이리 호는 미국과 캐나다 모두에게 중요한 자원입니다. 그것은 그레이트 레이크 중 네 번째로 큰 호수, 세계에서 13 번째로 표면적 (25,655km)으로 484km, 평균 거주 시간은 2.6 년입니다. 이 호수는 버팔로, 뉴욕 및 클리블랜드, 오하이오를 포함한 많은 도시에 식수원을 제공합니다. 뿐만 아니라 상업 낚시, 산업용 항구, 여가, 교통 및 농업 관개의 원천.
미국은 이미 물 제한 지역의 광범위한 농업 및 인구 증가로 인해 물 부족의 영향을보기 시작했습니다. 미국에서 네 번째로 큰 호수 인 이리 호는 의심 할 여지없이 우리 경제와 생계에서 더 큰 역할을 할 것입니다. 따라서 우리는이 자원의 가용성을 제어하는 변수를 완전히 이해해야하며, 이리 호수의 상세한 물 균형을 통해 평가할 수 있습니다.
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Erie 호수의 중요성에도 불구하고, Erie 호수의 상세한 물 균형을 수행하는 가장 최근 출판 된 논문은 1940 년에서 1979 년까지의 데이터를 사용하여 Quinn and Guerra (1986) 인 것으로 보입니다. 지난 30 년 동안 Erie 호수의 물 공급에서 사용 및 관리에 큰 변화가있었습니다. 1960 년대부터 1970 년대부터 1970 년대까지 이리 호가 농업에서 인한 인수로 인해 극도로 오염되어 호수 전체 부영양화, 조류 꽃, 물고기 사망으로 이어졌습니다. 이 사건의 결과로, 미국 의회는 1972 년 청정 물법을 통과하여 이리 호를 자연 생태계로 회복시키기 위해 노력했습니다. 이 행위는 영양소 유입을 제한하기 위해 어떤 조치를 취했는지에 따라 이리 호의 수 문학에 중대한 영향을 미쳤을 수 있습니다. 다행스럽게도, 1986 년 Quinn과 Guerra의 흥미로운 작품을 업데이트하기위한 충분한 데이터를 제공하는 Erie Lake의 수 문학을 매일 매달 모니터링하는 많은 기관이 있습니다.
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Erie 호수의 물 균형을 위해 1940 년부터 1979 년까지 편집 한 데이터는 매혹적인 결과를 얻었습니다. 그들은 1940 년에서 1979 년까지의 평균 강수량이 1900-1939보다 5% 높았으며, 이는 37m의 증가를 발견했다. 같은 기간 동안 호수의 총 물 공급이 증가했으며, 디트로이트 강은 배출이 증가한 결과로 강수량 증가의 결과 일 가능성이 높았습니다. 그들은 또한 1950 년대부터 시작하여 1979 년까지 측정 된 간격을 통해 지속되는 냉각 추세를 언급했습니다. 이는 1979 년부터 2009 년까지 수 문학적 및 기상 데이터를 살펴보면 업데이트 된 물 균형이 Erie 호수의 수 문학의 전반적인 트렌드를 이해하는 데 도움이되는 몇 가지 예일뿐입니다.
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이리 호의 미국에 대한 중요성을 고려할 때, 수 문학과 가용 물 공급에 영향을 미치는 요인을 이해하고 모니터링하는 것이 필수적입니다. 나는 이리 호수 수 문학의 장기 트렌드에 관한 Quinn과 Guerra의 논문에서 제기 된 많은 개방형 질문에 답하려고 시도 할 것입니다. 나는 1940 년에서 1979 년까지 강수량 증가, 호수 수위, 강 흐름 및 온도 감소가 2009 년까지 계속 될 것이라고 생각합니다.이 효과는 크게 기후 체제가 변화하기 때문일 수 있습니다. 지구 온난화는 강수량 증가를위한 실행 가능한 메커니즘처럼 보이지만 감소와는 달리 온도가 증가 할 것으로 예상됩니다. 또한 1972 년의 깨끗한 물법이 이리 호의 수 문학과 물 균형을 어떻게 바꾸 었는지 살펴 봅니다.
방법론
호수의 물 예산에 사용되는 기본 방정식은 입력 - 출력 =저장 변경으로 단순화됩니다. 이 시나리오에서는 Erie 호수를위한 모든 물의 입력 및 출력을 결정해야합니다. 또한, 전체 호수 수준의 1 개월에서 다음 달로의 변화를 가져 와서 호수의 표면적에 곱하여 보관의 전반적인 변화를 가져 와서 저장의 변화를 계산했습니다.
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투입물에는 디트로이트 강의 유입이 포함됩니다. 디트로이트 강의 유일한 강원은 Erie 호수에 유일하게 강원하고 전체 물 예산에 크게 기여합니다. 추가 투입은 호수에 떨어지고, 고지가 인근 땅의 강수량에서 호수로 흘러 들어가고, 지하수는 호수로 흘러 들어갑니다. 출력에는 나이아가라 강을 통한 유출과 우물 전환이 포함됩니다. 또한 증발, 호수의 소비 및 지하수 유출도 포함됩니다.
호수 전체의 물 소비는 1960 년대까지 짧은 기간 동안 만 측정되었으며 평균 48m/s를 측정했습니다 (Quinn and Guerra, 1986). 이 값은 전체 시계열 전체에서 일정하게 사용되었으며, 심한 근사치이지만 호수를 떠나는 물의 1% 미만에 해당합니다. 호수로의 지하수 흐름은 Erie 호수를 위해 측정되지 않았으므로 저장 변화의 계산에서 이것을 고려하지 않습니다. 소비와 마찬가지로 총 물 입력 또는 출력의 작은 부분 일 가능성이 양호합니다. 또한 지하수의 입력은 지하수의 생산량 균형을 맞추기 위해 작용하여 호수 저장에 전반적인 변화가 거의 없습니다.
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이리 호의 물의 생산량을 완전히 특성화하려면 증발 속도가 필요했습니다. Glerl은 1948 년부터 2000 년까지 Erie 호수의 온도와 풍속 측정을 수집했으며, 따라서 이러한 측정은 호수의 증발을 모델링하는 데 사용되었습니다. 풍속, 표면 지형 및 포화 및 공기 증기 압력을 고려한 질량 전달 접근법을 사용하여 증발을 계산 하였다. 호수 온도는 Clausius-Clapeyron 방정식의 비교적 간단한 사용을 통해 포화 및 증기 압력을 계산하는 데 사용될 수 있습니다. 이것은 질량 전달 접근법을 통해 증발을 계산하는 데 사용되었습니다 :e =k e . u a (e a -e s ), 여기서 k e 경험적으로 파생됩니다. Erie 호수의 열 예산에 대한 데이터가 없었기 때문에 Penman-Combination 접근 방식과 같은 더 강력한 모델을 사용할 수 없었습니다.
. 데이터
NOAA (National Oceanic and Atmedrication Administration)는 Great Lakes 환경 연구소 (GLERL)를 운영합니다. Glerl은 스트림 흐름, 채널 흐름 연결, 호수 증발, 증발, 수온 및 수질 평가를 포함한 모든 큰 호수에 대한 수 문학 및 유압 데이터를 모니터링합니다. 또한 호수, 온도, 유출 및 호수 주변의 강수량을 기록합니다. 나는 Glerl이 제공 한이 데이터를 사용하여 Erie 호수의 현재 물 예산을 수행했습니다. 디트로이트 강은 이리 호수 유입의 약 80%를 차지했으며 나이아가라 강은 호수에서 유출의 거의 86%를 차지했습니다. 100 년 기록의 평균 호수 수준은 174.1 미터입니다.
| in (m/month) | in | out (m/month) | out |
| 디트로이트 강 | 1.39 × 10 | 80.1 | 소비 | 1.26 × 10 | 0.7 |
| 강수량 | 1.89 × 10 | 10.9 | 나이아가라 강 | 1.51 × 10 | 85.8 |
| 호수 Erie 로의 유출 | 1.56 × 10 | 9.0 | Welland Division | 4.08 × 10 | 2.3 |
| | | | 증발 | 1.97 × 10 | 11.2 |
| 평균 호수 레벨 | 174.1 m | | | |
수심 측정법
100 년 기록에 걸쳐 기록 된 최대 호수 수준은 175.04m이고 가장 낮은 것은 173.17m로 1.87 미터입니다. 호수 수심의 아래 그림에서 볼 수 있듯이 호수의 표면적으로 값을 곱하여 물량을 계산할 때 고유 한 오류가있을 수 있습니다. 호수 수준이 상승하고 떨어지면 호수의 표면적이 변하고 이는 정량화되거나 설명되어야합니다. 추가 연구 후, 이리 호수의 표면적에 대한 호수 수준의 변화가 무시할 수 있다고 가정합니다. 그러나 물이 떨어지면 표면적이 적을수록 이리 호수의 큰 크기는 표면적에 대한 수위 변화의 영향을 완화시킵니다. Great Lakes Water Balance에 대한 USGS Scientific Investigations Report 2004-5100에서 그들은 호수 수준의 변화로 인해 대략 500 피트의 해안선의 손실이 1%를 변경하기 위해 약 500 피트의 해안선이 필요하다는 것을 발견했습니다. 이러한 이유로, 스토리지의 변화를 정량화 할 때 이리 호수의 표면적 변화가 고려되지 않았습니다.
호수 수준의 변화로 인한 표면적 변화에 대한 질적 평가로서,이 추정에서 상대적 방향과 변화의 크기를 가정 할 수있다. 표면적이 약간 적을 것이기 때문에 저장의 변화가 낮은 수준은 과대 평가 될 가능성이 높기 때문에 저장 그래프의 변화가 실제로 약간 얕아 질 수 있습니다. 반면, 호수 표면적이 약간 증가했을 것이기 때문에 저장 변화의 높은 값은 과소 평가 될 가능성이 높습니다. 이것은 실제로 스토리지 수치의 변화의 피크가 실제로 더 두드러 져야한다는 것을 의미합니다.
호수 레벨을 통한 보관 변경
다음은 월간 호수 레벨 데이터를 사용하여 보관의 계산 된 변경 사항입니다. 한 달의 호수 수준은 전 달의 호수 수준에서 빼고 호수의 총 면적 (25,655km)을 곱했습니다. 이것은 이리 호수의 스토리지 변경 시리즈를 주었다. 700 년경 (1958 년) 이후에 데이터의 차이가 줄어든 것으로 보이며, 호수는 수력 전기 댐 및/또는 물 사용에 의해 더욱 규제되었음을 시사합니다.
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많은 수의 데이터 포인트와 위의 그래프로부터의 스토리지 변경에 대한 귀중한 정보를 괴롭히는 데 어려움이 있기 때문에, 장기 변동을 나타내도록 저장 변화의 실행 된 합계가 계산되었다. 다음은 Erie 호수의 저장 변화의 실행 평균입니다. 스토리지의 전반적인 변화는 1900 년에서 2000 년으로 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 또한 1933 년과 1966 년과 일치하는 400 개월과 800 개월 정도의 낮은 점수가 있습니다.
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먼지 그릇은 1933 년에 발생하여 극적인 감소의 원인 일 수 있습니다. 또한 1929 년의 홍수에 해당하는 대략 350 개월에 가장 두드러진 스토리지 변화의 급격한 증가가 있습니다. 또한 저장 변화에서 3 개의 두드러진주기를 볼 수 있으며, 이는 저장 변화의 더 긴 경향과 감소의 경향이 더 길어 보입니다. 이 추세를 더 잘 보려면 스토리지 변경 합계의 5 년 실행 평균을 살펴 보는 것이 유용합니다. 이것은 스토리지의 변화의 합으로 "혹"으로 시각화 된 30 년 변동성이 있음을 분명히 보여줍니다. 이 추세는 스토리지 플롯의 초기 변화에 숨겨져 있었지만 실행 합계에서는 분명합니다.
우리가 100 년의 기록을 보았 기 때문에이 정권이 얼마나 오래 있었는지 말하기는 어렵지만, 기록 전반에 걸쳐 반복되는 30 년 정권이있는 것으로 보인다. 또한 지난 세기 내내 이리 호의 북아메리카에서 북미 지역의 주요 절정 사건을 볼 수 있습니다. 1930 년대의 더스트 보울은 먼지 그릇 직전에 일어난 1929 년 홍수 사건 외에 분명히 분명합니다. 1960 년대에 이리 호수는 널리 부전성이되어 방대한 양의 물고기를 죽이고 호수를 거의 무산소화했습니다. 이 부영양화에 대한 응답으로, 의회는 1970 년경 청정 물법을 통과 시켰으며, 이는 하수 또는 비료를 호수에 사용하고 덤핑하는 데 규정을 시행했습니다. 이 행사는 스토리지 수치의 변화에 표시되며 호수의 자원을 규제하는 데 도움이되는이 행동의 성공을 암시하는 호수 와이드 스토리지의 극적인 증가에 해당합니다.
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스토리지 변경 (입력 출력)
입력에서 이리 호수까지의 출력을 빼서 앞에서 설명한 방법을 통해 스토리지의 변화를 계산했습니다. 입력은 디트로이트 강 입력 + 강수량 + 호수 +베이스 흐름으로의 유출입니다. 출력은 증발 + Welland Division 출력 + 나이아가라 강 출력 +베이스가 호수 + 소비에서 벗어납니다. 한 가지주의 사항은이 방법이 1948 년에서 2000 년까지만 호수 레벨 변경 방법에 대해 1900 년에서 2000 년까지 적용된다는 것입니다. 1948 년에서 2000 년까지 Erie 호수의 온도 및 풍속 측정 (증발 속도를 계산하는 데 사용됨) 만 있기 때문입니다. 아래에서 볼 수 있듯이 호수 수준의 변화에 의해 계산 된 저장의 변화와 매우 동일합니다.
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녹는 계절 강수량
저장 변화의 변동의 원인을 보는 유용한 접근법은 기록 전체에 걸쳐 주어진 달의 온도 변화를 보는 것일 수 있습니다. Erie 호수는 지역을 덮는 눈에서 Meltwater에 의해 부분적으로 공급되므로 해마다 온도의 변화는 Erie 호수에 도달하는 물의 크기와 시간적 변동성을 나타낼 수 있습니다.
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아래 그림은 1948 년부터 2005 년까지의 월간 온도 변화를 보여줍니다. 녹기의 대부분이 주어진 연도의 1 월에서 4 월까지 발생한다고 가정합니다. 시계열은 장기 트렌드 나 상당한 변동을 묘사하기가 다소 어렵습니다. 가장 중요한 변화는 1975 년부터 1978 년까지 매달 온도의 감소입니다.이 기간, 저장의 변화의 합계를 살펴보면 피크 중 하나와 하강하기 시작하는 곳에 해당합니다. 이것은 저장의 변화와 그에 따른 감소의 원인이 눈이 호수에 도달하는 것을 제한하는 비정상적으로 추운 온도 때문이라는 것을 나타낼 수 있습니다. .
웨이블릿 분석
Morlet Wavelet의 사용은 육안으로 보이지 않는 데이터 시리즈에서주기의 신호를 나타낼 수 있습니다. 다음은 호수 레벨 변경에서 계산 된 스토리지 변경 및 입력 - 출력 방법의 웨이블릿 스펙트럼입니다. 둘 다 비슷한 트렌드를 보여 주며, 이상적으로는 서로 정확히 동일해야하므로 예상됩니다. 두 그래프 모두 전체 레코드에서 실행되는 매년 (12 개월) 주기성이 있으며, 12 개월에 빨간 밴드를 둘러싸고있는 검은 색 컨투어 라인은 10% 유의 수준이며,이주기는 실제로 중요하다는 것을 나타냅니다. 또한, 전역 웨이블릿 인 파트 C를 볼 때 신뢰 구간은 12 개월이 둘 다 스펙트럼에서 유일한 유일한 주기성임을 나타냅니다. 이것은 매년 총 물 투입량을 매년 공급하는 용융물의 계절적 입력이 있기 때문에 예상됩니다.
그림 :(a) CIS (호수 레벨). (b) 웨이블릿 전력 스펙트럼. 컨투어 레벨은 웨이블릿 전력의 75%, 50%, 25%및 5%가 각각 각 레벨을 초과하도록 선택됩니다. 교차 부화 영역은 제로 패딩이 분산을 줄인 영향의 원뿔입니다. 검은 색 윤곽은 흰색 잡음 배경 스펙트럼을 사용하여 10% 유의 수준입니다. (c) 글로벌 웨이블릿 전력 스펙트럼 (검은 색 라인). 점선은 (b)에서와 동일한 유의 수준 및 배경 스펙트럼을 가정 할 때 글로벌 웨이블릿 스펙트럼의 중요성입니다. 참조 :Torrence, C. 및 G. P. Compo, 1998 :웨이블릿 분석에 대한 실용 가이드. 황소. 아머. 유성. Soc., 79, 61-78.
그림 :(a) CIS (in-out). (b) 웨이블릿 전력 스펙트럼. 컨투어 레벨은 웨이블릿 전력의 75%, 50%, 25%및 5%가 각각 각 레벨을 초과하도록 선택됩니다. 교차 부화 영역은 제로 패딩이 분산을 줄인 영향의 원뿔입니다. 검은 색 윤곽은 흰색 잡음 배경 스펙트럼을 사용하여 10% 유의 수준입니다. (c) 글로벌 웨이블릿 전력 스펙트럼 (검은 색 라인). 점선은 (b)에서와 동일한 유의 수준 및 배경 스펙트럼을 가정 할 때 글로벌 웨이블릿 스펙트럼의 중요성입니다. 참조 :Torrence, C. 및 G. P. Compo, 1998 :웨이블릿 분석에 대한 실용 가이드. 황소. 아머. 유성. Soc., 79, 61-78.
저장 방법의 두 가지 변화의 비교
호수 수위에서 계산 된 저장의 변화와 이리 호수의 입력에서 출력을 빼는 것과 비교했습니다. 놀랍게도 그들은 둘 다 함께 음모 할 때 거의 동일하게 일치하여 두 방법이 모두 정확한 것으로 보입니다. 이것은 또한 기본 흐름에 대한 값이없고 소비의 근사치가 호수 보관의 변화에 큰 역할을하지 않았을 수 있음을 나타냅니다. 또한 측정 값이 호수 수준에서 관찰 된 변동과 밀접하게 상관 관계가있을 정도로 정확하다는 것을 확인합니다.
마지막으로, 나는 두 가지를 비교하고 서로의 상관 관계가 얼마나 잘 상관되었는지를 정량적으로 확인하기 위해 서로에 대한 두 가지 스토리지의 변화를 그렸습니다. 예상 한 바와 같이, 그것들은 r =0.94와 매우 잘 상관됩니다. 라인의 기울기는 0.98에서 거의 1이며, 이는 동일한 정보를 이상적으로 측정하고 기록하기 때문에 예상대로 두 가지 방법 사이에 실질적으로 1 :1 관계가 있음을 나타냅니다. 마지막으로 스토리지의 긍정적 또는 부정적인 변화가 있었는지에 따라 관계에 비뚤어진 것이 없다는 것을 알 수 있습니다. 
결론
이리 호수의 물 균형을 통해 상당한 양의 정보가 얻어졌습니다. 첫째, 스토리지의 변화를 계산하는 두 가지 방법이 매우 밀접한 상관 관계가 있었기 때문에 Glerl이 수행 한 측정 컬렉션은 칭찬해야합니다. 또한 이리 호수는 물 저장에 약 30 년의 주기성을 가지고 있으며 미국 정부가 이리 호에서 볼 수있는 장기 트렌드에 대한 통찰력을 제공합니다. 30 년의 순환 외에도 이리 호수는 매년 봄에 눈 축적이 녹는 데 영향을받는 연간 주기성을 가지고 있음을 보여주었습니다.
이 호수는 또한 1970 년대 Clean Water Act와 같은 규정의 시작과 더불어 주요 기후 변화를 기록했습니다. 이리 호는 미국 경제와 웰빙의 중요한 부분이며, 측정 내에있는 숨겨진 메시지를 더 잘 이해하기 위해 물 균형을 통해 호수를 볼 수있는 자원을 갖는 것이 좋습니다. 이것들은 필연적으로 우리가 미래 에이 자원을 어떻게 사용하고 보존 할 것인지 결정하는 데 유용한 도구가 될 것입니다.
참조
- 국립 해양 대기 관리, 그레이트 레이크 환경 연구소. 원시 데이터에 사용 :
- Neff, Brian P. 및 Nicholas, J.R., 2005, Great Lakes Water Balance의 불확실성 :미국 지질 조사 과학 조사 보고서 2004-5100, 42 p.
- Neff, B.P., Killian, J.R., 2003. The Great Lakes Water Balance :선택된 참조의 데이터 가용성 및 주석이 달린 참고 문헌. USGS. 수자원 조사 보고서 02-4296.
- Torrence, C. 및 G. P. Compo, 1998 :웨이블릿 분석에 대한 실용 가이드. 황소. 아머. 유성. Soc., 79, 61-78.
- Quinn, F.H., Guerra, B., 1986. 호수 이리 워터 밸런스에 대한 현재의 관점. J. Great Lakes Res. 12, 109 - 116.
