Xem mẫu

  1. ®¹i häc quèc gia hµ néi Tr­êng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn Nguyªn lý thñy v¨n R.C. ward and M. Robinson Ng­êi dÞch: NguyÔn V¨n TuÇn NguyÔn §øc H¹nh 6
  2. Môc lôc Trang Lêi më ®Çu Môc lôc Ch­¬ng 1 Giíi thiÖu 5 1.1. Giíi thiÖu chung vÒ n­íc 5 1.2. Sù thay ®æi tù nhiªn cña thuû v¨n 7 1.3. Chu tr×nh vµ hÖ thèng thuû v¨n 9 1.4. C¸c qu¸ tr×nh tù nhiªn trong thuû v¨n 11 17 Ch­¬ng 2 Gi¸ng thuû 2.1. Më ®Çu vµ c¸c kh¸i niÖm 17 2.2. Nh÷ng c¬ chÕ h×nh thµnh gi¸ng thuû 20 2.3. Ph©n bè kh«ng gian chung cña gi¸ng thuû 23 2.4. §o ®¹c gi¸ng thuû 25 2.5. Nh÷ng biÕn ®æi theo thêi gian cña sè liÖu gi¸ng thuû 36 2.6. Ph©n tÝch sè liÖu gi¸ng thuû 42 2.7. Nh÷ng khÝa c¹nh thuû v¨n häc vÒ tuyÕt 52 2.8. Nh÷ng t¸c ®éng cña con ng­êi tíi ph©n bè cña gi¸ng thuû 57 61 Ch­¬ng 3 Sù gi÷ n­íc trªn l­u vùc 3.1. Giíi thiÖu vµ ®Þnh nghÜa 61 3.2. Sù chÆn n­íc vµ c©n b»ng n­íc 61 3.3. §o ®¹c sù gi÷ n­íc 66 70 3.4. Nh÷ng nh©n tè t¸c ®éng ®Õn tæn thÊt do chÆn n­íc cña th¶m thùc vËt 72 3.5. Nh÷ng tæn thÊt do chÆn n­íc cña c¸c lo¹i th¶m thùc vËt kh¸c nhau 3.6. M« h×nh hãa sù chÆn n­íc 77 3.7. Sù chÆn tuyÕt 83 3.8. Sù l¾ng ®äng n­íc cña m©y 85 87 Ch­¬ng 4 Bèc h¬i 87 4.1. Kh¸i niÖm vÒ bèc h¬i 4.2. Qu¸ tr×nh bèc h¬i 88 4.3. ¦íc tÝnh bèc h¬i 93 4.4. Bèc h¬i tõ c¸c bÒ mÆt kh¸c nhau 97 4.5. Thµnh phÇn bèc h¬i tõ líp phñ thùc vËt 108 4.6. M« h×nh hãa bèc h¬i 114 4.7. Sù ph¸t triÓn hiÓu biÕt cña qu¸ tr×nh bèc h¬i 122 7
  3. 127 Ch­¬ng 5 N­íc ngÇm 5.1. Giíi thiÖu vµ c¸c ®Þnh nghÜa 127 5.2. C¬ së ®Þa lý 129 5.3. C¸c tÇng ngËm n­íc cã ¸p vµ kh«ng ¸p 130 5.4. Tr÷ l­îng n­íc ngÇm 132 5.5. Sù chuyÓn ®éng cña n­íc ngÇm 141 5.6. N­íc ngÇm trong c¸c ®¸ uèn nÕp vµ ®øt g·y 160 166 Ch­¬ng 6 N­íc trong ®Êt 6.1. Giíi thiÖu 166 166 6.2. Nh÷ng ®Æc tÝnh vËt lý cña c¸c lo¹i ®Êt ¶nh h­ëng ®Õn n­íc trong ®Êt 6.3. L­îng tr÷ cña n­íc trong ®Êt 168 6.4. Sù di chuyÓn cña n­íc trong ®Êt 181 197 6.5. Ho¹t ®éng cña n­íc trong ®Êt d­íi c¸c ®iÒu kiÖn trong c¸nh ®ång 210 Ch­¬ng 7 Dßng ch¶y mÆt 7.1. Giíi thiÖu chung 210 7.2. Dßng ch¶y nhanh vµ dßng ch¶y ng­ng trÖ 211 7.3. C¸c nguån vµ c¸c thµnh phÇn cña dßng ch¶y 212 7.4. Nh÷ng sù biÕn ®æi sù kiÖn c¬ b¶n 216 7.5. Nh÷ng sù biÕn ®æi dßng ch¶y hµng ngµy 233 236 7.6. Sù biÕn ®æi dµi h¹n cña dßng ch¶y vµ tÝnh biÕn thiªn dßng ch¶y 7.7. Dßng ch¶y cùc h¹n 240 7.8. Dßng ch¶y tõ nh÷ng vïng cã tuyÕt phñ 250 256 Ch­¬ng 8 ChÊt l­îng n­íc 8.1. Giíi thiÖu vµ nh÷ng ®Þnh nghÜa 256 8.2. C¸c qu¸ tr×nh quy ®Þnh thµnh phÇn ho¸ häc cña n­íc 261 8.3. C¸c chÊt hoµ tan khÝ quyÓn 264 8.4. Sù ng¨n gi÷ vµ sù bèc h¬i 271 8.5. N­íc trong ®Êt vµ n­íc ngÇm 272 8.6. Dßng ch¶y mÆt 286 8.7. KÕt luËn 297 299 Ch­¬ng 9 L­u vùc thu n­íc vµ thuû v¨n toµn cÇu 9.1. Giíi thiÖu chung 299 9.2. M« h×nh bån thu n­íc 302 9.3. Nghiªn cøu c©n b»ng n­íc vµ l­u vùc ®­îc lùa chän 310 9.4. Bªn ngoµi giíi h¹n l­u vùc: Thuû v¨n toµn cÇu 319 328 Tµi liÖu tham kh¶o 8
  4. Lêi ng­êi dÞch N­íc lµ mét tµi nguyªn thiªn nhiªn quý gi¸ vµ ®­îc ®¸nh gi¸ nh­ nh÷ng tµi nguyªn thiªn nhiªn kh¸c: nh­ vµng, nh­ ñu khÝ, nh­ s¾t,.. vµ thËm chÝ nã cßn ®­îc ®¸nh gi¸ quý h¬n c¸c tµi nguyªn thiªn nhiªn kh¸c, ®Æc biÖt ®èi víi vïng kh« h¹n nh­ Ch©u Phi, Trung §«ng. ChÝnh v× vËy Liªn hîp quèc ®· lÊy ngµy 22 th¸ng 3 hµng n¨m lµm ngµy Tµi nguyªn n­íc thÕ giíi. DÇu khÝ, vµng lµ tµi nguyªn thiªn nhiªn quý gi¸ ®­îc mäi ng­êi thõa nhËn nh­ng kh«ng cã ngµy vµng thÕ giíi, dÇu khÝ thÕ giíi. ChÝnh v× vËy viÖc nghiªn cøu c¸c quy luËt c¬ b¶n cña tµi nguyªn n­íc, ®¸nh gi¸ tµi nguyªn n­íc vµ ®Ò ra ph­¬ng thøc sö dông bÒn v÷ng tµi nguyªn n­íc lµ mét vÊn ®Ò hÕt søc quan träng. QuyÓn Nguyªn lý thñy v¨n cña R.C. Ward vµ M. Robinson ë quèc gia §an M¹ch do nhµ xuÊt b¶n MC Graw-Hill Publishing Company xuÊt b¶n n¨m 2000 sÏ cung cÊp c¸c kiÕn thøc rÊt hiÖn ®¹i cña ph­¬ng t©y ®Ó nghiªn cøu c¸c quy luËt c¬ b¶n cña tµi nguyªn n­íc. C¸c kiÕn thøc c¬ b¶n vµ míi cña quyÓn Nguyªn lý thñy v¨n ph­¬ng t©y nµy sÏ lµm s¸ng tá xu thÕ míi trong b­íc ®Çu nghiªn cøu thñy v¨n. Chóng ta ®· nhiÒu n¨m d¹y m«n Thñy v¨n ®¹i c­¬ng. C¸c kiÕn thøc cña quyÓn Nguyªn lý thñy v¨n sÏ gióp sÏ gióp chóng ta c¸c ý t­ëng ®æi míi néi dung ®µo t¹o ë tr­êng Khoa häc tù nhiªn còng nh­ ë ViÖt Nam. V× lý do ®ã, chóng t«i – nh÷ng ng­êi dÞch c¶m thÊy hÕt søc cÇn thiÕt dÞch quyÓn s¸ch nµy nh»m phôc vô cho c¸c thÇy c« vµ sinh viªn ngµnh thñy v¨n còng nh­ sinh viªn khoa häc tr¸i ®Êt. QuyÓn s¸ch nµy cã 9 ch­¬ng. Ch­¬ng 1: Giíi thiÖu Ch­¬ng 2: M­a Ch­¬ng 3: Sù gi÷ n­íc trªn l­u vùc khi m­a Ch­¬ng 4: Bèc h¬i Ch­¬ng 5: Dßng ch¶y ngÇm Ch­¬ng 6: N­íc trong ®Êt Ch­¬ng 7: Dßng ch¶y mÆt Ch­¬ng 8: ChÊt l­îng n­íc Ch­¬ng 9: Thñy v¨n l­u vùc vµ thñy v¨n toµn cÇu §Ó hoµn thµnh dÞch 9 ch­¬ng cña Nguyªn lý thñy v¨n nµy ®· cã sù ph©n c«ng dÞch nh­ sau: PGS. TS NguyÔn V¨n TuÇn dÞch c¸c ch­¬ng 1; ch­¬ng 2; ch­¬ng 3; ch­¬ng 4; ch­¬ng 9. NCS NguyÔn §øc H¹nh dÞch c¸c ch­¬ng 5, ch­¬ng 6, ch­¬ng 7 vµ ch­¬ng 8. Do thêi gian h¹n chÕ vµ kiÕn thøc cã chç ®Ó chuyÓn t¶i sang ng«n ng÷ tiÕng ViÖt cßn gÆp khã kh¨n. Do ®ã chóng t«i – nh÷ng ng­êi dÞch mong quý ®äc gi¶ gãp ý kiÕn cho chóng t«i. Xin ch©n thµnh c¶m ¬n. Ng­êi dÞch 9
  5. Lêi nãi ®Çu Tr¸i ®Êt, mét hµnh tinh xanh, n¬i cã ba phÇn t­ bÒ mÆt ®­îc bao phñ bëi n­íc vµ lµ hµnh tinh duy nhÊt trong hÖ mÆt trêi cã n­íc tån t¹i víi sè l­îng lín. Mét sè hµnh tinh kh¸c còng cã chøa n­íc nh­ng chóng ®· kh«ng ®­îc sö dông. Vµo th¸ng 3 n¨m 1998, tÇu th¨m dß kh«ng ng­êi l¸i cña c¬ quan hµng kh«ng vò trô Mü (NASA), Lunar Prospector, ®· ®· thu thËp ®­îc b»ng chøng r»ng cã kho¶ng 300 triÖu tÊn n­íc trªn bÒ mÆt cña MÆt Tr¨ng. MÆc dï chóng tån t¹i ë d¹ng b¨ng nh­ng cã lÏ chóng sÏ cã ý nghÜa ®èi víi c¸c nhµ th¸m hiÓm MÆt Tr¨ng trong t­¬ng lai, l­îng n­íc nµy chØ chiÕm mét phÇn rÊt nhá so víi tæng l­îng n­íc trªn tr¸i ®Êt (khoảng 138x109 triÖu tÊn) vµ nã chØ duy tr× ®­îc dßng ch¶y b×nh qu©n cña s«ng Lune ë t©y b¾c n­íc Anh trong kho¶ng 100 ngµy. Bëi v× tr¸i ®Êt cña chóng ta chñ yÕu lµ n­íc nªn kh«ng cã g× lµ đáng ng¹c nhiªn khi nh÷ng nghiªn cøu vÒ thuû v¨n häc ®­îc ph¸t triÓn c¶ trong thùc nghiÖm vµ lü thuyÕt. Nh÷ng hiÓu biÕt s¬ khai vÒ n­íc ®­îc ph¸t triÓn ®éc lËp bëi nh÷ng ng­êi ®Þa ph­¬ng ®Ó cè g¾ng quan lÝ vµ ®iÒu khiÓn nã. MÆc dï n­íc tån t¹i rÊt phong phó trªn tr¸i ®Êt nh­ng l¹i ph©n bè kh«ng ®Òu theo kh«ng gian vµ thêi gian. Hoµn l­u n­íc mµ cã sù liªn hÖ mËt thiÕt víi c¸c vßng tuÇn hoµn cña khÝ quyÓn vµ ®¹i d­¬ng lµ mét thµnh phÇn quan träng trong cç m¸y n¨ng l­îng tr¸i ®Êt. §éng lùc hiÖn t¹i cho sù ph¸t triÓn cña thuû v¨n häc thùc sù ®Õn tõ sù quan t©m ngµy cµng t¨ng vÒ nh÷ng biÕn ®æi cña thêi tiÕt vµ sù thay ®æi cña khÝ hËu còng nh­ sù liªn ®íi víi hoµn l­u n­íc toµn cÇu. Nguån n­íc rÊt cÇn thiÕt cho cuéc sèng nh­ng nh÷ng sù biÕn ®æi bÊt th­êng cña nã mang ®Õn c¸c ®ît thiªn tai nh­ lµ lò lôt vµ h¹n h¸n. Do ®ã viÖc qu¶n lý vµ chØnh trÞ nguån n­íc ®· trë thµnh mèi quan t©m toµn cÇu, thËm trÝ nã ®­îc xem lµ mét vÊn ®Ò cÊp b¸ch nhÊt hiÖn nay. Trong t­¬ng lai, khi d©n sè thÕ giíi tiÕp tôc t¨ng, nh÷ng ¸p lùc vÒ viÖc cung cÊp vµ sö dông nguån n­íc còng sÏ t¨ng, vµ trong h¬n nöa thÕ kû tíi nh÷ng khu vùc kh«ng ®­îc cung cÊp ®ñ n­íc sÏ ngµy cµng t¨ng trªn thÕ giíi. V× vËy sù nghiªn cøu vÒ thuû v¨n häc trë nªn quan träng h¬n so víi trong qu¸ khø vµ ch¾c ch¾n r»ng trong lÇn t¸i b¶n nµy sù nghiªn cøu vÒ hoat ®éng cña c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n lµ ®· ®­îc cËp nhËt vµ c¶i tiÕn rÊt chi tiÕt h¬n rÊt nhiÒu so víi phiªn b¶n ®Çu tiªn c¸ch ®©y 30 n¨m. C¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n, vµ sù nghiªn cøu ho¹t ®éng cña chóng ®­îc th¶o luËn chÝnh trong cuèn s¸ch nµy. MÆc dï Ên b¶n míi nµy ch­a cã nh÷ng thay ®æi ®¸ng kÓ vÒ mÆt cÊu tróc, víi nhiÒu ch­¬ng dµnh ®Ó tr×nh bµy c¸c thµnh phÇn chÝnh cÊu thµnh nªn chu tr×nh thuû v¨n, c¸c vÊn ®Ò träng t©m ®· ®­îc cËp nhËt ®Çy ®ñ vµ ®­îc biªn tËp l¹i chi tiÕt h¬n. Thªm vµo ®ã, víi c¸c yªu cÇu chung, mét ch­¬ng kÕt luËn cña “L­u vùc cÊp n­íc vµ vïng kÕ tiÕp” ®· ®­îc thªm vµo ®Ó bæ xung cïng c¸c ý t­ëng mµ ®· ®­îc 10
  6. ph¸t triÓn xuyªn suèt cuèn s¸ch. ë cuèi mçi ch­¬ng ®Òu cã c¸c c©u hái vµ bµi tËp cho sinh viªn cã thÓ «n tËp lai. V× trong c¸c Ên b¶n tr­íc ®©y chóng t«i ®· tæng hîp rÊt nhiÒu s¸ch xuÊt b¶n tr­íc ®ã, còng nh­ c¸c b¸o c¸o trong mét sè cuéc héi th¶o tr­íc ®©y, v× vËy cuèn s¸ch nµy rÊt tèt cho nh÷ng ng­êi ®äc muèn t×m hiÓu vÒ tõng chñ ®Ò cô thÓ mét c¸ch chi tiÕt h¬n. Tuy nhiªn, ch¾c ch¾n r»ng sù tæng hîp, chän lùa c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu cña chóng t«i mang tÝnh c¸ nh©n vµ trong mét sè vÊn ®Ò cô thÓ chØ lµ mét phÇn nhá c¸c b¸o c¸o vµ c¸c t¹p chÝ cã liªn quan. Nh­ng ngµy nay chóng ta cã thÓ thu thËp ®­îc mét sè tµi liÖu kh¸c th«ng qua ®Üa CD ho¨c Internet. Khi Ên b¶n ®Çu tiªn ®­îc ph¸t hµnh th× ng­êi ta cho r»ng nhiÒu ng­êi ®äc cã thÓ t×m thªm nguån th«ng tin tõ b¸o ®iÖn tö vµ c¸c t¹p chÝ trùc tuyÕn. Chóng t«i göi lêi c¸m ¬n ch©n thµnh tíi nh÷ng ng­êi b¹n, ®ång nghiÖp trªn thÕ giíi ®· gãp ý cho chóng t«i trong suèt nh÷ng n¨m qua vÒ nh÷ng khiÕm khuyÕt tõ nh÷ng Ên b¶n ®Çu tiªn vµ gãp ý nh÷ng c¸ch thøc ®Ó chóng t«i c¶i tiÕn trong Ên b¶n lÇn thø t­ nµy. Chóng t«i còng xin göi lêi c¶m ¬n tíi tÊt c¶ nh÷ng ng­êi ®É ®äc b¶n th¶o b»ng tay, ®Æc biÖt lµ Ian Calder, Duncan Faulkner, Jonh Gash, Martin Hendriks, Duncan Reed vµ Jonh Roberts, lµ nh÷ng ng­êi ®· cã nh÷ng phª b×nh cô thÓ ®Ó lµm t¨ng chÊt l­îng cña lµn t¸i b¶n nµy. TÊt nhiªn quÊn s¸ch nµy kh«ng thÓ tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt vµ chóng t«i chÞu hoµn toµn tr¸ch nhiÖm. Roy Ward vµ Mark Robinson 11
  7. Ch­¬ng 1 Giíi thiÖu 1.1. Giíi thiÖu chung vÒ n­íc Thuû v¨n häc lµ m«n khoa häc nghiªn cøu vÒ n­íc trªn tr¸i ®Êt, vÒ sù xuÊt hiÖn, ph©n bè vµ hoµn l­u cña nã, c¸c ®Æc tÝnh ho¸ häc còng nh­ vËt lý cña n­íc vµ t­¬ng t¸c cña nã víi m«i tr­êng. QuyÓn s¸ch nµy tËp trung vµo c¸c nguyªn lý thuû v¨n mµ phÇn lín lµ thuû v¨n vËt lý vµ cã lóc ®­îc hiÓu nh­ lµ thuû v¨n m«i tr­êng. Trong quyÓn s¸ch nµy tµi nguyªn n­íc ®­îc xem nh­ c¸c tµi nguyªn ®Êt, tµi nguyªn rõng, tµi nguyªn khÝ hËu vµ nh­ mét phÇn tö cña tù nhiªn ®­îc nghiªn cøu vµ hiÓu mét c¸ch c¬ b¶n nhÊt theo tÝnh chÊt vËt lý vµ thµnh phÇn hãa häc. N­íc, chñ ®Ò chÝnh cña thuû v¨n häc th­êng ph©n bè kh«ng ®Òu vµ kh«ng ®ång nhÊt theo thêi gian vµ kh«ng gian. Nã ®­îc t×m thÊy ë bÊt kú ®©u trong hÖ sinh häc cña tr¸i ®Êt vµ nã ®¶m b¶o cho sù ph¸t triÓn cña thÕ giíi. Tuy nhiªn, n­íc trong tù nhiªn tån t¹i ë d¹ng chÊt láng v« c¬ vµ chØ lµ hîp phÇn ho¸ häc tån t¹i d­íi d¹ng r¾n, láng vµ khÝ. Sù ph©n bè cña nã trªn tr¸i ®Êt lµ hoµn toµn ph©n bè kh«ng ®Òu nhau theo kh«ng gian vµ thêi gian. N­íc ®ãng vai trß c¬ b¶n trong ph©n bè cña c¸c chÊt ho¸ häc th«ng qua vai trß chÝnh cña trong c¸c ph¶n øng ho¸ häc, sù vËn chuyÓn c¸c c¸c chÊt ho¸ häc hoµ tan vµ sù xãi mßn còng nh­ l¾ng ®äng cña bïn c¸t. H¬i n­íc lµ mét khÝ nhµ kÝnh c¬ b¶n cña tÇng khÝ quyÓn bao quanh tr¸i ®Êt, nã chiÕm tØ lÖ nhiÒu h¬n so víi khÝ CO2 vµ ®ãng vai trß quan trong thø hai trong c¸c khÝ nhµ kÝnh (Trenberth, 1992). Kho¶ng 97% (phô thuéc vµo ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n) l­îng n­íc tån t¹i d­íi d¹ng n­íc mÆn ë trong c¸c biÓn vµ ®¹i d­¬ng. ChØ cã kho¶ng 3% tån t¹i d­íi d¹ng n­íc ngät vµ h¬n mét nöa l­îng n­íc ngät nµy l¹i ë d¹ng t¶ng b¨ng hoÆc s«ng b¨ng vµ mét phÇn ®­îc l­u gi÷ d­íi d¹ng n­íc ngÇm. Thùc sù th× chØ cã kho¶ng 0.3% l­îng n­íc ngät nµy di chuyÓn, th­êng xuyªn ph©n bè d­íi d¹ng m­a, bèc h¬i vµ ë c¸c dßng s«ng. C¸c gi¸ trÞ ­íc tÝnh cña tr÷ l­îng vµ l­u l­îng n­íc toµn cÇu ®­îc trinh bµy trong b¶ng 1.1. Nh÷ng ­íc l­îng nµy ph¶i ®­îc xö lý cÈn thËn bëi v× nh÷ng khã kh¨n trong viÖc ®o ®¹c vµ x¸c ®Þnh chÝnh x¸c dung l­îng ë mét tØ lÖ lín. VÝ dô nh­ thÓ tÝch cña n­íc trong c¸c ®¹i ®­¬ng vµ c¸c khèi b¨ng phô thuéc vµo ®¸y biÓn vµ h×nh thÕ cña c¸c khèi b¨ng, gÇn ®©y ®©y míi ®­îc x¸c ®Þnh víi mét ®é chÝnh x¸c hîp lý. L­îng n­íc ngÇm ë d­íi s©u rÊt khã tiÕp cËn vµ ®¸nh gi¸ mét c¸ch chÝnh x¸c, c¸c ®¸nh gi¸ ®­îc kiÓm tra ®Þnh kú th­êng x¸c ®Þnh v­ît qu¸ tr÷ l­îng thùc (nh­ tr­êng hîp c¸c má dÇu). ThÓ tÝch n­íc ngÇm ë vÞ trÝ n«ng h¬n th× dÔ tiÕp cËn vµ dÔ ®¸nh gi¸ h¬n, mÆc dï tû lÖ n­íc kh«ng mÆt sö dông ®­îc vÉn khã x¸c ®Þnh cô thÓ. L­îng h¬i n­íc trong khÝ quyÓn th­êng ®­îc ®o b»ng bãng th¸m kh«ng ®­îc th¶ ra hµng ngµy kho¶ng 1500 vÞ trÝ kh¸c nhau trªn tr¸i ®Êt hoÆc b»ng m¸y ®o quang phæ kÕ ®­îc g¾n trong c¸c vÖ tinh thêi tiÕt. Nh­ng do sù cã mÆt cña c¸c ®¸m m©y nªn m¸y ®o quang phæ kÕ IR rÊt khã thÓ hiÖn ®­îc c¸c líp kh«ng khÝ gÇn bÒ mÆt tr¸i ®Êt nhÊt n¬i tån t¹i nhiÒu h¬i n­íc nhÊt (Boucher, 1997). B¶ng 1.1 Ph©n bè cña n­íc trªn tr¸i ®Êt §Þa ph­¬ng Tæng l­îng n­íc Tû sè % 12
  8. m3 97.13 §¹i d­¬ng 317.000.000 N­íc mÆt 2.24 B¨ng vµ s«ng b¨ng 7.300.000 0.009 Hå n­íc ngät 30.000 0.008 Hå n­íc mÆn, biÓn néi ®Þa 25.000 0.0001 S«ng suèi 300 2.26 Tæng n­íc mÆt 7.355.300 N­íc s¸t mÆt 0.0018 §é Èm ®Êt 6.000 0.31 1.000.000 1 Dßng ch¶y ngÇm  dÆm 2 0.31 1.000.000 1 Dßng ch¶y ngÇm  dÆm 0.6218 2.006.000 2 Tæng dßng ch¶y s¸t mÆt 0.0001 3.100 N­íc trong kh«ng khÝ Tæng 326.000.000 100.00 Do ®ã cã thÓ hiÓu ®­îc r»ng cã mét ph¹m vi réng cña nh÷ng ®¸nh gi¸ vÒ tr÷ l­îng n­íc trªn tr¸i ®Êt, phô thuéc vµo nguån d÷ liÖu sö dông vµ c¸c gi¶ thiÕt. M­êi ®¸nh gi¸ ®­îc ®­a ra bëi Speidel vµ Agnew (1988) ®· thay ®æi ®¸ng kÓ tr÷ l­îng n­íc trong c¸c l­u vùc ®¹i d­¬ng (tõ 1320 x 10 6 km3 ®Õn 1370 x 10 6 km3), l­îng h¬i n­íc trong khÝ quyÓn (kho¶ng 10 500 – 14 000 km3), n­íc ®­îc chøa trong c¸c t¶ng b¨ng vµ s«ng b¨ng lµ (16.5 – 29.2 x 106 km3) vµ l­îng n­íc ngÇm lµ kho¶ng (7 – 330 x 106 km3). Nh÷ng sù biÕn thiªn t­¬ng tù ®­îc tr×nh bµy trong c¸c tµi liÖu gi¸ trÞ kh¸c cña d÷ liÖu thuû v¨n toµn cÇu bëi Shiklomanov (1993, 1997). Trong qu¸ khø c¸c nhµ thuû v¨n häc chØ tËp trung vµo mét l­îng n­íc ngät t­¬ng ®èi nhá ë trong s«ng, ao hå, n­íc ngÇm gÇn bÒ mÆt, n­íc trªn th¶m thùc vËt vµ n­íc trong khÝ quyÓn. Tuy nhiªn ngµy cµng t¨ng sù nhËn thøc vÒ tÇm quan träng cña n­íc ë c¸c ®¹i d­¬ng tíi c¸n c©n n¨ng l­îng vµ n­íc toµn cÇu, vµ nhiÒu biÕn ®éng quy m« lín cña hÖ thèng thuû v¨n trªn diÖn réng cã thÓ lµ kÕt qu¶ tõ sù thay ®æi cña nhiÖt ®é mÆt biÓn, nh­ hiÖn t­îng El-nino, hoÆc c¸c biÕn ®éng cña hoµn l­u nhiÖt- muèi trªn ®¹i d­¬ng ®iÒu nµy cã thÓ x¶y ra do b¨ng tan nhanh ë hai cùc B¾c vµ Nam b¸n cÇu. §iÒu ®¸ng quan t©m lµ l­îng n­íc ngät Ýt ái ph©n bè kh«ng ®Òu theo c¶ kh«ng gian vµ thêi gian. C¸c vïng ®Êt ngËp n­íc vµ th¶o nguyªn, rõng c©y vµ rõng ngËp n­íc, vïng tuyÕt bao phñ vµ vïng sa m¹c cã c¸c c¬ chÕ kh¸c nhau vÒ gi¸ng 13
  9. thuû, sù bèc h¬i vµ dßng ch¶y. Mçi vïng nµy ®ang ®ßi hái sù hiÓu biÕt kh¸c nhau ®èi víi c¸c nhµ thuû v¨n häc, c¸c nhµ quy ho¹ch vµ c¸c kü s­. Mçi vïng tµi nguyªn n­íc ®em tíi c¸c lîi Ých kh¸c nhau vµ nã quyÕt ®Þnh cuéc sèng còng nh­ nghÒ nghiÖp gi÷a thÕ giíi ph¸t triÓn vµ ®ang ph¸t triÓn. 1.2. b¶n chÊt thay ®æi cña thuû v¨n MÆc dï thuû v¨n liªn quan tíi nghiªn cøu vÒ n­íc, ®Æc biÖt lµ khÝ quyÓn vµ n­íc ngät trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt, tÇm quan träng cña thñy v¨n thay ®æi liªn tôc trong c¸c giai ®o¹n vµ cã c¸c quan ®iÓm kh¸c nhau cña nhµ nghiªn cøu nµy víi nhµ nghiªn cøu kh¸c. Mét sè nhµ thñy v¨n ®· ph©n biÖt ®­îc nh÷ng thay ®æi ®¸ng kÓ trong qu¸ khø tõ kû nguyªn (eras) cña thuû v¨n cho ®Õn qu¸ tr×nh ph¸t triÓn sau nµy. VÝ dô tõ thñy v¨n ®¹i c­¬ng , th«ng qua c«ng tr×nh ®Õn thñy v¨n nguån n­íc (trÝch trong Jiaqi, 1987; Kudzewics). Mét sè kh¸c chØ ra nguån gèc cña thuû v¨n tõ nh÷ng vÞ trÝ ®Æc biÖt nh­ Hy L¹p, Ai CËp, Scandilav¬ hoÆc Nam Mü. LÊy Ai cËp lµm mét vÝ dô khi s«ng Nile bÞ ngËp lôt ®· t¹o nªn mét l­u vùc tèt, trï phó, cho sù ph¸t triÓn n«ng nghiÖp trong h¬n 5000 n¨m qua. Nh÷ng di tÝch cßn l¹i lµ mét con ®Ëp cæ ®­îc x©y dùng tõ n¨m 2950 ®Õn n¨m 2750 tr­íc c«ng nguyªn, cã thÓ t×m thÊy ngay c¹nh thñ ®« Cairo. H¬n thÕ n÷a, c¸c hÖ thèng ®ång.... cã niªn ®¹i tõ tr­íc khi ph¸t hiÖn ra thÕ giíi míi, ®­îc t×m thÊy ë ®«ng b»ng Columbia, viÖc x©y dùng ®ßi hái ph¶i nç lùc thùc hiÖn ë quy m« lín vµ mét tæ chøc x· héi cao ®Ó khèng chÕ lò theo mïa (Parsons and Bowen, 1966). Trong thùc tÕ nguån n­íc lµ rÊt cÇn thiÕt cho ®êi sèng hµng ngµy, ph©n bè vµ sù phong phó cña nguån n­íc liªn quan tíi sù ph¸t triÓn x· héi con ng­êi cã nghÜa lµ víi sù ph¸t triÓn cña nguån n­íc ®· thóc ®Èy sù hiÓu biÕt thùc tÕ vÒ nguån gèc vµ sù h×nh thµnh cña chóng. Tõ nh÷ng kh¸m ph¸ cña c¸c nhµ kh¶o cæ vµ nh÷ng chøng cí gÇn ®©y nhÊn m¹nh tíi tÇm quan träng theo vÞ trÝ cña nguån cung cÊp n­íc trong ®êi sèng ng­êi cæ ®¹i, ®Æc biÖt lµ ng­êi Ai cËp cæ ®¹i vµ ng­êi La M·. Tõ thêi trung cæ cho ®Õn tËn b©y giê qu¸ tr×nh nghiªn cøu ®Ó gi¶i thÝch sù h×nh thµnh s«ng ngßi, dßng suèi, c¸c dßng th¸c vµ sù xuÊt hiÖn vµ di chuyÓn cña n­íc ngÇm vÉn lu«n ®­îc tiÕp tôc. Tuy nhiªn tiªn ®Ò lý thuyÕt chñ yÕu dùa trªn sù suy ®o¸n hoÆc thÇn tho¹i, hoÆc chiÕn tranh t«n gi¸o, rÊt Ýt dùa trªn viÖc ®o ®¹c cô thÓ cña c¸c yÕu tè thuû v¨n cã liªn quan. Nh­ng trong ®ã cã mét vµi ý t­ëng ®­îc ®­a ra bëi mét sè c«ng tr×nh nghiªn cøu thêi x­a mµ cho ®Õn nay nã rÊt gÇn víi thøc tÕ mµ chóng ta biÕt. Nh­ bµi cña Vedico ë Ên §é, n¨m 800 tr­íc c«ng nguyªn, ®­a ra nh»m gi¶i thÝch râ vÒ thµnh phÇn khÝ quyÓn trong chu tr×nh thuû v¨n nh­ sau mÆt trêi ®· biÕn n­íc thµnh c¸c h¹t ph©n tö nhá (sù bèc h¬i) sau ®ã bÞ giã di chuyÓn vµ cuèi cïng trë l¹i ®Êt mÑ qua c¬n m­a. (NIH, 1990). Aristotle (384-322 tr­íc c«ng nguyªn) gi¶i thÝch c¬ chÕ cña gi¸ng thuû; cïng Vitruvius, 3 thÕ kØ sau ®ã ph¸t hiÖn ra c¸c con suèi ®­îc t¹o ra tõ m­a vµ tuyÕt, theo nh­ Karaij, mét häc gi¶ ng­êi Ba T­ cuèi thÕ kØ 10, ng­êi ®· tr×nh bµy chi tiÕt c¸c quy luËt c¬ b¶n cña thuû v¨n (Pazwash and Mavrigian, 1981). Mét truyÒn thuyÕt cæ cña Na Uy ®­îc ghi l¹i trong c¸c bµi th¬ Edda tõ thÕ kØ 9 ®Õn thÕ kØ 12 chøa ®ùng c¸c nhËn thøc vÒ thÕ giíi tù nhiªn bao gåm viÖc m« t¶ chu tr×nh thuû v¨n. Nghiªn cøu nµy ®· chØ ra ®­îc vai trß quan träng cña sù bèc h¬i tõ n­íc biÓn, sù ng­ng tô, sau ®ã h×nh thµnh m©y vµ trót m­a xuèng mÆt ®Êt, mèi liªn kÕt m­a vµ sù ph¸t triÓn cña thùc vËt vµ ®éng vËt trªn tr¸i ®Êt (Bergstrom, 1989). Palissy (1510-1590) nhÊn m¹nh r»ng nh÷ng c¬n m­a lµ nguån cung cÊp duy nhÊt cña con suèi vµ c¸c dßng s«ng 14
  10. (Biswas, 1970), mÆc dï Da Vinci (1452-1519), trong mét sù so s¸nh, ®· cã nh÷ng nhÇm lÉn vÒ chu tr×nh thuû v¨n, nh­ng «ng ®· cã nh÷ng hiÓu biÕt tèt h¬n vÒ nguyªn lý cña dßng ch¶y trong kªnh hë so víi nh÷ng ng­êi tiÒn nhiÖm vµ ®­¬ng thêi víi «ng. Tuy nhiªn cho tíi tËn cuèi thÕ kØ thø 17 nh÷ng b»ng chøng thùc nghiÖm chÝnh x¸c míi ®­îc dïng ®Ó cñng cè nh÷ng häc thuyÕt vÒ chu tr×nh thuû v¨n. Nh÷ng sù thóc ®Èy lín nhÊt ®­îc h×nh thµnh qua thÝ nghiÖm cña 3 «ng : Pierre, Perrault, vµ Edme' Mariotte, c¸c nhµ khoa häc nµy ®· lµm nghiªn cøu t¹i l­u vùc s«ng Sen phÝa B¾c n­íc Ph¸p ®· chøng minh ®­îc r»ng m­a lµ nguån cung cÊp n­íc chÝnh cho dßng ch¶y s«ng, ®iÒu nµy mét phÇn t­¬ng ph¶n víi nh÷ng gi¶ thuyÕt ban ®Çu vÒ dßng ch¶y s«ng. Edmund Halley mét nhµ khoa häc ng­êi Anh, ®· chØ ra r»ng tæng l­u l­îng dßng ch¶y cña c¸c con suèi vµ c¸c con s«ng cã thÓ lín h¬n l­îng h¬i bèc lªn tõ biÓn, Bëi v× c¸c nhµ khoa häc nµy tiÕn hµnh thÝ nghiÖm nghiªn cøu vÓ thuû v¨n b»ng c¸c ph­¬ng ph¸p khoa häc hiÖn ®¹i, hä ®­îc nhiÒu ng­êi coi lµ nh÷ng s¸ng lËp m«n thñy v¨n. Trong bèi c¶nh ngµy, khoa häc vÒ thuû v¨n vÉn cßn non trÎ. Thùc tÕ nã chØ míi ®­îc tiÕn hµnh 4 n¨m tr­íc khi quyÓn “Nguyªn lý thuû v¨n” nµy ®­îc xuÊt b¶n trong buæi gÆp mÆt cña nhãm nghiªn cøu thuû v¨n, mµ sau ®ã trë thµnh Héi thuû v¨n Anh Quèc, ®­îc tæ chøc t¹i Lu©n §«n vµo 10/10/1963. §©y lµ buæi häp quan träng vµ ®· chØ ra tÝnh thiÕt yÕu cña thuû v¨n Anh Quèc nh­ lµ mét ngµnh khoa häc, thay v× mét ngµnh kü thuËt vµ nã cã h­íng ph¸t triÓn m¹nh h¬n vµo nh÷ng n¨m tiÕp theo khi ViÖn thuû v¨n ra ®êi. Xuyªn suèt qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña ngµnh thuû v¨n cã mèi quan hÖ mËt thiÕt víi sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ hiÖn ®¹i trong nh÷ng ngµnh khoa häc kh¸c. §Ó më réng h¬n n÷a nã vÉn cÇn cã sù ®a ngµnh tiÕp cËn víi thùc tÕ nh»m ph¸t triÓn c¸c dù b¸o cho t­¬ng lai. VÝ dô nh­ trong n¨m 1995, ViÖn Thuû v¨n Anh Quèc cïng víi c¸c viÖn kh¸c ®· nghiªn cøu vÒ vÊn ®Ò n­íc ngät, sinh th¸i mÆt ®Êt vµ vi sinh häc d­íi sù b¶o trî cña trung t©m Sinh Th¸i vµ Thuû V¨n (CEH). Nh÷ng n¨m tiÕp theo c¸c nhµ qu¶n lý s«ng quèc gia (NRA) ®· phèi hîp víi chÝnh phñ, c¸c tæ chøc th­êng niªn thµnh lËp nªn C«ng ty M«i tr­êng (EA-Environment Agency) nh»m cung cÊp c¸c kiÕn thøc vÒ luËt m«i tr­êng toµn diÖn cã kh¶ n¨ng kh¾c phôc nh÷ng vÊn ®Ò phøc t¹p trong viÖc b¶o vÖ m«i tr­êng. Cã nh÷ng ®iÒu luËt liªn quan kh¸c nh­ luËt vÒ tµi nguyªn n­íc, luËt ®Êt ®ai,... nh»m gióp cho viÖc ®iÒu hµnh khoa häc thuû v¨n tèt h¬n vµ ch¾c ch¾n r»ng c¸c ho¹t ®éng cña c¸c nhµ thñy v¨n trong thiªn niªn kØ tíi sÏ tèt h¬n. Mét trong nh÷ng th¸ch thøc lµ viÖc m« h×nh ho¸ hoµn l­u khÝ quyÓn vµ thñy quyÓn toµn cÇu nh»m dù b¸o tèt h¬n vÒ thuû v¨n vµ c¸c hÖ qu¶ kh¸c cña qu¸ tr×nh biÕn thiªn thêi tiÕt hoÆc thay ®æi cña khÝ hËu. VÊn ®Ò n÷a lµ lµm sao ®¸p øng ®­îc nhu cÇu n­íc s¹ch ngµy cµng t¨ng cña kinh tÕ x· héi. L­îng n­íc sÏ t¨ng kho¶ng gÊp 4 lÇn tõ nh÷ng n¨m 1940 cho ®Õn n¨m 1990 (Gleick, 1998) mÆc dï nguån n­íc ngät trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt lµ cã giíi h¹n vµ t­¬ng ®èi æn ®Þnh. L­îng n­íc ngät dù tr÷ cña toµn cÇu vµ l­îng n­íc sö dông cña con ng­êi sÏ gi¶m m¹nh trong t­¬ng lai. Kho¶ng 10% d©n sè chÞu anh h­ëng vÒ c¶nh thiÕu n­íc (WMO, 1996) vµ ®iÒu nµy d­êng nh­ cßn t¨ng ®Õn con sè 1/3 vµo n¨m 2025 (WMO/ UNESCO, 1997). CÇn cã mét nh©n thøc râ rµng h¬n n÷a vÒ tù nhiªn, kinh tÕ, x· héi vµ chÝnh trÞ trong viÖc ph¸t triÓn c¸c c«ng tr×nh thuû lîi lín, sù t­íi tiªu vµ c¸c c«ng tr×nh chèng lò lôt. C¸c c«ng tr×nh nµy sÏ gióp cho viÖc gi¶m ¶nh h­ëng cña th¶m ho¹ lò còng nh­ h¹n h¸n. Héi nghÞ th­îng ®Ønh vÒ Tr¸i ®Êt thuéc Liªn HiÖp Quèc n¨m 1992 ®· nhÊn 15
  11. m¹nh sù cÇn thiÕt cña “ph¸t triÓn bÒn v÷ng”. NÕu nh­ chØ quan t©m ®Õn sù ph¸t triÓn trong hiÖn t¹i mµ kh«ng ®Ò cËp ®Õn kh¶ n¨ng ph¸t triÓn cña c¸c thÕ hÖ sau trong t­¬ng lai th× ®©y ®­îc coi lµ ph¸t triÓn kh«ng bÒn vøng. HiÖn nay sù nhËn thøc r»ng n­íc cÇn sö dông mét c¸ch cã hiÖu qu¶ ®ang t¨ng lªn trong x· héi. Mét c¸ch lµm lµ g¾n n­íc nh­ lµ nguån tµi nguyªn thiªn nhiªn vµ mét lo¹i hµng ho¸ kinh tÕ víi gi¸ c¶ hîp lý, xö lý n­íc råi vËn chuyÓn ®Õn nh÷ng n¬i cã nhu cÇu. Do ®ã c¸c luËt vÒ n­íc cã thÓ ®­îc th­¬ng m¹i ho¸ nh»m gióp n©ng cao gi¸ trÞ sö dông cña n­íc. T­¬ng tù, ®iÒu nµy kh¸ logic víi mét nÒn kinh tÕ lµnh m¹nh, nh­ng l¹i thiÕu n­íc, c¸c n­íc nµy l¹i thÝch trao ®æi bét m× vµ c¸c lo¹i thùc phÈm kh¸c h¬n lµ nhËp khÈu mét sè l­îng lín n­íc trong c¸c dù ¸n c«ng tr×nh d©n dông. 1.3. Chu tr×nh vµ hÖ thèng thuû v¨n Sù phô thuéc lÉn nhau vµ chuyÓn ®éng liªn tôc cña tÊt c¶ c¸c pha n­íc, nh­ chÊt láng, chÊt r¾n, vµ thÓ khÝ t¹o nªn nÒn t¶ng c¬ b¶n cña chu tr×nh thuû v¨n (H×nh 1.1), ®©y lµ kh¸i niÖm chÝnh ®· cã tõ rÊt l©u råi. N­íc lµ chÊt láng kh«ng thÓ ph¸ huû ®­îc v× thÕ mµ tæng khèi l­îng n­íc trong mét chu tr×nh thuû v¨n sÏ kh«ng mÊt ®i mµ nã chØ chuyÓn sang d¹ng h¬i, láng, r¾n vµ ng­îc l¹i mµ th«i, hay nã còng kh«ng thÓ t¨ng lªn ngo¹i trõ mét sè tr­êng hîp bÞ mÊt ®i do tæn thÊt tù nhiªn do ngÊm xuèng nguån n­íc ngÇm hay kh¶ n¨ng cã thªm tõ ho¹t ®éng cña sao chæi. Thay vµo qu¸ tr×nh diÔn biÕn cña dßng ch¶y, n­íc ngÇm ch¶y vµ bèc h¬i b¶o ®¶m sù trung chuyÓn nguån n­êc kh«ng bao giê ngõng gi÷a ®Êt, ®¹i d­¬ng, khÝ quyÓn, sau ®ã n­íc sÏ quay trë l¹i ®Êt liÒn d­íi d¹ng gi¸ng thuû trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt. H¬i n­íc trong khÝ quyÓn ng­ng tô vµ cã thÓ lµm t¨ng l­îng gi¸ng thuû. Kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c thµnh phÇn cña gi¸ng thuû ®Òu r¬i xuèng bÒ mÆt ®Êt bëi v× sÏ cã mét l­îng n­íc ®­îc gi÷ bëi th¶m thùc vËt hoÆc c¸c c«ng tr×nh x©y dùng mµ tõ ®ã nã sÏ bèc h¬i trë l¹i khÝ quyÓn. Gi¸ng thuû ®¹t tíi bÒ mÆt ®Êt cã thÓ: §­îc chøa ë d¹ng vòng n­íc ao tï, vòng n­íc nhá trªn bÒ mÆt vµ nhanh chãng bèc h¬i trë l¹i kh«ng khÝ ë d­íi d¹ng tuyÕt hay b¨ng tr­íc khi tan ch¶y hay th¨ng hoa sau qu¸ tr×nh gi¶m nhiÖt ®é trong nhiÒu n¨m hay cã thÓ ®Õn vµi thÕ kØ. Ch¶y thµnh suèi hay tÝch l¹i ë c¸c hå tõ ®ã nã cã thÓ bèc h¬i trùc tiÕp vµo kh«ng khÝ, ngÊm xuèng m¹ch n­íc ngÇm hoÆc chÈy ra c¸c ®¹i d­¬ng. ThÊm qua bÒ mÆt ®Êt tíi mùc n­íc ngÇm ®ang tån t¹i, nã cã thÓ di chuyÓn bëi sù bèc h¬i mÆt ®Êt vµ rÔ c©y qua l¸, hoÆc ch¶y vÒ h­íng c¸c dßng s«ng, hoÆc ngÊm xuèng tÇng n­íc ngÇm phÝa d­íi ë ®ã n­íc cã thÓ ®­îc gi÷ trong thêi gian tõ vµi tuÇn cho ®Õn hµng ngh×n n¨m. C¸c thµnh phÇn cña n­íc ngÇm cuèi cïng ®­îc di chuyÓn bëi lùc mao dÉn lªn phÝa trªn bÒ mÆt ®Êt hoÆc tíi vïng cã rÔ cña th¶m thùc vËt bao phñ, sau ®ã n­íc sÏ quay trë l¹i bëi sù bèc h¬i vµo khÝ quyÓn hoÆc bëi qu¸ tr×nh thÊm cña n­íc ngÇm råi ch¶y tíi c¸c con s«ng vµ cuèi cïng ch¶y ra biÓn. 16
  12. H×nh 1.1 S¬ ®å vÒ chu tr×nh thñy v¨n Sù chuyÓn ®éng liªn tôc cña n­íc, ®· bao hµm mét sù ®¬n gi¶n ho¸ vÒ chu tr×nh thuû v¨n, rÊt hiÕm khi ®¹t ®­îc. VÝ dô nh­ gi¸ng thuû ®ang r¬i vµ võa míi r¬i cã thÓ quay trë l¹i khÝ quyÓn b»ng qu¸ tr×nh bèc h¬i mµ ch­a tíi ®­îc c¸c dßng s«ng, mÆt ®Êt vµ sù chuyÓn ®éng cña n­íc ngÇm. HoÆc gi¸ng thuû r¬i trùc tiÕp trªn ®¹i d­¬ng råi ®­îc bèc h¬i mµ hoµn toµn kh«ng tíi ®­îc ®Êt liÒn, hoÆc nã r¬i xuèng bÒ mÆt tr¸i ®Êt vµ thÊm qua dßng ch¶y n­íc ngÇm chÝnh sau ®ã di chuyÓn chËm tíi nh÷ng con suèi mµ thêi gian cã thÓ lªn tíi hµng thÕ kØ hay thiªn niªn kØ. ë nh÷ng sa m¹c nãng th× l­îng m­a r¬i rÊt th­a thít vµ ®©y lµ tr­êng hîp kh¸c kh¸ ®Æc biÖt trong chu tr×nh thuû v¨n nh­ qu¸ tr×nh bèc h¬i vµ sù h×nh thµnh c¸c con suèi trong thêi gian rÊt ng¾n, th­êng lµ trong vµ sau c¬n m­a. Cho nªn sù xuÊt hiÖn ®ét ngét cña ho¹t ®éng thuû v¨n trong mét tuÇn hoÆc t­¬ng tù cã thÓ ph©n theo thêi gian dµi cña c¸c ho¹t ®éng thùc tÕ t¸ch khái qu¸ tr×nh ph©n bè l¹i n­íc ngÇm ë mét ®é s©u nµo ®ã d­íi bÒ mÆt tr¸i ®Êt. Trong vïng khÝ hËu l¹nh thêi gian trÔ pha gi÷a tuyÕt r¬i vµ ho¹t ®éng bao gåm kÕt tinh h¬i n­íc, sau ®ã tan b¨ng, chu tr×nh nµy lu«n kÕ tiÕp nhau vµ thêi gian gi÷a hai pha cã thÓ theo vµi th¸ng (khèi tuyÕt theo mïa), ®Õn vµi thÕ kû (thung lòng b¨ng hµ) tíi thiªn niªn kØ (nói b¨ng ë Nam cùc). §­¬ng nhiªn chu tr×nh nµy còng chÞu sù gi¸n ®o¹n bëi c¸c ho¹t ®éng cña con ng­êi. Chu tr×nh thuû v¨n nµy cung cÊp mét kh¸i niÖm më ®Çu h÷u Ých cho phÐp diÔn t¶ mèi quan hÖ gi÷a gi¸ng thuû vµ dßng ch¶y mét c¸ch tæng qu¸t. Tuy nhiªn nã cã rÊt gi¸ trÞ thùc tiÔn nhá ®Ó nhµ thuû v¨n häc cã thÓ gi¶i thÝch, ®Þnh l­îng, ph©n bè vµ chuyÓn ®éng cña n­íc trong mét khu vùc cô thÓ, hay thËm chÝ mét khu vùc thÝ nghiÖm kho¶ng vµi mÐt vu«ng hoÆc mét lôc ®Þa réng lín, nh­ng ®èi víi phÇn lín c¸c môc tiªu cña thuû v¨n lµ sÏ bao gåm l­u vùc s«ng hay mét nhãm c¸c l­u vùc. Gi¶ thiÕt r»ng trong c¸c ®iÒu kiÖn tù nhiªn th× rÊt nhiÒu con s«ng hay suèi chñ yÕu nhËn n­íc tõ ®Þa h×nh l­u vùc cña chÝnh nã hoÆc diÖn tÝch l­u vùc vµ tho¶ m·n ph­¬ng tr×nh liªn tôc, trong c«ng thøc tÝnh to¸n thuû v¨n hay tháa m·n ph­¬ng tr×nh c©n 17
  13. b»ng n­íc. V× thÕ: Dßng ch¶y vµo = Dßng ch¶y ra ± L­îng n­íc chøa NÕu ph­¬ng tr×nh nµy gi¶i ®­îc th× sÏ cã thÓ tÝnh ®­îc l­îng n­íc di chuyÓn qua l­u vùc. Theo mét c¸ch kh¸c mçi l­u vùc cã thÓ coi nh­ mét hÖ thèng ®éc lËp (H×nh 1.2) tiÕp nhËn mét l­îng lµ gi¸ng thuû ®Çu vµo vµ nã ®­îc di chuyÓn th«ng qua dßng ch¶y, søc chøa cña l­u vùc vµ mét l­îng ®i ra khái l­u vùc d­íi d¹ng bèc h¬i vµ theo c¸c dßng suèi. Trong nhiÒu tr­êng hîp sù thÈm thÊu cña n­íc ë c¸c tÇng phÝa d­íi cã thÓ hoÆc thªm ®Çu vµo hoÆc thªm ®Çu ra cña mét l­u vùc (nh­ h×nh 1.2). Râ rµng mçi trong n¨m lo¹i h×nh thøc chøa n­íc cã ®Æc tÝnh cña mét hÖ thèng, do ®ã cã thÓ xem mçi lo¹i nh­ mét hÖ thèng nhá cña hÖ thèng thñy v¨n liªn tôc. Mçi thµnh phÇn cña mét hÖ thèng l­u vùc gÇn nh­ cã thÓ ®­îc m« pháng l¹i b»ng c¸c ho¹t ®éng cña con ng­êi (H×nh 1.3). Nh÷ng thay ®æi quan trong nhÊt b¾t nguån tõ: - Thay ®æi quy m« lín cña dßng ch¶y trong kªnh vµ søc chøa n­íc trªn diÖn réng, vÝ dô nh­ sù thay ®æi bÒ mÆt nh­ trång rõng, ph¸ rõng, sù ®« thÞ ho¸. §iÒu nµy ¶nh h­ëng ®Õn dßng ch¶y mÆt còng nh­ tíi thêi gian ch¶y truyÒn vµ ®é lín cña lò. - Sù ph¸t triÓn nhanh cña hÖ thèng t­íi tiªu n­íc - CÇn mét khèi l­îng lín n­íc ngÇm vµ n­íc bÒ mÆt hµng ngµy cho sinh ho¹t vµ n­íc cho c¸c ngµnh c«ng nghiÖp. C¸c thay ®æi quan träng kh¸c bao gåm trao ®æi nh©n t¹o víi n­íc ngÇm vµ nh÷ng trao ®æi gi÷a n­íc mÆt vµ n­íc ngÇm bªn trong l­u vùc. Trong t­¬ng lai th× c¸c thay ®æi kh¸c nh­ m­a nh©n t¹o hoÆc qu¸ tr×nh bèc h¬i còng nh­ hót n­íc cña c©y cã thÓ trë nªn quan träng h¬n. 1.4. b¶n chÊt cña c¸c qu¸ tr×nh thñy v¨n MÆc dï l­u vùc ®­îc dïng nh­ mét vÝ dô cña ®¬n vÞ thuû v¨n cô thÓ trong môc tr­íc, c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n ®­îc nghiªn cøu trªn mét ph¹m vi rÊt réng theo c¶ kh«ng gian vµ thêi gian. Trong ®iÒu kiÖn cùc trÞ, c¸c nghiªn cøu ë tØ lÖ nhá ®­îc thùc hiÖn cho c¸c nghiªn cøu vÒ chuyÓn ®éng cña n­íc qua c¸c khe hë trong ®Êt hoÆc c¸c ®Æc tr­ng bèc h¬i cña mét c©y ph¸t triÓn trong ®iÒu kiÖn m«i tr­êng x¸c ®Þnh (xem h×nh 1.2). 18
  14. H×nh 1.2 HÖ thèng thñy v¨n l­u vùc s«ng (theo s¬ ®å cña Gi¸o s­ J. Lewin) Trong c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c, nh­ mét sè vÊn ®Ò vÒ sù thay ®æi cña m«i tr­êng liªn quan ®Õn tû lÖ lín rõng bÞ tµn ph¸ hoÆc sù thay ®æi khÝ hËu sÏ chØ ®­îc gi¶i quyÕt bëi hiÓu biÕt tèt h¬n vÒ hÖ thèng thuû v¨n ë quy m« lín, vÝ dô quy m« toµn cÇu hay khu vùc tèt lín h¬n lµ theo quy m« võa cña l­u vùc (xem thªm trong B¶ng 9.1). Nh­ng c¸c nghiªn cøu trªn quy m« lín l¹i yªu cÇu mét sù hîp t¸c liªn ngµnh quèc tÕ vµ phô thuéc nhiÒu vµo hÖ thèng d÷ liÖu, mµ c¸c d÷ liÖu nµy thu ®­îc tõ c¸c ¶nh m©y vÖ tinh vµ phô thuéc vµo hÖ thèng th«ng tin toµn cÇu (GIS) còng nh­ c¬ së d÷ liÖu ®· ®­îc xö lý. Hai tæ chøc chÝnh chÞu tr¸ch nhiÖm cho c¸c nghiªn cøu thuû v¨n toµn cÇu lµ Héi liªn hiÖp quèc tÕ vÒ c¸c khoa häc thuû v¨n (IAHS), ®©y lµ mét phÇn cña tæ chøc cña Tæ chøc quèc tÕ vÒ tr¾c ®Þa vµ ®Þa vËt lý (IUGG) vµ Tæ chøc khÝ t­îng thÕ giíi (WMO). Tæ chøc nµy lµ mét uû ban cña liªn hîp quèc (UN). Ch­¬ng tr×nh hîp t¸c quèc tÕ ®Çu tiªn vÒ kh¶o s¸t thuû v¨n cña IAHS vµ ®­îc gäi lµ thËp kû cña thuû v¨n thÕ giíi (1965-1974). §©y lµ vÝ dô ®iÓn h×nh vÒ sù hîp t¸c quèc tÕ mµ ®¸nh gi¸ chÝnh vÒ nh÷ng sù ph¸t triÓn trong thuû v¨n vµ ®¸nh gi¸ tµi nguyªn nguån n­íc mÆt còng nh­ tr÷ l­îng nguån n­íc ngÇm. TiÕp theo ®ã lµ ch­¬ng tr×nh thuû v¨n quèc tÕ trong dµi h¹n cña liªn hîp quèc (IHP), ch­¬ng tr×nh nµy cã môc ®Ých ®­a ra gi¶i ph¸p cho nh÷ng vÊn ®Ò cô thÓ cña tõng n­íc ë c¸c vÞ trÝ ®Þa lý kh¸c nhau vµ cã 19
  15. c¸c ®iÒu kiÖn kinh tÕ vµ kü thuËt kh¸c nhau. Hai tæ chøc IAHS vµ WMO cïng víi c¸c tæ chøc kh¸c ®ang tiÕn hµnh mét sè ch­¬ng tr×nh hîp t¸c quèc tÕ chÝnh. VÝ dô, WMO ®ãng mét vai trß quan träng trong viÖc tæ chøc thu thËp d÷ liÖu thuû v¨n toµn cÇu vµ x©y dùng c¸c m« h×nh thuû v¨n. Nã còng céng t¸c víi c¸c tæ chøc kh¸c nh­ Ch­¬ng tr×nh nghiªn cøu khÝ hËu thÕ giíi (WCRP) vµ Tæ chøc ®o ®¹c hoµn l­u n­íc vµ n¨ng l­îng toµn cÇu nh»m c¶i thiÖn thªm tÇm hiÓu biÕt vÒ c¸c qu¸ tr×nh gi¸ng thuû vµ bèc h¬i ë ph¹m vi toµn cÇu (xem h×nh 1.3). H×nh 1.3 Nh÷ng vïng chÝnh cña trong hÖ thèng thñy v¨n (theo s¬ ®å cña gi¸o s­ J. Lewin) Trong tÊt c¶ c¸c nghiªn cøu quy m« lín ®· c«ng nhËn r»ng c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n h×nh thµnh mét phÇn hÖ thèng khÝ quyÓn t­¬ng t¸c bÒ mÆt tr¸i ®Êt. Thuû quyÓn, khÝ quyÓn, sinh quyÓn lµ nh÷ng thµnh phÇn phô thuéc lÉn nhau cña hÖ thèng toµn cÇu, v× nh÷ng lîi thÕ nhÊt ®Þnh trong t­¬ng lai vÒ thuû v¨n häc sÏ liªn quan chÆt chÏ víi c¸c hiÓu biÕt cña chóng ta vÒ khÝ quyÓn vµ sinh quyÓn. Trong qu¸ khø th× thuû 20
  16. v¨n häc qu¸ thiªn vÒ kinh nghiªm vµ thËm chÝ mang tÝnh chÊt ®Þa ph­¬ng. Ngµy nay ng­êi ta tËp trung vµo viÖc nghiªn cøu, gi¶i quyÕt c¸c vÊn ®Ò phøc t¹p, ®Çu t­ cho nghiªn cøu vÒ mÆt khoa häc hay ph¸t triÓn vÒ mÆt lý thuyÕt. Trong t­¬ng lai sÏ cã mét sù tËp trung h¬n n÷a vµo viÖc xö lý c¸c vÊn ®Ò toµn cÇu, c¸c nhµ thuû v¨n häc còng ph¶i ®­îc chuÈn bÞ ®Ó lµm viÖc hiÖu qu¶ h¬n víi mét ph¹m vi kh«ng gian réng lín trªn c¶ bÒ mÆt tr¸i ®Êt vµ tÇng khÝ quyÓn, tÝnh ®a d¹ng tån t¹i ë toµn bé ph¹m vi tõ nhá ®Õn lín. Kh«ng nh÷ng ®Êt, ®Þa chÊt vµ sù sö dông ®Êt thay ®æi theo kh«ng gian lµm cho c¸c hîp phÇn cña c©n b»ng n­íc còng thay ®æi. §Æc biÖt lµ quan hÖ gi÷a gi¸ng thuû vµ bèc h¬i n­íc tiÒm n¨ng, ®iÒu nµy thay ®æi rÊt lín theo kh«ng gian vµ thêi gian, biÕn ®éng theo mïa vµ trong mét thêi gian dµi. Theo ®ã c¸c nhµ thuû v¨n ph¶i tÝnh ®Õn thêi gian dµi h¬n vµ ë tØ lÖ kh«ng gian lín h¬n ®Ó ®èi mÆt víi c¸c thö th¸ch ®· ®­îc ®Ò cËp phÝa trªn, vÝ dô nh­ ¶nh h­ëng cña biÕn ®éng khÝ hËu vµ sù thay ®æi thêi tiÕt tíi c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n vµ tÝnh cã s½n cña nguån n­íc. Ph¹m vi réng lín cña kh«ng gian vµ tÝnh ®a d¹ng theo kh«ng gian t¹i ®ã c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n t¹o ra c¸c vÊn ®Ò phøc t¹p cho c¸c nhµ ®Þa lý thuû v¨n. §Æc biÖt lµ theo nghÜa nã gÇn nh­ kh«ng thÓ ®Ó tranh luËn nãi riªng còng nh­ viÖc sö dông kh¸i niÖm häc thuyÕt vÒ nguyªn nh©n nãi chung. Tranh luËn tõ quan tr¾c cña Max Born r»ng “Tù nhiªn ®­îc t¹o nªn bëi luËt nguyªn nh©n vµ luËt ngÉu nhiªn trong mét sù pha trén nhÊt ®Þnh”, Matalas ®· chØ ra r»ng “ … biÕt ®iÒu kiÖn ban ®Çu th× kh«ng ®ång nghÜa víi viÖc biÕt s¶n phÈm ®Çu ra cña thÝ nghiÖm lµ gi. Do ®ã, b»ng trùc gi¸c, x¸c suÊt lµ gi¸ trÞ thùc nghiÖm thuéc b¶n chÊt cña hÖ thèng” Hay nãi c¸ch kh¸c c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n cã thÓ lµ tÊt ®Þnh (vÝ dô nh­ ®éc lËp ngÉu nhiªn) hoÆc lµ ngÉu nhiªn (hay phô thuéc ngÉu nhiªn). TÊt c¶ c¸c h×nh thÕ thuû v¨n ®Òu tu©n theo kiÓm so¸t sù tiÕn triÓn vµ hµnh vi cña chóng, sao cho ë quy m« nhá mäi qu¸ tr×nh thñy v¨n cã thÓ lµ tÊt ®Þnh. Tuy nhiªn c¸c qu¸ tr×nh trong m« h×nh tØ lÖ lín, mµ gåm cã c¸c sù kiÖn nhá ®éc lËp kÕt hîp l¹i, cã thÓ lµ mét hµm ngÉu nhiªn trong tù nhiªn. Do ®ã sù biÕn ®éng cña h×nh thÕ m­a theo thêi gian lµ hµm ngÉu nhiªn, mÆc dï mçi sù kiÖn nhá lµ tÊt ®Þnh, t¹i quy m« lín c¸c ®iÒu kiÖn hiÖn t¹i kh«ng ®ång nhÊt x¸c ®Þnh c¸c ®iÒu kiÖn trong t­¬ng lai. ChØ cã x¸c suÊt cña c¸c ®iÒu kiÖn trong t­¬ng lai lµ cã thÓ dù b¸o ®­îc tõ thêi ®iÓm hiÖn t¹i (Todorovic vµ Yevyevich, 1969). Beven (1987) hoµn thiÖn c¸c ý t­ëng nµy vµ thiÕt lËp nªn quan ®iÓm cña «ng vÒ hÖ thèng thuû v¨n nh­: “… mét sù thay ®æi phøc t¹p cña tØ lÖ ®Çu vµo theo kh«ng gian vµ thêi gian, ®­êng ®i cña dßng ch¶y vµ ®éng lùc häc phi tuyÕn cña nã lµ kÕt qu¶ cña sù thay ®æi theo kh«ng gian cña m­a, th¶m thùc vËt, cÊu tróc ®Êt vµ ®Þa h×nh. M« h×nh cña t«i thÓ hiÖn ý t­ëng r»ng ®­êng dÉn lµ quan träng ®èi víi qu¸ tr×nh dßng ch¶y ë tÊt c¶ c¸c tØ lÖ, tõ tØ lÖ nhá trong vËt lý ®Êt cho ®Õn c¸c s­ên dèc trªn ®Êt vµ dßng ch¶y b¸n bÒ mÆt, tíi l­u vùc cã mét hÖ thèng c¸c kªnh nhá." C¸c thuéc tÝnh cè h÷u cña m« h×nh lµ mét phÇn tö ch­a biÕt cña hÖ thèng ®­îc sinh ra tõ tÝnh kh«ng ®ång nhÊt cña mÆt ®Öm. TÝnh ch­a biÕt ¸m chØ ®iÒu kh«ng ch¾c ch¾n mµ c¸c nhµ thuû v¨n häc cø mét mùc sö dông m« h×nh tÊt ®Þnh cho viÖc dù b¸o sù ®¸p l¹i cña l­u vùc” 21
  17. Beven thÊy cÇn thiÕt ®Ó ph¸t triÓn thuû v¨n häc theo hai h­íng. Thø nhÊt lµ c¸c dù b¸o thuû v¨n nªn ®­îc g¸n víi mét sù ®¸nh gi¸ vÒ tÝnh kh«ng ch¾c ch¾n. Møc ®é kh«ng ch¾c ch¾n sau ®ã sÏ ®­îc sö dông trùc tiÕp trong c¸c quyÕt ®Þnh, do ®ã cho phÐp lo¹i trõ nh÷ng qu¸ tr×nh thuû v¨n mµ kh«ng ®­îc biÕt râ nh­ c¸c qu¸ tr×nh kh¸c. Thø hai lµ lý thuyÕt hµm ngÉu nhiªn quy m« lín lµ cÇn thiÕt, ®iÒu nµy gióp cho viÖc thiÕt lËp theo kh«ng gian cña c¸c qu¸ tr×nh t­¬ng t¸c phi tuyÕn ®ång nhÊt, bao gåm c¸c ®­êng mßn lý t­ëng, ®Ó cung cÊp mét nÒn t¶ng nghiªm ngÆt cho c¶ c¸c dù b¸o dùa trªn nguyªn lý vµ trªn m« h×nh “trän gãi”. Nh÷ng th¶o luËn vÒ hÖ thèng vµ qu¸ tr×nh thuû v¨n trong ch­¬ng nµy ®· chØ ra r»ng, mÆc dï cã nhiÒu c¸c tiÕp cËn ®Õn hai khÝa c¹nh nµy, thuû v¨n häc ®· tiÕn mét b­íc dµi trong c¸c lÜnh vùc nµy kÓ tõ khi phiªn b¶n ®©u tiªn cña cuèn s¸ch nµy ®­îc xuÊt b¶n n¨m 1967 vµ sÏ tiÕn xa h¬n n÷a trong t­¬ng lai gÇn. Ch¾c ch¾n r»ng rÊt nhiÒu nh©n tè ®­îc ®­a ra bëi Dooge (1988) ®· g©y nhiÒu bÊt lîi cho qu¸ tr×nh ph¸t triÓn vÒ lý thuyÕt thuû v¨n trong qu¸ khø, nh­ c¸ch tiÕp cËn vÊn ®Ò mét c¸ch rêi r¹c dÉn ®Õn thÊt b¹i trong viÖc liªn kÕt c¸c kü thuËt sö dông kh¸c nhau, sù thiÕu cÊu tróc hîp lý vµ c¸c ch­¬ng tr×nh hîp t¸c ë møc quèc gia vµ quèc tÕ lµm gi¶m ý nghÜa cña chóng rÊt nhanh. Do ®ã mÆc dï c¸c ph­¬ng ph¸p ngÉu nhiªn vµ tÊt ®Þnh ®· ®­îc ®Ò cËp hai mÆt ®èi lËp nhau trong qu¸ khø, th× chóng b©y giê d­êng nh­ ®­îc cñng cè thªm. Nã ®­îc cho r»ng nÕu thuû v¨n ®­îc ¸p dông mét c¸ch hiÖu qu¶ vµ kinh tÕ cho nhu cÇu cña con ng­êi, khi ®ã “C¸c nhµ thuû v¨n häc ph¶i häc c¸ch ®Ó l¾ng nghe nh÷ng ng­êi ë ngµnh kh¸c vµ hy väng r»ng sÏ hiÓu hä” (Dooge, 1988). Tuy nhiªn, c¸c nhµ thuû v¨n häc ®ang lµm viÖc nhiÒu trong nh÷ng nhãm ®a chøc n¨ng víi c¸c nhµ sinh häc, kinh tÕ x· héi còng nh­ víi c¸c kü s­, nhµ n«ng häc vµ nhµ ho¸ häc vÒ n­íc. C¸c nhµ thuû v¨n häc cã c¸c ph­¬ng tiÖn vµ niÒm tin ®Ó lµm viÖc víi c¸c vÊn ®Ò thùc tÕ chø kh«ng ph¶i c¸c vÊn ®Ò lý t­ëng ho¸ nh­ tr­íc kia vµ nhËn thøc r»ng, n­íc rÊt quan träng vÒ chÊt l­îng còng nh­ tr÷ l­îng. Cuèi cïng, møc ®é hîp t¸c quèc tÕ mµ ®· ®­îc ®Ò cËp ë phÇn ®Çu trong môc nµy ®ang ®­îc khuyÕn khÝch thùc hiÖn c¸c nghiªn cøu thñy v¨n. QuyÓn nguyªn lý thñy v¨n nµy lµ mét cuèn s¸ch khoa häc chø kh«ng ph¶i s¸ch kü thuËt, nh­ng chóng ta nªn l­u t©m r»ng thuû v¨n häc lµ h¬n mét bµi tËp thùc tÕ. C¸c thµnh tùu thùc tÕ còng nh­ lý thuyÕt trong thuû v¨n ®­îc ph¶n ¸nh trong cuèn s¸ch nµy, cung cÊp mét cë së thiÕt thùc cho viÖc ®èi mÆt c¸c thö th¸ch ®ang t¨ng lªn, nh­ sù gia t¨ng c¸c ¸p lùc lªn m«i tr­êng do sù t¨ng d©n sè, biÕn ®æi khÝ hËu vµ thay ®æi cña thêi tiÕt, bao gåm c¸c hiÖn t­îng do hiÖu øng nhµ kÝnh g©y nªn. C¸c ¸p lùc nh­ vËy cã xu thÕ ¶nh h­ëng lín ®Õn nguån n­íc, gi¶m l­îng n­íc theo ®Çu ng­êi ë rÊt nhiÒu quèc gia Ch©u phi, Ch©u ¸ vµ khu vùc Trung ®«ng (vÝ dô nh­ Biswas n¨m 1996). ë mét sè n­íc, ®Æc biÖt lµ c¸c n­íc n»m ë h¹ nguån cña c¸c l­u vùc s«ng lín chÝnh quèc tÕ, th× l¹i th­êng x¶y ra xung ®ét vÒ qu©n sù. VÝ dô theo nh­ Gleick (1993a) liÖt kª 20 n­íc mµ h¬n mét nöa l­îng n­íc sö dông ®­îc lÊy tõ c¸c n­íc bªn c¹nh. H¬n thÕ n÷a, ®iÒu kiÖn kh« h¹n kÐo dµi cña vïng Sahel ë Ch©u Phi sau nh÷ng n¨m cuèi cña thËp kû 60, cïng víi sù xuÊt hiÖn ngµy cµng t¨ng vÒ tÇn suÊt còng nh­ møc ®é tµn ph¸ cña lò lôt t¹i rÊt nhiÒu khu vùc trªn thÕ giíi. CÇn nhÊn m¹nh r»ng mét kÕt luËn kh«ng thÓ tr¸nh ®­îc lµ c¸c b¶n ghi thuû v¨n gÇn ®©y cã thÓ kh«ng ph¶i lµ h­íng dÉn tèt trong t­¬ng lai trõ khi chóng ta ®· hoµn toµn hiÓu râ c¸c qu¸ tr×nh thuû v¨n ho¹t ®éng nh­ thÕ nµo. N­íc lµ mét nguån tµi nguyªn quan trong nhÊt cña chóng ta, nã rÊt thiÕt yÕu cho cuéc sèng vµ ®Ó cho sù nhËn thøc tèt h¬n cña nh©n lo¹i 22
  18. vÒ Nguyªn lý thuû v¨n cã thÓ ®óng lµ vÊn ®Ò gi÷a sù sèng vµ c¸i chÕt. §ã lµ môc ®Ých viÕt quyÓn s¸ch nµy. 23
  19. Ch­¬ng 2 Gi¸ng thñy 2.1 Më ®Çu vµ c¸c kh¸i niÖm Gi¸ng thñy lµ mét nh©n tè quan träng ®iÒu hßa chÕ ®é thñy v¨n cña mét vïng. Nã lµ nguån cung cÊp n­íc chñ yÕu cho bÒ mÆt Tr¸i ®Êt vµ nh÷ng kiÕn thøc vÒ sù ph©n bè m­a theo kh«ng gian vµ thêi gian lµ rÊt cÇn thiÕt ®Ó hiÓu ®­îc sù trao ®æi Èm trong ®Êt, trao ®æi n­íc ngÇm vµ dßng ch¶y s«ng ngßi. Sè liÖu gi¸ng thñy thu thËp dÔ dµng h¬n, t¹i nhiÒu vÞ trÝ h¬n vµ cã thêi gian dµi h¬n c¸c thµnh phÇn kh¸c trong vßng tuÇn hoµn cña n­íc. ë mét sè n¬i trªn thÕ giíi, sè liÖu gi¸ng thñy lµ nh÷ng sè liÖu thñy v¨n duy nhÊt trùc tiÕp ®o ®¹c ®­îc. Do ®ã viÖc nghiªn cøu gi¸ng thñy cã tÇm quan träng ®Æc biÖt ®èi víi c¸c nhµ thñy v¨n häc vµ ë ch­¬ng nµy tËp trung vµo sù h×nh thµnh vµ ph©n bè cña nã lµ nh÷ng vÊn ®Ò liªn quan trùc tiÕp ®Õn c¸c nhµ thñy v¨n häc. Nh÷ng kiÕn thøc chi tiÕt h¬n vÒ c¬ cÊu h×nh thµnh cña gi¸ng thñy thuéc lÜnh vùc nghiªn cøu cña c¸c nhµ khÝ t­îng vµ khÝ hËu häc. Ng­êi ®äc cã thÓ tham kh¶o thªm c¸c tµi liÖu chuÈn vÒ khÝ t­îng, khÝ hËu. C¸c nhµ khÝ t­îng quan t©m ®Õn viÖc ph©n tÝch vµ gi¶i thÝch nh÷ng c¬ chÕ t¸c ®éng ®Õn sù ph©n bè cña gi¸ng thñy, mµ kh«ng quan t©m ®Õn c¸c vÊn ®Ò khi gi¸ng thñy r¬i xuèng mÆt ®Êt. Cßn nh÷ng nhµ thñy v¨n häc th× quan t©m ®Õn nã, ®ã lµ sù ph©n bè, tæng l­îng gi¸ng thñy, khi nµo vµ ë ®©u gi¸ng thñy sÏ xuÊt hiÖn. Do ®ã, nh÷ng h­íng nghiªn cøu gi¸ng thñy cña thñy v¨n häc liªn quan tíi lo¹i gi¸ng thñy, sù biÕn ®æi theo kh«ng gian vµ thêi gian cña nã, viÖc hiÓu vµ sö dông chÝnh x¸c sè liÖu ®o ®¹c ®­îc. Gi¸ng thñy xuÊt hiÖn ë mét sè d¹ng vµ mét sù kh¸c biÖt tuy ®¬n gi¶n nh­ng c¬ b¶n gi÷a chóng lµ d¹ng r¾n vµ láng. Gi¸ng thñy láng bao gåm chñ yÕu lµ m­a rµo vµ m­a phïn (cã kÝch th­íc h¹t nhá h¬n vµ c­êng ®é yÕu h¬n m­a rµo). Ng­îc l¹i víi gi¸ng thñy láng ®ãng vai trß trùc tiÕp trong sù chuyÓn ®éng cña n­íc trong vßng tuÇn hoµn, gi¸ng thñy r¾n bao gåm chñ yÕu lµ tuyÕt tån t¹i trªn bÒ mÆt ®Êt trong mét kho¶ng thêi gian ®¸ng kÓ cho tíi khi nhiÖt ®é t¨ng ®ñ lín lµm nã tan ra. V× lÝ do nµy mµ gi¸ng thñy r¾n, ®Æc biÖt lµ tuyÕt, sÏ ®­îc tr×nh bµy riªng ë môc 2.7. M­a ®¸ lµ mét d¹ng gi¸ng thñy kh¸ ®Æc biÖt v× mÆc dï r¬i xuèng mÆt ®Êt d­íi d¹ng r¾n nh­ng nã th­êng tan nhanh trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é thóc ®Èy sù tan ch¶y do ®ã nã cã xu h­íng t¸c ®éng ®Õn chÕ ®é thñy v¨n nh­ mét trËn m­a nÆng h¹t. Mét sè d¹ng kh¸c cña gi¸ng thñy cã thÓ quan träng víi tõng khu vùc. VÝ dô, ë mét sè khu vùc nöa kh« h¹n, nguån Èm chÝnh lµ s­¬ng ®­îc t¹o thµnh khi kh«ng khÝ bÞ l¹nh ®i vÒ ®ªm. ë vïng ven biÓn hoÆc vïng nói, nh÷ng giät n­íc nhá trong nh÷ng ®¸m m©y thÊp hay s­¬ng mï cã thÓ ®äng l¹i trªn cá c©y vµ nh÷ng bÒ mÆt kh¸c. Trong thùc tÕ, mÆc dï kh«ng hoµn toµn ®óng nh­ng thuËt ng÷ “gi¸ng thñy” vµ “m­a” 24
  20. th­êng ®­îc dïng tïy tiÖn vµ cã thÓ thay thÕ cho nhau trong bÊt kú hay tÊt c¶ c¸c d¹ng cña chóng. 2.1.1 H¬i n­íc Dï kh«ng khÝ cã kh« ®Õn ®©u ®i ch¨ng n÷a, nã còng lu«n chøa h¬i Èm d­íi d¹ng nh÷ng ph©n tö h¬i n­íc. Mét ph©n tö h¬i n­íc lµ mét ph©n tö khÝ ë d­íi “nhiÖt ®é tíi h¹n” vµ do ®ã dÔ dµng ng­ng tô hoÆc hãa láng khi cã mét sù thay ®æi t­¬ng ®èi nhá cña nhiÖt ®é hoÆc ¸p suÊt. L­îng h¬i n­íc trong kh«ng khÝ lu«n lu«n biÕn ®æi theo thêi gian vµ cã thÓ ®­îc biÓu diÔn b»ng søc tr­¬ng h¬i n­íc - ¸p suÊt riªng phÇn cña h¬i n­íc. §©y lµ mét phÇn rÊt nhá trong toµn bé ¸p suÊt kh«ng khÝ, th­êng b»ng 2.5 hPa trong khi ¸p suÊt khÝ quyÓn kho¶ng 985 hPa (Trenberth, 1992). Kh«ng khÝ cã thÓ gi÷ ®­îc mét l­îng tèi ®a h¬i n­íc tr­íc khi nã b·o hßa vµ l­îng h¬i n­íc nµy t¨ng theo quy luËt hµm logarit cïng víi sù t¨ng cña nhiÖt ®é. NhiÖt ®é kh«ng khÝ cµng cao th× nã cµng cã kh¶ n¨ng gi÷ ®­îc nhiÒu h¬i n­íc h¬n. Mét khi l­îng h¬i n­íc v­ît qu¸ giíi h¹n, ch¼ng h¹n b»ng c¸ch lµm l¹nh, th× sù ng­ng tô xuÊt hiÖn. NhiÖt ®é x¶y ra sù ng­ng tô gäi lµ “nhiÖt ®é ®iÓm s­¬ng”. §é b·o hßa cña kh«ng khÝ cã thÓ ®­îc biÓu diÔn b»ng “®é Èm t­¬ng ®èi” cña kh«ng khÝ (lµ tØ lÖ gi÷a ¸p suÊt h¬i n­íc thùc tÕ so víi ¸p suÊt h¬i n­íc b·o hßa). Do ¸p suÊt h¬i b·o hßa phô thuéc nhiÖt ®é nªn ®é Èm t­¬ng ®èi gi¶m khi nhiÖt ®é t¨ng vµ ng­îc l¹i, khi kh«ng khÝ l¹nh ®i th× ®é Èm t­¬ng ®èi t¨ng. ë ¸p suÊt h¬i d­íi ¸p suÊt h¬i b·o hßa, kh«ng khÝ ch­a b·o hßa vµ nÕu c¸c ®iÒu kiÖn phï hîp (xem ch­¬ng 4), nã cã thÓ hót thªm h¬i Èm tõ qu¸ tr×nh bay h¬i. L­îng h¬i Èm cña khÝ quyÓn, hay ®é Èm, cã thÓ ®o b»ng mét sè dông cô. Èm kÕ ®iÓm s­¬ng lÇn l­ît ®èt nãng råi lµm l¹nh mét chiÕc g­¬ng vµ ®o nhiÖt ®é ®iÓm s­¬ng b»ng c¸ch ghi l¹i sù thay ®æi n¨ng suÊt ph¸t x¹ cña bÒ mÆt g­¬ng do qu¸ tr×nh h×nh thµnh sù ng­ng tô. Èm biÓu gåm 2 nhiÖt kÕ, mét chiÕc ®o nhiÖt ®é kh«ng khÝ cßn chiÕc thø hai ®­îc gi÷ Èm b»ng mét miÕng v¶i nhóng trong mét cèc n­íc. BÇu Èm bÞ lµm l¹nh bëi n­íc bay h¬i (nªn cÇn Èn nhiÖt bay h¬i) vµ sù gi¶m nhiÖt ®é t­¬ng øng víi nhiÖt kÕ kh« cho biÕt møc ®é bèc h¬i, do ®ã cho biÕt sù kh« r¸o cña kh«ng khÝ. Tæng l­îng h¬i n­íc trong khÝ quyÓn chØ chiÕm mét phÇn nhá trong kho n­íc toµn cÇu. ë mét thêi ®iÓm x¸c ®Þnh, n­íc trong khÝ quyÓn chiÕm kh«ng qu¸ 0,001 % tæng l­îng n­íc trong lôc ®Þa, ®¹i d­¬ng vµ khÝ quyÓn (xem b¶ng 1.1), song l­îng n­íc nhá nµy l¹i lµ nguån cung cÊp mét nguån n­íc liªn tôc d­íi d¹ng gi¸ng thñy. H¬i n­íc trong khÝ quyÓn lªn tíi kho¶ng 25 mm n­íc láng trong kho¶ng thêi gian trung b×nh lµ 9 ngµy (cung cÊp mét l­îng m­a trung b×nh hµng n¨m kho¶ng 1000 mm trªn toµn cÇu). Con sè nµy kh«ng ®­îc thÓ hiÖn trªn h×nh 1.1. Mét phÇn l­îng n­íc bÞ mang lªn tÇng b×nh l­u n¬i chóng cã thÓ ë l¹i trªn 10 n¨m. ë mét th¸i cùc kh¸c, mét phÇn n­íc ®· bay h¬i vµo nh÷ng tÇng thÊp cña mét ®¸m m©y d«ng cã thÓ r¬i xuèng d­íi d¹ng gi¸ng thñy trong vßng 1 giê (Lamb, 1972). MÆt c¾t th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cã ¶nh h­ëng ®Æc biÖt quan träng tíi gi¸ng thñy. Sù biÕn ®æi cña nhiÖt ®é theo ®é cao gäi lµ tèc ®é gi¶m nhiÖt ®é cña m«i tr­êng – gradien nhiÖt ®é cña m«i tr­êng (ELR). Tèc ®é gi¶m th­êng lµ 6C/km nh­ng cã thÓ thay ®æi rÊt lín gi÷a c¸c khu vùc vµ theo thêi gian vµ ®iÒu nµy sÏ ¶nh h­ëng ®Õn sù ho¹t ®éng cña c¸c khèi khÝ theo mét c¬ chÕ n©ng lªn. Khi mét dßng khÝ ®i lªn, nã sÏ gi¶m ¸p suÊt vµ do ®ã në ra vµ l¹nh ®i. NÕu kh«ng cã sù x¸o trén th× 25
nguon tai.lieu . vn