IV. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TIÊU CHUẨN, QUY CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔ
1. ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC
1.1.1. Thành phần của nước ngầm
Đo đạc chất lượng nước ngầm đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng nước. Yêu cầu chất lượng phụ thuộc vào dự định và các mục đích sử dụng như nước uống, nước công nghiệp, nước tưới. Mở rộng ra có thể sử dụng nguồn nước ngầm cho các mục đích khác hoặc các hoạt động phụ thuộc vào thành phần tự nhiên của nước ngầm và từ các ảnh hưởng do hoạt động sản xuất của con người. Trạng thái vốn có của nước ngầm trong tự nhiên chứa các dạng khí bị hoà tan như O2, CO2, CH4, các ion vô cơ như Ca, Mg, Na, K, Cl, NO3, SO4, HCO3, các thành phần hữu cơ như humic, fulvic và amino axít, và khoảng rộng các dạng chất vô cơ khác tồn tại dưới dạng vết. Nói chung, các tính chất hoá học của nước ngầm sẽ phản ánh tính chất khoáng vật học của lớp đá
trong địa tầng. Khí CO2 bị hoà tan trong nước mưa và thâm nhập qua đất, hình thành một axít yếu phản ứng với các khoáng trong các lớp địa tầng dưới sâu. Trong các địa tầng có chứa các khoáng cacbonát (đá vôi hoặc đá cát cácbonát) những khoáng này sẽ bị hoà tan để giải phóng ra Ca, Mg và HCO3- trong nước ngầm. Nước ngầm trong các địa tầng ở hơi chua không chứa các khoáng cacbonát, lượng oxy hoà tan ban đầu tồn tại trong lớp nước ngầm phía trên có thể bị loại bỏ bằng sự xuất hiện các phản ứng sinh hoá dưới các tầng sâu, điều này dẫn đến các địa tầng thiếu khí một cách tự nhiên. Các quá trình này có thể ảnh hưởng đến nồng độ của Ca, Mg, K, Na và SO42- thông qua các phản ứng như: trao đổi ion b, sự khử SO42- của vi khuẩn, sự ôxi hoá FeS, và sự hoà tan của CaSO4 trong địa tầng. Nước ngầm cũng bao gồm nhiều thành phần muối, nồng độ tăng theo chiều sâu và nồng độ của các thành phần bị hoà tan tăng không đổi bởi sự hoà tan khoáng liên tục.
Hình 2.1. Cấu trúc và đặc tính của tầng nước ngầm
Chất lượng nước ngầm được đánh giá thông qua đo đạc các thành phần của nước, kết quả sẽ thể hiện tính bền vững đối với các hoạt động của con người và các mục đích sử dụng khác. Các chỉ tiêu phân tích bao gồm xác định các chỉ tiêu pH, tổng chất rắn hoà tan, độ dẫn điện, các muối vô cơ như đã được đề cập trước đó. Phân tích các thành phần hoá học có thể kiểm tra tính chính xác thông qua cân bằng ion, bằng cách so sánh nồng độ của các cation và anion biểu diễn bằng li đương lượng trên lít (meq l-1). Thành phần của mẫu nước được đo đạc trên cơ sở cân bằng hoá học, tính bằng số lượng và dấu điện tích của các cation và anion. Mẫu nước nên được trung hoà và nồng độ đương lượng meq l-1 của các cation và anion cũng nên cân bằng. Sự sai lệch trong khi cân bằng ion có thể cho thấy sai số trong quá trình lấy mẫu hoặc trong quá trình phân tích.
Khu vực không bão hoà Mao quản
Mặt nước ngầm Nước không bị giữ
Nước bị giữ Lớp không thấm
Lớp không thấm Nền đá cứng
Đồ thị để diễn tả các thành phần của nước ngầm nên sử dụng các dạng đồ thị dạng thanh đứng, dạng mảng, và dạng tam giác. Đồ thị dạng tam giác đặc biệt hữu ích đối với sự phân loại chất lượng nước ngầm. Đối với các nghiên cứu đầy đủ về chất lượng nước ngầm liên qua đến sự quan trắc chất lượng và biện pháp khắc phục các địa tầng bị nhiễm bẩn, cần yêu cầu bổ xung thêm một số phân tích đặc biệt, chú trọng vào việc xác định các dạng bị hoà tan bao gồm một khoảng rộng các chất hữu cơ tự nhiên hay tổng hợp, vi khuẩn, xạ khuẩn, các sản phẩm hữu cơ và vô cơ từ qúa trình phân huỷ của vi sinh vật có thể tồn tại trong các địa tầng bị nhiễm bẩn.
Bảng 2.2. Nồng độ một số nguyên tố chính trong nước ngầm (mg/l)
Thông số
Loại nước ngầm tồn tại trong một số loại đá
Đá biến chất Đá cát kết Đá cacbonát Đá thạch cao Đá cát mặn
Na+ 5-15 3-30 2-100 10-40 - 1000 K+ 0,2-1,5 0,2-5 - 1 5-10 - 100 Ca2+ 4-30 5-40 40-90 - 100 - 1000 Mg2+ 2-6 0-30 10-50 - 70 - 1000 Fe2+ - 3 0,1-5 - 0,1 - 0,1 - 2 Cl- 3-30 5-20 5-15 10-50 - 1000 NO3- 0,5-5 0,5-10 1-20 10-40 - 1000 HCO3- 10-60 2-25 150-300 50-200 - 1000 SO42- 1-20 10-30 5-50 - 100 - 1000 SiO3 - 40 10-20 3-8 10-30 - 30
Ghi chú: a-b: giá trị dao động trong khoảng từ a đến b -a: giá trị dao động từ 0 đến a
Nước ngầm dưới các tầng đất chứa ít cation kiềm thường tồn tại dưới các dạng sau: a. Chủ yếu ở dạng CO32-
b. HCO3- và SO42- c. Chủ yếu ở dạng SO42-
Nước ngầm dưới các tầng đất chứa nhiều cation kiềm d. Chủ yếu ở dạng HCO3-
e. Chủ yếu ở dạng SO42- Nước có tính kiềm
f. Chủ yếu ở dạng HCO3- g. Chủ yếu ở dạng SO42- và Cl-
Hình 2.2. Giản đồ Piper để phân loại nước dựa trên cơ sở thành phần hóa học 1.1.2. Sự nhiễm bẩn nước ngầm
Sự nhiểm bẩn các địa tầng bởi các chất vô cơ và hữu cơ gây ảnh hưởng tới chất lượng nguồn nước ngầm trong một thời gian dài. Các chất bẩn đi vào nước ngầm từ các hoạt động của con người và có thể thay đổi nồng độ từ nguồn nước ngầm này sang nguồn nước ngầm khác phụ thuộc vào mật độ của các nguồn gây ô nhiễm. Các chất nhiễm bẩn được phân nhóm như sau: nhóm nuclit phóng xạ, các nguyên tố vết, các chất dinh dưỡng, các dạng chất vô cơ khác, các chất nhiễm bẩn hữu cơ, các chất nhiễm bẩn vi sinh vật. Một khoảng rộng các chất nhiễm bẩn đi vào nước ngầm từ các nguồn thải đô thị từ các cống thải và chảy tràn. Từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp như sử dụng phân bón, hoá chất bảo vệ thực vật, phế thải là những nguồn chính khuếch tán NO3- và các thành phần hữu cơ vào nước ngầm. Các chất nhiễm bẩn ở dạng hoá chất hữu cơ tổng hợp, phụ thuộc vào các nguồn thải khác nhau mà thành phần các chất có thể khác nhau đến hàng nghìn lần.
Sự thay đổi chất lượng nước có thể xem xét là do sự phụ thuộc vào các tính chất thổ nhưỡng và địa chất vốn có trong đất. Thay đổi các điều kiện tự nhiên của lớp đá dưới tầng sâu dẫn đến hình thành các vùng có chất lượng nước đặc biệt. Những nhóm này có thể dễ dàng nhận ra trong biểu đồ dạng tam giác dưới đây.
Có rất nhiều nguyên nhân gây nên nhiễm bẩn nước ngầm, đặc biệt là các lớp nước phía trên. Một trong nhưng nguyên chính gây nhiễm bẩn nước ngầm là thói quen sử dụng. Đối với hệ thống nước cấp cộng đồng thì nguồn nước ngầm luôn luôn là nguồn nước được ưa thích. Bởi vì, các nguồn nước mặt thường bị ô nhiễm và lưu lượng khai thác phải phụ thuộc vào sự biến động theo mùa. Nguồn nước ngầm ít bị chịu ảnh hưởng bởi các tác động của môi trường và con người. Chất lượng nước ngầm tốt hơn nhiều so với nước mặt. Trong nước ngầm hầu như không có các hạt keo hay hạt lơ lửng , và vi sinh, vi trùng gây bệnh thấp.
Các nguồn nước ngầm hầu như không chứa rong tảo, một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước. Thành phần đáng quan tâm trong nước ngầm là các tạp chất hòa tan do ảnh hưởng của điều kiện địa tầng, thời tiết, nắng mưa, các quá trình phong hóa và sinh hóa trong khu vực. Ở những vùng có điều kiện phong hóa tốt, có nhiều chất bẩn và lượng mưa lớn thì chất lượng nước ngầm dễ bị ô nhiễm bởi các tạp chất hữu cơ
Chất lượng nước ngầm phụ thuộc vào cấu trúc địa tầng mà nước thấm qua. Do vậy nước chảy qua các tầng địa tầng chứa cát hoặc granit thường có tính axit và chứa ít chất khoáng. Khi
chảy qua địa tầng chứa đá vôi thì nước thường có độ cứng và độ kiềm hydrocacbonat khá cao. Ngoài ra, các đặc trưng chung của nước ngầm là:
• Nước tầng nông có trữ lượng thấp, không áp, dễ bị nhiễm bẩn. Và ngược lại đối với tầng sâu trữ lượng cao, có áp và khả năng bị nhiễm bẩn thấp hơn
• Độ đục thấp;
• Nhiệt độ và thành phần hoá học tương đối ổn định;
•Nước ngầm thường không có ôxy hòa tan, nhưng có nhiều CO2 H2S, và các chất hòa tan (sắt, mangan, acsen, magie, flo...)
• pH nước ngầm khá thấp, thường dao động từ 3 – 6 • Không có sự hiện diện của vi sinh vật.
• Sự có mặt của một số thành phần ô nhiễm của nguồn nước ngầm nơi đó (hàm lượng phốtpho, nitơ, E.coli….)
1.2. Đặc điểm của nước mặt
Nước mặt dùng để chỉ các loại nước lưu thông hoặc chứa trên bề mặt lục địa, mặt nước tiếp xúc với không khí: nước sông, suối, ao, hồ… Thành phần hóa học của nước mặt phụ thuộc vào tính chất đất đai nơi mà dòng nước chảy qua đến các thủy vực, chất lượng nước mặt còn chịu ảnh hưởng bởi các quá trình tự nhiên (mưa lũ, hoạt động sống và chết đi của hệ sinh vật nước,…) cũng như hoạt động của con người. Trên cùng một con sông, chất lượng nước thường xuyên thay đổi đáng kể theo thời gian và không gian.
Nước chảy vào các sông luôn ở trạng thái động, phụ thuộc vào lưu lượng và mùa trong năm. Chất lượng nước phụ thuộc nhiều vào các lưu vực. Nước qua vùng đá vôi, đá phấn thì nước trong và cứng. Nước chảy qua vùng đá đất có tính chất thấm kém thì đục và mềm. Các hạt mịn hữu cơ bị cuốn theo khó sa lắng. Nước chảy qua rừng rậm nước trong và chứa nhiều chất hữu cơ hoà tan.
Nước cứng thường giàu các ion canxi và magiê, pH cao (thường lớn hơn 7). Nước có pH thấp hơn 7 thường là nước mềm. Khi chảy qua các lưu vực sông ở đồng bằng, nước có nhiều phù sa và tạp chất hữu cơ (humic), một số tạp chất chứa kim loại đặc biệt là nhôm và sắt. Nước ở vùng này có độ mặn cao. điển hình nhất là nước ở lưu vực sông Hồng vào mùa mưa. Nước ở ao hồ, đầm phá về mùa mưa được bổ sung và chảy tràn, về nguyên tắc có thể coi là dòng chảy chậm, thời gian lưu lớn. Nước này có độ đục thấp, hàm lượng chất hữu cơ thấp, thường được sử dụng làm nước sinh hoạt. Trường hợp nước ở các thuỷ vực này lưu quá lâu có thể xảy ra hiện tượng phát triển của rong tảo làm giảm chất lượng nguồn nước. Các loài thuỷ thực vật phát triển khi chết, bị phân rã làm ô nhiễm nước. Ở đây chưa kể tới các loài rong tảo có độc tính gây bệnh cho người và động vật.
1.2.1. Độ truyền quang của ánh sáng vào môi trường nước
Ở một ngày trong lành, cường độ bức xạ mặt trời gia tăng từ 0 trước lúc bình minh và đạt cực đại vào lúc giữa trưa (14:00-16:00). Quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh gia tăng khi cường độ bức xạ mặt trời gia tăng và sẽ giảm khi cường độ bức xạ mặt trời giảm. Khi chiếu tới mặt nước ánh sáng không hoàn toàn xâm nhập vào cột nước mà một phần bị phản xạ lại không khí. Khả năng xâm nhập của ánh sáng vào môi trường nước phụ thuộc vào tính phẳng lặng của mặt nước và góc tới của tia sáng so với mặt nước. Những tia sáng chiếu gần thẳng góc với mặt nước sẽ xâm nhập vào nước nhiều nhất. Cường độ ánh sáng sẽ giảm khi xuyên qua cột nước vì bị phân tán và hấp thu bởi cột nước. Đối với nước tinh khiết, chỉ 53% cường độ ánh sáng biến đổi thành nhiệt và triệt tiêu khi xuyên qua một mét nước đầu tiên của cột nước. Các tia sáng có bước sóng dài (đỏ, cam) và ngắn (hồng ngoại, tím) thì bị triệt tiêu nhanh hơn các tia sáng có bước sóng trung bình (lục, lam và
vàng). Nước thiên nhiên có nhiều tạp chất ngăn cản quá trình xâm nhập của ánh sáng vào môi trường nước.
Quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh không thể thực hiện được khi cường độ ánh sáng thấp hơn 1%. Độ sâu tối đa mà tảo và thực vật thủy sinh khác có thể phát triển được xác định thông qua cường độ áng sáng. Tầng nước nhận được hơn 1% cường độ ánh sáng được gọi là tầng ánh sáng hay tầng quang hợp (photic layer). Nước trong ao nuôi tôm, cá thường đục do thực vật phù du phát triển mạnh nên tầng ánh sáng của nó thường thấp. Giá trị này thông thường vào khoảng hai đến ba lần so với độ sâu xác định được bằng đĩa Secchi. Theo Boyd (1990) thì tầng ánh sáng thường gấp đôi độ trong của nước đo bằng đĩa Secchi.
Cường độ ánh sáng trên mặt nước thay đổi theo mùa và tỉ lệ mây che phủ, độ ẩm không khí và độ sâu của nước. Ở độ sâu mà ánh sáng có thể xâm nhập được thì quang hợp vẫn có thể xảy ra. Sinh vật quang hợp bao gồm tảo lơ lửng trong nước hay thực vật nổi, tảo bám hay tảo có rễ, các thực vật thủy sinh bậc cao hay thực vật lớn. Tỉ lệ ánh sáng giảm đi theo độ sâu phụ thuộc vào thành phần lơ lửng có khả năng hấp thụ ánh sáng (là hợp chất hữu cơ trong nước thải, tảo và cặn). Phần trăm ánh sáng bị hấp thụ hay tán xạ trong cột nước có chiều vào 1 m được gọi là hệ số tiêu thụ ánh sáng kí hiệu là k. Hồ thường có giá trị k thấp, sự xâm nhập ánh sáng tốt khi k cao. Hình sau mô tả sự suy giảm ánh sáng theo độ sâu của hai hồ với hệ số tiêu thụ ánh sáng là 0.2 và 0.9/m. Khi quang hợp phụ thuộc vào ánh sáng thì sự thay đổi khả năng xâm nhập của ánh sáng vào trong hồ sẽ ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến các hoạt động sinh học và hóa học. Chắc chắn là độ trong của hồ phụ thuộc rất lớn vào các hoạt động của con người, thường xuyên nhất là hoạt động sử dụng đất trong lưu vực của hồ.
Hình 2.3. Sự suy giảm ánh sáng theo chiều sâu (k = 0,2 m-1) và đục (k = 0,9 m-1)
Mức độ hấp thụ ánh sáng của nước ở độ sâu x được tính theo công thức sau: % hấp thụ = 100 (Io – Ix)/Io
Trong đó: Io = Cường độ bức xạ trước khi xâm nhập vào mặt nước Ix = Cường độ bức xạ tại độ sâu x
Độ hấp thụ khởi đầu được sử dụng để nghiên cứu sự xâm nhập của ánh sáng đơn sắc, nhưng khái niệm này được mở rộng cho tổng bức xạ. Lượng ánh sáng xâm nhập vào độ sâu x nào đó được tính bằng phương trình Lambert:
Ix = Ioe-kx
Trong đó: Kx = Hệ số mất đi khi đi xuống độ sâu x
1.2.2. Sự phân tầng của thủy vực
Hình 2.4. Sự phân tầng theo nhiệt độ của một hồ sâu
Đối với các thủy vực tự nhiên, đặc biệt là các thủy vực nước tĩnh, sự phân tầng thường xảy ra khi có sự chênh lệch về nhiệt độ giữa các độ sâu đáng kể. Do tác động của gió, sóng… nhiệt độ từ mặt nước được truyền xuống sâu (1m đến vài trăm m) hình thành một tầng khá đồng nhất về nhiệt độ gọi là tầng mặt (surface mixed layer - Epilimnion). Từ độ sâu 200 – 300 m, nhiệt độ bắt đầu giảm mạnh cho đến không quá 1000m, tầng nước này gọi là tầng giữa (Thermocline), nhiệt độ có thể giảm đi 20oC khi đi qua tầng này. Sau khi đi qua tầng trung gian, nhiệt độ có thể giảm chậm hoặc ổn định, gọi là tầng đáy (Hypolimnion).
Sự phân tầng ngăn cản quá trình xáo trộn và trao đổi nhiệt trong tầng nước về mặt vật lý do đó làm giảm hàm lượng dinh dưỡng trên tầng mặt, ngăn cản sự trao đổi vật chất trong môi trường nước theo độ sâu. Về mặt sinh học, sự phân tầng giới hạn không gian sống, làm giảm năng suất sinh