วัฏจักรน้ำ (หรือวัฏจักรอุทกวิทยา) เป็นวัฏจักรทางชีวธรณีเคมีที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องของน้ำบน เหนือ และใต้พื้นผิวโลกในแหล่งกักเก็บต่างๆ มวลของน้ำบนโลกยังคงค่อนข้างคงที่เมื่อเวลาผ่านไป^{[ 2 ]}อย่างไรก็ตาม การแบ่งส่วนของน้ำออกเป็นแหล่งกักเก็บหลักๆ เช่นน้ำแข็งน้ำจืดน้ำเค็มและน้ำในบรรยากาศนั้นแปรผันได้และขึ้นอยู่กับตัวแปรทางภูมิ อากาศ น้ำเคลื่อนที่จากแหล่งกักเก็บหนึ่งไปยังอีกแหล่งหนึ่ง เช่น จากแม่น้ำไปยังมหาสมุทร หรือจากมหาสมุทรไป ยังบรรยากาศเนื่องจากกระบวนการทางกายภาพและเคมีต่างๆ กระบวนการที่ขับเคลื่อนการเคลื่อนที่หรือการไหลเวียน เหล่านี้ ได้แก่การระเหยการคายน้ำการควบแน่นการตกตะลึกการระเหิด การซึมผ่าน การไหล บ่าบนพื้นผิว และการไหลใต้พื้นผิว ในการทำเช่นนั้น น้ำจะผ่านสถานะต่างๆ ได้แก่ ของเหลว ของแข็ง ( น้ำแข็ง ) และไอน้ำมหาสมุทรมีบทบาทสำคัญในวัฏจักรน้ำ เนื่องจากเป็นแหล่งที่มาของการระเหยทั่วโลกถึง 86% ^{[ 3 ]}

วัฏจักรของน้ำขับเคลื่อนด้วยการแลกเปลี่ยนพลังงานในรูปแบบของการถ่ายเทความร้อนระหว่างสถานะต่างๆ พลังงานที่ปล่อยออกมาหรือถูกดูดซับระหว่างการเปลี่ยนสถานะสามารถส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ได้ ^{[ 4 ]}ความร้อนจะถูกดูดซับเมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอผ่านการระเหย ความร้อนนี้ยังเรียกว่าความร้อนแฝงของการระเหย^{[ 5 ]}ในทางกลับกัน เมื่อน้ำควบแน่นหรือละลายจากน้ำแข็งที่เป็นของแข็ง มันจะปล่อยพลังงานและความร้อนออกมา ในระดับโลก น้ำมีบทบาทสำคัญในการถ่ายเทความร้อนจากเขตร้อนไปยังขั้วโลกผ่านการไหลเวียนของมหาสมุทร^{[ 6 ]}

ระยะการระเหยของวัฏจักรยังทำหน้าที่เป็นกระบวนการทำให้บริสุทธิ์โดยการแยกโมเลกุลของน้ำออกจากเกลือและอนุภาคอื่นๆ ที่อยู่ในเฟสของเหลว^{[ 7 ]}ระยะการควบแน่นในชั้นบรรยากาศจะเติมเต็มผืนดินด้วยน้ำจืด การไหลของน้ำเหลวจะขนส่งแร่ธาตุไปทั่วโลก นอกจากนี้ยังปรับเปลี่ยนลักษณะทางธรณีวิทยาของโลกผ่านกระบวนการผุพังการกัดเซาะและการสะสม วัฏจักรของน้ำยังมีความสำคัญต่อการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตและระบบนิเวศ ส่วนใหญ่ บนโลก อีกด้วย

การกระทำของมนุษย์ส่งผลกระทบอย่างมากต่อวัฏจักรน้ำ กิจกรรมต่างๆ เช่นการตัดไม้ทำลายป่าการขยายตัวของเมืองและการสูบน้ำบาดาลล้วนเปลี่ยนแปลงภูมิทัศน์ธรรมชาติ ( การเปลี่ยนแปลงการใช้ที่ดิน ) ซึ่งล้วนมีผลต่อวัฏจักรน้ำ^{[ 8 ] : 1153} นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศยังนำไปสู่ความรุนแรงของวัฏจักรน้ำงานวิจัยแสดงให้เห็นว่าภาวะโลกร้อนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปแบบปริมาณน้ำฝน ความถี่ของ เหตุการณ์ สภาพอากาศรุนแรง เพิ่มขึ้น และการเปลี่ยนแปลงช่วงเวลาและความรุนแรงของปริมาณน้ำฝน^{[ 9 ] : 85} การเปลี่ยนแปลงวัฏจักรน้ำเหล่านี้ส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศความพร้อมของน้ำการเกษตร และสังคมมนุษย์

น้ำไหลบ่าบนพื้นผิว (หรือที่รู้จักกันในชื่อการไหลบนพื้นดินหรือน้ำไหลบ่าบนบก) คือการไหลของน้ำ อย่างไม่จำกัด บนพื้นผิวของดิน ซึ่งแตกต่างจากน้ำไหลบ่าในลำน้ำ (หรือ การไหล ของลำธาร ) เกิดขึ้นเมื่อน้ำฝน น้ำจากพายุ น้ำที่ละลายจากหิมะหรือแหล่งน้ำอื่นๆ ที่มีปริมาณมากเกินไปไม่สามารถซึมลงสู่ดิน ได้อย่างรวดเร็วเพียงพอ ซึ่งอาจเกิดขึ้นเมื่อดินอิ่มตัวด้วยน้ำจนถึงระดับสูงสุด และฝนตกเร็วกว่าที่ดินจะดูดซับได้ น้ำ ไหลบ่าบนพื้นผิวมักเกิดขึ้นเนื่องจาก พื้นที่ที่ไม่สามารถซึมผ่าน ได้ (เช่นหลังคาและทางเท้า ) ไม่ยอมให้น้ำซึมลงสู่พื้นดิน นอกจากนี้ น้ำไหลบ่ายังสามารถเกิดขึ้นได้จากกระบวนการทางธรรมชาติหรือที่มนุษย์สร้างขึ้น^{[ 10 ]}

น้ำไหลบ่าบนพื้นผิวเป็นองค์ประกอบหลักของวัฏจักรน้ำเป็นตัวการหลักที่ทำให้เกิดการ กัดเซาะดินโดยน้ำ [ ^{11 ] [ 12 ] พื้นที่}ดินที่เกิดน้ำไหลบ่าและระบายไปยังจุดร่วมกันเรียกว่าลุ่มน้ำ

น้ำไหลบ่าที่เกิดขึ้นบนผิวดินก่อนที่จะถึงคลองสามารถเป็นแหล่งมลพิษแบบไม่ระบุจุดได้เนื่องจากสามารถพัดพาสารปนเปื้อนที่มนุษย์สร้างขึ้นหรือมลพิษตามธรรมชาติ (เช่น ใบไม้เน่า) สารปนเปื้อนที่มนุษย์สร้างขึ้นในน้ำไหลบ่า ได้แก่ปิโตรเลียมสารกำจัดศัตรูพืช ปุ๋ยและอื่นๆ^{[ 13 ]}มลพิษทางการเกษตรจำนวนมากรุนแรงขึ้นจากน้ำไหลบ่าบนผิวดิน ส่งผลให้เกิดผลกระทบหลายประการในพื้นที่ปลายน้ำ รวมถึงมลพิษจากสารอาหารที่ทำให้เกิดภาวะยูโทรฟิเคชัน

นอกจากจะทำให้เกิดการกัดเซาะและมลพิษทางน้ำแล้วน้ำไหลบ่าบนพื้นผิวในเขตเมืองยังเป็นสาเหตุหลักของน้ำท่วมในเมืองซึ่งอาจส่งผลให้เกิดความเสียหายต่อทรัพย์สิน ความชื้นและเชื้อราในห้องใต้ดินและน้ำท่วมถนนได้

น้ำไหลบ่าในเขตเมืองคือน้ำไหลบ่าบนพื้นผิวที่ เกิด จากน้ำฝน การชลประทานภูมิทัศน์ และการล้างรถ^{[ 14 ]} ซึ่ง เกิดจาก การขยาย ตัวของเมืองพื้นผิวที่ไม่สามารถซึมผ่านได้ ( ถนนลานจอดรถและทางเท้า ) ถูกสร้างขึ้นในระหว่างการพัฒนาที่ดินในช่วงฝนตก พายุ และ เหตุการณ์ ฝนตก อื่นๆ พื้นผิวเหล่านี้ (ที่ ^{สร้าง}จากวัสดุเช่นแอสฟัลต์และคอนกรีต ) พร้อมกับหลังคาจะพาน้ำฝนที่ ปนเปื้อน ไปยังท่อระบายน้ำฝน แทนที่จะปล่อยให้น้ำซึมผ่านดิน [ ^{15 ]}

สิ่งนี้ทำให้ระดับน้ำใต้ดิน ลดลง (เนื่องจากการเติมน้ำใต้ดินลดลง) และเกิดน้ำท่วมเนื่องจากปริมาณน้ำที่ยังคงอยู่บนพื้นผิวมีมากขึ้น^{[ 16 ] [ 17 ]}ระบบท่อระบายน้ำฝนของเทศบาลส่วนใหญ่ปล่อยน้ำฝนที่ไม่ได้ผ่านการบำบัดลงสู่ลำธารแม่น้ำและอ่าวน้ำส่วนเกินนี้ยังสามารถไหลเข้าสู่ที่อยู่อาศัยของผู้คนได้ผ่านทางน้ำขังในชั้นใต้ดินและการซึมผ่านผนังและพื้นอาคาร น้ำเสียจากเขตเมืองอาจเป็นแหล่งสำคัญของน้ำท่วมในเมืองและมลพิษทางน้ำในชุมชนเมืองทั่วโลก

การไหลของน้ำในลำธารหรือทางน้ำสาขา เป็นการไหลของน้ำในลำธารและทางน้ำสาขา อื่นๆ และเป็นองค์ประกอบสำคัญของวัฏจักรน้ำเป็นองค์ประกอบหนึ่งของการไหลบ่า คือการเคลื่อนที่ของน้ำจากพื้นดินไปยังแหล่งน้ำอีกองค์ประกอบหนึ่งคือ การไหลบ่า ของน้ำผิวดิน น้ำที่ไหลในทางน้ำสาขามาจากน้ำผิวดินที่ไหลลงมาจากเนินเขาที่อยู่ติดกัน จากน้ำใต้ดินที่ไหลออกมาจากพื้นดิน และจากน้ำที่ระบายออกจากท่อการไหลของน้ำในทางน้ำสาขาจะวัดได้โดยใช้เครื่องวัดปริมาณน้ำหรือสามารถประมาณได้โดยใช้สมการของแมนนิงบันทึกการไหลในช่วงเวลาต่างๆ เรียกว่าไฮโดรกราฟน้ำท่วมเกิดขึ้นเมื่อปริมาณน้ำเกินความจุของทางน้ำสาขา

แบบจำลองการไหลบ่าหรือแบบจำลองปริมาณน้ำฝน-การไหลบ่า อธิบายถึงวิธีการที่ปริมาณน้ำฝนเปลี่ยนเป็นน้ำไหลบ่าในลุ่มน้ำ (พื้นที่รับน้ำหรือลุ่มน้ำ) กล่าวโดยละเอียดคือ แบบจำลองนี้จะสร้าง กราฟแสดง ปริมาณน้ำไหลบ่าบนพื้นผิว (surface runoff hydrograph ) เพื่อตอบสนองต่อเหตุการณ์ฝนตก โดยข้อมูลป้อนเข้าจะเป็น กราฟปริมาณน้ำฝน (hyetograph ) แบบจำลองปริมาณน้ำฝน-การไหลบ่าจำเป็นต้องได้รับการปรับเทียบก่อนนำไปใช้งาน

แบบจำลองการไหลบ่าที่รู้จักกันดีคือแบบจำลองอ่างเก็บน้ำเชิงเส้นแต่ในทางปฏิบัติมีข้อจำกัดในการใช้งาน แบบจำลองการไหลบ่าที่มีอ่างเก็บน้ำแบบไม่เชิงเส้นนั้นสามารถนำไปใช้ได้ครอบคลุมมากกว่า แต่ก็ยังใช้ได้เฉพาะกับลุ่มน้ำที่มีพื้นที่ผิวจำกัด โดยมีเงื่อนไขว่าปริมาณน้ำฝนสามารถกระจายตัวได้อย่างสม่ำเสมอทั่วพื้นที่ ขนาดสูงสุดของลุ่มน้ำจึงขึ้นอยู่กับลักษณะปริมาณน้ำฝนของภูมิภาค เมื่อพื้นที่ศึกษาใหญ่เกินไป สามารถแบ่งออกเป็นลุ่มน้ำย่อย และสามารถรวมกราฟแสดงปริมาณน้ำไหลบ่าต่างๆ เข้าด้วยกันโดยใช้เทคนิค การคำนวณการไหลของน้ำท่วม

ค่าตัวเลขเส้นโค้งการไหลบ่า (เรียกอีกอย่างว่าค่าตัวเลขเส้นโค้งหรือเรียกสั้นๆ ว่า CN) เป็น พารามิเตอร์ เชิงประจักษ์ที่ใช้ในอุทกวิทยาเพื่อทำนายการไหลบ่าโดยตรงหรือการซึมผ่านจากปริมาณน้ำฝนส่วนเกิน^{[ 18 ]}วิธีการค่าตัวเลขเส้นโค้งได้รับการพัฒนาโดยUSDA Natural Resources Conservation Serviceซึ่งเดิมเรียกว่าSoil Conservation ServiceหรือSCS —ตัวเลขนี้ยังคงเป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายในชื่อ "ค่าตัวเลขเส้นโค้งการไหลบ่าของ SCS" ในเอกสารทางวิชาการ ค่าตัวเลขเส้นโค้งการไหลบ่าได้รับการพัฒนาจากการวิเคราะห์เชิงประจักษ์ของการไหลบ่าจากลุ่มน้ำขนาดเล็กและแปลงลาดเขาที่ได้รับการตรวจสอบโดย USDA มีการใช้กันอย่างแพร่หลายและเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการกำหนดปริมาณการไหลบ่าโดยตรงโดยประมาณจาก เหตุการณ์ ฝนตกในพื้นที่เฉพาะ