กลไกการเกิดน้ำท่า

กลไกการเกิดน้ำท่าคือกระบวนการที่เกิดขึ้นบนเนินเขา ได้แก่ การไหลบ่าบนผิวดินแบบน้ำซึมเกิน (infiltration-excess) และแบบน้ำอิ่มตัวเกิน (saturation-excess) และการไหลใต้ผิวดินในพายุ (subsurface stormflow) ซึ่งทำให้ปริมาณน้ำฝนและหิมะละลายกลายเป็นน้ำในลำธาร

Definition

กลไกการเกิดน้ำท่าคือกระบวนการทางกายภาพที่น้ำไหลไปถึงร่องน้ำในลำธารระหว่างและหลังพายุ โดยหลักแล้วคือการไหลบ่าบนผิวดินแบบน้ำซึมเกิน การไหลบ่าบนผิวดินแบบน้ำอิ่มตัวเกิน และการไหลใต้ผิวดินในพายุ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเส้นทางที่แตกต่างกันซึ่งเปลี่ยนหยาดน้ำฟ้าให้กลายเป็นน้ำท่าบนเนินเขา สภาวะที่แต่ละเส้นทางมีอิทธิพลเหนือกว่า และแนวคิดพื้นที่ต้นกำเนิดผันแปร (variable-source-area concept) ที่อธิบายว่าน้ำท่ามีต้นกำเนิดจากที่ใดภายในลุ่มน้ำ นอกจากนี้ยังอธิบายถึงต้นกำเนิดทางกายภาพของการตอบสนองต่อพายุที่หัวข้อกราฟน้ำ (hydrograph) และกราฟน้ำหน่วย (unit-hydrograph) อธิบายในเชิงปริมาณ

Core questions

• กลไกหลักที่ก่อให้เกิดน้ำท่าในพายุมีอะไรบ้าง?
• เมื่อใดที่การไหลบ่าบนผิวดินแบบน้ำซึมเกินมีอิทธิพลเหนือกว่าการไหลแบบน้ำอิ่มตัวเกิน?
• การไหลใต้ผิวดินในพายุมีส่วนช่วยในการตอบสนองต่อพายุอย่างไร?
• น้ำท่าเกิดขึ้นที่ใดภายในลุ่มน้ำ?

Key concepts

• การไหลบ่าบนผิวดินแบบน้ำซึมเกิน
• การไหลบ่าบนผิวดินแบบน้ำอิ่มตัวเกิน
• การไหลใต้ผิวดินในพายุ
• พื้นที่ต้นกำเนิดผันแปร
• การมีส่วนร่วมของพื้นที่บางส่วน
• การไหลย้อนกลับ

Key theories

การไหลบ่าบนผิวดินแบบน้ำซึมเกิน (Hortonian) (Infiltration-excess (Hortonian) overland flow)

เมื่อความเข้มของน้ำฝนเกินกว่าความสามารถในการซึมผ่าน น้ำส่วนเกินจะไหลไปบนผิวดิน กลไกของฮอร์ตันมีอิทธิพลในพื้นที่แห้งแล้ง พื้นที่ที่ถูกรบกวน หรือพื้นที่ที่มีการซึมผ่านต่ำ ซึ่งความสามารถในการซึมผ่านมักจะถูกเกินได้ง่าย

การไหลแบบน้ำอิ่มตัวเกินและพื้นที่ต้นกำเนิดผันแปร (Saturation-excess flow and variable source areas)

ในลุ่มน้ำที่มีความชื้นและมีพืชพรรณ น้ำท่าจะเกิดขึ้นในบริเวณที่ดินอิ่มตัวจากด้านล่าง โดยมีฝนตกลงบนพื้นที่อิ่มตัวที่ขยายตัว หรือพื้นที่ต้นกำเนิดผันแปร ซึ่งไหลบ่าไปบนผิวดิน สิ่งนี้ได้ปรับเปลี่ยนความเข้าใจเรื่องน้ำท่าว่ามาจากพื้นที่บางส่วนที่มีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา

Mechanisms

การไหลบ่าบนผิวดินแบบน้ำซึมเกินเกิดขึ้นเมื่อฝนตกเร็วกว่าที่ดินจะดูดซับได้ ทำให้น้ำส่วนเกินไหลบ่าไปบนผิวดิน การไหลแบบน้ำอิ่มตัวเกินเกิดขึ้นเมื่อชั้นดินอิ่มตัวด้วยน้ำจากด้านล่าง ซึ่งมักจะอยู่ใกล้ร่องน้ำและในแอ่งภูมิประเทศ ทำให้ฝนที่ตกลงมาเพิ่มเติมไม่สามารถซึมลงไปได้และไหลบ่าไปบนผิวดิน พื้นที่อิ่มตัวเหล่านี้จะขยายและหดตัว ทำให้เกิดพื้นที่ต้นกำเนิดผันแปร การไหลใต้ผิวดินในพายุคือการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วของน้ำในแนวราบผ่านดินที่ซึมผ่านได้ไปยังลำธาร

Clinical relevance

การระบุกลไกการเกิดน้ำท่าที่โดดเด่นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการคาดการณ์การตอบสนองต่อน้ำท่วม การประเมินว่าการใช้ที่ดิน การอัดแน่นของดิน และการเปลี่ยนแปลงป่าไม้ส่งผลต่อการเกิดน้ำท่าอย่างไร การกำหนดเป้าหมายพื้นที่ต้นกำเนิดสำหรับการควบคุมคุณภาพน้ำและการกัดเซาะ และการจัดโครงสร้างแบบจำลองน้ำฝน-น้ำท่าอย่างเหมาะสม

History

ทฤษฎีการซึมผ่านของฮอร์ตัน (Horton's infiltration theory) มีอิทธิพลอย่างมากจนกระทั่งการทดลองภาคสนามในช่วงทศวรรษ 1960 และ 1970 โดยฮิวเล็ตต์ (Hewlett) ดันน์ (Dunne) และคนอื่นๆ ได้แสดงให้เห็นถึงการเกิดน้ำท่าแบบน้ำอิ่มตัวเกินและการไหลใต้ผิวดินในพายุในลุ่มน้ำที่มีความชื้นและมีป่าไม้ ซึ่งเป็นการแทนที่กลไกสากลเพียงกลไกเดียวด้วยการตระหนักว่ากระบวนการที่โดดเด่นนั้นแตกต่างกันไปตามสภาพแวดล้อม

Debates

กลไกการเกิดน้ำท่าที่โดดเด่น

การถกเถียงกันมาอย่างยาวนานว่าน้ำท่าในพายุส่วนใหญ่เกิดจากการไหลบ่าบนผิวดินแบบน้ำซึมเกินของฮอร์ตัน หรือการไหลแบบน้ำอิ่มตัวเกินและการไหลใต้ผิวดินในพายุ ได้รับการแก้ไขให้เป็นมุมมองที่ขึ้นอยู่กับบริบท ซึ่งสภาพภูมิอากาศ ดิน พืชพรรณ และการใช้ที่ดินเป็นตัวกำหนดว่ากลไกใดมีอิทธิพลเหนือกว่า

Key figures

• Robert E. Horton
• Thomas Dunne
• John D. Hewlett

Seminal works

• horton1933
• dunne1970
• hewlett1967

Frequently asked questions

การไหลบ่าบนผิวดินเป็นแหล่งหลักของน้ำในลำธารในพายุหรือไม่?

ไม่เสมอไป ในลุ่มน้ำที่มีความชื้นและมีพืชพรรณหลายแห่ง น้ำท่าในพายุส่วนใหญ่มาจากพื้นที่อิ่มตัวใกล้ร่องน้ำและจากการไหลใต้ผิวดินอย่างรวดเร็ว มากกว่าการไหลบ่าบนผิวดินแบบน้ำซึมเกินที่แพร่หลาย ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของพื้นที่แห้งแล้งหรือพื้นที่ที่ถูกรบกวนมากกว่า

พื้นที่ต้นกำเนิดผันแปรคืออะไร?

คือส่วนหนึ่งของลุ่มน้ำ ซึ่งมักจะอยู่ใกล้ลำธารและในแอ่งที่เปียกชื้น ซึ่งจะอิ่มตัวและก่อให้เกิดน้ำท่าระหว่างพายุ พื้นที่นี้จะขยายตัวเมื่อฝนยังคงตกและหดตัวเมื่อลุ่มน้ำแห้ง ดังนั้นพื้นที่ที่ก่อให้เกิดน้ำท่าจึงมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา