Giáo trình Tài nguyên nước lục địa

195 trang vanle 2980

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Tài nguyên nước lục địa", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_tai_nguyen_nuoc_luc_dia.pdf

Nội dung text: Giáo trình Tài nguyên nước lục địa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG GIÁO TRÌNH TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA Biên soạn NGUYỄN VÕ CHÂU NGÂN Cần Thơ, tháng 11 năm 2003
THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG CỦA GIÁO TRÌNH 1. THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ Họ và tên: NGUYỄN VÕ CHÂU NGÂN Sinh năm: 1976 Cơ quan công tác: - Bộ môn Kỹ thuật Môi trường - Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên - Trường Đại học Cần Thơ Địa chỉ email: nvcngan@ctu.edu.vn 2. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG - Giáo trình có thể dùng tham khảo cho những ngành nào? Giáo trình được biên soạn làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành Khoa học Môi trường. Ngoài ra sinh viên học các chuyên ngành có liên quan đến lĩnh vực tài nguyên nước hoặc môi trường cũng có thể sử dụng để tham khảo trong quá trình học tập. - Có thể dùng cho các trường nào? Đại học Cần Thơ. - Các từ khóa: Tài nguyên nước mặt, tài nguyên nước ngầm, thủy văn, ô nhiễm nguồn nước, quản lý tổng hợp tài nguyên nước. - Yêu cầu kiến thức trước khi học môn này: Không. - Đã xuất bản in chưa, nếu có thì Nhà xuất bản nào? Chưa xuất bản. 1
MỤC LỤC THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ 1 MỤC LỤC 2 DANH SÁCH BẢNG 8 DANH SÁCH HÌNH 10 DANH SÁCH KHUNG 12 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 13 LỜI NÓI ĐẦU 15 CHƯƠNG I: TÀI NGUYÊN NƯỚC 17 I.1. NHU CẦU VỀ NƯỚC 17 I.1.1. Môi trường nước tự nhiên 17 I.1.2. Nhu cầu sử dụng nước 17 I.1.3. Nhu cầu nước trong tương lai 22 I.2. TÀI NGUYÊN NƯỚC - LƯỢNG NƯỚC CÓ THỂ KHAI THÁC 24 I.2.1. Chu trình thủy văn 25 a) Định nghĩa 25 b) Đặc điểm 27 I.2.2. Đánh giá tài nguyên nước 29 I.3. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC 35 I.3.1. Nguyên tắc 35 I.3.2. Phương trình cân bằng nước thông dụng 36 I.3.3. Phương trình cân bằng nước một lưu vực trong một thời đoạn bất kỳ 36 a) Lưu vực kín 36 b) Lưu vực hở 37 I.3.4. Phương trình cân bằng nước trong nhiều năm 37 I.4. QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC 38 I.4.1. Khoa học quản lý môi trường 38 I.4.2. Quản lý tài nguyên nước 39 1. Yêu cầu quản lý 39 2. Giáo dục trong cộng đồng 40 3. Tăng cường khả năng tự làm sạch của nguồn nước 40 I.4.3.Các chính sách liên quan đến tài nguyên nước ở Việt Nam 40 a) Các chính sách và chiến lược cấp quốc gia 40 b) Các thể chế chính trong quản lý nguồn nước 42 c) Các tiêu chuẩn về chất lượng nước 44 I.5. CÂU HỎI ÔN TẬP 45 CHƯƠNG II: TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT 46 II.1. SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI 46 II.1.1. Hệ thống sông ngòi 46 II.1.2. Lưu vực sông 47 2
a) Đường phân nước của lưu vực 48 b) Các đặc trưng của lưu vực 48 c) Đặc trưng của dòng sông 49 II.2. SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI 51 II.2.1. Dòng chảy sông ngòi 51 a) Định nghĩa 51 b) Các đặc trưng biểu thị dòng chảy 52 II.2.2. Các quá trình tạo thành dòng chảy 53 a) Quá trình mưa 53 b) Quá trình tổn thất 53 c) Quá trình chảy tràn trên sườn dốc 54 d) Quá trình tập trung dòng chảy 54 II.3. NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN DÒNG CHẢY 55 II.3.1. Yếu tố khí hậu 55 a) Chế độ bức xạ 55 b) Chế độ nhiệt 56 c) Áp suất không khí 57 d) Gió 57 e) Bão 58 f) Độ ẩm không khí 58 g) Bốc hơi 59 h) Mưa 61 II.3.2. Yếu tố mặt đệm 62 a) Vị trí địa lý và địa hình của khu vực 62 b) Đặc tính thổ nhưỡng và địa chất của lưu vực 62 c) Lớp phủ thực vật 63 d) Hồ ao và đầm lầy 63 e) Hoạt động của con người 63 II.4. TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT TẠI VIỆT NAM 64 II.4.1. Việt Nam có nguồn nước mặt phong phú 64 II.4.2. Những khó khăn trong khai thác nguồn nước mặt 67 II.5. CÂU HỎI ÔN TẬP 77 CHƯƠNG III: TÀI NGUYÊN NƯỚC NGẦM 78 III.1. SỰ XUẤT HIỆN NƯỚC NGẦM 78 III.1.1. Một số khái nệm về nước ngầm 78 III.1.2. Phân loại hệ tầng ngậm nước 80 III.1.3. Dòng chảy ngầm 83 III.2. PHÂN BỐ NƯỚC NGẦM THEO PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG 84 III.2.1. Vùng thoáng khí 84 a) Vùng rễ cây 84 3
b) Vùng trung gian 85 c) Vùng mao dẫn 85 III.2.2. Vùng bão hòa 85 a) Hệ số giữ nước 85 b) Hệ số thoát nước 86 c) Hệ số chứa nước 86 III.3. CÁC HỆ TẦNG ĐỊA CHẤT NGẬM NƯỚC 86 III.3.1. Bồi tích phù sa 86 III.3.2. Đá vôi 87 III.3.3. Đá do núi lửa hình thành 87 III.3.4. Đá cát 87 III.3.5. Hóa thạch và đá biến chất 87 III.3.6. Đất sét 88 III.3.7. Lưu vực nước ngầm 88 III.4. PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN NƯỚC NGẦM 88 III.4.1. Định luật thấm 88 III.4.2. Phương trình thấm cơ bản 89 III.5. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN MỰC NƯỚC NGẦM 90 III.5.1. Yếu tố khí tượng 90 a) Áp suất khí quyển 90 b) Mưa 92 c) Gió 92 III.5.2. Ảnh hưởng của thủy triều 92 III.5.3. Ảnh hưởng đô thị hóa 93 III.6. TÀI NGUYÊN NƯỚC NGẦM Ở NƯỚC TA 94 III.6.1. Trữ lượng nước ngầm 94 III.6.2. Động thái tầng nước ngầm 96 a) Đồng bằng Bắc bộ 96 b) Đồng bằng Nam Bộ 99 c) Vùng Tây Nguyên 103 III.6.3. Khai thác nguồn nước ngầm 104 III.7. CÂU HỎI ÔN TẬP 107 CHƯƠNG IV: CÁC VẤN ĐỀ VỀ Ô NHIỄM NGUỒN NƯỚC 108 IV.1. Ô NHIỄM NGUỒN NƯỚC 108 IV.1.1. Thế nào là ô nhiễm nguồn nước 108 a) Định nghĩa 108 b) Quá trình gây ô nhiễm chất lượng nước 109 IV.1.2. Phân loại nguồn gây ô nhiễm 110 a) Nguồn xác định (point sources) 110 b) Nguồn không xác định (non-point sources) 111 4
IV.2. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC 112 IV.2.1. Đặc điểm lý học 113 a) Nhiệt độ 113 c) Chất rắn lơ lửng 114 d) Ðộ đục 114 e) Mùi và vị 115 f) Trọng lượng riêng 115 IV.2.2. Đặc điểm hóa học 115 a) Độ cứng 116 b) Độ pH 117 c) Muối kim loại 117 d) Các hợp chất của nitơ 117 e) Khí hòa tan 118 IV.2.3. Đặc điểm sinh học 118 a) Vi khuẩn và sinh vật khác trong nước 118 b) Các vi sinh vật chỉ thị việc nhiễm bẩn nguồn nước bởi phân 119 IV.3. CÁC NGUỒN GÂY NHIỄM BẨN CHẤT LƯỢNG NƯỚC 120 IV.3.1. Nguồn nhiễm bẩn do sinh hoạt 120 a) Nước thải từ khu dân cư 120 b) Sự rò rỉ của hệ thống cống dẫn 121 c) Chất thải rắn 122 IV.3.2. Nguồn ô nhiễm do công nghiệp 124 a) Nước thải công nghiệp 124 b) Thẩm lậu qua bể chứa và ống dẫn 128 c) Hoạt động khai khoáng 128 d) Khai thác dầu mỏ 130 IV.3.3. Nguồn ô nhiễm do nông nghiệp 131 a) Chảy tràn do mưa 131 b) Nước tưới tiêu và chất thải động vật 132 c) Phân bón và các loại thuốc trừ sâu 132 IV.2.4. Ô nhiễm vi sinh vật trong nước ngầm 135 a) Tổng quan 135 b) Các nguồn gây bệnh từ nước ngầm 135 c) Di chuyển của vi sinh vật 136 IV.4. CÂU HỎI ÔN TẬP 138 CHƯƠNG V: BẢO VỆ CHẤT LƯỢNG NGUỒN NƯỚC 139 V.1. CHẤT LƯỢNG NGUỒN NƯỚC 139 V.1.1. Chất lượng nước uống 139 V.1.2. Nước dùng cho các ngành công nghiệp 141 V.1.3. Nước cho sản xuất nông nghiệp 142 5
V.1.4. Nước cho đời sống thủy sinh 147 V.2. QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH NƯỚC MẶT 149 V.2.1. Hiện tượng tự làm sạch 149 V.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của dòng chảy 150 a) Nồng độ oxy hòa tan 150 b) Loại chất hữu cơ 151 c) Lực sinh học 151 d) Các chất độc 152 e) Các đặc tính vật lý của dòng chảy 152 f) Sự pha loãng 152 g) Các điều kiện thời tiết khí hậu 152 h) Sự lắng đọng 152 i) Nhiệt độ 152 V.3. QUẢN LÝ LƯU VỰC NƯỚC NGẦM 153 V.3.1. Những nội dung về quản lý lưu vực nước ngầm 153 V.3.2. Quá trình tự làm sạch của nước ngầm 154 a) Quá trình lọc 154 b) Cơ chế hấp thụ 154 c) Các quá trình hóa học 155 d) Cơ chế loại trừ vi khuẩn, virus 155 e) Cơ chế pha loãng 155 V.4. CÁC BIỆN PHÁP BẢO VỆ CHẤT LƯỢNG NƯỚC 155 V.4.1. Kiểm soát ô nhiễm bằng quy định xử lý nước thải 156 a) Tiêu chuẩn nước thải 156 b) Tiêu chuẩn nguồn nước 156 c) So sánh hai tiêu chuẩn quản lý nguồn nước 156 V.4.2. Cải thiện điều kiện của dòng sông 157 a) Thông gió dòng sông 157 b) Bổ sung nước cho sông trong thời kỳ lưu lượng thấp 157 c) Bảo vệ lớp phủ thực vật trên toàn lưu vực 157 V.4.3. Phương pháp đánh giá nhanh tải lượng chất ô nhiễm 158 V.5. XỬ LÝ NƯỚC THẢI 160 V.5.1. Khái niệm 160 V.5.2. Phân loại nước thải 161 a) Nước thải sinh hoạt 161 b) Nước thải công nghiệp 161 c) Nước thải từ vùng sản xuất nông nghiệp 161 V.5.3. Lựa chọn biện pháp xử lý 161 V.5.4. Một số phương pháp xử lý đơn giản 162 a) Xử lý bằng ao hồ tự nhiên 162 6
b) Bãi tưới 162 c) Phương pháp pha loãng 162 d) Hệ thống ao xử lý 162 e) Phương pháp khống chế ô nhiễm nước 163 V.6. CÂU HỎI ÔN TẬP 166 CHƯƠNG VI: QUẢN LÝ TỔNG HỢP NGUỒN NƯỚC 167 VI.1. QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ NGUỒN NƯỚC 167 VI.1.1. Nhiệm vụ của quy hoạch và quản lý nguồn nước 167 VI.1.2. Các bài toán cơ bản về quy hoạch và quản lý nguồn nước 168 a) Quy hoạch hệ thống 168 b) Phát triển nguồn nước 168 c) Quản lý nguồn nước 169 VI.1.3. Chương trình quốc gia các dạng quy hoạch nguồn nước 169 a) Chương trình quốc gia về phát triển nguồn nước 169 b) Quy hoạch lưu vực về nguồn nước 170 c) Quy hoạch chuyên ngành hoặc các quy hoạch cấp tiểu vùng 171 VI.2. QUẢN LÝ TỔNG HỢP TÀI NGUYÊN NƯỚC 172 VI.2.1. Khái niệm 172 VI.2.2. Tiến trình thực hiện quản lý tổng hợp tài nguyên nước 175 a) Xác định các thành phần 175 b) Tiến trình thực hiện 176 VI.2.3. Nghiên cứu quản lý tổng hợp tài nguyên nước 180 VI.3. MỘT SỐ CÔNG CỤ HỖ TRỢ CHO IWRM 181 VI.3.1. Quản lý tài nguyên nước dựa vào cộng đồng 181 a) Định nghĩa 181 b) Quản lý tài nguyên nước dựa vào cộng đồng ở Việt nam: góc nhìn từ chính sách và thể chế 182 VI.3.2. Quản lý nước theo lưu vực sông 183 a) Khái niệm 183 b) Một số kinh nghiệm của thế giới về quản lý lưu vực sông 184 c)Áp dụng quản lý nước theo lưu vực sông ở Việt Nam 186 VI.4. CÂU HỎI ÔN TẬP 190 TÀI LIỆU THAM KHẢO 191 7
DANH SÁCH BẢNG Bảng 1.1 Ước tính lượng nước sử dụng trong quá khứ và nhu cầu nước cho tương lai 19 Bảng 1.2 Tổng lượng nước cấp tại các châu lục 20 Bảng 1.3 Nước sử dụng cho công nghiệp ở Việt Nam 22 Bảng 1.4 Thời gian tuần hoàn nước 27 Bảng 1.5 Ước tính lượng nước phân bố trên Trái đất 30 Bảng 1.6 Lưu lượng dòng chảy cực đại đo tại một số sông lớn 31 Bảng 1.7 Số liệu cân bằng nước giữa các châu lục 34 Bảng 1.8 Cân bằng nước trung bình nhiều năm trên thế giới và Việt Nam 38 Bảng 2.1 So sánh tài nguyên nước ngọt tái tạo được của một số quốc gia 65 Bảng 2.2 Phân bố trữ lượng nước hình thành một số sông chính ở nước ta 68 Bảng 2.3 Lượng mưa tại một số địa phương 71 Bảng 2.4 So sánh suất dòng chảy năm của các vùng 72 Bảng 3.1 Trữ lượng nước ngầm nhạt ở một số vùng đến năm 1995 96 Bảng 3.2 Độ cao tuyệt đối mực nước bình quân tháng năm 2007 đồng bằng Bắc bộ 97 Bảng 3.3 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu hóa học nước ngầm đồng bằng Bắc bộ 98 Bảng 3.4 Độ cao tuyệt đối mực nước bình quân tháng năm 2007 đồng bằng Nam bộ. 100 Bảng 3.5 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu hóa học nước ngầm đồng bằng Nam bộ 102 Bảng 3.6 Độ cao tuyệt đối mực nước bình quân các tháng vùng Tây Nguyên 103 Bảng 3.7 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu hóa học nước ngầm ở Tây Nguyên 104 Bảng 4.1 Chất gây ô nhiễm từ các nguồn gây ô nhiễm xác định và không xác định 112 Bảng 4.2 Phân loại nước theo độ cứng 116 Bảng 4.3 Thành phần đặc trưng của các loại nước thải từ khu dân cư 121 Bảng 4.4 Tải lượng ô nhiễm nước thải sinh hoạt 122 8
Bảng 4.5. Thành phần nước thải của một số ngành công nghiệp 125 Bảng 4.6. Hệ số nước mưa chảy tràn K 132 Bảng 5.1 Tiêu chuẩn nước uống của WHO 140 Bảng 5.2 Tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống của Bộ Y tế 141 Bảng 5.3 Yêu cầu chất lượng nước cho các ngành công nghiệp 142 Bảng 5.4 Một số hóa chất bảo vệ thực vật có độc tính sử dụng ở ĐBSCL 144 Bảng 5.5 Mức chất lượng nước bảo vệ đời sống thủy sinh 148 Bảng 5.6 Một số ưu điểm và hạn chế của các bể chứa ngầm và chứa mặt 154 Bảng 5.7 Tải lượng ô nhiễm trong nước thải của một số ngành công nghiệp 159 Bảng 5.8 Các yêu cầu chất lượng nước để bổ sung vào hệ thống cấp nước tuần hoàn trong công nghiệp hóa học 165 Bảng 5.9 Các yêu cầu đối với chất lượng nước công nghiệp 166 9
DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1 Xu hướng tiêu thụ nước tại Việt Nam 22 Hình 1.2 Ước tính lượng nước khai thác năm 1999 23 Hình 1.3 Sơ đồ cân bằng nước 26 Hình 1.4 Mức độ cấp nước giữa vùng đô thị và nông thôn trên thế giới năm 2006 32 Hình 1.5 Tỉ lệ sử dụng nước máy giữa vùng đô thị và nông thôn trên thế giới năm 2006 33 Hình 1.6 Số dân chưa được tiếp cận nguồn nước uống hợp vệ sinh năm 2006 33 Hình 1.7 Lưu vực sông và các thành phần cân bằng nước 36 Hình 2.1 Một số dạng của hệ thống sông 46 Hình 2.2 Đường phân nước và giới hạn của lưu vực 47 Hình 2.3 Lưu vực sông và các đặc trưng của lưu vực 48 Hình 2.4 Mặt cắt dọc sông Llyn ở Afon Glaslyn, xứ Wales, Anh 50 Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn các mặt cắt ngang khác nhau dọc theo một con sông và mối liên hệ giữa lưu lượng và các yếu tố dòng chảy theo các mặt cắt ngang đó 51 Hình 2.6 Sơ đồ cân bằng bức xạ bề mặt 55 Hình 2.7 Chiều gió xoáy trong một cơn bão 58 Hình 3.1 Sơ đồ mô tả loại tầng ngậm nước 81 Hình 3.2 Sơ đồ mô tả tầng ngậm nước bán áp 82 Hình 3.3 Sơ đồ mô tả nước ngầm treo 82 Hình 3.4 Sự hình thành dòng chảy ngầm 83 Hình 3.5 Sơ đồ phân bố theo phương thẳng đứng của nước ngầm 84 Hình 3.6 Minh họa tầng ngậm nước và các thông số tính toán 91 Hình 3.7 Độ chênh mực nước và áp suất khí quyển trong giếng nước 91 Hình 3.8 Dao động mực nước lỗ khoan quan trắc P.41a, tầng chứa nước Pleistocen 97 10
Hình 3.9 Dao động mực nước lỗ khoan quan trắc Q.167a, tầng chứa nước Pleistocen 98 Hình 3.10 Dao động mực nước lỗ khoan quan trắc Q.17704T tầng chứa nước Pliocen 101 Hình 3.11 Dao động mực nước lỗ khoan quan trắc Q.015030 tầng chứa nước Pleistocen 101 Hình 3.12 Dao động mực nước lỗ khoan quan trắc C.5o 103 Hình 4.1 Các nguồn có thể gây ô nhiễm nước ngầm 136 Hình 5.1 Sự thay đổi DO theo khoảng cách về phía hạ lưu tính từ điểm nhận nước thải119 Hình 5.2 Sơ đồ cấp nước tuần hoàn 150 Hình 6.1 Ý kiến của các nhóm người, yếu tố môi trường con người và các khía cạnh của hệ thống nước tự nhiên trong IWRM 173 Hình 6.2 Phương thức tiếp cận của IWRM 174 Hình 6.3 Các nguyên tắc chung của IWRM 176 Hình 6.4 Tiến trình thực hiện IWRM 179 11
DANH SÁCH KHUNG Khung 2.1 Đồng bằng sông Cửu Long: Nước mặn sẽ tiếp tục xâm nhập vào đất liền sâu hơn 69 Khung 2.2 Lũ ở Đồng bằng sông Cửu Long 72 Khung 2.3 Hạn hán ở Tây Nguyên ngày càng khốc liệt 74 Khung 2.4 Quanh việc Vedan gây ô nhiễm sông Thị Vải 75 Khung 3.1 Hà Nội đang sụt lún do khai thác nước ngầm 105 Khung 4.1 Ô nhiễm nước sinh hoạt: 20.000 người tử vong mỗi năm 123 Khung 4.2 Ô nhiễm nguồn nước do nước thải chưa xử lý từ các Khu công nghiệp và doanh nghiệp trên địa bàn tỉnh Đồng Nai đã và đang báo động 126 Khung 4.3 Khai thác khoáng sản tại mỏ Trại Cau - Thái Nguyên: Sống chung với mìn nổ, đất sụt, nước cạn 128 Khung 4.4 Ô nhiễm trong sản xuất nông nghiệp gia tăng 134 Khung 4.5 Vi khuẩn làm tăng mức nhiễm asen trong nước ngầm 137 Khung 5.1 Thực trạng và nguyên nhân gây lãng phí nước phục vụ sản xuất nông nghiệp114 Khung 6.1 Cứu nguy sông Sài Gòn - cần một giải pháp tổng hợp 188 12
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT DEM Mô hình độ cao số (Digital Elevation Model) ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long EPA Cục bảo vệ môi trường (Environmental Protecttion Agency) FAO Tổ chức Lương Nông Quốc tế (Food and Agriculture Organization) GIWA Chương trình Đánh giá Nước Quốc tế (Global International Waters Assess- ment) GWP Tổ chức hợp tác về nguồn nước toàn cầu (Global Water Partnership) HĐND Hội đồng nhân dân IRBM Quản lý tổng hợp lưu vực sông (Integrated River Basin Management) IWRA Hội Tài nguyên nước Quốc tế (International Water Resources Association) IWRM Quản lý tổng hợp tài nguyên nước (Integrated Water Resources Manage- ment) KCN Khu công nghiệp MARD Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn (Ministry of Agriculture and Rural Development) MONRE Bộ Tài nguyên và Môi trường (Ministry of Natural Resources and Environ- ment) MRC Ủy ban sông Mê-Kông (Mekong River Commission) NGO Tổ chức phi chính phủ (Non-Governmental Organization) NWRC Hội đồng Quốc gia về tài nguyên nước (National Water Resources Council) RA Phương pháp đánh giá nhanh (Rapid Assessment) TCLVS Tổ chức lưu vực sông UNEP Chương trình Môi trường Liên hiệp quốc (United Nations Environment Programme) UNESCO Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa của Liên hiệp quốc (United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization) 13
UN WVLC Trung tâm học thuật ảo về nước Liên hiệp quốc (United Nation Water Vir- tual Learning Centre) USGS Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (United State Geological Survey) WEPA Hiệp hội môi trường nước châu Á (Water Environment Partnership in Asia) WQI Chỉ số chất lượng nước (Water Quality Index) WRI Viện Tài nguyên Thế giới (World Resources Instutute) WWAP Chương trình Đánh giá Nước Thế giới (World Water Assessment Pro- gramme) 14
LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình phát triển không ngừng của xã hội, loài người đã đạt được nhiều thành tựu to lớn trong các lĩnh vực kinh tế xã hội với một trình độ khoa học kỹ thuật hiện đại, nhưng đồng thời cũng gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng cho môi trường sinh thái. Đó là lượng chất thải khổng lồ mà con người thải bỏ vào môi trường. Lượng chất thải này lớn hơn nhiều so với lượng mà các quá trình tự nhiên của các hệ sinh thái có thể đồng hóa được; do đó đưa đến tình trạng giảm nhỏ nồng độ oxy trong các dòng chảy, các chất độc hại đi vào nguồn nước và các đại dương Những lượng chất thải do các hoạt động của con người tạo ra làm cho môi trường mất đi một ít khả năng nuôi dưỡng sự sống, một số loài bị tiêu diệt và chính con người cũng phải chịu sự hủy hoại sinh học. Sự suy giảm các quần thể đã làm cho tính đa dạng trong các hệ sinh thái ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Và chính con người đã khai thác các nguồn lợi tự nhiên đến mức cạn kiệt tạo ra những biến đổi bất lợi về nhiều mặt. Nhằm giúp các em sinh viên nắm được một số kiến thức đại cương về tài nguyên nước, sự ô nhiễm môi trường nước, việc ngăn ngừa ô nhiễm nguồn nước và công tác quản lý tài nguyên nước. Tác giả biên soạn quyển giáo trình “TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA” làm tài liệu học tập dành cho sinh viên chuyên ngành Khoa học Môi trường. Ngoài ra sinh viên các chuyên ngành có liên quan cũng có thể sử dụng để tham khảo trong quá trình học tập. Giáo trình gồm 6 chương được phân bố như sau: CHƯƠNG 1. TÀI NGUYÊN NƯỚC CHƯƠNG 2. TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT CHƯƠNG 3. TÀI NGUYÊN NƯỚC NGẦM CHƯƠNG 4. CÁC VẤN ĐỀ VỀ Ô NHIỄM NGUỒN NƯỚC CHƯƠNG 5. BẢO VỆ CHẤT LƯỢNG NGUỒN NƯỚC CHƯƠNG 6. QUẢN LÝ TỔNG HỢP NGUỒN NƯỚC Tài liệu này được biên soạn dựa vào nhiều tài liệu tham khảo và nghiên cứu khác nhau mà tác giả tích lũy được. Trong tài liệu có những thông tin, trích dẫn, hình vẽ được trích dịch từ các tài liệu của các tác giả có nêu trong tài liệu tham khảo. Do không có điều kiện tiếp xúc, trao đổi để xin phép trích dẫn nguồn tài liệu, mong quí vị vui lòng miễn chấp. Tài liệu này chỉ sử dụng cho việc giảng dạy, không mang tính kinh doanh vụ lợi. Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, đồng nghiệp đã hỗ trợ và giúp đỡ tác giả hoàn thành bài giảng. Do kiến thức còn hạn chế, tài liệu này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự góp ý của quý độc giả và các em sinh viên. 15
Chương I. Tài nguyên nước CHƯƠNG I: TÀI NGUYÊN NƯỚC I.1. NHU CẦU VỀ NƯỚC I.1.1. Môi trường nước tự nhiên Trái đất là một hành tinh xanh với ba phần tư được bao phủ bởi nước. Nước là yếu tố quyết định đến sự tồn tại và phát triển của môi trường sống. Lịch sử tiến hóa của loài người bắt đầu từ nước và nước chính là thành phần quan trọng nhất cấu thành cơ thể con người - trung bình cơ thể một người có khoảng 50 lít nước. Nếu xét về cấu trúc phân tử riêng biệt, nước được xem là một dung môi lý tưởng để hòa tan, phân bố các hợp chất vô cơ và hữu cơ tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển thế giới thủy sinh, phát triển các loài thủy sản và cả các loài động thực vật trên cạn. Sự vận chuyển của nước trên bề mặt trái đất là nguyên nhân chính hình thành nên địa mạo của địa cầu. Chúng ta có thể thấy rằng các nền văn hóa, thực phẩm, phong cách sống của một địa phương gắn kết chặt với điều kiện khí hậu của nơi ấy, trong khi nguồn nước tự nhiên là bảo đảm cho cân bằng về khí hậu của một khu vực. Nhà triết học người Hy Lạp Empedocles đã coi nước là một trong bốn nguồn gốc tạo ra vật chất (bên cạnh lửa, đất và không khí). Nước cũng nằm trong năm trạng thái Ngũ Hành (kim, mộc, thủy, hỏa và thổ) của triết học cổ Trung Hoa. Do đó trong số các thành phần cơ bản của môi trường tự nhiên, nước là một loại tài nguyên thiên nhiên quý giá song nó lại có giới hạn. Con người chúng ta sử dụng nước trong hầu hết các hoạt động hàng ngày, từ phục vụ sinh hoạt gia đình như ăn uống, vệ sinh, chăm sóc sức khỏe đến sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy sản, công nghiệp và cả đến giao thông vận tải. Nguồn tài nguyên quan trọng này đã tạo dựng nên xã hội loài người với sự đa dạng về xã hội, văn hóa và tôn giáo tín ngưỡng ở khắp mọi nơi. Là nguồn động lực cho các hoạt động kinh tế của con người, song nước cũng gây ra những hiểm họa ghê gớm. Những rủi ro từ nước như hạn hán, có thể là nguyên nhân làm cho một nền văn minh suy tàn; hoặc những trận lũ lụt, lũ quét có thể gây ra những thiệt hại lớn về người và của. Trong đức tin của một vài tôn giáo, một ngày nào đó sự sống trên hành tinh này có thể bị hủy diệt bởi một trận đại hồng thủy. Nước ngọt là một yếu tố không thể thiếu trong việc phát triển kinh tế xã hội của mọi quốc gia. Chúng ta có thể thấy rằng những nền văn minh xuất hiện sớm nhất trong lịch sử nhân loại đều tập trung bên cạnh những con sông lớn, chẳng hạn nền văn minh sông Nile (Ai Cập), nền văn minh Lưỡng Hà (hai con sông Euphrates và Tigris - Iraq), nền văn minh Ấn - Hằng (Ấn Độ), ở nước ta có nền văn minh sông Hồng Nguyên nhân là do các dân tộc ở gần nguồn nước có được nguồn nước sạch dồi dào phục vụ cho sinh hoạt, giao thông thuận tiện, điều kiện sản xuất thuận lợi, điều kiện vi khí hậu thích hợp cho sự phát triển nói chung. I.1.2. Nhu cầu sử dụng nước Con người khai thác tài nguyên nước phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau trong đời sống của mình. Tuy nhiên lượng nước có thể khai thác và sử dụng trong tổng trữ lượng nước trên thế giới lại không nhiều, do đó nước có một giá trị kinh tế nhất định. Bên cạnh Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 17
Chương I. Tài nguyên nước đó, mỗi một loại hình sử dụng nước có những yêu cầu về chất lượng nước khác nhau. Chẳng hạn như tiêu chuẩn nước dùng để uống yêu cầu chất lượng cao trong khi yêu cầu nước phục vụ cho tưới tiêu sẽ có chất lượng thấp hơn. Rõ ràng nguồn nước được khai thác không thể đáp ứng toàn bộ các tiêu chuẩn được thiết lập cho các mục đích sử dụng khác nhau. Hiện nay đã xảy ra các xung đột giữa các đối tượng sử dụng nguồn nước làm ảnh hưởng đến việc khai thác nguồn nước. Một ví dụ điển hình là tình trạng xung đột giữa nhu cầu nước ngọt phục vụ canh tác lúa và nhu cầu lấy nước mặn nuôi trồng thủy hải sản ở vùng bán đảo Cà Mau. Vì vậy cần có những chính sách quản lý hợp lý hỗ trợ cho việc khai thác tài nguyên nước. Tính hữu dụng của nước có thể thấy được thông qua nhiều khả năng phục vụ khác nhau. Theo truyền thống, nước được khai thác chủ yếu phục vụ cho hai nhu cầu xã hội thiết yếu là sinh hoạt của người dân và sản xuất nông nghiệp. Ngoài ra cũng phục vụ cho những loại hình sử dụng nước khác như thủy điện, giao thông thủy, giải trí Tuy nhiên ngày nay mức độ khai thác nguồn tài nguyên nước đã mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác nhau. Kiểm soát ô nhiễm, ngăn mặn, bảo tồn hệ sinh thái trong sông, bổ sung nước ngầm dần đòi hỏi nhiều mối quan tâm hơn bên cạnh các mục tiêu kinh tế. Mức độ yêu cầu sử dụng nước và khả năng cung cấp nước khác nhau theo thời gian và không gian. Nhưng có thể thấy rõ rằng mức độ này ngày một tăng trong thế giới hiện nay. Vào những năm đầu thế kỷ 20, tổng lượng nước được khai thác hàng năm trên thế giới vào khoảng 580 km3. Nhưng đến năm 2000, con số này đã tăng đến mức 4000 km3 /năm vượt xấp xỉ 7 lần so với đầu thế kỷ. Lượng nước khai thác và sử dụng tại các châu lục trong những thời điểm khác nhau của thế kỷ 20 được Shiklomanov (1998) ước tính theo bảng 1. Gleick, 1997 cũng đã ước tính lượng nước cần cung cấp cho năm 2025. Giả sử lượng nước sinh hoạt cần thiết cung cấp từ 50 L/người/ngày (phục vụ cho những nhu cầu cơ bản) đến 300 L/người/ngày (tham khảo từ nhu cầu nước sinh hoạt tại những quốc gia phát triển hiện nay), khi đó tổng lượng nước cần phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt là 340 km3/năm. Trong lĩnh vực nông nghiệp, giả định một mức cung cấp lương thực bình quân 2.500 calo/người/ngày cho tất cả mọi vùng đất, thêm vào đó là các vấn đề kỹ thuật như điều chỉnh mùa vụ, kiểm tra hiệu suất tưới, thay đổi khu vực tưới khi đó tổng lượng nước tiêu thụ cho sản xuất nông nghiệp vào khoảng 2.930 km3/năm. Sản xuất công nghiệp cũng sẽ cần một lượng nước xấp xỉ 1.000 km3/năm, và hàng năm có thêm một lượng nước mất đi do bốc hơi từ các hồ chứa khoảng 225 km3/năm. Như vậy tổng lượng nước khai thác và tiêu thụ của toàn thế giới vào năm 2025 theo Gleick là 4.500 km3. Con số này thấp hơn ước tính của Shiklomanov (1998). Lĩnh vực sử dụng nước nhiều nhất trong thế kỷ qua là sản xuất nông nghiệp với trên 50% tổng lượng nước tiêu thụ. Theo Biswas (1998), sản xuất nông nghiệp chiếm gần 90% lượng nước sử dụng toàn cầu trong năm 1900 nhưng đã giảm còn 62% trong năm 2000. Xu hướng này sẽ còn tiếp diễn trong thế kỷ 21 tương ứng với nhu cầu an ninh lương thực của một thế giới đông dân cư. Lượng nước cần cho sản xuất nông nghiệp trong những năm đầu thế kỷ này vào khoảng 10.000 km3/năm. Nhu cầu nước cho công nghiệp và các khu đô thị lần lượt là 2.500 km3 và 24 km3/năm; khu vực nông thôn cần khoảng 135 km3 nước sử dụng hàng năm. Với xu hướng sử dụng nước hiện tại, sản xuất công nghiệp và sinh hoạt đòi hỏi lượng nước khoảng 180 m3/người/năm trong khi sản xuất nông nghiệp cần một lượng nước vào khoảng 700 m3/người/năm. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 18
Chương I. Tài nguyên nước Bảng 1.1. Ước tính lượng nước sử dụng trong quá khứ và nhu cầu nước cho tương lai Năm Ước tính lượng nước sử dụng trong quá khứ (km3) Ước tính nhu cầu nước (km3) Lục địa 1900 1940 1950 1960 1970 1980 1990 1995 2000 2010 2025 37,5 71,0 93,8 185 294 445 491 511 534 578 619 Europe 17,6 29,8 38,4 53,9 81,8 158 183 187 191 202 217 70 221 286 410 555 677 652 685 705 744 786 North America 29,2 83,8 104 138 181 221 221 238 243 255 269 41,0 49,0 56,0 86,0 116 168 199 215 230 270 331 Africa 34,0 39,0 44,0 66,0 88,0 129 151 160 169 190 216 414 689 860 1.222 1.499 1.784 2.067 2.157 2.245 2.483 3.104 Asia 322 528 654 932 1.116 1.324 1.529 1.565 1.603 1.721 1.971 15,2 27,7 59,4 68,5 85,2 111 152 166 180 213 257 South America 11,3 20,6 41,7 44,4 57,8 71,0 91,4 97,7 104 112 122 Australia + 1,6 6,8 10,3 17,4 23,3 29,4 28,5 30,5 32,6 35,6 39,6 Oceania 0,6 3,4 5,1 9,0 11,9 14,6 16,4 17,6 18,9 21,0 23,1 579 1.065 1.366 1.989 2.573 3.214 3.590 3.765 3.927 4.324 5.137 Total 415 704 887 1.243 1.536 1.918 2.192 2.265 2.329 2.501 2.818 [Nguồn: Shiklomanov (1998)] Ghi chú: Số liệu phía trên đường đứt khúc biểu hiện lượng nước được khai thác, số liệu bên dưới trình bày lượng nước tiêu thụ Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 19
Chương I. Tài nguyên nước Bảng 1.2. Tổng lượng nước cấp tại các châu lục Lục địa Tổng trữ Năm Lượng khai thác hàng năm Lĩnh vực khai thác lượng nước thống kê (1012 m3) * 1012 m3 % Sinh hoạt (%) Công nghiệp (%) Nông nghiệp (%) Châu Phi 3,996 1995 0,15 4 7 5 88 Châu Âu 6,235 1995 0,46 7 14 55 31 Bắc Mỹ 5,309 1991 0,51 10 13 47 39 Trung Mỹ 1,057 1987 0,10 9 6 8 86 Nam Mỹ 9,526 1995 0,10 1 18 23 59 Châu Á 13,206 1987 1,63 12 6 9 85 Châu Đại Dương 1,614 1995 0,02 1 64 2 34 Thế giới 41,022 1987 3,24 8 8 23 69 [Nguồn: World Resources Instutute (1998)] *: lưu lượng trung bình hàng năm của dòng chảy mặt và lượng bổ sung nước ngầm Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 20
Chương I. Tài nguyên nước Chúng ta có thể nhận thấy có sự khác biệt rõ ràng về thông tin giữa các nguồn số liệu tham khảo. Các số liệu thiếu chính xác và không đáng tin cậy về lượng nước tiêu thụ, nguồn nước ngọt, khả năng cấp nước đã gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho việc quản lý tài nguyên nước. Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất, đồng thời là nguồn phát điện lớn thứ hai trên thế giới. Khai thác thủy điện có nhiều thuận lợi: hiệu suất vận hành cao (có thể đạt đến 80 ÷ 90%), có thể khởi động và kết thúc nhanh chóng phù hợp với nguyên tắc của một nhà máy xung, điện năng có thể được tích trữ, hồ chứa có thể kết hợp với những mục đích sử dụng nước khác như tưới tiêu, cấp nước, giao thông thủy, giải trí. Chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp, ít gây ảnh hưởng đến môi trường. Những lợi ích trên cho thấy thủy điện là một nguồn cung cấp năng lượng có lợi ích cao. Theo ước lượng của Water Vision (2000), chỉ khoảng 33% tiềm năng kinh tế thủy điện trên thế giới có thể phát triển được. Vẫn còn nhiều tiềm năng thủy điện chưa được khai thác, chẳng hạn lưu vực sông Zaire (châu Phi) chiếm đến 20% tiềm năng thủy điện trên thế giới nhưng hầu hết chúng không được khai thác. Tương tự, tại khu vực sông Brahmputra và vùng phụ cận của nó (vùng Đông Bắc Ấn Độ) có khả năng khai thác khoảng 30% lượng thủy điện cho Ấn Độ nhưng hiện nay chỉ một phần nhỏ là được khai thác. Về góc độ phát triển công nghệ, trong tương lai gần chi phí cho việc phát điện từ thủy điện chỉ vào khoảng 0,03 đến 0,06 USD/kWh. Bên cạnh đó, sự phát triển công nghệ tua-bin với công suất vận hành ổn định trong điều kiện cột áp thấp có thể khai thác để phát điện trong nhiều khu đập nước hiện nay chưa được khai thác. Nước là một nguồn nguyên liệu quan trọng trong nhiều hoạt động sản xuất công nghiệp. Phát điện từ năng lượng hóa thạch và năng lượng hạt nhân vẫn cần nước cho các công đoạn như tạo hơi nước, làm lạnh và các dịch vụ công cộng. Theo Herschy and Fairbridge (1998), lượng nước cần cho làm lạnh bằng phương pháp ngưng tụ vào khoảng 0,032 ÷ 0,044 m3/giây cho mỗi MW điện. Đối với nhà máy điện chạy than, nước lại cần thiết để định hướng dòng tro sau công đoạn đốt. Ngành công nghiệp giấy tùy thuộc loại nguyên liệu đầu vào cũng cần từ 40 ÷ 400m3 nước để sản xuất ra 1 tấn giấy. Đối với ngành công nghiệp khai thác than đá, nếu áp dụng phương pháp thủy lực cũng sẽ cần từ 0,08 ÷ 0,14m3 để sản xuất ra 1 tấn than thành phẩm. Để tinh chế 1 barel dầu thô (0,159m3) cần 0,163m3 nước. Hoặc để luyện 1 tấn thép cần 12 m3 nước, sản xuất 1 tấn đường cần 20 m3 nước, 1 tấn vỏ xe cần 37 m3 nước Vận chuyển hàng hóa bằng giao thông thủy có hiệu suất về nhiên liệu cao đồng thời ít gây ô nhiễm không khí. Định mức tiêu tốn nhiên liệu cho các loại hình giao thông đường bộ, đường ray và đường thủy là 0,04 - 0,011 - 0,0056 L/km tương ứng. Loại hình giao thông thủy không phải là một dịch vụ tiêu thụ nước, chúng ta có thể khai thác một hồ chứa ở hạ lưu của một trục giao thông thủy có thể trữ nước lại và sử dụng cho những mục đích khác. Nước cũng cần để duy trì hoạt động các con sông và các khu đất ngập nước. Tại các quốc gia phát triển việc phục hồi các con sông có ý nghĩa to lớn và đã có nhiều dự án về phát triển bền vững cho các lưu vực sông. Mục tiêu của công tác phục hồi các con sông nhằm tạo ra một sự đa dạng hệ sinh thái rộng lớn và cải thiện đa dạng sinh học thông qua việc giữ gìn dòng chảy tự nhiên của sông. Trong các con sông cần duy trì một dòng chảy tối thiểu để pha loãng ô nhiễm; nước cũng đẩy lùi sự xâm nhập mặn hạn chế việc tàn phá các nông trại. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 21
Chương I. Tài nguyên nước Bảng 1.3. Nước sử dụng cho công nghiệp ở Việt Nam Năm 1980 1985 1990 2000 Nước cho công nghiệp (109 m3) 1,50 2,86 5,33 16,00 Tỷ lệ so với tổng lượng nước (%) 4,0 6,3 9,8 20,2 [Nguồn: Nguyễn Khắc Cường] m ă /n 3 m Công nghiệp ỉ T Sinh hoạt Nông nghiệp Hình 1.1. Xu hướng tiêu thụ nước tại Việt Nam [Nguồn: State of the Environment in Vietnam 2001 (2002)] I.1.3. Nhu cầu nước trong tương lai Có những phân tích cho thấy tỉ lệ gia tăng lượng nước sử dụng cao gấp 3 lần so với tỉ lệ gia tăng dân số trên thế giới (Jain S. K. và Singh V. P., 2003). Trong trường hợp đó, nếu dân số thế giới tăng gấp đôi thì lượng nước cần sử dụng sẽ tăng gấp 6 lần, kết hợp với việc gia tăng nhu cầu nước cho sản xuất nông nghiệp và công nghiệp, viễn cảnh này khó có thể chấp nhận được. Ngay cả trong thời điểm hiện tại, mặc dù nước vẫn được xử lý tại nhiều quốc gia, nhưng tình trạng khan hiếm nước vẫn diễn ra hàng ngày, hàng giờ tại nhiều nơi trên thế giới. Ngoài ra, vì nhiều lý do chính trị mà nhiều quốc gia hiện nay việc cung cấp nước diễn ra miễn phí hoặc với chi phí thấp một cách có chủ ý. Và khi mối quan hệ giữa cầu và cung trở nên xấu đi, chắc chắn chi phí cho việc sử dụng nước sẽ phải gia tăng, kèm theo đó là các nhu cầu về kiểm soát nguồn nước. Khi mà chi phí cho việc Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 22
Chương I. Tài nguyên nước sử dụng nước trở nên đắt hơn, người nông dân buộc phải lựa chọn loại mùa vụ canh tác tiêu thụ ít nước hoặc chấp nhận kỹ thuật tưới luân phiên. Các quy trình sản xuất công nghiệp sử dụng nước hiệu quả cũng sẽ được triển khai trên diện rộng. Theo Seckler và CSV (1998), châu Á sẽ là châu lục tiêu thụ nhiều nước nhất trên thế giới do đây là nơi có dân số cao nhất và có nền nông nghiệp phát triển mạnh - loại hình sản xuất tiêu thụ rất nhiều nước. Thật vậy, đồ thị bên dưới cho chúng ta thấy tỉ lệ khai thác nước cho sản xuất nông nghiệp rất cao tại nhóm các nước kém phát triển có thu nhập thấp và ngược lại. 100% 80% 60% Sinh hoạt 40% Công nghiệp 20% Nông nghiệp 0% thu nhập thu nhập thu nhập thấp trung bình cao Hình 1.2. Ước tính lượng nước khai thác năm 1999 [Nguồn: Jain S. K. và Singh V. P. (2003)] Một xã hội càng phát triển đòi hỏi mức tiêu thụ nước càng cao, có thể nói nhu cầu sử dụng nước là thước đo cho tiêu chuẩn sống của một khu vực. Mặc dù có nhiều tiến bộ đáng kể về công nghệ, vẫn còn một lượng lớn cư dân trên hành tinh xanh chưa có điều kiện tiếp cận với nguồn nước uống sạch. Theo dự báo của Liên hiệp quốc, dân số trên trái đất đang tiếp tục gia tăng nhưng sẽ ổn định vào năm 2050. Và từ nay cho đến thời điểm đó, các chính phủ vẫn phải tiếp tục đối mặt với bài toán nan giải nhằm cung cấp đủ lượng nước uống sạch cho toàn bộ cư dân của từng quốc gia. Tuy nhiên để thỏa mãn được tất cả các nhu cầu về cấp nước cần phải có một sự đầu tư về cơ bản và thật sự hiệu quả. Hiện nay chi phí đầu tư cho một dự án mới về nước đã gia tăng đáng kể so với trước kia tương ứng với sự tăng vọt của chi phí xây dựng, trang bị máy móc thí nghiệm cũng như chi phí đền bù cho những người bị ảnh hưởng trong công tác tái định cư, tái hòa nhập Các luật định trong lĩnh vực bảo vệ môi trường và các tiêu chuẩn về chất lượng nước càng ngày càng trở nên khắt khe hơn cũng góp phần làm tăng chi phí đầu tư vào các dự án khai thác và cấp nước. Tương ứng với sự gia tăng dân số, nhiều diện tích đất lớn sẽ cần phục vụ cho nhu cầu nhà ở, kéo theo tình trạng tàn phá rừng, mất môi trường sống tự nhiên và hủy diệt đa dạng sinh học ngày càng lan rộng. Đồng thời một khối lượng nước lớn cũng cần được cung Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 23
Chương I. Tài nguyên nước cấp phục vụ cho phát triển công nghiệp và đô thị phục vụ cho dân cư. Tất cả những thay đổi này đều gây ra những thiệt hại nhất định cho môi trường. Những dự báo gần đây về biến đổi khí hậu cho thấy rằng tài nguyên nước ở nhiều khu vực trên thế giới cũng sẽ bị thay đổi trong tương lai. Một khi lượng nước cung cấp tại nhiều khu vực trên thế giới bị thiết hụt, các xung đột về nước sẽ diễn ra ngày càng thường xuyên hơn. Những xung đột này có thể diễn ra giữa những quốc gia láng giềng (việc triển khai xây dựng các đập thủy điện lớn trên sông Mê- kông), giữa các tiểu bang kề cận trong cùng một quốc gia (các tiểu bang cùng sử dụng nguồn nước từ lưu vực sông Murray-Darling) hoặc thậm chí giữa các cộng đồng khác nhau trong cùng một thành phố. I.2. TÀI NGUYÊN NƯỚC - LƯỢNG NƯỚC CÓ THỂ KHAI THÁC Nhằm phục vụ các mục tiêu kinh tế, tối ưu hóa việc sử dụng nước, lập kế hoạch, thiết kế, vận hành khai thác thì công tác xác định quy mô và trữ lượng nguồn nước (cả nước mặt và nước ngầm) là yêu cầu tiên quyết. Sự phân bố trữ lượng nguồn nước giữa các châu lục thay đổi rất lớn theo không gian và thời gian. Nước luôn dồi dào tại những vùng rừng mưa nhiệt đới nhưng lại cực hiếm tại những khu vực sa mạc. Phân bố dân cư đôi khi cũng có những sự khác biệt, chẳng hạn những khu vực có nguồn nước phong phú đôi khi lại có rất ít cư dân sinh sống (lưu vực sông Amazon), hay tập trung quá nhiều dân cư (vùng Nam Á). Cũng có những khu vực người dân không định cư được như các vùng sa mạc hoặc ở hai cực của trái đất. Mức độ tiêu thụ nước của chúng ta cũng sẽ phụ thuộc vào tình trạng nguồn nước (lũ lụt hoặc hạn hán, chu kỳ và mức độ xảy ra). Và trong bối cảnh thay đổi khí hậu hiện nay, cả nạn lũ lụt và hạn hán đều trở nên khốc liệt hơn. Theo Cole (1998), một số nguồn chính của nước có thể được liệt kê như sau: - Sông ngòi tự nhiên: Nguồn nước trong sông được cung cấp từ nước mưa, hoặc/và tuyết tan, băng tan. Dòng chảy của chúng biến đổi theo mùa và không ổn định đặc biệt ở khu vực thượng lưu. Dòng chảy của những con sông nhận được lượng bổ sung từ nước ngầm sẽ ổn định hơn. Những con sông ở khu vực hạ lưu còn có thêm một lượng bổ sung từ nước đã qua sử dụng, chẳng hạn nước từ hệ thống cống thoát nước và từ lượng nước tưới tiêu. - Ao hồ tự nhiên: Các ao hồ tự nhiên thường chỉ cho khai thác một lượng nước giới hạn trừ khi chúng có một vài nguồn bổ sung nước riêng biệt. - Hồ chứa: Nước được trữ trong hồ chứa có đập ngăn phục vụ nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Ở những vùng có hai loại hình khí hậu khô và mưa khác nhau rõ rệt, nước sẽ được trữ lại vào mùa mưa và sau đó sẽ khai thác sử dụng vào mùa khô. Tại nhiều vùng trên thế giới, các hồ chứa có thể cấp nước cho nhiều năm khô hạn liên tiếp. - Các giếng ngầm: Nước từ lòng đất được bơm lên mặt đất thông qua bơm tay hoặc bơm chìm chạy bằng điện. Công suất cấp nước của các giếng phụ thuộc vào đặc điểm tầng ngậm nước, công suất bơm và trữ lượng nước ngầm. Các giếng khơi hoặc giếng đào tầng nông là những nguồn cấp nước quy mô nhỏ ở khu vực nông thôn. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 24
Chương I. Tài nguyên nước - Suối: Các con suối thường xuất hiện ở những khu vực tầng ngậm nước trồi lên phía trên tầng đá không thấm nước. Chúng phụ thuộc vào điều kiện địa chất của từng vùng. Các con suối nếu có dòng chảy quanh năm có thể cung cấp một lượng nước sinh hoạt nhất định hoặc chỉ chảy theo mùa. - Nước mặn: Nước được xem là mặn khi có hàm lượng muối > 0,1%. Nếu muốn sử dụng loại nước này cần phải khử muối, một trong những biện pháp khử muối là phương pháp lọc thẩm thấu ngược. Mặc dù phương pháp này rất đắc tiền nhưng nó vẫn được ứng dụng rộng tại những vùng khô hạn (khu vực Ả rập, vùng vịnh Persian), những nơi có nguồn nhiên liệu rẻ tiền. I.2.1. Chu trình thủy văn 1 a) Định nghĩa Được mặt trời cung cấp năng lượng, chu trình thủy văn là một vòng tuần hoàn liên tục của nước, hơi nước từ khí quyển đến trái đất và ngược lại thông qua các quá trình ngưng tụ, mưa, bốc hơi và thoát hơi. Bức xạ mặt trời cung cấp năng lượng làm bốc hơi nước từ bề mặt thủy quyển (phần lớn từ các đại dương), sau đó phân phối lại và lưu thông hơi nước đi khắp địa cầu. Phần lớn lượng nước rơi trở lại bề mặt trái đất thông qua quá trình ngưng tụ và tạo mưa. Trong các cơn mưa, đa số nước mưa rơi xuống mặt biển, phần còn lại rơi trên mặt đất sẽ bổ sung nước cho nguồn nước ngọt có vai trò hết sức quan trọng đối với các chu trình sống. Chu trình thủy văn là một hệ thống động trong đó hơi nước sẽ di chuyển và trao đổi từ một trạng thái này của chu trình sang một trạng thái khác. Mặc dù tỉ lệ quay vòng của nước trong một chu kỳ riêng biệt nào đấy có thể rất biến động, nhưng tổng lượng nước trong cả chu trình hoàn toàn không đổi. Chu trình thủy văn là chìa khóa hình thành các loại khí hậu trên trái đất. Không có chu trình thủy văn, với những ảnh hưởng của hiệu ứng nhà kính hiện nay, nhiều khu vực rộng lớn trên trái đất không thể cư trú được. Chu trình thủy văn trong thiên nhiên có thể chia làm hai loại: - Chu trình lớn: nước bốc hơi từ đại dương và biển được gió vận chuyển vào lục địa tạo mưa. Nước mưa rơi xuống đất tạo thành dòng chảy theo các sông đổ ra biển, duy trì cân bằng nước trên biển và lục địa. - Chu trình nhỏ: nước trên mặt biển hoặc trên mặt lục địa bốc hơi vào khí quyển thành mây sinh ra mưa rơi xuống ngay mặt biển hoặc trên lục địa. 1 Đề nghị tham khảo thêm: Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (2008). Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 25
Chương I. Tài nguyên nước Hình 1.3. Sơ đồ cân bằng nước [Nguồn: Chow V. T., David R. Madment và Larry W. Mays (1988)] Ghi chú: Tương ứng với 100 đơn vị mưa trên lục địa có 38 đơn vị dòng chảy mặt ra biển; 01 đơn vị chảy ngầm ra biển; 61 đơn vị bốc hơi từ lục địa; tương ứng có 385 đơn vị mưa xuống đại dương và 424 đơn vị bốc hơi từ đại dương. Có thể viết phương trình cân bằng nước cho các chu trình thủy văn như sau: trên biển: X1 + Y – Z1 = 0 (1.1) trên lục địa: X2 – Y – Z2 = 0 (1.2) trong đó Z1, Z2: lượng bốc hơi từ biển và lục địa X1, X2: lượng mưa rơi xuống biển và lục địa Y: lượng dòng chảy từ lục địa ra biển Xét cân bằng nước toàn cầu trong thời gian dài thì lượng bốc hơi bằng lượng mưa: Z1 + Z2 = X1 + X2 (1.3) Giữa biển và lục địa còn có quá trình trao đổi nước. Giả định trong dòng không khí thổi từ biển vào lục địa chứa lượng nước là A1, dòng không khí thổi từ lục địa ra biển chứa Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 26
Chương I. Tài nguyên nước lượng nước là A2, Trường hợp A1 > A2 thì trên lục địa lượng mưa lớn hơn lượng bốc hơi, ngược lại trên biển lượng bốc hơi lớn hơn lượng mưa. trên biển: Y + A2 - A1 = 0 (1.4) trên lục địa: -Y - A2 + A1 = 0 (1.5) Ở biển lượng nước bốc hơi nhiều hơn lượng nước mưa. Sự thiếu hụt này được bù lại bằng dòng chảy từ lục địa ra biển. Vì vậy lượng nước ở biển không có sự thay đổi rõ rệt. Trong chu trình thủy văn, thời gian tuần hoàn của nguồn nước mặt thường ngắn (hàng ngày đến hàng năm) nhưng đối với nguồn nước ngầm thời gian tuần hoàn có thể kéo dài đến hàng ngàn năm. Bảng 1.4. Thời gian tuần hoàn nước Nguồn Thời gian tuần hoàn Hơi ẩm không khí 8 ngày Sông suối 16 ngày Hơi ẩm đất 1 năm Nước đầm lầy 5 năm Hồ nước ngầm 17 năm Đại dương 1.400 năm Băng vĩnh cửu 2.500 ÷ 9.700 năm [Nguồn: Nguyễn Khắc Cường] b) Đặc điểm Chu trình thủy văn luôn diễn biến bất thường và do đó trữ lượng nước cũng biến động. Nếu chu trình thủy văn ổn định và có thể dự đoán trước, việc định cư và sử dụng tài nguyên cả trong thời đoạn ngắn hạn hoặc dài hạn có thể được điều chỉnh tương ứng với nguồn cung cấp nước ngọt toàn cầu. Các hoạt động của con người như thay đổi tập quán Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 27
Chương I. Tài nguyên nước canh tác, thay đổi mùa vụ có thể gây ra những ảnh hưởng gián tiếp đến các quá trình tự nhiên, trong đó có chu trình thủy văn. Kết quả là làm cho chu trình thủy văn thay đổi, ảnh hưởng đến chất lượng nước sử dụng. Bên cạnh đó, những hoạt động định cư, tập quán sống cũng góp phần làm thay đổi bầu khí quyển, ít nhất trong phạm vi nhỏ hẹp; và cuối cùng ảnh hưởng đến tỉ lệ và đặc điểm của lượng nước lưu thông trong hệ thống. Thậm chí ngay cả khi những hoạt động của con người ít gây ảnh hưởng, sự vận hành bất thường của chu trình tự nhiên theo không gian và thời gian vẫn có thể gây ra những trận lũ lụt hoặc nạn hạn hán trên diện rộng. Ở ĐBSCL trong thời gian gần đây, những trận lũ lớn bất thường vào mùa mưa và những đợt xâm nhập mặn vào mùa khô là những minh họa cho thấy rõ “sự trở chứng” của chu trình thủy văn. Để đối phó và làm giảm nhẹ những phản ứng bất thường này, con người đang nỗ lực tiếp cận một cách hiểu biết hơn với thiên nhiên, cụ thể là các chương trình quản lý tổng hợp nguồn nước hiện nay. Một vài nỗ lực trong nghiên cứu hiện nay nhằm vào mục tiêu duy trì dòng chảy mặt của nước trong chu trình thủy văn sau khi chúng rơi xuống bề mặt đất và trước khi chúng chảy ra biển, thấm vào nước ngầm hoặc bốc hơi trở lại vào bầu khí quyển. Các nghiên cứu về chu trình thủy văn cho thấy mục tiêu này là khả thi, dòng chảy mặt có thể được duy trì nhằm bổ sung nhu cầu nước cho con người. Nói một cách đơn giản, giai đoạn dòng chảy mặt có thể duy trì lâu hơn thông qua việc định hướng dòng chảy vào những vị trí trữ nước tại những khu vực nào đó nhằm cấp nước cho những mục tiêu sử dụng nước xác định. Chẳng hạn xây dựng các đập ngăn nước, hồ điều hòa, kênh hoặc ống chuyển nước, lắp đặt hệ thống bơm để có thể đưa nước đến tay người sử dụng. Con người cũng cố gắng can thiệp vào những chu kỳ khác trong chu trình thủy văn thông qua nhiều hình thức khác nhau. Các nghiên cứu cấp nước sinh hoạt từ việc khử mặn nước biển có những bước tiến đáng kể mặc dù chi phí (tiêu tốn năng lượng cao, ảnh hưởng đến môi trường ) để thực hiện là rất lớn. Các nghiên cứu làm mưa nhân tạo cũng được tiến hành và đã có nhiều kết quả ứng dụng thành công tại các vùng thiếu nước. Ngoài ra, trong những điều kiện cho phép còn nhiều nghiên cứu khác được thực hiện như bổ sung nước ngầm bằng phương pháp bơm nước nhân tạo, tận dụng các khu đất ngập nước để xử lý nước thải Hơn 30 năm trước, Powell (1975) đã ước lượng khoảng 10% giá trị tài sản quốc gia Hoa Kỳ có được nhờ vào những công việc có liên quan đến chu trình thủy văn như thu gom, vận chuyển, tích trữ và phân phối nước, xử lý nước và đưa chúng trở lại môi trường tự nhiên. Các công trình xây dựng bao gồm các kết cấu ngăn dòng đơn giản, các công trình trữ nước lớn, cống dẫn nước, kênh dẫn, công trình xử lý nước thải đô thị, các dự án cải tạo đất, các thiết bị làm lạnh và các công trình thủy điện. Một cách nhanh chóng, các hoạt động ảnh hưởng đến chu trình thủy văn của con người trở thành một hệ thống đa tác nhân với các mặt kỹ thuật, xã hội, kinh tế và chính trị. Đã có nhiều quyết định được thực thi ở nhiều cấp độ khác nhau bao gồm việc tích trữ, phân phối và sử dụng nước giữa các cá nhân, các nhóm, tổ chức và các cơ quan công quyền trong phạm vi địa phương, vùng lãnh thổ, quốc gia và cả quốc tế. Một sự đánh giá toàn diện về trữ lượng nước và lượng nước cần sử dụng rất cần thiết để lý giải sự mất cân bằng trong phân bố tài nguyên nước ngọt toàn cầu. Nó cũng cung cấp những kiến thức có thể ứng dụng để bù đắp vào sự mất cân bằng này như điều chỉnh dòng chảy trên diện rộng nhằm mang lại lợi ích cho con người. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 28
Chương I. Tài nguyên nước Chúng ta có thể thấy rằng những hậu quả của việc con người tác động vào chu trình thủy văn không còn nằm trong một phạm vi nhỏ hẹp nào nữa. Hiện nay nước là mối quan tâm toàn cầu và hệ thống thủy văn được xác định là không biên giới. Những nhóm người khác nhau, thậm chí những quốc gia khác nhau cùng khai thác chung một nguồn nước tưới tiêu đang được kết nối nội tại thông qua nguồn tài nguyên nước. Những thay đổi của bất kỳ một bên nào trong khai thác và sử dụng nguồn nước có thể dẫn đế những kết quả không lường về quy luật tự nhiên, kinh tế, xã hội và chính trị như đã từng xảy ra tại nhiều nơi trên thế giới. I.2.2. Đánh giá tài nguyên nước Muốn đánh giá chính xác nguồn tài nguyên nước cần có những kiến thức khoa học tổng hợp về thủy văn, khí tượng, địa chất, đới bờ nhằm cung cấp một bức tranh định lượng về các đặc tính vật lý và những biến đổi có thể xảy ra đối với nguồn tài nguyên này. Một phương pháp được đề nghị là đánh giá toàn bộ lưu vực với các thông số khí tượng thủy văn đầu vào cho những yếu tố khác nhau: đất, sông ngòi, hồ chứa và lớp dưới bề mặt. Số liệu trong bảng thống kê bên dưới cho thấy các đại dương chiếm 96,5% lượng nước trên trái đất, chỉ có 3,5% trữ lượng nước là định vị trong đất liền. Tuy nhiên trong tổng số 3,5% đó lại có 1% là nước mặn chứa trong các tầng ngầm hoặc hồ nhiễm mặn. Nước ngọt chỉ chiếm 2,5%, trong đó 68,7% tồn tại dưới dạng băng ở hai vùng cực, 30,1% nằm trong các tầng nước ngầm, chỉ còn khoảng 1,3% nước ngọt nằm trên bề mặt đất và tham gia vào chu trình thủy văn. Trữ lượng nước trong khí quyển, đất ẩm và ao hồ không khác nhau nhiều; trong khi lượng nước trong sông thấp hơn, còn lượng nước trong băng tuyết lại nhiều hơn. Một lượng nhỏ nước sinh học cũng tồn tại trong các mô sống của thực vật và động vật. Như vậy ước tính chỉ có khoảng 12.900 km3 nước tồn tại trong khí quyển, chiếm chưa đến 1/100.000 tổng lượng nước trên thế giới. Lượng nước này nếu đem bốc hơi sẽ tạo thành một lớp màn dày 25mm bao phủ xung quanh bề mặt trái đất. (Maidment D. R., 1993). Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 29
Chương I. Tài nguyên nước Bảng 1.5. Ước tính lượng nước phân bố trên Trái đất Thể tích nước % của nước % của tổng Nguồn nước (km3) ngọt lượng nước Đại dương, biển và vịnh 1.338.000.000 - 96,5000 Băng tuyết Đỉnh núi băng, sông băng và vùng 24.064.000 68,700 1,7400 tuyết phủ vĩnh cửu Các loại băng khác 300.000 0,860 0,0220 Nước ngầm Nước ngọt 10.530.000 30,100 0,7600 Nước nhiễm mặn 12.870.000 - 0,9400 Lượng ẩm trong đất 16.500 0,050 0,0010 Các hồ Hồ nước ngọt 91.000 0,260 0,0070 Hồ nước mặn 85.400 - 0,0060 Đầm lầy 11.470 0,030 0,0008 Khí quyển 12.900 0,040 0,0010 Sông ngòi 2.120 0,006 0,0002 Nước sinh học 1.120 0,003 0,0001 Tổng số 1.385.984.510 - 100,0000 [Nguồn: Gleick P. H. (1996)] Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 30
Chương I. Tài nguyên nước Bảng 1.6. Lưu lượng dòng chảy cực đại đo tại một số sông lớn Diện tích lưu Thời điểm đo Lưu lượng Quốc gia Sông Trạm vực (km2) (m3/s) Austria Danube Vienna 10.700 18/09/1899 10.500 Brazil Amazon Obidos 4.640.300 1953 370.000 Burma Irrawaddy - 360.000 1877 63.700 Cambodia Mekong Kratie 646.000 1939 75.700 China Changjiang Yichang 1.010.000 20/7/1870 110.000 Egypt Nile Aswan 3.000.000 - 13.500 France Rhine Beaucaine 96.500 31/5/1856 11.640 India Brahmputra Pandu 404.000 08/8/1973 51.100 Ganga Farakka 935.340 22/8/1971 70.500 Godavari Dolaishwaram 307.800 17/9/1959 78.700 Krishna Vijaywada 251.360 02/11/1916 33.500 Narmada Garudeshwar 87.900 06/9/1970 69.400 Netherlands Rhine Lobith 160.000 04/01/1926 12.280 Pakistan Indus Attock 264.000 1929 23.200 USA Mississippi Columbus 2.387.950 27/02/1937 70.792 Ohio Cairo 528.300 04/02/1937 55.218 USSR Lena Kusur 2.430.000 11/6/1944 194.000 Volga Volgograd 1.350.000 29/5/1926 51.900 Zambia Zambezi Kariba 633.040 05/3/1958 16.990 Zaire Zaire Kinshasa 3.747.300 02/12/1970 67.930 [Nguồn: Jain S. K. và Singh V. P. (2003)] Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 31
Chương I. Tài nguyên nước Khoảng một nửa diện tích đất trên thế giới có các lưu vực sông (trên 200 lưu vực sông) chảy qua lãnh thổ của hai hay nhiều quốc gia. Một số lưu vực sông lớn chảy qua lãnh thổ nhiều quốc gia như Amazon, Congo, Danube, Ganga-Brahmputra, Indus, Mekong, Niger, Nile, Rhine và Zambezi. Trong những trường hợp này, việc phát triển và quản lý các dự án về tài nguyên nước đòi hỏi sự đồng thuận của các quốc gia có liên quan, tốt nhất sự đồng thuận này nên được thể hiện thông qua các văn bản ký kết. Đã có những trường hợp việc chia sẻ nguồn nước dẫn đến những tranh cãi và thậm chí là tranh chấp giữa các quốc gia hoặc các vùng lãnh thổ ven sông. Đô thị Nông thôn Hình 1.4. Mức độ cấp nước giữa vùng đô thị và nông thôn trên thế giới năm 2006 [Nguồn: WHO (2008)] Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 32
Chương I. Tài nguyên nước Nông thôn Đô thị Hình 1.5. Tỉ lệ sử dụng nước máy giữa vùng đô thị và nông thôn trên thế giới năm 2006 [Nguồn: WHO (2008)] Hình 1.6. Số dân chưa được tiếp cận nguồn nước uống hợp vệ sinh năm 2006 [Nguồn: WHO (2008)] Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 33
Chương I. Tài nguyên nước Bảng 1.7. Số liệu cân bằng nước giữa các châu lục Các yếu tố cân Tổng dòng Dòng chảy bằng nước Mưa Bốc hơi chảy mặt ngầm Châu lục Châu Âu 7.162 3.110 1.065 4.055 Châu Á 32.590 14.190 3.410 18.500 Châu Phi 20.780 4.295 1.465 16.455 Bắc Mỹ 13.810 5.960 1.740 7.850 Nam Mỹ 29.855 10.480 3.740 18.800 Châu Úc 6.405 1.965 465 4.340 Tổng 110.000 40.000 11.885 70.000 [Nguồn: Herschy R. W. và Fairbridge R. W. (1998)] Hiện nay trên thế giới có nhiều dự án đánh giá nguồn tài nguyên nước đang được thực hiện. Chương trình Đánh giá Nước Thế giới (WWAP - /wwap) là một dự án lớn của Liên hiệp quốc với các mục tiêu như đánh giá tình trạng nguồn nước ngọt và hệ sinh thái trên thế giới, nhận biết các vấn đề và các hậu quả đang diễn ra, phát triển các công cụ chỉ thị phục vụ cho việc sử dụng hợp lý tài nguyên nước, hỗ trợ các quốc gia tự phát triển khả năng đánh giá của mình. Dự án này có đại diện tại UNESCO (Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa của Liên hiệp quốc) và định kỳ sẽ xuất bản Báo cáo Phát triển Nước Thế giới. Ngoài ra UNEP (Chương trình Môi trường Liên hiệp quốc) cũng đang chủ trì Chương trình Đánh giá Nước Quốc tế (GIWA - Dự án này cung cấp những đánh giá có tính tổng hợp về các vấn đề nước quốc tế, tình trạng sinh thái và nguyên nhân của các vấn đề môi trường tại 66 khu vực nước trên khắp thế giới. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 34
Chương I. Tài nguyên nước I.3. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NƯỚC I.3.1. Nguyên tắc Để quản lý các lưu vực thì những kiến thức và hiểu biết về trữ lượng nước cần phải nắm vững. Việc xác định lượng nước hữu hiệu trên lưu vực đòi hỏi đánh giá các thành phần trong phương trình cân bằng nước. Vòng tuần hoàn nước cho một lưu vực ngầm bất kỳ phải tồn tại sự cân bằng giữa lượng cung cấp cho lưu vực và lượng ra khỏi lưu vực. Phương trình cân bằng được biểu diễn: Dòng chảy mặt đến + Dòng chảy dưới Dòng chảy mặt đi + Dòng chảy ngầm đi đất đến + Mưa + Lượng nhập lưu vào + Lượng nước đã sử dụng + Nước thoát lưu lưu vực + Giảm lượng trữ mặt = + Lượng tăng lượng trữ mặt + Giảm lượng trữ ngầm + Tăng lượng trữ ngầm Trong phương trình này tất cả các thành phần nước đến và nước đi, trên mặt và dưới đất đều được biểu diễn. Tuy nhiên tùy theo từng trường hợp cụ thể mà bỏ qua một số thành phần vì giá trị của nó quá nhỏ hoặc nó không ảnh hưởng đến kết quả tính toán. Chẳng hạn đối với tầng ngậm nước có áp có cân bằng nước độc lập với dòng chảy trên mặt, do đó thành phần dòng chảy trên mặt, mưa, nước dùng, nước nhập lưu và thoát lưu, thay đổi lượng trữ có thể bỏ qua trong phương trình. Phương trình này có thể áp dụng cho một lưu vực có diện tích bất kỳ. Tuy nhiên những kết quả với ý nghĩa đầy đủ nhất thì một lưu vực nước ngầm, một tầng ngậm nước hoặc một lưu vực sông là những đơn vị tốt nhất. Quá trình hình thành dòng chảy cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy tuy phức tạp, nhưng đối với bất kỳ một lưu vực nào trong một thời gian nhất định, sự thay đổi của các yếu tố thủy văn (mưa, bốc hơi, dòng chảy) vẫn tuân theo quy luật “lượng nước đến phải bằng lượng nước mất đi cộng với (hoặc trừ đi khi lượng nước mất đi lớn hơn lượng nước đến) lượng nước trữ lại trong lưu vực”. Đó là nguyên lý cân bằng nước. Dựa vào nguyên lý này ta có thể lập phương trình cân bằng nước - cơ sở chủ yếu để phân tích nguyên nhân hình thành dòng chảy về mặt định tính cũng như định lượng. Lấy một lưu vực bất kỳ, xét lượng nước đến và đi trong một thời gian nhất định ta sẽ lập được phương trình cân bằng nước sau: X + Z1 + Y1 + W1 + U1 = Z2 + Y2 + W2 + U2 (1.6) Với X: lượng mưa bình quân rơi trên lưu vực Z1, Z2: lượng nước ngưng tụ và bốc hơi trên lưu vực Y1, Y2: lượng dòng chảy mặt chảy đến và chảy đi W1, W2: lượng dòng chảy ngầm chảy đến và chảy đi Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 35
Chương I. Tài nguyên nước U1, U2: lượng nước trữ trong lưu vực ở đầu và cuối thời đoạn Δt Y1 Z2 X Z1 U W Y2 W Hình 1.7. Lưu vực sông và các thành phần cân bằng nước I.3.2. Phương trình cân bằng nước thông dụng Trong một lưu vực bất kỳ, giả sử có một mặt trụ thẳng đứng bao quanh khu vực đó tới tầng không thấm nước. Chọn một thời đoạn Δt bất kỳ, dựa vào nguyên lý cân bằng nước ta có biểu thức: (X + Z1 + Y1 + W1) – (Z2 + Y2 + W2) = ⎜U2 – U1⎜ = ± ΔU (1.7) (nước đến) (nước đi) (thay đổi nước trữ) với ΔU mang dấu (+) khi U1 > U2 và mang dấu (–) khi U1 < U2 I.3.3. Phương trình cân bằng nước một lưu vực trong một thời đoạn bất kỳ a) Lưu vực kín Lưu vực kín là một lưu vực mà đường phân chia nước mặt và nước ngầm là trùng nhau khi 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 nước ngầm chảy ra khỏi lưu vực Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 36
Chương I. Tài nguyên nước Z = Z2 – Z1 là lượng bốc hơi đã trừ đi lượng ngưng tụ ta có X = Y + Z ± ΔU (1.8) b) Lưu vực hở Đối với lưu vực hở sẽ có lượng nước ngầm từ lưu vực khác chảy vào hoặc ngược lại, khi đó phương trình có dạng: X = Y + Z ± ΔW ± ΔU (1.9) với ± ΔW = W2 – W1 ΔW mang dấu (+) khi W1 > W2 ΔW mang dấu (–) khi W1 < W2 I.3.4. Phương trình cân bằng nước trong nhiều năm Phương trình (1.8) và (1.9) viết cho thời đoạn bất kỳ, tức ΔT có thể là 1 năm, 1 tháng, 1 ngày hoặc nhỏ hơn nữa. Để viết phương trình cân bằng nước trong thời đoạn nhiều năm, người ta lấy bình quân trong nhiều năm các thành phần trong phương trình cân bằng nước. Xét một lưu vực kín trong n năm: (1.10) Có thể xem như tổng do có sự xen kẽ của những năm nhiều nước và ít nước, kết hợp phương trình (a) và (c), ta có: X0 = Y0 + Z0 (1.11) trong đó Nếu n đủ lớn thì X0 gọi là chuẩn mưa năm, Y0 gọi là chuẩn dòng chảy năm và Z0 gọi là chuẩn bốc hơi năm. Đối với lưu vực hở, kết hợp phương trình (1.9) và (1.10) tương tự ta có: X0 = Y0 + Z0 ± ΔW (1.12) Trong trường hợp lưu vực hở, giá trị bình quân nhiều năm của ± ΔW không tiến đến 0 được vì sự trao đổi nước ngầm giữa các lưu vực không cân bằng nhau và thường diễn ra một chiều. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 37
Chương I. Tài nguyên nước Bảng 1.8. Cân bằng nước trung bình nhiều năm trên thế giới và Việt Nam Diện Mưa Chảy mặt Bốc hơi tích (103 Vùng lãnh thổ km2) (mm) (108 km3) (mm) (108 km3) (mm) (108 km3) Toàn thế giới 510.000 1.130 577,000 - - 1.130 577,000 Toàn lục địa 149.000 800 119,000 315 47,000 485 72,000 Đại dương 361.000 1.270 458,000 130 47,000 1.400 505,000 Việt Nam 365 1.850 0,675 857 0,312 993 0,362 ĐB sông Hồng 27 1.800 0,048 837 0,022 963 0,025 ĐBSCL 39 1.5560,060 700 0,027 856 0,033 [Nguồn: Nguyễn Khắc Cường] I.4. QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC I.4.1. Khoa học quản lý môi trường Quản lý môi trường là sự tác động liên tục, có tổ chức, có phương hướng và mục đích xác định của chủ thể đối với một đối tượng nhằm khôi phục, duy trì và cải thiện tốt hơn môi trường sống của con người trong những khoảng thời gian dự định. Bản chất của việc quản lý môi trường là hạn chế hành vi vô ý thức hoặc có ý thức của con người trong các hoạt động của mình để môi trường ổn định, luôn ở trạng thái cân bằng. Các đặc thù của quản lý môi trường gồm: - Hoạt động quản lý môi trường mang tính trách nhiệm có ý thức của con người, trách nhiệm của mọi người trong mối quan hệ ràng buộc lẫn nhau. - Hoạt động quản lý môi trường phải nhằm đạt được mục đích cơ bản là bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 38
Chương I. Tài nguyên nước - Hoạt động quản lý môi trường có tính liên tục theo không gian và thời gian. - Hoạt động quản lý môi trường là công việc đòi hỏi phải có sự nỗ lực chung của mọi quốc gia trên toàn thế giới. Hoạt động quản lý môi trường dựa trên những nguyên tắc cơ bản sau: - Bảo đảm duy trì trạng thái cân bằng của hệ sinh thái bằng việc tổ hợp các biện pháp kinh tế, kỹ thuật, xã hội. - Mối liên hệ cho - nhận. - Mang lại hiệu quả và có khả năng thực thi. - Ða dạng hóa. - Phân cấp và chuyên môn hóa. - Gắn hiệu quả hiện tại với tương lai. - Thử - sai - sửa. Cơ sở triết học của quản lý môi trường dựa trên tính thống nhất vật chất của thế giới tự nhiên, con người và xã hội thành một hệ thống rộng lớn. Ðể bảo vệ môi trường sống cần giữ gìn hài hòa quan hệ con người - tự nhiên và con người - xã hội bằng cách đưa thêm vào nền sản xuất vật chất của con người chức năng tái sản xuất tài nguyên thiên nhiên. Cơ sở khoa học, kỹ thuật, công nghệ của quản lý môi trường là việc thực hiện tổng hợp các biện pháp khoa học, kỹ thuật, kinh tế, luật pháp xã hội nhằm bảo vệ môi trường sống và phát triển kinh tế - xã hội một cách bền vững. Các công cụ kỹ thuật có thể gồm các đánh giá môi trường, xử lý chất thải, tái chế. Trong nền kinh tế thị trường, hoạt động phát triển và sản xuất của cải vật chất diễn ra dưới sức ép của sự trao đổi hàng hóa theo giá trị. Vì vậy, sử dụng các phương pháp và công cụ kinh tế để đánh giá và định hướng hoạt động phát triển sản xuất có lợi cho công tác bảo vệ môi trường. Các công cụ kinh tế như các loại thuế, phí môi trường, quy chế đóng góp bồi hoàn, hệ thống các tiêu chuẩn ISO Hoạt động trong xã hội rất đa dạng và phức tạp, nên cơ sở luật pháp của quản lý môi trường là các văn bản luật quốc tế và quốc gia về môi trường. I.4.2. Quản lý tài nguyên nước 1. Yêu cầu quản lý Khi lập kế hoạch khai thác, đánh giá môi trường nước cho một vùng hoặc một lưu vực cần phải đánh giá đầy đủ ba loại đặc trưng của tài nguyên nước: Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 39
Chương I. Tài nguyên nước - Số lượng nước: biểu thị độ phong phú của tài nguyên nước trên một vùng lãnh thổ. - Chất lượng nước: hàm lượng của các chất hòa tan hoặc không hòa tan trong nước (có lợi hoặc gây hại theo tiêu chuẩn của đối tượng sử dụng nước). - Động thái của nước: được đánh giá bởi sự thay đổi của các đặc trưng dòng chảy theo thời gian. Sự trao đổi nước giữa các khu vực chứa nước, sự vận chuyển và quy luật chuyển động của nước trong sông, sự chuyển động của nước ngầm, các quá trình trao đổi chất hòa tan, truyền mặn Kiểm tra, giám sát chất lượng nguồn nước, việc khai thác hợp lý tài nguyên nước, phòng chống và khắc phục tình trạng ô nhiễm môi trường nước. 2. Giáo dục trong cộng đồng Cần giáo dục cho người dân biết nhân loại đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng môi trường ngày một trầm trọng hơn. Ðây là hậu quả tất yếu của những khủng hoảng về dân số, lương thực, năng lượng, tài nguyên và sinh thái. Trong đó sự bùng nổ dân số đóng vai trò chủ chốt. Một khi người dân biết rõ được mối nguy cơ đe dọa đến môi trường, họ sẽ chung tay cùng giải quyết các vấn đề đó. Giáo dục ý thức tự giác giữ gìn vệ sinh môi trường, cùng nhau cải thiện các điều kiện vệ sinh trong hộ gia đình và nơi công cộng. Ðồng thời phổ biến các điều luật bảo vệ môi trường để người dân nắm vững và chấp hành. 3. Tăng cường khả năng tự làm sạch của nguồn nước Tự làm sạch nguồn nước là sự phục hồi trạng thái nước ban đầu nhờ các quá trình thủy động học, lý học, hóa học, sinh hóa diễn ra trong nguồn nước, Bản chất của tự làm sạch nguồn nước là sự xáo trộn pha loãng nước thải với nguồn nước, sự phân hủy và chuyển hóa các chất bẩn trong nguồn nước. Khả năng tự làm sạch của nguồn nước phụ thuộc nhiều yếu tố như loại nước thải, chế độ thủy động học của nguồn nước, đặc điểm khí hậu. I.4.3.Các chính sách liên quan đến tài nguyên nước ở Việt Nam Có thể nói ở Việt Nam vấn đề quản lý tài nguyên nước bền vững chỉ bắt đầu được đề cập đến vào thập kỷ 80. Và cho đến cuối thế kỷ 20 chính phủ đã có nhiều mối quan tâm hơn về vấn đề này thông qua những luật định, chính sách có liên quan đến bảo vệ tài nguyên nước. a) Các chính sách và chiến lược cấp quốc gia Trong những thập niên gần đây, việc quản lý tài nguyên nước ở Việt Nam đã được cải thiện đáng kể về mặt pháp lý, cấu trúc thể chế và các cơ chế, góp phần vào sự phát triển kinh tế xã hội của đất nước. Luật Tài nguyên nước đã được Quốc hội nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam khóa X, kỳ họp thứ 3 thông qua ngày 20 tháng 5 năm 1998. Luật Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 40
Chương I. Tài nguyên nước Tài nguyên nước và các văn bản pháp quy hướng dẫn tiếp theo đã cung cấp các quy định việc quản lý, bảo vệ, khai thác, sử dụng tài nguyên nước; phòng, chống và khắc phục hậu quả tác hại do nước gây ra. Qua đó tăng cường hiệu quả quản lý nhà nước, nâng cao trách nhiệm của cơ quan nhà nước, tổ chức kinh tế, tổ chức chính trị, tổ chức chính trị - xã hội, tổ chức xã hội, đơn vị vũ trang nhân dân và mọi cá nhân trong việc bảo vệ, khai thác, sử dụng tài nguyên nước; phòng chống và khắc phục hậu quả tác hại do nước gây ra. Cấu trúc của Luật Tài nguyên nước 1998 gồm có 10 chương với 75 điều được phân bố: - Chương I. Những quy định chung (9 điều) - Chương II. Bảo vệ tài nguyên nước (10 điều) - Chương III. Khai thác, sử dụng tài nguyên nước (16 điều) - Chương IV. Phòng, chống, khắc phục hậu quả lũ, lụt và tác hại khác do nước gây ra (11 điều) - Chương V. Khai thác và bảo vệ công trình thủy lợi (6 điều) - Chương VI. Quan hệ quốc tế về tài nguyên nước (4 điều) - Chương VII. Quản lý nhà nước về tài nguyên nước (9 điều) - Chương VIII. Thanh tra chuyên ngành về tài nguyên nước (4 điều) - Chương IX. Khen thưởng, xử lý và vi phạm (2 điều) - Chương X. Ðiều khoản thi hành (4 điều) Đến năm 2006, Hội đồng Quốc gia về tài nguyên nước (NWRC) đã trình Chính phủ “Chiến lược quốc gia về tài nguyên nước đến năm 2020”. Và sau đó đã được Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định ban hành số 81/2006/QĐ-TTg ngày 14/4/2006. Có thể nói đây là một chiến lược về tài nguyên nước và các chương trình hành động về tài nguyên nước ở cấp độ quốc gia được ban hành lần đầu tiên ở Việt Nam. Nội dung chủ yếu của chiến lược gồm 6 điểm chính: - Tăng cường bảo vệ nguồn nước và bảo vệ hệ sinh thái thủy sinh - Bảo đảm tính bền vững, hiệu quả trong khai thác, sử dụng tài nguyên nước - Phát triển bền vững tài nguyên nước - Giảm thiểu tác hại do nước gây ra - Hoàn thiện thể chế, tổ chức - Tăng cường năng lực điều tra, nghiên cứu, phát triển công nghệ Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 41
Chương I. Tài nguyên nước Bên cạnh đó, việc khai thác và sử dụng nguồn tài nguyên nước cũng được đề cập đến trong một số văn bản dưới luật khác: - Chiến lược quốc gia và chương trình hành động nhằm giảm nhẹ và quản lý thiên tai tại Việt Nam từ 2001 đến 2020 (Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn MARD và Ban chỉ đạo phòng chống lụt bão trung ương, 12/2001). - Kế hoạch phát triển nông nghiệp và nông thôn giai đoạn 2001 ÷ 2005 (MARD, 8/2000). - Chiến lược phát triển nông nghiệp nông thôn trong giai đoạn công nghiệp hóa - hiện đại hóa đến năm 2010 (MARD, 7/2000). - Định hướng và nhiệm vụ phát triển tài nguyên nước đến năm 2010 (MARD, 9/1999). - Tăng cường công tác bảo vệ môi trường trong giai đoạn công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước (Bộ Chính trị Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam, Chỉ thị 36/CT-TW, ngày 26/6/1998). - Kế hoạch phát triển tài nguyên nước đến năm 2000 và Kế hoạch hành động phát triển đến năm 2010 (MARD, 6/1998). - Chiến lược quốc gia về nước sạch và vệ sinh môi trường (NRWSS). b) Các thể chế chính trong quản lý nguồn nước b1. Có liên quan đến môi trường nói chung - Luật Bảo vệ môi trường (29/11/2005). - Quyết định 45/QĐ-TTg ngày 02/4/2003 của Thủ tướng Chính phủ về việc thành lập các Sở Tài nguyên và Môi trường. - Nghị định 91/2002 ngày 11/11/2002 Quy định chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn và cơ cấu tổ chức của Bộ Tài nguyên và Môi trường. - Quyết định 82/2002/QĐ-TTg ngày 26/6/2002 của Thủ tướng Chính phủ về việc thành lập, tổ chức và hoạt động của Quỹ bảo vệ môi trường Việt Nam. - Quyết định 395/1998/QĐ-BKHCNMT ngày 10/4/1998 của Bộ trưởng Bộ Khoa học Công nghệ & Môi trường về việc ban hành Quy chế bảo vệ môi trường trong việc tìm kiếm, thăm dò, phát triển mỏ, khai thác, tàng trữ, vận chuyển, chế biến dầu khí và các dịch vụ liên quan. - Nghị định 26/CP ngày 26/4/1996 của Chính phủ quy định về xử phạt vi phạm hành chính trong lĩnh vực bảo vệ môi trường. - Nghị định 175/CP ngày 18/10/1994 của Chính phủ về hướng dẫn thi hành Luật Bảo vệ môi trường. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 42
Chương I. Tài nguyên nước b2. Các chính sách liên quan trực tiếp đến tài nguyên nước - Quyết định 162/2003/NĐ-CP ngày 19/12/2003 của Chính phủ ban hành quy chế thu thập, quản lý, khai thác, sử dụng dữ liệu, thông tin về tài nguyên nước. - Quyết định 05/2003/QĐ-BTNMT ngày 04/9/2003 của Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành quy định về cấp phép thăm dò, khai thác và hành nghề khoan nước dưới đất. - Nghị định 67/2003/NĐ-CP ngày 13/6/2003 của Chính phủ về phí bảo vệ môi trường đối với nước thải. - Văn bản 99/2001/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về việc ban hành Quy chế tổ chức và hoạt động của Hội đồng quốc gia về tài nguyên nước. - Quyết định 37, 38, 39/2001/QĐ/BNN-TCCB của MARD về việc thành lập Ban Quản lý quy hoạch lưu vực sông Mê-Kông, sông Đồng Nai, sông Thái Bình và sông Hồng. - Quyết định 104/2000/QĐ-TTg ngày 25/8/2000 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê duyệt chiến lược quốc gia về cấp nước sạch và vệ sinh nông thôn đến năm 2020. - Pháp lệnh sửa đổi, bổ sung một số điều của Pháp lệnh Phòng, chống lụt, bão (ban hành lần đầu ngày 08/3/1993) ngày 24/8/2000. - Quyết định 67/2000/QĐ-TTg ngày 15/6/2000 của Thủ tướng Chính phủ về việc thành lập Hội đồng quốc gia về tài nguyên nước. - Quyết định 155/1999/QĐ-TTg ngày 16/7/1999 của Thủ tướng Chính phủ ban hành Quy chế quản lý chất thải nguy hại (bao gồm cả nước thải nguy hại). - Nghị định 179/1999/NĐ-CP ngày 10/7/1999 của Chính phủ quy định việc thi hành Luật Tài nguyên nước. - Quyết định 35/1999/QĐ-TTg ngày 05/3/1999 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê duyệt định hướng phát triển thoát nước đô thị Việt Nam đến năm 2020. - Quyết định 63/1998/QĐ-TTg ngày 18/3/1998 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê duyệt Định hướng phát triển cấp nước đô thị Quốc gia đến năm 2020. - Quyết định 357 NN-QLN/QĐ ngày 13/3/1997 của MARD về việc ban hành quy định thạm thời về việc cấp phép thăm dò, khai thác, hành nghề khoan nước ngầm và đăng ký công trình khai thác nước ngầm. - Chỉ thị 487/TTg ngày 30/7/1996 của Thủ tướng Chính phủ về tăng cường quản lý nhà nước đối với Tài nguyên nước. - Quyết định 299/TTg ngày 13/5/1996 của Thủ tướng Chính phủ về việc thành lập Ban chỉ đạo phòng chống lụt bão trung ương. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 43
Chương I. Tài nguyên nước - Quyết định số 860/TTg ngày 30/12/1995 của Thủ tướng Chính phủ về chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn và tổ chức bộ máy của Ủy ban sông Mê-Kông Việt Nam. - Quyết định 556/TTg ngày 12/9/1995 về điều chỉnh, bổ sung Quyết định số 327/CT ngày 15/9/1992 của Chủ tịch Hội đồng Bộ trưởng. - Chỉ thị 200/TTg ngày 29/4/1994 của Thủ tường Chính phủ về đảm bảo nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn. - Quyết định 327-CT ngày 15/9/1992 của Chủ tịch Hội đồng Bộ trưởng về một số chủ trương, chính sách sử dụng đất trống, đồi núi trọc, rừng, bãi bồi ven biển và mặt nước. b3. Những quy định liên quan đến việc nuôi trồng thủy sản - Nghị định 128/CP ngày 11/10/2005 của Chính phủ về xử lý vi phạm hành chính trong lĩnh vực thủy sản. - Luật Thủy sản 17/2003/QH11 được Quốc hội khóa 11 thông qua ngày 26/11/2003. - Nghị định 43/2003/NĐ-CP ngày 2/5/2003 của Chính phủ quy định chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn và cơ cấu tổ chức của Bộ Thủy sản. - Nghị định 49/NĐ-CP/1998 về qui chế hoạt động nghề cá của người và phương tiện nước ngoài trong vùng biển nước CHXHCN Việt Nam. - Pháp lệnh Bảo vệ và phát triển nguồn lợi thủy sản được Ủy ban thường vụ Quốc hội thông qua và có hiệu lực thi hành từ ngày 25/4/1989. c) Các tiêu chuẩn về chất lượng nước - TCVN 5942-1995: Chất lượng nước - Chất lượng nước mặt. - TCVN 5943-1995: Chất lượng nước - Chất lượng nước biển ven bờ. - TCVN 5944-1995: Chất lượng nước - Chất lượng nước ngầm. - TCVN 5945-1995: Nước thải công nghiệp - Tiêu chuẩn thải - TCVN 6772-2000: Chất lượng nước - Nước thải sinh hoạt - Giới hạn ô nhiễm cho phép - TCVN 6773-2000: Chất lượng nước - Chất lượng nước dùng cho thủy lợi - TCVN 6774-2000: Chất lượng nước - Chất lượng nước ngọt bảo vệ đời sống thủy sinh - TCVN 6980-2001: Chất lượng nước - Tiêu chuẩn nước thải công nghiệp thải vào vực nước sông dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. - TCVN 6981-2001: Chất lượng nước - Tiêu chuẩn nước thải công nghiệp thải vào vực nước hồ dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 44
Chương I. Tài nguyên nước - TCVN 6982-2001: Chất lượng nước - Tiêu chuẩn nước thải công nghiệp thải vào vực nước sông dùng cho mục đích thể thao và giải trí dưới nước. - TCVN 6983-2001: Chất lượng nước - Tiêu chuẩn nước thải công nghiệp thải vào vực nước hồ dùng cho mục đích thể thao và giải trí dưới nước. - TCVN 6984-2001: Chất lượng nước - Tiêu chuẩn nước thải công nghiệp thải vào vực nước sông dùng cho mục đích bảo vệ thủy sinh. - TCVN 6985-2001: Chất lượng nước - Tiêu chuẩn nước thải công nghiệp thải vào vực nước hồ dùng cho mục đích bảo vệ thủy sinh. - TCVN 6986-2001: Chất lượng nước - Tiêu chuẩn nước thải công nghiệp thải vào vùng nước biển ven bờ dùng cho mục đích bảo vệ thủy sinh. - TCVN 6987-2001: Chất lượng nước - Tiêu chuẩn nước thải công nghiệp thải vào vùng nước biển ven bờ dùng cho mục đích thể thao và giải trí dưới nước. I.5. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Hãy giải thích cho nhận xét tại sao nước là một loại tài nguyên thiên nhiên quý giá và có hạn? 2. Trình bày vòng tuần hoàn nước và các thành phần của vòng tuần hoàn nước. 3. Tìm hiểu cách thiết lập phương trình cân bằng nước ứng với những điều kiện cụ thể về lưu vực, các thông số ảnh hưởng. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 45
Chương II: Tài nguyên nước mặt CHƯƠNG II: TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT II.1. SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI II.1.1. Hệ thống sông ngòi Hơi nước từ mặt thoáng địa cầu bốc lên khí quyển, tập hợp lại thành mây. Trong điều kiện thích hợp, hơi nước trong mây ngưng tụ lại thành mưa rơi xuống nước. Nước mưa rơi xuống lưu vực, một phần bị tổn thất do bốc hơi trở lại lên không trung, một phần đọng lại các khu trũng và ngấm xuống đất tạo thành dòng chảy ngầm chảy vào sông, một phần chảy tràn trên mặt đất dưới tác dụng của trọng lực tạo thành dòng chảy mặt. 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 gọi là hệ thống sông ngòi. Hệ thống sông ngòi gồm có sông chính cùng với sông nhánh và các khe suối tập trung nước về dòng sông đó. Tùy theo hình dạng của các hệ thống sông mà ta có thể phân chia chúng như sau: (a) (b) (c) (d) Hình 2.1. Một số dạng của hệ thống sông (a) dạng nan quạt; (b) dạng lông chim; (c) dạng càng cây; (d) dạng song song Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 46
Chương II: Tài nguyên nước mặt Tên của một hệ thống sông thường lấy từ tên con sông chính trong hệ thống đó, thông thường con sông chính là con sông dài nhất, có lưu lượng dòng chảy lớn nhất đổ ra biển hoặc các hồ lớn nội địa. Các con sông đổ vào sông chính gọi là sông nhánh cấp I, sông chảy vào sông nhánh cấp I gọi là sông nhánh cấp II, tương tự như vậy sông nhánh cấp III sẽ đổ vào sông nhánh cấp II Sự phân bố của các sông nhánh dọc theo sông chính quyết định tính chất dòng chảy trên hệ thống sông. Càng về xuôi lượng nước và kích thước càng tăng, tốc độ trung bình và độ dốc giảm xuống. Vì vậy, đối với sông lớn người ta thường chia ra thượng lưu, trung lưu và hạ lưu để thuận tiện hơn trong việc khai thác tiềm năng kinh tế. Ở phần cuối của hạ lưu, dòng chảy đổ ra biển qua vùng chuyển tiếp chịu ảnh hưởng của biển, đặc biệt là chế độ triều. Tốc độ dòng chảy giảm xuống, sự xâm nhập của triều gây ra sự xáo trộn nước ngọt và mặn, độ rộng của sông tăng mạnh tạo nên kiểu tam giác hay cửa sông hình phễu. II.1.2. Lưu vực sông Lưu vực sông là phần mặt đất mà lượng nước phía trên (kể cả nước mặt và nước ngầm) sẽ chảy ra con sông đó. Nói cách khác lưu vực sông là phần diện tích khu vực tập trung nước của sông. Đường phân nước Sông nhánh cấp 3 Nguồn sông Sông nhánh cấp 1 Hợp lưu Sông nhánh cấp 2 Điểm thoát Sông chính Hình 2.2. Đường phân nước và giới hạn của lưu vực Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 47
Chương II: Tài nguyên nước mặt a) Đường phân nước của lưu vực Lưu vực sông được giới hạn bởi đường phân nước của lưu vực. Có hai loại đường phân nước là đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm. - Đường phân nước mặt là đường nối liên tục các điểm cao nhất xung quanh lưu vực và giới hạn lưu vực này với các lưu vực khác. Nước mưa rơi xuống hai phía của đường phân nước sẽ chảy về hai bên và đi về hai lưu vực khác kế cận nhau theo sườn dốc của chúng. - Đường phân nước ngầm phân chia sự tập trung nước ngầm giữa các lưu vực. Đây là đường nối các điểm cao nhất của tầng không thấm trên cùng xung quanh lưu vực. Khi nước ngầm thấm xuống hai bên của đường phân nước ngầm sẽ chảy vào hai lưu vực sông khác nhau. Việc xác định đường phân nước ngầm rất khó khăn và tốn kém. Thông thường đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm không trùng nhau. Trong thực tế thường người ta lấy đường phân nước mặt để xác định diện tích lưu vực và còn gọi là đường phân lưu. Muốn xác định được đường phân lưu phải căn cứ vào bản đồ địa hình có vẽ các đường đồng cao độ. b) Các đặc trưng của lưu vực b1. Diện tích lưu vực Diện tích khống chế bởi đường phân thủy của lưu vực được gọi là diện tích lưu vực, ký hiệu là F và có đơn vị tính là km2. b2. Chiều dài sông chính Chiều dài sông chính là chiều dài đường chủ lưu của dòng sông chính từ nguồn ra cửa sông, ký hiệu là L, đơn vị tính là km. b3. Chiều dài lưu vực Chiều dài lưu vực L1 (km) là đường gấp khúc nối các trung điểm mặt cắt ngang lưu vực từ nguồn ra cửa sông, những mặt cắt ngang này thẳng góc với dòng chảy. Thông thường chiều dài sông chính cũng được xem như chiều dài lưu vực L ≈ L1. L (km) L1 (km) F (km²) Hình 2.3. Lưu vực sông và các đặc trưng của lưu vực Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 48
Chương II: Tài nguyên nước mặt b4. Chiều rộng bình quân của lưu vực Chiều rộng bình quân của lưu vực B (km) được xác định theo hệ số giữa diện tích lưu vực và chiều dài lưu vực: (km) (2.1) b5. Độ cao bình quân của lưu vực Độ cao bình quân của lưu vực Hbq (km) được xác định trên bản đồ địa hình và tính theo công thức sau: (km) (2.2) trong đó Hi: cao trình đường đồng mức thứ i (m) fi: diện tích bộ phận của lưu vực nằm giữa hai đường đồng mức liên tiếp (km²) F: diện tích lưu vực (km²) n: số mảnh diện tích b6. Độ dốc bình quân của lưu vực o Độ dốc bình quân của lưu vực Ibq ( /oo) được xác định trên bản đồ địa hình và tính theo công thức sau: o ( /oo) (2.3) trong đó li: chiều dài của đường đồng mức thứ i trong phạm vi lưu vực (m) Δhi: chênh lệch cao độ giữa hai đường đồng mức (m) c) Đặc trưng của dòng sông c1. Mặt cắt dọc của sông Mặt cắt dọc của sông là mặt cắt theo chiều dòng chảy qua trục lòng sông. Bản đồ mặt cắt dọc sông cho ta biết sự hình thành phân bố độ dốc dòng sông. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 49
Chương II: Tài nguyên nước mặt t (m) đấ t ặ Cao trình m Mặt cắt ngang sông Hình 2.4. Mặt cắt dọc sông Llyn ở Afon Glaslyn, xứ Wales, Anh [Nguồn: ] c2. Mặt cắt ngang của sông Mặt cắt ngang của sông tại một vị trí nào đó là mặt cắt vuông góc với hướng dòng chảy ngay tại vị trí đó. Mặt cắt ngang của sông cho ta biết độ sai biệt rộng hẹp của lòng sông giữa các mùa trong năm. c3. Độ dốc mặt nước Độ dốc mặt nước i là tỷ số độ chênh lệch mực nước ΔH tại hai mặt cắt ngang của sông cách nhau một khoảng cách L. Trong một con sông, độ dốc i nhỏ dần từ nguồn về phía cửa sông. (2.4) trong đó H1, H2: độ sâu mực nước trên sông tại mặt cắt 1 và 2 (m) L: khoảng cách giữa hai mặt cắt muốn đo (m) Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 50
Chương II: Tài nguyên nước mặt c ố ng ộ sâu n t r ậ ề Độ V B Gradient Gradient Lưu lượng Lưu lượng Lưu lượng Lưu lượng Hình 2.5. Đồ thị biểu diễn các mặt cắt ngang khác nhau dọc theo một con sông và mối liên hệ giữa lưu lượng và các yếu tố dòng chảy theo các mặt cắt ngang đó [Nguồn: ] II.2. SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY SÔNG NGÒI II.2.1. Dòng chảy sông ngòi a) Định nghĩa Dòng chảy là lượng nước trong lưu vực chảy qua mặt cắt cửa ra sau một khoảng thời gian nhất định cùng với sự thay đổi của nó trong thời gian đó. Xét theo xuất phát điểm của dòng chảy, người ta chia dòng chảy ra hai phần: - Dòng chảy mặt: dòng chảy hình thành do nước trên bề mặt lưu vực tạo ra (do mưa hoặc tuyết tan) và tập trung về tuyến cửa ra. Dòng chảy mặt chỉ hình thành trong thời gian có mưa hoặc khi tuyết tan Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 51
Chương II: Tài nguyên nước mặt - Dòng chảy ngầm: dòng chảy do nước ngầm cung cấp cho sông. Dòng chảy ngầm hình thành trong cả hai thời kỳ có mưa và không có mưa. Các con sông có nước ngay cả trong mùa khô hạn là nhờ vào dòng chảy ngầm. Một trong những đặc thù của dòng sông là sự tồn tại tính chu kỳ. Xét trong một khoảng thời gian dài nhiều năm, có những năm liên tục dòng chảy dồi dào nhưng cũng có những năm mực nước hạ thấp. Nếu xét trong thời đoạn một năm thì thời kỳ có nhiều nước trong sông là vào các tháng mùa mưa (dòng chảy lũ) và thời kỳ dòng chảy yếu là vào các tháng mùa khô (dòng chảy kiệt). Trong mùa mưa, dòng chảy sinh ra chủ yếu từ dòng chảy mặt; còn trong mùa kiệt nước ngầm là nguồn bổ sung nước chủ yếu cho sông. Thời gian bắt đầu và kết thúc cho mỗi mùa khác nhau phụ thuộc vào điều kiện khí hậu của từng vùng. b) Các đặc trưng biểu thị dòng chảy b1. Lưu lượng dòng chảy Lưu lượng Q là lượng nước chảy qua mặt cắt ngang trong một đơn vị thời gian tính bằng m3/s hoặc L/s. Lưu lượng dòng chảy trong sông không ổn định theo thời gian, đồ thị biểu diễn sự thay đổi đó gọi là đường quá trình lưu lượng Q(t). Lưu lượng bình quân trong thời gian T được tính như sau: (m³/s) (2.5) trong đó : lưu lượng bình quân (m3/s, L/s) T: thời gian muốn đo lưu lượng (giây, giờ, ngày ) b2. Tổng lượng dòng chảy Tổng lượng dòng chảy W (m³) là lượng nước chảy ra mặt cắt cửa ra trong khoảng thời gian Δt nào đó. Để xác định tổng lượng dòng chảy cũng dựa trên đường quá trình lưu lượng Q(t). (m³) (2.6) trong đó t1, t2: thời điểm bắt đầu và kết thúc xác định tổng lượng dòng chảy b3. Độ sâu dòng chảy của lưu vực Độ sâu dòng chảy của lưu vực Y (mm) là tỷ số giữa tổng lượng dòng chảy W (m³) và diện tích lưu vực F (km²). (mm) (2.7) b4. Module dòng chảy Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 52
Chương II: Tài nguyên nước mặt Module dòng chảy M là lưu lượng dòng chảy trên một đơn vị diện tích của lưu vực. (L/s*km²) (2.8) trong đó Q: lưu lượng dòng chảy (L/s) F: diện tích lưu vực (km²) b5. Hệ số dòng chảy Hệ số dòng chảy α là tỷ số giữa độ sâu dòng chảy của lưu vực và lượng mưa. (2.9) trong đó Y: độ sâu dòng chảy của lưu vực (mm) X: lượng mưa rơi xuống lưu vực (mm) II.2.2. Các quá trình tạo thành dòng chảy Các dòng chảy trong sông ngòi đều do mưa rơi xuống lưu vực tạo thành, nên mưa là khâu đầu tiên trong quá trình hình thành dòng chảy sông ngòi. Do đó đầu tiên chúng ta sẽ tìm hiểu về quá trình tạo mưa. a) Quá trình mưa Khi có mưa, lúc đầu độ ẩm của đất nhỏ nên lượng mưa bị ngấm hết vào đất và không sinh ra dòng chảy. Sau một khoảng thời gian kể từ lúc bắt đầu mưa, cường độ thấm giảm đi và trên mặt đất bắt đầu tạo ra dòng chảy mặt. Một phần của dòng chảy này sẽ chảy vào các khe nhỏ, sau đó tập trung dần vào các khe lớn rồi chảy vào hệ thống sông suối. Thời gian tập trung nước mưa về hệ thống sông suối rất nhanh, bởi vậy dòng chảy mặt sẽ không còn nữa sau một khoảng thời gian ngắn khi mưa kết thúc. Cường độ mưa (hay tần số mưa) là lượng mưa rơi xuống trong một đơn vị thời gian, luôn thay đổi theo thời gian. Thực tế cho thấy một trận mưa có thể rải khắp khu vực, cũng có thể chỉ rơi trên một phần của khu vực. Mặt khác trong cùng thời gian lượng mưa ở các nơi trên khu vực cũng không giống nhau, có nơi mưa lớn có nơi mưa nhỏ. Khu vực có cường độ mưa lớn nhất gọi là trung tâm mưa. Trong một trận mưa, trung tâm mưa cũng không cố định mà thường di chuyển. Sự thay đổi lượng mưa theo không gian và thời gian sẽ chi phối quá trình thay đổi của lượng nước chảy ra ở cửa lưu vực. b) Quá trình tổn thất Xét mặt cắt ngang của lưu vực trong thời kỳ đầu của một trận mưa, ta thấy có một phần nước mưa rơi xuống ngay mặt sông trực tiếp tham gia vào dòng chảy trong sông, còn lại Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 53
Chương II: Tài nguyên nước mặt đại bộ phận rơi trên mặt đất. Nếu trên đất có lớp phủ thực vật thì có một phần nhỏ đọng lại trên lá cây, lượng nước này một phần sau đó rơi xuống mặt đất bởi tác dụng của trọng lực hoặc của gió, phần khác bốc hơi vào khí quyển. Khi trên mặt đất không có lớp phủ thực vật thì mưa rơi trực tiếp xuống mặt đất, sau đó quá trình ngấm bắt đầu xảy ra. Khi cường độ mưa rơi trực tiếp xuống mặt đất hoặc qua lớp phủ thực vật rồi rơi xuống mặt đất nhỏ hơn cường độ thấm thì tất cả nước mưa đều bị ngấm vào trong đất. Quá trình ngấm kéo dài trong cả thời gian mưa và một thời gian ngắn sau khi mưa tạnh, chỉ cần trên mặt đất có nước là hiện tượng ngấm vẫn tiếp tục xảy ra. Trong thời kỳ đầu của trận mưa cường độ ngấm lớn nhất, sau đó giảm dần và tiến tới ổn định. Khi cường độ mưa lớn hơn cường độ ngấm thì không phải tất cả nước mưa đều bị ngấm vào trong đất mà trên mặt đất sẽ sinh ra một lượng mưa vượt quá khả năng thấm. Nếu quá trình trên xảy ra tại các chỗ trũng trong lưu vực thì nước mưa sẽ làm đầy dần các chỗ trũng. Khi quá trình trên xảy ra tại chỗ bằng phẳng thì lượng nước này sẽ chảy tràn trên sườn dốc để vào các chỗ trũng và không ngừng mất đi vì thấm và bốc hơi, tuy nhiên nó cũng được bổ sung liên tục trong quá trình mưa. Sau khi mưa chấm dứt nó có thể tồn tại trong một thời gian tương đối dài mới ngấm và bốc hơi hết. c) Quá trình chảy tràn trên sườn dốc Nước mưa chảy thành từng lớp trên mặt dốc của lưu vực gọi là chảy tràn trên sườn dốc. Hiện tượng chảy tràn trên sườn dốc chỉ bắt đầu khi đã xuất hiện lượng mưa quá thấm. Thời gian bắt đầu hiện tượng chảy tràn trên sườn dốc mỗi nơi mỗi khác. Những chỗ mặt đất ít ngấm nước và những nơi mặt đất dốc nhiều chảy tràn xuất hiện sớm hơn, sau đó cường độ mưa mỗi lúc một tăng, phạm vi chảy tràn không ngừng phát triển và mở rộng đến toàn bộ diện tích có mưa trên lưu vực. Trong quá trình chảy tràn, nước không ngừng bị tổn thất vì ngấm và bốc hơi, nhưng đồng thời mưa vẫn rơi bổ sung cho lớp nước chảy tràn. Lớp nước chảy tràn dày hay mỏng, tốc độ chảy mạnh hay yếu, hiện tượng chảy tràn được duy trì lâu hay nhanh chủ yếu do tương quan giữa cường độ mưa và cường độ ngấm quyết định; còn lượng bốc hơi không đáng kể vì trong thời gian mưa độ ẩm của không khí rất lớn. Nếu cường độ mưa lớn hơn cường độ ngấm thì độ sâu của lớp nước chảy tràn tăng và tốc độ chảy tràn cũng tăng theo. Ngược lại khi cường độ mưa nhỏ hơn cường độ ngấm thì độ sâu của lớp nước chảy tràn nhỏ dần cho đến hết, lúc này nếu không có nước ở nơi khác bổ sung thì hiện tượng chảy tràn trên sườn dốc chấm dứt. Tốc độ chảy tràn trên sườn dốc lớn hay nhỏ phụ thuộc vào sự thay đổi độ sâu lớp nước chảy tràn, vào độ dốc mặt đất và độ nhám của mặt dốc. d) Quá trình tập trung dòng chảy Nước mưa chảy tràn trên sườn dốc rồi tập trung vào sông, sau đó chảy trong sông qua cửa ra của lưu vực. Giai đoạn chảy trong sông gọi là quá trình tập trung dòng chảy trong sông. Quá trình này bắt đầu từ lúc nước trên sườn dốc hoặc khe lạch chảy vào sông cho tới lúc lượng nước cuối cùng nhập vào sông chảy hết qua cửa ra lưu vực. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 54
Chương II: Tài nguyên nước mặt Đây là một quá trình thủy lực rất phức tạp. Nó có liên quan mật thiết đến dạng hình học của sông (như hình dạng mặt cắt ngang và sự thay đổi của nó dọc theo chiều dài sông, độ uốn khúc của sông) và độ ngấm của lòng sông. Các quá trình mưa, ngấm, chảy tràn và tập trung nước trong sông diễn ra đồng thời. Có thể trên cùng một lưu vực, một quá trình nào đó có nơi phát sinh sớm, có nơi phát sinh muộn, thậm chí không phát sinh. II.3. NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN DÒNG CHẢY Quá trình hình thành dòng chảy chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố phức tạp, chúng không những chỉ ảnh hưởng đến tổng lượng dòng chảy mà còn ảnh hưởng đến cả quá trình phân phối dòng chảy. Các yếu tố này bao gồm yếu tố khí hậu, yếu tố mặt đệm và các hoạt động cải tạo thiên nhiên của con người. Trong các yếu tố khí hậu, mưa và bốc hơi là quan trọng nhất, chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như nhiệt độ, gió, bức xạ mặt trời Mặt đệm khu vực với các tính chất thiên nhiên như địa hình, địa chất, lớp phủ thực vật sẽ biểu hiện tính chất dòng chảy. Con người cũng là một yếu tố có thể làm thay đổi tính chất dòng chảy qua các hoạt động như làm thay đổi mặt đệm, khai thác nguồn nước, gây mưa nhân tạo Chúng ta sẽ lần lượt phân tích các yếu tố trên. II.3.1. Yếu tố khí hậu a) Chế độ bức xạ Sự đa dạng về khí hậu ở mọi nơi trên trái đất được quyết định bởi độ lệch của tia sáng mặt trời đến với nó. Vì vậy, khi xét chế độ bức xạ nghĩa là xem xét sự biến đổi của nó theo không gian và thời gian. Trước hết ta xét cân bằng bức xạ bề mặt. Phương trình cân bằng bức xạ bề mặt: - Thành phần đến: S + D + EKQ - Thành phần đi: R + EBM EB EKQ S R D Hình 2.6. Sơ đồ cân bằng bức xạ bề mặt Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 55
Chương II: Tài nguyên nước mặt Từ công thức tính giá trị Albedo: (2.10) ⇒ R = A(S + D) (2.11) ta có B = (S + D)(1 – A) – B* (2.12) * trong đó B = EKQ – EBM (2.13) S: trực xạ (MJ/m²*ngày) D: tán xạ (MJ/m²*ngày) R: phản xạ (MJ/m²*ngày) EKQ: bức xạ của khí quyển (MJ/m²*ngày) EBM: bức xạ của bề mặt (MJ/m²*ngày) b) Chế độ nhiệt b1. Nhiệt độ mặt đất Quả đất chuyển động quanh mặt trời và tự quay quanh trục của nó làm cho khoảng cách từ mặt đất đến mặt trời luôn thay đổi, diện tích hấp thu ánh sáng mặt trời giữa các nơi cũng khác nhau. Mức độ hấp thu năng lượng mặt trời tùy thuộc vào thời điểm, vị trí địa lý, đặc điểm địa chất, địa hình và lớp phủ bề mặt. Ban ngày do ảnh hưởng của bức xạ mặt trời nên nhiệt độ mặt đất tăng lên, ban đêm mặt đất tỏa nhiệt nên nhiệt độ hạ xuống. Biên độ thay đổi nhiệt độ của mặt đất tương đối lớn. Ở nước ta biên thay đổi nhiệt độ vào khoảng trên dưới 10oC, trong năm khoảng 30 ÷ 40oC; nhiệt độ cao nhất trong ngày xuất hiện vào khoảng 13 ÷ 14 giờ; nhiệt độ thấp nhất xuất hiện trước lúc mặt trời mọc từ 1 ÷ 2 giờ; nhiệt độ cao nhất trong năm vào tháng 7 và thấp nhất vào tháng 1. Riêng khu vực ÐBSCL có nền nhiệt cao quanh năm, trung bình khoảng 27oC. Trong mùa mưa mây nhiều và mưa diễn ra hầu như hàng ngày nên nhiệt độ không quá cao. b2. Nhiệt độ của mặt nước Hàng ngày nhiệt độ đạt cực đại lúc 15 ÷ 16 giờ còn nhiệt độ cực tiểu vào khoảng 2 ÷ 3 giờ. Biên độ thay đổi trong ngày trên mặt hồ ở những vĩ độ ôn đới vào khoảng 2 ÷ 5oC. Trên biển nhiệt độ mặt nước còn khoảng 0,1oC ở những vĩ độ cao, 0,4oC ở vĩ độ trung bình và 0,5oC ở vùng nhiệt đới. Hàng năm nhiệt độ trung bình mặt nước của tháng lớn nhất và nhỏ nhất xuất hiện chậm hơn trên mặt đất chừng một tháng, biên độ thay đổi trong năm trên mặt hồ khoảng 15 ÷ 20oC. Ở các đại dương vùng ôn đới khoảng 2 ÷ 4oC, vùng nhiệt đới khoảng 5oC. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 56
Chương II: Tài nguyên nước mặt b3. Nhiệt độ không khí Nhiệt độ không khí theo quy định là nhiệt độ đo ở chỗ không có ánh sáng mặt trời chiếu vào, không khí lưu thông dễ dàng, không có gió và ở độ cao 2 m trên mặt đất. Không khí ở tầng đối lưu nóng lên hay lạnh đi không phải dưới ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ mặt trời mà chủ yếu là nguồn nhiệt ở mặt đất, cho nên sự thay đổi nhiệt độ của không khí theo thời gian cũng có tính chu kỳ như ở mặt đất, song biên độ thay đổi nhỏ hơn và thời gian xảy ra cực đại, cực tiểu cũng chậm hơn. Càng lên cao thì sự sai kém nói trên càng lớn hơn. Biên độ thay đổi nhiệt độ không khí hàng năm ở nước ta từ 15 ÷ 20oC, ở miền Bắc biên độ thay đổi lớn hơn ở miền Nam. Nhiệt độ không khí còn thay đổi theo độ cao, ở tầng đối lưu của khí quyển cứ đi lên cao 100 m nhiệt độ hạ thấp xuống chừng 0,6oC nhưng độ giảm đó không ổn định, nó biến đổi theo mùa, theo vùng đồng bằng hay miền núi. c) Áp suất không khí Không khí có trọng lượng và không ngừng chuyển động, do đó gây ra áp suất tác dụng lên mặt đất và các vật trên mặt đất. Để xác định được dễ dàng người ta định nghĩa áp suất của không khí tĩnh ở địa điểm quan trắc là trọng lượng của cột không khí thẳng đứng có tiết diện bằng một đơn vị diện tích. Đơn vị để đo áp suất là mm thủy ngân (mmHg) hoặc milibar (mbar). Càng lên cao mật độ không khí càng giảm, chiều cao cột không khí càng giảm do đó áp suất của không khí cũng giảm theo. Trên độ cao 5km áp suất giảm một nửa so với mặt đất. Áp suất không khí luôn luôn thay đổi theo không gian. Nơi nào nhiệt độ cao thì mật độ không khí giảm đi, do đó áp suất nhỏ. Ngược lại nơi nào có nhiệt độ thấp thì mật độ không khí tăng lên, áp suất không khí lớn. Ngoài ra tại một địa điểm nào đó áp suất không khí cũng thay đổi theo thời tiết nóng lạnh. d) Gió Trong khí tượng người ta định nghĩa gió là sự chuyển động của không khí theo chiều nằm ngang. Sự khác nhau về khí áp theo hướng nằm ngang là nguyên nhân sinh ra gió. Nếu như không có những nguyên nhân khác ảnh hưởng đến gió thì gió thổi theo chiều từ nơi có khí áp cao đến nơi có khí áp thấp. Gió làm tăng độ bốc hơi, thay đổi độ ẩm không khí và là yếu tố có ảnh hưởng nhiều nhất đến mưa vì gió vận chuyển hơi nước từ nơi này đến nơi khác để tạo ra mưa. Gió có hai yếu tố đặc trưng quan trọng là tốc độ gió và hướng gió. Tốc độ gió tính theo đơn vị (m/s) và do giảm lực ma sát được chia ra làm 12 cấp. Theo quy phạm người ta quan trắc gió ở độ cao tương đương 10 m bằng cốc quay. Nước ta có khí hậu nhiệt đới gió mùa nên người dân hiểu khá rõ thời gian xuất hiện cũng như những ảnh hưởng của hai loại gió mùa chính là Ðông Bắc và Tây Nam. Gió mùa Ðông Bắc xuất hiện trong mùa khô liên quan đến các trung tâm áp cao thường xuất hiện ở các vùng Ðông Bắc Trung Quốc hoặc vùng Viễn Ðông của Nga, vì vậy mang theo đặc Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 57
Chương II: Tài nguyên nước mặt tính khá lạnh và khô của vùng Ðông Bắc lục địa châu Á. Tuy nhiên ở ÐBSCL ảnh hưởng của gió này bị gió chướng lấn át, gió mùa Tây Nam liên quan với các trung tâm áp thấp thường xuất hiện và tồn tại ở vùng bán đảo Ấn Ðộ hoặc Trung Ðông. Từ đây gió thổi đến Việt Nam mang theo nhiều hơi nước và kết hợp với sự hoạt động của giải hội tụ chí tuyến nên mưa nhiều và khá tập trung. e) Bão Bão là do gió xoáy rất mạnh tạo nên, ở trung tâm bão khí áp thấp, bên ngoài khí áp cao. Gradien khí áp ở trung tâm đặc biệt lớn làm cho không khí từ miền khí áp cao chuyển vào trung tâm rất mạnh hình thành xoáy trôn ốc đi lên. Khi bão đi qua một nơi nào đó sẽ làm cho chế độ khí áp nơi đó biến đổi đột ngột. Khi bão còn ở xa thì khí áp giảm chậm, bão đến gần thì khí áp giảm rất nhanh, bão đi qua rồi khí áp lại tăng lên đột ngột. Vì khí áp thay đổi nhanh như vậy nên tốc độ gió cũng thay đổi đột ngột theo và có sức phá hoại lớn. Bão thường phát sinh từ các vùng biển nhiệt đới có hơi nước phong phú. Vì vậy bão thường mang theo khối không khí ẩm gây ra mưa lớn. Ngoài ra bão còn tạo nên sóng bão với độ cao từ 10 ÷ 16 m gây nguy hiểm cho thuyền bè và gây ngập lụt vùng ven biển. Mắt bão đi qua vùng nào thì vùng đó bị tàn phá nặng nề nhất. Hàng năm bão đổ bộ vào Việt Nam trên dưới 10 trận. Bão sớm xảy ra trong tháng 6 và bão muộn xảy ra trong tháng 12. Thời kỳ đầu thường đổ bộ vào miền Bắc rồi miền Trung, sau đó vào Nam Trung Bộ và rất hiếm khi vào Nam Bộ. Áp thấp Áp cao Hình 2.7. Chiều gió xoáy trong một cơn bão f) Độ ẩm không khí Độ ẩm của không khí là mật độ hơi nước có trong khí quyển. Trong một ngày độ ẩm tuyệt đối lớn nhất xuất hiện vào lúc 3 ÷ 4 giờ chiều hoặc hoàng hôn, nhỏ nhất vào lúc bình minh. Nguyên nhân là vào ban ngày nước bốc hơi nhiều còn ban đêm lạnh nên nước ngưng lại, độ ẩm giảm xuống. Trong khi đó độ ẩm tương đối thay đổi ngược lại với độ ẩm tuyệt đối. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 58
Chương II: Tài nguyên nước mặt Có nhiều phương pháp biểu thị độ ẩm khác nhau: - Độ ẩm tuyệt đối a (g/cm3, kg/m3) hay còn gọi mật độ hơi nước là lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích không khí. - Áp suất hơi nước e (mmHg, mbar) là áp lực do hơi nước trong không khí gây ra tác dụng lên một đơn vị diện tích. - Độ ẩm tương đối R (%) là tỷ số giữa áp suất hơi nước thực tế e với áp suất hơi nước ở trạng thái bão hòa E (mmHg, mbar) tại cùng một nhiệt độ. - Độ thiếu hụt bão hòa d (mmHg, mbar) là đại lượng biểu thị mức độ bão hòa hơi nước trong không khí và được tính bằng hiệu số giữa áp suất hơi nước ở trạng thái bão hòa với áp suất hơi nước E – e. Ở nước ta trong năm thường độ ẩm tuyệt đối đạt cực đại vào tháng 7 và cực tiểu vào tháng 1. Ở các độ cao khác nhau độ ẩm tuyệt đối cũng khác nhau, càng lên cao càng giảm. Giữa các miền, độ ẩm tuyệt đối ở miền nóng lớn hơn miền lạnh, gần biển lớn hơn trong lục địa. g) Bốc hơi Bốc hơi là quá trình biến đổi của nước từ thể lỏng hay thể rắn sang thể hơi do tác dụng chính của nhiệt độ và sau đó đi vào không khí. Thoát hơi là sự bốc hơi xảy ra trên bề mặt các mô của thực vật. Trong tính toán cân bằng nước người ta gọi chung bốc thoát hơi là tổng lượng nước mất đi do sự bốc hơi từ mặt đất, mặt nước và qua lớp phủ thực vật. Nước không ngừng bốc hơi lên khí quyển, tuy nhiên lượng bốc hơi thay đổi khác nhau theo nhiều yếu tố: - Thời gian (ngày đêm, mùa ) - Địa điểm địa lý (vùng núi, đồng bằng, xích đạo, ôn đới ) - Diễn biến của các yếu tố khí tượng khác (nhiệt độ, gió, độ ẩm ) - Lớp đất mặt (sét, cát ) - Lớp phủ thực vật (rừng cây, hoang mạc ) Sau đây ta xét một số loại bốc hơi: 1. Bốc hơi mặt nước chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau nhưng chủ yếu là các yếu tố khí tượng sau: - Độ thiếu hụt bão hòa d: nếu độ thiếu hụt bão hòa của không khí càng lớn thì khả năng chứa thêm hơi nước của không khí càng nhiều, tốc độ bốc hơi càng nhanh. Tốc độ bốc hơi tỷ lệ thuận với độ thiếu hụt bão hòa và tiếp tục cho đến khi d = 0. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 59
Chương II: Tài nguyên nước mặt - Tốc độ gió: gió thổi đưa hơi nước trong lớp không khí sát nước đi nơi khác làm cho độ thiếu hụt bão hòa tăng lên tạo điều kiện cho bốc hơi phát triển mạnh hơn. - Nhiệt độ: nhiệt độ của nước càng cao, sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử khí càng lớn thì càng có nhiều phần tử hơi nước thoát ra ngoài không khí, do đó bốc hơi càng nhiều. - Chất nước và diện tích mặt bốc hơi: tốc độ bốc hơi của nước biển nhỏ hơn tốc độ bốc hơi của nước ngọt. Diện tích mặt bốc hơi lớn thì tốc độ bốc hơi lớn hơn diện tích mặt bốc hơi bé. 2. Bốc hơi mặt đất diễn ra phức tạp hơn bốc hơi mặt nước: - Tính chất vật lý của đất: đất có mao quản to sẽ bốc hơi ít hơn đất có mao quản bé. - Độ sâu của mực nước ngầm: mực nước ngầm càng gần mặt đất tốc độ bốc hơi càng lớn. - Độ ẩm ướt của đất: đất càng khô bốc hơi diễn ra càng chậm. - Bề mặt: bề mặt nhẵn bốc hơi ít hơn bề mặt gồ ghề vì diện tích bề mặt của nó nhỏ hơn. - Lớp phủ thực vật: làm giảm lượng bốc hơi từ mặt đất vì nó che không cho đất bị đốt nóng, làm tăng độ ẩm không khí, làm giảm tốc độ gió. 3. Thoát hơi qua lá cây: các yếu tố ảnh hưởng đến bốc hơi qua lá cây gồm: - Nhiệt độ: yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến bốc hơi qua lá cây, nhiệt độ tăng lên 10oC thì tốc độ bốc hơi sẽ tăng lên 1 cấp. - Ánh sáng: sự bốc hơi qua lá cây hầu như xảy ra vào ban ngày. Nếu che kín không cho thực vật nhận ánh sáng mặt trời, tốc độ bốc hơi sẽ giảm một nửa. - Loại thực vật: những loại thực vật khác nhau có cấu tạo lá cây khác nhau thì tốc độ bốc hơi cũng khác nhau. - Độ ẩm của đất: khi độ ẩm của đất giảm đến một giới hạn nhất định thì thực vật không thể hút được nước từ dưới đất lên được nữa, bốc hơi sẽ nhỏ. Nếu độ ẩm cao bốc hơi qua lá cây sẽ lớn. Tại ÐBSCL do nền nhiệt cao quanh năm, nhiều kênh rạch và sông ngòi cộng với canh tác lúa nước nên ẩm độ không khí thường xuyên đạt trên 80%. Do đó bốc hơi diễn ra mạnh mẽ, đặc biệt trong mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau. Hiện nay các trạm khí tượng ở nước ta sử dụng phổ biến hai loại dụng cụ đo bốc hơi: đo bằng ống Piche và đo bằng thùng bốc hơi Penman. Nghiên cứu quá trình bốc hơi ngoài việc có ý nghĩa quan trọng đối với sự cân bằng nước, nó còn ý nghĩa thực tiễn rất lớn trong tính toán kho nước, quy hoạch tưới và các vấn đề khác của nền kinh tế quốc dân. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 60
Chương II: Tài nguyên nước mặt h) Mưa Mưa là hiện tượng không khí ẩm lạnh xuống dưới điểm sương và nhờ có các hạt bụi trong không khí tạo điều kiện cho phần hơi nước quá bão hòa có hạt nhân ngưng kết lại thành hạt mưa, trọng lượng hạt mưa đủ lớn để vượt qua sự ma sát khí quyển và tốc độ các luồng không khí đi lên để rơi xuống thành mưa. Điểm sương là nhiệt độ để hơi nước trong không khí đạt tới trạng thái bão hòa. Có nhiều nguyên nhân làm cho không khí lạnh xuống dưới điểm sương như: - Khi khối không khí ẩm và nóng đi qua mặt đệm lạnh. - Do không khí bức xạ mà mất nhiệt. - Do sự xáo trộn hai khối khí đã bão hòa hoặc gần bão hòa có nhiệt độ khác nhau. Nhưng quan trọng nhất là khi khối không khí thăng lên cao, do áp suất xung quanh nó giảm đi rất nhanh theo chiều cao làm cho thể tích khối không khí đó nở ra và sinh công. Năng lượng sinh ra công đó lấy ngay trong bản thân khối không khí làm cho nhiệt độ nó giảm đi, đó là trường hợp lạnh đi vì động lực. Căn cứ vào nguyên nhân làm không khí thăng lên cao, ta có thể phân loại mưa: - Mưa do đối lưu: về mùa hè mặt đệm bị đốt nóng, lớp không khí ẩm sát mặt đệm cũng nóng theo và bốc lên cao làm thành một luồng khí đối lưu với lớp không khí trên cao. Luồng đối lưu mạnh có thể gây ra gió lớn, mây nhiều và mưa to, đồng thời kèm theo hiện tượng sấm sét. Nước ta ở vùng nhiệt đới nên có mưa đối lưu vào mùa hè, cường độ mưa lớn, lượng mưa nhiều nhưng phạm vi không rộng và thời gian không kéo dài. - Mưa do địa hình: khối không khí ẩm trên đường di chuyển gặp núi cao sẽ bốc lên sườn núi sinh ra hiện tượng lạnh đi vì động lực, hơi nước đọng lại thành mưa rơi xuống. Mưa địa hình thường có lượng mưa lớn, mưa tập trung ở sườn núi đón gió, còn sườn núi phía bên kia rất ít khi có mưa. Mưa theo mùa ở hai phía của dãy Trường Sơn, ở biên giới Việt Lào là điển hình của loại mưa này. - Mưa do hội tụ (mưa front): là loại mưa có kèm theo hiện tượng gió xoáy. Loại này có mưa lớn, phạm vi rộng, thời gian đủ dài dễ sinh ra lụt lội. Mưa là nguồn cung cấp nước ngọt chính trên thế giới và là đối tượng nghiên cứu cơ bản nhất liên quan đến các vấn đề khai thác tài nguyên và phòng chống thiên tai như lũ lụt, hạn hán Lượng mưa trong một thời đoạn nào đó là chiều dày lớp nước mưa đo được tại một trạm đo mưa trong thời đoạn đó, đơn vị đo mưa là mm. Mưa là yếu tố quan trọng nhất vì nó ảnh hưởng đến tất cả các nhân tố thủy văn khác. Ở những nơi không có tài liệu dòng chảy, khi tính toán thiết kế các công trình thường căn cứ vào tài liệu mưa để tính ra dòng chảy. Ở Việt Nam lượng mưa rất dồi dào trung bình khoảng 2000mm/năm, nhưng phân bố không đều trong năm. Chẳng hạn ở ÐBSCL, trên 96% lượng mưa năm tập trung từ tháng 5 đến 11, các tháng còn lại mưa ít, có tháng hầu như không mưa như tháng 2 và tháng 3. Giáo trình TÀI NGUYÊN NƯỚC LỤC ĐỊA 61