Nước bề mặt là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa nước bề mặt

Nước bề mặt là nước tồn tại trên bề mặt Trái Đất, không ngấm sâu vào tầng dưới đất hoặc lòng đất mà tập trung trong các hệ thống thoáng gồm sông, suối, hồ, đầm lầy, kênh mương. Các thành phần này liên kết chặt chẽ thông qua dòng chảy và quá trình trao đổi với khí quyển, đóng vai trò quan trọng trong chu trình thủy văn toàn cầu.

Khác với nước ngầm, nước bề mặt dễ quan sát, đo đạc và tiếp cận, tạo điều kiện cho công tác giám sát chất lượng, quản lý và phân bổ nguồn tài nguyên nước hiệu quả. Tính chuyển động của nước bề mặt thể hiện rõ qua tốc độ dòng chảy, thể tích chứa và đặc điểm địa hình lưu vực.

• Sự hiện diện: Trên mặt đất, dễ nhận biết bằng hình ảnh vệ tinh và quan trắc trực tiếp.
• Khả năng tái tạo: Phụ thuộc vào lượng mưa, bốc hơi và dòng chảy bề mặt.
• Đa dạng sinh thái: Môi trường sống phong phú cho nhiều loài thủy sinh.

Phân loại

Phân loại nước bề mặt dựa trên đặc điểm dòng chảy, thể tích chứa và tính chất thủy văn. Các loại chính gồm sông-suối, hồ-đầm, đầm lầy và kênh mương nhân tạo. Mỗi loại có vai trò, đặc điểm địa chất - thủy văn và ứng dụng quản lý khác nhau.

Sông và suối hình thành từ nguồn nước mưa, tuyết tan hoặc mạch ngầm tại đầu nguồn, tạo thành mạng lưới dòng chảy liên kết lưu vực. Hồ và đầm chứa nước tĩnh, tích trữ lâu dài, đáp ứng nhu cầu sinh hoạt, công nghiệp và điều hòa lũ. Đầm lầy thường ngập nước nông, chứa nhiều hữu cơ và đa dạng vi sinh vật. Kênh mương nhân tạo phục vụ tưới tiêu, tiêu thoát và giao thông thủy.

Loại	Đặc điểm	Ứng dụng chính
Sông – Suối	Dòng chảy liên tục hoặc theo mùa, định hướng dòng rõ ràng	Cấp nước, giao thông thủy, thủy điện
Hồ – Đầm	Nước tĩnh, thể tích và diện tích xác định, tích trữ lâu dài	Dự trữ nước, du lịch, điều tiết lũ
Đầm lầy	Ngập nước nông, giàu hữu cơ, hệ sinh thái đặc thù	Lọc nước, bảo tồn đa dạng sinh học
Kênh mương	Nhân tạo, mạng lưới phân phối và thu thải nước	Tưới tiêu, tiêu thoát, giao thông nội đồng

Vòng tuần hoàn thủy văn

Vòng tuần hoàn thủy văn mô tả quá trình trao đổi nước giữa khí quyển, bề mặt và tầng ngầm. Nước bề mặt nhận lượng mưa (P), thu thập dòng chảy bề mặt (Q), bốc hơi (E) và thấm ngược xuống tầng ngầm (G). Tổng cân bằng có thể biểu diễn qua: $P = Q + E + G + \Delta S$, trong đó ΔS là thay đổi dự trữ nước bề mặt và ngầm.

Quá trình bốc hơi và thoát hơi nước từ mặt nước và thực vật (transpiration) đóng vai trò điều hòa khí hậu, ảnh hưởng đến nhiệt độ và độ ẩm không khí tại khu vực. Nước chảy bề mặt thu nhận chất dinh dưỡng, trầm tích và ô nhiễm từ lưu vực, ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng tái tạo nguồn nước.

• Bốc hơi: Trực tiếp từ mặt nước và qua lá cây.
• Dòng chảy bề mặt: Bao gồm dòng thượng nguồn và dòng cuối nguồn.
• Thấm ngược tầng ngầm: Phần nước thẩm thấu vào đất, bổ sung nước ngầm.

Nguồn và phân bố

Phân bố nước bề mặt có tính không đồng đều cao về không gian và thời gian. Lượng nước tập trung chủ yếu ở lưu vực lớn như Amazon, Congo và Mekong, chiếm tỷ trọng lớn trong tổng lượng nước bề mặt toàn cầu. Các khu vực khô hạn như Trung Á, Bắc Phi và Tây Nam Hoa Kỳ thường thiếu hụt nguồn nước bề mặt.

Yếu tố quyết định phân bố bao gồm chế độ mưa, địa hình, thảm thực vật và hoạt động nhân sinh. Lưu vực có địa hình phức tạp thường có dòng chảy nhanh, khả năng xói mòn cao, trong khi lưu vực bằng phẳng có hồ trũng và đầm lầy phong phú.

• Khu vực nhiệt đới ẩm: Lượng mưa lớn, hệ sông phong phú.
• Khu vực ôn đới: Dòng chảy biểu kiến theo mùa, nhiều hồ và đầm.
• Khu vực khô hạn: Dòng chảy không ổn định, hồ cạn kiệt theo mùa.

Khả năng tái tạo nhanh của nước bề mặt qua mưa tạo thuận lợi cho quản lý, nhưng cũng dễ biến động do biến đổi khí hậu, tác động của con người và trải dài theo mùa mưa – mùa khô.

Chỉ tiêu chất lượng

Chỉ tiêu vật lý bao gồm độ đục (turbidity), màu sắc, nhiệt độ và độ dẫn điện. Độ đục phản ánh lượng hạt rắn lơ lửng, ảnh hưởng đến quang hợp và sinh trưởng thủy sinh vật. Nhiệt độ điều khiển tốc độ phản ứng sinh hóa, ảnh hưởng đến mức độ hòa tan ô xy và trao đổi khí với khí quyển.

Chỉ tiêu hóa học bao gồm pH, ô xy hòa tan (DO), chất dinh dưỡng như nitơ và phốtpho, và hàm lượng kim loại nặng (Hg, Pb, Cd). pH xác định tính acid - kiềm, ảnh hưởng đến hóa học trầm tích và sinh vật. Chất dinh dưỡng quá mức gây phú dưỡng, dẫn đến hiện tượng tảo nở hoa và giảm ô xy.

Chỉ tiêu	Giá trị tham chiếu	Ý nghĩa
Độ đục	< 5 NTU	Phù hợp nước sinh hoạt
pH	6.5 – 8.5	Ổn định hệ sinh vật thủy sinh
DO	> 5 mg/L	Hỗ trợ đa dạng sinh học
Tổng P	< 0.1 mg/L	Ngăn phú dưỡng

Chỉ tiêu sinh học đánh giá mật độ vi sinh vật, chỉ số đa dạng loài (Shannon, Simpson) và sự hiện diện loài đặc trưng. Các chỉ số này phản ánh mức độ ô nhiễm hữu cơ và chất độc, đồng thời dùng làm chỉ báo sinh thái cho sự ổn định của hệ thống nước bề mặt.

Vai trò sinh thái

Nước bề mặt cung cấp môi trường sống cho các loài thủy sinh như cá, tôm, thực vật thủy sinh và vi sinh vật. Hệ sinh thái thủy sinh hình thành chuỗi thức ăn phức tạp, từ sinh vật phù du đến động vật ăn thịt thượng tầng. Sự đa dạng này duy trì chức năng sinh thái và cung cấp dịch vụ hệ sinh thái như lọc nước tự nhiên.

Đệm ven bờ (riparian zone) là khu vực tiếp giáp giữa nước và đất liền, chứa đựng cây cối, chim muông và động vật có vú. Riparian zone điều hòa dòng chảy, ngăn xói mòn và cung cấp giá trị sinh thái đa dạng. Hệ thực vật bờ giúp ổn định bờ sông, giữ trầm tích và hấp thụ chất dinh dưỡng dư thừa.

• Tiếp nhận chất dinh dưỡng và ô nhiễm, giảm tải cho nước chính.
• Cung cấp nơi sinh sản và trú ẩn cho loài thủy sinh và lưỡng cư.
• Kiểm soát lũ vô hình bằng sự hấp thụ nước và thoát dần.

Quy trình chuyển hóa và lưu giữ vật chất trong hệ sinh thái bề mặt điều chỉnh chất lượng nước. Vi sinh vật phân hủy hữu cơ, biến đổi chất dinh dưỡng và kim loại nặng, góp phần duy trì cân bằng sinh học và làm sạch nước tự nhiên.

Sử dụng và quản lý

Nước bề mặt là nguồn cung cấp nước sinh hoạt, nông nghiệp và công nghiệp. Các công trình như đập, hồ chứa và kênh dẫn nước được xây dựng để tích trữ, điều tiết lũ và phân phối nước. Thủy điện khai thác năng lượng tiềm năng của dòng chảy, cung cấp điện năng sạch và ổn định.

Giao thông thủy sử dụng sông, kênh mương làm đường vận chuyển hàng hóa và hành khách. Du lịch sinh thái phát triển quanh hồ, đầm và vùng ven sông, đem lại nguồn thu cho cộng đồng địa phương. Tuy nhiên, khai thác quá mức có thể làm giảm lưu lượng, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và nguồn lợi thủy sản.

• Công trình thủy lợi: điều tiết nước tưới cho nông nghiệp.
• Đập và hồ chứa: kiểm soát lũ, phát điện và dự trữ nước.
• Quản lý lưu vực: quy hoạch, phân vùng và giám sát luồng dòng.

Quản lý bền vững yêu cầu cân bằng giữa nhu cầu con người và bảo tồn hệ sinh thái. Tiếp cận tích hợp lưu vực (IWRM) khuyến khích hợp tác giữa các bên liên quan để cùng chia sẻ tài nguyên và giảm xung đột.

Các thách thức và mối đe dọa

Ô nhiễm điểm nguồn và phi điểm nguồn gây suy giảm chất lượng nước. Chất thải công nghiệp, rỉ nhuộm từ nông nghiệp và nước thải đô thị đưa chất dinh dưỡng, kim loại nặng và vi sinh vật gây bệnh vào nguồn nước. Hiện tượng phú dưỡng và tảo độc xuất hiện phổ biến ở vùng ven sông và hồ.

Biến đổi khí hậu làm thay đổi mô hình mưa, tăng tần suất và cường độ lũ lụt hoặc hạn hán. Dòng chảy bề mặt không ổn định, lưu lượng giảm mạnh vào mùa khô, ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp và cấp nước công nghiệp. Thủy điện nhỏ làm gián đoạn dòng chảy tự nhiên, thay đổi môi trường sống.

• Khai thác quá mức: giảm mực nước, mất đa dạng sinh học.
• Đập và kênh đào: ngăn cản di cư loài và dòng phù sa.
• Phát triển đô thị: bề mặt không thấm, tăng dòng chảy nhanh.

Giải pháp đòi hỏi kết hợp quản lý công trình, phục hồi hệ sinh thái ven bờ và kiểm soát nguồn ô nhiễm. Thực hành nông nghiệp bền vững, xử lý nước thải trước khi xả và quy hoạch đô thị thông minh là hướng đi cần thúc đẩy.

Phương pháp giám sát

Quan trắc truyền thống sử dụng điểm đo cố định, lấy mẫu nước định kỳ và đo lưu lượng. Phương pháp này cung cấp dữ liệu chi tiết nhưng tốn thời gian và nhân lực. Thiết bị đo lưu lượng dòng chảy (flowmeter), trạm khí tượng thủy văn và phòng thí nghiệm đóng vai trò quan trọng trong quy trình này.

Cảm biến tự động và mạng lưới IoT giám sát trực tuyến (real-time) cho phép thu thập dữ liệu liên tục về mực nước, nhiệt độ, pH và độ dẫn điện. Dữ liệu được truyền về trung tâm điều hành, phân tích ngay lập tức và cảnh báo khi vượt ngưỡng nguy ngập hoặc ô nhiễm.

• Sensor pH, DO, turbidity: đo chất lượng nước liên tục.
• Radar mưa và trạm đo mưa tự động: dự báo dòng chảy.
• GIS và viễn thám: đánh giá vùng ngập, phạm vi hồ và biến động đất phủ.

Kết hợp GIS và ảnh viễn thám giúp đánh giá phạm vi ngập lụt, phân tích thay đổi bề mặt nước và theo dõi sự phát triển của đầm lầy. Công nghệ máy học ứng dụng trong xử lý ảnh cung cấp chỉ số quan sát nhanh và chính xác, hỗ trợ quản lý lưu vực hiệu quả.

Chính sách và quản trị

Luật bảo vệ nước bề mặt quy định ngưỡng chất lượng, giám sát định kỳ và xử lý vi phạm. Cơ chế phân vùng lưu vực áp dụng khung quản lý tích hợp (IWRM), phân chia trách nhiệm giữa cấp trung ương, địa phương và cộng đồng dân cư.

Hợp tác liên quốc gia quản lý lưu vực xuyên biên giới, như Mekong River Commission, đặt ra nguyên tắc chia sẻ thông tin, đánh giá chung và điều phối sử dụng nước. Các hiệp định song phương, đa phương xác định hạn ngạch nước, quy trình xả lũ và giải quyết tranh chấp.

• Chính sách nội địa: quy hoạch lưu vực, quy chuẩn xả thải.
• Thỏa thuận quốc tế: chia sẻ dữ liệu và quản lý chung.
• Cơ chế tài chính: quỹ bảo vệ nguồn nước, đầu tư công nghệ sạch.

Định hướng tương lai cần tăng cường vai trò cộng đồng trong giám sát và bảo vệ nguồn nước, đồng thời phát triển khung pháp lý linh hoạt để thích ứng với biến đổi khí hậu và nhu cầu phát triển bền vững.

Tài liệu tham khảo

• U.S. Geological Survey. Surface-Water Basics. USGS. https://www.usgs.gov/mission-areas/water-resources/science/surface-water-basics
• U.S. Environmental Protection Agency. Indicators of Water Quality. EPA. https://www.epa.gov/measurements-modeling/indicators-water-quality
• United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization. Integrated Water Resources Management. UNESCO. https://www.unesco.org/en/natural-sciences/iwrm
• EUMETSAT. Earth Observation for Water Management. EUMETSAT. https://www.eumetsat.int
• Mekong River Commission. State of the Basin Report. MRC.