Giáo trình Tài nguyên nước - Chương 1

Chia sẻ: Dalat Ngaymua | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

420
lượt xem 202
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÀI NGUYÊN NƯỚC 1.1 Thế nào là tài nguyên nước? Tài nguyên thiên nhiên là các dạng vật chất, năng lượng, thông tin có giá trị tự thân, thể hiện qua các đặc tính cơ, lý, hoá, sinh... của chúng mà con người đã biết hoặc chưa biết, tồn tại khách quan và tuân theo những quy luật tự nhiên nhất định

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Tài nguyên nước - Chương 1

7 Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÀI NGUYÊN NƯỚC 1.1 Thế nào là tài nguyên nước? Tài nguyên thiên nhiên là các dạng vật chất, năng lượng, thông tin có giá trị tự thân, thể hiện qua các đặc tính cơ, lý, hoá, sinh... của chúng mà con người đã biết hoặc chưa biết, tồn tại khách quan và tuân theo những quy luật tự nhiên nhất định, mà con người có thể sử dụng được trong hiện tại hoặc tương lai. Theo “Thuật ngữ thuỷ văn và môi trường nước”, tài nguyên nước là lượng nước trên một vùng đã cho hoặc lưu vực, biểu diễn ở dạng nước có thể khai thác (nước mặt và nước dưới đất). Điều 2 Luật Tài nguyên nước Việt Nam (1998) quy định "Tài nguyên nước (của Việt Nam) bao gồm các nguồn nước mặt, nước mưa, nước dưới đất, nước biển thuộc lãnh thổ Việt Nam". Rõ ràng, tài nguyên nước của một lãnh thổ là toàn bộ lượng nước có trong đó mà con người có thể khai thác sử dụng được, xét cả về mặt lượng và chất, cho sinh hoạt, sản xuất, trong hiện tại và tương lai. Nước là dạng tài nguyên đặc biệt. Nó vừa là thành phần thiết yếu của sự sống và môi trường, quyết định sự tồn tại, phát triển của xã hội, vừa có thể mang tai họa đến cho con người. Nước có khả năng tự tái tạo về lượng, về chất và về năng lượng. J.A.Jonnes chia tài nguyên nước thành ba loại: Tài nguyên tiềm năng tương lai, là toàn bộ lượng nước có trên Trái Đất mà trong điều kiện hiện nay loài người hầu như chưa có khả năng khai thác, như nước ngầm nằm rất sâu, nước trong băng tuyết hai cực, nước biển và đại dương… Tài nguyên tiềm năng thực tại, là lượng nước có trong lãnh thổ, nhưng ở trạng thái tự nhiên con người khó khai thác và có nguy cơ bị nó gây hại, hoặc xảy ra rủi ro, ví dụ như nước lũ, nước ngầm nằm sâu… Tài nguyên hiện thực của một vùng, là khái niệm trùng với quan điểm truyền thống hiện nay, chỉ toàn bộ lượng nước có trong các thuỷ vực mặt và ngầm mà con người dễ dàng khai thác sử dụng. Giáo trình này giới hạn nội dung trình bày vào những vấn đề liên quan đến loại thứ hai và thứ ba tức tài nguyên nước lục địa. Từ đây về sau, các loại nước này sẽ được gọi theo quy ước là tài nguyên nước. Hộp 1.1. Một số đại lượng biểu thị tài nguyên nước 1. Mực nước H (cm): Là độ cao mặt nước so với một mặt chuẩn quy ước bất kỳ (tương đối), hoặc mặt biển trung bình (tuyệt đối). H cho biết vị trí mặt nước, cung cấp thông tin về lượng nước, dòng chảy, khả năng khai thác, cấp nước và rủi ro. H tương đối dùng để nghiên cứu các vấn đề về nước tại điểm đo. H tuyệt đối cho phép đánh giá các vấn đề về nước tại nơi đo đạc và so sánh, lập tương quan giữa các số liệu đo đạc ở những điểm khác nhau. 2. Độ sâu h (m): Là khoảng cách từ mặt nước tới đáy theo phương thẳng đứng. h cho biết thông tin liên quan tới lượng nước, đặc tính thuỷ lực, khả
8 năng tự làm sạch, chế độ nhiệt của dòng chảy... Độ sâu được đo bằng thước, dây tại từng điểm, hoặc bằng máy đo liên tục theo tuyến. 3. Vận tốc V (m/s): V biểu thị mức độ chảy, động năng của dòng nước, mức độ cực đoan của chế độ dòng chảy. Với cùng một lưu lượng, V tỷ lệ nghịch với diện tích mặt cắt hoạt động và để điều chỉnh V có thể thay đổi diện tích mặt cắt hoạt động bằng các giải pháp khác nhau. 4. Lưu lượng nước Q (m3/s, l/s): Là lượng nước chuyển qua mặt cắt ngang của dòng chảy trong thời gian một giây. Q nước biểu thị lượng và động năng của dòng chảy trong sông. 3 3 5. Tổng lượng nước W = Q. ΔT (m , km ), là lượng nước chảy qua mặt cắt ngang dòng chảy trong thời đoạn nghiên cứu. W đặc trưng tốt nhất cho lượng nước có trong lưu vực. Trong cùng điều kiện hình thành dòng chảy, diện tích lưu vực (F) càng lớn, W sinh ra trên đó và chảy trong sông càng lớn. W được dùng để tính toán cân bằng, điều tiết, phân phối sử dụng nước. 6. Mô đun dòng chảy M = Q/F (l/s.km2) biểu thị trung bình lượng nước hình 2 thành trên một đơn vị diện tích lưu vực (km ), trong một đơn vị thời gian (s), chảy về và đo được tại điểm nghiên cứu. M đặc trưng cho khả năng sinh thuỷ của lưu vực, dùng để so sánh khả năng sinh thuỷ của các lưu vực khác nhau, xây dựng bản đồ tài nguyên nước. 7. Lớp dòng chảy, tức độ sâu dòng chảy Y = W/F (mm) đặc trưng cho khả năng sinh thuỷ của lưu vực, giúp so sánh khả năng sinh thuỷ của các lưu vực, xây dựng bản đồ tài nguyên nước và tính cân bằng nước. 8. Mức đảm bảo về nước nhạt (m3/người/năm): Là lượng dòng chảy bình quân đầu người năm, có giá trị phụ thuộc vào điều kiện khí hậu thuỷ văn tự nhiên và giảm theo sự tăng dân số. Nước có vai trò to lớn trong các quá trình trên Trái Đất: Tham gia thành tạo bề mặt Trái Đất. Tham gia vào quá trình hình thành thời tiết, phân phối nhiệt ẩm theo không gian, thời gian, điều hoà khí hậu. Hấp thụ một lượng đáng kể CO2, tạo điều kiện ổn định CO2 khí quyển. Tham gia hình thành thổ nhưỡng và thảm thực vật. Là môi trường cho các phản ứng hoá sinh tạo chất mới, chuyển dịch vật chất, tạo mỏ khoáng. Là nơi khởi nguồn sự sống và môi trường sống của thuỷ sinh vật. Thuỷ vực nước có những chức năng, giá trị đa dạng sau: Trực tiếp duy trì sự sống của con người và sinh vật. Là nguồn cung cấp loại vật chất cần thiết chưa thể thay thế trong nhiều quá trình sản xuất, kinh tế, xã hội. Là nơi nhận, chứa, xử lý chất thải làm sạch môi trường. Là đường giao thông và nguồn cung cấp năng lượng. Là một thành tố tự nhiên không thể thiếu của cảnh quan, tạo nên tính hệ thống, hoàn chỉnh, nhất thể của nó và các quá trình diễn ra trong nó, từ đó tạo ra các giá trị khoa học, văn hoá, thẩm mỹ, phong thuỷ… Các giá trị sử dụng trên của nước không hoàn toàn song hành, mà có thể có những đối nghịch, triệt tiêu nhau và việc khai thác một chức năng nào đó có thể dẫn đến làm giảm hoặc mất hẳn những chức năng còn lại. Do vậy giá trị tổng hợp của tài nguyên không phải là phép cộng số học các giá trị trên và việc sử dụng hợp lý, hiệu quả tài nguyên nước là một bài toán vô cùng phức tạp. Nhiều cộng đồng đã và đang có xu thế khai thác quá mức một vài chức
9 năng nào đó của tài nguyên nước địa phương, gây tổn thương toàn hệ thống, suy giảm, thậm chí triệt tiêu các chức năng còn lại của nó. Nhiều hoạt động nhân tạo đang làm tổn thương điều kiện hình thành thời tiết, khí hậu, thuỷ văn tự nhiên ở tầm vĩ mô và toàn cầu, làm thay đổi các quy luật hình thành, biến đổi tài nguyên nước vốn tương đối ổn định, gây bất lợi cho các đối tượng sử dụng. − Thực tiễn dùng nước của một địa phương phụ thuộc: 1- Đặc điểm, tính chất của tài nguyên (như số lượng, chất lượng, phân bố theo thời gian và không gian, khả năng tự phục hồi…). 2- Đặc điểm của đối tượng dùng nước (nhu cầu, thói quen, nhận thức, năng lực, khả năng tài chính, công nghệ…). Việc người dân dùng loại nước nào, dùng như thế nào phụ thuộc trước tiên vào khả năng của họ có thể đầu tư ban đầu và chi trả thường kì ở mức nào. Ngoài ra, nó cũng phụ thuộc đáng kể vào thói quen cộng đồng và văn hoá truyền thống. Có những nhóm cư dân chỉ chấp nhận sử dụng một số loại nước nào đó cho sinh hoạt theo thói quen, ví dụ như pha chè bằng nước giếng làng, ăn bằng nước mưa, uống bằng nước mưa không đun sôi… Có lẽ câu ca dao “Toét mắt là tại hướng đình” cũng nên được hiểu đúng hơn là “...tại dùng nước giếng đình đã ô nhiễm để rửa mặt” Nước càng khan hiếm, giá nước càng cao và mặt bằng kinh tế càng phát triển thì giá thành nước cao sẽ càng dễ được chấp nhận. Sự phát triển nhanh của khoa học công nghệ sẽ giúp tìm ra những cách rẻ tiền hơn để khai thác nước từ các nguồn khác nhau, dẫn tới những loại nước kém phù hợp, hoặc khó khai thác, sẽ được đưa vào sử dụng nhiều hơn. Bảng 1.2. Khai thác sử dụng tài nguyên nước tiềm năng Nước lũ khi được giữ lại trong các kho nước để phát điện, phục vụ tưới, giao thông… sẽ trở thành tài nguyên. Điều tiết dòng chảy bằng kho nước đòi hỏi phải có kỹ thuật công nghệ và nguồn lực tài chính ban đầu lớn nên không dễ được lựa chọn và không phải cộng đồng nào cũng thực hiện được. Nước mặn có thể được ngọt hoá, trở thành nguồn cấp quan trọng, nhiều khi là duy nhất cho một số vùng khan hiếm nước. Trên thế giới hiện có trên 1.800 điểm ngọt hoá nước với quy mô và công nghệ khác nhau. Có một công nghệ ngọt hoá nước đơn giản được dân gian áp dụng từ lâu, như xây bể chứa nước mặn có mái bằng kính, nước bốc hơi lên gặp kính sẽ ngưng tụ, chảy theo độ dốc về máng hứng. Sa mạc khô hạn nhất thế giới Atacama - Chi Lê có một loại sương mù từ Thái Bình Dương mang theo nhiều hơi nước. Dân làng Cgungundo đã khai thác được mỗi ngày 11.000 lít nước ngọt bằng cách căng 75 chiếc màn polypropylene, mỗi cái dài 12 mét, rộng 4 mét, cách mặt đất 2 mét để đón gió ẩm và tạo ra nước ngưng tụ. Một số dân tộc và quốc gia, như Ixraen, Liên Xô, Mỹ, Ấn Độ... đã sử dụng thành công nước có độ khoáng hoá cao để tưới liên tục trong thời gian dài, mà không gây thoái hoá đất. Nguyên tắc chung khi dùng nước mặn để tưới là phải thu hết nước thừa, không cho chúng bốc hơi làm mặn đất, không cho chúng ngấm xuống sâu làm dâng mực nước ngầm tới mức tầng mao dẫn có thể lên sát mặt đất, làm nước ngầm bay hơi gây mặn đất. Nước mặn cũng đang được nghiên cứu sử dụng trực tiếp cho sản xuất trong một số công nghệ đặc biệt, như làm nguội máy... Bảng 1.3. Một số phương pháp phân loại nước 1. Phân loại theo độ khoáng hoá (ĐKH): Phân loại chung: Nhạt - ĐKH 25g/l. Phân loại nước nhạt: ĐKH thấp 1.000mg/l. 2. Phân loại theo độ cứng: Thang độ cứng thông thường H(me/l) có năm loại: Rất mềm, H < 1,5 ; mềm, H = 1,5 - 3,0; hơi cứng, H = 3,0 - 6,0; cứng, H = 6,0 - 9,0; rất cứng, H > 9,0. o o o Thang độ cứng Đức (1 = 10mg muối Ca + Mg quy về Oxit canxi /l) có năm loại: rất mềm < 4 ; mềm 4 - 8 ; TB o o o 8 - 18 ; cứng 18 - 30 , rất cứng > 30 . 3. Phân loại của Aliokin theo thành phần hoá học: − −− −− Phân lớp theo 3 anion chính: Lớp bicacbonat + cacbonat ( HCO3 + CO3 , ĐKH nhỏ; Lớp sunphat ( SO4 S); − Lớp clorua (Cl ), có ĐKH lớn. Phân lớp thành 3 nhóm theo cation chính: Nhóm canxi (Ca++); Nhóm magiê (Mg++); Nhóm kali + natri (Na+ +
10 K+). Phân nhóm thành 4 kiểu theo tương quan giữa các ion: − Kiểu I: HCO3 >Ca++ + Mg++, ĐKH nhỏ, thường thuộc về thuỷ vực lưu thông ít, phong hoá macma, trao đổi ++ ++ + Ca và Mg thành Na − − −− - Kiểu II: HCO3 < Ca++ + Mg++< HCO3 + SO4 , ĐKH trung bình, thường liên quan với đá trầm tích, macma, nước sông, hồ, ngầm. − Kiểu III: HCO3 + SO4 −− < Ca++ + Mg++ hoặc Cl− > Na+, ĐKH thường cao, gặp trong các liman, hồ, nước ngầm. − Kiểu IV: HCO3 = 0, nước axit, thường gặp ở đầm lầy, hầm mỏ... 1.2 Nguồn gốc nước tự nhiên Có rất nhiều các giả thuyết đã được đưa ra để giải thích sự phát sinh và tồn tại của nước trong tự nhiên. Mỗi giả thuyết phù hợp với đặc điểm về mặt lượng và chất của một loại nước nào đó. Do chưa có giả thuyết nào phù hợp nhất với mọi loại nước, nên hiện nay nhiều giả thuyết vẫn song song tồn tại. Dưới đây là một số giả thuyết đáng chú ý nhất. Nguồn gốc nguyên sinh của nước là giả thuyết được nhiều người công nhận nhất, theo đó khi Trái Đất được hình thành từ khối khí bụi vũ trụ nóng bỏng co lại, nguội đi, thì phản ứng giữa hyđro và ôxy đã sinh ra hơi nước, tạo thành một đám mây dày đặc bao phủ Trái Đất. Khi nhiệt độ hạ thấp, các đám mây biến thành nước, gây ra một trận mưa như trút trong suốt 60.000 năm, làm đầy các vùng trũng bề mặt đất và nguội lạnh đất. Ngày nay quá trình phun trào và nguội đi của macma từ lòng đất vẫn tiếp tục sinh ra loại nước này nhưng không đáng kể và cân bằng với lượng nước mất đi trong các quá trình phong hoá vật chất và bị giữ lại trong trầm tích. Do đó mức nước biển và lượng nước trên Trái Đất gần như không thay đổi. Thuyết ngưng tụ cho rằng hơi nước dịch chuyển theo các dòng khí giữa các lỗ hổng trong đất, gặp điều kiện thuận lợi sẽ ngưng tụ. Trong điều kiện khí hậu khô hạn, dòng chuyển dịch hơi nước từ khí quyển vào tầng đất thoáng khí là nguồn cấp ẩm quan trọng cho hệ sinh thái địa phương. Thuyết chôn vùi lí giải việc một số mỏ nước dưới đất có thành phần hoá học rất gần với nước biển, có nguồn gốc biển cổ, bị chôn vùi trong quá trình kiến tạo địa chất. Thuyết trầm tích cho rằng một số loại nước có độ khoáng hoá cao trong các thuỷ vực mặt và ngầm, có thể có nguồn gốc khoáng chất từ sự hoà tan trong quá trình chảy tràn trên đất, thấm qua đất và chứa trong đất, hoặc do tích luỹ muối khoáng từ quá trình bốc hơi liên tục trong điều kiện khí hậu khô hạn. 1.3 Thể tồn tại của nước, tính chất và ý nghĩa Trong biên nhiệt độ Trái Đất, nước tồn tại được ở cả ba thể rắn, lỏng, hơi và dễ dàng chuyển hoá được từ thể này sang thể khác. Đây là một dị thường tính chất lý học quý báu khiến nước trở thành hợp chất hoá học có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực tự nhiên, xã hội và khép kín tuần hoàn nước. Khi áp suất tăng, nước có điểm đóng băng giảm, điểm sôi tăng. Ở độ sâu 4.000m trong thuỷ vực, khi nhiệt độ nước
11 nhiên khác; Hơi nước trong khí quyển tạo ra hiệu ứng nhà kính lớn gấp gần hai lần hiệu ứng gây nên bởi các khí nhà kính còn lại; Không có hơi nước, nhiệt độ trung bình Trái Đất sẽ thấp hơn hiện nay 16oC. Trong vùng khô hạn hơi nước là nguồn ẩm quan trọng, góp phần hình thành nước ngưng tụ duy trì sự sống. Nước đóng băng thì nở ra, tăng 11% thể tích, giảm tỷ trọng, nên luôn nổi trên mặt nước. Khi nước trong các lỗ hổng đóng băng, sự trương nở làm lỗ hổng vỡ rộng hơn, tác động tích cực vào quá trình phong hoá vật lý và hỗ trợ cho các quá trình phong hoá hoá học, xói mòn. Nếu nước đóng băng trong không gian kín, sẽ xuất hiện áp lực dư cực lớn, có khả năng phá vỡ mọi kết cấu bao bọc, làm nứt vỡ các tầng nham thạch chứa nước, các vỏ bì… gây chết thực vật và làm tăng phong hoá vật lý đất đá tạo lỗ hổng, khe nứt, hoặc vật chất bở rời. Nước lỏng tồn tại ở nhiều dạng, nhưng chỉ có nước màng, mao dẫn, trọng lực là có khả năng dịch chuyển tốt và hệ sống tiêu thụ được, nên thực sự có ý nghĩa là tài nguyên. Nước màng tồn tại quanh các hạt đất nhờ tác động của lực liên kết vật lý (hấp phụ), nước mao dẫn hình thành và được duy trì trong các mao mạch, lỗ hổng nhỏ, nhờ tác động của lực mao dẫn. Chúng đều có vai trò tạo độ ẩm cho tầng đất thoáng khí, cấp nước cho bốc hơi và thực vật. Nước có nhiệt dung riêng cao, hệ quả là: 1- Trong cùng một điều kiện tự nhiên biên độ nhiệt của khối nước nhỏ hơn nhiều so với biên độ nhiệt của không khí và đất đá, tạo điều kiện thuận lợi cho sự sống của thuỷ sinh và vi khí hậu. 2- Khi bị đốt nóng khối nước tích nhiệt, còn khi nguội đi sẽ toả nhiệt, giúp điều hoà nhiệt năng theo thời gian, tạo vi khí hậu; Khi chuyển dịch theo phương kinh độ, dòng nước sẽ tạo ra sự phân phối lại nhiệt năng theo phương chuyển dịch và góp phần hình thành các đặc điểm khí hậu địa phương. Xích đới, miền bị Mặt Trời đốt nóng mạnh nhất, lại không phải là miền khô nóng nhất, bởi vùng này hầu hết là đại dương, nhiệt năng bị hấp thụ làm nước bốc hơi hoặc đốt nóng khối nước và theo dòng nước nóng đi khỏi khu vực. Các dòng biển lạnh gây khô hạn ở bờ Tây, dòng nóng gây ẩm ướt ở bờ Đông các lục địa. Chỉ riêng dòng Gơnxtrim cung cấp cho mỗi cm2 bờ biển châu Âu 4 tỷ Kcal/năm, tương đương lượng nhiệt toả ra khi đốt 0,5 triệu tấn than. Mật độ nước đạt cực đại tại 4oC và giảm khi nhiệt độ giảm từ 4oC xuống 0oC. Nước truyền nhiệt phân tử kém và nở ra khi đóng băng, do đó tại các tầng nước sâu nhiệt độ nước không xuống dưới 4oC và băng luôn nổi trên mặt nước. Hệ quả là tạo đường giao thông trên băng, lưu thông nước dưới băng, nguồn cấp nước liên tục và môi trường sống liên tục cho các loài thuỷ sinh xứ lạnh trong mùa đông. Dị thường biến đổi mật độ theo nhiệt độ đã tạo ra hai kiểu đối lưu nhiệt khác nhau trong khối nước: Trên 4oC, đối lưu nhiệt xảy ra khi mất nhiệt và lạnh đi từ trên mặt hoặc nóng lên và được cấp nhiệt từ đáy (trường hợp rất ít gặp). Dưới 4oC, đối lưu nhiệt xảy ra khi được cấp nhiệt và nóng lên từ trên mặt. Mọi quá trình đối lưu đều có vai trò đồng nhất hoá các đặc trưng lý, hoá, sinh khác nhau của khối nước, tạo thuận lợi cho nhiều quá trình tự nhiên, đặc biệt là sự sống. Nước có khả năng hoà tan các chất cao, tạo thuận lợi cho các phản ứng hoá học và chuyển dịch vật chất trong môi trường. 1.4 Tuần hoàn nước tự nhiên Tuần hoàn nước là quá trình nước tự vận động khép kín, từ bốc hơi do bị đốt nóng bởi bức xạ Mặt Trời, chuyển dịch theo dòng khí do chênh lệch áp suất, mật độ, đến ngưng tụ sinh
12 mưa rơi xuống mặt đất, tạo dòng chảy trên mặt hoặc trong đất, đổ vào lưới sông và chảy đến các thuỷ vực nơi nó đã bốc hơi dưới tác động của trọng lực. Tuần hoàn nước diễn ra liên tục trên quy mô toàn cầu, nhưng phân hoá về quy mô theo vùng địa lý. Lượng mưa hàng năm ở lục địa là 111.000km3. Nó có nguồn gốc từ bốc hơi trực tiếp là 70.000km3, hơi nước đến từ đại dương là 41.000km3 và tạo ra khoảng 41.000km3 dòng chảy hoàn trả cho đại dương. Lượng dòng chảy này chính là khả năng tái tạo về lượng của tài nguyên nước. Hệ thống thuỷ văn toàn cầu gồm 4 kiểu kho chứa tự nhiên là: đại dương, thuỷ vực lục địa, băng, khí quyển và dòng trao đổi giữa chúng (ở cả ba thể rắn, lỏng, hơi). Dòng giữa các thủy vực mặt và ngầm, giữa các thủy vực ngầm với nhau thường rất phức tạp và có thể có hướng dòng thay đổi theo mùa hoặc pha khác nhau của chu kỳ nước. Khi hai thủy vực thông nhau, những thủy vực có nguồn nuôi dồi dào, có mực nước hoặc mức áp lực thủy tĩnh cao hơn sẽ tạo ra dòng chảy đến thủy vực còn lại. Tuần hoàn nước có vai trò to lớn trong việc phân phối và tái tạo tài nguyên nước, điều tiết nhiệt năng theo thời gian và không gian, tạo khí hậu thời tiết và làm sạch môi trường. Tuần hoàn nước là một chu trình nhạy cảm với biến động, chỉ cần lượng bốc hơi đại dương tăng 2% có thể khiến lượng mưa lục địa tăng 10%. Các hiện tượng khí hậu thời tiết bị chi phối bởi hoàn lưu khí quyển rất nhạy cảm với những biến động thành phần và tính chất của môi trường không khí. 1.5 Cân bằng nước Phương trình cân bằng nước, của một khu vực trong một thời đoạn nhất định, là biểu thức toán học biểu diễn tương quan giữa các phần nước đi vào, đi ra và sự biến đổi lượng nước có sẵn trong khu vực trong khoảng thời gian đó, được cân bằng trên cơ sở định luật bảo toàn vật chất. Biểu thức tổng quát của phương trình như sau: P + N + Mv + Đv – E – Mr – Đr + Vm1 + Vn1 – Vm2 – Vn2 = 0 (1.1) (phần đến) ( phần đi) ( phần thay đổi ) Hay: P = ( E –N ) + ( Mv + Đv ) – ( Mr + Dr ) ± ΔVm ± ΔVn (1.1’) trong đó: P- lượng mưa; E- lượng bốc hơi; N- lượng ngưng tụ; M- dòng chảy mặt; Đ- dòng dưới mặt; V- lượng trữ trong khu vực; ΔV- biến động lượng trữ trong thời đoạn tính; 1- đầu thời đoạn; 2- cuối thời đoạn; m- mặt; n- ngầm; v- vào; r- ra. Khi lượng ngưng tụ không lớn và trong lưu vực có các công trình nhân tạo quy mô lớn chuyển nước vào (Cv ) ra (Cr ) khỏi khu vực, phương trình cân bằng nước (1.1) được biến đổi như sau: P = E +(Mv + Dv + Cv) – (Mr + Dr + Cr) ± ΔVm ± ΔVn (1.2) Độ lớn của dòng nhân tạo so với các thành phần còn lại trong cán cân nước khu vực, tuỳ thuộc trữ lượng nước tự nhiên, nhu cầu và khả năng của con người. Từ góc độ môi trường, đây là thành phần cần quan tâm, vì nó liên quan trực tiếp với các hoạt động nhân sinh, tiềm ẩn nhiều yếu tố gây ô nhiễm môi trường và nó là yếu tố ngoại lai của hệ tự nhiên, nên tiềm ẩn những nguy cơ gây biến đổi bất thường trong hệ. Phương trình cân bằng nước năm, trung bình nhiều năm, của một lưu vực sông kín, có dạng tổng quát như sau: P = E + Y (1.3)
13 trong đó Y là dòng chảy đo đạc tại cửa sông Phân tích phương trình (1.3) cho thấy độ lớn của bốc hơi và dòng chảy bị giới hạn bởi lượng mưa. Khi lượng mưa rất lớn thì độ lớn của bốc hơi không phụ thuộc vào trường ẩm, mà bị giới hạn bởi trường nhiệt. Tại mỗi vùng địa lý đều xác định được bức xạ đến trung bình, từ đó tính được lượng bốc hơi lớn nhất có thể (bốc hơi khả năng). Phần lượng mưa vượt khả năng bốc hơi sẽ sinh dòng chảy, nên mưa càng lớn, dòng chảy càng lớn. Khi lượng mưa nhỏ, độ lớn của bốc hơi phụ thuộc vào mưa, còn độ lớn của dòng chảy phụ thuộc vào mưa và nhiệt. Trong vùng ít mưa, hầu hết lượng mưa tổn thất vào bốc hơi, nên dòng chảy thường hạn chế, thậm chí không có. Vùng có tâm dòng chảy lớn luôn trùng với vùng có tâm mưa lớn và ngược lại. Bốc hơi thực tế từ bề mặt lưu vực phụ thuộc: Khả năng cấp nhiệt cho quá trình bốc hơi, độ ẩm không khí, nghĩa là phụ thuộc chủ yếu vào đặc điểm của dòng bức xạ, gió, nhiệt độ, độ ẩm không khí. Khả năng hấp thụ nhiệt bức xạ Mặt Trời, độ ẩm và khả năng nhả nước của bề mặt bốc hơi. Trong vùng khô hạn, nếu lượng nhiệt cung cấp cho quá trình bốc hơi luôn sẵn, thì việc cấp thêm nước làm tăng độ ẩm đất, tăng diện tích mặt nước sẽ làm tăng bốc hơi thực tế, giảm hiệu suất sử dụng nước, dẫn đến tăng giá thành cấp nước. Bảng 1.1. Cân bằng nước lục địa (mm/năm) Stt Châu lục Bốc hơi Mưa Dòng chảy Hệ số dòng chảy 1 Châu Âu 390 640 250 0,39 2 Châu Á 310 600 290 0,48 3 Châu Phi 430 690 260 0,38 4 Bắc Mỹ 320 660 340 0,52 5 Nam Mỹ 700 1.630 930 0,57 6 Châu Úc 420 470 50 0,11 Lvovich diễn toán dòng chảy sông ngòi Y thành hai phần, có nguyên nhân hình thành, đặc tính và khả năng sử dụng khác nhau, là dòng lũ (dòng mặt S) và dòng ngầm (U). Dòng lũ thuộc loại không ổn định, sinh ra khi có mưa lớn, tạo thành lớp nước trên mặt, chảy tràn theo sườn dốc, tập trung rất nhanh về lưới sông trong thời đoạn ngắn, làm nước sông dâng cao, vận tốc, lưu lượng dòng chảy lớn, tiềm ẩn nhiều yếu tố tai biến rủi ro, khó khai thác sử dụng. Dòng ngầm thuộc loại ổn định, mức nước tương đối thấp nhưng đều đều quanh năm, cả khi không có mưa. Nó được gọi là dòng ngầm do nguồn gốc phát sinh, bởi trên các con sông lớn, từ trong đất đá luôn có dòng chảy từ nước dưới đất ra nuôi sông. Trung bình toàn lục địa dòng chảy ngầm chiếm 31% tổng lượng dòng chảy, theo châu lục dòng chảy ngầm chiếm 22 - 36% tổng lượng dòng chảy (bảng 1.3). Dòng chảy ổn định có thể được xem là tài nguyên nước sông thực tại, là phần mà con người dễ dàng khai thác sử dụng được. Từ đây phương trình (1.3) được viết lại như sau: P – S = U + E = W. (1.4) Lvovich gọi W là lượng ẩm toàn phần lưu vực. Lượng ẩm toàn phần lưu vực là phần lượng mưa cung cấp cho đất, được đất tiêu hao vào hai quá trình là cấp nước nuôi dòng chảy sông ổn định và bốc hơi. Đây là thành phần cán cân nước có vai trò quan trọng nhất trong các hệ sinh thái tự nhiên. Phương trình cân bằng nước có ý nghĩa to lớn trong nghiên cứu tài nguyên nước, đó là: Đánh giá vai trò, ý nghĩa của từng thành phần trong cán cân nước.
14 Tính một thành phần khi biết các thành phần còn lại trong cân bằng. Kiểm tra độ chính xác của thiết bị và phương pháp đo đạc các yếu tố trong cán cân nước, đặc biệt là khi nghiên cứu một thiết bị đo hay một phương pháp mới. Tính toán cán cân nước để giải bài toán quy hoạch phát triển, phân phối và sử dụng hiệu quả tài nguyên nước Phân tích cân bằng nước khu vực cho biết đặc điểm về điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng, cây trồng, địa hình, địa chất… những thuận lợi và khó khăn trong việc khai thác sử dụng tài nguyên nước. So sánh cân bằng nước trong những giai đoạn khác nhau cho phép phát hiện những dấu hiệu biến động, từ đó định hướng nghiên cứu nguồn gốc biến động tài nguyên nước. Trên cơ sở kết quả tính toán cân bằng nước, có thể xác định chính xác lượng nước cần bổ sung để đảm bảo cán cân nước thuận lợi nhất cho các mục tiêu sử dụng. Tuy nhiên, cần lưu ý đến mối quan hệ tương hỗ giữa các thành phần cân bằng nước trong một khu vực. Khi làm thay đổi một trong các thành phần của cân bằng thì các thành phần khác có thể biến đổi tương ứng. Ví dụ như khi tăng dòng nhân tạo vào khu vực khô hạn sẽ có khả năng làm tăng bốc hơi. Từ đó phải nghiên cứu, tìm ra phương thức tác động tới hệ tự nhiên sao cho đạt hiệu quả kinh tế tối ưu. 1.6 Quy luật phân bố nước theo không gian Nước phân bố không đồng đều theo không gian (hình 1.1). Việc tính chính xác tỷ phần nước trong các thuỷ vực khác nhau còn gặp một số khó khăn. Theo J.A. Jonnes, 97,41% thể tích nước Trái Đất nằm trong biển và đại dương, 1,98% trong băng tuyết hai cực, núi cao, còn lại 0,61% nằm rải rác trong không khí và các thuỷ vực mặt, ngầm ở lục địa (bảng 1.2). Bảng 1. 2. Phân bố nước theo thuỷ vực và chu kỳ đổi mới của nó Thuỷ vực Dung tích 103 % tổng % tổng lượng Chu kì đổi mới Km3 dung tích nước ngọt Đại dương 1.350.000 97,41 0 3.000 năm Băng tuyết 27.500 1,98 85,9 8000-15000năm Lục địa 8.477,8 0,61 Dưới đất 8.200 0,59 13,5 5000 năm Hồ 100 0,007 0,313 10 năm Ẩm đất 70 0,005 0,219 2 tuần - 1 năm Khí quyển 13 0,001 0,04 2 tuần Sông 1,7 0,0001 0,005 Sinh quyển 1,1 0,0001 0,003 Kho nước 5 0,0004 0,016 Đất tưới 2 0,0002 0,006 Nước ngọt 32,014 2,31 Các thuỷ vực lớn chứa nước rắn, nước tĩnh, hoặc cách trở với nguồn ẩm chính, có chu kỳ đổi mới rất lớn, không thuận lợi cho tái tạo về lượng và chất, khó đáp ứng các nhu cầu khai thác sử dụng quy mô lớn. Chậm đổi mới nhất là nước trong băng tuyết hai cực, có thể cần tới 15.000 năm, đổi mới nhanh nhất là nước sông ngòi, chỉ một hai tuần là nước từ đầu nguồn đã hoàn thành hành trình ra đến cửa sông (bảng 1.2).
15 HÌNH 1.1 : SƠ Đồ PHÂN VÙNG TÀI NGUYÊN NƯớC THế GIớI Rất nhiều người nhầm tưởng những loại nước không nằm trong biển và đại dương đương nhiên là nước ngọt. Thực tế không phải như vậy. Một phần nước ngầm và nước hồ có độ khoáng hoá khá cao. Trên thế giới nước tự nhiên có độ mặn cao nhất không nằm trong biển và đại dương, mà ở hồ Chết, nơi người và động vật không thể chìm hoàn toàn trong nước được. Chỉ có 2,31% tổng thể tích nước Trái Đất là nước ngọt, trong đó 85,9% nằm trong băng tuyết hai cực và núi cao, 13,5% nằm trong nước ngầm. Sông ngòi chứa được 1.700km3 nước, chiếm 0,0001% tổng lượng và 0,005% lượng nước ngọt của Trái Đất (bảng 1.2, 1.3). Bảng 1.3. Tài nguyên nước sông ngòi các châu lục W điều W ổn định và W tự nhiên (km3/năm) tiết điều tiết Lục địa (km3/năm (m3/người/nă Ổn định ) m) Tổng Tổng % Châu Âu 3.100 1.125 36 312 2.009 Châu Á 13.190 3.440 26 1.198 1.481 Châu Phi 4.225 1.500 36 564 3.193 Bắc Mỹ 5.950 1.900 32 1.115 7.236 Nam Mỹ 10.380 3.740 36 4.135 27.154 Châu Úc 1.965 465 24 273 27.895 Tổng 38.830 12.170 31 7.597 7.597 Ngoài ra, phần lớn lượng nước ngọt của Trái Đất phân bố ở những nơi không thuận lợi cho khai thác, như trong băng tuyết vĩnh cửu ở hai cực, trên đỉnh núi cao hoặc nằm rất sâu dưới lòng đất. Theo thông tin từ vệ tinh, dưới đáy hoang mạc Sahara có dấu tích lòng sông rõ rệt, chứng tỏ vùng này từng một thời rất ẩm ướt và hiện vẫn còn một bể nước ngầm khổng lồ, trữ lượng khoảng 600.000km3 mà con người chưa khai thác được. Trong cân bằng nước các châu lục (bảng 1.1), xét theo lớp dòng chảy, Nam Mỹ có tài nguyên nước dồi dào nhất, gấp 3 lần trung bình thế giới, còn châu Úc có tài nguyên nước hết
16 sức hạn chế, chỉ bằng khoảng 1/6 trung bình thế giới. Do đó, châu Úc chắc chắn sẽ có những phần hệ sinh thái khô hạn, còn Nam Mỹ sẽ có nhiều hệ sinh thái ẩm. Tuy nhiên, tiềm năng cấp nước thực tế được đánh giá căn cứ theo bình quân theo đầu người hoặc diện tích. Khi đó, bình quân nước sông theo đầu người của châu Úc lại là lớn nhất, gấp 7 lần trung bình thế giới (do dân cư thưa thớt), châu Á có bình quân nước sông theo đầu người thấp nhất, bằng khoảng 0,4 lần trung bình thế giới. Việt Nam có bình quân nước theo diện tích gấp >3 lần thế giới, nhưng bình quân theo đầu người chỉ bằng 2/3 thế giới (bảng 1.4). Bảng 1.4. Tài nguyên nước một số quốc gia trên thế giới Bình quân đầu Tổng lượng Tỷ lệ so với Bình quân diện tích 3 Quốc gia 3 3 3 2 người 10 km toàn cầu 10 m /km 3 m /người Brazin 9.230 22,2 1.084 135 CHLBNga 4.003 9,6 234 23,5 TrungQuốc 2.550 6,1 268 2,6 Canađa 2.472 5,9 248 102 Mỹ 1.938 4,7 207 9,1 Ấn Độ 1.680 4,1 514 2,4 Nauy 405 0,98 1.248 102 Pháp 183 0,4 332 3,7 Việt Nam 88 0,7 917 5,6 Toàn cầu 41.500 100 279 9,0
17 1.7 Quy luật biến động nước theo thời gian 1.7.1 Tính chu kỳ Theo thời gian tài nguyên nước phân phối không đồng đều. Hai chu kỳ biến động rõ nét nhất của tài nguyên nước theo thời gian là chu kỳ mùa và chu kỳ nhiều năm. Chu kỳ mùa: Chế độ nước trong các thuỷ vực tăng cao trong một số tháng liên tục (mùa lũ) và hạ thấp trong một số tháng liên tục còn lại (mùa kiệt) một cách có quy luật rõ ràng. Cách phân mùa dòng chảy sông ngòi đơn giản nhất là theo chỉ tiêu vượt trung bình: Mùa lũ là thời kỳ không dưới hai tháng liên tiếp có lưu lượng trung bình tháng bằng hoặc vượt lưu lượng trung bình năm, với xác suất vượt trung bình không dưới 50%. Theo chỉ tiêu này có thể xác định được mùa lũ và kiệt cho bất kỳ năm nào, không quan tâm tới mức độ ác liệt của dòng chảy các mùa. Chu kỳ mùa của dòng chảy sông dao động tương đối đồng pha với chu kỳ mưa. Chu kỳ mùa của nước dưới đất giảm dần về phương diện phân hoá và chậm dần về thời gian bắt đầu, kết thúc tuỳ theo sự tăng độ sâu phân bố và mức độ được cấp do ngấm từ mưa. Chu kỳ nhiều năm: Là sự dao động chế độ dòng chảy theo chu kỳ dài, mỗi chu kỳ có một số năm ít nước liên tiếp (pha ít nước) và một số năm nhiều nước liên tiếp (pha nhiều nước), giữa chúng có thể có một số năm chuyển tiếp với những giá trị nước trung bình. Nghiên cứu chế độ dòng chảy sông ngòi thế giới đã phát hiện thấy chu kỳ nhiều năm dòng chảy thường có giá trị gần với 11 hoặc bội của 11 năm. Ví dụ: Trên sông Hồng, tại Hà Nội, đã quan sát được ba năm nước đặc biệt lớn là 1945, 1971, 1996, là mốc giới rõ rệt giữa các chu kỳ nước 25 - 26 năm. Do có chu kỳ nhiều năm, nên trung bình nhiều năm biến động lượng nước khu vực (cả nước mặt và nước ngầm) đều bằng không. Tính chu kỳ của tài nguyên nước là hệ quả của việc một số yếu tố hình thành chúng biến động có tính chu kỳ. Chu kỳ mùa có nguyên nhân từ những quá trình của tự thân Trái Đất, còn chu kỳ nhiều năm hiện được coi như có nguyên nhân từ các quá trình diễn ra trong vũ trụ, trong đó người ta đặc biệt nhấn mạnh tới chu kỳ 11 năm hoạt động của Mặt Trời. Tính chu kỳ nhiều năm của tài nguyên nước chưa được các đối tượng sử dụng nước hiểu biết đầy đủ như tính chu kỳ năm, nhất là trong giai đoạn hiện nay. Đôi khi những biểu hiện cực biên của chế độ khí hậu, thuỷ văn mang tính chu kỳ cũng gây nên những hiện tượng, thời tiết, thuỷ văn cực đoan, nhưng chúng đều có thể dự báo và ứng phó được. Sẽ là sai lầm nghiêm trọng nếu chúng ta đánh đồng các hiện tượng này với những biến đổi khí hậu toàn cầu, là hiện tượng có liên quan với các tác động tới môi trường không khí ở tầm vĩ mô. Tính chu kỳ của tài nguyên nước là cơ sở cho việc lập bài toán quy hoạch, ra quyết định phát triển, cũng như thiết kế, vận hành các công trình điều tiết dòng chảy. Để thích ứng được với nhịp điệu thời gian của chế độ dòng chảy, con người sẽ phải hoặc là điều tiết nhịp điệu sản xuất và dùng nước, hoặc là xây dựng hồ chứa để điều tiết dòng chảy. Những cố gắng mở rộng sản xuất không tính tới tính chu kỳ của tài nguyên nước có thể sẽ làm nảy sinh mâu thuẫn giữa nhu cầu dùng nước, với khả năng cấp hạn chế trong các mùa và pha nước ít, gây khủng hoảng tài nguyên, sinh thái, môi trường và phát triển. Tính biến động có chu kỳ của tài nguyên nước là cơ sở cho việc hình thành những tập quán truyền thống trong khai thác nước nói riêng và phát triển sản xuất, kinh tế, xã hội nói chung trong những vùng địa lý khác nhau. 1.7.2 Tính ngẫu nhiên
18 Dòng chảy là sản phẩm tác động của nhiều yếu tố ngẫu nhiên. Khi các yếu tố ngẫu nhiên đều có tác động đáng kể tới dòng chảy thì nó sẽ mang tính ngẫu nhiên rõ rệt. Những hiện tượng thuỷ văn, như lũ lụt, hạn hán, xảy ra theo chu kỳ, nhưng các đặc trưng định lượng của chúng, như độ lớn, thời điểm xuất hiện..., lại có tính ngẫu nhiên và tuân theo một số quy luật ngẫu nhiên nhất định. Phân phối dòng chảy sông thiên nhiên trung bình năm và cực đại rất gần với phân phối loga chuẩn, Kriski - Men Ken, Pirson III. Các tham số ngẫu nhiên được dùng nhiều nhất là mô men bậc I, II, III, chúng cho biết giá trị trung bình, mức biến đổi và đối xứng của chuỗi. Đó là cơ sở cho phép ứng dụng các lí thuyết xác suất thống kê vào nghiên cứu dòng chảy, xác định xác suất xuất hiện một giá trị nào đó trong khoảng biến động có thể của chuỗi, cho dù hiện tượng đã từng xảy ra hay chưa, hoặc tính được gần đúng giá trị của đại lượng cần nghiên cứu ứng với xác suất định trước, bao gồm cả các giá trị có xác suất hiện nhỏ và rất nhỏ. Các công trình xây dựng bền vững trên, trong, hoặc liền kề các dòng sông đều phải thiết kế ứng với một tần xuất dòng chảy rất hiếm nào đó, ví dụ 1%, 0,1%..., để đảm bảo độ bền vững và an toàn. Các công trình khai thác nước, phục vụ giao thông thuỷ thường phải thiết kế ứng với những tần suất thường gặp nào đó, ví dụ 75%, 90%, 99%... Tuy nhiên giữa tần suất xuất hiện và chu kỳ lặp của hiện tượng không đồng pha nhau, một giá trị ứng với tần suất 1% không có nghĩa là phải sau đúng 100 năm mới xảy ra, nhất là khi hiện tượng thuỷ văn còn có tính chu kỳ. Hơn nữa, tính toán thống kê không trả lời được câu hỏi khi nào thì hiện tượng đó xuất hiện, đồng thời chuỗi số liệu càng ngắn thì sai số tính toán càng cao. Vì thế việc sử dụng lí thuyết xác suất thống kê để tính toán dòng chảy chỉ có thể được sử dụng trong những điều kiện nhất định. Bảng 1.4. Điều kiện áp dụng lí thuyết xác suất thống kê tính tài nguyên nước Lý thuyết xác suất thống kê được dùng nghiên cứu chuỗi dòng chảy ngẫu nhiên độc lập nhau về giá trị, tương đối đồng nhất về nguyên nhân hình thành, như dòng chảy trung bình năm, mùa, cực trị... Tính đại biểu của chuỗi thuỷ văn chỉ thể hiện khi nó có độ dài lớn >50 ÷100 giá trị và tạm được chấp nhận khi chuỗi có >10 ÷ 30 giá trị của những chu kì nước tương đối trọn vẹn. Tính ngẫu nhiên của hiện tượng thuỷ văn chỉ có tính trội trong những điều kiện nhất định, do vậy lý thuyết xác suất thống kê chỉ được phép sử dụng khi đã có những kết luận rõ ràng về tính ngẫu nhiên, đại biểu của mẫu và tính phù hợp của luật phân phối lí thuyết với phân phối thực của mẫu trong thời kì tính toán. Chỉ tiêu kiểm định thường dùng là: 1- Chỉ tiêu dấu, Uyn-Cốc-Sơn, Vanđơ-Varđơ, Stu-đen kiểm định tính đồng nhất của trị trung bình; 2- Chỉ tiêu Fi-sơ, Cốc-ren, χ2 kiểm định tính đồng nhất của phương sai; 3- Chỉ tiêu hiệu 2 liên tiếp, độ dài bộ và số bộ kiểm định tính ngẫu nhiên của chuỗi; 4-Chỉ tiêu χ , Côn-ma-gô-rốp kiểm định mức độ phù hợp của hai phân phối. Việc kiểm định là bắt buộc khi: 1- Chuỗi số liệu bị nghi là không đồng nhất về điều kiện hình thành; 2- Nghiên cứu các đặc trưng không truyền thống, chưa được kiểm nghiệm, xác nhận là có tính ngẫu nhiên; 3- Sử dụng phân phối lý thuyết mới. Ngoài việc sử dụng các quy luật ngẫu nhiên lý thuyết, khi số liệu nghiên cứu đủ tin cậy, có thể sử dụng chính các giá trị của chuỗi để xây dựng đường phân phối thực nghiệm, từ đó xác định các tham số ngẫu nhiên và các giá trị dòng chảy ứng với mọi tần suất.
19 1.8 Khả năng tự tái tạo của tài nguyên nước Nước có thể tự tái tạo về lượng, chất và năng lượng. Khả năng tái tạo của nước phụ thuộc vào các yếu tố chính sau: Chất và lượng nguồn cấp nước. Khả năng tự làm sạch của thuỷ vực, phụ thuộc đặc điểm hình thái lòng chứa, các quá trình động lực và lý hoá sinh học diễn ra trong thuỷ vực. Đặc điểm quá trình tiêu hao lượng và chất nước. Khả năng tự tái tạo của nước hạn chế và cần những điều kiện nhất định. Một thuỷ vực khi đã bị khai thác quá khả năng tự phục hồi sẽ suy thoái, cạn kiệt, không còn khả năng cho khai thác. 1.8.1 Khả năng tái tạo lượng và năng lượng nước Khả năng tự tái tạo về lượng và năng lượng của nước là khả năng tự bảo toàn giá trị và phục hồi phần bị tiêu hao, được thực hiện nhờ tuần hoàn nước. Miền cấp nước càng rộng và quá trình cấp nước càng mạnh mẽ, khả năng tái tạo này càng lớn. Nước sông có khả năng tự phục hồi về lượng và năng lượng cao nhất; Nước ngầm nằm sâu, nước trong các vùng khí hậu khô hạn nặng có khả năng tái tạo về lượng kém nhất. 1.8.2 Khả năng tự tái tạo chất nước Khả năng tự tái tạo về chất của nước là khả năng tự làm sạch thông qua các quá trình cơ lý, hoá, sinh khác nhau sau: 1.8.2.1 Chuyển dịch Nước chảy xuôi dòng, mang vật chất ô nhiễm đi xa khỏi vùng tiếp nhận, hoặc ra khỏi thuỷ vực nhận chất ô nhiễm, đến những môi trường mới. Chuyển dịch xuôi dòng giúp làm sạch nước tại điểm đi, nhưng là nguyên nhân cho những quá trình khó đoán trước tại nơi đến theo hai xu thế sau: Gây ô nhiễm tại nơi đến nếu môi trường nhận không có điều kiện thuận lợi cho làm sạch. Phân huỷ, loại trừ hoàn toàn chất gây ô nhiễm, nếu môi trường nhận có điều kiện thuận lợi. 1.8.2.2 Pha loãng Được thực hiện khi nồng độ chất ô nhiễm của nước trong thuỷ vực thấp hơn nhiều so với nguồn ô nhiễm, hoặc khi thuỷ vực ô nhiễm nhận được lượng nước mới chất lượng sạch hơn. Tỷ lệ giữa tổng lượng chất ô nhiễm với lượng nước sạch dùng để pha loãng càng nhỏ, khả năng pha loãng càng cao. Xáo trộn càng mạnh, pha loãng càng dễ thực hiện và xảy ra trên diện rộng. Pha loãng không trực tiếp làm giảm lượng chất ô nhiễm có trong khối nước, nhưng nó làm giảm nồng độ chất ô nhiễm, tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình tự làm sạch khác, đồng thời tạo cảm quan môi trường tốt hơn, cải thiện các đặc trưng lý học của nước. 1.8.2.3 Lắng đọng
20 Là quá trình vật chất không tan chuyển trạng thái từ lơ lửng trong khối nước sang tích luỹ trong vùng đáy, góp phần loại vật chất ra khỏi khối nước, làm giảm nồng độ chất ô nhiễm trong nước, tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình hóa sinh tự làm sạch nước. Tuy nhiên nó không loại được chất ô nhiễm ra khỏi thuỷ vực, mà lại đưa chúng vào một môi trường mới ít ôxy, kém thuận lợi hơn cho phân huỷ hoá sinh tự làm sạch, tạo ra tích luỹ ô nhiễm trong trầm tích đáy, sinh ra trầm tích bùn đen, có mùi thối và chứa rất nhiều chất độc hại. Đây cũng là môi trường sinh sống của hệ sinh vật đáy, nên nguy cơ tích luỹ chất ô nhiễm theo dây chuyền sinh học sẽ rất cao. Ngoài ra, trạng thái lắng đọng của một loại vật chất nào đó chỉ là tương đối, khi điều kiện thuỷ lực trong khối nước thay đổi, nó lại có thể bị cuốn trở lại trạng thái lơ lửng. Trong tự nhiên, quá trình pha loãng, chuyển dịch diễn ra thuận lợi nhất trong sông chảy xiết, còn lắng đọng diễn ra thuận lợi hơn trong các hồ. 1.8.2.4 Khả năng tự làm sạch hoá học của nước Làm sạch hoá học được thực hiện nhờ phản ứng hoá học biến đổi một số chất thành những chất mới ít gây hại hơn, như ít độc hơn, có thể kết tủa, bay hơi... Tốc độ phản ứng phụ thuộc phức tạp vào điều kiện môi trường, nồng độ chất tham gia phản ứng, sự có mặt của các chất khác có chức năng xúc tác... mà trong nhiều trường hợp chúng ta không biết rõ ràng. 1.8.2.5 Khả năng tự làm sạch hoá sinh của nước Làm sạch hoá sinh được thực hiện nhờ các phản ứng phân huỷ chất hữu cơ bằng vi sinh vật hiếu khí. Quá trình diễn ra thuận lợi khi: Điều kiện sống của vi sinh vật phân huỷ hiếu khí được đảm bảo, không có chất độc hại; Nồng độ chất ô nhiễm không quá cao; Ôxy hoà tan được cung cấp liên tục, đầy đủ. Nguồn cấp ôxy chủ yếu cho nước là từ khí quyển qua mặt nước và quang hợp của thuỷ thực vật trong tầng nước mặt vào ban ngày. Ôxy hoà tan chỉ xuống sâu được nếu khối nước xáo trộn tốt. Trong nước chảy mạnh, ôxy từ khí quyển được bổ sung nhanh vào nước và xáo trộn đồng đều hơn trong toàn khối. Tuy nhiên nước chảy mạnh không thuận lợi cho duy trì các tập đoàn thực vật quang hợp cũng như vi sinh vật làm sạch nước, nên quá trình tự làm sạch ở đây chủ yếu là bằng pha loãng, chuyển dịch và phân huỷ hoá học. Thuỷ vực nước tĩnh tự làm sạch chủ yếu bằng phân huỷ hoá sinh ở tầng trên và lắng đọng. 1.8.2.6 Lọc sinh học: thực hiện được theo các cơ chế sau: Lọc trực tiếp bởi động vật thân mềm: Mytilus cỡ 5 - 6 cm lọc được 3,5l/ngày, trai dài 5 - 6 cm lọc 12l/ngày, ấu trùng Chironomus Plumosus với mật độ 90.000 con/m2 sử dụng 250g chất hữu cơ ngày, trong đó đồng hoá 100g, còn lại bị vô cơ hoá. Tích tụ chất bẩn và chất độc (Coban, Cadimi…). bằng cách hấp thụ và tích luỹ chúng trong sinh khối động thực vật. Phá huỷ hoặc vô hiệu hoá chất độc. Trong một số trường hợp chất độc trở thành thức ăn, nguồn cấp O2 cho một số loài… Người ta đã tìm ra hàng trăm loài vi khuẩn, nấm có khả năng phân huỷ dầu mỏ, giúp loại trừ 10 - 90% tổng lượng dầu và các sản phẩm của dầu có trong nước. Thực tế tại nhiều vùng nước biển bị ô nhiễm dầu không được xử lý bằng các phương pháp hoá học, hệ sinh thái đã tự làm sạch khá tốt nhờ cơ chế này. Lọc sinh học là một quá trình làm sạch tự nhiên có vai trò to lớn. Tuy nhiên, sinh khối của các “vật liệu lọc” này chứa độc chất, nên cần phải được kiểm soát đặc biệt, như thu gom chuyển ra khỏi lưu vực hoặc xử lý làm sạch..., đồng thời nghiêm cấm đưa vào dây chuyền thức ăn dưới mọi hình thức.
21 1.9 Tính địa đới của tài nguyên nước Tính địa đới của tài nguyên nước có nguồn gốc từ tính địa đới của các yếu tố hình thành. Dưới tác động của các tác nhân vũ trụ và Trái Đất, hình thành sự phân hoá các điều kiện khí hậu, cảnh quan như chế độ bức xạ, mưa, nhiệt, bốc hơi, thảm thực vật theo vĩ độ. Diện tích lưu vực càng lớn, tính bình quân càng cao, ảnh hưởng của các yếu tố vi mô (phi địa đới) bị lu mờ, thì các yếu tố địa đới càng thể hiện tác động trội, dẫn tới tính địa đới của các hiện tượng thuỷ văn càng rõ nét. Dòng chảy có tính tương tự địa lý. Hai lưu vực có kích thước gần như nhau, phân bố trong cùng một vùng khí hậu, có đặc điểm bề mặt lưu vực tương tự nhau, tức có cùng điều kiện hình thành dòng chảy, gọi là lưu vực tương tự, thì sẽ có dòng chảy sông ngòi gần như nhau. Điều này đặc biệt quan trọng đối với nghiên cứu và khai thác tài nguyên nước, vì: 1- Đây là cơ sở cho việc phân vùng, lập bản đồ tài nguyên nước theo các đặc trưng thuỷ văn hoặc theo điều kiện hình thành dòng chảy. 2- Hệ thống thuỷ văn phân bố ở khắp nơi, nhiều vùng sâu, vùng xa, vùng khó khăn chưa phát triển sẽ không có hệ thống trạm quan trắc, do đó không có thông tin hệ thống phục vụ cho quy hoạch phát triển. Phương pháp lưu vực tương tự cho phép bổ sung thông tin thiếu một cách nhanh chóng và hợp lý. Bản đồ tài nguyên nước gồm các loại: 1- Bản đồ phân vùng, thể hiện các thông số không liên tục theo cách thức phân chia lãnh địa ra thành những vùng mà thông số đó có cùng giá trị, ví dụ như bản đồ chỉ số bảo đảm nước ngọt, bản đồ chế độ mưa, dòng chảy... 2- Bản đồ đường đồng mức (hay đường đẳng trị), thể hiện các thông số biến đổi liên tục theo không gian, trong đó các điểm có cùng giá trị của thông số được nối liền với nhau thành đường đồng mức đẳng trị, ví dụ như bản đồ lượng mưa, bốc hơi, lớp dòng chảy, mô đun dòng chảy… Bản đồ đẳng trị lượng dòng chảy chỉ xây dựng được khi có số liệu đo đạc đủ dài, đồng bộ theo thời gian, đủ dày và phủ kín theo không gian, điều kiện hình thành dòng chảy trên từng lưu vực không thay đổi. Tỷ lệ bản đồ phụ thuộc mức đáp ứng số liệu theo không gian. Bản đồ được xây dựng bằng cách đặt các giá trị dòng chảy trung bình lưu vực lên điểm trọng tâm của lưu vực, sau đó vẽ đường đồng mức dòng chảy căn cứ vào sự biến đổi của trường số liệu, có tính đến dạng đường đồng mức độ cao và lượng mưa. Trên bản đồ, lượng dòng chảy trung bình lưu vực được xác định bằng giá trị đường đẳng trị đi qua trọng tâm lưu vực, hoặc ngoại suy theo giá trị của hai đường gần nhất, hoặc tính theo phương pháp trung bình có trọng số các giá trị dòng chảy của các mảnh diện tích thành phần nằm giữa các đường đồng mức kế tiếp nhau cắt qua lưu vực. 1.10 Tính lưu vực của tài nguyên nước Một số yếu tố khí hậu có tính phân hoá theo lưu vực (ví dụ như mưa...); Kết hợp với các yếu tố bề mặt lưu vực, chúng tạo ra tác động tổng hợp làm cho lượng và phân phối dòng chảy mang tính đặc thù của lưu vực rõ nét và có tính quy luật. Hàm quan hệ tổng quát giữa tài nguyên nước với các yếu tố hình thành dòng chảy trên lưu vực của nó khá chặt chẽ và có dạng: Dòng chảy = f ( khí hậu, bề mặt lưu vực, nhân tạo). (1.5)
22 Chất lượng nước trong thuỷ vực phụ thuộc vào nguồn cấp nước, bề mặt lưu vực sinh thuỷ, đặc điểm bồn chứa và các quá trình diễn ra trong khối nước, cũng như tương tác dòng nước - bờ đáy. Từ đây có thể thấy bất kì sự biến đổi nào trên một phần nào đó của lưu vực cũng có thể tác động tới dòng chảy trong sông ở hạ lưu cả về lượng và chất. Trong những thời kỳ địa chất ổn định, khi các nhân tố địa hình, địa mạo, thực vật và nhân sinh tương đối ổn định, thì tác động tổng hợp của chúng tới dòng chảy có thể được đặc trưng bằng một hằng số không đổi, do đó hàm quan hệ trên có dạng như sau (gọi là quan hệ mưa - dòng chảy): Y = f (mưa, chỉ số tổn thất tổng hợp của lưu vực). (1.6) Hàm tương quan trên có tính nhân quả rõ nét, với hệ số tương quan cao đến mức được cho phép dùng làm công cụ tính toán, dự báo dòng chảy khi biết lượng mưa và thông tin về điều kiện hình thành dòng chảy trên lưu vực. Tính lưu vực của hiện tượng thuỷ văn là một quy luật tự nhiên quan trọng có ảnh hướng đến các hoạt động quản lý và phát triển. Bất kỳ một tác động nhân tạo nào làm biến đổi đáng kể điều kiện hình thành dòng chảy trên lưu vực, sẽ gây ra những hệ quả tổng hợp cho dòng chảy. Tính nghiêm trọng của vấn đề là ở chỗ nó gây nên những hiện tượng thuỷ văn bất thường khó dự đoán, hoặc có thể dự đoán được nhưng khó ứng phó, xử lý. Đồng thời nó làm tăng sai số của việc tính toán nước theo các quy luật cũ. Để tìm ra được quy luật mới cần phải có thời gian nghiên cứu và kiểm chứng, trong khi nhu cầu đời sống không cho phép. Tính lưu vực của các hiện tượng và quá trình thuỷ văn làm cho nó có tính đa quốc gia, phi biên giới hành chính. Không một quyền lực nhân tạo nào có thể đóng cửa biên giới để ngăn cản những hệ quả xấu do các quốc gia, dân tộc khác gây ra ở thượng lưu đi sang địa giới hành chính của mình. Do đó quản lý phát triển theo lưu vực đang trở thành một hướng đi cần thiết và đúng đắn để khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên nước và phát triển bền vững toàn khu vực, toàn cầu. 1.11 Các yếu tố tự nhiên hình thành tài nguyên nước Tự nhiên là một hệ thống mà mỗi thành tố của nó là một bộ phận không thể thiếu của toàn thể, có những mối quan hệ phức tạp với phần còn lại của hệ thống, tương tác đa chiều với chúng. Mỗi thành tố có thể vừa là tác nhân, vừa là hệ quả tác động của của một hoặc một số yếu tố khác trong hệ thống. Việc tách ra các mối quan hệ đơn nhất, một chiều để xem xét là rất khó khăn và việc nghiên cứu các mối quan hệ đơn nhất thường chỉ có tính lý thuyết. Tuy nhiên nó cho phép đánh giá được về mặt lý thuyết vị trí của mỗi yếu tố trong hệ thống và cung cấp cơ sở cho một số nghiên cứu giản lược nào đó. Dưới đây chỉ trình bày tác động đơn của từng yếu tố hình thành dòng chảy. 1.11.1 Khí hậu Sông ngòi là sản phẩm của khí hậu. Yếu tố khí hậu có ảnh hưởng quyết định tới tài nguyên nước là bức xạ Mặt Trời, nhiệt độ, mưa và gió. Các yếu tố này một mặt trực tiếp tham gia vào quá trình hình thành cán cân nước khu vực, mặt khác tác động gián tiếp tới lượng và chất nước thông qua các quá trình phong hoá, thành tạo địa hình, địa mạo, thổ nhưỡng, phát triển thảm thực vật, hệ sinh thái... Bức xạ Mặt Trời là yếu tố cấp năng lượng chính cho quá trình hình thành chế độ nhiệt và điều kiện tự nhiên thích hợp đối với sự sống trên Trái Đất. Venus gần Mặt Trời hơn, lại có
23 bầu khí quyển nhiều CO2, có hiệu ứng nhà kính lớn hơn, nên rất khô nóng, nhiệt độ 475oC; Sao Hoả, xa Mặt Trời hơn Trái Đất 78triệu km, hoàn toàn lạnh giá, nước hầu như đóng băng. Bức xạ Mặt Trời thực tế đến Trái Đất phụ thuộc vào độ cao Mặt Trời, cực đại tại vùng xích đạo, cực tiểu tại hai cực, trung bình là 250kcal/cm2/năm, trong đó tiêu hao vào bốc hơi 46kcal/cm2/năm. Bức xạ đến của Mặt Trời giới hạn khả năng cấp nhiệt cho đa phần các quá trình diễn ra trên Trái Đất, là một trong những yếu tố giới hạn mức độ bốc hơi. Lượng bốc hơi thực tế từ mặt đất phụ thuộc đặc điểm bề mặt bốc hơi và khả năng cấp nhiệt, cấp ẩm cho quá trình bốc hơi. Khả năng hấp thụ nhiệt bức xạ của mặt đất phụ thuộc màu sắc và đặc điểm của nó: băng phản xạ 80 - 90% bức xạ Mặt Trời, trong khi đó nước chỉ phản xạ 10%. Hệ quả là quá trình đốt nóng mặt đất, khí quyển không đồng nhất theo thời gian và không gian, gây biến động nhiệt độ, mật độ không khí, áp suất khí quyển, tạo ra các dòng khí chuyển dịch ngang hoặc thẳng đứng, mang theo hơi nước và nhiệt ẩn hoá hơi, tạo ra các hiện tượng thời tiết, phân phối lại năng lượng. Càng lên cao không khí càng loãng, nhiệt độ càng giảm. Dòng khí nóng ẩm gặp địa hình nâng sẽ bốc lên cao, giảm nhiệt độ trung bình 0,5 - 0,6oC/100m, khi đạt tới nhiệt độ lạnh tương ứng điểm bão hoà hơi nước thì sẽ ngưng tụ tạo mưa. Cường độ xâm nhập ánh sáng vào nước giảm nhanh theo độ sâu, thể hiện trong công thức sau: Iz = Ioe-ηZ (1.7) trong đó: I - cường độ ánh sáng, Iz - cường độ ánh sáng tại độ sâu z, Io - cường độ ánh sáng tại z = 0 Z- độ sâu, η- hệ số suy giảm cường độ ánh sáng. Giới hạn dưới mà phytoplanton có thể sinh trưởng được bằng 1% cường độ chiếu sáng bề mặt đầy đủ, tức 8jun/cm2/ngày. Giá trị này có thể đạt được trong nước sạch của các biển phía nam tại độ sâu 3m chỉ còn vài phần nghìn. Nhiệt độ và chế độ nhiệt của nước trong các thuỷ vực có ảnh hưởng tới sự sống của hệ động thực vật và các quá trình lý hoá, ảnh hưởng đến chất lượng nước và khả năng tự làm sạch của thuỷ vực. Chế độ nhiệt ẩm có ảnh hưởng mạnh tới phong hoá (cung cấp sản phẩm bở rời cho quá trình rửa trôi, xói mòn) và tác động tới phát triển thảm thực vật (là yếu tố bảo vệ bề mặt khỏi tác động trực tiếp của mưa nắng, chống xói mòn, tạo chất đất), do đó có ảnh hưởng đáng kể tới chất lượng nước trong các thuỷ vực. Cường độ phong hóa vật lý tăng theo sự tăng biên độ nhiệt và mức độ đột ngột của sự biến động nhiệt. Trong vùng nền nhiệt lớn, tổn thất do bốc hơi mạnh có thể dẫn tới mặn hoá các thuỷ vực lưu thông nước kém. Lượng mưa là yếu tố quyết định khả năng cấp nước cho khu vực. Hàng năm lục địa nhận được khoảng 111.000km3 nước mưa, trong đó gần 2/3 bốc hơi, còn khoảng 41.000km3 hình thành dòng chảy đổ ra biển và đại dương. Mưa phân bố theo quy luật sau: Giảm dần từ xích đạo đến cực (đỉnh mưa lớn nhất nằm tại vùng hội tụ xích đạo, đỉnh mưa nhỏ hơn nằm trong vùng hội tụ vĩ độ 60o). Giảm dần theo sự tăng tính lục địa. Tăng theo độ cao ở phía sườn đón gió ẩm.
24 Phân hoá theo mùa và chu kỳ nhiều năm. Gia tăng lượng mưa theo độ cao chỉ thể hiện đến độ cao 2.000 - 3.000m bên sườn đón gió ẩm, còn sườn khuất gió đối diện sẽ thiếu ẩm, mưa ít, khô nóng mạnh do hiệu ứng phơn. Phân bố mưa hai bên sườn dãy Trường Sơn và hiện tượng gió Lào là sản phẩm của quy luật này. Các hình thế thời tiết gây mưa lớn trên diện rộng là bão, xoáy thuận, áp thấp nhiệt đới, hội tụ nhiệt đới, frôn lạnh... Hệ quả là hình thành những tâm mưa lớn nhỏ phân bố phức tạp theo không gian, bị chi phối bởi một hoặc một số quy luật chủ đạo. Nhìn chung, tâm mưa lớn thường trùng với tâm dòng chảy lớn và ngược lại. Các nhiễu động thời tiết, đặc biệt là các nhiễu động động lực có vai trò đặc biệt trong hình thành lũ lớn gây hệ quả nghiêm trọng tới môi trường và dân sinh. Phân bố mưa theo thời gian và không gian quyết định phân bố của lượng nước khu vực theo thời gian và không gian. Dạng phân phối mưa quyết định dạng phân phối của dòng chảy. Cường độ và diễn biến mưa có ảnh hưởng tới lượng thấm thực tế, từ đó quyết định độ lớn của dòng chảy mặt, đặc điểm và quy mô các trận lũ. Theo một số tác giả, mức biến động gradien lượng mưa theo độ cao 20 - 300mm/100 m gây ra biến động gradien dòng chảy ở mức 5 - 40mm/100m theo độ cao. Trong các vùng giáng thuỷ lỏng, mùa lũ trên sông thường bắt đầu chậm hơn bắt đầu mùa mưa 1 - 2 tháng. Mưa là yếu tố ảnh hưởng lớn tới chất lượng nước các thuỷ vực. Mưa rửa sạch bầu khí quyển, hoà tan nhiều khí làm độ pH của nước giảm, thành phần và tính chất của nước phân hoá. Hạt mưa có động năng nên trực tiếp công phá bề mặt đất. Mưa sinh dòng mặt hoà tan, xói mòn mặt đất và chuyển tải sản phẩm phong hoá, xói mòn đi xa. Mưa càng lớn, nguy cơ hình thành dòng chảy sườn dốc càng lớn, động năng càng cao, xói mòn càng mạnh. Trong thực tế, xói mòn chỉ xuất hiện khi mưa vượt quá ngưỡng xói mòn theo cường độ (25 mm/giờ). Việt Nam có khoảng 40% lượng mưa rơi với cường độ trên ngưỡng xói mòn. Quan hệ giữa tổng mưa và lượng đất bị xói có thể tính theo công thức: R = 0,082P - 21 trong đó; R- chỉ số xói mòn do mưa, P- mưa trung bình năm. Tuy nhiên quan hệ giữa mưa và xói mòn không hoàn toàn tuyến tính và bản đồ xói mòn đất không hoàn toàn trùng khớp với bản đồ mưa thế giới. Vùng mưa nhiều có điều kiện tốt cho thảm thực vật phát triển, thường có khả năng bền vững hơn trước tác động xói mòn của mưa và dòng chảy. Ngược lại, những vùng mưa ít, khô hạn kéo dài thường không thuận lợi cho sự phát triển của thực vật, đất đá bị phong hóa mạnh và không được bảo vệ, rất dễ bị xói mòn mạnh. Gió có ảnh hưởng lớn tới thành tạo địa hình (thổi mòn, mài mòn) trên toàn bộ bề mặt sườn, kể cả sườn lõm và chuyển vận vật chất bở rời đi xa, do đó nó có tác động gián tiếp tới quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực và chất lượng nước thuỷ vực. 1.11.2 Địa hình, địa chất, thổ nhưỡng Yếu tố địa hình ảnh hưởng đáng kể tới tài nguyên nước là độ cao, hình dạng, mức độ cắt xẻ bề mặt, độ dốc và độ dài sườn dốc. Địa hình làm cho các yếu tố khí hậu phân hóa mạnh theo chiều ngang và chiều thẳng đứng. Theo chiều ngang, các dãy núi tạo ra những đường phân chia khí hậu và đường chia nước. Theo chiều thẳng đứng, càng lên cao nhiệt độ và bốc hơi giảm, còn mưa tăng bên phía sườn đón gió ẩm. Điều này có thể dẫn đến hình thành những khác biệt sâu sắc trong địa hình, cảnh quan, thảm thực vật và tài nguyên nước giữa hai
25 phía sườn núi. Tại Việt Nam, khi mưa tăng 20 - 300mm trên 100m tăng cao thì dòng chảy tăng 5 - 40mm; Tính trung bình lượng dòng chảy tăng 16% trên 100m tăng cao. Địa hình bằng phẳng hạn chế tiêu thoát nước, thuận lợi cho việc kéo dài thời gian duy trì lớp nước trên mặt, tăng thấm. Địa hình âm thuận lợi cho tích luỹ trầm tích và chứa nước, tạo cơ chế điều tiết tự nhiên dòng chảy lũ. Địa hình cắt xẻ mạnh thuận lợi cho tiêu thoát nước và tăng mật độ lưới sông. Địa hình dương, độ dốc, độ dài sườn dốc lớn thuận lợi cho tiêu thoát nước và xói mòn bề mặt, dẫn đến gia tăng cực đoan dòng chảy lỏng và rắn. Độ dốc sườn 3o - 6ođã gây xói mòn sườn dốc, độ dốc 8o - 10o đất bị xói mòn mạnh, là giới hạn cuối cùng có thể trồng cây nông nghiệp. Đất dốc 10o - 25o chỉ có thể dành cho chăn nuôi và cây lâm nghiệp, không đươc cày xới. Theo Vi Văn Vị, độ dốc 25o gây xói mòn mạnh gấp 10 lần độ dốc 10o, độ dốc 15o - gây xói mòn mạnh gấp 2,5 lần độ dốc 10o. Độ dốc càng lớn, khả năng phát triển của thực vật càng hạn chế, gây nguy cơ gia tăng tập trung nước, tăng xói mòn và tiềm ẩn nguy cơ tai biến môi trường khi thảm thực vật tự nhiên bị huỷ diệt. Đất dốc >35o phải bảo vệ và không khai thác rừng. Cường độ mất đất trên sườn dốc tăng nhanh theo sự tăng của độ dốc. Chỉ số xói mòn chiều dài sườn L và chỉ số xói mòn độ dốc S được tính theo các tác giả khác nhau như sau: Sing L = d0,8 S = a1,49 Wisschmeier L = (d/22,5)b S = 0,0028a2 + 0,106a - 0,27 trong đó: d- độ dài sườn dốc; a - độ dốc (%); b = 0,3 - 0,6 (tuỳ a) Ngoài quá trình xói mòn các phần tử bở rời, tác động của nước trên sườn dốc trong những điều kiện nhất định về độ dốc và trạng thái kết cấu của khối vật chất, còn gây ra những hiện tượng đặc biệt như sụt lở, trượt đất, đất chảy... làm thay đổi địa hình và tăng cường nguồn cấp phù sa cho sông. Địa chất thổ nhưỡng có ảnh hưởng tới nước mặt, nước dưới đất cả về chế độ, lượng và chất do nó quyết định: Mức độ bền vững của bề mặt chống xói mòn, hoà tan. Đặc điểm vật chất cuốn theo. Khả năng thấm, chứa, giữ và cấp nước của đất đá. Thế nằm và độ sâu của các tầng chứa nước dưới đất, từ đó quyết định đặc điểm quan hệ thuỷ lực giữa các thuỷ vực mặt với ngầm và ngầm với nhau. Đặc điểm lòng sông trên mặt bằng Tính chất của nham thạch có quan hệ mật thiết với quá trình phong hóa tạo vật chất bở rời. Đất đá cấu tạo không đồng nhất, màu sắc phân hóa, độ dẫn nhiệt nhỏ, nhiệt dung riêng nhỏ sẽ giãn nở vì nhiệt mạnh và không đồng đều, nên dễ bị vỡ vụn. Đất đá có nhiều khe nứt, khi bị nước lấp đầy các khe nứt và đóng băng sẽ bị phá mạnh hơn. Độ xói mòn của đất phụ thuộc tính chất vật lý của nó như tỷ lệ cát, bùn, sét, hàm lượng mùn, chất hữu cơ, cấu tượng, độ ẩm trước khi mưa, kết cấu đất... Các hạt mịn thường bị rửa trôi trước nhất và chuyển dịch xa nhất. Theo Bouyoucos, 1935, xói mòn đất tỷ lệ với đại lượng (%cát + %bùn)/%sét. Wischmeier và Smith (1978), đưa ra công thức tính chỉ số xói mòn đất K sau:
26 K = 2,1 M1,14 (12 - a)10-4 + 3,25 (b - 2) + 2,1 (c - 3) trong đó: M = %(bột + cát mịn)/(100 - %sét), a- hàm lượng chất hữu cơ (%), b- cấp cấu trúc của đất, c- cấp độ thấm của đất Đất tơi xốp, có cấu tượng, giàu mùn có khả năng thấm nước tốt, giữ ẩm tốt. Đá sỏi, dăm, cát có độ thấm, chứa và nhả nước tốt. Đất sét cho nước thấm qua và cấp nước kém vì các lỗ rỗng chủ yếu có kích thước mao mạch và hạt sét gặp nước trương nở. Đất đá thấm, chứa, cấp nước tốt là điều kiện hạn chế hình thành mật độ sông suối lớn, hạn chế hình thành cực đoan dòng chảy mặt, tăng điều tiết mùa bằng dòng ngầm và ngược lại. Tại vùng đá vôi Trà Lĩnh (Cao Bằng), Kẻ Bàng (Quảng Bình), khi tỷ lệ đá vôi trong lưu vực tăng 10% dòng chảy mặt giảm 8%. Ở vùng đá vôi và bazan Việt Nam, tỷ lệ dòng ngầm chiếm tới 30 - 40% tổng lượng năm, mùa lũ bắt đầu chậm hơn mùa mưa 2 tháng. Không chỉ có đặc điểm địa chất, mà toàn bộ các hoạt động địa chất kiến tạo có thể để lại những dấu ấn sâu sắc lên đặc điểm hình thành và phát triển của mạng lưới sông, hình dạng lòng sông và thung lũng sông... Theo Lê Bá Thảo [6], sông suối Việt Nam chảy qua cao nguyên đá vôi hoặc là cắt thành những hẻm vực vừa hẹp vừa dài, như đoạn sông Chảy cắt qua Bắc Hà (Lào Cai) dài 60km, hoặc là chơi trò ú tim kỳ lạ: biến mất trước một hố sâu thăm thẳm, rồi xuất hiện ở một nơi nào đó dưới chân cao nguyên hay một thung lũng kín (cửa hiện), như suối Nậm Tôn ở phía dưới Mộc Hạ. Dãy Hoàng Liên Sơn được cấu tạo từ đá macma, phun trào, đá phiến, đá vôi và các loại khác, luôn bị phong hoá mạnh trong điều kiện khí hậu Việt Nam, nhưng toàn bộ vật liệu bở rời nhanh chóng bị cuốn trôi, nên đỉnh núi luôn nhọn hoắt như răng cưa, còn ở chân núi lại hình thành những nón phóng vật khổng lồ. Từ đầu Đại Tân sinh, toàn vùng chịu hoạt động nâng gần như đều khắp, làm tăng cường các hoạt động xâm thực của nước. Dựa vào những đường nứt nẻ lớn có sẵn trong đá mac ma, các sông suối, như những lưỡi dao sắc ngọt xén sâu xuống, tạo thành những thung lũng thăm thẳm giữa hai sườn dốc đứng. Cánh phía Đông Bắc chịu ảnh hưởng sụt lún của đứt gãy sông Hồng, đổ dần thành những bậc thang đồi thấp xuống thung lũng, nên sông suối có điều kiện chảy vòng vèo, kéo dài đường đi. Cánh Tây Nam được nâng lên mạnh, nghiêng xuống thung lũng các phụ lưu sông Đà, làm cho chúng trở nên ngắn và hung dữ. 1.11.3 Lớp phủ thực vật Vai trò của lớp phủ thực vật trong quá trình hình thành tài nguyên nước thể hiện ở chỗ: Che phủ, ngăn không cho mặt đất chịu tác động trực tiếp của mưa, bức xạ gây phong hoá bở rời, bảo vệ đất chống xói mòn và giảm dòng rắn từ lưu vực vào sông. Làm cho đất tơi xốp, có cấu tượng, bền vững trước các tác động xói mòn, giữ ẩm đất và tăng thấm tạo ra tăng điều tiết dòng chảy theo mùa. Điều hoà vi khí hậu, duy trì độ ẩm hợp lý trong đất và không khí Khả năng bảo vệ đất của lớp phủ thực vật phụ thuộc vào loại cây, tuổi cây, mật độ cây, đặc điểm quá trình khai thác sử dụng... và tăng theo sự tăng độ dày tán lá, thời gian che phủ, độ phì của đất. Bộ rễ bảo vệ đất chống xói mòn do nó tạo khe nứt cho nước thấm qua và tạo bề mặt ghồ ghề, cản trở không cho dòng mặt sinh nhiều, chảy nhanh, chảy thẳng theo hướng sườn dốc và xói mạnh.