NGUYÊN LÝ THỦY VĂN

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:374

Thêm vào BST

Báo xấu

202
lượt xem 44
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

NƯớc là một tài nguyên thiên nhiên quý giá và đƯợc đánh giá nhnhững tài nguyên thiên nhiên khác: như vàng, như, như sắt,.. và thậm chí nó còn được đánh giá quý hơn các tài nguyên thiên nhiên khác, đặc biệt đối với vùng khô hạn như Châu Phi, Trung Đông. Chính vì vậy Liên hợp quốc đã lấy ngày 22 tháng 3 hàng năm làm ngày Tài nguyên nước thế giới. Dầu khí, vàng là tài nguyên thiên nhiên quý giá được mọi ngời thừa nhận nhưng không có ngày vàng thế giới, dầu khí thế giới. Chính vì vậy việc nghiên cứu các quy luật cơ bản của tài nguyên nước, đánh giá tài...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: NGUYÊN LÝ THỦY VĂN

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