วัฏจักรของน้ำ

วัฏจักรของน้ำ  คือ การเกิดและการหมุนเวียนของน้ำที่อยู่ในโลกนั่นเอง เพื่อให้เข้าใจขอบ
เขตของอุทกวิทยาได้ชัดเจนยิ่งขึ้น ขอให้พิจารณาถึงวัฏจักรของน้ำซึ่งเคลื่อนที่หมุนเวียนอยู่
เป็นภาคตอนต่าง ๆ น้ำในโลกไม่สูญหายไปไหน แต่จะเปลี่ยนรูปอยู่ในสภาพต่างๆ วนเวียน
อยู่ในวัฏจักรของน้ำอันไม่มีจุดเริ่มต้น และจุดสิ้นสุดดังแสดงในรูป ซึ่งอาจจะอธิบายได้ดังนี้
ไอน้ำในบรรยากาศเรียกว่าatmospheric moistureได้แก่น้ำในรูปของไอน้ำมีอยู่ในบรรยา
กาศทั่วไปตลอดเวลา อาจมองเห็นได้ในรูปของ เมฆ หมอก และมองเห็นไม่ได้ในรูปของ
ไอน้ำ ไอน้ำนี้เกิดจากการระเหยของน้ำจากแหล่งน้ำต่าง ๆ บนผิวโลก ไอน้ำในบรรยากาศนี้
ถ้าหากมีมากขึ้นจนถึงจุดอิ่มตัวความแปรปรวนทางอุตุนิยมวิทยาของบรรยากาศรอบผิวโลก
จะทำให้ไอน้ำกลั่นตัวเป็นละอองน้ำ และรวมตัวกัน เป็นหยดน้ำตกลงมาสู่ผิวโลกในหลาย
รูปแบบ เรียกว่า น้ำฟ้าหรือน้ำจากอากาศ (precipitation) ซึ่งถ้าเป็นของเหลวก็คือ ฝน (rian)
ถ้าเป็นรูปผลึกก็คือหิมะ (snow) ถ้าเป็นรูปของของแข็งก็คือ ลูกเห็บ (hail,sleet) และน้ำแข็ง
(ice) นอกจากนั้นก็มีรูปอื่น คือ น้ำค้าง (dew) หรือน้ำค้างแข็งตัว (frost) ในเมืองหนาว
น้ำฝนที่ตกลงมาสู่ผิวโลกนั้น อาจตกปรอยๆ บางส่วนอาจไม่ตกถึงผิวโลก แต่ระเหยบาง
ส่วนตามใบหรือลำต้นเรียกว่า interception ซึ่งบางส่วนจะระเหยกลับสู่บรรยากาศและบาง
ส่วนจะหยดต่อลงสู่พื้นที่ อาคารต่าง ๆ ก็กักน้ำฝนไว้ได้บ้างเช่นเดียวกัน
น้ำฝนส่วนที่ตกถึงพื้นดิน จะเริ่มซึมลงดินด้วยแรงดึงดูดของเม็ดดิน ในลักษณะที่เรียกว่า
การซึมสู่ผิวดิน หรือการซึมผ่านผิวดิน (infiltration) และจะกลายเป็นน้ำที่ไหลในดินเรียกว่า
subsurface runoff ในกรณีที่เม็ดดินมีควมชื้นเดิมน้อยมาก เช่น แห้ง อัตราการซึมลงดินใน
ลักษณะนี้จะสูงมาก แต่เมื่อดินอิ่มตัวก็จะลดลงทันทีทันใดเช่นกัน น้ำส่วนที่ซึมลงไปอิ่มตัว
อยู่ในดินจะถูกแรงดึงดูดโลกดูดให้ซึมลึกลงไปอีกเรียกว่า น้ำใต้ดิน (ground water) น้ำใต้
ดินนี้มีหลายระดับขั้น จะค่อยๆไหลตามความลาดเทของชั้นดินไปสู่ที่ต่ำ อาจเป็นแหล่งขัง
น้ำใต้ดินหรืออาจไหลออกสู่แม่น้ำลำธารที่อยู่ระดับต่ำกว่า หรือออกสู่ทะเลโดยตรงก็มี แต่
หากบางส่วนที่ซึมลงดินไปแล้ว เกิดมีชั้นดินแน่นทึบวางอยู่น้ำส่วนนี้ก็จะไหลไปตามลาดเท
ใต้ผิวดินและขนานไปกับผิวดินแน่นทึบดังกล่าวเรียกว่า interflow ซึ่งจะไหลออกสู่ผิวดินอีก
เป็นลักษณะของน้ำซับค่อยไหลซึมออกไป น้ำที่ซึมลงดินตามขั้นตอนต่าง ๆ นั้นอาจถูกราก
พืชดูดเอาไปปรุงอาหาร เลี้ยงลำต้นและคายออกทางใบ เรียกว่า การคายน้ำ (transpiration) ซึ่ง
เป็นจำนวนมากน้อยขึ้นอยู่กับพืช
น้ำฝนส่วนที่เหลือจากการซึมลงดินเมื่ออัตราฝนตกมีค่าสูงกว่าอัตราการซึมลงดินก็จะเกิด
ขังนองอยู่ตมพื้นดินแล้วรวมตัวกันไหลลงสู่ที่ต่ำเรียกว่า overland flow บางส่วนอาจไปรวม
ตัวอยู่ในที่ลุ่มบริเวณเล็ก ๆ เรียกว่า surface storage แต่ส่วนใหญ่จะรวมกันมีปริมาณมากขึ้น
มีแรงเซาะดินให้เป็นร่องน้ำ ลำธารและแม่น้ำตามลำดับ น้ำที่ไหลอยู่ในแม่น้ำลำธารเรียกว่า
น้ำท่า (surface runoff) น้ำท่านี้จะไหลออกสู่ทะเล มหาสมุทรไปในที่สุด
ตลอดเวลาที่น้ำอยู่ในขั้นตอนต่าง ๆ เหล่านี้จะเกิดการระเหยเรียกว่า evaporation คือ น้ำ
เปลี่ยนสภาพไปเป็นไอน้ำขึ้นไปสู่บรรยากาศตลอดเวลา อาจเป็นจากผิวของใบไม้ที่ดักน้ำฝน
ไว้ จากผิวดินทิ่อิ่มด้วยน้ำ จากผิวน้ำในแม่น้ำ ลำธาร ทะเลสาบ หนอง บึง อ่างเก็บน้ำ แต่ส่วน
ใหญ่ก็คือ จากทะเลและมหาสมุทร เมื่อเป็นไอน้ำก็จะลอยสูงขึ้นไปและเมื่ออุณหภูมิเย็นลงก็
จะกลั่นตัวเป็นละอองหรือหยดน้ำและจะกลายเป็นฝนตกลงมาอีก วัฏจักรของน้ำจึงไม่มีเริ่ม
ต้น ไม่มีที่สิ้นสุดหมุนเวียนอยู่เช่นนี้ตลอดเวลา ปริมาณในขั้นตอนต่างๆ นั้นอาจผันแปรมาก
น้อยได้เสมอ ซึ่งขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆที่ควบคุมในขั้นตอนเหล่านั้นการศึกษาว่าในขั้นตอนใด
มีปริมาณเท่าใดนั้นเรียกว่า water balance
ความชื้นในบรรยากาศ (Atmospheric Moisture)
ความชื้นทุกชนิดที่มนุษย์เกี่ยวข้องอยู่โดยทางปฎิบัติ สันนิษฐานว่าเริ่มต้นมาจากความ
ชื้นในบรรยากาศ ที่เป็นจุดเริ่มต้น ที่จะสะดวกในการตามหาเส้นทางวัฏจักรของน้ำ ให้
ครบวงจร ความชื้นในบรรยากาศ เพราะกระบวนการระเหยจากดินหรือผิวดิน เมฆและ
หมอกเกิดขึ้นโดยการกลั่นตัวของไอน้ำที่เกาะตัวบนอณูเล็ก ๆ ในบรรยากาศ เช่น อนุภาค
ของเกลือหรือฝุ่น


หยาดน้ำฟ้า (Precipitation)
เมื่อไอน้ำในอากาศถูกความเย็นทำให้เกิดการกลั่นตัวกลายเป็นหยดน้ำเล็ก ๆ เมื่อรวม
ตัวกันจนมีขนาดใหญ่พวกมัน ก็จะตกลงมาในรูปของ "ฝน" ถ้าเม็ดฝนนั้นตกผ่านโซน
ต่างๆ ของอุณหภูมิ เช่น อุณหภูมิที่ต่ำกว่าจุดเยือกแข็งก็จะกลายเป็นลูกเห็บ ถ้าการกลั่นตัว
นั้นเกิดขึ้นในที่ซึ่งอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งมันก็จะก่อตัวเป็นหิมะ ถ้าการกลั่นตัวของ
น้ำเกิดขึ้นโดยตรงบนผิวพื้นที่เย็นกว่าอากาศ ก็จะเกิดเป็นได้ทั้งน้ำค้างแข็ง ขึ้นอยู่กับว่า
อุณหภูมิของพื้นผิวนั้นสูงหรือต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง

หยาดน้ำฟ้าที่ไม่ได้ตกถึงพื้นดิน

บางส่วนของหยาดน้ำฟ้าจะระเหยไปในระหว่างที่ตกลงมา บางส่วนก็ถูกดูดยึดไว้โดย
ต้นพืช และจะระเหยขึ้นสู่บรรยากาศในภายหลัง กระบวนการดังกล่าวนี้เรียกว่า กระบวน
การน้ำพืชยึด (Interception) ซึ่งในส่วนนี้อาจจะเป็นปริมาณหยาดน้ำฟ้าทั้งหมดก็ได้

หยาดน้ำฟ้าที่ตกลงถึงพื้น (Net Precipitation)
ส่วนของน้ำที่ตกลงถึงพื้น จะมีบางส่วนไหลซึมลงสู่พื้นดิน ส่วนหนึ่งไหลไปบน
พื้นดิน และบางส่วนระเหยไปหรือถูกพืชคายกลับคืนสู่บรรยากาศ

การซึมลงดิน (Infiltration)
ฝนหรือหิมะที่ละลายในตอนแรกมีแนวโน้มที่จะเติมความชื้นให้กับผิวดินก่อน จาก
นั้นก็จะเคลื่อนเข้าสู่ช่องว่างที่มีอยู่ในเนื้อดิน กระบวนการนี้เรียกว่าการซึมน้ำผ่านผิวดิน
(Infitration) สัดส่วนต่าง ๆ ของน้ำก็จะถูกจัดการต่างกันไป ตามลักษณะช่องเปิดของ
ผิวดิน อุณหภูมิ รวมถึงปริมาณน้ำที่มีอยู่ในดินก่อนหน้านั้นแล้ว
ถ้าหากผิวดินจับตัวแข็งหรืออิ่มน้ำอยู่ก่อนแล้ว มันก็จะรับน้ำใหม่เข้าไปเพิ่มได้เพียง
เล็กน้อย น้ำทั้งหมดก็จะถูดดูดซึมบางส่วนจะไหลซึมลงไปเป็นส่วนของน้ำใต้ดิน บาง
ส่วนถูกพืชดูดไปใช้ประโยชน์แล้วคายระเหย คืนสู่บรรยากาศ บางส่วนถูกบังคับให้ระ
เหยไปด้วยแรงยึดเหนี่ยว (Capillary) ของช่องว่างในดิน
ในภูมิประเทศที่มีความลาดเท และชั้นผิวดินบาง น้ำที่ถูกดูดซึมอาจไหลย้อนสู่ผิวดิน
ได้ โดยการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า เรียกว่าน้ำไหลใต้ผิวดิน (Sub-surface runoff)

การไหลของน้ำบนผิวดิน (Surface Runoff)
เมื่อน้ำฝนที่ตกลงมามีมากเกินกว่าจะไหลซึมลงในดินได้หมด ก็จะกลายเป็นน้ำบ่า
หน้าดินหรือน้ำท่า เมื่อมันไหลไปเติมพื้นผิวที่เป็นแอ่งลุ่มต่ำจนเต็มแล้ว มันก็จะไหล
ไปบนผิวดินต่อไป จนไปบรรจบกับระบบร่องน้ำในที่สุด แล้วก็ไหลตามเส้นทางของ
ลำน้ำ จนกระทั่งลงสู่มหาสมุทร หรือแหล่งน้ำ ในแผ่นดินบางแห่งในระหว่าทางนี้
มันก็จะสูญเสียไปด้วยการระเหยสู่บรรยากาศและการไหลซึมลงตามของตลิ่งและท้อง
น้ำ ซึ่งในส่วนนี้อาจจะเป็นไปได้ ตั้งแต่ 0 ไปจนถึง 100 % ของจำนวนทั้งหมด

การระเหยบนผิวดิน (Ground Evaporation)
บางส่วนของน้ำฝนจะถูกเก็บกักไว้บนผิวดินในลักษณะของความชื้นในดิน หรือแอ่ง
น้ำขังตามที่ลุ่มน้ำ ความชื้นนี้มักจะระเหยตามหลังการตกของฝน ส่วนน้ำที่ขังตามแอ่ง
ส่วนหนึ่งอาจระเหย ส่วนหนึ่งซึมลงดิน

การระเหย (Evaporation)
น้ำในสถานะของเหลว เมื่อถูกความร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์หรือแหล่งอื่นจะ
เปลี่ยนไปสู่สถานะก๊าซ หรือเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า "การระเหย"

การระเหยจากน้ำและจากผิวดิน
จากจำนวนหยาดน้ำฟ้าทั้งหมดที่ตกลงมา ส่วนใหญ่จะตกลงโดยตรงสู่พื้นมหาสมุทร
ทะเลสาบขนาดใหญ่ในแผ่นดิน แหล่งน้ำบนดินอื่น ๆ เช่น แม่น้ำ ลำคลอง หนองบึง
ส่วนที่ตกลงในมหาสมุทรเมื่อรวมกับน้ำท่าที่ไหลกลับคืนมา จะทำให้เกิดความสมดุลย์
ของน้ำที่มั่นคงและแสดงหลักฐานโดยระดับน้ำทะเลคงที่น้ำหลายส่วนก็ระเหยจากผิวน้ำ
กลับสู่บรรยากาศและกลายเป็นส่วนหนึ่งของความชื้นในบรรยากาศ ในทะเล และพื้นที่
ตอนเหนือของเขตอบอุ่น การระเหยจากน้ำและจากผิวดินมีความถี่น้อยกว่าหยาดน้ำฟ้า
แต่ว่าส่วนเกินของมัน ก็จะไหลกลับคืนสู่มหาสมุทร ที่มันระเหยออกมาเช่นเดิม ในเขต
อื่น ๆ นั้น การระเหยจากผิวน้ำมักจะเท่ากับหรือมากกว่าน้ำฟ้าที่ตกลงบนแหล่งน้ำนั้น

การคายน้ำของพืช (Transpiration)
หน้าที่พื้นฐานอย่างหนึ่งในกระบวนการดำเนินชีวิตของพืช ก็คือการนำเอาน้ำจาก
ในดินผ่านเข้ามาทางระบบราก ใช้ประโยชน์ในการสร้างความเจริญเติบโตและการดำ
รงชีพ น้ำจะถูกปล่อยคืนสู่บรรยากาศทางรูพรุนที่ปากใบในรูปของไอน้ำ กระบวน
การคืนความชื้นของดินให้แก่บรรยากาศนี้เรียกว่า การคายน้ำ (transpiration) ปริมาณ
ของหยดน้ำฟ้าที่กลับคืนสู่บรรยากาศนี้จะมากน้อยต่างกันไปตามลักษณะของพืช และ
ความชื้นที่มีอยู่บริเวณระบบรากของมัน

น้ำใต้ดิน (Ground water)
ส่วนของหยาดน้ำฟ้าที่ไหลซึมผ่านผิวดินลงไป ถ้าไม่ถูกดูดซับเอาไว้ทดแทนความชื้น
ที่ขาดไปของชั้นดิน หรือโดยชันหินที่มีรูพรุน น้ำจำนวนนี้ก็จะซึมลึกลงไปจนถึงระดับ
อิ่มตัวอย่างสมบูรณ์ เรียกว่า ระดับน้ำใต้ดิน (ground water table) ความลาดเอียงและ
โครงสร้างที่จำกัดขอบเขตของน้ำใต้ดิน อาจช่วยป้องกันไม่ให้มันถูกปล่อยออกมาอย่าง
ทันทีทันใดหรือบางครั้งแหล่งน้ำใต้ดิน อาจมีส่วนที่เชื่อมต่อ กับ ท้องแม่น้ำ ทำให้มีบาง
ส่วนของน้ำไหลคืนสู่แหล่งน้ำบนดินอีกครั้ง น้ำใต้ดินอาจจะไหลผ่านไปในชั้นหินที่มีรู
พรุน และลงไปถึงระดับที่ถูกบีบล้อมด้วยดิน ที่แน่นกว่ากลายเป็นถูกอัดด้วยแรงดัน ถ้า
บ่อเจาะลงไปถึงระดับนี้ ก็อาจเป็นบ่อน้ำบาดาลเช่นกัน ในชั้นทีมีความกดดันเดียวกันนี้
อาจมีส่วนติดต่อกับบริเวณท้องมหาสมุทรและปล่อยน้ำออกสู่ทะเล
ดังนั้นจากความชื้นในบรรยากาศ ดังที่อธิบายถึง การเริ่มต้นของวัฏจักรก็จะดำเนินไป
ตามวิถีทางที่มีความยาวนาน และความสลับซับซ้อนต่าง ๆ กันไปก่อนที่มันบรรจบครบ
วงจร ในบทต่อ ๆ ไป จะแสดงเส้นทางเหล่านี้ในส่วนที่มันสัมพันธ์กับปฎิบัติการทาง
วิศวกรรโยธา