Chương Chất lượng nước 8.1 Giới thiệu định nghĩa Những chương trước sách giải lượng trữ dòng chảy nước qua chu trình thuỷ văn, đề cập đến đặc trưng nước Thực vậy, trừ vùng riêng biệt mà xói mòn đất mạnh, nơi xảy mặn hoá, tương đối gần nhà thuỷ văn ý nhiều tới đặc trưng nước (Hem, 1985) Tuy nhiên, ngày tầm quan trọng chất lượng nước nhà thủy văn học nhận thức ngày rộng rÃi, bao gồm đặc trưng hoá học, vật chất hoà tan, đặc trưng vật lý, chẳng hạn nhiệt độ, vị chất rắn lơ lửng Do việc sử dụng ô nhiễm ngày tăng nguồn nước hoạt động người, người ta tranh luận toán chất lượng nước thường khó khăn cần thiết toán trữ lượng nước Nghiên cứu chất lượng nước khía cạnh mở rộng nhanh chóng thuỷ văn (Andrew Webb, 1987) Trên nhiều vùng giới sử dụng nước bị giới hạn chất lượng nhiều trữ lượng Thông tin quản lý chất lượng nước có tầm quan trọng lớn loạt mục tiêu, gồm có cung cấp nước sức khoẻ cộng đồng, sử dụng nước cho nông nghiệp công nghiệp Chất lượng nước quan trọng việc giữ gìn môi trường sống nước cho cá động vật không xương sống, chim động vật có vú Vì cần phải có hoạt động giám sát kiểm soát tác động ngày gia tăng người tăng hoá học nước thông qua nhiều dạng ô nhiễm khác Về bản, bốc cung cấp nguồn nước (được chưng cất) cho giáng thuỷ, mà sau tăng thêm vật chất hoà tan di chuyển qua khí quyển, giai đoạn sau chu trình thuỷ văn vào tiếp xúc với vật liệu hữu cơ, đất đá Thực tế nước không chịu ảnh hưởng người- giáng thuỷ vùng cực có chứa thành phần thải vào khí Đó vấn đề lớn cần tìm hiểu hóa học trình tự nhiên này, chế đường dòng chất hoà tan Nhà thuỷ văn nghiên cứu tốc độ đường dòng chuyển động nước đặt vị trí để giúp tìm lời giải cho toán Chương cung cấp tổng quan tóm tắt nguyên lý chung thảo luận số khía cạnh lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu quan trọng này; chi tiết tìm thấy sách chuyên biệt (ví dụ Stumm Morgan, 1996) Trước chuyển sang trình chất lượng nước giai đoạn khác chu trình thuỷ văn, phải xem xét lại thuộc tính nước chất phản ứng hoá học 262 8.1.1 C¸c thc tÝnh cđa níc Níc chiÕm mét vai trò trung tâm vận chuyển chất hoá học quanh bề mặt hành tinh Nuớc tinh khiết nước có tính chất không màu, không vị không mùi Đó thuộc tính định làm cho trở thành độc vô nhị Nước hợp chất hoá học hai nguyên tố phổ biến, hydrogen (H) oxygen (O), khác động thái với hầu hết hợp chất khác gọi hợp chất không theo quy tắc (Leopold Davis, 1970) Một đặc trưng dị thường điều kiện khí hậu thông thường thường tìm thấy ba pha: rắn (băng), lỏng khí (hơi nước) Những thay đổi pha (tan chảy đóng băng, bốc ngưng tụ) hấp thụ hay giải phóng nhiều ẩn nhiệt hầu hết chất thông thường khác; nước có nhiệt dung riêng-lượng lượng cần thiết để tăng nhiệt độ nước lên đơn vị nhiệt độ- cao Cùng với điều giải thích nước có tác dụng chất nệm chống lại cực hạn nhiệt độ Nhiều thuộc tính vật lý hoá học dị thường, điều quan trọng nghiên cứu chất lượng nước thực tế gần tất chất hoà tan tới phạm vi nước Phân tử nước (H2O) hấp dẫn mạnh tới hầu hết chất vô (gồm thân nước) Trong thực tế, người ta hoàn toàn tạo lưu trữ nước tinh khiết (Lamb, 1985) Các tính chất dị thường nước giải thích cấu trúc phân tử Mỗi phân tử nước gồm hai nguyªn tư hydro liªn kÕt víi mét nguyªn tư oxy chế ổn định mạnh, liên quan đến việc chia sẻ cặp electron, gọi liên kết hoá trị Hai nguyên tử hydro không vị trí hoàn toàn đối diện nguyên tử oxy mà góc 105 (Hình 8.1(a)) Hình 8.1 Cấu tạo nước: (a) phân tử nước bao gồm nguyên tử oxi nguyên tử Hydro; (b) hợp phân tử nước; (c) Mối liên kết cation phân tử nước Điều tạo phân tử lưỡng cực, tương tác dụng tương đương với nam châm, với phân bố điện tích không cân bằng: nguyên tử oxy phía phân tử có điện tích âm phía lại với hai nguyên tử hydro có điện tích dương Như hệ tác dụng tĩnh điện này, phân tử nước kề có xu hướng tương tác trình biết liên kết ion hay liên kết hydro (Hình 8.1(b)) Nó lực kết hợp hai loại liên kết mà giải thích cho ẩn 263 nhiệt nhiệt dung riêng nước lớn cách dị thường Nó có vai trò cho đặc tính kết dính sức căng bề mặt lớn nước mà làm cho làm ướt bề mặt chuyển động qua vật chất khác chất rắn thân tính mao dẫn Những tính chất giải thích khả hoà tan nhiều chất nước Các nguyên tử nhiều chất giữ với liên kết hoá trị mạnh mà lực hút tĩnh điện yếu Những liên kết bị làm yếu phân tử nước lưỡng cực mà có tác động phá huỷ phần lực hút tĩnh điện làm cho nguyên tử chuyển dịch riêng nguyên tử tích điện riêng nhóm gọi ion- tích điện dương cation anion tích điện âm Khi ion bao quanh phân tử nước có ảnh hưởng trực tiếp đến nhau, chất gọi hoà tan (Hình 8.1(c) Chất lỏng (trong trường hợp nước) gọi có khả hoà tan chất rắn bị hoà tan gọi chất hoà tan Hỗn hợp chất chất có khả hoà tan chất hoà tan gọi dung dịch hoà tan Chương tập trung vào dung dịch hoà tan nước, nước chất có khả hoà tan Hầu hết hợp chất vô có mặt dung dịch phân ly thành ion chúng hoà tan nước, có số phản ứng ion tích điện ngược dấu để hình thành ion phức Các hợp chất hữu có mặt dung dịch hoà tan phân tử không thay đổi (Hem, 1985) Tính chất hòa tan mạnh mẽ nước cần thiết cho sống thực vật động vật cung cấp môi trường vận chuyển chất hoá học chất dinh dưỡng Theo cảm nhận xem tiên dược sống (Lamb, 1985) Tuy nhiên, tính chất hòa tan đồng thời làm công việc vận chuyển chất ô nhiễm có hại chất độc qua môi trường 8.1.2 Các đặc trưng chất lượng nước Khái niệm chất lượng nước bao gồm xem xét nhiều nhân tố khác Thông thường xác định trích dẫn gồm có đặc trưng vật lý màu sắc, nhiệt độ, vị mùi, đặc trưng hoá học độ axit, độ cứng, nồng độ thành phần khác gåm cã nitrat, sulphat vµ oxy hoµ tan vµ chất nhiễm nhân tạo gồm có thuốc trừ sâu thuốc diệt cỏ Không có đo đạc đơn độ tinh khiết nước, thuật ngữ chất lượng có ý nghĩa liên hệ với số mục tiêu sử dụng nước Vì vậy, nồng độ toàn chất hoà tan nước thải chưa xử lý giống nồng độ nhiều nguồn cung cấp nước ngầm sử dụng cho nước uống- hai 99.9% nước tinh khiết (Tebbutt, 1977; Clesceri người khác, 1989) Tuy nhiên lại hoàn toàn khác xét số khía cạnh Đó bên phạm vi chương để giải chúng chi tiết, số giới hạn khía cạnh phác thảo mà quan trọng cho thảo luận mục sau số liệu kết từ phân tích đầy đủ thảo luận Vì nhiều mục đích lượng tổng cộng nguyên tố riêng mà quan tâm dạng hoá học mà có mặt Vì vậy, ví dụ, nitơ có mặt số loại, gồm có nitơ hữu cơ, ammoni (NH3), nitrite (NO2) nitrate (NO3), loại có ảnh hưởng khác đến thích hợp nước cho mục đích sử dụng khác Có nhiều phương pháp phân tích hoá học có sẵn để xác định đo đạc nồng 264 độ nhiều nguyên tố hợp chất nước Đơn vị sử dụng phổ biến để biểu thị nồng độ thành phần hoà tan trọng lượng chất hoà tan đơn vị thể tích níc, vÝ dơ mg/l Víi mét sè trêng hỵp, träng lượng chất hoà tan đơn vị trọng lượng dung dịch hoà tan sử dụng, đo đạc thông thường phần triệu (p.p.m) Với hầu hết mục đích thực tế hai hệ thống cho số nhau; nhiên, với nước bị khoáng hoá cao với nồng độ chất hoà tan lớn 7000mg/l cần sử dụng hiệu chỉnh mật độ để chuyển đổi hai số Với tính toán khối lượng chất liên quan phản ứng hoá học nồng độ có thểđược biểu thị mol/l, mol chất trọng lượng phân tử hay nguyên tử tính gam Với tính toán nhiệt động học, mô tả sau, độ hoạt động hoá học sử dụng nhiều nång ®é Mét hƯ sè hiƯu chØnh, hay hƯ sè hoạt động thường biểu thị i , áp dụng cho giá trị nồng độ để tính đến động thái không lý tưởng ions dung dịch hoà tan Giá trị cho điều kiện lý tưởng; với dung dịch hoà tan loÃng (nhỏ 50 mg/l ion hoµ tan) hƯ sè nµy nãi chung lµ >0.95, gièng sai số đo đạc nồng độ, với nồng độ ion cao (ví dụ 500 mg/l) với điện tích hay hoá trị lớn, có thĨ thÊp b»ng 0.7 (Hem, 1985) Trong nhiỊu trêng hỵp hữu ích để biểu thị loại chất hoá học đương lượng chúng Đây trọng lượng phân tử ion hoà tan nước, chia cho điện tích ion Các nồng độ thường biểu thị đơn vị mili đương lượng lít (meq/l) hay mg/l Bảng 8.1 Tên c«ng thøc hãa häc cđa mét sè chÊt hãa häc, hóa trị chúng, trọng lượng phân tử nồng ®é cđa chóng mét lÝt (dùa theo tµi liƯu Hem, 1985) Tên Chất hóa học Trọng lượng Nồng ®é (mg/l) (aprox) Nh«m Amoniax Canxi Hydro cacbonat Oxit cacbon Clo Hydro Hydroxit Ion sắt Magiê Nitrat Nitrit Phosphat Orthoposphat 3+ Al NH4+ Ca 2+ HCO3CO32ClH+ OHFe2+ Fe3+ Mg2+ NO3NO2 PO43HPO42K+ 265 26,9 18,0 40,1 61,0 60,0 35,4 1,0 17,0 55,8 55,8 24,3 62,0 46,0 95,0 96,0 39,0 8,994 18,037 20,040 61,013 30,003 35,448 1,008 7,007 27,925 18,615 12,152 61,996 45,995 31,656 47,985 39,093 Kali Oxit silic Natri Sulphat SiO2 Na+ SO42- 60,0 23,0 96,0 22,988 48,031 Bảng 8.1 đưa công thức hoá học nhiều ion phổ biến dung dịch hoà tan, mà thảo luận chương này, hệ số chuyển đổi phương pháp khác biểu diễn nồng độ Trong dung dịch hoà tan số tổng cộng điện tích dương âm phải để trì trung hoà điện, tức tổng meq/l cation phải tổng meq/l anion Đòi hỏi trung hoà điện có ích cho viƯc kiĨm tra tÝnh chÝnh x¸c cđa sù x¸c định nồng độ ion cho việc đảm bảo tất loại ion dung dịch hoà tan đà tính Tuy nhiên, số ion silica (SiO2), điện tích, đương lượng tính Một yếu tố chất lượng nước có tầm quan trọng lớn, có ảnh hưởng đến nhiều phản ứng hoá học, lµ tÝnh axit cđa níc (Drever, 1988) Dï cã hay chất hoà tan nước, số phân tử nước phân ly thành ion hydrogen (H+) hydroxyl (OH-) Vì nồng độ kết ion H+ nhỏ, chúng biểu thị dạng pH, hay log10 độ axit ion H+, tøc lµ: pH log 10 (8.1) H Các dấu ngoặc vuông biểu thị độ axit mol/l Các giá trị pH nhỏ (10-7 mol/l ion H+) gọi axit, giá trị lớn gọi kiềm pH 250C gọi trung tính động thái ion hydrogen phụ thuộc vào nhiệt độ, giá trị giảm chút với tăng nhiệt độ Nước mà không bị ảnh hưởng ô nhiễm nói chung có giá trị pH 8.5 (Hem, 1985) ®©y cã thĨ cã mét sù thay ®ỉi nhá nhng cần nhớ pH có tỷ lệ logarit, thay đổi đơn vị tương ứng với thay đổi gấp 10 lần nồng độ ion H+ Thuật ngữ độ axit áp dụng cho dung dịch hoà tan từ nước định nghĩa khả phản ứng với ion OH-, xác định chuẩn ®é víi mét alkali (Stumm vµ Morgan, 1996) Nã lµ hàm số loại chất hoà tan (ví dụ sắt) không liên hệ đơn giản với nồng độ H+ Ngược lại, độ kiềm nước (tức khả phản ứng với ion H+) thường sử dụng với nồng độ ion CO32 HCO3 (Hem, 1985) Sức mạnh axit biểu thị phạm vi mà tới phân ly dung dịch hoà tan Để hiểu trình hoá học nước tự nhiên mà có ảnh hưởng đến thành phần nước xác định định lượng chúng cần áp dụng khái niệm định, mà số hữu ích nguyên lý nhiệt động lực hoá học 8.2 Các trình quy định thành phần hoá học nước Các trình hoá học nước tự nhiên chủ yếu liên quan tới phản ứng việc pha loÃng tương đối dung dịch chất hoà tan từ nước; trình thường hệ thống không gồm có pha lỏng với 266 hai pha rắn khí Do tính phức tạp hệ thống nước tự nhiên người ta thường sử dụng mô hình đơn giản hoá để minh hoạ nhân tố quy định kiểm soát thành phần hoá học nước tự nhiên Nhiều phản ứng thuận nghịch, chuyển dịch theo hai chiều, thực tế cân động thiết lập hai phản ứng ngược Động thái phản ứng thuận nghịch nghiên cứu sử dụng nguyên lý nhiệt động học hoá học Điều làm cho hướng có khả phản ứng qua thời gian xác định nồng độ chất hoà tan cuối cân nước dự đoán trước (Sposito, 1981; Stumm Morgan, 1996) Những sản phẩm cuối phản ứng bất thuận nghịch xác định lượng chất phản ứng có Dung dịch hoà tan khí CO2 nước phản ứng thuận nghịch tạo axit carbonic (H2CO3), hình thành ion HCO3- CO32-: CO2 thÓ khÝ H O H CO3 (aq) (8.2) c HCO3 H (8.3) c CO32 H (8.4) C¸c bíc thø hai thứ ba tạo ion hydrogen (H-) thay đổi pH dung dịch Những phần đường sau để ngoặc đơn chương ám trạng thái vật lý chất: g = thể khí, aq = hình thái nước có mặt dung dịch viết c = thể rắn kết tinh Tương tự, chất rắn hoà tan nước; ví dụ calcite (CaCO3) có mặt nhiều đá carbonate: CaCO3 (c) H HCO3 Ca 2 (8.5) Tuú thuộc vào pH nước có tương tác hệ loại carbonate hoà tan, nghÜa lµ: HCO3 CO32 H (8.6) hay HCO3 H H CO3 (8.7) H»ng số cân (K) phản ứng thuận nghịch có giá trị không đổi cho kết hợp định chất phản ứng sản phẩm nhiệt độ cho trước Những giá trị nhận theo kinh nghiệm nhiệt độ chuẩn (thường 25 0C) sẵn có tài liệu hoá học Thay đó, số cân phản ứng tính từ lượng tự Gibbs (Drever, 1988), sử dụng giá trị đà công bố (ví dụ Woods Garrels, 1987) Dung dịch hoà tan CaCO3 nước sử dụng để minh hoạ việc sử dụng nguyên lý để đưa giá trị cân cuối tập hợp chất phản ứng Hằng số cân tính từ tỷ số tính hoạt động chất hình thành chia cho tính hoạt động chất phản ứng, tức với phản ứng cho phương trình (8.5), 267 Ca HCO CaCO (c)H 2 K (8.8) Trong giá trị K cho phản ứng đà công bố 81(Jacobson Langmuir, 1974) Tính hoạt động chất rắn (ở CaCO3) lấy 1, phương trình trở thành Ca HCO H 81 (8.9) Do đó, đo đạc pH, nhiệt độ dung dịch nồng độ calcium (Ca) vµ bicarbonate (HCO3-) cho tríc cã thĨ nãi lµ liệu hệ thống có cân hay không Nếu thương số nhỏ số cân bằng, K, nước hoà tan thêm calcite (giả sử chất rắn có mặt); K nước trạng thái cân (các nồng độ không thay đổi trừ ảnh hưởng bên thay ®ỉi, vÝ dơ nh thay ®ỉi nhiƯt ®é); hc nÕu lớn K dung dịch bÃo hoà kết tủa calcite Thực tế điều kiện cân cuối phụ thuộc vào lượng chất tham gia phản ứng sản phẩm xem quy luật tác động khối lượng (Schnoor, 1996) Nó không cung cấp thông tin định lượng tốc độ phản ứng, nói chung phản ứng cân xảy nhanh Với hoá chất thể khí áp suất riêng phần sử dụng tính toán Đây phần (tính thể tích) khí riêng đó, nhân với áp suất tổng cộng (được đo khí quyển) Các phản ứng phức tạp giải việc kết hợp vài phương trình cân bằng; ví dụ hoà tan CO2 nước tạo ion H+ HCO3-, chất phản ứng sản phẩm tương ứng hoà tan calcite Thêm phương trình cho hai phản ứng (Drever, 1988) làm cho tính hoà tan calcite biểu thị hàm áp suất riêng phần CO2 (Hình 8.2) Trong thực tế có nhiều hạn chế việc áp dụng công cụs nhiệt động lực trường hợp thực vì, bên phòng thí nghiệm hoá học, có trao đổi lượng chất phản ứng với môi trường xung quanh cân không đạt Phạm vi mà tới hệ thống nước tự nhiên cân hoá học chưa biết nhiều Nó có khả đạt hệ thống nước ngầm, nơi mà tốc độ chuyển động tương đối chậm thời gian cư trú dài, so với dòng chảy sát mặt nhanh Tuy vậy, nguyên lý đà giúp ích nhiều cho việc hướng phạm vi lớn phản ứng áp dụng cách rộng rÃi Nhiệt động lực đà xem công cụ hữu ích lĩnh vực hóa lý (Alberty, 1987) Có sẵn số chương trình tính toán để làm cho việc tính toán điều kiện cân trở nên thuận lợi (Nordstrum người khác, 1979; Truesdell Jones, 1974) 268 Hình 8.2 Dung dịch CaCO3 nước 25oC với áp suất không khí khác CO2 Tốc độ phản ứng hoá học khác khác nhau: số phản ứng nhanh đến mức mà cân đạt gần lập tức, phản ứng khác lại chậm đến mức mà cân đạt trước thay đổi điều kiện môi trường Trong nhiệt động học giải trạng thái cân bằng, động lực học hoá học lại quan tâm đến chế tốc độ hoạt động biến đổi hoá học nhân tố quy định tốc độ phản ứng (Stone Morgan, 1990; Schnoor, 1996) Với phản ứng thuận nghịch tỷ số tốc độ phản ứng thuận phản ứng nghịch số cân Nhiều phản ứng thuận nghịch liên quan đến chuỗi bước trung gian, số nhanh, số chậm Động lực học xác định biến đổi chậm hay giới hạn mà xác định tốc độ chung phản ứng (Drever, 1988; Stumm Morgan, 1996) Vì động lực học khoa học nhiệt động học, tính phức tạp hiểu biết nhiều, nguyên lý nhiệt động học sử dụng phổ biến Bên cạnh xem xét hoá học nhiệt động học động lực học phản ứng, thuỷ văn đóng vai trò quan trọng việc xác định thành phần chất hoà tan nồng độ Ngoài tuyết băng, với loại trừ số hệ thống nước ngầm tầng sâu, nước nói chung chuyển động liên tục Vận tốc nó, thời gian cư trú nó, ảnh hưởng mạnh mẽ cho dù nước có cân hoá học hay không cho phản ứng riêng Nhiều phản ứng khuyếch tán quy định (Alberty, 1987), tức số tốc độ chúng bị kiểm soát tốc độ vật lý mà chất tham gia phản ứng khuyếch tán với nhau, tốc độ phản ứng hoá học điểm Hơn nữa, đặc tính động lực học dòng chảy, đặc biệt đới thổ nhưỡng, có ý nghĩa thời kỳ trận mưa nồng độ chất hoà tan nước lỗ hổng tăng khoáng chất hoà tan, sau bị pha loÃng nước trận mưa Vì tần suất pha loÃng thời kỳ trận mưa c¸c tham sè quan träng C¸c mơc kÕ tiÕp cđa chương đề cập tới khía cạnh riêng chất lượng nước gắn liền với thành phần chu trình thủy văn Những thảo 269 luận bắt đầu với thành phần giáng thuỷ sau động thái thay đổi chất lượng nước nước qua đất nước ngầm, với hỗn hợp chất hoá học tìm thấy sông hồ Cả hai nguồn tự nhiên nhân tạo xem xét, thường khó khăn tách riêng biệt Cuối thảo luận mối liên hệ chất lượng nước đặc trưng khu vực hay lưu vực 8.3 Các chất hoà tan khí Tại thời điểm mà giọt nước hình thành khí nước tinh khiết, tính chất hoá học biến đổi nhanh chóng điều kiện bên đám mây khí tầng mây bề mặt trái đất Vật chất hạt đóng vai trò hạt nhân cho hình thành giọt mưa (Mục 2.1), xác định thành phần hoá học ban đầu nước, giáng thuỷ chuyển động qua khí tích luỹ thêm hạt lôi kéo nhiều khí khác khí hoà tan giọt nước Các hạt nhân khí bắt nguồn từ nhiều nguồn khác gồm có tro từ núi lửa nhà máy lượng bụi bị gió lên Một tác nhân quan trọng việc hình thành mây ngưng tụ son khí Chúng hạt nhỏ (nhỏ m ) mà vật chất lỏng hay rắn,có nguồn gốc từ đất hay biển, hay từ phản ứng hoá học khí Sự loại bỏ khí hạt trình phức tạp, thảo luận chi tiÕt ë c¸c cn s¸ch kh¸c (vÝ dơ Fowler, 1984) Tuy nhiªn chó ý r»ng viƯc “lau chïi” tù nhiên khí giáng thuỷ thành phần có ý nghĩa mà không khí làm vật chất mà mặt khác tích tụ tới nồng độ nguy hiểm (Lamb, 1985) Sự loại bỏ hạt nhân từ khí qun bëi ma lín hay tut r¬i thêng dÉn tíi tăng tới thời kỳ nhiều tính trông thấy được cải thiện nhiều Các đại dương chiếm khoảng 70% bề mặt trái đất, muối biển nguồn vật chất hoà tan giáng thuỷ Các giọt nước biển bị lôi khí sóng phá huỷ mang lên phía rối động, tập trung tăng dần nước chúng Điều tiếp tục tới hạt rắn bị để lại, mang theo gió hoà tan ma Sù cung cÊp cđa mi biĨn cho khí thay đổi theo điều kiện khí tượng trạng thái mặt nước Ví dụ, Skartveit (1982) đà tìm liên hệ mật thiết nồng ®é mi biĨn gi¸ng thủ cđa mét vïng ven biển tốc độ gió qua biển Một số nghiên cứu đà vẽ đồ nồng độ nguyên tố hoà tan giáng thuỷ (Hingston Gailitis, 1976; Munger Eisenreich, 1983) đà minh chứng giảm theo khoảng cách vào đất liền từ bờ biển nguyên tố này, gồm có Na+, Cl-, Mg2+ K+, mà lấy từ nguồn biển (Hình 8.3(a)) 270 Hình 8.3a Giá trị nồng ®é Cl (M eq/l) ë níc ma ë Anh Tài liệu năm 1986; Ngược lại, chất hoà tan giáng thuỷ rơi xuống vùng đất liền lấy chủ yếu từ nguồn lục địa, gồm có Ca2+, NH4+, SO42-, HCO3- NO3(Cryer, 1986) Những ion gồm chất từ nguồn tự nhiên khí từ thực vật đất bụi bị gió và, thêm vào đó, oxit sulphur nitrogen tạo việc đốt cháy nguyên liệu hoá thạch từ thoát từ công nghiệp phương tiện giao thông Như hệ khác biệt chất hoà tan lục địa đại dương, có khác biệt lượng tương đối ion, ví dụ tỷ số ion Na+/Cl- tăng với khoảng cách từ đại dương nâng cao Na từ nguồn lục địa, ví dụ bụi (Hình 8.3(b)) Tỷ lệ nồng độ Na/Cl (mg/l) nước biển khoảng 0.56 (hay khoảng 0.85 sử dụng đơn vị đương lượng) Các nồng độ tương đối ion bắt nguồn từ đại dương khác giáng thuỷ không thiết giống nước biển số trình gây nên phân đoạn làm giàu thêm Các chất định biển, chẳng hạn iốt, bị hút tới lớp vi mô hữu bề mặt đại dương sau bị mát theo tỷ lệ lớn tới khí Việc tăng bọt khí có xu hướng giữ lại ion với tỷ lệ điện tích/khối lượng lớn hơn, đẩy chúng vào khí vỡ tung mặt Sodium, chloride sulphate, ngược lại, xuất tự nhiên phần tương tự giáng thuỷ đại dương, nồng độ nhỏ so với níc biĨn bëi Ýt nhÊt mét hƯ sè b»ng 1000 Tỷ số Cl- SO42- 271 tạo tự nhiên tương tác phóng xạ vũ trụ với nitrogen khí quyển, đồng vị 12C bền vững hoà tan nước ngầm mưa rơi Họ đà sử dụng tốc độ phân huỷ 14C đà biết để định tuổi khu dự trữ nước ngầm lớn sa mạc Libyan đà kết luận nước phần lớn bắt nguồn từ nạp vào thời kỳ mưa nhiều nhiều khoảng 15000-35000 năm trước 8.5.5 Tiến trình hoá học nước ngầm Vì động lực học phong hoá khoáng vật thường chậm, giống thể cân nhiệt động học với dòng nước chảy đạt tới đới thổ nhưỡng Tuy nhiên hệ thống nước ngầm lớn, thời gian cư trú lâu nhiều nước chuyển động qua môi trường cân thiết lập nấc Trong vùng nạp lại nước ngÇm cã mét sù chun tiÕp thùc cđa vËt liƯu khoáng chất từ đới thổ nhưỡng tới đới bÃo hoà nằm bên Khi nước ngầm chuyển động dọc theo đường dòng tới vùng thoát ra, tính chất hoá học bị thay đổi khoáng chất mà tiếp xúc với Khi nước ngầm chuyển động qua hệ thống thường hoà tan tiếp khoáng chất từ đá nồng độ chất rắn hoà tan tổng cộng tăng Một số khoáng chất bị kết tủa thay đổi nhiệt độ áp suất ảnh hưởng tới độ hoà tan chúng hay ảnh hưởng tới phản ứng với ion hoà tan từ hình thành hợp chất không tan Trong nghiên cứu thay đổi hoá học nước ngầm chuyển động từ vùng nạp vào tới vùng thoát ra, Chebotarev (1955) đà nghiên cứu 10000 mẫu nước ngầm Australia tìm tiến trình phát triển loại anion với tăng khoảng cách di chun vµ ti: HCO3 SO4 Cl Chuỗi xác định khả sẵn có khoáng chất khả hoà tan (Freeze Cherry, 1979) Trong dạng mở rộng, khoáng chất hoà tan để giản phóng Cl- (ví dụ halite) hoà tan thực nhanh khoáng chất hoà tan giải phóng SO42- (ví dụ thạch cao anhydrite), mà đến lượt hoà tan khoáng chất hoà tan giải phóng HCO3- (ví dụ calcite dolomite) Vì Cl- và, tới phạm vi hơn, SO42- lọc phần lớn từ đới nạp lại hệ thống nước ngầm Hơn nữa, HCO3- vào hệ thống nước ngầm đới nạp lại từ hoà tan CO2 từ khí không khí đất Trong chuỗi hoá học mô hình quan niệm hữu ích, thay đổi xác định mặt định lượng thời gian hay không gian trình biến đổi, quan trắc trạng thái nguyên trạng ảnh hưởng trội thông thường môi trường vật lý địa phương Vì số nước không thực trình khử HCO3- hay SO42-, nÕu níc tiÕp xóc víi mét khoáng chất có khả hoà tan cao halite làm tiến triển trực tiếp tới giai đoạn Cl- Nhiều lắng đọng trầm tích không đồng nhất, gồm tập hợp khoáng chất, nhân tố quan trọng quy định tính chất hoá học nước ngầm thứ tự mà khoáng chất bắt gặp nước chảy Vì phản ứng hoá học địa tầng, thay đổi thành phần ion độ pH nước, ảnh hưởng tới phản ứng địa tầng sau (Freeze Cherry, 1979) Trong hệ thống tầng ngậm nước bất đồng dòng chảy 290 xảy trội địa tầng có khả thấm hơn, thành phần khoáng chất lớp này, nhiều thành phần toàn tầng ngậm nước, nhân tố ẩnh hưởng đến tính chất hoá học nước Hơn có chênh lệch lớn chất hoà tan địa tầng khác Những thay đổi cation xảy dọc theo đường dòng chảy nước ngầm, phản ứng trao đổi cation, dạng rõ ràng nhiều so với phác thảo Chebotarev cho anion, nhng nh mét sù tỉng qu¸t ho¸ më réng Ca Mg thay Na (Price, 1996) Những thảo luận tiến trình nước ngầm tầng ngậm nước đá cát kết đá phấn đà đưa Edmunds người khác (1982) Ineson Downing (1963) (xem Mục 5.5.7) 8.5.6 Sự trình bày số liệu hoá học nước Thường thật hữu ích tổng kết trình bầy số liệu thành phần hoá học nước ngầm, ví dụ để nghiên cứu thay đổi dọc theo đường dòng, để nhận xáo trộn nước thành phần khác Có nhiều cách khác việc biểu thị số liệu, số cách quan trọng thường sử dụng đà ®ỵc tỉng kÕt bëi Hem (1985) HƯ thèng ®ỵc thÝch ứng rộng rÃi sơ đồ ba đường thẳng quy cho Piper (1944) sử dụng cho thành phần ion Nước ngầm đặc trưng ba thành phần cation: Ca 2+, Mg2+ Na+ cộng với K+, ba thành phần anion: HCO3-, SO4- Cl- Sơ đồ ba đường (Hình 8.10) kết hợp ba trường đồ thị Các thành phần cation anion vẽ đồ thị tam giác bên trái phải tương ứng (biểu thị đương lượng lít) Giao điểm tia chiếu từ điểm chấm đồ thị cation anion khu vực trung tâm biểu thị đặc trưng ion tổng quát nước ngầm Các giá trị đưa tương đối so với nồng độ tuyệt đối, nồng độ tuyệt đối quan trọng nhiều tình huống, thường chấm điểm khu vực trung tâm điểm mà vòng tròn tâm điểm với diện tích tỷ lệ với nồng độ hoà tan tổng cộng nước (Hem, 1985) Loại biểu diễn hữu ích cho việc mô tả khác tính chất hoá học mẫu nước mở rộng cho loại hay khoáng tướng xác định trước, dựa khái niệm thành phần nước ngầm có xu hướng phía cân với đá mà chảy qua Khoáng tướng thuỷ hoá biểu thị dạng không gian quan trắc nồng độ chất hoà tan nước ngầm mà trình hoá học hoạt động, loại đá đường dẫn dòng khu vực 291 Hình 8.10 Sơ đồ ba chiều dùng để biểu diễn lại thành phần nước ngầm xem phần lời để thị chi tiết (Tài liệu lấy từ sơ đồ Davis De Wiest, 1986) 8.6 Dòng chảy mặt Nước mặt, bao gồm sông, suối hồ, luôn hỗn hợp nước từ nguồn khác Chúng tiếp nhận đầu vào khác từ dòng chảy tràn mặt, dòng chảy rơi không gian dòng chảy sở, mà đường dẫn dòng thời gian cư trú khác chúng, có tải trọng trầm tích chất hoà tan khác Những khối nước sau xáo trộn với lòng dẫn theo tuyến đường phía hạ lưu Bên cạnh nguồn không điểm vậy, có nguồn điểm ô nhiễm vào hệ thống sông thải rác thải công nghiệp ảnh hưởng từ công việc xử lý nước thải Các mục sau đề cập tới thay đổi chất lượng nước trình diễn bên lòng dẫn sông suối hồ sau xem chất lượng nước khối nước bối cảnh lưu vực tổng quát, dạng tính chất ho¸ häc gi¸ng thủ, phong ho¸ kho¸ng vËt, thùc vËt sử dụng đất 8.6.1 Các trình lòng dẫn sông suối Một số thay đổi xảy nước từ đới thổ nhưỡng hay nước ngầm vào lòng dẫn sông ngòi Những thay đổi gồm có trình vật lý, hoá học sinh hoá mà, có lẽ rõ ràng nhất, dẫn tới thay đổi nhiệt độ, oxy hoà tan khả vận chuyển hạt rắn nước Các nồng độ chất hoà tan tăng dung dịch hoà tan vật chất đáy hai bờ sông Riêng vùng bán khô hạn, nồng độ chất hoà tan tăng thể tích nước sông bị rút bốc Thành phần chất hoà tan nước lòng dẫn sông liên quan với đường dẫn dòng thời gian cư trú nước đất hệ thống nước ngầm 292 Vì dòng chảy sông thời kỳ thời tiết khô hạn tạo nước mà đà tiếp xúc với vật liệu khoáng chất khoảng thời gian hệ có nồng độ chất hoà tan cao so với dòng chảy thời đoạn mưa mà có thời kỳ tiếp xúc với thực vật vật chất đất ngắn nhiều Như hệ quả, nồng độ chất hoà tan nước sông nói chung nhận thấy tỷ lệ nghịch với tốc độ dòng chảy (Walling Webb, 1986) Trong số nghiên cứu thực tế đà sử dụng điều để xây dựng ý nghĩa hoá học việc phân chia biểu đồ dòng chảy sông ngòi thành thành phần dòng sở dòng lũ Như đà ý Mục 8.5, nước mặt chứa nồng độ CO2 cao nhiều so với mực khí hoạt động sinh học Khi nước vào lòng dẫn sông ngòi có khử khí nhanh chóng CO2 tới mực mà gần nhiều với giá trị khí Điều dẫn tới tiêu thụ ion H+ tăng hệ độ pH (các phương trình 8.2 tíi 8.4) vµ cã thĨ dÉn tíi sù kÕt tủa CaCO3 (các phương trình 8.5 tới 8.7) ion định mà trở nên khả hoà tan điều kiện axit Một ví dụ tăng tính không hoà tan nhôm nước axit Cũng có tương tác chất hoà tan vào lòng dẫn trầm tích lòng dẫn Các chất ô nhiễm hấp thụ trầm tích sông suối sau mang với trầm tích chúng chuyển động qua hệ thống sông, bị lắng đọng thời gian đáng kể đáy hồ sông, đồng ngập lụt lần lũ tràn bờ Trong số trường hợp phải ứng với trầm tích bất thuận nghịch, ví dụ caesium-137 trở nên cố định lưới ilit, trong trường hợp khác ảnh hưởng đơn giản đưa trễ thời gian trước vật chất bị hấp thụ giải phóng trở lại vào dung dịch Nghiên cứu chuyển động trữ lượng trầm tích quan trọng, điều đắn thân nó, liên quan với toán xói mòn đất trình lắng đọng trầm tích lòng dẫn hồ, chất độc hay nguy hiểm bị hấp thụ Một phân loại thô, tiện lợi chuyển động trầm tích sông thành phù sa lơ lửng, gồm hạt mịn mà giữ dòng chảy chuyển động rối, phù sa di đáy, gồm hạt thô chuyển động trượt, nhảy cóc hay lăn theo đáy sông Trong thực tế danh giới phân chia rõ ràng hai chế độ vận chuyển này, hạt chuyển động phù sa di đáy thời gian dòng chảy thấp mang phù sa lơ lửng thời gian dòng chảy cao Cơ chế chuyển động trầm tích khả vận chuyển điều kiện dòng chảy cho trước thảo luận văn khác thuỷ lực địa mạo phù sa (ví dụ Bogardi, 1974; Richards, 1982) Đường cong tỷ lệ dòng chảy lưu lượng trầm tích thường sử dụng nghiên cứu sản lượng trầm tích ý nghĩa để nội suy đo đạc trầm tích thường không thường xuyên Các nhân tố thuỷ lực điều khiển khả vận chuyển trầm tích sông thích hợp cho sông có nguồn gốc sông, mà có đáy bờ hình thành từ vật chất sông lắng đọng mà vận chuyển dòng chảy vận tốc cao Nhiều sông nguồn gốc sông lưu lượng tải trọng trầm tích, riêng phù sa lơ lửng mịn hơn, điều khiển lượng thời gian nguồn cung cấp trầm tích vào sông nhiều khả dòng chảy để vận chuyển Trong sông vậy, có liên hệ tích cực 293 dòng chảy trầm tích (dòng chảy cao dịch chuyển hạt lớn xói mòn lũ cung cấp trầm tích cho lòng dẫn), mối quan hệ dòng chảy lưu lượng trầm tích xác định (Hình 8.11) Hình 8.11 Quan hệ lưu lượng phù sa lơ lửng lưu lượng nước sông Toutle Washington (Tài liệu Wiley Sons năm 1985) Các đánh giá cải thiện trầm tích nhận cách sử dụng đường cong tỷ lệ phân tách cho mùa khác cho tăng giảm mực nước sông Một cách lý tưởng, nhiên, trầm tích làm mẫu đủ thường xuyên để xác định thay đổi qua thời gian Những đo đạc ®é ®ơc cung cÊp mét ý nghÜa vỊ viƯc ®¹t tranh chi tiết thay đổi tạm thời mà phí tổn mở rộng lấy mẫu thường xuyên, không thích hợp cho tất tình Tình phức tạp hoá thật chất hoà tan trầm tích dịch chuyển tốc độ khác sông chuyển động chậm so với tốc độ truyền sóng lũ (Glover Johnson, 1974) Hơn nữa, đặc tính mạng lưới sông phân bố dẫn tới xáo trộn phức tạp đầu vào từ nguồn đóng góp khác Dạng tự nhiên động thái trầm tích chất hoà tan sông hiểu biết tốt dạng đặc trưng, trình hoạt động lưu vực tổng thể Điều thảo luận Mục 8.6.3, phải ý tới nghiên cứu nguồn điểm đầu vào mạng lưới sông mà nhìn nhận dạng trình hoạt động bên lòng dẫn Điểm đầu 294 vào cho lòng dẫn sông có số hệ quan trọng; ví dụ, mà tầm quan trọng sinh học bản, vai trò loại rác hữu định, chẳng hạn nước thải rác động vật, việc tiêu thụ oxy hoà tan Oxy định cho sống nước, lượng lớn vật chất bị vi khuẩn làm cho thối rữa vào sông hay hồ, hoá học phá huỷ vi khuẩn chúng tiêu thụ lượng oxy đáng kể, giảm nồng độ sẵn có cho đời sống nước Trong sông chảy rối thông khí tốt nồng độ oxy hoà tan gần bÃo hoà, khoảng 10mg/l Những nồng độ thấp (