3.4. Nguồn gốc và sự hình thành chất lƣợng nƣớc dƣới đất
3.4.2. Sự hình thành và biến đổi của các thành phần chủ yếu trong nƣớc dƣới đất
nước dưới đất
Sự hình thành và biến đổi thành phần hóa học NDĐ vừa gắn liền với nguồn gốc của chúng vừa chịu ảnh hƣởng của quá trình hình thành trữ lƣợng, vận động và tiếp xúc của nƣớc với môi trƣờng xung quanh.
Các quá trình chủ yếu quyết định đến khả năng thấm/ngấm xuống của nƣớc mƣa cung cấp cho tầng chứa nƣớc là thành phần thạch học, bề mặt địa hình và đặc trƣng của tầng chứa nƣớc, đƣợc biểu hiện bởi quá trình hỗn hợp nƣớc và vận chuyển vật chất trong nƣớc. Sự có mặt của vi khuẩn và vật chất hữu cơ trong thành phần các địa tầng và sự phân bố của nó ảnh hƣởng mạnh mẽ đến các quá trình oxy hóa - khử, điển hình là sự thay đổi hàm lƣợng bicacbonat trong nƣớc và từ đó ảnh hƣởng đến thành phần của các nguyên tố khác trong NDĐ. Ngồi ra cần kể đến vai trị của các nhân tố nhân tạo nhƣ khai thác nƣớc, xây dựng, đơ thị hóa, nơng nghiệp... làm ảnh hƣởng đến sự biến đổi chất lƣợng NDĐ trong trầm tích Đệ tứ vùng nghiên cứu.
Nghiên cứu chất lƣợng NDĐ có thể dựa trên sự hình thành thành phần hóa học của nó gồm các ion phổ biến là H+
1) Độ pH
Độ pH đƣợc đặc trƣng bằng hoạt tính hay nồng độ của H+ trong nƣớc và phụ thuộc vào sự phân ly của nƣớc. Độ pH quyết định mơi trƣờng hóa học trong các phản ứng của các thành phần vật chất trong nƣớc. Nƣớc có pH = 7 đặc trƣng mơi trƣờng trung tính, pH > 7 đặc trƣng mơi trƣờng kiềm và pH < 7 đặc trƣng môi trƣờng axit. Trong khu vực nghiên cứu, nƣớc mƣa thƣờng có tính axit cịn nƣớc biển hoặc phần NDĐ bị nhiễm mặn thƣờng có tính kiềm yếu.
Nƣớc có nguồn gốc ngấm từ nƣớc mƣa (có độ pH và hàm lƣợng các ngun tố đều thấp) thơng qua q trình hỗn hợp giữa nƣớc mƣa và NDĐ. Nƣớc mƣa ngấm vào tầng chứa nƣớc và tiếp xúc với NDĐ sẽ diễn ra quá trình trung hồ, làm cho nƣớc mƣa từ trạng thái axit thành trạng thái gần trung hoà và trung hồ. Trong đó, sự hịa tan canxit dƣới tác dụng của nƣớc mƣa là chủ yếu. Hàm lƣợng HCO3- từ đới thơng khí xâm nhập vào nƣớc ngầm có loại hình hố học bicacbonat, kết quả làm tăng tổng lƣợng bicacbonat và tăng pH của NDĐ.
2) Độ cứng
Độ cứng của NDĐ vùng nghiên cứu biến đổi theo từng vùng và tầng chứa nƣớc. Vùng Quảng Trạch và Bố Trạch và Đồng Hới nƣớc thuộc loại nƣớc mềm đến cứng, độ cứng trong khoảng 2,1 - 6,86 mg/l (tầng qp) và từ 1,2 - 2,5 mg/l (tầng qh). Riêng vùng nam Quảng Bình, nƣớc trong cả tầng qh và qp thuộc loại nƣớc mềm (độ cứng nằm trong khoảng 0,26 - 2,8 mg/l).
3) Ion clorua (Cl-)
Ion Cl- trong NDĐ bắt nguồn từ nƣớc biển thơng qua q trình bốc hơi, sau đó theo mƣa thấm vào NDĐ và một phần do xâm nhập mặn của các tầng chứa nƣớc ven biển, nhƣng phổ biến hơn là q trình hỗn hợp giữa nƣớc mƣa và NDĐ. Ngồi ra, nó cịn bắt nguồn từ q trình hịa tan khi có sự vận động của NDĐ qua mơi trƣờng đất đá có chứa các muối clorua natri (NaCl). Hàm lƣợng Cl-
thƣờng biến đổi theo thời gian và không gian phân bố. Đối với vùng nghiên cứu, NDĐ có nguồn gốc ngấm hàm lƣợng Cl- có xu hƣớng tăng vào mùa mƣa, những vùng đặc trƣng động thái triều vào mùa khô thƣờng cao hơn mùa mƣa và trong tầng qp thƣờng có cao hơn tầng qh, tại LK222 [23] giá trị
cao nhất tại khu vực đụn cát ven biển Đồng Hới là 2.120 mg/l vào mùa khô và 1.515 mg/l vào mùa mƣa, trung bình đạt 177,7 mg/l.
4) Ion bicacbonat (HCO3-)
Nƣớc mƣa khi tiếp xúc với NDĐ trƣớc tiên sẽ diễn ra quá trình trung hịa, làm cho nƣớc mƣa từ trạng thái axit thành trạng thái gần trung hồ và trung hồ. Khi đó các muối canxit đƣợc hòa tan và hàm lƣợng HCO3-
từ đới thơng khí xâm nhập vào NDĐ, kết quả làm tăng tổng lƣợng bicacbonat. Loại hình HCO3- thƣờng phổ biến đối với nƣớc có nguồn gốc ngấm, phân bố chủ yếu ở những khu vực đồi núi và phần đồng bằng trong vùng nghiên cứu.
5) Ion kali và ion natri (K+, Na+)
Ion K+, Na+ phổ biến trong nƣớc có nguồn gốc biển và một phần đƣợc hình thành do nƣớc vận động qua lớp đất đá trầm tích cát và sét, tỷ lệ Na+ thƣờng lớn hơn rất nhiều so với K+
bởi lẽ K+ dễ bị hấp phụ bởi đất sét và sinh vật cho nên quá trình nghiên cứu hay chọn Na+
hoặc tổng (Na + K)+ để so sánh. Na+ đƣợc hình thành chủ yếu do q trình hịa tan muối NaCl, điển hình đối với vùng ven biển khi có xâm nhập mặn thì hàm lƣợng Na+
trong NDĐ tăng lên rất nhiều, minh chứng cho thấy, đa phần nƣớc dọc theo các đụn cát ven biển thƣờng có hàm lƣợng (Na + K)+
cao và càng xuống sâu đến tầng qp chúng cao hơn so với trong tầng qh.
6) Ion caci và ion magie (Ca+, Mg+)
Từ q trình phong hóa hóa học, các khống vật chứa canci bị phá hủy và xâm nhập vào môi trƣờng dung dịch ở dạng bicacbonat, Ca2+
thƣờng có mặt trong trầm tích sét, đặc biệt là sét phong hóa và hay đi kèm với HCO3-
: CaCO3 + H2O + CO2 → Ca2+ + HCO3- (3.8)
Ca2+ có thể đƣợc hình thành do sự trao đổi hấp phụ với Na+ dƣới dạng: Na+hp + Ca2+dd → Na+
dd + Ca2+hp (3.9) Trong khi đó, Mg2+
có mặt trong vùng chủ yếu dƣới dạng các muối clorua hòa tan tốt và bắt nguồn từ nƣớc biển (nƣớc mƣa và xâm nhập mặn), nó thƣờng đi kèm với Ca2+
:
MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCl2 (3.10)
mƣa thì HCO3-
xâm nhập vào NDĐ và Ca2+ thay thế Na+ từ quá trình trao đổi ion, kết quả làm tăng hàm lƣợng HCO3- trong NDĐ. Thơng thƣờng Ca2+ trong NDĐ ít diễn ra quá trình lắng đọng do bị thiếu hụt khi trao đổi với ion Na+ trong đới thơng khí. Mơi trƣờng tồn tại lúc này lại yêu cầu tăng pH (kiềm hoá) và tạo thành kiểu nƣớc mới: nƣớc bicacbonat kiềm nhân sinh.
Quá trình hỗn hợp nƣớc thƣờng diễn ra phức tạp, trong đó các q trình trầm đọng muối và sự kết hợp lẫn nhau giữa các nguyên tố dẫn đến thành phần hoá học của nƣớc thay đổi. Đối với NDĐ trong các tầng chứa nƣớc nằm nơng, chịu ảnh hƣởng của q trình ngấm từ nƣớc mƣa, có thể coi chúng là sản phẩm của quá trình hỗn hợp nƣớc mƣa và NDĐ trong tầng chứa nƣớc.
Theo số liệu về chất lƣợng nƣớc mƣa và NDĐ tầng qh có thể đánh giá đƣợc tỷ lệ tham gia của các nguyên tố hoá học từ nƣớc mƣa vào NDĐ theo công thức (1.2) và (1.3) (bảng 3.7).
Bảng 3.7: Tỷ lệ tham gia của nước mưa vào nước dưới đất
Đối tƣợng Hàm lƣợng trung bình các ion (mg/l)
Ca2+ Cl- HCO3- Mg2+ (K+Na)+ NO2- NO3- SO42- Nƣớc mƣa 0,17 15,4 11,6 0,01 0,12 0,001 0,01 0,03 Nƣớc dƣới đất 0,31 21,16 15,40 0,014 0,130 0,007 0,116 1,55 Nƣớc hỗn hợp 0,17 15,41 11,61 0,01 0,12 0,001 0,01 0,03 % 54,91 72,82 75,37 71,48 92,32 14,43 8,77 2,10 Nhƣ vậy, các ion cơ bản trong nƣớc mƣa gồm (K + Na)+
, Cl-, HCO3-, Ca2+, Mg2+ tham gia vào thành phần NDĐ là đáng kể hơn so với các ion khác. Điều này cũng minh chứng cho các thành phần trong NDĐ có nguồn gốc từ nƣớc mƣa, mặt khác mơi trƣờng khơng khí chƣa bị ảnh hƣởng của khói bụi cơng nghiệp hay q trình đơ thị hố.
7) Tổng chất rắn hòa tan (TDS)
TDS là đặc trƣng của tổng hàm lƣợng các ion phổ biến trong nƣớc nêu trên. Trong tầng qh vùng nghiên cứu (trừ vùng bị nhiễm mặn), TDS của NDĐ có biên độ biến đổi từ 0,1 - 0,46g/l (nƣớc siêu nhạt đến nhạt). Tầng qp phần giáp biển có TDS cao hơn do bị ảnh hƣởng bởi xâm nhập mặn với đẳng trị TDS = 1,0g/l nằm cách bờ biển khoảng từ 200 - 1.600m, riêng vùng cửa sơng,
ranh giới này có thể tiến sâu về phía thƣợng lƣu đến 15km (lƣu vực sơng Nhật Lệ và sơng Gianh) (hình 3.6).
3.4.3. Sự hình thành một số thành phần khác trong nước dưới đất
1) Các hợp chất nitơ
Phần lớn các hợp chất của nitơ trong NDĐ có nguồn gốc sinh hóa khi các vi sinh vật có khả năng tổng hợp nitơ hay phân hủy những vật chất hữu cơ tạo nên dạng các ion là NO2-
, NO3- và NH4+.
Trong điều kiện hiếm khí (trong mơi trƣờng nƣớc hoặc trong đất đá), chất hữu cơ bị sinh vật phân hủy thành NH4+
, nhƣng khi có mặt oxi chúng bị oxi hóa thành nitrit và nitrat:
NH4+ + O2 → NO2- + H2O (3.11) NO2- + O2 → NO3- + H2O (3.12)
Ion NO3- cịn có nguồn gốc vơ cơ, đặc biệt chúng đƣợc hình thành từ quá trình tổng hợp giữa nitơ và oxi trong khí quyển và đƣợc hịa tan trong nƣớc mƣa dƣới dạng axit HNO3, sau đó bị phân ly thành NO3-
tham gia vào thành phần NDĐ.
Nhìn chung, các hợp chất của nitơ trong NDĐ vùng cát ven biển Quảng Bình có hàm lƣợng khơng lớn nhƣng có sự biến động dƣới ảnh hƣởng của tính phân đới theo mùa của các yếu tố tự nhiên. Hàm lƣợng NH4+
, NO3- trong các tầng chứa nƣớc vào mùa khô hầu nhƣ đều cao hơn mùa mƣa, thời kỳ mùa mƣa, tầng chứa nƣớc Holocen có hàm lƣợng NO3-
trung bình từ 0,09 mg/l (vùng nam sông Nhật Lệ) đến 1,76mg/l (vùng Bố Trạch), điển hình một số tiểu vùng dọc theo các sơng Rn, Lý Hịa, Gianh và Nhật Lệ có hàm lƣợng NO3- trong mùa khô vƣợt Quy chuẩn đối với chất lƣợng nƣớc ngầm QCVN09:2008/BTNMT từ 1,1 - 2,6 lần, lý do có thể NDĐ bị tác động mạnh bởi các hoạt động dân sinh (bảng 3.8).
Hàm lƣợng NH4+
trong đa phần các mẫu nghiên cứu đều thấp (<0,1mg/l), Do tác động của nƣớc thải dân cƣ, tầng chứa nƣớc qh vùng hữu ngạn sơng Rn (xã Cảnh Dƣơng) và sông Gianh (xã Thanh Trạch) vào mùa khơ nƣớc đã có biểu hiện bị ô nhiễm ở mức vƣợt giới hạn cho phép đến 1,2 lần.
Bảng 3.8: Hàm lượng nhóm hợp chất nitơ trong nước dưới đất
Lƣu vực sông Thời gian
Hàm lƣợng trung bình (mg/l)
Tầng qh Tầng qp
NH4+ NO3- NH4+ NO3-
Roòn Mùa mƣa 0,06 1,26 0,09 1,42
Mùa khô 0,11 7,64 0,13 12,51
Gianh Mùa mƣa 0,08 1,25 0,09 1,76
Mùa khô 0,36 2,90 0,44 3,42
Lý Hòa Mùa mƣa 0,22 0,12 0,26 0,13
Mùa khô 1,2 9,56 1,3 13,29
Dinh Mùa mƣa 0,05 1,58 0,08 1,72
Mùa khô 0,31 3,12 0,37 3,36
Nhật Lệ Mùa mƣa 0,23 0,08 0,27 0,09
Mùa khô 0,56 0,14 0,64 0,28
QCVN09:2008/BTNMT 0,1 15 0,1 15
QCVN01:2009/BYT 3 50 3 50
Tầng chứa nƣớc qp có hàm lƣợng NO3- cao hơn ở tầng qh. Phần diện tích bị lộ ra trên mặt, hàm lƣợng NO3-
, NH4+ đều cao hơn phần bị phủ, đặc biệt những khu vực đông dân cƣ và vùng tiếp giáp với các tầng địa chất khác, những vùng có địa hình cao thƣờng có hàm lƣợng NO3-
, NH4+ lớn hơn.
2) Các ion và hợp chất kim loại
Trong NDĐ vùng nghiên cứu, các ion sắt thƣờng tồn tại dƣới dạng Fe2+ , Fe3+. Chúng đƣợc hình thành chủ yếu do q trình phong hóa đá gốc, tồn tại nhiều trong trầm tích laterit, trong lớp thổ nhƣỡng dƣới tác dụng của oxi và vi sinh vật. Trong điều kiện thiếu oxi, nhiều CO2, trong nƣớc thƣờng xuất hiện hợp chất Fe(OH)2, ngƣợc lại, ở điều kiện thừa oxi, trong nƣớc sắt ở dạng Fe(OH)3. Sự chuyển hóa của các ion sắt trong nƣớc đƣợc biểu diễn dƣới các phƣơng trình hóa học nhƣ sau:
Fe2+ + 2HCO3- +2H2O Fe(OH)2 + 2H2CO3 (3.13) 4Fe(OH)2 + O2 + H2O 4Fe(OH)3 (3.14)
Fe(OH)3 Fe3+
+ 3OH- (3.15)
phân tích năm 2008 ít biến động so với các kết quả trƣớc đó (năm 2004, 2007) [9,66,76,77]. Trong mơi trƣờng các đá trầm tích, chúng có xu hƣớng di chuyển khá mạnh mẽ, tăng dần theo mặt cắt từ lớp dƣới cùng lên lớp trên cùng (bảng 3.9).
Bảng 3.9: Phân bố hàm lượng sắt trong nước dưới đất
Lƣu vực sông Hàm lƣợng Fe2+ mùa khô/mùa mƣa(mg/l) Hàm lƣợng Fe3+ mùa khơ/mùa mƣa(mg/l) Lớn nhất Nhỏ nhất Trung bình Lớn nhất Nhỏ nhất Trung bình Rn 0,48/0,32 0,16/0,12 0,23/0,14 0,36/0,34 0,12/0,05 0,15/0,11 Gianh 2,26/1,40 0,14/0,11 0,36/0,25 0,54/0,47 0,10/0,05 0,20/0,15 Lý Hòa 1,05/0,86 0,56/0,12 0,84/0,41 2,16/1,38 0,23/0,04 0,42/0,39 Dinh 1,21/0,46 0,23/0,01 0,56/0,14 1,25/0,57 0,18/0,11 0,45/0,16 Nhật Lệ 2,35/1,52 0,11/0,07 0,45/0,28 1,67/0,72 0,23/0,18 0,24/0,21 Các kim loại điển hình gồm Pb, Zn, Hg, As có hàm lƣợng nhìn chung thấp, chƣa có dấu hiệu ơ nhiễm trong nƣớc. Tuy nhiên, một số khu vực đô thị khu công nghiệp và các cảng biển nhƣ Đồng Hới, Cảnh Dƣơng thƣờng có các tác động đến mơi trƣờng nƣớc bởi các chất thải, vào mùa khơ trong nƣớc có hiện tƣợng tăng hàm lƣợng Pb, Hg hơn ở các vùng khác (bảng 3.10).
Bảng 3.10: Hàm lượng một số kim loại trong NDĐ
Lƣu vực sông Thời gian Hàm lƣợng trung bình (mg/l)
Pb Zn As Hg Cd
Rn Mùa khơ 0,003 0,052 0,002 0,001 0,001 Mùa mƣa 0,001 0,035 0,001 0,001 0,001 Gianh Mùa khô 0,001 0,040 0,002 0,001 0,002 Mùa mƣa 0,001 0,012 0,001 0,001 0,001 Lý Hịa Mùa khơ 0,003 0,037 0,002 0,002 0,001 Mùa mƣa 0,001 0,018 0,001 0,001 0,001 Dinh Mùa khô 0,004 0,034 0,003 0,002 0,001 Mùa mƣa 0,001 0,021 0,001 0,001 0,001 Nhật Lệ Mùa mƣa Mùa khô 0,002 0,036 0,001 0,001 0,001 0,001 0,010 0,001 0,001 0,001 QCVN09:2008/BTNMT 0,01 3,0 0,05 0,001 0,005 QCVN01:2009/BYT 0,01 3,0 0,01 0,001 0,003
3) Thành phần vi sinh - hóa sinh
Mực nƣớc tầng qh thƣờng nơng, đất đá có khả năng thấm nƣớc tốt là điều kiện để các chất bẩn từ các nguồn thải trên mặt đất xâm nhập vào tầng chứa nƣớc. Tuy nhiên, trong các giếng khoan sâu, chất lƣợng NDĐ nhìn chung đều đảm bảo, hàm lƣợng các chất ô nhiễm qua từng thời kỳ ít có thay đổi lớn.
Tại một số diện tích canh tác và thƣờng xuyên ngập nƣớc nhƣ ở huyện Quảng Ninh, Lệ Thủy thì nƣớc trong tầng qh có hàm lƣợng vi sinh cao hơn, đối với Coliform là 28 MPN/100ml, Ecoli là 17 MPN/100ml (mẫu G81, G54, G88). Ngồi ra, những vùng tập trung đơng dân cƣ, khu đô thị và các cơ sở công nghiệp, nƣớc trong nhiều giếng đào tầng nơng thƣờng có mặt coliform, E.coli nhiều hơn so với những vùng sử dụng nƣớc giếng khoan.
Trong tầng qp, hầu hết các mẫu phân tích đều có hàm lƣợng các chỉ tiêu vi sinh thấp, điều này cho thấy, lớp cách nƣớc lót đáy tầng qh có khả năng tự bảo vệ tốt.
Giá trị trung bình các chỉ tiêu hóa sinh trên các vùng nghiên cứu đã chỉ ra rằng, mức độ lƣu thông của nƣớc ngầm (tầng qh và diện lộ của tầng qp) là rất lớn, nhất là vào mùa mƣa. Càng xuống sâu, hàm lƣợng BOD và DO giảm dần, chứng tỏ các tầng chứa nƣớc bị phủ chƣa bị ô nhiễm (bảng 3.11).
Nhìn chung, nƣớc khu vực nghiên cứu trong các trầm tích Đệ tứ có chất lƣợng đảm bảo, có thể cấp nƣớc cho sinh hoạt và sản xuất.
Bảng 3.11: Hàm lượng các chỉ tiêu vi sinh trong NDĐ
Lƣu vực Coliform Hàm lƣợng trung bình (mùa mƣa/mùa khơ) (MPN/100ml) Fecalcoli (MPN/100ml) BOD (mg/l) COD (mg/l) DO (mg/l) Sơng Rn 1/0 11/1 1,6/0,35 2,3/0,6 7,2 Sông Gianh 4/2 3/2 1,5/0,28 2,7/1,5 6,7 Sông Lý Hòa 3/1 5/1 2,1/0,32 3,1/0,5 7,5 Sông Dinh 4/1 3/1 1,9/0,34 2,4/1,4 7,2 Sông Nhật Lệ 5/2 8/2 4,1/0,65 5,5/12,6 8,6 QCVN09:2008/BTNMT 3 0 - 4 - QCVN01:2009/BYT 0 0 - - -
4) Nhóm độc tố
Thành phần độc tố nhƣ CN-, Phenol và dƣ lƣợng hóa chất bảo vệ thực vật xâm nhập vào NDĐ thông qua các hoạt động đổ thải từ công nghiệp, nông nghiệp, trồng cây. Tuy nhiên, hàm lƣợng của chúng qua kết quả phân tích chất lƣợng nƣớc, những nơi có khả năng ơ nhiễm nhƣ vùng đất nông nghiệp, khu công nghiệp đều có hàm lƣợng thấp, nằm trong giới hạn QCVN09:2008/BTNMT và QCVN01:2009/BYT [15].
Bảng 3.12: Hàm lượng một số thành phần khác của NDĐ