5.1.1. Vòng tuần hoàn nước trong tự nhiên (vòng tuần hoàn thủy văn)
Vòng tuần hoàn nước còn được gọi là Vòng tuần hoàn thủy văn (The Hydrologic Cycle) là một quá trình liên tục, trong đó nước được vận chuyển từ các đại dương lên khí quyển, tới các lục địa rồi lại quay trở lại đại dương. Quá trình tuần hoàn này được minh họa trong hình 5.1.
Hình 5.1: Vòng tuần hoàn nước trong tự nhiên
Động lực của vòng tuần hoàn nước là năng lượng mặt trời đã làm bốc thoát hơi nước, ngưng tụ thành mây sau đó mưa xuống đất và mặt đại dương, từ mặt đất nước mưa hình thành các dòng chảy mặt và ngầm rồi quay lại đại dương. Trong quá trình trên, chất lượng nước thường xuyên bị thay đổi, điển hình nhất là nước mặn của biển khi bốc hơi trở thành nước ngọt. Chu trình trên diễn ra liên tục trên phạm vi toàn cầu và đây là một quy luật của tự nhiên. Do đó khi nghiên cứu các vấn đề về nguồn nước bao giờ cũng phải gắn kết với quy luật này, đây là nhiệm vụ của từng quốc gia, từng khu vực và của con người (May, 1996).
5.1.2. Lưu vực và sự hình thành dòng chảy trên lưu vực
Lưu vực của một con sông là diện tích mặt đất mà trên đó nước mưa và nước ngầm sẽ tập trung về chính con sông đó, nói cách khác lưu vực là phần bề mặt đất và bên dưới đất mà nước trên đó sẽ tập trung về sông. Do đó người ta hay còn gọi lưu vực là lưu vực tập trung nước của sông suối. Để phân định ranh giới giữa các lưu vực người ta sử dụng khái niệm "Đường phân lưu" hay "Đường phân thủy".
Đường phân lưu là đường nối tất cả các điểm mà một hạt nước (nước mưa hay nước ngầm) rơi trên đó sẽ bị tách ra, một phần chảy vào lưu vực này, phần kia chảy vào lưu vực khác. Khi lưu vực đủ lớn, có thể coi gần đúng là đường phân lưu nước mặt và đường phân lưu nước ngầm gần trùng nhau, mặc dù trong thực tế đường phân lưu nước mặt và nước ngầm không bao giờ trùng nhau tuyệt đối (hình 5.2).
Đường phân lưu mặt
§ưêng ph©n lưu ngÇm
TÇng thÊm n−íc Sông
Tầng không thấm
Hình 5.2: Phân lưu mặt và phân lưu ngầm
Như vậy lượng dòng chảy vào một con sông ngoài phụ thuộc vào phân bố lượng mưa rơi, nhiệt độ, bốc thoát hơi,... còn phụ thuộc vào diện tích lưu vực tập trung nước của nó. Khi diện tích lưu vực càng lớn thì lượng dòng chảy trong sông sẽ càng lớn. Về mặt hình học, một lưu vực được đặc trưng bằng: Diện tích lưu vực Flv (km2), Chiều rộng bình quân lưu vực, Hình dạng lưu vực, Độ cao bình quân lưu vực, Độ dốc trung bình lưu vực.
Dòng chảy trong sông chủ yếu do hai thành phần tạo nên là: mưa rơi trên lưu vực và nước ngầm và nửa ngầm bổ sung cho dòng chảy. Nói mưa rơi trên lưu vực là nguồn chủ yếu tạo nên dòng chảy trong sông vì: khi mưa to, cường độ lớn và kéo dài, chỉ sau đó vài tiếng, lưu lượng và mực nước trong sông tăng lên rõ rệt, có thể minh họa điển hình bằng các trận lũ quét. Nói nước ngầm là nguồn duy trì lượng dòng chảy trong sông là vì, mặc dù trong thời gian dài không có mưa, vậy mà dòng chảy trong sông vẫn được duy trì. Phân tích như vậy để sau đây chúng ta sẽ đề cập đến tính chất hai mặt của dòng chảy và phương pháp tính toán tương thích (May, 1996).
Mưa rơi trên bề mặt lưu vực, nước ngầm dưới đất trong lưu vực sẽ là nguồn bổ sung cho dòng chảy trong sông suối trên lưu vực. Quá trình mưa được rải xuống lưu vực thường là không đều về cả không gian, thời gian và cường độ mưa.
Lượng nước mưa, một phần bị giữ lại tại thảm thực vật, hồ ao..., phần lớn nước mưa còn lại tạo nên dòng chảy tràn trên mặt đất, hình thành những dòng nước mặt nhỏ, theo độ dốc sẽ tập trung về những con suối, đổ về dòng nhánh rồi dòng chính của sông và ra biển. Một phần nước mưa thấm xuống tầng đất dưới làm đất ngậm nước đến bão hòa rồi bổ sung vào lượng nước nửa ngầm. Một phần khác tham gia vào quá trình bốc thoát hơi ngay cả trong và sau khi mưa.
Trong những lưu vực lớn thường có một số trạm đo mưa và trạm đo lưu lượng và mực nước, những số liệu quan trắc sẽ xử lý và lưu trữ làm tài liệu cơ bản cho công tác nghiên cứu, thiết kế công trình sau này. Dựa trên đặc trưng của lưu vực và những tài liệu cơ bản trên, khá nhiều mô hình tính toán dòng chảy mặt từ mưa rào được xây dựng và sử dụng, những mô hình này có tên gọi chung là "Mô hình Mưa rào - Dòng chảy" (Rainfall - Runoff Models). Tuy tên gọi như vậy nhưng thực chất sự ảnh hưởng của nước ngầm và nửa ngầm đến quá trình hình thành dòng chảy cũng đã được gián tiếp kể đến thông qua những tài liệu quan trắc thực tế (những tài liệu này được sử dụng để xác định các thông số của mô hình).
Trong chương này, sẽ dành một phần để giới thiệu tổng quát về các mô hình đó.