נגר עילי

מתוך אנציקלופדיה, המכון למדעי כדור הארץ, האוניברסיטה העברית

קפיצה אל: ניווט, חיפוש

יחסי גשם-נגר: כ-70% מכמות מי הגשם בישראל מתאדה לאטמוספרה, כ-25% מחלחלת את מי התהום, ורק כ-5% זורמת על פני השטח ונאספת אל ערוצי הנחלים.

הסיכויים שמי הגשם יזרמו על פני השטח הם אפוא נמוכים יחסית. הזרימה העילית נמוכה מאחר שיש צורך בתנאים מיוחדים כדי שיתרחש. תהליך זה מתרחש רק לאחר סופות גשם בעלות עצמה גבוהה הגורמות להצטברות מים רבים על פני הקרקע שאינם מספיקים להתאדות במלואם ואינם מצליחים להיספג בקרקע או לחלחל דרכה אל מי התהום (גולדרייך, 1998). בתנאים אלו מתחילים המים לזרום במדרונות המשופעים ובערוצי הנחלים ונוצר נגר עילי.

השיטפון, הנקרא גם גאות, הוא מקרה מיוחד שבו הנגר העילי מתגבר באופן יוצא דופן, המים אינם זורמים בערוץ הנחל בלבד אל מציפים אף את השטח שמעבר לגדות. התנאים להיווצרות הגאות הם שילוב בין מאפייני הגשם למאפייני אגן הניקוז (Sharon And Kutiel, 1986). מאפייני הגשם העיקריים הם: עצמתו, עוביו, משכו והתפרשותו על פני שטח אגן הניקוז. תכונות אגן הניקוז החשובות הן: גודלו, סוג הקרקע או הסלעים החשופים על השטח, מידת חדירותם למים, שיפועי המדרונות ומידת הרטיבות של הקרקע לפני תחילת הסופה. הסיכויים לקיום התנאים המאפשרים הצטברות מים רבים על פני השטח והפיכתם לשיטפון הם נמוכים מאוד, ואכן השיטפונות מתרחשים בארץ הם למשך שעות ספורות ולפעמים למשך ימים מעטים בשנה בלבד, ואף בשעות או בימים שיש בהם שיטפונות. אזורי השיטפונות מצומצמים מאוד מבחינה גיאוגרפית.


מאפייני הגאות: הגאות מתוארת באמצעות כמה מדדים כמותיים: הספיקה הרגעית, משך זמן הגאות ונפח המים הכולל. מדדים אלו יוסברו להלן ויומחשו באמצעות דוגמאות מנחלי הארץ. הספיקה הרגעית מוגדרת כנפח המים העובר ביחידת זמן דרך חתך לרוחב האפיק, והיא נמדדת בדרך כלל ביחידות של מ"ק בשנייה. שתי הדרישות המוקדמות הנחוצות להערכת הספיקה בערוץ הן ידיעת הגאומטריה של חתך הזרימה והכרת התפלגות מהירות הזרימה בחתך (החיכוך עם הקרקעית גורם לחוסר אחידות במהירות הזרימה). באמצעות מכשירים אלקטרומגנטיים המועברים לרוחב האפיק, המודדים ברציפות את זמן חזרת הגלים מהקרקעית, אפשר לקבוע את הגאומטריה של הערוץ. כדי לקבוע את התפלגות הזרימה אפשר לטבול מדי זרם בכמה נקודות לרוחב האפיק, ובכל נקודה בכמה עומקים, ומתוצאות אלו לחשב את הספיקה הכוללת. כשלערוץ הזרימה גאומטריה פשוטה, למשל מלבנית או טרפזית, אפשר לחשב במדויק את התפלגות המהירויות בחתך ולדעת מהי הספיקה. במקרים אלו יש התאמה מדויקת בין גובה המים באפיק לבין הספיקה, ועל כן ניתן לקבוע את הספיקה לפי גובה המים בערוץ. תחנות מדידה קבועות הממוקמות באפיק הנחל מסוגלות למדוד את הספיקה ברציפות בהתאם להשתנות גובה המים באפיק (איור 7.1). השרות ההידרולוגי מתחזק ברחבי הארץ עשרות תחנות מדידה שנרשמות בהן הספיקות באופן רציף.

בזמן גאות הולכת וגוברת הספיקה עד שהיא מגיעה לשיא מסוים ולאחר מכן היא הולכת ודועכת. כמובן, הספיקה יכולה לחזור ולהתגבר ושוב לדעוך, וחזור חלילה. ספיקה שיא היא המדד החשוב ביותר מבחינה מעשית מכיוון שכוח ההרס הטמון בו הוא מקסימלי. ספיקת השיא חשובה ביותר עבור תכנון גשרים וסכרים, כדי למנוע את קריסתם בזמן גאויות עתידיות. מאחר שקשה לחזות את ספיקת השיא, אנו עדים מפעם לפעם לקריסת כביש או גשר, בייחוד באזור הנגב ומדבר יהודה (איור 7.2).

משך הזמן שמתרחשת בו הגאות מוגדר מרגע שהספיקה מתחילה לעלות אל מעבר לזרימת הבסיס (או מרגע שמתחילה הזרימה בנחל אכזב) ועד לרגע שהספיקה יורדת חזרה לרמתה הקבועה (או להפסקת הזרימה בנחל אכזב). הגרף המתאר את השתנות הספיקה במשך זמן הגאות בתחנת המדידה נקרא הידרוגרף (איור 7.3). נפח המים הכולל שזרם בערוץ במהלך הגאות מחושב לפי אינטגרציה של הספיקה במשך זמן הגאות, היינו לפי השטח שתחת ההידרוגרף.

מדד כמותי נוסף המאפיין את הגאות באגן ההיקוות הוא תדירות הופעת הגאות, ובמילים אחרות, זמן החזרה. מדד זה מחושב באופן סטטיסטי לפי נתונים היסטוריים שנאספו בתחנות המדידה השונות במשך שנים רבות. תדירות ההופעה נקבעת בנפרד עבור כל ערך סף של ספיקות. לדוגמא בנחל אלכסנדר מתרחשת גאות בעלת ספיקה הגבוהה מ-150 מ"ק לשנייה פעמיים בשישים שנה לערך, גאות בעלת ספיקה הגבוהה מ-100 מ"ק לשנייה מתרחשת 10 פעמים בשישים שנה בממוצע, אך גאות בעלת ספיקה הגבוהה מ-50 מ"ק בשנייה מתרחשת 19 פעמים בשישים שנה (איור 7.4). כשבודקים את כל הגאויות המתרחשות בערוץ, כולל גאויות בשנה בנחלי מרכז הארץ. המובהקות הסטטיסטית של התדירויות המחושבות גדלה כמובן ככל שהניתוח מתבסס על סדרת נתונים ארוכה יותר.

הסופות התורמות את מרבית הנגר העילי הן הסופות בעלות עצמה גבוהה המתרחשות לאחר שהקרקע ספוגה במים ואינה מסוגלת לקלוט את הגשמים החדשים. משום כך יש התאמה בין כמויות הגשם השנתיות לבין נפח הזרימה בערוצים. בדרך כלל ככל שהשנה ברוכה בגשמים כך תדירות הסופות בעלות העצמה הרבה גבוהה יותר ועל כן נפח הנגר העילי מכלל הגשם גדול יותר (בן-צבי, 1992). מבחינה כמותית, בשנים שחונות לא מתקיימת כל זרימה שיטפונית אל הים, בשנה ממוצעת נפח הנגר מסתכם ב-3% מנפח המשקעים, בשנים גשומות הנגר הוא 7% מהמשקעים, ובשנת 1991/2 ברוכת הגשמים הוא הגיע ל - 12% מכלל נפח הגשמים על גבי אגני הניקוז.


הסעת סחף: מהירות זרימת המים בנחלים מהירה יותר ואנרגטית יותר בהשוואה לזרימת מי התהום. מבחינה מעשית, מהירות הזרימה בערוצים נמדדת ביחידות של מטרים בשנייה ואילו מהירות זרימת מי התהום בתווך הנקבובי נמדדת ביחידות של מטרים בשנה. הזרימה בנחלים שונה לא רק באנרגיה הרבה האצורה בתוכה, אלא אף במאפיינים הפיזיקליים שלה, ובמיוחד ביכולתה להפוך לעתים קרובות לזרימה טורבולנטית (זרימה ערבולית). בזרימה טורבולנטית נוצרים תאי ערבוב גדולים וקטנים, המים זורמים בהם בכל הכיוונים ובמהירות רבה, והתאים עשויים לשנות את צורתם וגודלם במהירות רבה. האנרגיה הגבוהה של המים מסוגלת להרים סחף רב, אבנים ולפעמים אף סלעי ענק ולהעבירם למרחקים גדולים. הזרימה הטורבולנטית מסוגלת אף לחרוץ בקרקעית האפיק, להרים את הבוץ והסלעים המונחים שם ולהזרימם הלאה והלאה. נפח החומר המוצק המופיע במים הוא בדרך כלל כ-1%-3% מהנפח הכולל, ובזמן מהירויות זרימה אנרגטיות במיוחד נפח המוצק מגיע עד 9%. במורד הזרימה, כששיפוע האפיק קטן ומהירות הזרימה פוחתת, שוקע הסחף על הקרקעית והמים הופכים צלולים בהדרגה. בדרך כלל הספיקה במורד הזרם גבוהה מזו שבמעלה הזרם מכיוון שערוצים רבים התלכדו והמים זורמים יחד, אולם מכיוון שרוחב הערוץ הולך ונעשה רחב יותר - מהירות הזרימה במורד איטית יותר.

משום כך, בדרך כלל, מי השיטפון נושאים עימם סחף רב (איור 7.5). כשנתפסים מי השיטפון במאגר, שוקע הסחף על הקרקעית. במשך הזמן המאגר הולך ומתמלא בסחף, עד שהוא מאבד את כושר התפיסה שלו ומפסיק לתפקד לחלוטין (Laronne and Reid, 1993). מציאות זו מעמידה בספק את כדאיות הקמת המאגרים. מאגר נחל נקרות לדוגמה איבד כשליש מנפח האגירה שלו במשך עשרים שנות קיומו (לרון ווילהלם, 1996). בארץ בממוצע, מאגר מאבד 1.7% - 2.6% מנפחו בכל שנה.

נושא זה נחקר במכון למדעי כדור הארץ באוניברסיטה העברית בירושלים http://earth.huji.ac.il

כלים אישיים