الرسم البياني المائي
الرسم البياني المائي هو رسم بياني يوضح معدل التدفق ( التصريف ) مقابل الزمن عند نقطة محددة في نهر أو قناة أو مجرى مائي. يُعبر عن معدل التدفق عادةً بوحدات المتر المكعب في الثانية (م³/ث) أو القدم المكعب في الثانية (قدم مكعب/ث). غالبًا ما تربط الرسوم البيانية المائية بين تغيرات الهطول وتغيرات التصريف مع مرور الوقت. [ 1 ] يمكن أن يشير المصطلح أيضًا إلى رسم بياني يوضح حجم المياه التي تصل إلى مصب معين ، أو موقع في شبكة الصرف الصحي. تُستخدم الرسوم البيانية بشكل شائع في تصميم شبكات الصرف الصحي ، وتحديدًا في تصميم أنظمة الصرف الصحي للمياه السطحية وشبكات الصرف الصحي المختلطة .
مصطلحات
وتشمل المصطلحات الأخرى ذات الصلة ما يلي: [ 2 ]
- مقطع الاقتراب
- تدفق النهر قبل العاصفة (التدفق السابق).
- الأطراف الصاعدة
- يعكس الجزء الصاعد من الرسم البياني المائي، والمعروف أيضًا باسم منحنى التركيز، زيادة مطولة في التدفق من منطقة تجميع المياه، وعادة ما يكون ذلك استجابة لحدث هطول الأمطار.
- ذروة التفريغ
- أعلى نقطة على الرسم البياني للتدفق عندما يكون معدل التصريف هو الأكبر.
- انحسار (أو سقوط) الطرف
- يمتدّ منحنى انحسار المياه من ذروة معدل التدفق فصاعدًا. وغالبًا ما تُعتبر نهاية جريان مياه الأمطار ( المعروف أيضًا بالتدفق السريع أو الجريان السطحي المباشر) والعودة إلى التدفق المشتق من المياه الجوفية ( التدفق الأساسي ) نقطة انعطاف منحنى انحسار المياه. ويمثل هذا المنحنى سحب المياه من المخزون المتراكم في الحوض خلال المراحل الأولى من الرسم البياني المائي.
- التأخير-1
- طريقة الارتباط الذاتي لمقارنة بيانات تدفق المياه مع نفسها عن طريق إزاحة أو "تأخير" مجموعة بيانات التصريف الأولية بمقدار وحدة زمنية واحدة. على سبيل المثال، تعني Lag-10 إزاحة البيانات الأولية لمدة 10 أيام، ثم مقارنتها بنسخة غير مُزاحة من البيانات. يجب عدم الخلط بين هذه الطريقة وفترة التأخير.
- زمن التأخير
- الفترة الزمنية الفاصلة بين ذروة هطول الأمطار وذروة التصريف.
- حان وقت الذروة
- الفترة الزمنية من بداية هطول الأمطار إلى ذروة التصريف.
- وقت التركيز
- الفترة الزمنية من نهاية فترة هطول الأمطار إلى نهاية الجريان السطحي سريع الاستجابة في الرسم البياني المائي. [ 3 ]
الأنواع
تشمل أنواع المخططات المائية ما يلي: [ 4 ]
- مخططات تصريف المياه في الجداول
- مخططات منسوب المياه في الجداول
- مخططات هطول الأمطار
- مخططات التدفق المائي للعواصف
- مخططات التدفقات المائية للفيضانات
- المخططات الهيدرولوجية السنوية، أو ما يُعرف بالأنظمة الهيدرولوجية
- الرسم البياني للجريان السطحي المباشر
- الرسم البياني الفعال للجريان السطحي
- الرسم البياني النقطي للهيدروجين
- الرسم البياني للهيدروجين المتأخر 1
- فرص التخزين في شبكة الصرف (مثل البحيرات والخزانات والأراضي الرطبة وسعة تخزين القنوات والضفاف)
فصل التدفق الأساسي
يُستخدم الرسم البياني لتصريف المياه عادةً لتحديد تأثير العمليات الهيدرولوجية المختلفة على تصريف المياه من حوض التصريف. ونظرًا لاختلاف توقيت وحجم ومدة تدفق المياه الجوفية العائدة اختلافًا كبيرًا عن الجريان السطحي المباشر، فإن فصل وفهم تأثير هذه العمليات المتميزة يُعدّ أمرًا أساسيًا لتحليل ومحاكاة التأثيرات الهيدرولوجية المحتملة لمختلف استخدامات الأراضي والمياه والظروف الجوية والمناخية وتغيراتها.
مع ذلك، فإن عملية فصل "التدفق الأساسي" عن "الجريان السطحي المباشر" ليست عملية دقيقة تمامًا. ويعود ذلك جزئيًا إلى أن هذين المفهومين ليسا منفصلين تمامًا وغير مرتبطين. إذ يزداد التدفق العائد من المياه الجوفية بالتزامن مع التدفق السطحي من المناطق المشبعة أو غير المنفذة أثناء وبعد العواصف؛ علاوة على ذلك، يمكن لجزيء ماء معين أن ينتقل بسهولة عبر كلا المسارين في طريقه إلى مخرج مستجمع المياه. لذا، فإن فصل "مكون التدفق الأساسي" فقط في الرسم البياني المائي يُعدّ عملية تعسفية إلى حد ما. ومع ذلك، فقد طُوّرت تقنيات بيانية وتجريبية متنوعة لإجراء عمليات الفصل هذه. ويمكن أن يكون فصل التدفق الأساسي عن الجريان السطحي المباشر خطوة أولى مهمة في تطوير نماذج هطول الأمطار والجريان السطحي لمستجمع مياه معين، على سبيل المثال، في تطوير وتطبيق الرسوم البيانية المائية الوحدوية كما هو موضح أدناه.
وحدة الهيدروغراف
يُعرَّف الرسم البياني للوحدة ( UH) بأنه الاستجابة الافتراضية لوحدة مستجمع مائي (من حيث حجم الجريان السطحي وتوقيته) لوحدة واحدة من الأمطار. [ 5 ] ويمكن تعريفه بأنه الرسم البياني للجريان السطحي المباشر (DRH) الناتج عن وحدة واحدة (مثل سنتيمتر واحد أو بوصة واحدة) من الأمطار الفعالة التي تهطل بانتظام على ذلك المستجمع المائي بمعدل ثابت خلال فترة زمنية محددة. ولأن الرسم البياني للوحدة ينطبق فقط على مكون الجريان السطحي المباشر (أي الجريان السطحي )، فإنه يلزم تحديد مكون التدفق الأساسي بشكل منفصل.
تُعدّ وحدة الهيدروغراف (UH) خاصة بحوض تصريف معين، وترتبط بفترة زمنية محددة تتوافق مع مدة هطول الأمطار الفعلي. أي أن وحدة الهيدروغراف تُحدد إما بساعة واحدة، أو ست ساعات، أو أربع وعشرين ساعة، أو أي فترة زمنية أخرى حتى لحظة تركيز الجريان السطحي المباشر عند مخرج حوض التصريف. وبالتالي، بالنسبة لحوض تصريف معين، يمكن أن يكون هناك العديد من وحدات الهيدروغراف، كل منها يتوافق مع مدة مختلفة لهطول الأمطار الفعلي.
تُوفّر تقنية UH أداة عملية وسهلة التطبيق نسبيًا لتحديد تأثير وحدة هطول الأمطار على الجريان السطحي المقابل من حوض تصريف معين . [ 6 ] تفترض نظرية UH أن استجابة الجريان السطحي في مستجمع المياه خطية وثابتة مع الزمن، وأن هطول الأمطار الفعلي يحدث بشكل منتظم على كامل مستجمع المياه. في الواقع، لا تصح أي من هذه الافتراضات تمامًا. ومع ذلك، فإن تطبيق طرق UH يُعطي عادةً تقريبًا معقولًا لاستجابة الفيضانات في مستجمعات المياه الطبيعية. تسمح الافتراضات الخطية التي تقوم عليها نظرية UH بمحاكاة التغير في شدة العاصفة مع مرور الوقت (أي، الرسم البياني لهطول الأمطار ) من خلال تطبيق مبادئ التراكب والتناسب على مكونات العاصفة المنفصلة لتحديد الرسم البياني التراكمي الناتج. وهذا يسمح بحساب بسيط نسبيًا لاستجابة الرسم البياني لأي حدث مطري.
يُعدّ الرسم البياني الهيدرولوجي اللحظي للوحدة تطويرًا إضافيًا للمفهوم؛ ففي هذا الرسم، يُفترض أن جميع الأمطار المدخلة تحدث في لحظة زمنية محددة (وهذا بالطبع لا ينطبق على العواصف المطرية الفعلية). يُمكن لهذا الافتراض أن يُبسّط بشكل كبير التحليل اللازم لإنشاء الرسم البياني الهيدرولوجي للوحدة، وهو ضروري لإنشاء رسم بياني هيدرولوجي لحظي للوحدة من منظور جيومورفولوجي.
يُمكن إنشاء نموذج GIUH بالاعتماد فقط على البيانات الطوبولوجية لحوض تصريف معين. في الواقع، لا يُشترط سوى عدد الجداول من رتبة معينة، ومتوسط طولها، ومتوسط مساحة الأرض التي تصب مباشرةً فيها (ويمكن تقدير هذه البيانات بدلاً من حسابها بدقة عند الضرورة). لذا، يُمكن حساب نموذج GIUH لحوض تصريف دون الحاجة إلى أي بيانات حول ارتفاع الجداول أو تدفقها، والتي قد لا تكون متاحة دائمًا.
مخطط هيدرولوجي للهيدرولوجيا تحت السطحية
في علم المياه الجوفية ( الهيدروجيولوجيا )، يعتبر الرسم البياني المائي سجلاً لمستوى المياه ( الضغط الهيدروليكي الملاحظ في الآبار التي تم ترشيحها عبر طبقة المياه الجوفية ).
عادةً، يُسجّل الرسم البياني المائي لمراقبة مستويات المياه في طبقات المياه الجوفية في الظروف العادية (مثلاً، لمراقبة التقلبات الموسمية في طبقة المياه الجوفية). عند إجراء اختبار على طبقة المياه الجوفية ، تُسمى الملاحظات الناتجة عادةً بالانخفاض في منسوب المياه ، حيث تُطرح من مستويات ما قبل الاختبار، وغالباً ما يُؤخذ في الاعتبار فقط التغير في منسوب المياه.
الرسم البياني النقطي
تُعدّ الرسوم البيانية المائية النقطية رسومات بيانية تعتمد على البكسل لتصوير وتحديد الاختلافات والتغيرات في مجموعات البيانات الكبيرة متعددة الأبعاد. طُوّرت هذه الرسوم في الأصل بواسطة كيم (2000) [ 7 ] ، وطُبّقت لأول مرة في علم المياه بواسطة كوهلر (2004) [ 8 ] كوسيلة لإبراز التغيرات بين السنوات (طويلة الأجل) وداخل السنة (مثل التغيرات الموسمية ) في تدفق المياه.
تُظهر الرسوم البيانية المائية النقطية في برنامج USGS WaterWatch، كتلك التي طورها كوهلر، السنوات على المحور الرأسي والأيام على المحور الأفقي. يمكن للمستخدمين اختيار رسم تدفق المياه (القيم الفعلية أو القيم اللوغاريتمية)، أو النسبة المئوية لتدفق المياه، أو فئة تدفق المياه (من 1، للتدفق المنخفض، إلى 7 للتدفق المرتفع)، وذلك لتدفق المياه اليومي، وتدفق المياه خلال 7 أيام، و14 يومًا، و28 يومًا. لمزيد من التفاصيل حول الرسوم البيانية المائية النقطية، يُرجى مراجعة ستراندهاجن وآخرون (2006). [ 9 ]
الرسم البياني للتدفق المائي عند التأخير 1
الرسم البياني للتصريف المتأخر (Lag-1) هو رسم بياني للتصريف يمكن إنشاؤه دون محور زمني (Koehler 2022). [ 10 ] تتيح هذه التقنية رؤية خصائص البيانات مثل Q وdQ/dt وd²Q / dt² ، واتجاهات التدفق المتزايد أو المتناقص أو الثابت، وفهمها بسهولة على رسم بياني واحد. كما يمكن إضافة خطوط مرجعية لنبضات التدفق وتفسيرها بسهولة. تعتمد هذه المنهجية على الرسم البياني للتصريف المتأخر (lag-1) للارتباط التسلسلي للسلاسل الزمنية، وتستفيد من الارتباط الذاتي غير المرغوب فيه عادةً (ولكنه ذو قيمة) الموجود في بيانات تدفق المياه.
يمثل المحور السيني معدل التدفق لتاريخ محدد، Q<sub> t</sub> ، بينما يمثل المحور الصادي معدل التدفق لليوم التالي، Q <sub>t+1</sub> . تتطابق طرق إعداد البيانات ورسمها مع مخطط الارتباط الذاتي المتأخر 1، حيث يشير الرقم 1 إلى خطوة زمنية يومية. يوضح الجدول أدناه كيفية إزاحة سلسلة التدفق الزمنية. من الضروري الحفاظ على التسلسل الزمني للبيانات. يساعد اعتبار قيم المحور السيني بمثابة "تدفق اليوم" وقيم المحور الصادي بمثابة "تدفق الغد" على تصور ترتيب البيانات.
| تاريخ | Q t (x) | Q t+1 (y) |
|---|---|---|
| 11 سبتمبر 1927 | 43200 | 43300 |
| 12 سبتمبر 1927 | 43300 | 88,100 |
| 13 سبتمبر 1927 | 88,100 | 103,000 |
| 14 سبتمبر 1927 | 103,000 | 110,000 |
| 15 سبتمبر 1927 | 110,000 | 78,900 |
| 16 سبتمبر 1927 | 78,900 | 55,900 |
| 17 سبتمبر 1927 | 55,900 | 45300 |
| 18 سبتمبر 1927 | 45300 | 33300 |
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ شيرمان، ليروي ك. (1932). "علاقة منحنيات التدفق السطحي بحجم وخصائص أحواض التصريف" . معاملات الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي . 13 (1): 332-339 . Bibcode : 1932TrAGU..13..332S . doi : 10.1029/TR013i001p00332 . ISSN 0002-8606 .
- ↑ "نظرية الهيدروغراف الوحدوي: المصطلحات والافتراضات" . download.comet.ucar.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ 28-02-2023 .
- ↑ "نظرية الهيدروغراف الوحدوي: مصطلحات نظرية الهيدروغراف الوحدوي" . download.comet.ucar.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ 19-05-2023 .
- ↑ "الرسوم البيانية المائية - ما هو الرسم البياني المائي؟" . geology.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 28-02-2023 .
- ↑ L. Sherman, "Stream Flow from Rainfall by the Unit Graph Method," Engineering News Record, No. 108, 1932, pp. 501-505.
- ↑ هولتان، إتش إن؛ أوفرتون، دي إي (1963-01-01). "تحليلات وتطبيقات الرسوم البيانية المائية البسيطة" . مجلة الهيدرولوجيا . 1 (3): 250-264 . Bibcode : 1963JHyd....1..250H . doi : 10.1016/0022-1694(63)90005-2 . ISSN 0022-1694 .
- ↑ كيم، د.أ. 2000. تصميم تقنيات التصور الموجهة نحو البكسل: النظرية والتطبيقات. معاملات IEEE في التصور ورسومات الحاسوب، 6(1)، 59-78.
- ↑ كوهلر، ر. 2004. التحليل والتصوير القائم على البيانات النقطية للسلاسل الزمنية الهيدرولوجية. أطروحة دكتوراه، جامعة أريزونا. توسون، أريزونا، 189 صفحة.
- ↑ ستراندهاجن، إي.، ماركوس، دبليو إيه، وميتشام، جيه إي 2006. مناظر الأنهار: تمثيل تدفق المياه في النظام البيئي الأكبر ليلوستون (رابط مباشر إلى http://geography.uoregon.edu/amarcus/Publications/Strandhagen-et-al_2006_Cart_Pers.pdf ). وجهات نظر خرائطية، العدد 55، خريف.
- ↑ كوهلر، ر. 2022. قيد الإعداد ، الرسم البياني للتدفق المتأخر - طريقة بديلة لرسم بيانات السلاسل الزمنية لتدفق المياه. نشرة المعهد الأمريكي للهيدرولوجيا، شتاء 2022.
روابط خارجية
- توفر هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) بيانات تدفق المياه في الوقت الفعلي لآلاف الجداول في الولايات المتحدة.
- كما توفر هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) مجموعة أدوات عبر الإنترنت لإنشاء مخطط هيدروغرافي نقطيلأي من محطات قياس تدفق المياه التابعة لها في الولايات المتحدة.
- مخطط الهيدروغراف الوحدوي عديم الأبعاد من SCS.
- نشاط SERC ورمز Matlab لحساب واستخدام الرسم البياني للوحدة.
- علم المياه
- الهندسة الهيدروليكية