GIÁO TRÌNH THỦY văn đại CƯƠNG (dành cho sinh viên đại học địa lý học chuyên ngành địa lý du lịch, hệ chính quy)

Địa lý thủy văn nghiên cứu sự phân bố của các thể nước và quy luật biến đổi cũng như sự phân bố của các hiện tượng thủy văn trên một khu vực nhất định.. - Phương pháp điều tra thực địa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH

KHOA KHOA HỌC XÃ HỘI

Năm 2015

MỤC LỤC

MỤC LỤC ii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG 2

1.1.VỊ TRÍ CỦA ĐỊA LÝ THỦY VĂN 2

1.1.1 Sự hình thành và phát triển 2

1.1.1.1 Trên thế giới 2

1.1.1.2 Tại Việt Nam 3

1.1.2 Địa lý thủy văn học là một khoa học độc lập 3

1.1.2.1 Đối tượng và nhiệm vụ nghiên cứu 4

1.1.2.2 Phương pháp nghiên cứu 5

1.1.3 Các phân ngành của Địa lý thủy văn 6

1.1.4 Quan hệ giữa Địa lý thủy văn với các khoa học khác 6

1.1.4.1 Với thủy văn đại cương 6

1.1.4.2 Với địa lý tự nhiên 7

1.2 CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA ĐỊA LÝ THỦY VĂN 8

1.1.3 Quy luật phân hoá của các hiện tượng thủy văn 8

1.1.3.1 Hiện tượng thủy văn là thành phần của cảnh quan địa lý 8

1.1.3.2 Tính địa đới và phi địa đới của hiện tượng thuỷ văn 8

1.1.3.4 Sự thống nhất và mâu thuẫn giữa tính địa đới và phi địa đới thủy văn 10

1.2.1 Chế độ thủy văn 12

CHƯƠNG 2 NƯỚC TRÊN TRÁI ĐẤT 13

2.1 LƯU VỰC VÀ SỰ PHÂN BỐ NƯỚC 13

2.1.1 Sự phân chia lưu vực 13

2.1.1.1 Định nghĩa lưu vực 13

2.1.1.2 Giới hạn của lưu vực 15

2.1.1.3 Các phương pháp xác định lưu vực 17

2.1.2 Đặc trưng hình học của lưu vực 19

2.1.2.1 Diện tích lưu vực 19

2.1.2.2 Chiều dài sông chính và chiều dài lưu vực 20

2.1.2.3 Chiều rộng bình quân lưu vực 20

2.1.2.4 Hệ số hình dạng lưu vực 20

2.1.2.5 Độ cao bình quân lưu vực 21

2.1.2.6 Độ dốc bình quân lưu vực 21

2.1.2.7 Mật độ lưới sông 22

2.1.3 Nguồn gốc và sự phân bố nước trên Trái Đất 22

2.1.3.1 Nguồn gốc của nước trong tự nhiên 22

2.1.3.2 Sự phân bố của nước trên Trái Đất 23

2.2 SỰ TUẦN HOÀN VÀ CÂN BẰNG NƯỚC 24

2.2.1 Sự tuần hoàn nước 24

2.2.1.1 Các vòng tuần hoàn nước 24

2.2.1.2 Thành phần của vòng tuần hoàn nước 25

2.2.1.3 Nguyên nhân và bản chất vật lý 26

2.2.2 Phương trình cân bằng nước 26

2.2.2.1 Phương trình tổng quát 26

2.2.2.2 Phương trình trong thời đoạn bất kỳ 27

2.2.2.3 Phương trình cho nhiều năm 27

CHƯƠNG 3 ĐỊA LÝ NƯỚC SÔNG 29

3.1 SÔNG VÀ HỆ THỐNG SÔNG 29

2.1.1 Khái quát về sông 29

2.1.1.1 Khái niệm sông 29

2.1.1.2 Các bộ phận cấu thành 29

2.1.1.3 Sự phân đoạn sông 30

2.1.1.4 Hình thái lòng sông trên mặt bằng 30

2.1.1.5 Hình thái lòng sông trên mặt cắt 33

2.1.2 Khái quát về hệ thống sông 33

2.1.2.1 Khái niệm hệ thống sông 33

2.1.2.2 Sự phân cấp các nhánh sông 33

2.1.2.3 Các kiểu mạng sông 34

3.2 SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY 35

3.1.1 Khái niệm 35

3.1.2 Quá trình hình thành dòng chảy 35

3.1.2.1 Quá trình mưa 36

3.1.2.2 Quá trình tổn thất 36

3.1.2.3 Quá trình chảy tràn trên sườn dốc 37

3.1.2.4 Quá trình tập trung dòng chảy 38

3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng 38

3.1.3.1 Yếu tố khí hậu 38

3.1.3.2 Yếu tố mặt đệm 38

3.1.3.3 Yếu tố con người 39

3.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG BIỂU THỊ DÒNG CHẢY 40

3.2.1 Các đại lượng có thứ nguyên 40

3.2.1.1 Lưu lượng nước /lưu lượng dòng chảy 40

3.2.1.2 Tổng lượng dòng chảy 41

3.2.1.3 Độ sâu dòng chảy/ Lớp dòng chảy 41

3.2.1.4 Mô đun dòng chảy 41

3.2.1.5 Dòng chảy chuẩn/ chuẩn dòng chảy năm 42

3.2.2 Các đại lượng không thứ nguyên 42

3.2.2.1 Hệ số mô đun 42

3.2.2.2 Hệ số dòng chảy 42

CHƯƠNG 4 ĐỊA LÝ NƯỚC HỒ - ĐẦM LẦY 43

4.1 ĐỊA LÝ NƯỚC HỒ 43

4.1.1 Khái niệm và phân loại hồ 43

4.1.1.1 Các khái niệm cơ bản 43

4.1.1.2 Phân loại hồ 44

4.1.2 Hình thái và chế độ nước hồ 45

4.1.2.1 Hình thái của hồ 45

4.1.2.2 Mực nước hồ 45

4.1.2.3 Cán cân nước hồ 46

4.1.2.4 Nhiệt độ nước hồ 46

4.1.2.5 Dòng chảy trong hồ 46

4.1.2.6 Trầm tích hồ 47

4.2 ĐỊA LÝ NƯỚC ĐẦM LẦY 48

4.2.1 Khái niệm và phân loại đầm lầy 48

4.2.1.1 Các khái niệm cơ bản 48

4.2.1.2 Phân loại đầm lầy 48

4.2.2 Chế độ nước đầm lầy 50

4.2.2.1 Cán cân nước đầm lầy 50

4.2.2.2 Mực nước đầm lầy 51

4.2.2.3 Chuyển động nước đầm lầy 51

CHƯƠNG 5 ĐỊA LÝ NƯỚC DƯỚI ĐẤT 52

5.1 KHÁI QUÁT VỀ NƯỚC DƯỚI ĐẤT 52

5.1.1 Khái niệm 52

5.1.2 Sự phân bố nước dưới đất 52

5.1.2.1 Nước trong đới thông khí 52

5.1.2.2 Nước trong đới bão hoà 54

5.1.3 Sự xuất lộ nước dưới đất 56

5.1.3.1 Mạch nước và giếng đơn 56

5.1.3.2 Mạch nước có áp 57

5.1.3.3 Mạch nước nhiệt 58

5.1.3.4 Mạch nước nhiệt tự phun 58

5.2 SỰ PHÂN BỐ NƯỚC DƯỚI ĐẤT 58

5.2.1 Cán cân nước dưới đất 58

5.2.2 Mực nước ngầm 59

5.2.3 Chuyển động của nưới dưới đất 59

5.2.4 Nhiệt độ nước dưới đất 62

5.2.5 Thành phần hóa học và độ khoáng hóa 62

5.2.5.1 Thành phần hóa học 62

5.2.5.2 Độ khoáng hóa 63

5.2.6 Sự xâm nhập mặn 63

CHƯƠNG 6 ĐỊA LÝ NƯỚC BIỂN VÀ ĐẠI DƯƠNG 65

6.1 KHÁI QUÁT VỀ BIỂN VÀ ĐẠI DƯƠNG 65

6.1.1 Nguồn gốc của nước đại dương 65

6.1.2 Sự phân chia đại dương Thế giới 65

6.1.2.1 Đại dương 65

6.1.2.2 Biển 66

6.1.2.3 Vũng vịnh 67

6.1.2.4 Eo biển 69

6.1.2.5 Đầm phá 69

6.1.2.6 Vùng cửa sông 71

6.2 SỰ PHÂN BỐ NƯỚC BIỂN VÀ ĐẠI DƯƠNG 72

6.2.1 Mực nước đại dương 72

6.2.2 Độ mặn nước đại dương 73

6.2.3 Nhiệt độ nước đại dương 75

6.2.4 Chuyển động của nước đại dương 75

6.2.4.1 Hải lưu 75

6.2.4.2 Sóng biển 76

6.2.4.3 Thủy triều 78

6.2.5 Tính chất hóa học 83

6.2.6 Trầm tích đáy 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH 85

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo trình “Thủy văn đại cương” được biên soạn trên cơ sở những giáo

trình đã có trước đây, những giáo trình có liên quan của các trường bạn, kết quả nghiên cứu về thủy văn trong những năm gần đây và các bài giảng nhiều năm giảng dạy cho sinh viên ngành Địa lý học, chuyên ngành Địa lý du lịch

Giáo trình cung cấp những kiến thức cơ bản về thủy văn học, lớp nước trên Trái Đất và các dạng phân bố của nước (sông, hồ - đầm lầy, nước dưới đất, biển và đại dương) cho sinh viên ngành Địa lý học, chuyên ngành Địa lý du lịch được đào tạo tại Khoa Khoa học Xã hội, Trường Đại học Quảng Bình Những kiến thức này tạo điều kiện cho sinh viên có khả năng nhận biết và phân tích được của đặc điểm phân bố, thủy chế của các dạng nước tại một địa bàn khu vực cụ thể phục vụ cho việc sử dụng hợp lý lãnh thổ tài nguyên trong phát triển du lịch bền vững

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều để nội dung giáo trình đáp ứng được yêu cầu của chương trình và nâng cao chất lượng đào tạo, song chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Tác giả kính mong nhận được sự chỉ bảo của các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp , cùng sự góp ý của các bạn sinh viên khi sử dụng giáo trình này

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đến tập thể Bộ môn Địa lý – Việt Nam học – Công tác xã hội, Trường Đại học Quảng Bình đã đọc và góp nhiều ý kiến bổ ích

TÁC GIẢ

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG

1.1.VỊ TRÍ CỦA THỦY VĂN ĐẠI CƯƠNG

1.1.1 Sự hình thành và phát triển

1.1.1.1 Trên thế giới

Từ thuở hoang sơ, con người đã phải đối mặt với thiên nhiên, theo dõi sự thay đổi thời tiết và các diễn biến dòng chảy Từ khi có hoạt động sản xuất nông nghiệp, con người đã dần dần tích lũy được ít nhiều các kinh nghiệm, các quy luật của thiên nhiên, khí hậu, và hơn nữa có thể dự đoán một phần các thay đổi thời tiết, dòng chảy để phục vụ sản xuất và bảo vệ mùa màng Các câu ca dao, tục ngữ về thiên nhiên, thời tiết chính là các ghi chép, truyền miệng ban đầu của ngành khí tượng thủy văn của mỗi dân tộc

Vào khoảng năm 4.000 TrCN, người Ai Cập cổ đại đã biết xây đập sông Nin để tăng năng suất nông nghiệp của các vùng đất cằn cỗi trước đó Các thị trấn Lưỡng Hà

đã được bảo vệ khỏi lũ lụt bằng các tường đất cao Các ống dẫn nước được Hy Lạp

và La Mã xây dựng, trong khi đó ở Trung Hoa cũng đã xây dựng các công trình dẫn nước và kiểm soát lũ lụt Người Sri Lanka cổ đã sử dụng thủy văn học để xây dựng các công trình tưới tiêu của Sri Lanka cổ đại, được biết tới như là sự phát minh ra van Pit, từ đó có thể xây dựng được các hồ chứa lớn, đập nước và kênh đào mà tới ngày nay vẫn hoạt động Đó là những nền móng đầu tiên cho sự ra đời của thủy văn học Marcus Vitruvius, sống ở thế kỷ I TrCN đã mô tả một học thuyết triết học về vòng tuần hoàn nước, trong đó giáng thủy rơi trên các ngọn núi thâm nhập vào bề mặt Trái Đất và hướng tới sông, suối ở những vùng đất thấp hơn Với một phương pháp khoa học hơn, Leonardo da Vinci và Bernard Palissy đã mô tả chính xác hơn về vòng tuần hoàn nước một cách độc lập với nhau

Đến thế kỷ XVII khi mà người ta bắt đầu xác định số lượng các biến thủy văn thì vòng tuần hoàn nước càng được trình bày chính xác hơn nữa Những người tiên phong trong thủy văn học hiện đại, bao gồm Pierre Perrault, Edme Mariotte và Edmund Halley Bằng cách đo lượng mưa, dòng chảy mặt, và diện tích lưu vực, Perrault đã cho thấy lượng mưa có đủ khả năng để giải thích cho dòng chảy của sông Seine Marriotte kết hợp các phép đo về vận tốc và mặt cắt ngang sông để thu được dòng xả của sông Seine Halley đã cho thấy lượng bốc hơi của Địa Trung Hải đủ để giải thích cho dòng chảy từ sông ra biển

Các tiến bộ trong thế kỷ XVIII gồm có áp suất kế Bernoulli và phương trình Bernoulli, do Daniel Bernoulli, ống pitot và Công thức Chezy Thế kỷ XIX chứng kiến sự phát triển trong thủy văn nước ngầm, bao gồm định luật Darcy, công thức giếng khoan Dupuit – Thiem và phương trình dòng chảy mao dẫn của Hagen -Poiseuille

Sang thế kỷ XX, các phân tích khoa học đã bắt đầu thay thế chủ nghĩa kinh nghiệm Đặc biệt quan trọng là biểu đồ thủy văn đơn vị của Leroy Sherman, lý thuyết

Từ thập niên 1950, thủy văn học được tiếp cận với nhiều học thuyết cơ sở hơn so với quá khứ, nó được thừa hưởng các thành quả tiến bộ của vật lý nhờ đó hiểu được các tiến trình thủy văn với sự giúp sức của công cụ máy tính

1.1.1.2 Tại Việt Nam

Tại Việt Nam, từ trước thế kỷ XX chưa tìm thấy các tài liệu ghi chép về khí tượng và thủy văn Tuy nhiên, lịch sử cũng đã chứng minh ông cha ta đã có những quan sát và phân tích các hiện tượng thời tiết và dòng chảy Ngô Quyền đã áp dụng quy luật thủy triều trên sông Bạch Đằng trong trận chiến thắng quân xâm lược Nam Hán Các câu hát, câu hò, ca dao về thời tiết đã có lâu đời Hệ thống đê điều ở miền Bắc có được phải từ các nghiên cứu về dòng chảy sông ngòi Trong thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX, các triều đình khác nhau đều lưu dụng các quan Hộ đê Tuy nhiên, khi người Pháp cai trị nước ta, hệ thống quan trắc khí tượng thủy văn mới thực sự hình thành Tài liệu khí tượng được ghi nhận đầu tiên từ năm 1902, và từ 1910 đến nay, hầu hết các khu vực đều có mạng lưới đo đạc khí tượng thủy văn

Hiện nay, ở Việt Nam cơ quan quản lý việc đo đạc, phân tích và nghiên cứu khí tượng thủy văn là Tổng cục Khí tượng Thủy văn (Department of Meteorology and Hydrology) Hiện nay, các tỷnh thành và khu vực đều có các trạm đo đạc theo nhiều chỉ tiêu khác nhau Các cán bộ khoa học khí tượng thủy văn cùng các phương tiện đo đạc, tính toán ngày càng hiện đại phục vụ cho sản xuất, ổn định xã hội, hạn chế thiệt hại do thiên tai và các giải pháp khắc phục Nước ta có 9 vùng khí tượng - thủy văn,

có nhiệm vụ theo dõi, đo dạt, phân tích dữ liệu và dự báo diễn biến khí hậu, mực nước, Mỗi vùng có một đài khí tượng có nhiệm vụ thông tin thời tiết, phân bố như sau:

- Đài KTTV vùng Tây Bắc, trụ sở tại thành phố Sơn La

- Đài KTTV vùng Việt Bắc, trụ sở tại thành phố Việt Trì

- Đài KTTV vùng Đông Bắc, trụ sở tại thành phố Hải Phòng

- Đài KTTV vùng Trung du và Đồng bằng Bắc Bộ, trụ sở tại thủ đô Hà Nội

- Đài KTTV vùng Bắc Trung Bộ, trụ sở tại thành phố Vinh

- Đài KTTV vùng Trung Trung Bộ, trụ sở tại thành phố Đà Nẵng

- Đài KTTV vùng Nam Trung Bộ, trụ sở tại thành phố Nha Trang

- Đài KTTV vùng Tây nguyên, trụ sở tại thành phố Pleiku

1.1.2 Thủy văn học là một khoa học độc lập

Địa lý thủy văn (Hydrography hay Hydrological Geography) là một trong những bộ môn của ngành khoa học thủy văn Đây là một môn học cơ bản của thủy văn học, cùng với thủy văn đại cương chuẩn bị kiến thức và phương pháp luận cơ bản cho việc nghiên cứu các môn học khác như dự báo, tính toán thủy văn,

Thuật ngữ địa lý thủy văn bắt nguồn từ hai chữ Hy Lạp có nghĩa là “nước” và

“mô tả” Địa lý thủy văn nghiên cứu sự phân bố của các thể nước và quy luật biến đổi cũng như sự phân bố của các hiện tượng thủy văn trên một khu vực nhất định

Đồng thời xác định ảnh hưởng và quan hệ tương hỗ giữa chúng với các điều kiện địa lý tự nhiên khác Có thể nói địa lý thủy văn là cầu nối giữa thủy văn học và

địa lý học, coi nước là một trong các yếu tố cảnh quan địa lý, lấy quan điểm tổng hợp địa lý để giải quyết các vấn đề thủy văn

1.1.2.1 Đối tượng và nhiệm vụ nghiên cứu

Từ khái niệm nêu trên, có thể thấy nhiệm vụ của địa lý thủy văn là nghiên cứu

và mô tả Nhưng không phải mô tả nước nói chung mà là mô tả những đối tượng nước cụ thể, được hình thành trong những điều kiện địa lý tự nhiên xác định và trên một khu vực nhất định Đồng thời lý giải các quy luật phân bố địa lý (phân bố theo lãnh thổ) và xác định mối quan hệ giữa các yếu tố thủy văn với các yếu tố địa lý tự nhiên trong khu vực Từ đó cho thấy đối tượng nghiên cứu của địa lý thủy văn là các thể nước cụ thể (như hải dương, sông ngòi, ao hồ, băng tuyết, ) trong một khu vực

cụ thể Do đó trên thực tế địa lý thuỷ văn lại chia ra địa lý thủy văn hải dương và địa

lý thuỷ văn lục địa Trong địa lý thuỷ văn lục địa lại có thể chia thành địa lý thủy văn sông ngòi, địa lý thủy văn hồ ao, đầm lầy, nước ngầm,

Nội dung địa lý thủy văn trong học phần này chỉ tập trung nghiên cứu địa lý thủy văn sông ngòi, các phương pháp và các nguyên lý nghiên cứu nó Các phần khác như địa lý thủy văn hồ ao, đầm lầy, nước ngầm chỉ đề cập đến ở mức độ sơ lược Các thông tin về địa lý thủy văn một lưu vực có thể khai thác từ các bản đồ mô

tả tình hình, sử dụng đất thổ nhưỡng địa chất và địa hình Theo cơ quan khảo sát địa chất Mỹ (1982) các đặc trưng địa lý thủy văn có thể bao gồm tất cả những đặc trưng, quá trình thuỷ văn và các nhân tố cảnh quan ảnh hưởng đến chúng

+ Tổng diện tích lưu vực, hình dạng lưu vực

+ Mạng lưới sông ngòi

+ Tỷ lệ diện tích không thấm nước so với diện tích lưu vực

+ Tỷ lệ diện tích không thấm nước hiệu dụng so với diện tích lưu vực

+ Hồ chứa

+ Tỷ lệ diện tích vùng thượng lưu hồ chứa

+ Tỷ lệ diện tích tiêu nước bởi hệ thống cống tiêu

Các số liệu này được sử dụng để xây dựng mô hình về các đặc trưng số lượng

Kết quả quan trắc trực tiếp tại mạng lưới các trạm định vị này cho phép nghiên cứu phát hiện các quy luật của các quá trình biến đổi theo thời gian của các đặc trưng thủy văn của các đối tượng nước Ngoài ra, chúng còn được sử dụng để tổng hợp địa

lý, thành lập các chuyên khảo, atlas, bản đồ; để hoàn thiện các phương pháp tính toán

và dự báo thủy văn cũng như để giải quyết nhiều nhiệm vụ lý luận và thực tiễn khác

- Phương pháp điều tra thực địa

Tổ chức những đợt khảo sát ngoài thực địa để bằng quan sát thực địa, thăm hỏi điều tra trong nhân dân địa phương và bằng đo đạc trực tiếp nhờ các phương tiện đo đạc hiện đại khi đi thực địa, thu được trong một thời gian ngắn nhất một khối lượng lớn nhất các đặc trưng địa lý tự nhiên của các đối tượng nước nghiên cứu cũng như các đặc trưng thủy văn tức thời của chúng Phương pháp này cho phép: mô tả thủy văn những lãnh thổ mới nghiên cứu lần đầu; vận dụng chắc chắn hơn phương pháp tương tự thủy văn; phán định các quá trình thủy văn, cấu trúc và quan hệ nhân quả của chúng

Phương pháp điều tra thực địa kết hợp với phương pháp quan trắc trạm định vị cho phép thu thập đầy đủ hơn các số liệu về chế độ nước của khu vực nghiên cứu

- Phương pháp nhân – quả

Phương pháp này xem sự hình thành một hiện tượng thủy văn như là kết quả tác động của một loạt các nhân tố vật lý, bao gồm các nhân tố vật lý chính và nhân tố phụ cho nhân tố chính Phương pháp này tìm các mối tương quan giữa các nhân tố và biểu thị chúng dưới dạng các biểu thức, phương trình toán học, các bảng tra cứu hoặc

các đồ thị Các mô hình toán học hoặc vật lý để mô phỏng một hay nhiều hiện tượng thủy văn cũng có thể xây dựng từ phương pháp này

- Phương pháp địa lý

Phương pháp này có thể chia làm 3 phương pháp khác:

+ Phương pháp tương tự địa lý: Giả sử có 2 trạm thủy văn (một trạm đang xét

và 1 trạm tham khảo), nếu 2 trạm này có những điều kiện địa lý tự nhiên (địa hình, địa mạo, khí hậu, ) tương tự giống nhau thì ta có thể suy đoán là các điều kiện thủy văn của chúng cũng tương tự như nhau Dựa vào số liệu của trạm tham khảo ta có thể suy ra số liệu của trạm đang xét trong điều kiện chưa có hoặc không đủ số liệu

+ Phương pháp nội suy địa lý: Phương pháp này các đặc trưng thủy văn có tính cách là đặc trưng địa lý nên có thể phân khu vực, phân vùng thủy văn hoặc xây dựng các bản đồ đẳng trị của các đại lượng thủy văn

+ Phương pháp tham số địa lý tổng hợp: Phương pháp này coi đại lượng thủy văn là hàm của nhiều yếu tố địa lý Các yếu tố chính được xem xét chi tiết riêng biệt, còn các yếu tố địa lý tập hợp thành các tham số tổng hợp

- Phương pháp xác suất - thống kê

Phương pháp này xem đặc trưng thủy văn xuất hiện như một đại lượng ngẫu nhiên Vì vậy, ta có thể áp dụng các lý thuyết xác suất và thống kê để tìm quy luật diễn biến của hiện tượng thủy văn, xem sự xuất hiện một giá trị thủy văn nào đó có

độ tin cậy và xác suất xuất hiện khác nhau Phương pháp này sự dụng nhiều trong tính toán các đặc trưng thủy văn cho các công trình thủy lợi

1.1.3 Các phân ngành của Thủy văn học

Vì các quá trình xảy ra trong nước đại dương và biển khác hẳn các quá trình xảy

ra trong các đối tượng nước đất liền nên các phương pháp nghiên cứu chúng cũng

khác nhau Bởi vậy, địa lý thủy văn học đã được phân chia thành hai bộ phận: địa lý thủy văn biển và địa lý thủy văn đất liền (hay địa lý thủy văn lục địa)

Hiện nay, thuật ngữ “Địa lý thủy văn” hầu hết được hiểu ứng với địa lý thủy

văn đất liền (địa lý thủy văn lục địa) Theo cách hiểu này thì địa lý thủy văn được phân chia theo thành:

- Địa lý thủy văn nước mặt: nghiên cứu sự phân bố của mạng lưới thủy văn ở

trên hoặc gần bề mặt Trái Đất như thủy văn sông ngòi, thủy văn ao hồ và đầm lầy, thủy văn băng hà

- Địa lý thủy văn nước ngầm: nghiên cứu sự phân bố của mạng lưới thủy văn ở

dưới bề mặt đất

1.1.4 Quan hệ giữa Thủy văn học với các khoa học khác

Địa lý thủy văn có quan hệ mật thiết nhất với thủy văn đại cương và địa lý tự nhiên, đồng thời nó cũng có quan hệ với các môn khoa học khác nhưu khí hậu, tính toán thủy văn, điều tra thủy văn

1.1.4.1 Với địa lý thủy văn

Giữa địa lý thủy văn và thủy văn địa cương có liên hệ mật thiết với nhau Đối tượng của thủy văn đại cương và địa lý thủy văn đều là các thể nước chứa trong bề

mặt Trái Đất Các nguyên lý và quy luật cơ bản đều được cả hai môn sử dụng khi nghiên cứu đối tượng nước Tuy nhiên gữa chúng cũng có những đặc điểm riêng biệt

Sự khác biệt của hai môn này thể hiện ở những mặt sau:

- Thủy văn đại cương nghiên cứu đặc tính nói chung của nước và các thể nước trong tự nhiên, nghiên cứu quy luật chung điều khiển các quá trình hình thành và vận động nước lục địa, nghiên cứu sự tác động tương hỗ giữa khí quyển, thủy quyển và thạch quyển

Ví dụ: thủy văn đại cương nghiên cứu giải thích các quy luật hình thành mạng lưới sông suối, các quá trình diễn ra trong chu kỳ ẩm, nghiên cứu quy luật vật lý của các thể nước

- Địa lý thủy văn nghiên cứu các thể nước cụ thể trên một khu vực nhất định, tìm ra quy luật phân bố theo địa lý (theo lãnh thổ) của các yếu tố thủy văn Đồng thời xác định mối quan hệ giữa chúng với các điều kiện địa lý tự nhiên Trên cơ sở đó xây dựng các quan hệ biểu thị sự phân hoá theo địa lý của các hiện tượng thủy văn bằng các quan hệ kinh nghiệm, các bản đồ đẳng trị hay phân khu

Có thể đưa ra một ví dụ để phân biệt 2 môn này Thuỷ văn đại cương nghiên cứu quy luật chung và ảnh hưởng của các yếu tố cảnh quan đến dòng chảy Còn địa

lý thủy văn nghiên cứu quy luật phân bố của dòng chảy của một lãnh thổ cụ thể, ảnh hưởng của các nhân tố địa lý tự nhiên ở lãnh thổ đó đến dòng chảy Do đó có thể thấy khi nghiên cứu địa lý thủy văn phải dựa vào các nguyên lý, quy luật của thủy văn đại cương Còn trong khi nghiên cứu thủy văn đại cương cũng cần đưa vào các nghiên cứu về địa lý thủy văn để kiểm chứng, bổ sung hay hoàn thiện

1.1.4.2 Với địa lý tự nhiên

Địa lý thủy văn cũng có quan hệ chặt chẽ với địa lý tự nhiên Địa lý thủy văn không chỉ nghiên cứu “điểm” của các thể nước mà còn nghiên cứu “diện”, phân bố trên toàn lưu vực

Nước trên Trái đất là một trong những yếu tố cảnh quan địa lý Các hiện tượng

và các quá trình thủy văn đều được phát sinh và phát triển dưới những điều kiện địa

lý tự nhiên phức tạp Do đó khi nghiên cứu bất cứ hiện tượng thủy văn nào trên bất

cứ khu vực nào đều không thể thoát ly khỏi điều kiện địa lý tự nhiên ảnh hưởng đến quá trình thủy văn tại khu vực đó Các hiện tượng thủy văn ở bất cứ khu vực nào, đặc tínhvà sự diễn biến của nó được coi là kết quả chung dưới ảnh hưởng tổng hợp của các yếu tố tự nhiên gây nên

Để thấy rõ hơn vị trí của địa lý thủy văn có thể liên hệ với các bộ môn khác trong thủy văn học

* Đo đạc và chỉnh biên có nhiệm vụ nghiên cứu các phương pháp đoa đạc, quan trắc, thu thập các yếu tố thủy văn, đồng thời chỉnh lý, lưu trữ để phục vụ cho các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo

* Các môn thủy văn công trình như tính toán thủy văn, dự báo thủy văn, tính toán thủy lợi, nghiên cứu các phương pháp tính toán và dự báo các đặc trưng thủy văn Thông quan các bộ môn này, thủy văn học tiếp cận và đáp ứng các yêu cầu phục

vụ các ngành kinh tế quốc dân Trong khi nghiên cứu các môn học này cần lưu ý đến quy luật địa lý của các đối tượng nước

* Thủy hoá nghiên cứu tính chất hoá học của nước, nghiên cứu sự diễn biến về môi trường và chất lượng nước

* Động lực học dòng sông nghiên cứu các quá trình thay đổi, diến biến của lòng sông dưới các cơ chế động lực của dòng nước

1.2 CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN

1.1.3 Quy luật phân hoá của các hiện tượng thủy văn

1.1.3.1 Hiện tượng thủy văn là thành phần của cảnh quan địa lý

Nước và nhiệt là hai nhân tố quan trọng hình thành và phát triển cảnh quan Trong một thể thống nhất, các hiện tượng thuỷ văn, mà trước hết là dòng chảy giữ một địa vị trọng yếu Rõ ràng dòng chảy là một sản phẩm của cảnh quan và ngược lại

nó ảnh hưởng tới cảnh quan Trong một khu vực nào đó nếu không có dòng chảy và các dạng khác của nó như bốc hơi, nước trong đất, thì nói chung không thể tồn tại bất

cứ cảnh quan nào Ngược lại thổ nhưỡng và thực vật cũng có tác dụng rất lớn đến các thành phần của dòng chảy như bốc hơi, nước trong đất

Mỗi một đơn vị cảnh quan đều có một loại hiện tượng thuỷ văn tương ứng, các địa đới có các đặc điểm thuỷ văn khác nhau Ví dụ trong các đới rừng (taiga, hỗn hợp hoặc nhiệt đới), nói chung lượng mưa năm đều lớn hơn bốc hơi, dòng chảy phong phú, mật độ lưới sông lớn, hệ thống sông ngòi phát triển Còn trong các đới thảo nguyên, lượng mưa nhỏ hơn hoặc xấp xỉ lượng bốc hơi Do đó dòng chảy nhỏ hơn, mật độ lưới sông thưa Trong tình hình bốc hơi vượt hẳn lượng mưa, dòng chảy càng nghèo nàn hơn, lưới sông thưa thớt và thường xuyên xuất hiện những lưu vực đơn độc, dòng sông không chảy ra tới biển mà chỉ chảy ra các hồ nội địa Đó là ở vùng bán hoang mạc Còn ở đới hoang mạc bốc hơi vượt xa lượng mưa (4 - 10 lần hoặc hơn), sông suối không thể hình thành được, không có dòng chảy, còn nếu có cũng thường từ nơi khác chảy đến

Từ đó thấy rằng muốn tiến hành nghiên cứu thuỷ văn thì không thể thoát li được điều kiện cảnh quan khu vực Trong một đới cảnh quan, nếu điều kiện tự nhiên giống nhau, thì các kết luận về một vấn đề thủy văn của một khu vực nào đó có thể mở rộng cho các khu vực khác trong cùng đới Bởi vì điều kiện tương tự về thổ nhưỡng, khí hậu, thực vật sẽ quyết định sự tồn tại điều kiện tương tự về dòng chảy Dĩ nhiên chúng ta cần lưu ý tới sự ảnh hưởng của các nhân tố phi địa đới

1.1.3.2 Tính địa đới và phi địa đới của hiện tượng thuỷ văn

Qui luật về tính địa đới của các hiện tượng thuỷ văn xuất phát từ nguyên lí về qui luật địa đới của địa lí Bởi vì thuỷ văn là một trong các yếu tố cảnh quan Nước

có ảnh hưởng rất lớn tới các yếu tố cảnh quan khác nhưng đồng thời chịu chi phối ngược lại của các yếu tố cảnh quan Đặc biệt là các đặc trưng khí hậu đối với thuỷ văn Các đặc trưng khí hậu mạng tính địa đới rõ nét nhất Vì vậy, tính địa đới của các hiện tượng thuỷ văn cũng được nghiên cứu nhiều Nếu trong khí hậu sử dụng chỉ số khô hạn R/L.X làm đặc trưng thì trong thuỷ văn các nhà nghiên cứu thường dùng tỉ

số của hai yếu tố cân bằng nước để xem xét Đó là lượng mưa và lượng bốc hơi mặt nước trung bình nhiều năm X0 và ZB Xôkolov (1931) đã dùng tỷ số này phân chia Bắc bán cầu thành 3 đới thuỷ văn từ Bắc xuống Nam

* Đới ẩm ướt mưa nhiều, còn gọi là cực đới á cực đới: Bao gồm bộ phận ôn đới lạnh có X0 / ZB > 1, ranh giới của nó tương ứng với đới đồng rêu và đới rừng taiga

* Đới không đủ ẩm (ôn đới và ôn đới nóng) có X0 / ZB < 1 Phân bố trong các rừng hỗn hợp, bán thảo nguyên, bán rừng rậm, bán hoang mạc, hoang mạc và á nhiệt đới khô hạn

* Đới ẩm ướt nhiều (Nhiệt đới và á nhiệt đới) có X0 / ZB >1 Bao gồm các vùng rừng rậm nhiệt đới Đồng thời tác giả còn lấy sự phân bố của hệ số dòng chảy α0 = y0

/ x0 hoặc hệ số tổn thất 1 – α0 = y0 / z0 làm chỉ tiêu phân chia 3 đới thuỷ văn chi tiết hơn

Một số nhà nghiên cứu khác sử dụng các nguyên tắc khác để phân đới thủy văn

Ví dụ: Kudin P X căn cứ vào phân đới khí hậu để chia tương ứng thành đới thủy văn Lvôvich M.I lại nghiên cứu cân bằng nước và quy luật địa đới của cân bằng nước Theo Lvôvich tính địa đới của các hiện tượng thủy văn thể hiện rất rõ ở sự phân bố của trị số cân bằng nước Mỗi đới địa lý đều có quan hệ cân bằng nước riêng của nó Rất nhiều hiện tượng thủy văn đều có quan hệ chặt chẽ với trị số cân bằng nước

Dòng chảy năm là một yếu tố cân bằng nước, tính địa đới của nó thể hiện khá rõ nét Trong đới ẩm ướt nhiều trị số cao nhất của dòng chảy năm có thể đạt tới 1000-

3000 mm hoặc hơn (ở nhiệt đới và á nhiệt đới) Tuỳ theo dao động của hiệu số giữa

Z0 và ZB (Z0 – ZB), dòng chảy sẽ giảm đi nhanh chóng, có thể dẫn đến khô hạn hầu như không có dòng chảy

Tính địa đới của hiện tượng thủy văn còn biểu hiện ở tính dao động của dòng chảy Trong một khu vực nào đó, lượng dòng chảy năm phân bố từ lớn đến nhỏ thì sự biến đổi của dòng chảy trong năm và trong nhiêù năm sẽ từ ổn định đến không ổn định Theo sự giảm dần của dòng chảy, mật độ lưới sông cũng trở nên thưa thớt Với đới bán hoang mạc và hoang mạc thì hầu như hoàn toàn không có sông suối, số sông ngòi có lượng dòng chảy gián đoạn nhiều hơn

Đặc điểm về tính địa đới còn biểu hiện ở mức độ xâm thực sông ngòi, lượng dòng chảy tỷ lệ nghịch với lượng ngậm cát trong sông Ví dụ ở vùng ẩm ướt nhiều, lượng ngậm cát bình quân trong nước sông không vượt quá 0,1- 0,5 kg/m3, trong khi

đó ở vùng bán khô hạn và khô hạn nó có thể đạt tới 100- 200 kg/m3

Sự phân bố các đặc trưng hoá học trong nước cũng xuất hiện theo quy luật địa đới, bởi vì trong bất cứ khu vực nào thì cân bằng mặn và cân bằng nước có quan hệ mật thiết Trong đới ẩm ướt nhiều, độ khoáng hoá của nước sông rất nhỏ, nói chung nhỏ hơn 100 mg/l, còn ở đới không đủ ẩm nó có thể tăng đến 1- 5 g/l

Các biểu hiện nêu trên là tính địa đới theo vĩ độ của các hiện tượng thủy văn Các điều kiện này chỉ tương đối rõ ràng và hoàn chỉnh trong điều kiện địa hình bình

nguyên rộng lớn Còn ở miền núi thì xuất hiện sự phân hóa theo độ cao, tương tự như các vành đai địa lý cảnh quan Sự phân hóa này của các hiện tượng thủy văn có đặc điểm:

+ Lượng mưa sinh ra dòng chảy hoặc băng tuyết trên núi tăng theo độ cao lưu vực

+ Lượng dòng chảy tương đối (môđun dòng chảy) cũng tăng theo độ cao lưu vực

+ Sự biến đổi của dòng chảy giảm khi tăng độ cao lưu vực

+ Thành phần hoá học nước sông biến đổi theo độ cao Độ khoáng hoá của nước giảm dần theo độ cao lưu vực

1.1.3.4 Sự thống nhất và mâu thuẫn giữa tính địa đới và phi địa đới thủy văn

Những biểu hiện về tính địa đới của các hiện tượng thủy văn trước đây đã là cơ

sở cho phương pháp tổng hợp địa lý thủy văn Tuy nhiên, thường phát hiện thấy lượng dòng chảy thường xuyên của 2 lưu vực lân cận có thể sai khác nhau 2- 5 lần hoặc hơn

Trong thực tế các bản đồ đường đẳng trị và các đặc trưng địa đới của dòng chảy cũng thường biểu hiện sự không ổn định, nhất là khi áp dụng cho các sông con, chưa được nghiên cứu nhiều Nhưng như thế không có nghĩa là quy luật địa đới không có ý nghĩa và tác dụng trong thủy văn học Bởi vì tính địa đới của các hiện tượng thủy văn

là một phản ánh của tính địa đới cảnh quan Nếu trong cùng một cảnh quan mà tồn tại tính địa đới và phi địa đới như nhau thì tính địa đới của hiện tượng thủy văn cũng bị phá hoại hoặc nhiễu loạn bới các nhân tố phi địa đới Đặc tính này là hai mặt đối lập của mâu thuẫn, đồng thời tồn tại vấn đề là trong điều kiện nào thì mặt này chiếm ưu thế hơn mặt kia Sự thực không tồn tại một khu vực đơn thuần mang tính địa đới hay đơn thuần mang tính phi địa đới

Khi nghiên cứu tỷ mỉ hiện tượng thủy văn, quy luật địa đới của thủy văn đúng đắn trong một phạm vi, điều kiện nhất định Dòng chảy ở lưu vực vừa thể hiện quy luật địa đới, vừa thể hiện quy luật phi địa đới Khi diện tích lưu vực càng nhỏ, sự phân bố theo địa đới của dòng chảy năm càng bất bình thường Nguyên nhân của tình hình này là do mỗi lưu vực sông ngòi được hợp thành từ nhiều khu vực khác nhau về

độ dốc, địa mạo, thổ nhưỡng, thực vật, Khi diện tích lưu vực càng lớn, tính bình quân về dòng chảy càng lớn, càng biểu hiện ưu thế ảnh hưởng của khí hậu Dòng chảy khi đó sẽ thể hiện tính địa đới, ổn định và biến đổi từ từ

Điều kiện để tính địa đới hay phi địa đới chiếm ưu thế, ngoài tình hình bình quân của các đặc trưng do diện tích lưu vực dẫn đến, sự ảnh hưởng của các yếu tố cảnh quan khác với các đặc tính địa đới vốn có của chúng cũng chiếm một vị trí quan trọng

Sự phân tích một cách chính xác tính mâu thuẫn thống nhất giữa địa đới và phi điạ đới của hiện tượng thủy văn có một ý nghĩa quan trọng Khi đặc trưng thủy văn

có tính địa đới chiếm ưu thế, sử dụng hình thức đường đẳng trị để tổng hợp, cần phân tích tỉ mỉ các điều kiện và tìm mọi cách để khử ảnh hưởng phi địa đới Khi xét đến

các nhân tố phi địa đới, thường dùng phương pháp phân khu, ngoài ra cần tiến hành phân tích ảnh hưởng của các nhân tố tiểu địa hình địa phương

Cân bằng nước là một trong hai nguyên lý cơ bản khi nghiên cứu địa lý thủy văn Nó chỉ ra sự phân phối về số lượng cũng như quan hệ so sánh về lượng của các đặc trưng trong các giai đoạn của tuần hoàn thủy văn Nghiên cứu cân bằng nước có giá trị đặc biệt không chỉ đối với địa lý thủy văn mà còn đối với sự phát triển của thủy văn học nói chung

Nguyên lý cân bằng nước có thể phát biểu như sau: Đối với một khoảng không gian nào đó được giới hạn bởi một mặt tùy ý, trong một khoảng thời gian nhất định lượng nước đi vào bên trong khoảng không gian đó trừ đi lượng nước đi ra khỏi nó phải bằng lượng nước tăng hay giảm ở bên trong khối đã cho Đẳng thức đúng với bất kỳ khoảng không gian và khoảng thời gian nào

1.2.1 Cân bằng nước tự nhiên

Trong cân bằng nước tự nhiên chúng ta chỉ xem xét các thành phần của phương trình cân bằng trong điều kiện tự nhiên không đề cập đến các nhân tố tác động do con người

* Ở dạng thông dụng nhất, xuất hiện từ cuối thế kỷ 19, người ta xét cho khoảng thời gian trung bình nhiều năm, khi đó lượng mưa cân bằng với lượng dòng chảy và bốc hơi

Bằng cách xây dựng các bản đồ đẳng trị, nghiên cứu của sự thay đổi của từng yếu tố trong phương trình cân bằng nước cũng như nghiên cứu quan hệ giữa các yếu

tố ở từng khu vực, tìm ra quy luật thay đổi về chất và lượng của quan hệ này và phân chia thành các khu có cân bằng nước khác nhau

Bản đồ hệ số dòng chảy là công cụ quan trọng để phân tích quan hệ giữa các yếu tố trong phương trình cân bằng nước thông dụng Bởi vì hệ số dòng chảy là chỉ tiêu tổng hợp của cân bằng nước Nó cho thấy quan hệ định lượng giữa 3 yếu tố trong phương trình cân bằng nước Ví dụ: Mưa rơi xuống chủ yếu sinh ra dòng chảy hay bốc hơi, dòng chảy và bốc hơi, yếu tố nào chiếm ưu thế trên khu vực Đồng thời nó cũng cho biết quan hệ định lượng so sánh giữa các yếu tố, như dòng chảy chiếm bao nhiêu phần trăm, tỉ số giữa lượng bốc hơi và dòng chảy là bao nhiêu?

Phương trình phản ánh một cách định lượng vòng tuần hoàn của nước trong một lưu vực sông, trong một lưu vực riêng biệt hoặc trên toàn Trái Đất được gọi là

phương trình cân bằng nước Phương trình cân bằng nước xuất phát từ định luật bảo

toàn vật chất đối với một lưu vực, có thể phát biểu như sau: “Hiệu số của lượng nước đến và lượng nước đi khỏi một lưu vực trong một thời đoạn tính toán nhất định bằng

sự thay đổi trữ lượng nước chứa trong lưu vực đó”

Hình 1: Tổng quát hóa phương trình cân bằng nước

2) Lượng nước (chế độ dòng chảy);

3) Nhiệt độ của nước (chế độ nhiệt);

4) Lượng nước và chất rắn do dòng nước cuốn theo (chế độ phù sa);

5) Thành phần và nồng độ chất hòa tan (chế độ hoá học của nước);

6) Sự thay đổi lòng sông (chế độ diễn biến lòng sông);

7) Hiện tượng băng giá (chế độ băng)

Ngoài ra còn xét chế độ sóng, chế độ lưu tốc Những sự dao động của mực nước và lượng nước theo thời gian thường được thống nhất thành khái niệm chế độ nước

Tuỳ theo mức độ ảnh hưởng của công trình thủy lợi người ta phân ra chế độ thủy văn đã điều tiết và chế độ thủy văn tự nhiên Tuỳ theo loại đối tượng nước người

ta phân biệt chế độ nước sông, chế độ nước hồ, chế độ nước đầm lầy, chế độ nước ngầm

CHƯƠNG 2 NƯỚC TRÊN TRÁI ĐẤT

2.1 LƯU VỰC VÀ SỰ PHÂN BỐ NƯỚC

2.1.1 Sự phân chia lưu vực

2.1.1.1 Định nghĩa lưu vực

Lưu vực là phần diện tích bề mặt đất trong tự nhiên mà mọi lượng nước mưa khi rơi xuống sẽ tập trung lại và thoát qua một cửa ra duy nhất Trên lưu vực, ngoài các diện tích đất trên cạn còn có các phần chứa nước trong lòng sông, hồ, các vùng đất ngập nước theo từng thời kỳ và phần nước ngầm bên dưới

Nước trên lưu vực chảy theo các dòng chảy thành phần tập trung vào dòng

chính, mặt cắt dòng chính tại đó nước trên lưu vực chảy qua gọi là mặt cắt cửa ra của

lưu vực Tại mặt cắt cửa ra, nếu tiến hành đo đạc các yếu tố thủy văn sẽ thu được quá trình dòng chảy và lượng dòng chảy của lưu vực đó

Hình 2: Các phân bậc của lưu vực

Lưu vực là một hệ thống mở và luôn tương tác với tầng khí quyển bên trên thông qua hoạt động của hoàn lưu khí quyển và vòng tuần hòa của nước, nhờ đó hàng năm lưu vực đều nhận được một lượng nước đến từ mưa để sử dụng cho các nhu cầu của con người và duy trì hệ sinh thái

Hình 3: Các lưu vực thoát nước của các đại dương và biển lớn trên Trái Đất

Lưu vực có thể xác định theo các nhánh sông, các hệ thống sông lớn, hoặc các

hồ, các biển và đại dương Hình trên thể hiện các lưu vực thoát nước của các đại dương và biển lớn trên Trái Đất Phần màu đen là các lưu vực nội địa

Bảng 1: 10 lưu vực sông lớn nhất trên Trái Đất

TT Tên

lưu vực

Tổng diện tích lưu vực (km 2 )

Tên nước có trong lưu vực

Diện tích lưu vực của từng nước (km 2 )

Tỷ lệ % diện tích lưu vực

1 Amazon 5,883,400

Brazil 3,670,300 62.38 Peru 956,500 16.26 Bolivia 706,700 12.01 Colombia 367,800 6.25 Ecuador 123,800 2.1 Venezuela 40,300 0.68 Guyana 14,500 0.25 Suriname 1,400 0.02 French Guiana 30 >0

2 Congo/

Zaire 3,691,000

Kinshasa 2,302,800 62.39 Trung Phi 400,800 10.86 Angola 290,600 7.87 Cộng hòa

Brazzaville 248,100 6.72 Zambia 176,000 4.77 Tanzania 166,300 4.51 Cameroon 85,200 2.31 Burundi 14,400 0.39 Rwanda 4,500 0.12 Sudan 1,400 0.04 Gabon 500 0.01 Malawi 100 >0 Uganda 70 >0

3 Mississi

ppi 3,226,300

Hoa Kỳ 3,176,500 98.46 Canada 49,800 1.54

4 Nile 3,031,700

Sudan 1,927,300 63.57 Ethiopia 356,000 11.74 Egypt 272,600 8.99 Uganda 238,500 7.87 Tanzania 120,200 3.96 Kenya 50,900 1.68 Kinshasa 21,400 0.71 Rwanda 20,700 0.68 Burundi 12,900 0.43

Ai Cập 4,400 0.15 Eritrea 3,500 0.12 Sudan 2,000 0.07

TT Tên

lưu vực

Tổng diện tích lưu vực (km 2 )

Tên nước có trong lưu vực

Diện tích lưu vực của từng nước (km 2 )

Tỷ lệ % diện tích lưu vực

5 La Plata 2,954,500

Brazil 1,379,300 46.69 Argentina 817,900 27.68 Paraguay 400,100 13.54 Bolivia 245,100 8.3 Uruguay 111,600 3.78

6 Ob 2,950,800

Nga 2,192,700 74.31 Kazakhstan 743,800 25.21 Trung Quốc 13,900 0.47 Mông Cổ 200 0.01

7 Jenisej/

Yenisey 2,557,800

Nga 2,229,800 87.17 Mông Cổ 327,900 12.82

8 Hồ Chad 2,388,700

Chad 1,079,200 45.18 Niger 674,200 28.23 Trung Phi 218,600 9.15 Nigeria 180,200 7.54 Algeria 90,000 3.77 Sudan 82,800 3.47 Cameroon 46,800 1.96 Chad 12,300 0.51 Libya 4,600 0.19

9 Niger 2,113,200

Nigeria 561,900 26.59 Mali 540,700 25.58 Niger 497,900 23.56 Algeria 161,300 7.63 Guinea 95,900 4.54 Cameroon 88,100 4.17 Burkina Faso 82,900 3.93 Benin 45,300 2.14 Ivory Coast 22,900 1.08 Chad 16,400 0.78 Sierra Leone 50 >0

10 Amur 2,085,900

Nga 1,006,100 48.23 Trung Quốc 889,100 42.62 Mông Cổ 190,600 9.14 Triều Tiên 100 0.01

2.1.1.2 Giới hạn của lưu vực

Một lưu vực là vùng địa lý được giới hạn bởi đường chia nước Đường chia

nước còn gọi là đường phân thủy, là đường nối các điểm cao nhất xung quanh lưu vực và ngăn cách nó với các lưu vực khác ở bên cạnh, nước ở hai phía của đường này

sẽ chảy về các lưu vực khác nhau

Hình 4: Bản đồ đường phân nước của lưu vực

Hình 5: Đường phân nước mặt và phân nước ngầm

Có hai loại đường phân nước: đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm

- Đường phân nước mặt là đường nối các điểm địa hình cao nhất trên mặt đất

xung quanh lưu vực, nước mưa rơi xuống hai phía của nó sẽ chảy tràn theo sườn dốc tập trung vào hai lưu vực khác nhau

- Đường phân nước ngầm là đường phân chia sự tập trung nước ngầm giữa các

lưu vực

Các lưu vực có đường phân nước mặt trùng với đường phân nước ngầm được

gọi là lưu vực kín Trong khi đó, các lưu vực có đường phân nước mặt và ngầm không trùng nhau thì được gọi là lưu vực hở

Đa số các lưu vực là lưu vực hở do đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm thường không trùng nhau nên sẽ có hiện tượng nước từ lưu vực này chuyển sang lưu vực khác Sự khác nhau là do cấu tạo và phân bố địa chất khác nhau Đặc biệt, với các lưu vực sông nằm trên vùng đá vôi thường xuất hiện hiện tượng karst, tức dòng chảy ngầm từ lưu vực này chuyển sang lưu vực khác, thậm chí dòng chảy mặt trên sông tự nhiên biến mất và lộ ra ở hạ lưu hay chuyển sang một dòng sông của lưu vực khác )

Trong thực tế việc xác định đường phân nước ngầm là rất khó khăn, bởi vậy

thường lấy đường phân nước mặt làm đường phân nước của lưu vực và gọi là đường phân lưu Muốn xác định đường phân lưu phải căn cứ vào bản đồ địa hình có vẽ các

đường đồng mức cao độ

Lưu vực thường được đề cập đến là lưu vực sông, và toàn bộ lượng nước trên sông sẽ thoát ra cửa sông (kể cả nước mặt và nước ngầm) Có nhiều khái niệm khác nhau về lưu vực sông, dưới đây là một số định nghĩa có thể tham khảo:

- Phần diện tích mặt đất giới hạn bởi đường phân thủy, trên đó nước chảy vào một con sông hay một hệ thống sông nào đó gọi là lưu vực Phần diện tích từ đó nước mặt và nước ngầm tập trung vào một hệ thống được gọi là diện tích tập trung nước của hệ thống sông

- Lưu vực sông là vùng địa lý mà trong phạm vi đó nước mặt, nước dưới đất chảy tự nhiên vào sông

- Phần mặt đất bao gồm tất cả những vật tự nhiên và nhân tạo có trên đó và cung cấp nguồn nước nuôi dưỡng cho hệ thống sông hay một con sông riêng biệt gọi

là lưu vực của hệ thống sông hoặc là lưu vực sông Lưu vực của mỗi con sông bao gồm phần thu nước bề mặt và phần thu nước ngầm Phần thu nước mặt là phần diện tích bề mặt Trái Đất mà từ đó tất cả lượng nước sinh ra gia nhập vào hệ thống sông hoặc một con sông riêng biệt Phần thu nước ngầm được tạo nên bởi tầng đất đá mà

từ đó nước ngầm chảy vào lưới sông

- Một lưu vực sông là diện tích đất được giới hạn bởi đường phân thủy mà trên

đó tất cả nước sẽ tập trung chảy ra một cửa duy nhất Lưu vực sông cũng được gọi là diện tích lưu vực Các cạnh của một lưu vực sông được gọi là đầu nguồn, ở phía bên kia

đường phân thủy, sẽ có một lưu vực sông khác

2.1.1.3 Các phương pháp xác định lưu vực

Hiện nay, có 2 phương pháp xác định lưu vực sông như sau:

* Phương pháp cổ điển: khoanh vẽ trên bản đồ cao độ địa hình

Trước khi có các công cụ hỗ trợ trên máy tính thì phương pháp xác định lưu vực phổ biến là sử dụng bản đồ cao độ địa hình, tạo các đường đồng cao độ, sau đó khoanh lưu vực theo những cao độ lớn nhất trên khu vực nghiên cứu

Hình 6: Xác định lưu vực bằng phương pháp cổ điển

Phương pháp xác định đường phân thuỷ (ranh giới) lưu vực trên bản đồ địa hình được thực hiện theo các bước sau:

- Bước 1: Xác định vị trí cần nghiên cứu trên sông (Vị trí A)

- Bước 2: Xác định đường chia nước lưu vực Việc xác định này thực hiện bằng cách nối các điểm cao độ cao nhất trong khu vực Công việc xác định ranh giới lưu vực sông trên thực tế thường chịu ảnh hưởng bởi kinh nghiệm và tính chủ quan của người thực hiện, và mất khá nhiều thời gian

- Bước 3: Sau khi xác định được đường chia nước lưu vực, việc tiếp theo là xác định diện tích lưu vực và các đặc trưng cần thiết khác Diện tích lưu vực thường được thực hiện bằng phương pháp đếm ô vuông hoặc dùng máy đo diện tích chạy theo đường phân nước được xác định trên bản đồ địa hình Để đảm bảo độ chính xác người ta thường dùng các bản đồ địa hình tỉ lệ lớn 1/5.000, 1/10.000, 1/25.000 hay lớn hơn, tuỳ yêu cầu về độ chính xác

Phương pháp này có một số ưu, nhược điểm sau:

- Ưu điểm: Được thực hiện khá đơn giản, không cần các thiết bị máy tính; Có thể tổng quan hóa lưu vực trên bản đồ giấy

- Nhược điểm: Mất nhiều thời gian để khoanh lưu vực, tính diện tích lưu vực hoặc độ dốc Bên cạnh đó, việc xác định lưu vực sông bằng phương pháp này phụ thuộc nhiều vào các yếu tố chủ quan khi tiến hành công việc trên bản đồ Độ chính xác của lưu vực phụ thuộc rất lớn vào trình độ và kinh nghiệm của người thực hiện Phương pháp này không linh hoạt khi cần có sự thay đổi về vị trí,

* Phương pháp kỹ thuật số: Sử dụng công cụ hỗ trợ của hệ thống thông tin địa

lý GIS với bản đồ kỹ thuật số

Công cụ hiệu quả nhất hiện nay hỗ trợ việc xác định ranh giới lưu vực sông bất

kỳ là sử dụng công nghệ GIS bao gồm các phương pháp tính, các phần mềm chuyên dụng, và cơ sở dữ liệu bản đồ số (bao gồm bản đồ dưới dạng vector (dạng điểm, đường, và vùng) hay dưới dạng raster (dạng ô lưới))

Hiện nay, có nhiều phần mềm GIS được ứng dụng rộng rãi như MapInfo, Arcview GIS, ArcGIS, Map Windows, Để kết hợp việc xác định ranh giới lưu vực với phân tích, đánh giá, và tính toán các đặc trưng lưu vực sông nhiều công cụ được xây dựng và nhúng kết vào các phần mềm này Một trong những các công cụ điển hình về xác định lưu vực sông được nhiều người biết đến đó là Hydrologic Modeling (v 1.1), AVSWAT (ArcView SWAT) được viết bằng ngôn ngữ Avenue Script trong Arcview GIS 3.2; AV-ThreshR (1999-2000) (NWS-HRL); HEC-GeoHMS (ESRI, HEC) kết hợp HECPrepro (Univ of Texas at Austin) và Watershed Delineator (ESRI, TNRCC),

Ngoài ra, có khá nhiều các công cụ, đoạn chương trình được chia sẻ miễn phí trên mạng internet có thể sử dụng cho việc xác định lưu vực sông

Để xác định lưu vực sông một cách tự động, hầu hết các công cụ được xây dựng dựa trên lý thuyết “mô hình dòng chảy 8 hướng” Mô hình này dựa trên lý thuyết là

dòng chảy tại một ô lưới (grid) sẽ chảy đến 1 trong 8 hướng xung quanh ô lưới đó, được thể hiện trong Hình

Hình 7: Hướng dòng chảy trong mô hình dòng chảy 8 hướng

Các công cụ xác định ranh giới lưu vực sông chỉ khác nhau về mức độ sử dụng thể hiện qua các đặc tính của công cụ như (1) tính linh động trong xác định lưu vực, (2) tốc độ tính toán nhanh chậm, (3) việc tính toán các đặc trưng lưu vực, (4) cách thức lưu giữ, liên kết thông tin, và (5) cách thức sử dụng và kết nối các đặc trưng của lưu vực sông với các công cụ khác bên ngoài

Các bước cơ bản để xác định lưu vực sông một cách tự động dựa trên bản đồ số dưới dạng raster (ô lưới) như sau:

- Bước 1: Chuẩn bị số liệu cao độ số DEM

- Bước 2: Xử lý số liệu cao độ số (Xử lý số liệu cao độ -Fill DEM)

- Bước 3: Tính toán xác định hướng dòng chảy theo mô hình 8 hướng trên (Flow Direction)

- Bước 4: Xác định liên kết hướng dòng chảy giữa các ô lưới (Flow Accumulation)

- Bước 5: Xác định lưu vực sông và tính toán các đặc trưng của nó

Phương pháp xác định ranh giới lưu vực sông bằng ứng dụng công nghệ GIS trên bản đồ số có thể khắc phục được những nhược điểm của phương pháp xác định bằng bản đồ giấy địa hình lưu vực sông Bên cạnh đó, việc ứng dụng công nghệ GIS không chỉ dừng lại ở việc xác định ranh giới lưu vực sông mà nó còn có thể phát huy được các chức năng của công cụ máy tính như liên kết, tự động hóa, cải tiến tốc độ tính toán, ứng dụng mở rộng trong tính toán xử lý phía sau

2.1.2 Đặc trưng hình học của lưu vực

2.1.2.1 Diện tích lưu vực

Diện tích lưu vực F (km2) là diện tích được khống chế bởi đường phân lưu của khu vực Diện tích lưu vực được xác định từ bản đồ có tỷ lệ xích trong khoảng 1/5.000 đến 1/100.000 Có thể dùng phương pháp phân ô vuông hoặc dùng máy đo diện tích để xác định diện tích lưu vực

Hình 8: Định diện tích lưu vực bằng phương pháp phân ô vuông

2.1.2.2 Chiều dài sông chính và chiều dài lưu vực

Chiều dài sông chính L (km) là chiều dài tính theo chiều dòng chảy đo từ nguồn sông đến cửa sông Sông chính là con sông có chiều dài lớn nhất (hoặc tải lưu lượng lớn nhất)

Chiều dài lưu vực L' (km) là tổng các chiều dài các đoạn gấp khúc từ cửa sông qua các điểm giữa các đoạn thẳng cắt ngang lưu vực cho đến nguồn của sông Các đường cắt ngang lưu vực lấy vuông góc với trục dòng chính tại vị trí vẽ đường cắt ngang đó Thông thường, người ta coi chiều dài sông chính là chiều dài lưu vực, tức L' = L1

Hình 9: Cách xác định chiều dài sông và chiều dài lưu vực

2.1.2.3 Chiều rộng bình quân lưu vực

Chiều rộng bình quân lưu vực B (km) là tỷ số diện tích và chiều dài lưu vực

2.1.2.4 Hệ số hình dạng lưu vực

Hệ số hình dạng lưu vực Kd là tỷ số giữa bề rộng lưu vực và chiều dài lưu vực

Kd biểu thị hình dạng của lưu vực, thông thường thì Kd ≤ 1 Lưu vực càng có hình dạng vuông thì Kd → 1.0, ngược lại càng hẹp và càng dài thì Kd càng nhỏ và khả năng tập trung nước lũ càng lớn

Hình 10: Hình dạng của lưu vực ảnh hưởng đến khả năng tập trung nước lũ

2.1.2.5 Độ cao bình quân lưu vực

Độ cao bình quân lưu vực Hbq xác định từ bản đồ đường đồng mức cao độ

Trong đó: hi - cao trình bình quân giữa 2 đường đồng mức cao độ

fi - diện tích giữa 2 đường đồng mức cao độ

n - số mảnh diện tích

Hình 11: Xác định độ cao bình quân lưu vực bằng đường đồng mức

2.1.2.6 Độ dốc bình quân lưu vực

Trong đó: li - khoảng cách bình quân giữa 2 đường đồng mức gần nhau

∆h - chênh lệch cao độ giữa 2 đường đồng mức (trên bản đồ địa hình thường có các giá trị như nhau đối với mọi đuờng đồng mức, nghĩa là các giá trị tăng giảm của đường đồng mức đều như nhau)

Hình 12: Mật độ lưới sông cho biết sự phong phú của nguồn nước của lưu vực

2.1.3 Nguồn gốc và sự phân bố nước trên Trái Đất

2.1.3.1 Nguồn gốc của nước trong 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 lý 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

2.1.3.2 Sự phân bố của nước trên Trái Đất

Trong Trái Đất, nước tồn tại chủ yếu ở thủy quyển Thủy quyển bao gồm đại dương, biển cả, sông ngòi, khe suối, ao hồ, đầm lầy, nước ngầm, kể cả các khối băng đá bao phủ ở hai cực của Trái Đất Đây là quyển tích nhiều nước nhất Trong

đó, đại dương và biển đã chiếm hết 3/4 diện tích bề mặt Trái Đất

Bảng 2: Phân bố nước toàn Trái Đất

tính bằng km 3

Phần trăm của nước ngọt

% tổng lượng nước

Đỉnh núi băng, sông băng, và

30,1

1,7 0,76 0,94

0,26

0,013 0,007 0,006

km3 nước, bằng 1/41 lượng mưa rơi hằng năm xuống Trái Đất Trong đất đá, nước chứa trong các mạch ngầm, sông ngầm, ao hồ ngầm, nước còn hiện diện trong các khe hở của đá, trong các liên kết lý hóa của khoáng đá và lượng ẩm trong các lớp thổ nhưỡng Nước hiện diện trong cơ thể động vật và trong tế bào thực vật Lượng này

tuy rất ít so với toàn thể lượng nước trên Trái Đất nhưng rất quan trọng, nếu có sự biến động về lượng nước này trong cơ thể sẽ gây rối loạn trong sự trao đổi chất và đe dọa sự sống ngay

* Biển và đại dương: lớp vỏ nước lấp đầy các bồn địa khổng lồ trên bề mặt Trái

Đất Đại dương và biển chứa 1,338 tỷ km3 nước (96,5 % trữ lượng nước Trái Đất), trải ra trên 360 triệu km2 diện tích, (70,8 % diện tích Trái Đất) Biển và đại dương cũng cung cấp khoảng 90% lượng nước bốc hơi vào trong vòng tuần hoàn nước Trong những thời kỳ khí hậu lạnh hơn, nhiều đỉnh núi băng và những dòng sông băng được hình thành, một lượng nước Trái Đất khá lớn được tích lại dưới dạng băng làm giảm bớt lượng nước trong những thành phần khác của vòng tuần hoàn nước Cuối thời kỳ băng hà, những sông băng bao phủ 1/3 bề mặt Trái Đất và mực nước các đại dương thì thấp hơn ngày nay khoảng 122 m Cách đây khoảng 3 triệu năm, khi Trái Đất ấm hơn, mực nước của các đại dương có thể đã cao hơn hiện nay khoảng

50 m

Hình 13: Tỷ lệ nước chứa trong biển và đại dương

* Trên lục địa, nước chủ yếu được giữ lâu dài trong băng, tuyết, và các sông

băng Vùng Nam Cực chiếm 90% tổng lượng băng của Trái Đất, còn lại là các đỉnh núi băng ở Greenland Trên phạm vi toàn cầu, đã từng có những thời kỳ ấm thuộc kỷ khủng long cách đây 100 triệu năm, và những thời kỳ lạnh, như kỷ băng hà cuối cùng cách đây 20.000 năm Trong kỷ băng hà cuối cùng này nhiều nơi của bắc bán cầu bị bao phủ trong băng và những dòng sông băng Gần hết Canada, Bắc Á và Âu cũng bị những dòng sông băng bao phủ Đứng sau đó là nước ngầm, rồi đến nước trong ao hồ

và các dạng khác

2.2 SỰ TUẦN HOÀN VÀ CÂN BẰNG NƯỚC

2.2.1 Sự tuần hoàn nước

2.2.1.1 Các vòng tuần hoàn nước

Nước trên mặt biển, đại dương, trên mặt sông, hồ ở mặt đất và từ trong sinh vật được Mặt Trời đốt nóng, không ngừng bốc hơi và phát tán vào khí quyển Hơi nước trong khí quyển tập trung thành các khối mây Khi gặp lạnh, hơi nước ngưng tụ thành mưa rơi xuống mặt biển, đại dương và mặt đất Một phần nước mưa bốc hơi trở lại khí quyển, một phần thấm xuống đất thành dòng chảy ngầm rồi đổ ra sông biển, một phần khác chảy tràn trên mặt đất theo trọng lực rồi đổ ra sông, biển Cứ như thế, nưóc từ bề mặt Trái Đất bay vào khí quyển, rồi từ khí quyển đổ vào đất lại tạo ra một chu trình khép kín, hình thành vòng tuần hoàn nước trong thiên nhiên

Hình 14: Hệ thống tuần hoàn của nước Vòng tuần hoàn nước: còn gọi là chu kỳ thuỷ văn là đường đi khép kín của các

phân tử nước Nguyên nhân: do tác dụng của năng lượng Mặt Trời và trọng lực Trái Đất, nước trên Trái Đất ở trạng thái thường xuyên tác động qua lại và liên kết với nhau thành một thể thống nhất.Vòng tuần hoàn nhỏ là vòng tuần hoàn nước thực hiện trong một phạm vi nhất định Vòng tuần hoàn lớn là vòng tuần hoàn nước thực hiện trên phạm vi toàn Trái Đất

Lục địa được chia thành hai bộ phận: miền rìa lục địa và miền không lưu thông

- Miền rìa lục địa (80% diện tích lục địa): phần đất liền mà từ đó, sông đưa

nước ra biển nối liền với đại dương thế giới chiếm hơn 98% tổng lượng dòng chảy

- Miền không lưu thông (20% diện tích lục địa): phần đất liền mà từ đó, nước đi

vào các bồn chứa khép kín bên trong đất liền, không có dòng chảy ra đại dương và chiếm khoảng 2% tổng lượng dòng chảy

Một phần nhỏ tổng lượng nước tuần hoàn trên Trái Đất (khoảng 7,7 km3/năm) hoàn thành vòng tuần hoàn nước trong phạm vi các miền không lưu thông Tuy có liên quan tới tuần hoàn chung của nước trên Trái Đất nhưng sự tuần hoàn của nước trong những miền không lưu thông ở mức độ nào đó vẫn mang tính độc lập

Điểm khác biệt trong cách trao đổi ẩm của các miền không lưu thông với đại dương thế giới là nước từ chúng quay trở lại đại dương không phải bằng dòng chảy trực tiếp mà dưới dạng hơi nước cuốn theo các khối không khí

2.2.1.2 Thành phần của vòng tuần hoàn nước

Nhờ năng lượng Mặt Trời, hàng năm có khoảng 519.000 km3 nước được bốc hơi từ bề mặt Trái Đất (tức là từ đại dương, biển và đất liền)

+ Trong tổng lượng nước bốc hơi từ bề mặt đại dương: một phần gặp điều kiện thuận lợi, ngưng tụ thành mưa rơi trở lại đại dương, hoàn thành vòng tuần hoàn nhỏ

trên đại dương; phần còn lại theo không khí vào đất liền, khi gặp điều kiện thuận lợi cũng sẽ ngưng tụ và rơi xuống dưới dạng mưa

+ Trong tổng lượng mưa rơi trên đất liền: một phần chảy trên mặt đất tới các khe rãnh, chỗ trũng tạo thành sông suối, hồ ao, đầm lầy; phần còn lại thấm xuống đất + Trong tổng lượng nước thấm xuống đất: một phần lại được bốc hơi hoặc trực tiếp từ mặt đất, hoặc gián tiếp thông qua lớp phủ thực vật, hoàn thành vòng tuần hoàn nhỏ của nước trên mặt đất của đất liền; phần còn lại thấm sâu xuống thành nước ngầm

+ Một phần nước ngầm này cung cấp cho sông; phần còn lại chảy ngầm ra biển

và đại dương theo hướng của độ dốc dưới tác dụng của trọng lực, hoàn thành vòng tuần hoàn lớn của nước trên Trái Đất

+ Lượng nước chảy tập trung trong sông ngòi, hồ ao, đầm lầy: hoặc bị bốc hơi hết, hoặc bị bốc hơi một phần, phần còn lại chảy ra biển và đại dương, hoàn thành vòng tuần hoàn lớn của nước trên Trái Đất

Hầu hết các loại nước đều tham gia vào vòng tuần hoàn, chỉ trừ các loại nước ở trạng thái liên kết hóa học trong các tinh thể khoáng vật, nước nằm trong các tầng sâu của trái đoất và nước ở trong các núi băng vĩnh cửu ở 2 cực

2.2.1.3 Nguyên nhân và bản chất vật lý

Các vòng tuần hoàn nước trong tự nhiên được thực hiện dưới ảnh hưởng của nhiệt Mặt Trời và trọng lực, liên kết một số quá trình địa vật lý diễn ra ở các mắt xích khác nhau của nó lại với nhau

Đó là: quá trình bốc hơi, quá trình di chuyển hơi ẩm trong khí quyển, quá trình ngưng tụ hơi ẩm, quá trình mưa rơi, quá gtrình thấm nước vào đất, quá trình dòng chảy mặt và quá trình dòng chảy ngầm

Để 519.000 km3 nước được bốc hơi và tham gia vào vòng tuần hoàn nước trên Trái Đất hàng năm, cần có một nhiệt lượng là 3,15.1020 kcal Hàng năm, Trái Đất nhận được từ Mặt Trời một nhiệt lượng là 134.1020 kcal Như vậy, có thể ước tính hàng năm, có khoảng hơn 2% năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất đã tiêu hao vào tuần hoàn nước trên Trái Đất

2.2.2 Phương trình cân bằng nước

2.2.2.1 Phương trình tổng quát

Trong một khu vực bất kỳ, giả thiết có một mặt trụ thẳng đứng bao quanh khu vực đó tới tầng không thấm nước Chọn thời đoạn ∆t bất kỳ Dựa vào nguyên lý cân bằng nước, ta có biểu thức sau:

(X + Z1 + Y1 + W1 ) - (Z2 + Y2 + W2) = |U2 - U1| = ± ∆U trong đó:

X - lượng mưa bình quân rơi trên lưu vực;

Z1 - lượng nước ngưng tụ trên mặt lưu vực;

Y1 - lượng dòng chảy mặt đến;

W1 - lượng dòng chảy ngầm đến

Z - lượng nước bốc hơi khỏi lưu vực;

Y2 - lượng dòng chảy mặt đi;

W2 - lượng dòng chảy ngầm đi

U1 - lượng nước trữ trong lưu vực ở thời đoạn đầu của ∆t;

U2 - lượng nước trữ trong lưu vực ở thời đoạn cuối của ∆t;

∆U : mang dấu + khi U1 > U2 và ngược lại

Hình 15: Các giá trị trong phương trình cân bằng nước thông dụng

2.2.2.2 Phương trình trong thời đoạn bất kỳ

Phương trình này áp dụng cho thời đoạn bất kỳ, tức ∆t có thể là 1 năm, 1 tháng,

1 ngày hoặc nhỏ hơn nữa

- Đối với lưu vực kín

Lưu vực kín là lưu vực mà đường phân chia nước mặt và ngầm trùng nhau, khi

đó không có nước mặt và nước ngầm từ lưu vực khác chảy đến, tức là Y1 = 0 và W1

= 0 Gọi Y = Y2 + W2 là tổng lượng nước mặt và ngầm chảy ra khỏi lưu vực và Z =

Z2 - Z1 là lượng bốc hơi đã trừ lượng ngưng tụ, ta có:

X = Y + Z ± ∆U

- Đối với lưu vực hở

Đối với lưu vực hở là lưu vực mà đường phân chia nước mặt và ngầm không trùng nhau, sẽ có lượng nước ngầm từ lưu vực khác chảy vào hoặc ngược lại, do đó

sẽ có thêm chênh lệch lượng nước ngầm ± ∆W = W2 - W1 khi đó phương trình cân bằng nước có dạng:

X = Y + Z ± ∆W ± ∆U

2.2.2.3 Phương trình cho nhiều năm

Để viết phương trình cân bằng nước trong nhiều năm, người ta lấy bình quân các thành phần trong phương trình cân bằng nước qua nhiều năm

- Đối với lưu vực kín, với X = Y + Z ± ∆U, xét trong n năm:

Tổng Σ ±∆U có thể xem như bằng 0 do có sự xen kẽ của những năm nhiều nước

và ít nước, do đó phương trình sẽ trở thành:

trong đó:

Nếu n đủ lớn, thì X0, Y0, Z0 lần lược được gọi là chuẩn mưa năm, chuẩn dòng chảy năm và chuẩn bốc hơi năm

- Đối với lưu vực hở, tương tự Σ ±∆U có thể xem như bằng 0 do có sự xen kẽ

của những năm nhiều nước và ít nước Tuy nhiên, trong trường hợp lưu vực hở, giá trị bình quân nhiều năm của ± ∆Wi không tiến đến 0 được vì sự trao đổi nước ngầm giữa các lưu vực không cân bằng thường diễn ra 1 chiều Do đó, ta sẽ có phương trình:

Cân bằng nước trung bình nhiều năm trên thế giới và Việt Nam có thể tham khảo ở bảng sau

Bảng 3: Cân bằng nước trung bình nhiều năm trên thế giới và Việt Nam

CHƯƠNG 3 THỦY VĂN SÔNG

3.1 SÔNG VÀ HỆ THỐNG SÔNG

2.1.1 Khái quát về sông

2.1.1.1 Khái niệm sông

Sông là dòng nước lưu lượng lớn thường xuyên chảy, có nguồn cung chủ yếu là

từ hồ nước, từ các con suối hay từ các con sông nhỏ hơn nơi có độ cao hơn

Các con sông nhỏ cũng có thể được gọi bằng nhiều tên khác nhau như khe, suối, sông nhánh hay rạch Không có một chuẩn nào để gọi tên gọi cho các yếu tố địa lý như sông, suối, mặc dù ở một số quốc gia, cộng đồng thì người ta gọi dòng chảy là sông, rạch tùy thuộc vào kích thước của nó

2.1.1.2 Các bộ phận cấu thành

- Lòng sông và bãi sông

Lòng sông là phần sông có nước chảy về mùa kiệt Bãi sông là phần đất bị ngập

về mùa lũ Ranh giới giữa lòng sông và bãi sông, giữa bãi sông với phần đất không ngập trong thung lũng thường là những chỗ có địa hình thay đổi đột ngột Trên thung lũng sông, nhiều khi còn quan sát thấy từng bậc rất rõ rệt, mỗi bậc có những cấu tạo khác nhau về địa mạo và địa chất

- Thềm sông

Một trong những chứng cứ tốt nhất để có thể suy đoán các thay đổi trong quá khứ của trạng thái cân bằng hệ thống sông là sự tồn tại của các thềm sông Nó chính

là tàn dư của các đồng bằng ngập lũ cổ mà bây giờ nằm cao hơn các đồng bằng ngập

lũ hiện đại trong lủng sông Các thềm sông xác nhận trạng thái cân bằng trước đây,

mà trong thời kỳ xâm thực không ổn định, đã không còn tồn tại

Hình 16: Hình thái của các thềm sông

Các thềm sông có thể đối xứng hoặc không đối xứng phụ thuộc vào việc có tồn tại bề mặt có độ cao tương ứng phía đối diện của lủng sông hay không Về mặt hình thái thềm sông bao gồm một bề mặt phẳng, gọi là mặt thềm, được bao bởi mái dốc gọi là vách thềm Thềm nhiều bậc thường phổ biến trong nhiều thung lũng sông

Tùy thuộc vào nguồn gốc hình thành, các thềm sông bao gồm hai loại Trong sự hình thành thềm xâm thực, xâm thực thẳng đứng là chủ yếu nguyên nhân là do quá trình kiến tạo và khí hậu của khu vực tạo nên Nguồn gốc của thềm tích tụ là quá trình lắng đọng vật liệu lấp đầy thung lũng của nó, giai đoạn bồi tụ này có thể được gây ra do sự giảm lưu tốc, sự tăng vật liệu vận chuyển hoặc sự thay đổi gốc xâm thực

2.1.1.3 Sự phân đoạn sông

Một con sông phát triển đầy đủ thường được chia thành 5 đoạn có tính chất khác nhau: nguồn sông, thượng lưu, trung lưu, hạ lưu và cửa sông

Nguồn sông: là nơi bắt đầu của dòng sông, những con sông lớn thường bắt

nguồn từ các miền núi cao, rừng rậm Tại đó có nhiều khe, suối nhỏ chằng chịt, nước chảy quanh năm Cũng có khi sông bắt nguồn từ mạch nước ngầm hoặc một hồ nước lớn

Thượng lưu: đoạn sông nối với nguồn sông Ðặc điểm đoạn này là có độ dốc rất

lớn, nước chảy xiết, xói lở theo độ sâu mạnh, lòng sông hẹp, thường có những ghềnh thác lớn

Trung lưu: là đoạn sông kế tiếp, độ dốc lòng sông ở đây đã giảm nhiều, không

có những thác ghềnh, nước chảy yếu hơn, xói lở phát triển sang hai bên bờ mạnh làm cho lòng sông mở rộng dần, sông ngày càng uốn khúc nhiều hơn

Hạ lưu: đoạn sông cuối cùng, độ dốc lòng sông rất nhỏ, nước chảy chậm, bồi nhiều hơn xói, tạo nên nhiều bãi sông nằm ngang ở giữa lòng sông, hình dạng sông

quanh co uốn khúc rất rõ rệt, lòng sông mở rộng nhiều so với các đoạn trên

Cửa sông: cửa sông là nơi tiếp giáp với biển, hồ, hoặc một con sông khác

2.1.1.4 Hình thái lòng sông trên mặt bằng

Những nhân tố tham gia điều chỉnh kiểu dạng dòng sông bao gồm gradien lòng sông, loại vật liệu mà sông cắt qua, loại và lượng vật liệu mà sông vận chuyển Dạng lòng sông chảy thẳng rất hiếm mặc dầu các sông uốn khúc vẫn có đoạn chảy thẳng

- Dạng uốn khúc

Dạng phổ biến nhất là sông uốn khúc, chúng có xu hướng phát triển trong những vùng hơi dốc, cùng với sự cung cấp vật liệu ít mà trong đó tỷ lệ đất dính cao Dạng lòng sông đồng thời cũng có liên quan với hình dạng mặt cắt ngang của sông; các sông uốn khúc được đặc trưng bởi mặt cắt hẹp và sâu

Mức độ uốn lượn được đánh giá định lượng bằng việc sử dụng thông số gọi là

độ uốn lượn, được đo bằng tỷ số giữa chiều dài của sông và chiều dài của thung lũng

Ðộ uốn lượn có quan hệ với loại vật liệu cấu tạo bờ sông, loại vật liệu vận chuyển và gradien Thể hiện một con sông có độ uốn lượn cao, sông này có gradien nhỏ, chảy cắt qua trầm tích có tỷ lệ hạt bụi và sét cao, vận chuyển chủ yếu vật liệu hạt mịn dạng

lơ lửng hơn là vật liệu đáy Những sông có đặc điểm ngược lại có độ uốn lượn thấp hơn nhiều

Xu hướng uốn lượn của dòng chảy là tính chất cơ bản của dòng chất lỏng, mặc

dù các nhân tố gây ra sự uốn lượn chưa được hiểu đầy đủ Ngay cả sông chảy thẳng,

lạch sâu, tức là phần sâu nhất của sông, cũng tạo nên dạng uốn lượn Các sông đào thẳng như các con kênh, mương tiêu nước thường xói bờ của chúng để phát triển dạng uốn lượn tự nhiên

Dòng chảy của nước trong sông uốn khúc được thể hiện trên hình 53 Vị trí lạch sâu ảnh hưởng đến bờ ngoài của đoạn uốn khúc ngay phía hạ lưu kể từ điểm cong nhất Bởi lạch sâu là chỗ sâu nhất của sông, nó đồng thời cũng đại diện cho điểm có lưu tốc lớn nhất trong sông

Hình 17: Hình thái của đoạn sông uốn khúc

Do hậu quả của lưu tốc lớn, sông uốn khúc có khuynh hướng xói bờ ngoài của chỗ uốn khúc để hình thành bờ xói, ở bờ trong của khúc sông cong, nơi mà độ sâu và lưu tốc nhỏ, xảy ra sự lắng động vật liệu hạt thô hơn Kết quả tích lũy vật liệu gọi là

bãi bồi

Dạng xâm thực một bên và bồi lắng ở bờ bên kia của đoạn sông cong dẫn đến sông ngày càng cong, rời bỏ dần dòng cũ của nó Sau khi rời bỏ hẳn, tức là đoạn cong tựa một nút thắt tách hẳn, bây giờ dòng sông chảy sang bên cạnh theo một đường khác, đoạn sông cũ trở thành hồ ách trâu, cuối cùng hồ này bị lắp bởi trầm tích hạt bụi và hạt sét chứa nhiều hữu cơ

Hình 18: Quá trình hình thành hồ ách trâu

- Dạng dải tết

Đây là những sông chảy trong các luồng lạch rộng, nông, ít ngoằn ngoèo và bao gồm nhiều dòng nhỏ được phân cách bởi các cồn nổi, bãi bồi được gọi là sông dạng dải tết Trong sông dạng dải tết, các dòng nhỏ liên tục phân chia rồi hợp lại xung quanh các cồn nổi ở trong dòng chính, có thể coi là chúng nối thành mạng Những điều kiện thuận lợi hình thành sông dạng dải tết: sự phong phú nguồn vật liệu bồi lắng hạt thô, gradien lớn, vật liệu bồi lắng hai bên bờ là đất rời, kém bền vững Với những điều kiện này sẽ phát triển mặt cắt ngang rộng và nông Trong sông rộng và nông, lưu tốc lớn ở sát đáy và có thể vận chuyển được hạt thô Dạng dòng chảy trong sông dạng dải tết luôn thay đổi theo sự dao động của lưu lượng

Hình 19: Bản đồ và mặt cắt ngang của các dòng sông uốn khúc và dạng dải tết

- Quạt bồi tích: nếu gradien của dòng chảy giảm đột ngột, Ta thấy rằng lưu tốc

sẽ giảm nếu các thông số khác của sông vẫn giữ nguyên Do đó, vật liệu hạt thô sẽ bị lắng động lại Một ví dụ tốt về sự giảm gradien là khi dòng chảy vừa thoát khỏi sườn núi, đổ ra bãi bằng liền kề của lưu vực Gradien và lưu tốc dòng chảy giảm đột ngột, vật liệu lắng đọng để hình thành vùng đất dạng nữa hình nón gọi là quạt bồi tích

Hình 20: Quạt bồi tích và vùng châu thổ

- Châu thổ: vùng mà sông đổ vào hồ hoặc biển hình thành châu thổ Châu thổ là

bản sao ngập dưới nước của quạt bồi tích Sự lắng động xảy ra ở vùng châu thổ là do sông chảy chậm và cuối cùng tiêu tán khi nó chuyển động ra xa bờ Sự giảm dần lưu tốc được phản ánh qua sự phân bố các loại vật liệu lắng đọng trong vùng châu thổ với

sự lắng động vật liệu đáy hạt thô trong vùng gần cửa sông Nhờ có sông bồi lắng, vùng châu thổ kéo dài hoặc tiến ra phía biển

2.1.1.5 Hình thái lòng sông trên mặt cắt

Mặt cắt sông gồm có mặt cắt ngang và mặt cắt dọc

Mặt cắt dọc: mặt cắt dọc là mặt cắt qua trục lòng sông (đường nối các điểm

thấp nhất của các mặt cắt ngang của con sông) Muốn xác định mặt cắt dọc của sông,

ta đo cao trình các điểm giữa lòng sông tại những nơi địa hình thay đổi rõ rệt Sau đó lấy chiều dài sông làm hoành độ và cao trình của các điểm tương ứng làm tung độ rồi nối các điểm trên hệ tọa độ vuông góc ta được biểu đồ mặt cắt dọc của sông

Biểu đồ mặt cắt dọc cho biết tình hình phân bố độ dốc lòng sông và chênh lệch mực nước giữa các vị trí trên sông Mặt cắt dọc là căn cứ chủ yếu để nghiên cứu đặc tính của dòng nước và dự tính thủy năng của sông

Hình 21: Mặt cắt ngang và mặt cắt dọc của sông Mặt cắt ngang: mặt cắt ngang của sông tại một vị trí nào đó là mặt cắt vuông

góc với hướng dòng chảy tại vị trí đó Mặt cắt ngang thay đổi theo tình hình mực nước, về mùa lũ mặt cắt lớn hơn mặt cắt mùa kiệt Căn cứ vào hình dạng còn phân ra mặt cắt đơn và mặt cắt kép Bộ phận mặt cắt có nước chảy thường xuyên gọi là lòng sông, phần mặt cắt ngang chỉ ngập lụt về mùa lũ được gọi là bãi sông Mặt cắt ngang sông có cả lòng sông và bãi sông chỉ có nước chảy qua về mùa lũ được coi là mặt cắt lớn

2.1.2 Khái quát về hệ thống sông

2.1.2.1 Khái niệm hệ thống sông

Hệ thống sông được hình thành dưới tác động bào mòn của dòng chảy do nước

mưa hoặc tuyết tan cung cấp Nước mưa rơi xuống đất, một phần bị tổn thất do bốc hơi, đọng vào các chỗ trũng và ngấm xuống đất, một phần dưới tác dụng của trọng lực chảy dọc theo sườn dốc Phần chảy tràn này sẽ đi theo các khe rãnh, dần dần hợp thành suối, sông và tiếp tục đổ ra hồ hoặc biển Tất cả các khe, suối, hồ, đầm, sông rạch lớn nhỏ khác nhau hợp lại thành hệ thống sông, trong đó phân biệt ra sông chính cùng với các sông nhánh

Hình 22: Sự phân cấp các nhánh sông

2.1.2.3 Các kiểu mạng sông

Sự phân bố của các sông nhánh dọc theo sông chính ảnh hưởng quyết định sự hình thành dòng chảy trên hệ thống sông Qua phân tích nhiều sơ đồ bố trí không gian của dòng chảy trong các lưu vực thấy rằng mạng lưới dòng chảy tuân theo một số ít kiểu nhất định Các kiểu mạng riêng biệt phát triển tùy theo địa hình ban đầu của lãnh thổ và sự phân bố các loại đá có khả năng chống xói mòn khác nhau

Hệ thống sông có thể có dạng hình lông chim/cành cây, dạng phân bố song song, dạng mắt cáo, dạng vuông góc, dạng tỏa tia hoặc dạng hỗn hợp (hình)

(a) Cành cây (b) Song song (c) Mắt cáo (d) Vuông góc (e) Tỏa tia

Hình 23: Các kiểu mạng phân bố sông

- Kiểu cành cây: đặc trưng cho địa hình có độ dốc vừa phải và đất đá có độ

chống xói mòn khá đồng đều

- Kiểu song song: Cùng loại đất đá như kiểu cành cây nhưng ở vùng địa

hình dốc hơn thì có thể phát triển kiểu mạng song song

- Kiểu mắt cáo: các lớp đất đá có thành phần thạch học cứng và mềm nằm

xen kẽ nhau theo dãy kéo dài, những dòng chảy lớn trên dãy đất đá mềm và những đoạn dòng chảy nhỏ, ngắn trên dãy đất đá cứng địa hình cao.Trong các vùng đá trầm tích uốn nếp thông thường thể hiện mạng dòng chảy kiểu mắt cáo

- Kiểu vuông góc: đặc trưng cho các loại đá có sức kháng xói mòn đồng

đều bị chia cắt bởi hệ kẽ nứt vuông góc, dòng chảy tập trung theo các kẽ nứt bởi

vì ở đó sức kháng xói mòn thấp do đá bị nứt nẻ và phong hóa

- Kiểu tỏa tia: phát triển trong những vùng đất cao tách biệt, như trên các

ngọn núi lửa, các vòm địa hình

Các sông lớn thường có sự phân bố các sông nhánh dạng hỗn hợp giữa hai hoặc

ba hình thức trên Chẳng hạn như hệ thống sông Hồng có sự phân bố sông nhánh dạng song song, nhưng trên các sông nhánh lại có kiểu phân bố dạng cành cây hoặc lông chim

Hình 24: Hệ thống sông Hồng

Tên của hệ thống sông thường lấy theo tên của sông chính Thông thường con sông chính là con sông dài nhất, có lưu lượng dòng chảy lớn nhất trực tiếp đổ ra biển hoặc các hồ nội địa Chẳng hạn như hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn gồm sông Bung, sông Côn, sông Túy Loan, sông Tranh, ngọn sông Thu Bồn, sông Khang, sông Vang, sông Trầu… hợp thành; hệ thống sông Gianh gồm Nậm Quát, Khe Nết, sông Cái Đạc, sông Chảy, sông Ròn, …

chảy mặt hình thành trên bề mặt lưu vực sinh ra do mưa hoặc tuyết tan và tập trung

về tuyến cửa ra Dòng chảy ngầm do nước dưới đất cung cấp

3.1.2 Quá trình hình thành dòng chảy

Nước mưa rơi xuống đất được phân chia ra thành các thành phần sau:

- Một phần bị giữ lại ở tầng đất mặt rồi dần bốc hơi qua đất hoặc qua thực vật

- Tạo thành dòng sát mặt và chảy vào hệ thống sông ngay trong thời gian đang

có mưa và lũ Dòng chảy sát mặt sau khi xuất lộ tập trung nhanh vào hệ thống sông

và tham gia vào sự hình thành lũ

- Một phần nước ngấm sâu xuống tầng đất bão hoà nước làm cho mực nước ngầm dâng lên Nước ngầm qua một thời gian khá dài dần dần thấm ngang qua các lớp đất chuyển động đến sông hình thành dòng chảy ngầm Đây là thành phần chủ yếu của dòng chảy bổ sung cho hệ thống sông trong thời gian mùa kiệt Sơ đồ hình thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm được mô tả trên hình: