Giáo trình Tài nguyên nước - Chương 1

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

7 Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÀI NGUYÊN NƯỚC 1.1 Thế nào là tài nguyên nước? Tài nguyên thiên nhiên là các dạng vật chất, năng lượng, thông tin có giá trị tự thân, thể hiện qua các đặc tính cơ, lý, hoá, sinh . của chúng mà con người đã biết hoặc chưa biết, tồn tại khách quan và tuân theo những quy luật tự nhiên nhất định, mà con người có thể sử dụng được trong hiện tại hoặc tương lai. Theo “Thuật ngữ thuỷ văn và môi trường nước”, tài nguyên nước là lượng nước trên một vùng đã cho hoặc lưu vực, biểu diễn ở dạng nước có thể khai thác (nước mặt và nước dưới đất). Điều 2 Luật Tài nguyên nước Việt Nam (1998) quy định "Tài nguyên nước (của Việt Nam) bao gồm các nguồn nước mặt, nước mưa, nước dưới đất, nước biển thuộc lãnh thổ Việt Nam". Rõ ràng, tài nguyên nước của một lãnh thổ là toàn bộ lượng nước có trong đó mà con người có thể khai thác sử dụng được, xét cả về mặt lượng và chất, cho sinh hoạt, sản xuất, trong hiện tại và tương lai. Nước là dạng tài nguyên đặc biệt. Nó vừa là thành phần thiết yếu của sự sống và môi trường, quyết định sự tồn tại, phát triển của xã hội, vừa có thể mang tai họa đến cho con người. Nước có khả năng tự tái tạo về lượng, về chất và về năng lượng. J.A.Jonnes chia tài nguyên nước thành ba loại: Tài nguyên tiềm năng tương lai, là toàn bộ lượng nước có trên Trái Đất mà trong điều kiện hiện nay loài người hầu như chưa có khả năng khai thác, như nước ngầm nằm rất sâu, nước trong băng tuyết hai cực, nước biển và đại dương… Tài nguyên tiềm năng thực tại, là lượng nước có trong lãnh thổ, nhưng ở trạng thái tự nhiên con người khó khai thác và có nguy cơ bị nó gây hại, hoặc xảy ra rủi ro, ví dụ như nước lũ, nước ngầm nằm sâu… Tài nguyên hiện thực của một vùng, là khái niệm trùng với quan điểm truyền thống hiện nay, chỉ toàn bộ lượng nước có trong các thuỷ vực mặt và ngầm mà con người dễ dàng khai thác sử dụng. Giáo trình này giới hạn nội dung trình bày vào những vấn đề liên quan đến loại thứ hai và thứ ba tức tài nguyên nước lục địa. Từ đây về sau, các loại nước này sẽ được gọi theo quy ước là tài nguyên nước. Hộp 1.1. Một số đại lượng biểu thị tài nguyên nước 1. Mực nước H (cm): Là độ cao mặt nước so với một mặt chuẩn quy ước bất kỳ (tương đối), hoặc mặt biển trung bình (tuyệt đối). H cho biết vị trí mặt nước, cung cấp thông tin về lượng nước, dòng chảy, khả năng khai thác, cấp nước và rủi ro. H tương đối dùng để nghiên cứu các vấn đề về nước tại điểm đo. H tuyệt đối cho phép đánh giá các vấn đề về nước tại nơi đo đạc và so sánh, lập tương quan giữa các số liệu đo đạc ở những điểm khác nhau. 2. Độ sâu h (m): Là khoảng cách từ mặt nước tới đáy theo phương thẳng đứng. h cho biết thông tin liên quan tới lượng nước, đặc tính thuỷ lực, khả 8 năng tự làm sạch, chế độ nhiệt của dòng chảy . Độ sâu được đo bằng thước, dây tại từng điểm, hoặc bằng máy đo liên tục theo tuyến. 3. Vận tốc V (m/s): V biểu thị mức độ chảy, động năng của dòng nước, mức độ cực đoan của chế độ dòng chảy. Với cùng một lưu lượng, V tỷ lệ nghịch với diện tích mặt cắt hoạt động và để điều chỉnh V có thể thay đổi diện tích mặt cắt hoạt động bằng các giải pháp khác nhau. 4. Lưu lượng nước Q (m 3 /s, l/s): Là lượng nước chuyển qua mặt cắt ngang của dòng chảy trong thời gian một giây. Q nước biểu thị lượng và động năng của dòng chảy trong sông. 5. Tổng lượng nước W = Q. ΔT (m 3 , km 3 ), là lượng nước chảy qua mặt cắt ngang dòng chảy trong thời đoạn nghiên cứu. W đặc trưng tốt nhất cho lượng nước có trong lưu vực. Trong cùng điều kiện hình thành dòng chảy, diện tích lưu vực (F) càng lớn, W sinh ra trên đó và chảy trong sông càng lớn. W được dùng để tính toán cân bằng, điều tiết, phân phối sử dụng nước. 6. Mô đun dòng chảy M = Q/F (l/s.km 2 ) biểu thị trung bình lượng nước hình thành trên một đơn vị diện tích lưu vực (km 2 ), trong một đơn vị thời gian (s), chảy về và đo được tại điểm nghiên cứu. M đặc trưng cho khả năng sinh thuỷ của lưu vực, dùng để so sánh khả năng sinh thuỷ của các lưu vực khác nhau, xây dựng bản đồ tài nguyên nước. 7. Lớp dòng chảy, tức độ sâu dòng chảy Y = W/F (mm) đặc trưng cho khả năng sinh thuỷ của lưu vực, giúp so sánh khả năng sinh thuỷ của các lưu vực, xây dựng bản đồ tài nguyên nước và tính cân bằng nước. 8. Mức đảm bảo về nước nhạt (m 3 /người/năm): Là lượng dòng chảy bình quân đầu người năm, có giá trị phụ thuộc vào điều kiện khí hậu thuỷ văn tự nhiên và giảm theo sự tăng dân số. Nước có vai trò to lớn trong các quá trình trên Trái Đất: Tham gia thành tạo bề mặt Trái Đất. Tham gia vào quá trình hình thành thời tiết, phân phối nhiệt ẩm theo không gian, thời gian, điều hoà khí hậu. Hấp thụ một lượng đáng kể CO 2 , tạo điều kiện ổn định CO 2 khí quyển. Tham gia hình thành thổ nhưỡng và thảm thực vật. Là môi trường cho các phản ứng hoá sinh tạo chất mới, chuyển dịch vật chất, tạo mỏ khoáng. Là nơi khởi nguồn sự sống và môi trường sống của thuỷ sinh vật. Thuỷ vực nước có những chức năng, giá trị đa dạng sau: Trực tiếp duy trì sự sống của con người và sinh vật. Là nguồn cung cấp loại vật chất cần thiết chưa thể thay thế trong nhiều quá trình sản xuất, kinh tế, xã hội. Là nơi nhận, chứa, xử lý chất thải làm sạch môi trường. Là đường giao thông và nguồn cung cấp năng lượng. Là một thành tố tự nhiên không thể thiếu của cảnh quan, tạo nên tính hệ thống, hoàn chỉnh, nhất thể của nó và các quá trình diễn ra trong nó, từ đó tạo ra các giá trị khoa học, văn hoá, thẩm mỹ, phong thuỷ… Các giá trị sử dụng trên của nước không hoàn toàn song hành, mà có thể có những đối nghịch, triệt tiêu nhau và việc khai thác một chức năng nào đó có thể dẫn đến làm giảm hoặc mất hẳn những chức năng còn lại. Do vậy giá trị tổng hợp của tài nguyên không phải là phép cộng số học các giá trị trên và việc sử dụng hợp lý, hiệu quả tài nguyên nước là một bài toán vô cùng phức tạp. Nhiều cộng đồng đã và đang có xu thế khai thác quá mức một vài chức 9 năng nào đó của tài nguyên nước địa phương, gây tổn thương toàn hệ thống, suy giảm, thậm chí triệt tiêu các chức năng còn lại của nó. Nhiều hoạt động nhân tạo đang làm tổn thương điều kiện hình thành thời tiết, khí hậu, thuỷ văn tự nhiên ở tầm vĩ mô và toàn cầu, làm thay đổi các quy luật hình thành, biến đổi tài nguyên nước vốn tương đối ổn định, gây bất lợi cho các đối tượng sử dụng. − Thực tiễn dùng nước của một địa phương phụ thuộc: 1- Đặc điểm, tính chất của tài nguyên (như số lượng, chất lượng, phân bố theo thời gian và không gian, khả năng tự phục hồi…). 2- Đặc điểm của đối tượng dùng nước (nhu cầu, thói quen, nhận thức, năng lực, khả năng tài chính, công nghệ…). Việc người dân dùng loại nước nào, dùng như thế nào phụ thuộc trước tiên vào khả năng của họ có thể đầu tư ban đầu và chi trả thường kì ở mức nào. Ngoài ra, nó cũng phụ thuộc đáng kể vào thói quen cộng đồng và văn hoá truyền thống. Có những nhóm cư dân chỉ chấp nhận sử dụng một số loại nước nào đó cho sinh hoạt theo thói quen, ví dụ như pha chè bằng nước giếng làng, ăn bằng nước mưa, uống bằng nước mưa không đun sôi… Có lẽ câu ca dao “Toét mắt là tại hướng đình” cũng nên được hiểu đúng hơn là “ .tại dùng nước giếng đình đã ô nhiễm để rửa mặt” Nước càng khan hiếm, giá nước càng cao và mặt bằng kinh tế càng phát triển thì giá thành nước cao sẽ càng dễ được chấp nhận. Sự phát triển nhanh của khoa học công nghệ sẽ giúp tìm ra những cách rẻ tiền hơn để khai thác nước từ các nguồn khác nhau, dẫn tới những loại nước kém phù hợp, hoặc khó khai thác, sẽ được đưa vào sử dụng nhiều hơn. Bảng 1.2. Khai thác sử dụng tài nguyên nước tiềm năng Nước lũ khi được giữ lại trong các kho nước để phát điện, phục vụ tưới, giao thông… sẽ trở thành tài nguyên. Điều tiết dòng chảy bằng kho nước đòi hỏi phải có kỹ thuật công nghệ và nguồn lực tài chính ban đầu lớn nên không dễ được lựa chọn và không phải cộng đồng nào cũng thực hiện được. Nước mặn có thể được ngọt hoá, trở thành nguồn cấp quan trọng, nhiều khi là duy nhất cho một số vùng khan hiếm nước. Trên thế giới hiện có trên 1.800 điểm ngọt hoá nước với quy mô và công nghệ khác nhau. Có một công nghệ ngọt hoá nước đơn giản được dân gian áp dụng từ lâu, như xây bể chứa nước mặn có mái bằng kính, nước bốc hơi lên gặp kính sẽ ngưng tụ, chảy theo độ dốc về máng hứng. Sa mạc khô hạn nhất thế giới Atacama - Chi Lê có một loại sương mù từ Thái Bình Dương mang theo nhiều hơi nước. Dân làng Cgungundo đã khai thác được mỗi ngày 11.000 lít nước ngọt bằng cách căng 75 chiếc màn polypropylene, mỗi cái dài 12 mét, rộng 4 mét, cách mặt đất 2 mét để đón gió ẩm và tạo ra nước ngưng tụ. Một số dân tộc và quốc gia, như Ixraen, Liên Xô, Mỹ, Ấn Độ . đã sử dụng thành công nước có độ khoáng hoá cao để tưới liên tục trong thời gian dài, mà không gây thoái hoá đất. Nguyên tắc chung khi dùng nước mặn để tưới là phải thu hết nước thừa, không cho chúng bốc hơi làm mặn đất, không cho chúng ngấm xuống sâu làm dâng mực nước ngầm tới mức tầng mao dẫn có thể lên sát mặt đất, làm nước ngầm bay hơi gây mặn đất. Nước mặn cũng đang được nghiên cứu sử dụng trực tiếp cho sản xuất trong một số công nghệ đặc biệt, như làm nguội máy . Bảng 1.3. Một số phương pháp phân loại nước 1. Phân loại theo độ khoáng hoá (ĐKH): Phân loại chung: Nhạt - ĐKH <1g/l ; Lợ - ĐKH 1 - 25g/l ; Mặn - ĐKH >25g/l. Phân loại nước nhạt: ĐKH thấp <200mg/l; ĐKH trung bình 200 - 500mg/l; ĐKH cao 500 - 1.000mg/l và ĐKH rất cao >1.000mg/l. 2. Phân loại theo độ cứng: Thang độ cứng thông thường H(me/l) có năm loại: Rất mềm, H < 1,5 ; mềm, H = 1,5 - 3,0; hơi cứng, H = 3,0 - 6,0; cứng, H = 6,0 - 9,0; rất cứng, H > 9,0. Thang độ cứng Đức (1 o = 10mg muối Ca + Mg quy về Oxit canxi /l) có năm loại: rất mềm < 4 o ; mềm 4 - 8 o ; TB 8 - 18 o ; cứng 18 - 30 o , rất cứng > 30 o . 3. Phân loại của Aliokin theo thành phần hoá học: Phân lớp theo 3 anion chính: Lớp bicacbonat + cacbonat ( , ĐKH nhỏ; Lớp sunphat ( S); Lớp clorua (Cl 3 HCO CO − + 3 −− 4 SO −− − ), có ĐKH lớn. Phân lớp thành 3 nhóm theo cation chính: Nhóm canxi (Ca ++ ); Nhóm magiê (Mg ++ ); Nhóm kali + natri (Na + + 10 K + ). Phân nhóm thành 4 kiểu theo tương quan giữa các ion: Kiểu I: >Ca 3 HCO − ++ + Mg ++ , ĐKH nhỏ, thường thuộc về thuỷ vực lưu thông ít, phong hoá macma, trao đổi Ca ++ và Mg ++ thành Na + Kiểu II: < Ca 3 HCO − ++ + Mg ++ < + 3 HCO − 4 SO −− - , ĐKH trung bình, thường liên quan với đá trầm tích, macma, nước sông, hồ, ngầm. Kiểu III: + 3 HCO − 4 SO −− < Ca ++ + Mg ++ hoặc > Na Cl − + , ĐKH thường cao, gặp trong các liman, hồ, nước ngầm. Kiểu IV: = 0, nước axit, thường gặp ở đầm lầy, hầm mỏ . 3 HCO − 1.2 Nguồn gốc nước tự nhiên Có rất nhiều các giả thuyết đã được đưa ra để giải thích sự phát sinh và tồn tại của nước trong tự nhiên. Mỗi giả thuyết phù hợp với đặc điểm về mặt lượng và chất của một loại nước nào đó. Do chưa có giả thuyết nào phù hợp nhất với mọi loại nước, nên hiện nay nhiều giả thuyết vẫn song song tồn tại. Dưới đây là một số giả thuyết đáng chú ý nhất. Nguồn gốc nguyên sinh của nước là giả thuyết được nhiều người công nhận nhất, theo đó khi Trái Đất được hình thành từ khối khí bụi vũ trụ nóng bỏng co lại, nguội đi, thì phản ứng giữa hyđro và ôxy đã sinh ra hơi nước, tạo thành một đám mây dày đặc bao phủ Trái Đất. Khi nhiệt độ hạ thấp, các đám mây biến thành nước, gây ra một trận mưa như trút trong suốt 60.000 năm, làm đầy các vùng trũng bề mặt đất và nguội lạnh đất. Ngày nay quá trình phun trào và nguội đi của macma từ lòng đất vẫn tiếp tục sinh ra loại nước này nhưng không đáng kể và cân bằng với lượng nước mất đi trong các quá trình phong hoá vật chất và bị giữ lại trong trầm tích. Do đó mức nước biển và lượng nước trên Trái Đất gần như không thay đổi. Thuyết ngưng tụ cho rằng hơi nước dịch chuyển theo các dòng khí giữa các lỗ hổng trong đất, gặp điều kiện thuận lợi sẽ ngưng tụ. Trong điều kiện khí hậu khô hạn, dòng chuyển dịch hơi nước từ khí quyển vào tầng đất thoáng khí là nguồn cấp ẩm quan trọng cho hệ sinh thái địa phương. Thuyết chôn vùi lí giải việc một số mỏ nước dưới đất có thành phần hoá học rất gần với nước biển, có nguồn gốc biển cổ, bị chôn vùi trong quá trình kiến tạo địa chất. Thuyết trầm tích cho rằng một số loại nước có độ khoáng hoá cao trong các thuỷ vực mặt và ngầm, có thể có nguồn gốc khoáng chất từ sự hoà tan trong quá trình chảy tràn trên đất, thấm qua đất và chứa trong đất, hoặc do tích luỹ muối khoáng từ quá trình bốc hơi liên tục trong điều kiện khí hậu khô hạn. 1.3 Thể tồn tại của nước, tính chất và ý nghĩa Trong biên nhiệt độ Trái Đất, nước tồn tại được ở cả ba thể rắn, lỏng, hơi và dễ dàng chuyển hoá được từ thể này sang thể khác. Đây là một dị thường tính chất lý học quý báu khiến nước trở thành hợp chất hoá học có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực tự nhiên, xã hội và khép kín tuần hoàn nước. Khi áp suất tăng, nước có điểm đóng băng giảm, điểm sôi tăng. Ở độ sâu 4.000m trong thuỷ vực, khi nhiệt độ nước <-3 o C nước vẫn chưa đóng băng. Đây cũng là nguyên nhân góp phần làm thuỷ vực không băng cứng hoàn toàn trong các vùng nước sâu. Hơi nước trong khí quyển là yếu tố khép kín tuần hoàn nước và phân phối ẩm theo không gian, hấp thụ bức xạ sóng dài, góp phần tạo ra hiệu ứng nhà kính, cung cấp 1/3 năng lượng cho sự hình thành tuần hoàn khí quyển, tạo biên nhiệt lý tưởng cho sự sống và các quá trình tự 11 nhiên khác; Hơi nước trong khí quyển tạo ra hiệu ứng nhà kính lớn gấp gần hai lần hiệu ứng gây nên bởi các khí nhà kính còn lại; Không có hơi nước, nhiệt độ trung bình Trái Đất sẽ thấp hơn hiện nay 16 o C. Trong vùng khô hạn hơi nước là nguồn ẩm quan trọng, góp phần hình thành nước ngưng tụ duy trì sự sống. Nước đóng băng thì nở ra, tăng 11% thể tích, giảm tỷ trọng, nên luôn nổi trên mặt nước. Khi nước trong các lỗ hổng đóng băng, sự trương nở làm lỗ hổng vỡ rộng hơn, tác động tích cực vào quá trình phong hoá vật lý và hỗ trợ cho các quá trình phong hoá hoá học, xói mòn. Nếu nước đóng băng trong không gian kín, sẽ xuất hiện áp lực dư cực lớn, có khả năng phá vỡ mọi kết cấu bao bọc, làm nứt vỡ các tầng nham thạch chứa nước, các vỏ bì… gây chết thực vật và làm tăng phong hoá vật lý đất đá tạo lỗ hổng, khe nứt, hoặc vật chất bở rời. Nước lỏng tồn tại ở nhiều dạng, nhưng chỉ có nước màng, mao dẫn, trọng lực là có khả năng dịch chuyển tốt và hệ sống tiêu thụ được, nên thực sự có ý nghĩa là tài nguyên. Nước màng tồn tại quanh các hạt đất nhờ tác động của lực liên kết vật lý (hấp phụ), nước mao dẫn hình thành và được duy trì trong các mao mạch, lỗ hổng nhỏ, nhờ tác động của lực mao dẫn. Chúng đều có vai trò tạo độ ẩm cho tầng đất thoáng khí, cấp nước cho bốc hơi và thực vật. Nước có nhiệt dung riêng cao, hệ quả là: 1- Trong cùng một điều kiện tự nhiên biên độ nhiệt của khối nước nhỏ hơn nhiều so với biên độ nhiệt của không khí và đất đá, tạo điều kiện thuận lợi cho sự sống của thuỷ sinh và vi khí hậu. 2- Khi bị đốt nóng khối nước tích nhiệt, còn khi nguội đi sẽ toả nhiệt, giúp điều hoà nhiệt năng theo thời gian, tạo vi khí hậu; Khi chuyển dịch theo phương kinh độ, dòng nước sẽ tạo ra sự phân phối lại nhiệt năng theo phương chuyển dịch và góp phần hình thành các đặc điểm khí hậu địa phương. Xích đới, miền bị Mặt Trời đốt nóng mạnh nhất, lại không phải là miền khô nóng nhất, bởi vùng này hầu hết là đại dương, nhiệt năng bị hấp thụ làm nước bốc hơi hoặc đốt nóng khối nước và theo dòng nước nóng đi khỏi khu vực. Các dòng biển lạnh gây khô hạn ở bờ Tây, dòng nóng gây ẩm ướt ở bờ Đông các lục địa. Chỉ riêng dòng Gơnxtrim cung cấp cho mỗi cm 2 bờ biển châu Âu 4 tỷ Kcal/năm, tương đương lượng nhiệt toả ra khi đốt 0,5 triệu tấn than. Mật độ nước đạt cực đại tại 4 o C và giảm khi nhiệt độ giảm từ 4 o C xuống 0 o C. Nước truyền nhiệt phân tử kém và nở ra khi đóng băng, do đó tại các tầng nước sâu nhiệt độ nước không xuống dưới 4 o C và băng luôn nổi trên mặt nước. Hệ quả là tạo đường giao thông trên băng, lưu thông nước dưới băng, nguồn cấp nước liên tục và môi trường sống liên tục cho các loài thuỷ sinh xứ lạnh trong mùa đông. Dị thường biến đổi mật độ theo nhiệt độ đã tạo ra hai kiểu đối lưu nhiệt khác nhau trong khối nước: Trên 4 o C, đối lưu nhiệt xảy ra khi mất nhiệt và lạnh đi từ trên mặt hoặc nóng lên và được cấp nhiệt từ đáy (trường hợp rất ít gặp). Dưới 4 o C, đối lưu nhiệt xảy ra khi được cấp nhiệt và nóng lên từ trên mặt. Mọi quá trình đối lưu đều có vai trò đồng nhất hoá các đặc trưng lý, hoá, sinh khác nhau của khối nước, tạo thuận lợi cho nhiều quá trình tự nhiên, đặc biệt là sự sống. Nước có khả năng hoà tan các chất cao, tạo thuận lợi cho các phản ứng hoá học và chuyển dịch vật chất trong môi trường. 1.4 Tuần hoàn nước tự nhiên Tuần hoàn nước là quá trình nước tự vận động khép kín, từ bốc hơi do bị đốt nóng bởi bức xạ Mặt Trời, chuyển dịch theo dòng khí do chênh lệch áp suất, mật độ, đến ngưng tụ sinh 12 mưa rơi xuống mặt đất, tạo dòng chảy trên mặt hoặc trong đất, đổ vào lưới sông và chảy đến các thuỷ vực nơi nó đã bốc hơi dưới tác động của trọng lực. Tuần hoàn nước diễn ra liên tục trên quy mô toàn cầu, nhưng phân hoá về quy mô theo vùng địa lý. Lượng mưa hàng năm ở lục địa là 111.000km 3 . Nó có nguồn gốc từ bốc hơi trực tiếp là 70.000km 3 , hơi nước đến từ đại dương là 41.000km 3 và tạo ra khoảng 41.000km 3 dòng chảy hoàn trả cho đại dương. Lượng dòng chảy này chính là khả năng tái tạo về lượng của tài nguyên nước. Hệ thống thuỷ văn toàn cầu gồm 4 kiểu kho chứa tự nhiên là: đại dương, thuỷ vực lục địa, băng, khí quyển và dòng trao đổi giữa chúng (ở cả ba thể rắn, lỏng, hơi). Dòng giữa các thủy vực mặt và ngầm, giữa các thủy vực ngầm với nhau thường rất phức tạp và có thể có hướng dòng thay đổi theo mùa hoặc pha khác nhau của chu kỳ nước. Khi hai thủy vực thông nhau, những thủy vực có nguồn nuôi dồi dào, có mực nước hoặc mức áp lực thủy tĩnh cao hơn sẽ tạo ra dòng chảy đến thủy vực còn lại. Tuần hoàn nước có vai trò to lớn trong việc phân phối và tái tạo tài nguyên nước, điều tiết nhiệt năng theo thời gian và không gian, tạo khí hậu thời tiết và làm sạch môi trường. Tuần hoàn nước là một chu trình nhạy cảm với biến động, chỉ cần lượng bốc hơi đại dương tăng 2% có thể khiến lượng mưa lục địa tăng 10%. Các hiện tượng khí hậu thời tiết bị chi phối bởi hoàn lưu khí quyển rất nhạy cảm với những biến động thành phần và tính chất của môi trường không khí. 1.5 Cân bằng nước Phương trình cân bằng nước, của một khu vực trong một thời đoạn nhất định, là biểu thức toán học biểu diễn tương quan giữa các phần nước đi vào, đi ra và sự biến đổi lượng nước có sẵn trong khu vực trong khoảng thời gian đó, được cân bằng trên cơ sở định luật bảo toàn vật chất. Biểu thức tổng quát của phương trình như sau: P + N + M v + Đ v – E – M r – Đ r + V m1 + V n1 – V m2 – V n2 = 0 (1.1) (phần đến) ( phần đi) ( phần thay đổi ) Hay: P = ( E –N ) + ( M v + Đ v ) – ( M r + D r ) ± ΔV m ± ΔV n (1.1’) trong đó: P- lượng mưa; E- lượng bốc hơi; N- lượng ngưng tụ; M- dòng chảy mặt; Đ- dòng dưới mặt; V- lượng trữ trong khu vực; ΔV- biến động lượng trữ trong thời đoạn tính; 1- đầu thời đoạn; 2- cuối thời đoạn; m- mặt; n- ngầm; v- vào; r- ra. Khi lượng ngưng tụ không lớn và trong lưu vực có các công trình nhân tạo quy mô lớn chuyển nước vào (C v ) ra (C r ) khỏi khu vực, phương trình cân bằng nước (1.1) được biến đổi như sau: P = E +(M v + D v + C v ) – (M r + D r + C r ) ± ΔV m ± ΔV n (1.2) Độ lớn của dòng nhân tạo so với các thành phần còn lại trong cán cân nước khu vực, tuỳ thuộc trữ lượng nước tự nhiên, nhu cầu và khả năng của con người. Từ góc độ môi trường, đây là thành phần cần quan tâm, vì nó liên quan trực tiếp với các hoạt động nhân sinh, tiềm ẩn nhiều yếu tố gây ô nhiễm môi trường và nó là yếu tố ngoại lai của hệ tự nhiên, nên tiềm ẩn những nguy cơ gây biến đổi bất thường trong hệ. Phương trình cân bằng nước năm, trung bình nhiều năm, của một lưu vực sông kín, có dạng tổng quát như sau: P = E + Y (1.3) 13 trong đó Y là dòng chảy đo đạc tại cửa sông Phân tích phương trình (1.3) cho thấy độ lớn của bốc hơi và dòng chảy bị giới hạn bởi lượng mưa. Khi lượng mưa rất lớn thì độ lớn của bốc hơi không phụ thuộc vào trường ẩm, mà bị giới hạn bởi trường nhiệt. Tại mỗi vùng địa lý đều xác định được bức xạ đến trung bình, từ đó tính được lượng bốc hơi lớn nhất có thể (bốc hơi khả năng). Phần lượng mưa vượt khả năng bốc hơi sẽ sinh dòng chảy, nên mưa càng lớn, dòng chảy càng lớn. Khi lượng mưa nhỏ, độ lớn của bốc hơi phụ thuộc vào mưa, còn độ lớn của dòng chảy phụ thuộc vào mưa và nhiệt. Trong vùng ít mưa, hầu hết lượng mưa tổn thất vào bốc hơi, nên dòng chảy thường hạn chế, thậm chí không có. Vùng có tâm dòng chảy lớn luôn trùng với vùng có tâm mưa lớn và ngược lại. Bốc hơi thực tế từ bề mặt lưu vực phụ thuộc: Khả năng cấp nhiệt cho quá trình bốc hơi, độ ẩm không khí, nghĩa là phụ thuộc chủ yếu vào đặc điểm của dòng bức xạ, gió, nhiệt độ, độ ẩm không khí. Khả năng hấp thụ nhiệt bức xạ Mặt Trời, độ ẩm và khả năng nhả nước của bề mặt bốc hơi. Trong vùng khô hạn, nếu lượng nhiệt cung cấp cho quá trình bốc hơi luôn sẵn, thì việc cấp thêm nước làm tăng độ ẩm đất, tăng diện tích mặt nước sẽ làm tăng bốc hơi thực tế, giảm hiệu suất sử dụng nước, dẫn đến tăng giá thành cấp nước. Bảng 1.1. Cân bằng nước lục địa (mm/năm) Stt Châu lục Bốc hơi Mưa Dòng chảy Hệ số dòng chảy 1 2 3 4 5 6 Châu Âu Châu Á Châu Phi Bắc Mỹ Nam Mỹ Châu Úc 390 310 430 320 700 420 640 600 690 660 1.630 470 250 290 260 340 930 50 0,39 0,48 0,38 0,52 0,57 0,11 Lvovich diễn toán dòng chảy sông ngòi Y thành hai phần, có nguyên nhân hình thành, đặc tính và khả năng sử dụng khác nhau, là dòng lũ (dòng mặt S) và dòng ngầm (U). Dòng lũ thuộc loại không ổn định, sinh ra khi có mưa lớn, tạo thành lớp nước trên mặt, chảy tràn theo sườn dốc, tập trung rất nhanh về lưới sông trong thời đoạn ngắn, làm nước sông dâng cao, vận tốc, lưu lượng dòng chảy lớn, tiềm ẩn nhiều yếu tố tai biến rủi ro, khó khai thác sử dụng. Dòng ngầm thuộc loại ổn định, mức nước tương đối thấp nhưng đều đều quanh năm, cả khi không có mưa. Nó được gọi là dòng ngầm do nguồn gốc phát sinh, bởi trên các con sông lớn, từ trong đất đá luôn có dòng chảy từ nước dưới đất ra nuôi sông. Trung bình toàn lục địa dòng chảy ngầm chiếm 31% tổng lượng dòng chảy, theo châu lục dòng chảy ngầm chiếm 22 - 36% tổng lượng dòng chảy (bảng 1.3). Dòng chảy ổn định có thể được xem là tài nguyên nước sông thực tại, là phần mà con người dễ dàng khai thác sử dụng được. Từ đây phương trình (1.3) được viết lại như sau: P – S = U + E = W. (1.4) Lvovich gọi W là lượng ẩm toàn phần lưu vực. Lượng ẩm toàn phần lưu vực là phần lượng mưa cung cấp cho đất, được đất tiêu hao vào hai quá trình là cấp nước nuôi dòng chảy sông ổn định và bốc hơi. Đây là thành phần cán cân nước có vai trò quan trọng nhất trong các hệ sinh thái tự nhiên. Phương trình cân bằng nước có ý nghĩa to lớn trong nghiên cứu tài nguyên nước, đó là: Đánh giá vai trò, ý nghĩa của từng thành phần trong cán cân nước. 14 Tính một thành phần khi biết các thành phần còn lại trong cân bằng. Kiểm tra độ chính xác của thiết bị và phương pháp đo đạc các yếu tố trong cán cân nước, đặc biệt là khi nghiên cứu một thiết bị đo hay một phương pháp mới. Tính toán cán cân nước để giải bài toán quy hoạch phát triển, phân phối và sử dụng hiệu quả tài nguyên nước Phân tích cân bằng nước khu vực cho biết đặc điểm về điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng, cây trồng, địa hình, địa chất… những thuận lợi và khó khăn trong việc khai thác sử dụng tài nguyên nước. So sánh cân bằng nước trong những giai đoạn khác nhau cho phép phát hiện những dấu hiệu biến động, từ đó định hướng nghiên cứu nguồn gốc biến động tài nguyên nước. Trên cơ sở kết quả tính toán cân bằng nước, có thể xác định chính xác lượng nước cần bổ sung để đảm bảo cán cân nước thuận lợi nhất cho các mục tiêu sử dụng. Tuy nhiên, cần lưu ý đến mối quan hệ tương hỗ giữa các thành phần cân bằng nước trong một khu vực. Khi làm thay đổi một trong các thành phần của cân bằng thì các thành phần khác có thể biến đổi tương ứng. Ví dụ như khi tăng dòng nhân tạo vào khu vực khô hạn sẽ có khả năng làm tăng bốc hơi. Từ đó phải nghiên cứu, tìm ra phương thức tác động tới hệ tự nhiên sao cho đạt hiệu quả kinh tế tối ưu. 1.6 Quy luật phân bố nước theo không gian Nước phân bố không đồng đều theo không gian (hình 1.1). Việc tính chính xác tỷ phần nước trong các thuỷ vực khác nhau còn gặp một số khó khăn. Theo J.A. Jonnes, 97,41% thể tích nước Trái Đất nằm trong biển và đại dương, 1,98% trong băng tuyết hai cực, núi cao, còn lại 0,61% nằm rải rác trong không khí và các thuỷ vực mặt, ngầm ở lục địa (bảng 1.2). Bảng 1. 2. Phân bố nước theo thuỷ vực và chu kỳ đổi mới của nó Thuỷ vực Dung tích 10 3 Km 3 % tổng dung tích % tổng lượng nước ngọt Chu kì đổi mới Đại dương Băng tuyết Lục địa Dưới đất Hồ Ẩm đất Khí quyển Sông Sinh quyển Kho nước Đất tưới Nước ngọt 1.350.000 27.500 8.477,8 8.200 100 70 13 1,7 1,1 5 2 32,014 97,41 1,98 0,61 0,59 0,007 0,005 0,001 0,0001 0,0001 0,0004 0,0002 2,31 0 85,9 13,5 0,313 0,219 0,04 0,005 0,003 0,016 0,006 3.000 năm 8000-15000năm <330->5000 năm 10 năm 2 tuần - 1 năm 2 tuần Các thuỷ vực lớn chứa nước rắn, nước tĩnh, hoặc cách trở với nguồn ẩm chính, có chu kỳ đổi mới rất lớn, không thuận lợi cho tái tạo về lượng và chất, khó đáp ứng các nhu cầu khai thác sử dụng quy mô lớn. Chậm đổi mới nhất là nước trong băng tuyết hai cực, có thể cần tới 15.000 năm, đổi mới nhanh nhất là nước sông ngòi, chỉ một hai tuần là nước từ đầu nguồn đã hoàn thành hành trình ra đến cửa sông (bảng 1.2). 15 HÌNH 1.1 : SƠ Đồ PHÂN VÙNG TÀI NGUYÊN NƯớC THế GIớI Rất nhiều người nhầm tưởng những loại nước không nằm trong biển và đại dương đương nhiên là nước ngọt. Thực tế không phải như vậy. Một phần nước ngầm và nước hồ có độ khoáng hoá khá cao. Trên thế giới nước tự nhiên có độ mặn cao nhất không nằm trong biển và đại dương, mà ở hồ Chết, nơi người và động vật không thể chìm hoàn toàn trong nước được. Chỉ có 2,31% tổng thể tích nước Trái Đất là nước ngọt, trong đó 85,9% nằm trong băng tuyết hai cực và núi cao, 13,5% nằm trong nước ngầm. Sông ngòi chứa được 1.700km 3 nước, chiếm 0,0001% tổng lượng và 0,005% lượng nước ngọt của Trái Đất (bảng 1.2, 1.3). Bảng 1.3. Tài nguyên nước sông ngòi các châu lục W tự nhiên (km 3 /năm) Ổn định Lục địa Tổng Tổng % W điều tiết (km 3 /năm ) W ổn định và điều tiết (m 3 /người/nă m) Châu Âu Châu Á Châu Phi Bắc Mỹ Nam Mỹ Châu Úc 3.100 13.190 4.225 5.950 10.380 1.965 1.125 3.440 1.500 1.900 3.740 465 36 26 36 32 36 24 312 1.198 564 1.115 4.135 273 2.009 1.481 3.193 7.236 27.154 27.895 Tổng 38.830 12.170 31 7.597 7.597 Ngoài ra, phần lớn lượng nước ngọt của Trái Đất phân bố ở những nơi không thuận lợi cho khai thác, như trong băng tuyết vĩnh cửu ở hai cực, trên đỉnh núi cao hoặc nằm rất sâu dưới lòng đất. Theo thông tin từ vệ tinh, dưới đáy hoang mạc Sahara có dấu tích lòng sông rõ rệt, chứng tỏ vùng này từng một thời rất ẩm ướt và hiện vẫn còn một bể nước ngầm khổng lồ, trữ lượng khoảng 600.000km 3 mà con người chưa khai thác được. Trong cân bằng nước các châu lục (bảng 1.1), xét theo lớp dòng chảy, Nam Mỹ có tài nguyên nước dồi dào nhất, gấp 3 lần trung bình thế giới, còn châu Úc có tài nguyên nước hết 16 sức hạn chế, chỉ bằng khoảng 1/6 trung bình thế giới. Do đó, châu Úc chắc chắn sẽ có những phần hệ sinh thái khô hạn, còn Nam Mỹ sẽ có nhiều hệ sinh thái ẩm. Tuy nhiên, tiềm năng cấp nước thực tế được đánh giá căn cứ theo bình quân theo đầu người hoặc diện tích. Khi đó, bình quân nước sông theo đầu người của châu Úc lại là lớn nhất, gấp 7 lần trung bình thế giới (do dân cư thưa thớt), châu Á có bình quân nước sông theo đầu người thấp nhất, bằng khoảng 0,4 lần trung bình thế giới. Việt Nam có bình quân nước theo diện tích gấp >3 lần thế giới, nhưng bình quân theo đầu người chỉ bằng 2/3 thế giới (bảng 1.4). Bảng 1.4. Tài nguyên nước một số quốc gia trên thế giới Quốc gia Tổng lượng km 3 Tỷ lệ so với toàn cầu Bình quân diện tích 10 3 m 3 /km 2 Bình quân đầu người 10 3 m 3 /người Brazin CHLBNga TrungQuốc Canađa Mỹ Ấn Độ Nauy Pháp Việt Nam 9.230 4.003 2.550 2.472 1.938 1.680 405 183 88 22,2 9,6 6,1 5,9 4,7 4,1 0,98 0,4 0,7 1.084 234 268 248 207 514 1.248 332 917 135 23,5 2,6 102 9,1 2,4 102 3,7 5,6 Toàn cầu 41.500 100 279 9,0 . Úc 3 .10 0 13 .19 0 4.225 5.950 10 .380 1. 965 1. 125 3.440 1. 500 1. 900 3.740 465 36 26 36 32 36 24 312 1. 198 564 1. 115 4 .13 5 273 2.009 1. 4 81 3 .19 3 7.236 27 .15 4. quyển Kho nước Đất tưới Nước ngọt 1. 350.000 27.500 8.477,8 8.200 10 0 70 13 1, 7 1, 1 5 2 32, 014 97, 41 1,98 0, 61 0,59 0,007 0,005 0,0 01 0,00 01 0,00 01 0,0004