3.1 Nguồn nước và phân bố nước trong tự nhiên
Khối lượng nước ở trạng thái tự do trên trái đất là 1,3859 tỉ km3 (M.I.Lvotvis, A. A. Xokolop - 1974), chỉ chưa đến 1% so với trữ lượng nước ở lớp vỏ giữa của trái đất (khoảng 200 tỉ km3). Nước ngọt chỉ chiếm 2,53% (35 triệu km3). Trong đó, phần lớn lại là nước đóng băng ở các vùng cực và vùng băng hà. Chỉ còn một phần rất nhỏ 1/7000 lượng nước trên địa cầu có vai trò quan trọng trong việc bảo tồn sự sống trên hành tinh. Đó là lượng nước ngọt trong sông hồ, suối, lượng ẩm trong không khí và trong lòng đất.
3.1.1 Vòng tuần hoàn nước
Trong tự nhiên nước luôn vận động và thay đổi trạng thái theo một chu trình bay hơi, ngưng tụ, hoá rắn liên tục. Chu trình cơ bản gồm 5 quá trình căn bản: mưa – dòng chảy – thấm – bốc hơi – ngưng tụ và thành mưa.
Vòng tuần hoàn nước chính là sự tồn tại và vận động của nước trên mặt đất, trong lòng đất và trong bầu khí quyển của trái đất. Vòng tuần hoàn nước đã và đang diễn ra từ hàng tỉ năm và tất cả sự sống trên trái đất đều phụ thuộc vào nó, trái đất chắc hẳn sẽ là một nơi không thể sống được nếu không có nước.
Hình 3.1 Vòng tuần hoàn nước
Bức xạ sóng ngắn của mặt trời là nguồn cung cấp năng lượng cho chu trình nước. Khoảng 1/3 bức xạ mặt trời đi tới bề mặt trái đất đã được sử dụng trong chu trình. Một phần năng lượng bức xạ tới mặt đất đã chuyển hoá thành nhiệt năng làm cho tầng thấp của khí quyển nóng lên. Năng lượng này hâm nóng lớp nước mặt ở các thể lỏng và rắn làm chúng bốc hơi.
Hơi nước có trong khí quyển không chỉ do hiện tượng bay hơi từ nước mặt mà còn do sự thoát hơi nước từ cây cối. Lượng nước mưa rơi xuống một phần thấm vào đất, một phần khác chảy tràn trên mặt đất, phần còn lại được động vật và thực vật sử dụng.
Mặt trời điều khiển vòng tuần hoàn nước bằng việc làm nóng nước trên những đại dương, làm bốc hơi nước vào trong không khí. Những dòng khí bốc lên đem theo hơi nước vào trong khí quyển, gặp nơi có nhiệt độ thấp hơn hơi nước bị ngưng tụ thành những đám mây. Những dòng không khí di chuyển những đám mây khắp toàn cầu, những phân tử mây va chạm vào nhau, kết hợp với nhau, gia tăng kích cỡ và rơi xuống thành giáng thủy (mưa). Giáng thuỷ dưới dạng tuyết được tích lại thành những núi tuyết và băng hà có thể giữ nước đóng băng hàng nghìn năm. Trong những vùng khí hậu ấm áp hơn, khi mùa xuân đến, tuyết tan và chảy thành dòng trên mặt đất, đôi khi tạo thành lũ. Phần lớn lượng giáng thuỷ rơi trên các đại dương; hoặc rơi trên mặt đất và nhờ trọng lực trở thành dòng chảy mặt. Một phần dòng chảy mặt chảy vào trong sông theo những thung lũng sông trong khu vực, với dòng chảy chính trong sông chảy ra đại dương. Dòng chảy mặt, và nước thấm được tích luỹ và được trữ trong những hồ nước ngọt. Mặc dù vậy, không phải tất cả dòng chảy mặt đều chảy vào các sông. Một lượng lớn nước thấm xuống dưới đất. Một lượng nhỏ nước được giữ lại ở lớp đất sát mặt và được thấm ngược trở lại vào nước mặt (và đại đương) dưới dạng dòng chảy ngầm. Một phần nước ngầm chảy ra thành các dòng suối nước ngọt. Nước ngầm tầng nông được rễ cây hấp thụ rồi thoát hơi qua lá cây. Một lượng nước tiếp tục thấm vào lớp đất dưới sâu hơn và bổ sung cho tầng nước ngầm sâu để tái tạo nước ngầm (đá sát mặt bảo hoà), nơi mà một lượng nước ngọt khổng lồ được trữ lại trong một thời gian dài. Tuy nhiên, lượng nước này vẫn luân chuyển theo thời gian, có thể quay trở lại đại dương, nơi mà vòng tuần hoàn nước “kết thúc” và lại bắt đầu.
Bảng 3.1 Các chu kỳ tuần hoàn nước trong thủy quyển Các yếu tố của thủy quyển Thời gian chu kỳ, năm
Đại dương, biển và vịnh 3.000
Toàn bộ nước ngầm 5.000
Phần nước ngầm tham gia chu trình nước 330
Băng hà 8.300
Hoà 10
Độ ẩm đất 1
Soâng 0,032
Hơi nước khí quyển 0,027
Toàn bộ thủy quyển 2.800
Nguồn: Tăng Văn Đoàn, Trần Đức Hạ - 2001
3.1.2 Các quá trình chuyển hoá nước giữa các dạng tồn tại của nước trên trái đất 3.1.2.1 Quá trình bốc hơi
Bốc hơi nước là một quá trình nước chuyển từ thể lỏng sang thể hơi hoặc khí.
Bốc hơi nước là đoạn đường đầu tiên trong vòng tuần hoàn mà nước chuyển từ thể lỏng thành hơi nước trong khí quyển. Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng các đại dương, biển, hồ và sông cung cấp gần 90% độ ẩm của khí quyển qua bốc hơi, với 10% còn lại do thoát hơi của cây.
Bốc hơi nước từ các đại dương là cách chính để nước được luân chuyển vào trong khí quyển. Diện tích rất lớn của các Đại Dương (trên 70% diện tích bề mặt của trái đất được bao phủ bởi các đại dương) cung cấp những cơ hội lớn cho quá trình bốc hơi diễn ra. Trên phạm vi toàn cầu lượng nước bốc hơi cũng bằng với lượng giáng thủy. Mặc dù vậy, tỉ lệ giữa lượng nước bốc hơi và lượng giáng thuỷ biến đổi theo vùng địa lý. Thông thường trên các đại dương lượng bốc hơi nhiều hơn lượng giáng thủy, trong khi đó trên mặt đất, lượng giáng thủy vượt quá lượng bốc hơi. Phần lớn lượng nước bốc hơi từ các đại dương rơi ngay trên đại dương qua quá trình giáng thủy.
Chỉ khoảng 10% của nước bốc hơi từ các đại dương được vận chuyển vào đất liền và rơi xuống thành giáng thuỷ. Khi bốc hơi, một phân tử nước tồn tại trong khí quyển khoảng 10 ngày.
3.1.2.2 Dòng chảy mặt
Dòng chảy mặt: dòng chảy mặt từ mưa chảy trên bề mặt đất vào những sông gần nhất.
Dòng chảy mặt là dòng chảy từ mưa trên lưu vực.
Thông thường, một phần nước mưa rơi thấm ngay vào đất, nhưng khi đất đạt tới trạng thái bão hoà hay không thấm, thì bắt đầu chảy theo sườn dốc thành dòng chảy.
Trong một trận mưa lớn, bạn có thể nhìn thấy các dòng nước nhỏ chảy xuôi sườn dốc.
Nước sẽ chảy theo những kênh trên mặt đất trước khi chảy vào trong các sông lớn.
Dòng chảy mặt chảy vào sông, lại bắt đầu hành trình quay trở về đại dương.
Cũng giống như tất cả các thành phần khác trong vòng tuần hoàn nước, quan hệ giữa mưa và dòng chảy cũng biến đổi theo thời gian và không gian.
3.1.2.3. Sự thoát hơi
Thoát hơi: là quá trình hơi nước thoát ra từ các cây trồng vào khí quyển.
Thoát hơi là quá trình nước được vận chuyển từ các rễ cây đến các lỗ nhỏ bên dưới bề mặt lá, ở đây nước chuyển sang trạng thái hơi và thoát vào khí quyển. Do đó, thoát hơi thực chất là bốc hơi của nước từ lá cây. Lượng nước bốc thoát hơi từ cây trồng ước tính chiếm khoảng 10% của hàm lượng nước trong khí quyển.
Các nhân tố khí quyển tác động đến bốc thoát hơi nước
Lượng nước bốc thoát hơi từ cây cối biến đổi lớn theo thời gian và không gian.
Một số nhân tố tác động đến tốc độ bốc thoát hơi nước:
Nhiệt độ:Tốc độ bốc thoát hơi tăng lên khi nhiệt độ tăng, đặc biệt trong mùa phát triển của cây trồng khi nhiệt độ không khí ấm hơn.
Gió và sự di chuyển của không khí: Sự di chuyển của các lớp không khí xung quanh một cây tăng lên làm cho bốc thoát hơi cũng tăng cao.
Loại cây: Loại cây khác nhau sẽ thoát hơi nước với tốc độ khác nhau. Các loại cây sống trong vùng khô cằn thì thoát hơi ít hơn các loại cây khác. Ví dụ cây xương rồng để giữ lại lượng nước quý báu bằng cách giảm bớt sự thoát hơi hơn các cây trông khác.
3.1.2.4 Thấm
Sự thấm là sự di chuyển của nước từ mặt đất vào trong lòng đất hay các khe nứt của đá.
Bất cứ nơi nào trên thế giới, một phần lượng nước mưa và tuyết đều thấm xuống lớp đất và đá dưới bề mặt. Lượng thấm bao nhiêu phụ thuộc vào một số các nhân tố.
Một phần lượng nước thấm xuống sẽ được giữ lại trong những tầng đất nông, ở đó nó có thể chảy vào sông nhờ thấm qua bờ sông. Một phần nước thấm xuống sâu hơn, bổ sung cho các tầng nước ngầm. Nếu tầng nước ngầm nông hoặc đủ độ rỗng để cho phép nước chảy tự do qua nó, con người có thể khoan các giếng trong tầng nước ngầm này và sử dụng nước cho những mục đích của mình. Nước ngầm có thể di chuyển được những khoảng cách dài hoặc được trữ lại trong tầng nước ngầm trong một thời gian dài trước khi quay trở lại bề mặt hoặc qua thấm vào các thuỷ vực khác, như thấm vào các sông và đại dương.
3.1.3 Nước mặt
Nước mặt gồm các nguồn nước từ các dòng chảy trên bề mặt, có mặt thoáng thường xuyên tiếp xúc với không khí ở đại dương, biển, ao, hồ, sông, suối.
1.1.3.1 Nước đại dương
Đại dương là kho chứa nước. Lượng nước khổng lồ được trữ trong các đại dương trong thời gian dài hơn là được luân chuyển qua vòng tuần hoàn nước. Ước tính có khoảng 1.338.000.000 km3 nước được trữ trong đại dương, chiếm khoảng 96,5%, và đại dương cũng cung cấp khoảng 90% lượng nước bốc hơi vào trong vòng tuần hoàn nước.
Thời kỳ khí hậu lạnh hơn nhiều đỉnh núi băng và những 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. Điều này thì ngược lại trong thời kỳ ấm. Cuối kỷ 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.
Luân chuyển nứơc trong các đại dương
Có những dòng chảy trong đại dương di chuyển một khối lượng lớn nước khắp thế giới. Sự di chuyển này ảnh hưởng lớn đến vòng tuần hoàn nước và khí hậu. Dòng Gulf Stream được biết đến nhiều như là một dòng biển nóng trong vùng Đại Tây Dương, vận chuyển nước từ vùng Vịnh Mexico ngang qua Đại Tây Dương hướng đến nước Anh. Với tốc độ 97 km/ ngày (60 dặm/ngày), dòng Gulf Stream đem theo một lượng nước nhiều bằng 100 lần tất cả các sông trên trái đất. Xuất phát từ những vùng khí hậu ấm, dòng Gulf mang theo nước ấm hơn đến Bắc Đại Tây Dương, làm ảnh hưởng đến khí hậu của một vài vùng, như phía tây nước Anh.
Đại dương có 5 đặc điểm quan trọng để phân biệt với biển. Đại dương lớn hụn bieồn
Bảng 3.2. Diện tích và độ sâu các đại dương và biển lớn TT Tên đại dương Diện tích Độ
saâu
TT Tên biển Diện tích Độ sâu trung bình
km2 m km2 m
1 Thái Bình
Dửụng 178.700.000 4.267 1 ẹũa Trung
Hải 2.500.000 1.433
2 Đại Tây Dương 91.600.000 3.602 2 Biển Đen 420.000 2.245 3 Ấn Độ Dương 76.200.000 3.736 3 Caspienne 360.000 30 4 Baéc Baêng
Dửụng 14.800.000 5.520 4 Bieồn cheỏt 1.000 400
5 Nam Baêng Dửụng
6.972 5 Bieồn Manche (Channel)
164
6 Bieồn Baltic 470
7 Bắc Hải 725
Đại dương mênh mông như không có giới hạn rõ rệt. Biển bị giới hạn bởi đất liền. Đại dương sâu hơn biển. Độ sâu trung bình của đại dương là 3.800m, của biển là 2.000m.
Độ mặn của biển cao hơn của đại dương. Trung bình, nước đại dương chưa 35g/L muối, gồm natri clorua (77%), còn lại là muối của magie, cancium, kali va canxi cacbonat. Địa trung hải chứa 39,5 g/L; Hồng Hải – 44g/L; biển Chết – 275g/L. Biển Baltic chỉ có 2 g/L muối do nhận nuớc ngọt từ các sông đổ về, nằm ở vùng lạnh nên
bốc hơi kém.
Màu của đại dương và biển khác nhau. Mặt nước phản chiếu ánh sáng mặt trời, nhưng các hạt lơ lửng trong nước làm nhuộm màu của biển và đại dương.
3.1.3.2 Nước băng và tuyết
Lượng nước trữ dưới dạng băng và tuyết: Nước ngọt được trữ trong những sông băng, những cánh đồng băng và những cánh đồng tuyết.
Những đỉnh núi băng trên thế gíơi
Nước được giữ lâu dài trong băng, tuyết, và các sông băng là một thành phần của vòng tuần hoàn nước toàn cầu. Vùng Nam cực chiếm 90% tổng lượng băng của trái đất, các đỉnh núi băng ở Greenland chiếm 10% tổng lượng băng toàn cầu.
Trên phạm vi toàn cầu, khí hậu luôn luôn thay đổi một cách chậm chạp mà con người khó nhận biết. 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, nhiều vùng phía Bắc Châu Á và Châu Âu, một vài vùng ở nước Mỹ cũng bị những dòng sông băng bao phủ.
• Dòng chảy tuyết tan
Dòng chảy tuyết tan vào các sông: dòng chảy mặt từ tuyết và băng chảy theo nước mặt.:
Nếu bạn sống ở Florida hoặc French Riviera bạn thức giấc mỗi ngày và không thể không tự hỏi tuyết tan tham gia như thế nào vào chu trình nước. Nhưng, trên toàn bộ thế giới dòng chảy tuyết là phần chính của sự luân chuyển nước toàn cầu. Trong thời kỳ mùa xuân ở những vùng khí hậu lạnh hơn, nhiều dòng chảy mặt và dòng chảy sông ngòi xuất phát từ tuyết và băng. Bên cạnh việc gây ra lũ lụt, tuyết tan nhanh có thể gây ra sạt lở đất và dòng chảy bùn đá.
Dòng chảy từ tuyết tan biến đổi theo mùa và theo năm. So sánh các đỉnh lũ giữa trận lũ lớn trong năm 2000 và trận lũ nhỏ hơn nhiều trong năm 2001, giống như có một trận hạn hán lớn ảnh hưởng đến California trong năm 2001. Nhưng sự thiếu hụt nước là do nước được trữ trong băng vào mùa đông ảnh hưởng đến tổng lượng nước các tháng còn lại của năm. Sự thiếu hụt nước cũng ảnh hưởng đến lượng nước trong các hồ tại hạ lưu, và sự thiếu hụt nước ở các hồ lại ảnh hưởng đến lượng nước tưới và nước cấp thành phố.
3.1.4 Nước khí quyển
Nước được dự trữ trong khí quyển dưới dạng hơi, như những đám mây và độ ẩm. .
Mặc dù khí quyển không là kho chứa khổng lồ của nước, nhưng nó là một “siêu xa lộ” để luân chuyển nước khắp toàn cầu. Trong khí quyển luôn luôn có nước: những đám mây là một dạng nhìn thấy được của nước khí quyển, nhưng thậm chí trong không khí trong cũng chứa đựng nước - những phần tử nước này quá nhỏ để có thể nhìn thấy được. Thể tích nước trong khí quyển tại bất kỳ thời điểm nào vào khoảng 12.900 km3. Nếu tất cả lượng nước khí quyển rơi xuống cùng một lúc, nó có thể bao phủ khắp bề mặt trái đất với độ dày 2,5 cm.
Sự ngưng tụ hơi nước là quá trình hơi nước trong không khí được chuyển sang thể nước lỏng. Ngưng tụ hơi nước rất quan trọng đối với chu trình tuần hoàn nước bởi vì nó hình thành nên các đám mây. Những đám mây này có thể tạo ra mưa, nó là cách chính để nước quay trở lại trái đất. Ngưng tụ hơi nước là quá trình ngược với bốc hơi nước.
Sự ngưng tụ hơi nước trong không khí. Thậm chí trên những bầu trời trong xanh không một gợn mây, thì nước vẫn tồn tại dưới hình thức hơi nước và những giọt nước li ti không thể nhìn thấy được. Những phân tử nước kết hợp với những phân tử nhỏ bé của bụi, muối, khói trong khí quyển để hình thành nên các hạt nhân mây (giọt mây nhỏ, đám mây nhỏ), nó gia tăng khối lượng và phát triển thành những đám mây.
Khi những giọt nước kết hợp với nhau, gia tăng về kích thước, những đám mây có thể phát triển và mưa có thể xảy ra.
3.1.4.1 Dòng hảy trong sông
Dòng chảy sông ngòi là sự di chuyển của nước trong lòng dẫn tự nhiên, như sông, suối, hoặc lạch nước.
Một điều rất quan trọng khi nghiên cứu về sông ngòi là phải xem xét các lưu vực sông. Một lưu vực sông là vùng mà tại đó tất cả nước rơi và tiêu thoát chảy theo cùng một dòng. Lưu vực sông có thể chỉ nhỏ bằng một vết chân trên bùn hoặc đủ rộng để bao phủ toàn bộ vùng thoát nước vào trong sông Mississippi ở đó nước chảy vào Vịnh Mexico. Các lưu vực nhỏ hơn được chứa trong những lưu vực lớn hơn. Các lưu vực sông rất quan trọng vì dòng chảy và chất lượng nước của một con sông chịu tác động của nhiều thứ, có ảnh hưởng của con người hay không có ảnh hưởng của con người, xuất hiện trong những vùng phía trên mặt cắt cửa ra của lưu vực.
Dòng chảy sông ngòi luôn thay đổi từng ngày thậm chí từng phút. Tất nhiên, mưa tác động chính tới dòng chảy trên các lưu vực. Mưa rơi làm tăng mực nước sông, và mực nước sông có thể tăng ngay cả khi mưa ở rất xa trên lưu vực sông. Ghi nhớ rằng nước mưa rơi trên lưu vực cuối cùng phải chảy ra ở mặt cắt cuối lưu vực. Độ lớn của sông phụ thuộc vào độ lớn của lưu vực. Sông lớn có lưu vực sông rộng, sông nhỏ có lưu vực sông nhỏ hơn. Tương tự như vậy, sông có kích thước khác nhau tác động khác nhau lượng mưa rơi. Trong các sông lớn mực nước lên xuống chậm hơn các sông nhỏ. Trong lưu vực nhỏ, mực nước sông có thể lên xuống tính theo phút và giờ. Những