدام ملفات التصحيح المقدمة من الشركة المصنعة. تم إجراء مسح ضوئي للمصباح يوميًا وفحص الكوفيت ومسح مياه رامان لضمان استقرار الجهاز. تم حفظ العينات في درجة حرارة الغرفة (20 درجة مئوية) لمدة ساعتين قبل أي تحليل بصري. تم جمع عمليات المسح في وضع S / R (النسبة) لأطوال موجات الإثارة بين 240 و 450 نانومتر على فواصل زمنية 10 نانومتر وأطوال موجية للانبعاثات بين 300 و 550 نانومتر على فواصل زمنية 2 نانومتر. تم ضبط وقت التكامل لجمع العينات على 0.25 ثانية مع تمرير نطاق يبلغ 5 نانومتر لكل نطاقات الإثارة والانبعاثات. بعد ذلك ، تم طرح فراغ ماء Raman من كل مسح وتم تطبيع EEMs الناتج باستخدام المنطقة الواقعة تحت منحنى ذروة الماء Raman عند الإثارة 350 نانومتر [ كوري وماكنيت، 2005]. لتجنب تأثيرات المرشح الداخلي ، تم تخفيف العينات وفقًا لـ الأخضر والأزرق [1994]. تم اختيار امتصاص الأشعة فوق البنفسجية ، A ، عند الطول الموجي 254 نانومتر (A254 0.2) كحد أقصى للقطع. إذا كانت العينات تحتوي على A254 0.2 ، يتم تخفيف العينات وتسجيل عوامل التخفيف (DF). تم مضاعفة عوامل التخفيف لاحقًا في العينة المصححة EEM للحصول على كثافة العينة الأصلية غير المخففة. بالإضافة إلى ذلك ، تم أيضًا تطبيق تصحيح المرشح الداخلي [ مكنايت وآخرون., 2001 أوهنو، 2002]. لقد بحثنا أيضًا في أي تأثيرات لزجاجات ISCO البلاستيكية على عينة الفلورة من خلال مقارنة EEMs للمياه منزوعة الأيونات وحلول DOM المخزنة في ISCO والزجاجات الزجاجية الكهرمانية على مدار 24 ساعة في درجة حرارة الغرفة (20 درجة مئوية). لم تسفر هذه المقارنات عن أي اختلافات ملحوظة في EEMs.

    [16] تم حساب مؤشر التألق (FI) باستخدام نسبة شدة انبعاث التألق عند 470 و 520 نانومتر بطول موجة إثارة يبلغ 370 نانومتر [ كوري وماكنيت, 2005 ]. مكنايت وآخرون. [2001] استخدم FI للتمييز بين DOM المشتق من نباتات الأوعية الدموية (FI: 1.3-1.4) مقابل المصادر الميكروبية أو العوالق (FI: 1.7-2.0). تم حساب مؤشر الترطيب (HIX) باستخدام معادلة HIX المقيسة لـ أوهنو [2002] ، مما يقلل من التباين الناتج عن التغييرات في تركيز DOM [ أوهنو، 2002]. تتراوح قيم HIX لهذه المعادلة المعدلة من 0 إلى 1 مع قيم أعلى تشير إلى درجة أكبر من ترطيب DOM [ أوهنو، 2002]. تم أيضًا تركيب عمليات المسح EEMs على نموذج PARAFAC المكون من 13 مكونًا الذي تم تطويره بواسطة كوري وماكنيت [2005]. كانت ميزة استخدام هذا النموذج الحالي أنه لم يكن مطلوبًا حجم عينة كبير وكان من المحتمل تحديد قدر أكبر من التباين في مصدر DOM والجودة [ ميلر وماكنيت، 2010]. قدرة كوري وماكنيت [2005] تم تقييم نموذج PARAFAC الذي يلائم قيم EEM من خلال تقييم القيم المتبقية بين قيم EEM المقاسة والمنمذجة. تم العثور على المخلفات لتكون أقل من 10٪ من قيم شدة التألق مع القليل من الهياكل المتماسكة ولم يتم العثور على قمم متبقية مما يؤكد أن النموذج مناسب كان جيدًا. تم حساب النسبة المئوية للوميض الشبيه بالبروتين كمجموع لقيم النسبة المئوية للتريبتوفان (المكون 8) والتيروزين الشبيه بالتيروزين (المكون 13) من كوري وماكنيت [2005] نموذج. تم العثور على مجموع هذين المكونين الشبيهين بالبروتين ليكون مؤشرًا قويًا على٪ DOM المتاح بيولوجيًا [ فيلمان وآخرون., 2008 , 2009 ].

    2.6. اختيار أحداث العواصف وتوصيف الظروف الهيدرولوجية للأحداث

    [17] تم تحليل ما مجموعه 27 من أحداث العاصفة لجميع مؤشرات DOM. تم أخذ عينات من هذه الأحداث عبر جميع الفصول الممكنة على مدار فترة الدراسة التي مدتها ثلاث سنوات بما في ذلك - ستة في عام 2008 ، و 14 في عام 2009 ، و 7 في عام 2010. ومن بين هذه الأحداث الـ 27 ، تم اختيار ثمانية أحداث تمثل مجموعة من الظروف الهيدرولوجية والموسمية وتشمل هذه ( الشكل 2): 20 مايو و 27 يوليو و 25 أكتوبر (الكل 2008) 31 يوليو و 28 أكتوبر و 9 ديسمبر (كل 2009) و 22-24 فبراير و 30 سبتمبر - 1 أكتوبر 2010. تم اختيار هذه الأحداث الثمانية: ( أ) لأن ستة من الأحداث الثمانية كانت ممثلة لظروف العواصف التي تحدث في موسم معين (على سبيل المثال ، الأحداث قصيرة المدى ، والأحداث عالية الكثافة أثناء الصيف مقابل الأحداث طويلة الأمد ، والأحداث منخفضة الكثافة خلال الربيع والخريف) وأنتجت أيضًا أنماطًا متشابهة من DOM. إلى أحداث أخرى في نفس الموسم و (ب) حدثان - 22-24 فبراير و 30 سبتمبر - 1 أكتوبر 2010 يمثلان ظروفًا هيدرولوجية قاسية. كان الحدث الذي وقع في الفترة من 22 إلى 24 فبراير 2010 حدثًا كبيرًا غير عادي لذوبان الثلوج والأمطار على الجليد والذي كان جزءًا من موسم ثلجي غير مألوف لمنطقة وسط المحيط الأطلسي بالولايات المتحدة الأمريكية. بلغ إجمالي تساقط الثلوج الموسمي في الفترة 2009-2010 في ويلمنجتون بولاية ديلاوير (25 كيلومترًا من موقع مستجمعات المياه) 167 سم وكان أعلى معدل تساقط للثلوج على الإطلاق. يبلغ متوسط ​​إجمالي الثلوج الموسمية طويلة المدى في ويلمنجتون حوالي 50 سم. ارتبط حدث 30 سبتمبر - 1 أكتوبر 2010 بالاكتئاب الاستوائي نيكول [ الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي، 2011] ، والتي أسفرت عن هطول 151 ملم من الأمطار في فترة 28 ساعة بعد موسم صيف شديد الجفاف.

    [18] تم تمييز الظروف الهيدرولوجية أثناء أحداث العاصفة وقبلها باستخدام عدد من المقاييس (الجدول 1). وشملت مقاييس هطول الأمطار: المبلغ الإجمالي للحدث (مم) ، الحد الأقصى لشدة هطول الأمطار لمدة 5 دقائق (مم) ، ومجموع 24 ساعة (API24 ، مم) و 7 أيام (API7 ، مم) هطول الأمطار السابق. تم تمييز تصريف التدفق باستخدام إجمالي التفريغ النوعي للحدث (مم لكل وحدة منطقة تجميع) ، وتصريف الذروة المحدد (مم / ساعة) ، ومتوسط ​​تصريف التدفق (مم / ساعة) قبل 24 ساعة من الحدث (AR24) ، ونسبة إجمالي التفريغ النوعي (مم) إلى إجمالي الهطول (مم) للحدث (نسبة الجريان السطحي). تميزت ظروف الرطوبة السابقة في مستجمعات المياه أيضًا بمتوسط ​​جاري لمدة 7 أيام لارتفاعات المياه الجوفية (متر تحت سطح التربة) للبئر LW4 (الشكل 1). اقترحت ملاحظاتنا المرئية على مدار الدراسة التي استمرت ثلاث سنوات أن ارتفاعات المياه الجوفية لبئر الأراضي الرطبة LW4 كانت تعكس بشكل عام ظروف الرطوبة الإجمالية عبر مستجمعات المياه بأكملها.

    حدث تاريخ ترسب تفريغ تيار معين المياه الجوفية AGI_LW4 (م) درجة حرارة الهواء AT7 أيام درجة مئوية
    الإجمالي (مم) أقصى كثافة 5 دقائق (مم) API24 ح (مم) API7 أيام (مم) الإجمالي (مم) الذروة (مم / ساعة) AR24 ساعة (مم) نسبة الجريان السطحي
    1 5/20/08 12.9 1.3 2.4 33.6 1.99 0.27 0.04 0.15 0.12 13.5
    2 7/27/08 20.9 6.9 0 68.5 0.96 0.45 0.01 0.05 0.43 22.6
    3 10/25/08 13 3.8 13.6 13.7 0.60 0.37 0.06 0.05 1.10 6.6
    4 7/31/09 30.9 11 0 37.4 1.85 0.88 0.02 0.06 0.36 21.6
    5 10/28/09 25.3 1.3 17.2 58 6.5 1.16 0.15 0.26 0.42 11.0
    6 12/9/09 44.6 1 0.1 48.2 17.5 2.34 0.05 0.39 0.12 2.7
    7 2/22/10 (ب) حدث ذوبان الثلوج والأمطار على الجليد.
    22 0.4 0 13.1 17.1 0.08 2.13 0.78 −0.22 0.29
    8 9/30/10 151 ج ج قسمان فرعيان.
    (43, 108)
    5.2 0 20 13.1 3.68 0.18 0.08 0.68 20.1
    • API24 و API7 عبارة عن ترسيب سابق لمدة 24 ساعة و 7 أيام ، على التوالي AR24 هو متوسط ​​تصريف تيار سابق لمدة 24 ساعة AGI_LW4 هو متوسط ​​تشغيل 7 أيام لارتفاعات المياه الجوفية للبئر LW4 و AT7 هو متوسط ​​درجة حرارة الهواء لمدة 7 أيام قبل الحدث .
    • (ب) حدث ذوبان الثلوج والأمطار على الجليد.
    • ج اثنان فرعيان.

    2.7. تركيزات DOM وجودتها لمصادر مستجمعات المياه

    [20] تم تقديم وصف تفصيلي لتركيزات DOM وخصائص التألق لمصادر مستجمعات المياه من قبل إينامدار وآخرون [2011] ويتم تضمين لمحة موجزة فقط هنا. تم تحديد تركيزات DOM ومؤشرات الجودة لتسعة مصادر مستجمعات المياه (الشكلان 3 و 4). كانت تركيزات DOC و DON أعلى في التدفق (TF) والفضلات المرتشحة (LT) وانخفضت بشكل كبير مع عمق التربة. كان الانخفاض في DOC أكثر حدة من انخفاض DON (الشكل 3). تم تسجيل أدنى تركيزات DOM في مقصورات تسرب المياه الجوفية (P) والمياه الجوفية العميقة (DGW). وبالمثل ، فإن المحتوى العطري (المشار إليه بواسطة SUVA و a254) ومكونات الدبالية (HIX) من DOM كانت الأعلى بالنسبة لمصادر DOM السطحية - التدفق (TF) ، والفضلات المرتشحة (LT) ومياه التربة (U و WSW) ، وانخفضت لمصادر DOM التي تنشأ في عمق التربة (الشكل 4) أو على طول مسار التدفق الهيدرولوجي الذي كان له اتصال أكبر بالتربة. إينامدار وآخرون [2011] يعزى هذا الانخفاض إلى امتصاص مكونات DOM العطرية والدالية على طول مسارات التدفق الهيدرولوجي حيث تتسرب المياه عبر ملف التربة. وتجدر الإشارة على الرغم من أن أ254 انخفضت القيم بسرعة كبيرة بالنسبة للمصادر الأعمق في التربة مقارنة بقيم HIX. في المقابل ، قيم S.ر يزداد مع العمق مما يشير إلى انخفاض في الوزن الجزيئي لـ DOM (S.ر يرتبط عكسيا بالوزن الجزيئي DOM). يشير هذا إلى أن المكونات العطرية والدالية لـ DOM في حجيرات مستجمعات المياه السطحية كانت مرتبطة بـ DOM ذات الوزن الجزيئي الأعلى. على عكس الأجزاء العطرية ، زادت نسبة الفلورة الشبيهة بالبروتين وقيم FI مع عمق التربة وكانت أعلى في التسرب والمياه الجوفية العميقة (DGW). نسبنا [ إينامدار وآخرون، 2011] الزيادة في التألق الشبيه بالبروتين إلى الانخفاض النسبي في الكسور الدبالية ، بينما اقترحت الزيادة في قيم FI إما تعبيرًا أكبر عن DOM "الميكروبي" أو بعض التأثيرات الأخرى غير المعروفة على مصادر المياه الجوفية.

    2.8 نموذج تحليلات خلط الأعضاء النهائيين (EMMA) و δ 18 ح2يا بيانات

    [21] تم تطوير نموذج EMMA لتحديد مصادر جريان التدفق في مستجمعات المياه التي تبلغ مساحتها 12 هكتارًا باتباع الإجراءات الموضحة في بيرنز وآخرون. [2001] , هوبر [2003] و إينامدار [2011]. يقدم S. Inamdar et al. وصفًا شاملاً للإجراءات والتحقق والاختبار الخاصة بالنموذج. (مخطوطة قيد الإعداد ، 2011). كانت أدوات التتبع التي تم استخدامها في EMMA هي: الصوديوم (Na +) ، والسيليكا ، و DOC ، و a254. تم اختيار هذه الكواشف لأنها عرضت اختلاطًا خطيًا محافظًا في النطاق الزمني لأحداث العاصفة (الإجراءات التالية التي اقترحها هوبر [2003]) ولأن الصوديوم والسيليكا يمثلان مسارات تدفق المياه الجوفية بينما يمثل DOC مصادر الجريان السطحي. قيم أ254 ساعد على زيادة التمييز بين مصادر الجريان السطحي التي لها تركيزات مماثلة للكربون العضوي القابل للتحلل. تم تطبيع / توحيد تركيزات حدث العاصفة وتدفق القاعدة للمقتفعات المختارة لمياه التيار باستخدام الانحرافات المتوسطة والمعيارية ، وتم تطوير مصفوفة الارتباط. ثم تم إجراء تحليلات المكون الرئيسي (PCA) على مصفوفة الارتباط. تم استخدام أول مكونين رئيسيين (مما يعني ضمناً نموذجًا ثلاثي الأطراف) لتوليد مساحة خلط ثنائية الأبعاد (أو مساحة U) محددة بواسطة كيمياء التيار. تم بعد ذلك تطبيع تركيزات التتبع لجميع مصادر مستجمعات المياه التي تم أخذ عينات منها (هطول الأمطار ، والتساقط ، والفضلات المرتشحة ، ومياه التربة ، والمياه الجوفية ، وما إلى ذلك) لتدفق تركيزات تعقب المياه وعرضها في فضاء الخلط ثنائي الأبعاد [ هوبر، 2003]. سمح لنا هذا بمقارنة كيمياء التيار لأحداث العواصف وتدفق القاعدة مقابل مصادر مستجمعات المياه وتحديد كيفية تأثير مصادر مستجمعات المياه على كيمياء المجرى. بينما أوضح نموذج ثلاثي الأطراف جزءًا كبيرًا (& gt90٪) من التباين في كيمياء التيار ، افترضنا أن كيمياء التيار كانت على الأرجح مزيجًا من سلسلة متصلة من مصادر مستجمعات المياه بما في ذلك الانسياب ، والفضلات المرتشحة ، ومياه التربة والمياه الجوفية ، وبالتالي لم نحصر أنفسنا بثلاثة أعضاء نهائيين فقط ولم نحدد المساهمات الفردية من ثلاثة أعضاء نهائيين مختارين. بدلاً من ذلك ، اعتقدنا أن دراسة كيمياء حدث العاصفة في فضاء U مع جميع المصادر المحتملة المتضمنة توفر تقييمًا أكثر شمولاً لكيمياء التيار مقابل تقييد التحليلات مع عدد قليل من الأعضاء النهائيين أو المختارين. بالإضافة إلى EMMA ، نقدم أيضًا بيانات حول δ 18 O للمياه التي كانت متاحة لعدد قليل من الأحداث في عامي 2008 و 2009. البيانات حول δ يوفر 18 O المعلومات الزمنية عن "الماء الجديد" أو ماء الحدث [ باتل، 1994] التي يمكن أن تساعد في التحقق من صحة مكون مصدر الوقت [ باتل، 1994] لمصادر الجريان السطحي المستمدة من EMMA. كما تم استخدام ارتفاعات المياه الجوفية (عمق المياه تحت سطح التربة) المسجلة في المناطق المشبعة بقاع الوادي للتحقق من مساهمات الأعضاء النهائيين المحتملة من التربة أو المياه الجوفية الضحلة.


    كيف يمكنني تحديد التصريفات المتعددة من شبكة الأنابيب؟ (معرفة شروط المدخل)

    لدي خبرة قليلة / معدومة في شبكات الأنابيب وكنت أبحث عن منهجية لحساب التفريغ من منافذ متعددة لشبكة أنابيب النفط بمدخل واحد. بقدر ما أستطيع أن أقول أن لدي الكثير من المجهول لاستخدام شيء مثل طريقة هاردي كروس (وغالبًا ما لا أمتلك حلقات ، فقط فروع ومنافذ متعددة كما هو موضح أدناه) ، ويبدو أن هاردي كروس يستخدم للعثور على التدفقات في الأنابيب ذات التدفقات الداخلة والخارجة المعروفة ، والتي لا أملكها.

    قد يكون المثال الجيد شيئًا مثل هذا:

    • معدل تدفق المدخل معروف
    • خصائص السوائل معروفة
    • هندسة جميع الأنابيب / الانحناءات / المنافذ معروفة
    • يُعرف الارتفاع فوق مسند جميع الأنابيب والمنافذ
    • التدفق هو كل فرع من فروع الأنابيب غير معروف
    • التفريغ من كل منفذ غير معروف (يمكن افتراض الضغط المحيط)
    • لدي تدفقات مستهدفة ، ويمكنني تعديل طول / أقطار الأنبوب للحصول عليها

    انظر إلى مخططي الخام للغاية:

    هل يمكن لأي شخص أن يقترح طريقة تحليلية يمكنني استخدامها لحساب التدفقات الخارجة و / أو تحسين أطوال الأنابيب للحصول على مجموعة من التدفقات الخارجة المستهدفة؟

    سيكون موضع تقدير أيضًا مثال عملي لمشكلة مماثلة.

    قام الشخص الذي حاول حل هذه المشكلة قبلي بتقسيم التدفق إلى أعلى بناءً على مساحة المنافذ ، دون مراعاة الخسائر أو الانحناءات أو حتى أطوال الأنابيب في أي مكان في الشبكة. لقد كنت أبحث منذ فترة بموارد محدودة عن مثال عملي أو طريقة حل لهذا الغرض.

    من المحتمل أن أكتب رمزًا لحل هذه المشكلات إذا وجدت منهجية مناسبة. (أعلم أن البرامج التجارية موجودة بالفعل يمكنها حساب ذلك ، لكن ليس لدي إمكانية الوصول).


    شاهد الفيديو: لحظات إنهيار سدود هائلة تم إلتقاطها بالكاميرا