BÀI GIẢNG MÔN HỌC THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG

Chia sẻ: Đoàn Công Nhựt | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:88

Thêm vào BST

Báo xấu

278
lượt xem 70
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nước được xem như một tài nguyên quí giá và cần thiết cho sự sống. Nước chi phối nhiều hoạt động của con người, thực và động vật và vận hành của thiên nhiên. Theo định nghĩa thông thường: " Nước là một chất lỏng thông dụng. Nước tinh khiết có công thức cấu tạo gồm 2 nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy, nước là một chất không màu, không mùi, không vị. Dưới áp suất khí trời 1 atmosphere, nước sôi ở 100°C và đông đặc ở 0°C, nước có khối lượng riêng là 1000 kg/m3." Khái niệm đơn giản về nước...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: BÀI GIẢNG MÔN HỌC THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ --- oOo --- BÀI GIẢNG MÔN HỌC THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG ENVIRONMENTAL HYDROLOGY Biên soạn: LÊ ANH TUẤN, PhD. Cần Thơ, 2008
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- LỜI MỞ ĐẦU VÀ GIỚI THIỆU MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU VÀ GIỚI THIỆU........................................................................................ ii MỤC LỤC .......................................................................................................................... ii Danh sách hình................................................................................................................... iv Danh sách bảng ................................................................................................................... v Chương 1. NHẬP MÔN – THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG............................................ 7 1.1 Đặc trưng của môi trường nước .............................................................................. 7 1.1.1 Định nghĩa và tính chất của nước .................................................................. 7 1.1.2 Môi trường nước............................................................................................ 8 1.1.3 Vai trò của nước trong cuộc sống.................................................................. 8 1.2 Giới thiệu môn học Thủy văn môi trường .............................................................. 9 1.3 Đặc điểm của hiện tượng thủy văn ....................................................................... 10 1.4 Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 11 1.5 Lịch sử môn học.................................................................................................... 13 1.6 Mạng lưới khí tượng thủy văn ở Việt Nam .......................................................... 14 Chương 2. TÀI NGUYÊN NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI................................................ 15 1.1 Các thể chứa nước trên trái đất ............................................................................. 15 1.1.1 Nước trong khí quyển .................................................................................. 15 1.1.2 Nước trong thủy quyển ................................................................................ 15 1.1.3 Nước trong địa quyển .................................................................................. 15 1.1.4 Nước trong sinh quyển ................................................................................ 15 1.2 Chu trình thủy văn ................................................................................................ 16 1.2.1 Chu trình thủy văn ....................................................................................... 16 1.2.2 Minh họa chu trình thủy văn........................................................................ 16 1.3 Phân phối nước trên trái đất.................................................................................. 17 1.3.1 Các số liệu về lượng nước trên trái đất........................................................ 17 1.3.2 Nhận xét sự phân phối nước trong thiên nhiên............................................ 19 1.3.3 Vấn đề sử dụng nguồn nước ........................................................................ 20 1.4 Bảo vệ môi trường nước ....................................................................................... 21 Chương 3. CÁC YẾU TỐ KHÍ HẬU ẢNH HƯỞNG ĐẾN DÒNG CHẢY.............. 23 3.1 Mưa ....................................................................................................................... 23 3.1.1 Sự giáng thủy và mưa .................................................................................. 23 3.1.2 Sự hình thành mưa....................................................................................... 23 3.1.3 Tính toán lượng mưa bình quân .................................................................. 25 3.2 Ấm độ không khí .................................................................................................. 28 3.2.1 Các đặc trưng của ẩm độ không khí ............................................................ 28 3.2.2 Sự thay đổi độ ẩm không khí theo thời gian ........................................................ 30 3.3 Bốc hơi.................................................................................................................. 30 3.3.1 Định nghĩa............................................................................................................ 30 3.3.3 Chế độ bốc hơi và nhân tố ảnh hưởng đến bốc hơi.............................................. 31 3.4 Gió, bão....................................................................................................................... 32 3.4.1 Sự hình thành gió ................................................................................................. 32 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ ii Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3.4.2 Các đặc trưng của gió .......................................................................................... 32 3.4.3 Các loại gió .......................................................................................................... 35 3.4.4 Dông..................................................................................................................... 37 3.3.5 Bão tố ................................................................................................................... 38 Chương 4. LƯU VỰC SÔNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC ............ 44 4.1 Hệ thống sông ngòi ............................................................................................... 44 4.2 Lưu vực sông và các đặc trưng của sông .............................................................. 46 4.2.1 Lưu vực sông ............................................................................................... 46 4.2.2 Sự hình thành dòng chảy sông ngòi............................................................. 47 4.2.3 Các đặc trưng hình học của lưu vực ............................................................ 48 4.2.3.1 Diện tích lưu vực....................................................................................... 48 4.2.3.2 Chiều dài sông chính và chiều dài lưu vực ............................................... 48 4.2.3.3 Chiều rộng bình quân lưu vực................................................................... 49 4.2.3.4 Hệ số hình dạng lưu vực ........................................................................... 49 4.2.3.5 Độ cao bình quân lưu vực ......................................................................... 49 4.2.3.6 Độ dốc bình quân lưu vực J ...................................................................... 50 4.2.3.7 Mật độ lưới sông ....................................................................................... 50 4.2.4 Các đặc trưng biểu thị dòng chảy ................................................................ 51 4.2.4.1 Lưu lượng nước ........................................................................................ 51 4.2.4.2 Tổng lượng dòng chảy .............................................................................. 52 4.2.4.3 Độ sâu dòng chảy...................................................................................... 52 4.2.4.4 Module dòng chảy..................................................................................... 52 4.2.4.5 Hệ số dòng chảy........................................................................................ 52 4.3 Phương trình cân bằng nước ................................................................................. 53 4.3.1 Nguyên lý .................................................................................................... 53 4.3.2 Phương trình cân bằng nước thông dụng..................................................... 53 4.3.3 Phương trình cân bằng nước của lưu vực kín và hở trong thời đoạn bất kỳ 54 4.3.3.1 Lưu vực kín............................................................................................... 54 4.3.3.2 Lưu vực hở................................................................................................ 54 4.3.4 Phương trình cân bằng nước trong nhiều năm............................................. 54 4.4 Các hoạt động của con người ảnh hưởng đến cân bằng nước khu vực................. 55 Chương 5. THỦY TRIỀU VÀ SỰ XÂM NHẬP MẶN VÙNG CỬA SÔNG........... 57 5.1 Khái niệm về vùng cửa sông....................................................................................... 57 5.1.1 Vùng ven biển ngoài cửa sông..................................................................... 57 5.1.2 Vùng cửa sông ............................................................................................. 57 5.1.3 Vùng trên cửa sông...................................................................................... 57 5.2 Thuỷ triều.............................................................................................................. 58 5.2.1 Định nghĩa thuỷ triều................................................................................... 58 5.2.2 Phân loại thuỷ triều...................................................................................... 59 5.2.2.1 Bán nhật triều đều ..................................................................................... 59 5.2.2.2 Bán nhật triều không đều .......................................................................... 59 5.2.2.3 Nhật triều đều............................................................................................ 60 5.2.2.4 Nhật triều không đều................................................................................. 60 5.2.3 Nguyên nhân gây ra thuỷ triều .................................................................... 62 5.3 Đặc tính thủy văn vùng cửa sông có thủy triều .......................................................... 63 5.3.1 Hiện tượng thuỷ triều ở cửa sông ................................................................ 63 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ iii Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5.3.2 Sự thay đổi mực nước cửa sông chịu ảnh hưởng triều ................................ 64 5.4 Sự xâm nhập mặn vào cửa sông.................................................................................. 64 5.4.1 Hiện tượng xâm nhập mặn........................................................................... 64 5.4.2 Môi trường nước vùng cửa sông.................................................................. 66 Chương 6. CHẾ ĐỘ THỦY VĂN VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG....... 67 6.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 67 6.2 Hệ thống Mekong ................................................................................................. 67 6.3 Điều kiện tự nhiên vùng ĐBSCL.......................................................................... 70 6.4 Đặc điểm khí hậu vùng ĐBSCL ........................................................................... 73 6.5 Đặc điểm chế độ thủy văn vùng ĐBSCL.............................................................. 76 6.5.1 Mạng lưới sông và kênh .............................................................................. 76 6.5.2 Đặc điểm chế độ thủy văn ........................................................................... 78 6.5.3 Phân phối dòng chảy.................................................................................... 80 6.5.4 Nước ngầm vùng ĐBSCL............................................................................ 82 6.5.5 Bùn cát trong sông Cửu Long...................................................................... 83 6.6 Thủy triều và sự truyền triều vào sông Cửu Long ................................................ 84 6.6.1 Thủy triều vùng ven biển ĐBSCL ............................................................... 84 6.6.2 Sự truyền triều vào sông Cửu Long và bán đảo Cà Mau............................. 84 Danh sách hình Hình 1.1 Quan hệ môn học với các chuyên ngành ........................................................... 10 Hình 1.2 Minh họa các quan hệ hình thành dòng chảy..................................................... 11 Hình 1.3 Các phương pháp nghiên cứu thủy văn............................................................. 12 Hình 1.4 Mạng thông tin khí tượng .................................................................................. 14 Hình 2.1 Minh họa chu trình thủy văn trên trái đất .......................................................... 16 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống của chu trình thủy văn.............................................................. 17 Hình 2.3 Minh họa chiều dày lớp nước trong chu trình thủy văn..................................... 18 Hình 2.4 Đặc trưng phân phối chính về lượng nước ở dạng tĩnh và động trên trái đất. .. 18 Hình 2.5 Sơ đồ Hệ thống nguồn nước trong Qui hoạch nguồn nước .............................. 21 Hình 2.6. Minh họa quan hệ 3E ........................................................................................ 22 Hình 2.7 Minh họa sự tương quan việc quản lý nước với các yếu tố khác nhau.............. 22 liên quan đến môi trường, Klemes (1973). ....................................................................... 22 Hình 3.1 Mưa địa hình .................................................................................................... 23 Hình 3.2 Mưa đối lưu...................................................................................................... 24 Hình 3.4 Sự thay đổi lượng mưa bình quân tháng các trạm ............................................. 25 Hình 3.5 Ví dụ tính lượng mưa bình quân với 3 phương pháp khác nhau ....................... 27 Hình 3.6 Các loại nhiệt kế ẩm kế đặt trong trạm đo khí tượng......................................... 29 Hình 3.7 Thùng đo bốc hơi loại A .................................................................................... 30 Hình 3.8 Thay đổi lượng bốc hơi trung bình tháng (mm) tại Cần Thơ và Sóc Trăng ..... 31 Hình 3.9 Nguyên nhân sinh ra gió .................................................................................... 32 Hình 3.10 Hướng gió quy ước theo độ ............................................................................ 32 Hình 3.11 Hướng gió ........................................................................................................ 33 Hình 3.12 Đo tốc độ và hướng gió.................................................................................... 33 Hình 3.13 Gió hành tinh................................................................................................... 35 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ iv Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Hình 3.14 Sự chênh lệch áp suất gây nên các luồng gió từ đất liền ra biển .................... 35 Hình 3.15 Gió đất, Gió biển............................................................................................ 36 Hình 3.16 Hướng gió về đêm ở một thung lũng dưới sườn núi........................................ 36 Hình 3.17 Gió địa hình (gió foehn)................................................................................... 37 Hình 3.20 Hình dạng và vị trí các loại mây khác nhau..................................................... 40 Hình 3.12 Đo mưa............................................................................................................. 41 Hình 4.1 Các dạng phân bố sông nhánh trong một lưu vực sông ..................................... 44 Hình 4.2 Một dạng phân bố sông giữa hình cành cây và hình lông chim ....................... 44 Hình 4.3 Hệ thống sông Mekong...................................................................................... 45 Hình 4.4 Sự phân cấp các nhánh sông .............................................................................. 45 Hình 4.5 Lưu vực sông và khái niệm đường phân nước.................................................. 46 Hình 4.6 Lưu vực sông với các đường đồng cao độ ......................................................... 47 Hình 4.7 Định diện tích lưu vực bằng phương pháp phân ô vuông.................................. 48 Hình 4.8 Cách xác định chiều dài sông và chiều dài lưu vực .......................................... 48 Hình 4.9 Hình dạng của lưu vực ảnh hưởng đến khả năng tập trung nước lũ .................. 49 Hình 4.10 Xác định độ cao bình quân lưu vực bằng đường đồng mức ............................ 50 Hình 4.11 Mật độ lưới sông cho biết sự phong phú của nguồn nước của lưu vực ........... 51 Hình 4.12 Lưu tốc kế kiểu cá sắt ...................................................................................... 51 Hình 4.13 Tổng quát hóa phương trình cân bằng nước .................................................... 53 Hình 4.14 Minh họa các giá trị trong phương trình cân bằng nước thông dụng............... 54 Hình 4.15 Hoạt động của con người làm ô nhiễm nước trong chu trình thuỷ văn ........... 56 Hình 4.16 Quá trình đô thị hoá làm thay đổi lượng chảy tràn và thấm rút ....................... 56 Hình 5.1 Khu vực cửa sông .............................................................................................. 57 Hình 5.2 Diễn biến một con triều trong một ngày ............................................................ 58 Hình 5.3 Diễn biến thay đổi mực nước triều tháng (triều Biển Đông tháng 1/1982) ....... 59 Hình 5.4 Bán nhật triều đều .............................................................................................. 59 Hình 5.5 Bán nhật triều không đều ................................................................................... 60 Hình 5.6 Nhật triều đều..................................................................................................... 60 Hình 5.7 Triều ở Biển Tây vùng ĐBSCL là dạng nhật triều không đều .......................... 61 Hình 5.8 Lực hút tương hỗ của mặt trăng và mặt trời tạo nên sự thay đổimực nước triều62 Hình 5.9 Hiện tượng xâm nhập mặn từ biển vào lòng sông vùng cửa sông..................... 64 Hình 5.10 Hình dạng đường nêm mặn vùng tiếp giáp dòng triều và dòng sông .............. 65 Hình 5.11 Phân bố vận tốc theo chiều sâu dòng sông chịu ảnh hưởng thủy triều ........... 65 Hình 5.12 Nước ngầm ven biển và sự xâm nhập mặn vào tầng nước ngầm ................... 66 Hình 6.1 Lưu vực sông Mekong ....................................................................................... 68 Hình 6.9 Phân bố dòng chảy kiệt tính toán theo mô hình triều bán nhật.......................... 80 Hình 6.10 Mực nước đỉnh lũ nhiều năm qua Tân Châu và Châu Đốc.............................. 82 Danh sách bảng Bảng 2.1: Phân phối nước trên trái đất (theo A. J. Raudkivi, 1979)................................. 19 Bảng 2.2 Phân phối lượng nước ngọt trên lục địa ........................................................... 19 Bảng 2.3 Cân bằng nước (mm/năm) các đại dương ......................................................... 19 Bảng 3.1 Bảng cấp gió (Beaufort Scale).......................................................................... 34 Bảng 5.1 Thủy triều ở một số cảng chính ở Việt Nam ..................................................... 61 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ v Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Bảng 6.1 Lưu vực Mekong qua 4 quốc gia duyên hà ...................................................... 70 Bảng 6.2 Thống kê hiện trạng canh tác lúa toàn năm 1996 vùng ĐBSCL ...................... 70 Bảng 6.3 Tỉ lệ sử dụng ruộng đất nông nghiệp của ĐBSCL ........................................... 73 Bảng 6.4 So sánh nhiệt độ trung bình tháng (t °C) một số trạm vùng ĐBSCL ............... 73 Bảng 6.5 So sánh bốc hơi trung bình (mm/tháng) một số trạm vùng ĐBSCL ................ 73 Bảng 6.6 So sánh ẩm độü trung bình tháng (%) một số trạm vùng ĐBSCL ................... 74 Bảng 6.7 So sánh tốc độ gió trung bình tháng (m/s) một số trạm vùng ĐBSCL............. 74 Bảng 6.8 Tần suất xuất hiện thấp nhất đi qua trung và hạ lưu sông Mekong.................. 74 Bảng 6.9 So sánh lượng mưa trung bình tháng (mm) một số trạm vùng ĐBSCL........... 75 Bảng 6.10 Lượng mưa gây úng ngập (mm) ở một số trạm vùng ĐBSCL....................... 76 Bảng 6.11 Một số đặc trưng mặt cắt những kênh chính vùng ĐBSCL ........................... 78 Bảng 6.13 Khoáng vi lượng trong nước sông Mekong................................................... 83 Bảng 6.14 Biên độ triều trên sông Cửu Long .................................................................. 85 Bảng 6.15 Biên độ triều trên sông vào mùa lũ................................................................. 85 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ vi Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Chương 1. NHẬP MÔN – THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG 1.1 Đặc trưng của môi trường nước 1.1.1 Định nghĩa và tính chất của nước Nước được xem như một tài nguyên quí giá và cần thiết cho sự sống. Nước chi phối nhiều hoạt động của con người, thực và động vật và vận hành của thiên nhiên. Theo định nghĩa thông thường: " Nước là một chất lỏng thông dụng. Nước tinh khiết có công thức cấu tạo gồm 2 nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy, nước là một chất không màu, không mùi, không vị. Dưới áp suất khí trời 1 atmosphere, nước sôi ở 100°C và đông đặc ở 0°C, nước có khối lượng riêng là 1000 kg/m3." Khái niệm đơn giản về nước là như vậy, nhưng đi sâu nghiên cứu, ta thấy nước có nhiều tính chất kỳ diệu bảo đảm cho sự sống được tồn tại và phát triển. • Nước là một dung môi vạn năng Nước có thể hòa tan được rất nhiều chất, đặc biệt là các chất khoáng và chất khí cung cấp dinh dưỡng và giúp cho sự trao đổi chất trong cơ thể sinh vật. • Nước có nhiệt dung rất lớn Nước có khả năng hấp thu rất nhiều nhiệt lượng khi nóng lên và đồng thời cũng tỏa ra nhiều nhiệt lượng khi lạnh đi. Khả năng này giúp cho nhiệt độ ban ngày trên trái đất ít nóng hơn và ban đêm đỡ lạnh đi, giúp cho sự sống khỏi sự tiêu diệt ở mức chênh lệnh nhiệt độ quá lớn. • Nước rất khó bay hơi Ở 20°C, muốn 1 lít nước bốc hơi phải tốn 539.500 calori. Đặc tính này của nước đã cứu thoát sự sống khỏi bị khô héo nhanh chóng và giúp cho các nguồn nước không bị khô hạn, làm tiêu diệt các sinh vật sống trong nó. • Nước lại nở ra khi đông đặc Khi hạ nhiệt độ xuống thấp dưới 4°C thì thể tích nước lại tăng lên. Đến diểm đông đặc 0°C, thể tích nước tăng lên khoảng 9 % so với bình thường, làm băng đá nổi lên mặt nước. Nước có nhiệt độ cao hơn sẽ chìm xuống đáy giúp các thủy sinh vật tồn tại và lớp băng đá - có tính dẫn nhiệt rất kém - trở thành chiếc áp giáp bảo vệ sự sống phía dưới nó. • Nước có sức căng mặt ngoài lớn Nhờ có sức căng mặt ngoài lớn nên nước có tính mao dẫn mạnh. Hiện tượng naỳ có một ý nghĩa rất lớn trong việc duy trì sự sống trên trái đất, nước từ dưới đất có thể thấm đến từng ngọn cây. Trong cơ thể người và động vật, máu và dịch mô vận chuyển được đến các cơ quan nội tạng cũng nhờ khả năng mao dẫn của nước. • Nước có khả năng tự làm sạch Nước trong quá trình vận chuyển của nó khắp nơi trong thiên nhiên còn có khả năng tự làm sạch, loại bỏ một phần chất bẩn, tạo điều kiện cho môi trưòng sinh thái được cải thiện. ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 7 Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1.1.2 Môi trường nước Nước bảm đảm việc duy trì sự sống và phát triển của các loài thực và động vật. Sự phong phú tài nguyên nước là tiền đề cho việc phát triển nông nghiệp, công nghiệp, thủy điện, giao thông vận tải, thủy hải sản và phát triển cư dân, ... Nước đồng thời cũng là một tai ương cho loài người và các sinh vật khác. Nước là nguồn sống cho tất cả mọi sinh giới và là một tài nguyên quan trọng của mỗi quốc gia. Nước đóng vai trò then chốt trong việc điều hòa nhiệt độ trên trái đất. Nước được sử dụng trong sinh hoạt, nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, diêm nghiệp, thủy điện, giao thông vận tải,… Tài nguyên nước trên trái đất được đánh giá bởi ba đặc trưng: lượng, chất lượng và động thái. • Số lượng là đặc trưng biểu thị mức độ phong phú của tài nguyên nước trên một lãnh thổ; • Chất lượng nước bao gồm các đặc trưng về hàm lượng các chất hoà tan hoặc không hoà tan trong nước có lợi hoặc có hại theo tiêu chuẩn của đối tượng sử dụng; • Động thái của nước được đánh giá bởi sự thay đổi các đặc trưng dòng chảy theo thời gian, sự trao đổi nước giữa các khu vực chứa nước, sự vận chuyển và quy luật chuyển động của nước trong sông, nước ngầm, các quá trình trao đổi chất hoà tan, truyền mặn,… Môi trường nước được hiểu là môi trường mà những cá thể tồn tại, sinh sống và tương tác qua lại đều bị ảnh hưởng và phụ thuộc vào nước. Môi trường nước có thể bao quát trong một lưu vực rộng lớn hoặc chỉ chứa trong một giọt nước. Môi trường nước là đối tượng nghiên cứu của nhiều ngành khoa học tự nhiên, kỹ thuật và cả kinh tế - xã hội. Trái đất của chúng ta thường xuyên chịu sự tác động của sự chuyển hóa của dòng khí quyển và thủy quyển tạo nên. Chính các hoạt động tự nhiên này đã làm thay đổi đáng kể các tính chất khí hậu, dòng chảy, đất đai, môi trường tự nhiên và xã hội. Con người đã chú tâm từ lâu ghi nhận, tìm hiểu, phân loại và đối phó với các diễn biến thời tiết, các thay đổi dòng chảy và các biến động môi trường để tổ chức xã hội, sản xuất, điều chỉnh cuộc sống và cải tạo điều kiện tự nhiên và phòng chống các thiên tai thảm họa có thể xảy ra. 1.1.3 Vai trò của nước trong cuộc sống Nước là yếu tố hàng đầu quyết định sự tồn tại và phát triển của sinh giới. Không có nước sự sống lập tức bị rối loạn, ngưng lại và tiêu diệt. • Nước chiếm thành phần chủ yếu trong cấu tạo cơ thể thực và động vật. Con người có khoảng 65 - 75 % trọng lượng nước trong cơ thể, đặc biệt nước chiếm tới 95 % trong huyết tương, cá có khoảng 80 % nước trong cơ thể, cây trên cạn có 50 - 70 % nước, trong rong rêu và các loại thủy thực vật khác có 95 - 98 % là nước. ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 8 Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- • Muốn có thực phẩm cho người và gia súc cần có nước: muốn có 1 tấn lúa mì, cần 300 - 500 m3 nước, 1 tấn gạo cần tiêu thụ 1.500 - 2.000 m3 nước và để có 1 tấn thịt trong chăn nuôi cần tốn 20.000 - 50.000 m3 nước. • Lượng nước trên trái đất là một máy điều hòa nhiệt và làm cho cán cân sinh thái được cân bằng. Sự sống thường tập trung ở các nguồn nước, phần lớn các nền văn minh, các trung tâm kinh tế, công nghiệp, nông nghiệp, khoa học kỹ thuật, văn hóa xã hội, dân cư, ... đều nằm dọc theo các vùng tập trung nước. • Sự thay đổi cán cân phân phối nước hoặc sự phá hoại nguồn nước có thể làm tàn lụi các vùng trù phú, biến các vùng đất màu mỡ thành các vùng khô cằn. Trong những thập niên sắp tới, chiến tranh, xung đột giữa các quốc gia và các vùng khu vực có thể do nguyên nhân tranh giành tài nguyên nước quí báu này. 1.2 Giới thiệu môn học Thủy văn môi trường Thủy văn môi trường (Environmental hydrology) là môn học giới thiệu các tính chất, đặc điểm nguồn nước, các diễn biến liên quan đến môi trường nước, phương pháp tính cân bằng tài nguyên nước trong hệ thống phục vụ cho các hoạt động sản xuất xã hội, và tiên lượng các hiện tượng vật lý xảy ra trong khí quyển và dòng chảy sông ngòi, cũng như ảnh hưởng qua lại của các hiện tượng này với nhau. Môn học Thủy văn môi trường rất cần thiết cho nhiều ngành trong xã hội như nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải, hàng không, ngư nghiệp, y tế, v.v... Các kế hoạch phát triển sản xuất, hình thành mở rộng đô thị, điều chỉnh cơ cấu nông thôn, bố trí dân cư ... điều cần phải có các dữ liệu diễn biến của tính chất khí tượng - thủy văn khu vực. Môn học này được biên soạn cho sinh viên các ngành khoa học môi trường, quản lý môi trường và tài nguyên thiên nhiên, kỹ thuật môi trường, kỹ thuật tài nguyên nước. Mục tiêu của môn học là giúp cho sinh viên hiểu rõ các diễn biến phức tạp của thiên nhiên nhằm phòng, chống, tránh một phần thiên tai, giảm nhẹ các rủi ro trong cuộc sống sản xuất và cải tạo môi trường sinh sống. Môn học Thủy văn môi trường chuyên nghiên cứu các hiện tượng và quá trình vật lý diễn biến trên không trung và mặt đất. Do vậy, môn học sẽ có liên quan đến một loại các môn khoa học tự nhiên như Toán học (hình học, giải tích, đại số, ...), Vật lý (cơ học, nhiệt học, quang học,...), Hóa học (vô cơ, hữu cơ), Sinh học (thực vật, động vật học) và Tin học (xử lý dữ liệu, đồ họa, GIS, ...). Mặt khác, môn học này lại là môn cơ sở cho các chuyên ngành khác như sinh thái, quản lý tài nguyên, bào vệ môi trường, quy hoạch phát triển, kiến trúc, thủy lợi, giao thông vận tải, (hình 1.1)... Trong các dự án phát triển, phần đánh giá đặc điểm môi trường, khí tượng - thủy văn khu vực là một chương không thể thiếu trong lý luận thực tiễn. ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 9 Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- CÁC MÔN CƠ BẢN TOÁN HỌC - VẬT LÝ- HÓA HỌC - SINH HỌC - TIN HỌC - ĐỊA LÝ - THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG (MÔN HỌC CƠ SỞ) CÁC CHUYÊN NGÀNH NÔNG NGHIỆP – SINH THÁI - QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN – KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG - THỦY LỢI - QUY HOẠCH - V.V... Hình 1.1 Quan hệ môn học với các chuyên ngành 1.3 Đặc điểm của hiện tượng thủy văn Hiện tượng thủy văn là một quá trình rất phức tạp liên quan đến nhiều yếu tố khác nhau của tự nhiên. Dòng chảy là kết quả tương tác của 3 nhân tố chính (hình 1.2): 1. Nhân tố khí tượng: như nhiệt độ, mưa, bốc hơi, gió, áp suất không khí, ... Yếu tố này biến động lớn theo thời gian, xảy ra, diễn biến và chấm dứt nhanh, vừa mang tính chu kỳ vừa mang tính ngẫu nhiên. 2. Nhân tố mặt đệm: như diện tích khu vực, địa hình, địa chất, thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật, ... Yếu tố này thay đổi chậm so với thời gian, mang tính qui luật của khu vực, của miền có điều khiện tương tự. 3. Nhân tố con người: bao gồm tất cả các hoạt động do con người gây ra như xây dựng các công trình thủy lợi, khai hoang mở rộng diện tích canh tác, xây dựng nhà máy công nghiệp, trồng hoặc phá rừng, ... . Nhân tố này có thể thay đổi nhanh hoặc chậm, có thể mang tính qui luật hoặc qui luật không rõ ràng. tất cả tùy thuộc vào tính hình kinh tế - xã hội và các biến động của những quyết định chủ quan của con người. Con người cũng là một nhân tố ảnh hưởng đến 2 nhân tố khí tượng và nhân tố mặt đệm. ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 10 Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- DÒNG CHẢY NHÂN TỐ NHÂN TỐ NHÂN TỐ KHÍ TƯỢNG MẶT ĐỆM CON NGƯỜI + MƯA + DIỆN TÍCH LƯU VỰC + CÔNG TRÌNH THỦY + BỐC HƠI + ĐỊA HÌNH - ĐỊA MẠO + CANH NÔNG + GIÓ, NHIỆT ĐỘ + ĐẤT ĐAI + XD CÔNG NGHIỆP + v.v... + v.v... + v.v.. (BIẾN ĐỔI NHANH) (BIẾN ĐỔI CHẬM) (BIẾN ĐỔI ??? !!! ) Hình 1.2 Minh họa các quan hệ hình thành dòng chảy 1.4 Phương pháp nghiên cứu Ba nhân tố hình thành dòng chảy như khí tượng, mặt đệm và con người, do vậy các hiện tượng thủy văn đều mang cả 2 tính chất: tính ngẫu nhiên và tính tất định. Hiện nay, có 3 phương pháp chính trong nghiên cứu thủy văn học: (a) phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành, (b) phương pháp tổng hợp địa lý, (c) phương pháp thống kê xác suất. (a) Phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành Phương pháp này xem sự hình thành một hiện tượng thủy văn như là kết quả tác động của một loạt các nhân tố vật lý, bao gồm các nhân tố vật lý chính và nhân tố phụ cho nhân tố chính. Phương pháp này tìm các mối tương quan giữa các nhân tố và biểu thị chúng dưới dạng các biểu thức, phương trình toán học, các bảng tra cứu hoặc các đồ thị. Các mô hình toán học hoặc vật lý để mô phỏng một hay nhiều hiện tượng thủy văn cũng có thể xây dựng từ phương pháp này. (b) Phương pháp tổng hợp địa lý Phương pháp này có thể chia làm 3 phương pháp khác: • Phương pháp tương tự địa lý: Giả sử có 2 trạm thủy văn (một trạm đang xét và 1 trạm tham khảo), nếu 2 trạm này có những điều kiện địa lý tự nhiên (địa hình, địa mạo, khí hậu, ...) tương tự giống nhau thì ta có thể suy đoán là các điều kiện thủy văn của chúng cũng tương tự như nhau. Dựa vào số liệu của trạm tham khảo ta có thể suy ra số liệu của trạm đang xét trong điều kiện chưa có hoặc không đủ số liệu. ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 11 Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- • Phương pháp nội suy địa lý: Phương pháp này các đặc trưng thủy văn có tính cách là đặc trưng địa lý nên có thể phân khu vực, phân vùng thủy văn hoặc xây dựng các bản đồ đẳng trị của các đại lượng thủy văn. • Phương pháp tham số địa lý tổng hợp: Phương pháp này coi đại lượng thủy văn là hàm của nhiều yếu tố địa lý. Các yếu tố chính được xem xét chi tiết riêng biệt, còn các yếu tố địa lý tập hợp thành các tham số tổng hợp. (c) Phương pháp thống kê xác suất Phương pháp này xem đặc trưng thủy văn xuất hiện như một đại lượng ngẫu nhiên. Vì vậy, ta có thể áp dụng các lý thuyết xác suất và thống kê để tìm qui luật diễn biến của hiện tượng thủy văn, xem sự xuất hiện một giá trị thủy văn nào đó có độ tin cậy và xác suất xuất hiện khác nhau. Phương pháp này sự dụng nhiều trong tính toán các đặc trưng thủy văn cho các công trình thủy lợi. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỦY VĂN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN HÌNH THÀNH + Quan hệ toán học + Mô hình toán + Mô hình vật lý PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP ĐỊA LÝ + Phương pháp tương tự địa lý + Phương pháp nội suy địa lý + Phương pháp tham số địa lý tổng hợp PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ XÁC SUẤT + Lý thuyết thống kê + Phân tích tần suất Hình 1.3 Các phương pháp nghiên cứu thủy văn ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 12 Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1.5 Lịch sử môn học Từ thuở hoang sơ, con người đã phải đối mặt với thiên nhiên, theo dõi sự thay đổi thời tiết và các diễn biến dòng chảy. Từ khi có hoạt động sản xuất nông nghiệp, con người đã dần dần tích lũy được ít nhiều các kinh nghiệm, các qui luật của thiên nhiên, khí hậu, ... và hơn nữa có thể dự đoán một phần các thay đổi thời tiết, dòng chảy để phục vụ sản xuất và bảo vệ mùa màng. Các câu ca dao, tục ngữ về thiên nhiên, thời tiết chính là các ghi chép, truyền miệng ban đầu của ngành khí tượng thủy văn của mỗi dân tộc. Sự phát triển của xã hội loài người, công cuộc mở mang bờ cõi, phát triển sản xuất, con người càng lúc càng vươn xa hơn hơn nơi ở cố định ban đầu của mình và đã dần dần hình thành các bản ghi chép đầu tiên đặt nền móng cho ngành khoa học khí tượng thủy văn. Người cổ Ai Cập đã biết tầm quan trọng của việc đo đạc, đánh dấu, ghi chép và tiên đoán các diễn biến dòng chảy trên sông Nile từ giai đoạn 1800 trước Công nguyên. Tác phẩm Brihatsamhita của Varahamihira (Ấn Độ, 505 - 587) đã mô tả các trạm đo mưa, hướng gió và tiến trình phỏng đoán mưa. Các tài liệu khảo cổ khác cũng cho thấy, các quan sát ghi chép về khí tượng - thủy văn đã tìm thấy ở Trung Quốc, Ai Cập, Ấn Độ, Hy Lạp và một số quốc gia khác từ thế kỷ thứ IV - V. Đến thế kỷ thứ XV - XVI, người ta đã có các dụng cụ đo thời tiết tuy còn thô sơ nhưng cũng đánh dấu một bước tiến quan trọng của lịch sử ngành. Thật sự đến thế kỷ XVII trở đi, các dụng cụ chính xác hơn và các nghiên cứu có tính hệ thống đã thực sự hình thành khoa học về khí tượng - thủy văn. Van Te Chow (1964) đã phân chia lịch sử ngành học Khí tượng - Thủy văn ở Châu Âu ra làm 8 giai đoạn sau: 1. Giai đoạn suy đoán (speculation): trước năm 1400 2. Giai đoạn quan sát (observation): từ 1400 - 1600 3. Giai đoạn đo ghi (measurement): từ 1600 - 1700 4. Giai đoạn thực nghiệm (experimentation): từ 1700 - 1800 5. Giai đoạn hiện đại hóa (modernization): từ 1800 - 1900 6. Giai đoạn kinh nghiệm (empiricism): từ 1900 - 1930 7. Giai đoạn suy luận hóa (rationalization): từ 1930 - 1950 8. Giai đoạn lý thuyết hóa (theorization): từ 1950 - nay Tại Việt nam, từ trước thế kỷ thứ 20 chưa tìm thấy các tài liệu ghi chép về khí tượng và thủy văn. Tuy nhiên, lịch sử cũng đã chứng minh ông cha ta đã có những quan sát và phân tích các hiện tượng thời tiết và dòng chảy. Ngô Quyền đã áp dụng qui luật thủy triều trên sông Bạch Đằng trong trận chiến thắng quân xâm lược Nam Hán. Các câu hát, câu hò, ca dao về thời tiết đã có lâu đời. Hệ thống đê điều ở miền Bắc có được phải từ các nghiên cứu về dòng chảy sông ngòi. Trong thế kỷ 19 đến giữa thế kỷ 20, các triều đình khác nhau đều lưu dụng các quan Hộ đê. Tuy nhiên, khi người Pháp cai trị nước ta, hệ thống quan trắc khí tượng thủy văn mới thực sự hình thành. Tài liệu khí tượng được ghi nhận đầu tiên từ năm 1902, và từ 1010 đến nay, hầu hết các khu vực đều có mạng lưới đo đạc khí tượng thủy văn. Ngày nay, các phương tiện vệ tinh, hệ thống máy tính nhanh và mạnh, các dụng cụ đo theo dõi thời tiết tự động kỹ thuật số đã giúp con người ngày càng hoàn thiện hơn trong công tác theo dõi, đánh giá và dự báo các diễn biến của thiên nhiên. Ngành Khí tượng Nông nghiệp thế giới chính thức thành lập năm 1921, trụ sở tại Rome (Ý). Để phục vụ ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 13 Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- sản xuất nông nghiệp hiệu quả, Tổ chức Khí tượng Nông nghiệp thế giới được đặt trong Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp (Food and Agriculture Organization - FAO) dưới sự hợp tác chuyên môn của Tổ chức Khí tượng Thế giới (World Meteorological Organization - WMO). Đến nay, tổ chức WMO đã có đại diện và các trạm quan trắc, trao đổi số liệu ở nhiều nước và khu vực trên thế giới. Tất cả các số liệu quan trắc và kết quả phân tích đều được lưu trữ. Hệ thống ghi nhận số liệu và trao đổi có thể minh họa như hình 1.4. Môn học khoa học về khí tượng thủy văn đã được hình thành từ lâu và được giảng dạy trong hầu hết các trường đào tạo chuyên ngành về khoa học - kỹ thuật. Hình 1.4 Mạng thông tin khí tượng 1.6 Mạng lưới khí tượng thủy văn ở Việt Nam Ở Việt Nam, cơ quan quản lý việc đo đạt, phân tích và nghiên cứu khí tượng thủy văn của chúng ta là Tổng cục Khí tượng Thủy văn (Department of Meteorology and Hydrology). Hiện nay, các tỉnh thành và khu vực đều có các trạm đo đạc theo nhiều chỉ tiêu khác nhau. Các cán bộ khoa học khí tượng thủy văn cùng các phương tiện đo đạc, tính toán ngày càng hiện đại phục vụ cho sản xuất, ổn định xã hội, hạn chế thiệt hại do thiên tai và các giải pháp khắc phục. Nước ta có 9 vùng khí tượng - thủy văn, có nhiệm vụ theo dõi, đo dạt, phân tích dữ liệu và dự báo diễn biến khí hậu, mực nước, ... Mỗi vùng có một đài khí tượng có nhiệm vụ thông tin thời tiết, phân bố như sau: 1. Đài KTTV vùng Tây Bắc, trụ sở tại thị xã Sơn La. 2. Đài KTTV vùng Việt Bắc, trụ sở tại thành phố Việt Trì. 3. Đài KTTV vùng Đông Bắc, trụ sở tại thành phố Hải Phòng. 4. Đài KTTV vùng Trung du và Đồng bằng Bắc Bộ, trụ sở tại Hà Nội. 5. Đài KTTV vùng Bắc Trung Bộ, trụ sở tại thành phố Vinh. 6. Đài KTTV vùng Trung Trung Bộ, trụ sở tại thành phố Đà Nẵng. 7. Đài KTTV vùng Nam Trung Bộ, trụ sở tại thành phố Nha Trang. 8. Đài KTTV vùng Tây nguyên, trụ sở tại thị xã Pleyku. 9. Đài KTTV vùng Nam Bộ, trụ sở tại thành phố Hồ Chí Minh. ========================================================== ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 14 Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Chương 2. TÀI NGUYÊN NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Các thể chứa nước trên trái đất Nhìn từ vũ trụ về trái đất, ta có thể thấy nước hiện diện từ mọi phía. Đại dương và biển đã chiếm hết 2/3 diện tích bề mặt trái đất, ngoài ra nước còn hiện diện ở các sông suối, ao hồ, đầm lầy, trong đất đá, trong các mạch nước ngầm, trong không khí và cả trong cơ thể sinh vật nữa. Hành tinh chúng ta được gọi để chỉ trái đất và khoảng không gian dày chừng 80 - 90 km bao quanh. Trong trái đất, nước tồn tại ở 4 quyển: khí quyển, thủy quyển, địa quyển và sinh quyển. 1.1.1 Nước trong khí quyển Trong khí quyển, nước tồn tại ở dạng hơi trong sương mù hay các giọt lỏng li ti trong mây, dạng cứng tinh thể trong tuyết hay băng. Mật độ hơi nước giảm dần theo chiều cao. Khí quyển chứa khoảng 12.000 - 14.000 km3 nước, bằng 1/41 lượng mưa rơi hằng năm xuống trái đất. 1.1.2 Nước trong thủy quyển Thủy quyển bao gồm đại dương, biển cả, sông ngòi, khe suối, ao hồ, đầm lầy, v.v... kể cả các khối băng đá bao phủ ở hai cực của địa cầu. Đây là quyển tích nhiều nước nhất. Đại dương và biển cả chứa 1,37 tỷ km3 nước trãi ra trên 360 km2 diện tích, chiếm đến 70,8 % diện tích địa cầu. Nước trong sông suối có khoảng 1.200 km3, trong các ao hồ trên 230.000 km3, thể tích khối băng trong 2 cực ước chừng 26 triệu km3, có chiều dày trung bình 2 - 3 km, nếu các khối bằng này tan ra sẽ làm mực nước biển dâng cao trên 60 m, diện tích biển và đại dương tăng thêm 1,5 triệu km2. 1.1.3 Nước trong địa quyển Trong đất đá, nước chứa trong các mạch ngầm, sông ngầm, ao hồ ngầm, nước còn hiện diện trong các khe hở của đá, trong các liên kết lý hóa của khoáng đá và lượng ẩm trong các lớp thổ nhưỡng. Lượng nước chứa trong địa quyển toàn bộ địa cầu có khoảng 64 triệu km3, trong đó lượng nước trong đới trao đổi - từ mặt đất đến độ sâu 800 m - là khoảng 4 triệu km3 và lượng ẩm trong các lớp đất thổ nhưỡng ước chừng 80 ngàn km3. 1.1.4 Nước trong sinh quyển Nước hiện diện trong cơ thể động vật và trong tế bào thực vật. Lượng này tuy rất ít so với toàn thể lượng nước trên trái đất nhưng rất quan trọng, nếu có sự biến động về lượng nước này trong cơ thể sẽ gây rối loạn trong sự trao đổi chất và đe dọa sự sống ngay. Lượng nước trong sinh quyển ước chừng 10.000 km3. ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 15 Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1.2 Chu trình thủy văn 1.2.1 Chu trình thủy văn Nước trong tự nhiên không ngừng tuần hoàn do tác dụng của năng lượng mặt trời và trọng lực trái đất. Nước trên mặt biển, đại dương, trên mặt sông, hồ ở mặt đất và từ trong sinh vật được mặt trời đốt nóng, không ngừng bốc hơi và phát tán vào khí quyển. Hơi nước trong khí quyển tập trung thànhcác khối mây. Khi gặp lạnh, hơi nước ngưng tụ thành mưa rơi xuống mặt biển, đại dương và mặt đất. Một phần nước mưa bốc hơi trở lại khí quyển, một phần thấm xuống đất thành dòng chảy ngầm rồi đổ ra sông biển, một phần khác chảy tràn trên mặt đất theo trọng lực rồi đổ ra sông, biển. Cứ như thế, nưóc từ trái đất bay vào khí quyển, rồi từ hí quyển đổ vào đất lại tạo ra một chu trình khép kín, hình thành vòng tuần hoàn nước trong thiên nhiên, ta gọi đó là chu trình thủy văn (hydrological cycle). Chu trình thủy văn được minh họa ở hình 2.1 và 2.2. Hầu hết các loại nước đều tham gia vào vòng tuần hoàn, chỉ trừ các loại nước ở trạng thái liên kết hóa học trong các tinh thể khoáng vật, nước nằm trong các tầng sâu của trái đoất và nước ở trong các núi băng vĩnh cửu ở 2 cực. 1.2.2 Minh họa chu trình thủy văn Hình 2.1 Minh họa chu trình thủy văn trên trái đất ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 16 Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- BỨC XẠ MẶT TRỜI KHÔNG KHÍ MƯA BỐC - THOÁT HƠI MƯA ĐỌNG NƯỚC CHẢY Ở LỚP MẶT THẤM BIỂN CHỨA TRONG ĐẤT NƯỚC NGẦM VÀ MƯA ĐẠI LỚN CHẢY TRÀN MẶT CHỨA CHẢY DƯƠNG SỰ CHẢY LẪN TRONG TRONG CHẢY NGẦM SÔNG SÔNG ĐỊA QUYỂN Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống của chu trình thủy văn 1.3 Phân phối nước trên trái đất 1.3.1 Các số liệu về lượng nước trên trái đất Rất khó có kết quả chính xác về lượng nước có trên trái đất, nhưng qua nhiều kết quả khảo sát, tính toán và suy diễn cho ta con số tổng lượng nước có trên hành tinh này ước chừng 1,4 - 1,8 tỷ km3 nước. Khối lượng nước này chiếm chừng 1 % khối lượng trái đất. Nếu đem rãi đều trên toàn bộ bề mặt địa cầu ta sẽ được một lớp nước dày vào khoảng 4.000 m và nếu đem chia đều cho mỗi đầu người hiện nay trên trái đất (trên 6 tỷ người) thì bình quân sẽ được xấp xỉ 30 triệu m3 nước/người. Các số liệu trên đây chỉ là các số liệu khái quát. Thật sự, số liệu về sự phân phối nước trên trái đất lúc nào cũng biến động do trái đất luôn luôn vận động làm các điều kiện khí hậu như nhiệt độ, bức xạ, bốc thoát hơi, gió, … thay đổi làm khối lượng nước thay đổi. Hình 2.3 và 2.4 cho thấy sự phân phối nước trên trái đất theo chiều dày lớp nước trong chu trình thủy văn. Các bảng 2.1, bảng 2.2 và bảng 2.3 là các số liệu cho sự phân nước trên trái đất, trên lục địa và đại dương. ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 17 Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Hình 2.3 Minh họa chiều dày lớp nước trong chu trình thủy văn KHÍ QUYỂN V = 14 x 103 km3 T = 10 ngày 1,8 x 103 0,1 x 103 108 x 103 71,7 x 103 km3/năm km3/năm km3/năm km3/năm 454 x 103 km3/năm ĐỊA QUYỂN BĂNG ĐÁ V = 24 x 103 km3 V = 88,32 x 103 km3 T = 10.000 năm SÔNG V= 230 km3, T ≈ 12 ngày HỒ 416 x 103 V=230x106km3, T≈ 10 năm km3/năm ĐỘ ẨM TRONG ĐẤT 1,2 x 103 V= 75x106km3, T≈ 2-50 tuần km3/năm 38 x 103 SINH QUYỂN km3/năm V = 10 km3, T ≈ vài tuần NƯỚC NGẦM V = 64x106km3, BIỂN và ĐẠI DƯƠNG T ≈ 5-10 ngàn năm V =1370 x 106 km3 NƯỚC NGẦM TRAO ĐỔI T ≈ 2600 năm V = 4 x106km3, T ≈ 300 năm Hình 2.4 Đặc trưng phân phối chính về lượng nước ở dạng tĩnh và động trên trái đất. V là thể tích khối nước tính bằng km3 và T là thời gian tuần hoàn của nước. ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 18 Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Bảng 2.1: Phân phối nước trên trái đất (theo A. J. Raudkivi, 1979). TT NƠI CHỨA NƯỚC THỂ TÍCH DIỆN TÍCH TỈ LỆ (Triệu m3) (Triệu km2) (%) 1 Biển và đại dương 1.370.322,0 360 93.93 2 Nước ngầm 64.000,0 129 4.39 (Lượng nước đến 800 m) (4.000,0) (0.27) 3 Băng hà 24.000,0 16 1.65 4 Hồ nước ngọt 125,0 0.009 5 Hồ nước mặn 105,0 0.008 6 Hơi ẩm trong đất 75,0 0.005 7 Hơi ẩm trong khí quyển 14,0 510 0.001 8 Sinh vật 10,0 0.0008 9 Nước sông 1,2 0.0001 TỔNG CỘNG 1.458.652,2 # 100 Bảng 2.2 Phân phối lượng nước ngọt trên lục địa (theo Livovich, 1973) Diện tích Lượng mưa Chảy tràn Bốc hơi Lục địa Triệu Tổng số Chảy ngầm km2 mm km3 mm km3 mm km3 mm km3 Châu Âu 9,8 734 7165 319 3110 109 1065 415 4055 Châu Á 45,0 726 32690 293 13190 76 3410 433 19500 Châu Phi 30,3 686 20780 139 4225 48 1465 547 16555 Bắc Mỹ 20,7 670 13910 287 5960 84 1740 383 7950 Nam Mỹ 17,8 1648 29355 583 10380 210 3740 1065 18975 Châu Úc 8,7 736 6405 226 1965 54 465 510 4440 Liên Xô (cũ) 22,4 500 10960 198 4350 46 1020 300 6610 TỔNG SỐ * 132,3 834 110305 294 38830 90 11885 540 71468 * Tổng phần đất trong bảng này không kể phần đất của Quần đảo Antarctica, Greenland và Canidian. Bảng 2.3 Cân bằng nước (mm/năm) các đại dương (theo K. Subgramanya, 1994) Đại dương Diện tích Lượng Chảy tràn Bốc hơi Trao đổi với các (triệu km2) mưa từ lục địa đại dương khác Đại Tây Dương 107 780 200 1040 - 60 Bắc Băng Dương 12 240 230 120 350 Ấn Độ Dương 75 1010 70 1380 - 300 Thái Bình Dương 167 1210 60 1140 130 1.3.2 Nhận xét sự phân phối nước trong thiên nhiên 1. Lượng nước trên trái đất tập trung chủ yếu ở đại dương và biển cả, chiếm đến 94% tổng lượng nước trên trái đất. 2. Đa số lượng là nước mặn không sử dụng cho sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp và công nghiệp được. Nước mặn có thể gây nghộ độc muối cho cơ thêí sinh vật và gây ăn mòn các thiết bị kim loại trong công nghiệp. ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 19 Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn
Bài giảng THỦY VĂN MÔI TRƯỜNG Trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3. Lượng nước ngọt ở trong lòng đất và băng hà ở 2 cực là lượng nước ngọt khá tinh khiết, chiếm trên 1,6 % tổng lượng nước trên trái đất, tuy nhiên do xa nơi ở của loài người, vị trí thiên nhiên khắc nghiệt nên chi phí khai thác rất lớn. 4. Con người và các loài thực và động vật khác tập trung chủ yếu ở khu vực sông ngòi nhưng lượng nước sông chỉ chiếm 0,0001 % tổng lượng nước, không đủ cho cả nhân loại sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất công nông nghiệp. Ô nhiễm nguồn nước thường là ô nhiễm nước sông. 5. Lượng nước mưa phân phối trên trái đất không đều và không hợp lý. Tùy theo vị trí địa lý và biến động thời tiết, có nơi mưa quá nhiều gây lũ lụt, có nơi khô kiệt, hạn hán kéo dài. 1.3.3 Vấn đề sử dụng nguồn nước Con người chỉ mới khai thác được 0,017 % lượng nước có trên địa cầu. Theo số liệu báo động của Liên hiệp quốc, hiện nay có trên 50 quốc gia trên thế giới đang lâm vào cảnh thiếu nước, đặc biệt nghiêm trọng ở các vùng Châu Phi, vùng Trung Đông, vùng Trung Á, Châu Úc và cả ở các quốc gia phát triển như Mỹ, Pháp, Nhật, Đức, Singapore, v.v.... Lịch sử thế giới cũng đã ghi nhận có các cuộc xung đột giữa một số nước cũng như lãnh thổ vì muốn tranh giành nguồn nước. Mỗi ngày trên thế giới cũng có hàng trăm người chết vì những nguyên nhân liên quan đến nước như đói, khát, dịch bệnh, ... Các nhà khoa học - kỹ thuật trên thế giới đang làm hết sức mình để khai thác, bổ sung nhu cầu nước cho loài người. Một số phương án táo bạo được đề xuất nhằm mục tiêu phân phối nguồn nước hợp lý như: • Làm thủy lợi, thực hiện các kênh đào khổng lồ đưa nước vào hoang mạc, xây dựng các hồ chứa, tháo nước ở các vùng ngập úng, cải tạo các đầm lầy, ... • Khai thác các nguồn nước ngầm. • Lọc, khử nước biển thành nước ngọt. • Vận chuyển các khối băng hà về dùng. Các công việc trên phục vụ cho kinh tế xã hội loài người và một lần nữa khẳng định vai trò của con người trong việc chinh phục thiên nhiên, hoặc hạn chế thiên tại, cải tạo thế giới. Nguồn nước cần được hiểu như một nguồn tài nguyên quí giá cần phải được bảo vệ và khai thác hợp lý. Tùy vào vấn đề cần giải quyết, các nhà thủy học thường phải có một tập hợp các dữ liệu khu vực khảo sát, gồm: • Các ghi nhận về thời tiết: nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc gió, ... • Chuỗi số liệu về lượng mưa • Các số liệu về dòng chảy mặt đất • Số liệu về bốc thoát hơi nước • Tính chất thấm lọc của khu vực • Đặc điểm nguồn nước ngầm • Tính chất địa lý và địa chất khu vực khảo sát ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 20 Biên soạn: TS. Lê Anh Tuấn