Thủy văn học

Thủy văn học (tiếng Anh: "hydrology", gốc Hy Lạp: Yδρoλoγια, Yδωρ+Λoγos, "hydrologia", nghĩa là "khoa học về nước") là ngành khoa học nghiên cứu về sự vận động, phân phối, và chất lượng của nước trên toàn bộ Trái Đất, và vì thế nó đề cập đến cả vòng tuần hoàn nước và các nguồn nước. Những người nghiên cứu về thủy văn học được gọi là nhà thủy văn học, họ làm việc trong cả lĩnh vực khoa học Trái Đất hay khoa học môi trường, địa lý tự nhiên hay kỹ thuật xây dựng 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, những nơi mà nước đóng vai trò chủ đạo. Hải dương học và khí tượng học không được xếp vào thủy văn học bởi vì nước chỉ là một trong rất nhiều đối tượng nhiên cứu quan trọng của chúng.
Các nghiên cứu thủy văn là rất hữu ích vì chúng cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về thế giới chúng ta sống và cũng như cung cấp những hiểu biết sâu sắc hơn về khoa học môi trường, chính sách và hoạch định môi trường.
Lịch sử.
Thủy văn học đã là đối tượng nghiên cứu và đã được ứng dụng trong hàng thiên niên kỷ. Như vào khoảng năm 4000 TCN sông Nin đã được xây đập để tăng năng suất nông nghiệp của các vùng đất cằn cỗi trước đó. Các thị trấn Lưỡng Hà đã được bảo vệ khỏi lũ lụt bằng các tường đất cao. Các ống dẫn nước được Hy Lạp và La Mã xây dựng, trong khi đó Trung Quốc cũng đã xây dựng các công trình dẫn nước và kiểm soát lũ lụt. Người Sri Lanka cổ đã sử dụng thủy văn học để xây dựng các công trình tưới tiêu của Sri Lanka cổ đại, được biết tới như là sự phát minh ra van Pit, từ đó có thể xây dựng được các hồ chứa lớn, đập nước và kênh đào mà tới ngày nay vẫn hoạt động.
Marcus Vitruvius, sống ở thế kỷ thứ nhất trước Công nguyên, đã mô tả một học thuyết triết học về vòng tuần hoàn nước, trong đó giáng thủy rơi trên các ngọn núi thâm nhập vào bề mặt Trái Đất và hướng tới sông, suối ở những vùng đất thấp hơn. Với một phương pháp khoa học hơn, Leonardo da Vinci và Bernard Palissy đã mô tả chính xác hơn về vòng tuần hoàn nước một cách độc lập với nhau. Cho tới tận thế kỷ 17 khi mà người ta bắt đầu xác định số lượng các biến thủy văn thì vòng tuần hoàn nước càng được trình bày chính xác hơn nữa.
Những người tiên phong trong khoa học thủy văn hiện đại, bao gồm Pierre Perrault, Edme Mariotte và Edmund Halley. Bằng cách đo lượng mưa, dòng chảy mặt, và diện tích lưu vực, Perrault đã cho thấy lượng mưa có đủ khả năng để giải thích cho dòng chảy của sông Seine. Marriotte kết hợp các phép đo về vận tốc và mặt cắt ngang sông để thu được dòng xả của sông Seine. Halley đã cho thấy lượng bốc hơi của Địa Trung Hải đủ để giải thích cho dòng chảy từ sông ra biển.
Các tiến bộ trong thế kỷ 18 gồm có áp suất kế Bernoulli và phương trình Bernoulli, do Daniel Bernoulli, ống pitot và Công thức Chezy. Thế kỷ 19 chứng kiến sự phát triển trong thủy văn nước ngầm, bao gồm định luật Darcy, công thức giếng khoan Dupuit-Thiem và phương trình dòng chảy mao dẫn của Hagen-Poiseuille.
Các phân tích khoa học đã bắt đầu thay thế chủ nghĩa kinh nghiệm trong thế kỷ 20, trong khi đó các cơ quan thuộc chính phủ bắt đầu thực hiện các chương trình nghiên cứu thủy văn của chính họ. Đặc biệt quan trọng là biểu đồ thủy văn đơn vị của Leroy Sherman, lý thuyết thấm của Robert E. Horton, và phương trình Theis mô tả thủy lực học giếng khoan.
Từ thập niên 1950, thủy văn học được tiếp cận với nhiều học thuyết cơ sở hơn so với quá khứ, nó được thừa hưởng các thành quả tiến bộ của vật lý nhờ đó hiểu được các tiến trình thủy văn với sự giúp sức của công cụ máy tính.
Vòng tuần hoàn nước.
Chủ đề chính của vòng tuần hoàn nước là nước di chuyển trên Trái Đất bằng các con đường khác nhau, với các tốc độ khác nhau theo một vòng khép kín không có điểm đầu hay điểm cuối. Nước từ đại dương bốc hơi tạo nên các đám mây. Các đám mây này khi bay vào đất liền và sinh ra mưa. Nước mưa chảy vào các hồ chứa, các con sông, hoặc các tầng ngậm nước. Sau đó, nước trong các hồ chứa, các con sông và các tầng ngậm nước bốc hơi trở lại bầu khí quyển hoặc là chảy ra lại đại dương, kết thúc một vòng tuần hoàn.
Các phương pháp đo đạc trong thủy văn.
Chuyển động của nước trên Trái Đất có thể được đo đạc theo một số cách. Các số liệu này rất quan trọng cho cả việc đánh giá tài nguyên nước và hiểu được các tiến trình tham gia vào vòng tuần hoàn nước. Các nhà thủy văn học thường dùng các thiết bị sau để đo đạc:
Nước dưới đất
Dòng chảy mặt
Đo mưa, tuyết
Đo lượng bốc bơi
Chất lượng nước
Kết hợp kết quả đo đạc và mô hình
Dự báo thủy văn.
Các quan trắc về các tiến trình thủy văn được sử dụng làm cơ sở cho các dự báo về xu hướng chuyển động của nước và khối 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, ví dụ như lượng mưa hoặc lưu lượng của sông, nhà thủy văn học có thể ước tính các hiện tượng thủy văn trong tương lai với giả thiết rằng các đặc điểm của các quá trình là không thay đổi.
Đối với các kỹ sư và nhà kinh tế học, những ước tính này quan trọng đến nỗi việc thực hiện phân tích rủi ro thuần túy có thể tác động đến các quyết định đầu tư vào cơ sở hạ tầng trong tương lai và để xác định dòng chảy bền vững, một đặc điểm 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 mà trong đó bao gồm nhu cầu sử dụng nước 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 tương ứng với một phần của vòng tuần hoàn nước. Chúng chủ yếu được sử dụng để dự báo thủy văn và để giải thích về các tiến trình thủy văn. Có thể phân chia thành hai loại mô hình thủy văn chính:
Vận chuyển nước.
Sự chuyển động của nước có những ý nghĩa rất lớn đối với các vật chất khác, ví dụ như đất hoặc các chất gây ô nhiễm, được vận chuyển từ nơi này đến nơi khác. Nguồn cấp nước có thể đến từ nguồn ô nhiễm điểm hoặc nguồn ô nhiễm dạng đường hay nguồn ô nhiễm diện, ví dụ như dòng chảy mặt. Kể từ thập niên 1960 những mô hình toán khá phức tạp đã được phát triển, được hỗ trợ bởi ích lợi của các máy tính tốc độ cao. Các loại chất gây ô nhiễm thông dụng nhất được phân tích là các chất dinh dưỡng, các loại thuốc trừ sâu, tổng lượng chất rắn hòa tan và bùn cát.