Nghiên cứu về nước

Nghiên cứu về nước (tiếng Anh: hydrology, gốc Hy Lạp: Yδρoλoγια, Yδωρ+Λoγos, hydrologia, nghĩa là 'khoa học về nước') là một ngành khoa học nghiên cứu về sự vận động, phân phối và chất lượng của nước trên toàn bộ Trái Đất, và do đó nó bao gồm cả chu kỳ nước và các nguồn nước. Những nhà khoa học nghiên cứu về thủy văn học được gọi là nhà thủy văn học. Họ làm việc trong các lĩnh vực như khoa học Trái Đất, khoa học môi trường, địa lý tự nhiên và kỹ thuật môi trường.

Các lĩnh vực của thủy văn học bao gồm khí tượng thủy văn, thủy văn nước mặt, địa chất thủy văn, quản lý lưu vực sông và chất lượng nước, nơi mà nước đóng vai trò quan trọng. Hải dương học và khí tượng học không thuộc về thủy văn học vì nước chỉ là một trong số nhiều đối tượng nghiên cứu quan trọng.

Các nghiên cứu thủy văn rất hữu ích vì chúng giúp chúng ta hiểu sâu hơn về thế giới mà chúng ta sống trong đó và cung cấp hiểu biết sâu sắc hơn về khoa học môi trường, chính sách và quy hoạch môi trường.

Lịch sử

Thủy văn học đã từng là lĩnh vực nghiên cứu và được áp dụng từ hàng thiên niên kỷ trước. Ví dụ như khoảng năm 4000 TCN, sông Nin đã được xây dựng đập để nâng cao năng suất nông nghiệp của những vùng đất cằn cỗi. Các thị trấn Lưỡng Hà đã được bảo vệ bởi những bức tường đất cao để ngăn chặn lũ lụt. Hy Lạp và La Mã xây dựng các đường ống dẫn nước, trong khi Trung Quốc cổ đại xây dựng các công trình dẫn nước và kiểm soát lũ lụt. Người dân cổ đại Sri Lanka đã sử dụng thủy văn học để xây dựng hệ thống tưới tiêu của họ, phát minh van Pit, từ đó có thể xây dựng các hồ chứa lớn, đập và kênh đào vẫn hoạt động cho đến ngày nay.

Marcus Vitruvius, sống vào thế kỷ thứ nhất TCN, đã phát triển một lý thuyết về chu kỳ nước, giải thích rằng nước mưa từ các ngọn núi thấm qua bề mặt Trái Đất và chảy xuống sông, suối trong những vùng thấp hơn. Leonardo da Vinci và Bernard Palissy, mỗi người theo một phương pháp khoa học riêng, đã mô tả chi tiết hơn về chu kỳ nước. Đến thế kỷ 17, khi các nhà khoa học bắt đầu đo lường các yếu tố thủy văn, lý thuyết chu kỳ nước được thể hiện rõ ràng hơn nữa.

Các nhà tiên phong trong lĩnh vực thủy văn hiện đại, như Pierre Perrault, Edme Mariotte và Edmund Halley, đã đưa ra nhiều đóng góp quan trọng. Perrault đã sử dụng các phép đo về lượng mưa, dòng chảy và diện tích lưu vực để giải thích dòng chảy của sông Seine. Mariotte đã kết hợp vận tốc và diện tích ngang của sông để tính toán dòng chảy của sông Seine. Halley đã chỉ ra rằng lượng hơi nước bốc lên từ Địa Trung Hải đủ để giải thích dòng chảy của sông ra biển.

Thế kỷ 18 chứng kiến sự phát triển của áp suất Bernoulli và công thức Bernoulli, do Daniel Bernoulli đề xuất, cũng như ống Pitot và công thức Chezy. Thế kỷ 19, thủy văn nước ngầm tiến bộ với định luật Darcy, công thức giếng khoan Dupuit-Thiem và phương trình dòng chảy mao dẫn của Hagen-Poiseuille.

Các phân tích khoa học bắt đầu thay thế chủ nghĩa kinh nghiệm vào thế kỷ 20, đồng thời các cơ quan chính phủ bắt đầu triển khai các chương trình nghiên cứu thủy văn của riêng họ. Đáng chú ý là biểu đồ thủy văn đơn vị của Leroy Sherman, lý thuyết thấm của Robert E. Horton và phương trình Theis mô tả các quá trình thủy lực trong khoan giếng.

Từ những năm 1950, thủy văn học đã tiếp cận với các lý thuyết cơ bản hơn, kế thừa từ những tiến bộ vật lý để hiểu rõ hơn về các quá trình thủy văn với sự hỗ trợ của máy tính.

Vòng tuần hoàn nước

Vòng tuần hoàn nước là quá trình nước di chuyển trên Trái Đất qua các con đường khác nhau, với các tốc độ khác nhau, tạo thành một chu kỳ không có điểm đầu và điểm cuối rõ ràng. Nước từ đại dương bốc hơi tạo thành đám mây, sau đó mưa xuống đất. Nước mưa chảy vào hồ chứa, sông hoặc tầng ngậm nước. Sau đó, nước trong hồ chứa, sông và tầng ngậm nước bốc hơi trở lại bầu khí quyển hoặc chảy trở lại đại dương, hoàn thành chu kỳ tuần hoàn.

Các ngành của thủy văn học

• Hóa học thủy văn nghiên cứu các tính chất hóa học của nước.
• Thủy văn sinh thái học nghiên cứu mối quan hệ giữa sinh vật và vòng tuần hoàn nước.
• Địa lý thủy văn nghiên cứu sự hiện hữu và chuyển động của nước trong các tầng ngậm nước.
• Tin học thủy văn áp dụng công nghệ thông tin vào thủy văn học và các ứng dụng tài nguyên nước.
• Khí tượng học thủy văn nghiên cứu sự chuyển động nước và năng lượng giữa mặt đất và bề mặt sông suối với khí quyển thấp.
• Thủy văn đồng vị nghiên cứu các dấu vết đồng vị của nước.
• Thủy văn nước mặt nghiên cứu các quá trình thủy văn xảy ra ở hoặc gần bề mặt Trái Đất.

Các ngành liên quan

• Hóa học nước
• Kỹ thuật xây dựng
• Khí hậu học
• Khoa học môi trường
• Địa mạo học
• Kĩ thuật thủy lực
• Khoa học hồ
• Hải dương học
• Địa lý tự nhiên

Các phương pháp đo đạc trong thủy văn

Chuyển động của nước trên Trái Đất có thể được đo đạc bằng nhiều phương pháp khác nhau. Các dữ liệu này rất quan trọng cho việc đánh giá tài nguyên nước và hiểu các tiến trình tham gia vào chu kỳ tuần hoàn nước. Các nhà thủy văn học thường sử dụng các thiết bị sau để thực hiện đo đạc:

Nước dưới đất

• Hướng dòng chảy
  • Piezometer - thiết bị đo áp suất nước, từ đó có thể suy ra độ sâu của nước ngầm (xem: thí nghiệm tầng chứa nước)
  • Độ dẫn nước, độ chứa nước
  • Các phương pháp địa vật lý
• Đặc điểm của vùng thông khí
  • Infiltrometer - thiết bị đo thấm
  • Đo độ ẩm của đất: Time domain reflectometer - Tensiometer - Capacitance probe

Dòng chảy mặt

• Stream gauge - Thiết bị đo lưu lượng dòng chảy (xem: lưu lượng dòng chảy (thủy văn học))
• Kỹ thuật đánh dấu
• Vận chuyển và lắng đọng trầm tích
• Quan hệ thủy lực giữa dòng chảy mặt và nước ngầm

Đo mưa, tuyết

• Disdrometer - Thiết bị đo các đặc điểm của giáng thủy
• Sling psychrometer - Thiết bị đo độ ẩm không khí
• Radar - Thiết bị đo các đặc tính của mây
• Thùng đo mưa - Thiết bị đo lượng mưa và lượng tuyết rơi
• Vệ tinh

Đo lượng bốc bơi

• Evaporation - Chảy hơi từ Pan của Symon
• Bốc hơi từ nước mặt
• Bốc hơi từ thực vật

Chất lượng nước

• Lấy mẫu
• Phân tích tại hiện trường
• Đo đạc các thông số vật lý (bao gồm cả hàm lượng trầm tích)
• Lấy mẫu và phân tích hàm lượng hợp chất hữu cơ
• Lấy mẫu và phân tích hàm lượng hợp chất vô cơ
• Lấy mẫu và phân tích lượng vi sinh vật

Kết hợp kết quả đo đạc và mô hình

Dự báo thủy văn

Các quan trắc về các tiến trình thủy văn được áp dụng như cơ sở cho các dự báo về xu hướng di chuyển của nước và lượng nước trong tương lai.

Thống kê trong thủy văn

Bằng cách phân tích các đặc điểm thống kê của chuỗi số liệu thủy văn, chẳng hạn như lượng mưa hoặc lưu lượng sông, các nhà thủy văn có thể dự đoán các hiện tượng thủy văn trong tương lai với giả định rằng các đặc điểm của quá trình không thay đổi.

Đối với các kỹ sư và nhà kinh tế học, những ước tính này rất quan trọng, bởi chúng có thể ảnh hưởng đến các quyết định đầu tư vào cơ sở hạ tầng trong tương lai và để xác định sự bền vững của dòng chảy, một đặc điểm quan trọng của các hệ thống cung cấp nước. Các thông tin thống kê được sử dụng để thiết lập các quy tắc điều tiết cho các hồ chứa lớn, một phần của các hệ thống bao gồm nhu cầu sử dụng nước cho nông nghiệp, công nghiệp và dân cư.

Xem: Thời khoảng trả về.

Mô hình thủy văn

Các mô hình thủy văn rất đơn giản, dựa trên các khái niệm liên quan đến vòng tuần hoàn nước. Chúng thường được sử dụng để dự báo thủy văn và giải thích các quá trình thủy văn. Có thể chia các mô hình thủy văn thành hai loại chính:

• Các mô hình dựa trên số liệu. Những mô hình này là các mô hình hộp đen, sử dụng các khái niệm toán học và thống kê để liên kết một đầu vào đã biết (như lượng mưa) với đầu ra của mô hình (như dòng chảy mặt). Các phương pháp thường được sử dụng bao gồm hồi quy, hàm biến đổi, mạng thần kinh (neural networks) và nhận dạng hệ thống (system identification). Những mô hình này còn được biết đến với tên là mô hình thủy văn bất định.
• Các mô hình dựa trên mô tả quá trình. Những mô hình này cố gắng mô phỏng các quá trình vật lý được quan sát trong thế giới thực. Đặc biệt là, chúng bao gồm các biến số như dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm, bốc-hơi nước, và dòng chảy kênh (channel flow), và có thể phức tạp hơn rất nhiều. Những mô hình này được biết đến như mô hình thủy văn tất định. Các mô hình thủy văn tất định có thể phân thành mô hình sự kiện đơn (single-event model) và mô hình mô phỏng liên tục.

Vận chuyển nước

Sự di chuyển của nước mang ý nghĩa quan trọng đối với việc vận chuyển các vật liệu khác nhau như đất đai hay các chất gây ô nhiễm từ nơi này đến nơi khác. Nguồn nước có thể bao gồm các nguồn ô nhiễm như điểm, dạng dòng hay diện tích, ví dụ như dòng chảy mặt. Từ những năm 1960, đã có sự phát triển của các mô hình toán học phức tạp, được hỗ trợ bởi lợi ích của máy tính tốc độ cao. Các loại chất gây ô nhiễm phổ biến nhất được phân tích bao gồm dinh dưỡng, thuốc trừ sâu, tổng lượng chất rắn tan và bùn cát.

Các ứng dụng của thủy văn học

• Phòng tránh và dự báo nguy cơ lũ lụt, sạt lở và hạn hán;
• Thiết kế sơ đồ tưới và quản lý sản xuất nông nghiệp;
• Cung cấp nước uống;
• Thiết kế các công trình thủy điện hoặc thủy lợi;
• Thiết kế cầu;
• Thiết kế hệ thống cống và thoát nước đô thị;
• Phân tích ảnh hưởng của độ ẩm tiền mùa đối với hệ thống thoát nước cống vệ sinh;
• Dự đoán các thay đổi về địa mạo như xói mòn hoặc bồi tụ;
• Đánh giá tác động của thay đổi môi trường tự nhiên và xã hội đối với tài nguyên nước;
• Đánh giá rủi ro trong việc truyền tải các chất ô nhiễm và thiết lập chính sách bảo vệ môi trường.