Nguyên lí thủy văn

12 Chương 1 Giới thiệu 1.1. Giới thiệu chung về nước Thuỷ văn học là môn khoa học nghiên cứu về nước trên trái đất, về sự xuất hiện, phân bố và hoàn lưu của nó, các đặc tính hoá học cũng như vật lý của nước và tương tác của nó với môi trường. Quyển sách này tập trung vào các nguyên lý thuỷ văn mà phần lớn là thuỷ văn vật lý và có lúc được hiểu như là thuỷ văn môi trường. Trong quyển sách này tài nguyên nước được xem như các tài nguyên đất, tài nguyên rừng, tài nguyên khí hậu và như một phần tử của tự nhiên được nghiên cứu và hiểu một cách cơ bản nhất theo tính chất vật lý và thành phần hóa học. Nước, chủ đề chính của thuỷ văn học thường phân bố không đều và không đồng nhất theo thời gian và không gian. Nó được tìm thấy ở bất kỳ đâu trong hệ sinh học của trái đất và nó đảm bảo cho sự phát triển của thế giới. Tuy nhiên, nước trong tự nhiên tồn tại ở dạng chất lỏng vô cơ và chỉ là hợp phần hoá học tồn tại dưới dạng rắn, lỏng và khí. Sự phân bố của nó trên trái đất là hoàn toàn phân bố không đều nhau theo không gian và thời gian. Nước đóng vai trò cơ bản trong phân bố của các chất hoá học thông qua vai trò chính của trong các phản ứng hoá học, sự vận chuyển các các chất hoá học hoà tan và sự xói mòn cũng như lắng đọng của bùn cát. Hơi nước là một khí nhà kính cơ bản của tầng khí quyển bao quanh trái đất, nó chiếm tỉ lệ nhiều hơn so với khí CO2 và đóng vai trò quan trong thứ hai trong các khí nhà kính (Trenberth, 1992). Khoảng 97% (phụ thuộc vào phương pháp tính toán) lượng nước tồn tại dưới dạng nước mặn ở trong các biển và đại dương. Chỉ có khoảng 3% tồn tại dưới dạng nước ngọt và hơn một nửa lượng nước ngọt này lại ở dạng tảng băng hoặc sông băng và một phần được lưu giữ dưới dạng nước ngầm. Thực sự thì chỉ có khoảng 0.3% lượng nước ngọt này di chuyển, thường xuyên phân bố dưới dạng mưa, bốc hơi và ở các dòng sông. Các giá trị ước tính của trữ lượng và lưu lượng nước toàn cầu được trinh bày trong bảng 1.1. Những ước lượng này phải được xử lý cẩn thận bởi vì những khó khăn trong việc đo đạc và xác định chính xác dung lượng ở một tỉ lệ lớn. Ví dụ như thể tích của nước trong các đại đương và các khối băng phụ thuộc vào đáy biển và hình thế của các khối băng, gần đây đây mới được xác định với một độ chính xác hợp lý. Lượng nước ngầm ở dưới sâu rất khó tiếp cận và đánh giá một cách chính xác, các đánh giá được kiểm tra định kỳ thường xác định vượt quá trữ lượng thực (như trường hợp các mỏ dầu). Thể tích nước ngầm ở vị trí nông hơn thì dễ tiếp cận và dễ đánh giá hơn, mặc dù tỷ lệ nước không mặt sử dụng được vẫn khó xác định cụ thể. Lượng hơi nước trong khí quyển thường được đo bằng bóng thám không được thả ra hàng ngày khoảng 1500 vị trí khác nhau trên trái đất hoặc bằng máy đo quang phổ kế được gắn trong các vệ tinh thời tiết. Nhưng do sự có mặt của các đám mây nên máy đo quang phổ kế IR rất khó thể hiện được các lớp không khí gần bề mặt trái đất nhất nơi tồn tại nhiều hơi nước nhất (Boucher, 1997). Bảng 1.1 Phân bố của nước trên trái đất Địa phương Tổng lượng nước Tỷ số % 13 m3 Đại dương Nước mặt Băng và sông băng Hồ nước ngọt Hồ nước mặn, biển nội địa Sông suối Tổng nước mặt Nước sát mặt Độ ẩm đất Dòng chảy ngầm 2 1  dặm Dòng chảy ngầm 2 1  dặm Tổng dòng chảy sát mặt Nước trong không khí 317.000.000 7.300.000 30.000 25.000 300 7.355.300 6.000 1.000.000 1.000.000 2.006.000 3.100 97.13 2.24 0.009 0.008 0.0001 2.26 0.0018 0.31 0.31 0.6218 0.0001 Tổng 326.000.000 100.00 Do đó có thể hiểu được rằng có một phạm vi rộng của những đánh giá về trữ lượng nước trên trái đất, phụ thuộc vào nguồn dữ liệu sử dụng và các giả thiết. Mười đánh giá được đưa ra bởi Speidel và Agnew (1988) đã thay đổi đáng kể trữ lượng nước trong các lưu vực đại dương (từ 1320 x 106 km3 đến 1370 x 106 km3), lượng hơi nước trong khí quyển (khoảng 10 500 – 14 000 km3), nước được chứa trong các tảng băng và sông băng là (16.5 – 29.2 x 106 km3) và lượng nước ngầm là khoảng (7 – 330 x 106 km3). Những sự biến thiên tương tự được trình bày trong các tài liệu giá trị khác của dữ liệu thuỷ văn toàn cầu bởi Shiklomanov (1993, 1997). Trong quá khứ các nhà thuỷ văn học chỉ tập trung vào một lượng nước ngọt tương đối nhỏ ở trong sông, ao hồ, nước ngầm gần bề mặt, nước trên thảm thực vật và nước trong khí quyển. Tuy nhiên ngày càng tăng sự nhận thức về tầm quan trọng của nước ở các đại dương tới cán cân năng lượng và nước toàn cầu, và nhiều biến động quy mô lớn của hệ thống thuỷ văn trên diện rộng có thể là kết quả từ sự thay đổi của nhiệt độ mặt biển, như hiện tượng El-nino, hoặc các biến động của hoàn lưu nhiệt- muối trên đại dương điều này có thể xảy ra do băng tan nhanh ở hai cực Bắc và Nam bán cầu. Điều đáng quan tâm là lượng nước ngọt ít ỏi phân bố không đều theo cả không gian và thời gian. Các vùng đất ngập nước và thảo nguyên, rừng cây và rừng ngập nước, vùng tuyết bao phủ và vùng sa mạc có các cơ chế khác nhau về giáng 14 thuỷ, sự bốc hơi và dòng chảy. Mỗi vùng này đang đòi hỏi sự hiểu biết khác nhau đối với các nhà thuỷ văn học, các nhà quy hoạch và các kỹ sư. Mỗi vùng tài nguyên nước đem tới các lợi ích khác nhau và nó quyết định cuộc sống cũng như nghề nghiệp giữa thế giới phát triển và đang phát triển. 1.2. bản chất thay đổi của thuỷ văn Mặc dù thuỷ văn liên quan tới nghiên cứu về nước, đặc biệt là khí quyển và nước ngọt trên bề mặt trái đất, tầm quan trọng của thủy văn thay đổi liên tục trong các giai đoạn và có các quan điểm khác nhau của nhà nghiên cứu này với nhà nghiên cứu khác. Một số nhà thủy văn đã phân biệt được những thay đổi đáng kể trong quá khứ từ kỷ nguyên (eras) của thuỷ văn cho đến quá trình phát triển sau này. Ví dụ từ thủy văn đại cương , thông qua công trình đến thủy văn nguồn nước (trích trong Jiaqi, 1987; Kudzewics). Một số khác chỉ ra nguồn gốc của thuỷ văn từ những vị trí đặc biệt như Hy Lạp, Ai Cập, Scandilavơ hoặc Nam Mỹ. Lấy Ai cập làm một ví dụ khi sông Nile bị ngập lụt đã tạo nên một lưu vực tốt, trù phú, cho sự phát triển nông nghiệp trong hơn 5000 năm qua. Những di tích còn lại là một con đập cổ được xây dựng từ năm 2950 đến năm 2750 trước công nguyên, có thể tìm thấy ngay cạnh thủ đô Cairo. Hơn thế nữa, các hệ thống đồng.... có niên đại từ trước khi phát hiện ra thế giới mới, được tìm thấy ở đông bằng Columbia, việc xây dựng đòi hỏi phải nỗ lực thực hiện ở quy mô lớn và một tổ chức xã hội cao để khống chế lũ theo mùa (Parsons and Bowen, 1966). Trong thực tế nguồn nước là rất cần thiết cho đời sống hàng ngày, phân bố và sự phong phú của nguồn nước liên quan tới sự phát triển xã hội con người có nghĩa là với sự phát triển của nguồn nước đã thúc đẩy sự hiểu biết thực tế về nguồn gốc và sự hình thành của chúng. Từ những khám phá của các nhà khảo cổ và những chứng cớ gần đây nhấn mạnh tới tầm quan trọng theo vị trí của nguồn cung cấp nước trong đời sống người cổ đại, đặc biệt là người Ai cập cổ đại và người La Mã. Từ thời trung cổ cho đến tận bây giờ quá trình nghiên cứu để giải thích sự hình thành sông ngòi, dòng suối, các dòng thác và sự xuất hiện và di chuyển của nước ngầm vẫn luôn được tiếp tục. Tuy nhiên tiên đề lý thuyết chủ yếu dựa trên sự suy đoán hoặc thần thoại, hoặc chiến tranh tôn giáo, rất ít dựa trên việc đo đạc cụ thể của các yếu tố thuỷ văn có liên quan. Nhưng trong đó có một vài ý tưởng được đưa ra bởi một số công trình nghiên cứu thời xưa mà cho đến nay nó rất gần với thức tế mà chúng ta biết. Như bài của Vedico ở ấn Độ, năm 800 trước công nguyên, đưa ra nhằm giải thích rõ về thành phần khí quyển trong chu trình thuỷ văn như sau mặt trời đã biến nước thành các hạt phân tử nhỏ (sự bốc hơi) sau đó bị gió di chuyển và cuối cùng trở lại đất mẹ qua cơn mưa. (NIH, 1990). Aristotle (384-322 trước công nguyên) giải thích cơ chế của giáng thuỷ; cùng Vitruvius, 3 thế kỉ sau đó phát hiện ra các con suối được tạo ra từ mưa và tuyết, theo như Karaij, một học giả người Ba Tư cuối thế kỉ 10, người đã trình bày chi tiết các quy luật cơ bản của thuỷ văn (Pazwash and Mavrigian, 1981). Một truyền thuyết cổ của Na Uy được ghi lại trong các bài thơ Edda từ thế kỉ 9 đến thế kỉ 12 chứa đựng các nhận thức về thế giới tự nhiên bao gồm việc mô tả chu trình thuỷ văn. Nghiên cứu này đã chỉ ra được vai trò quan trọng của sự bốc hơi từ nước biển, sự ngưng tụ, sau đó hình thành mây và trút mưa xuống mặt đất, mối liên kết mưa và sự phát triển của thực vật và động vật trên trái đất (Bergstrom, 1989). Palissy (1510-1590) nhấn mạnh rằng những cơn mưa là nguồn cung cấp duy nhất của con suối và các dòng sông 15 (Biswas, 1970), mặc dù Da Vinci (1452-1519), trong một sự so sánh, đã có những nhầm lẫn về chu trình thuỷ văn, nhưng ông đã có những hiểu biết tốt hơn về nguyên lý của dòng chảy trong kênh hở so với những người tiền nhiệm và đương thời với ông. Tuy nhiên cho tới tận cuối thế kỉ thứ 17 những bằng chứng thực nghiệm chính xác mới được dùng để củng cố những học thuyết về chu trình thuỷ văn. Những sự thúc đẩy lớn nhất được hình thành qua thí nghiệm của 3 ông : Pierre, Perrault, và Edme' Mariotte, các nhà khoa học này đã làm nghiên cứu tại lưu vực sông Sen phía Bắc nước Pháp đã chứng minh được rằng mưa là nguồn cung cấp nước chính cho dòng chảy sông, điều này một phần tương phản với những giả thuyết ban đầu về dòng chảy sông. Edmund Halley một nhà khoa học người Anh, đã chỉ ra rằng tổng lưu lượng dòng chảy của các con suối và các con sông có thể lớn hơn lượng hơi bốc lên từ biển, Bởi vì các nhà khoa học này tiến hành thí nghiệm nghiên cứu vể thuỷ văn bằng các phương pháp khoa học hiện đại, họ được nhiều người coi là những sáng lập môn thủy văn. Trong bối cảnh ngày, khoa học về thuỷ văn vẫn còn non trẻ. Thực tế nó chỉ mới được tiến hành 4 năm trước khi quyển “Nguyên lý thuỷ văn” này được xuất bản trong buổi gặp mặt của nhóm nghiên cứu thuỷ văn, mà sau đó trở thành Hội thuỷ văn Anh Quốc, được tổ chức tại Luân Đôn vào 10/10/1963. Đây là buổi họp quan trọng và đã chỉ ra tính thiết yếu của thuỷ văn Anh Quốc như là một ngành khoa học, thay vì một ngành kỹ thuật và nó có hướng phát triển mạnh hơn vào những năm tiếp theo khi Viện thuỷ văn ra đời. Xuyên suốt quá trình phát triển của ngành thuỷ văn có mối quan hệ mật thiết với sự phát triển của công nghệ hiện đại trong những ngành khoa học khác. Để mở rộng hơn nữa nó vẫn cần có sự đa ngành tiếp cận với thực tế nhằm phát triển các dự báo cho tương lai. Ví dụ như trong năm 1995, Viện Thuỷ văn Anh Quốc cùng với các viện khác đã nghiên cứu về vấn đề nước ngọt, sinh thái mặt đất và vi sinh học dưới sự bảo trợ của trung tâm Sinh Thái và Thuỷ Văn (CEH). Những năm tiếp theo các nhà quản lý sông quốc gia (NRA) đã phối hợp với chính phủ, các tổ chức thường niên thành lập nên Công ty Môi trường (EA-Environment Agency) nhằm cung cấp các kiến thức về luật môi trường toàn diện có khả năng khắc phục những vấn đề phức tạp trong việc bảo vệ môi trường. Có những điều luật liên quan khác như luật về tài nguyên nước, luật đất đai,... nhằm giúp cho việc điều hành khoa học thuỷ văn tốt hơn và chắc chắn rằng các hoạt động của các nhà thủy văn trong thiên niên kỉ tới sẽ tốt hơn. Một trong những thách thức là việc mô hình hoá hoàn lưu khí quyển và thủy quyển toàn cầu nhằm dự báo tốt hơn về thuỷ văn và các hệ quả khác của quá trình biến thiên thời tiết hoặc thay đổi của khí hậu. Vấn đề nữa là làm sao đáp ứng được nhu cầu nước sạch ngày càng tăng của kinh tế xã hội. Lượng nước sẽ tăng khoảng gấp 4 lần từ những năm 1940 cho đến năm 1990 (Gleick, 1998) mặc dù nguồn nước ngọt trên bề mặt trái đất là có giới hạn và tương đối ổn định. Lượng nước ngọt dự trữ của toàn cầu và lượng nước sử dụng của con người sẽ giảm mạnh trong tương lai. Khoảng 10% dân số chịu anh hưởng về cảnh thiếu nước (WMO, 1996) và điều này dường như còn tăng đến con số 1/3 vào năm 2025 (WMO/ UNESCO, 1997). Cần có một nhân thức rõ ràng hơn nữa về tự nhiên, kinh tế, xã hội và chính trị trong việc phát triển các công trình thuỷ lợi lớn, sự tưới tiêu và các công trình chống lũ lụt. Các công trình này sẽ giúp cho việc giảm ảnh hưởng của thảm hoạ lũ cũng như hạn hán. Hội nghị thượng đỉnh về Trái đất thuộc Liên Hiệp Quốc năm 1992 đã nhấn 16 mạnh sự cần thiết của “phát triển bền vững”. Nếu như chỉ quan tâm đến sự phát triển trong hiện tại mà không đề cập đến khả năng phát triển của các thế hệ sau trong tương lai thì đây được coi là phát triển không bền vứng. Hiện nay sự nhận thức rằng nước cần sử dụng một cách có hiệu quả đang tăng lên trong xã hội. Một cách làm là gắn nước như là nguồn tài nguyên thiên nhiên và một loại hàng hoá kinh tế với giá cả hợp lý, xử lý nước rồi vận chuyển đến những nơi có nhu cầu. Do đó các luật về nước có thể được thương mại hoá nhằm giúp nâng cao giá trị sử dụng của nước. Tương tự, điều này khá logic với một nền kinh tế lành mạnh, nhưng lại thiếu nước, các nước này lại thích trao đổi bột mì và các loại thực phẩm khác hơn là nhập khẩu một số lượng lớn nước trong các dự án công trình dân dụng. 1.3. Chu trình và hệ thống thuỷ văn Sự phụ thuộc lẫn nhau và chuyển động liên tục của tất cả các pha nước, như chất lỏng, chất rắn, và thể khí tạo nên nền tảng cơ bản của chu trình thuỷ văn (Hình 1.1), đây là khái niệm chính đã có từ rất lâu rồi. Nước là chất lỏng không thể phá huỷ được vì thế mà tổng khối lượng nước trong một chu trình thuỷ văn sẽ không mất đi mà nó chỉ chuyển sang dạng hơi, lỏng, rắn và ngược lại mà thôi, hay nó cũng không thể tăng lên ngoại trừ một số trường hợp bị mất đi do tổn thất tự nhiên do ngấm xuống nguồn nước ngầm hay khả năng có thêm từ hoạt động của sao chổi. Thay vào quá trình diễn biến của dòng chảy, nước ngầm chảy và bốc hơi bảo đảm sự trung chuyển nguồn nườc không bao giờ ngừng giữa đất, đại dương, khí quyển, sau đó nước sẽ quay trở lại đất liền dưới dạng giáng thuỷ trên bề mặt trái đất. Hơi nước trong khí quyển ngưng tụ và có thể làm tăng lượng giáng thuỷ. Không phải tất cả các thành phần của giáng thuỷ đều rơi xuống bề mặt đất bởi vì sẽ có một lượng nước được giữ bởi thảm thực vật hoặc các công trình xây dựng mà từ đó nó sẽ bốc hơi trở lại khí quyển. Giáng thuỷ đạt tới bề mặt đất có thể: Được chứa ở dạng vũng nước ao tù, vũng nước nhỏ trên bề mặt và nhanh chóng bốc hơi trở lại không khí ở dưới dạng tuyết hay băng trước khi tan chảy hay thăng hoa sau quá trình giảm nhiệt độ trong nhiều năm hay có thể đến vài thế kỉ. Chảy thành suối hay tích lại ở các hồ từ đó nó có thể bốc hơi trực tiếp vào không khí, ngấm xuống mạch nước ngầm hoặc chẩy ra các đại dương. Thấm qua bề mặt đất tới mực nước ngầm đang tồn tại, nó có thể di chuyển bởi sự bốc hơi mặt đất và rễ cây qua lá, hoặc chảy về hướng các dòng sông, hoặc ngấm xuống tầng nước ngầm phía dưới ở đó nước có thể được giữ trong thời gian từ vài tuần cho đến hàng nghìn năm. Các thành phần của nước ngầm cuối cùng được di chuyển bởi lực mao dẫn lên phía trên bề mặt đất hoặc tới vùng có rễ của thảm thực vật bao phủ, sau đó nước sẽ quay trở lại bởi sự bốc hơi vào khí quyển hoặc bởi quá trình thấm của nước ngầm rồi chảy tới các con sông và cuối cùng chảy ra biển. 17 Hình 1.1 Sơ đồ về chu trình thủy văn Sự chuyển động liên tục của nước, đã bao hàm một sự đơn giản hoá về chu trình thuỷ văn, rất hiếm khi đạt được. Ví dụ như giáng thuỷ đang rơi và vừa mới rơi có thể quay trở lại khí quyển bằng quá trình bốc hơi mà chưa tới được các dòng sông, mặt đất và sự chuyển động của nước ngầm. Hoặc giáng thuỷ rơi trực tiếp trên đại dương rồi được bốc hơi mà hoàn toàn không tới được đất liền, hoặc nó rơi xuống bề mặt trái đất và thấm qua dòng chảy nước ngầm chính sau đó di chuyển chậm tới những con suối mà thời gian có thể lên tới hàng thế kỉ hay thiên niên kỉ. ở những sa mạc nóng thì lượng mưa rơi rất thưa thớt và đây là trường hợp khác khá đặc biệt trong chu trình thuỷ văn như quá trình bốc hơi và sự hình thành các con suối trong thời gian rất ngắn, thường là trong và sau cơn mưa. Cho nên sự xuất hiện đột ngột của hoạt động thuỷ văn trong một tuần hoặc tương tự có thể phân theo thời gian dài của các hoạt động thực tế tách khỏi quá trình phân bố lại nước ngầm ở một độ sâu nào đó dưới bề mặt trái đất. Trong vùng khí hậu lạnh thời gian trễ pha giữa tuyết rơi và hoạt động bao gồm kết tinh hơi nước, sau đó tan băng, chu trình này luôn kế tiếp nhau và thời gian giữa hai pha có thể theo vài tháng (khối tuyết theo mùa), đến vài thế kỷ (thung lũng băng hà) tới thiên niên kỉ (núi băng ở Nam cực). Đương nhiên chu trình này cũng chịu sự gián đoạn bởi các hoạt động của con người. Chu trình thuỷ văn này cung cấp một khái niệm mở đầu hữu ích cho phép diễn tả mối quan hệ giữa giáng thuỷ và dòng chảy một cách tổng quát. Tuy nhiên nó có rất giá trị thực tiễn nhỏ để nhà thuỷ văn học có thể giải thích, định lượng, phân bố và chuyển động của nước trong một khu vực cụ thể, hay thậm chí một khu vực thí nghiệm khoảng vài mét vuông hoặc một lục địa rộng lớn, nhưng đối với phần lớn các mục tiêu của thuỷ văn là sẽ bao gồm lưu vực sông hay một nhóm các lưu vực. Giả thiết rằng trong các điều kiện tự nhiên thì rất nhiều con sông hay suối chủ yếu nhận nước từ địa hình lưu vực của chính nó hoặc diện tích lưu vực và thoả mãn phương trình liên tục, trong công thức tính toán thuỷ văn hay thỏa mãn phương trình cân 18 bằng nước. Vì thế: Dòng chảy vào = Dòng chảy ra ± Lượng nước chứa Nếu phương trình này giải được thì sẽ có thể tính được lượng nước di chuyển qua lưu vực. Theo một cách khác mỗi lưu vực có thể coi như một hệ thống độc lập (Hình 1.2) tiếp nhận một lượng là giáng thuỷ đầu vào và nó được di chuyển thông qua dòng chảy, sức chứa của lưu vực và một lượng đi ra khỏi lưu vực dưới dạng bốc hơi và theo các dòng suối. Trong nhiều trường hợp sự thẩm thấu của nước ở các tầng phía dưới có thể hoặc thêm đầu vào hoặc thêm đầu ra của một lưu vực (như hình 1.2). Rõ ràng mỗi trong năm loại hình thức chứa nước có đặc tính của một hệ thống, do đó có thể xem mỗi loại như một hệ thống nhỏ của hệ thống thủy văn liên tục. Mỗi thành phần của một hệ thống lưu vực gần như có thể được mô phỏng lại bằng các hoạt động của con người (Hình 1.3). Những thay đổi quan trong nhất bắt nguồn từ: - Thay đổi quy mô lớn của dòng chảy trong kênh và sức chứa nước trên diện rộng, ví dụ như sự thay đổi bề mặt như trồng rừng, phá rừng, sự đô thị hoá. Điều này ảnh hưởng đến dòng chảy mặt cũng như tới thời gian chảy truyền và độ lớn của lũ. - Sự phát triển nhanh của hệ thống tưới tiêu nước - Cần một khối lượng lớn nước ngầm và nước bề mặt hàng ngày cho sinh hoạt và nước cho các ngành công nghiệp. Các thay đổi quan trọng khác bao gồm trao đổi nhân tạo với nước ngầm và những trao đổi giữa nước mặt và nước ngầm bên trong lưu vực. Trong tương lai thì các thay đổi khác như mưa nhân tạo hoặc quá trình bốc hơi cũng như hút nước của cây có thể trở nên quan trọng hơn. 1.4. bản chất của các quá trình thủy văn Mặc dù lưu vực được dùng như một ví dụ của đơn vị thuỷ văn cụ thể trong mục trước, các quá trình thuỷ văn được nghiên cứu trên một phạm vi rất rộng theo cả không gian và thời gian. Trong điều kiện cực trị, các nghiên cứu ở tỉ lệ nhỏ được thực hiện cho các nghiên cứu về chuyển động của nước qua các khe hở trong đất hoặc các đặc trưng bốc hơi của một cây phát triển trong điều kiện môi trường xác định (xem hình 1.2). 19 Hình 1.2 Hệ thống thủy văn lưu vực sông (theo sơ đồ của Giáo sư J. Lewin) Trong các điều kiện khác, như một số vấn đề về sự thay đổi của môi trường liên quan đến tỷ lệ lớn rừng bị tàn phá hoặc sự thay đổi khí hậu sẽ chỉ được giải quyết bởi hiểu biết tốt hơn về hệ thống thuỷ văn ở quy mô lớn, ví dụ quy mô toàn cầu hay khu vực tốt lớn hơn là theo quy mô vừa của lưu vực (xem thêm trong Bảng 9.1). Nhưng các nghiên cứu trên quy mô lớn lại yêu cầu một sự hợp tác liên ngành quốc tế và phụ thuộc nhiều vào hệ thống dữ liệu, mà các dữ liệu này thu được từ các ảnh mây vệ tinh và phụ thuộc vào hệ thống thông tin toàn cầu (GIS) cũng như cơ sở dữ liệu đã được xử lý. Hai tổ chức chính chịu trách nhiệm cho các nghiên cứu thuỷ văn toàn cầu là Hội liên hiệp quốc tế về các khoa học thuỷ văn (IAHS), đây là một phần của tổ chức của Tổ chức quốc tế về trắc địa và địa vật lý (IUGG) và Tổ chức khí tượng thế giới (WMO). Tổ chức này là một uỷ ban của liên hợp quốc (UN). Chương trình hợp tác quốc tế đầu tiên về khảo sát thuỷ văn của IAHS và được gọi là thập kỷ của thuỷ văn thế giới (1965-1974). Đây là ví dụ điển hình về sự hợp tác quốc tế mà đánh giá chính về những sự phát triển trong thuỷ văn và đánh giá tài nguyên nguồn nước mặt cũng như trữ lượng nguồn nước ngầm. Tiếp theo đó là chương trình thuỷ văn quốc tế trong dài hạn của liên hợp quốc (IHP), chương trình này có mục đích đưa ra giải pháp cho những vấn đề cụ thể của từng nước ở các vị trí địa lý khác nhau và có 20 các điều kiện kinh tế và kỹ thuật khác nhau. Hai tổ chức IAHS và WMO cùng với các tổ chức khác đang tiến hành một số chương trình hợp tác quốc tế chính. Ví dụ, WMO đóng một vai trò quan trọng trong việc tổ chức thu thập dữ liệu thuỷ văn toàn cầu và xây dựng các mô hình thuỷ văn. Nó cũng cộng tác với các tổ chức khác như Chương trình nghiên cứu khí hậu thế giới (WCRP) và Tổ chức đo đạc hoàn lưu nước và năng lượng toàn cầu nhằm cải thiện thêm tầm hiểu biết về các quá trình giáng thuỷ và bốc hơi ở phạm vi toàn cầu (xem hình 1.3). Hình 1.3 Những vùng chính của trong hệ thống thủy văn (theo sơ đồ của giáo sư J. Lewin) Trong tất cả các nghiên cứu quy mô lớn đã công nhận rằng các quá trình thuỷ văn hình thành một phần hệ thống khí quyển tương tác bề mặt trái đất. Thuỷ quyển, khí quyển, sinh quyển là những thành phần phụ thuộc lẫn nhau của hệ thống toàn cầu, vì những lợi thế nhất định trong tương lai về thuỷ văn học sẽ liên quan chặt chẽ với các hiểu biết của chúng ta về khí quyển và sinh quyển. Trong quá khứ thì thuỷ 21 văn học quá thiên về kinh nghiêm và thậm chí mang tính chất địa phương. Ngày nay người ta tập trung vào việc nghiên cứu, giải quyết các vấn đề phức tạp, đầu tư cho nghiên cứu về mặt khoa học hay phát triển về mặt lý thuyết. Trong tương lai sẽ có một sự tập trung hơn nữa vào việc xử lý các vấn đề toàn cầu, các nhà thuỷ văn học cũng phải được chuẩn bị để làm việc hiệu quả hơn với một phạm vi không gian rộng lớn trên cả bề mặt trái đất và tầng khí quyển, tính đa dạng tồn tại ở toàn bộ phạm vi từ nhỏ đến lớn. Không những đất, địa chất và sự sử dụng đất thay đổi theo không gian làm cho các hợp phần của cân bằng nước cũng thay đổi. Đặc biệt là quan hệ giữa giáng thuỷ và bốc hơi nước tiềm năng, điều này thay đổi rất lớn theo không gian và thời gian, biến động theo mùa và trong một thời gian dài. Theo đó các nhà thuỷ văn phải tính đến thời gian dài hơn và ở tỉ lệ không gian lớn hơn để đối mặt với các thử thách đã được đề cập phía trên, ví dụ như ảnh hưởng của biến động khí hậu và sự thay đổi thời tiết tới các quá trình thuỷ văn và tính có sẵn của nguồn nước. Phạm vi rộng lớn của không gian và tính đa dạng theo không gian tại đó các quá trình thuỷ văn tạo ra các vấn đề phức tạp cho các nhà địa lý thuỷ văn. Đặc biệt là theo nghĩa nó gần như không thể để tranh luận nói riêng cũng như việc sử dụng khái niệm học thuyết về nguyên nhân nói chung. Tranh luận từ quan trắc của Max Born rằng “Tự nhiên được tạo nên bởi luật nguyên nhân và luật ngẫu nhiên trong một sự pha trộn nhất định”, Matalas đã chỉ ra rằng “ … biết điều kiện ban đầu thì không đồng nghĩa với việc biết sản phẩm đầu ra của thí nghiệm là gi. Do đó, bằng trực giác, xác suất là giá trị thực nghiệm thuộc bản chất của hệ thống” Hay nói cách khác các quá trình thuỷ văn có thể là tất định (ví dụ như độc lập ngẫu nhiên) hoặc là ngẫu nhiên (hay phụ thuộc ngẫu nhiên). Tất cả các hình thế thuỷ văn đều tuân theo kiểm soát sự tiến triển và hành vi của chúng, sao cho ở quy mô nhỏ mọi quá trình thủy văn có thể là tất định. Tuy nhiên các quá trình trong mô hình tỉ lệ lớn, mà gồm có các sự kiện nhỏ độc lập kết hợp lại, có thể là một hàm ngẫu nhiên trong tự nhiên. Do đó sự biến động của hình thế mưa theo thời gian là hàm ngẫu nhiên, mặc dù mỗi sự kiện nhỏ là tất định, tại quy mô lớn các điều kiện hiện tại không đồng nhất xác định các điều kiện trong tương lai. Chỉ có xác suất của các điều kiện trong tương lai là có thể dự báo được từ thời điểm hiện tại (Todorovic và Yevyevich, 1969). Beven (1987) hoàn thiện các ý tưởng này và thiết lập nên quan điểm của ông về hệ thống thuỷ văn như: “… một sự thay đổi phức tạp của tỉ lệ đầu vào theo không gian và thời gian, đường đi của dòng chảy và động lực học phi tuyến của nó là kết quả của sự thay đổi theo không gian của mư