CHƢƠNG 3 : ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỊA HÓA NƢỚC DƢỚI ĐẤT
3.1. Thành phần hóa học chính
3.1.1. Đặc điểm chung
Qua kết quả phân tích cho thấy thành phần chính trong nƣớc dƣới đất vùng
nghiên cứu bao gồm Na+, Ca2+, Mg2+, K+, NH4+, Cl-, HCO3-, SO42-, SiO2, Mn tổng
số và Fe tổng số. Trong các cation, Na+, Ca2+, Mg2+ là những thành phần có nồng độ
cao ổn định với hệ số biến phân (V) nhỏ từ 50% đến 59% (bảng 3.1). Trong các
anion thì HCO3- có nồng độ cao nhất, với trị số trung bình 421,48mg/l, tiếp đến là
SO42- (trung bình 52,74 mg/l), Cl- (trung bình 49,84 mg/l). Chính vì vậy, kiểu địa
hóa đặc trƣng của nƣớc dƣới đất vùng này là bicacbonat Ca-Mg và bicacbonat Mg- Ca. Nồng độ ion clo khá ổn định, ít dao động (hệ số biến phân - 65%), trong khi nồng độ ion sulfat thay đổi mạnh (hệ số biến phân - 267%), tùy thuộc vào vị trí lấy
mẫu. Mặc dầu, nồng độ cực đại cóthể đạt tới gần 600 mg/l, nhƣng trong nhiều mẫu
phân tích khơng phát hiện ra SO42-. Hiện tƣợng này chứng tỏ mơi trƣờng địa hóa
nƣớc dƣới đất có sự thay đổi lớn về chế độ oxi hóa - khử, liên quan đến quá trình khử và động viên As. Theo Smedley P.L và Kinniburgh D.G. (2002), trong nƣớc ngầm cao As, nồng độ sulfat thƣờng dƣới 5mg/l. Norrman J. và nnk (2008) cũng đã
xác nhận rằng, trong nhiều mẫu nƣớc ngầm ô nhiễm As, nồng độ SO42- thƣờng dƣới
độ nhạy phân tích Amoni cũng có nét tƣơng đồng với sulfat về tính khơng ổn định
(hệ số biến phân đạt tới 114%). Trong các mẫu nƣớc ngầm, nồng độ NH4+ dao động
từ dƣới độ nhạy đến 87,2 mg/l. Theo nhiều nhà nghiên cứu (Smedley P.L và Kinniburgh D.G., 2002, Elisabeth Eiche và nnk, 2008), nồng độ cao của amoni trong nƣớc dƣới đất là chỉ thị tốt cho cơ chế khử vật chất hữu cơ và giải phóng As. Mangan và sắt mặc dầu khơng đƣợc xếp vào các ion chính, nhƣng nhiều khi cũng có mặt với hàm lƣợng lớn và gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc.
Bảng 3.1. Các đặc trƣng thống kê thành phần hóa học nƣớc dƣới đất
Thành phần hóa học Min Max Av Me S V (%)
Na+(mg/l) 19,24 124,42 44,54 37,96 26,06 59 K+(mg/l) < DL 1,21 0,61 0,59 0,33 55 Ca2+(mg/l) 11,02 187,88 83,56 90,18 42,09 50 Mg2+(mg/l) 8,48 72,05 25,90 23,15 13,77 53 NH4+(mg/l) < DL 87,20 20,62 17,30 23,47 114 Cl-(mg/l) 7,20 103,69 49,84 42,37 32,27 65 SO42-(mg/l) < DL 585,79 52,74 5,04 140,95 267 HCO3-(mg/l) < DL 738,34 421,48 481,30 176,89 42 PO43-(mg/l) < DL 1,56 0,46 0,00 0,56 122 SiO2(mg/l) 7,00 21,00 13,72 14,25 3,56 26 Mn 0,002 5,91 0,68 0,30 1,16 170 Fe 0,001 25,97 5,09 2,22 6,76 133 As (µg/l) 0,02 182,38 26,97 3,50 47,17 175 TOC 0,28 20,39 9,77 9,26 6,51 67 DOC 0,09 13,70 6,57 6,88 4,39 67 TDS(mg/l) 195,00 1235,00 520,10 518,00 216,69 42 pH 6,90 7,80 7,45 7,50 0,19 3
Ghi chú: Min - nhỏ nhất, Max - lớn nhất, Av- trung bình cộng, Me - median (trung vị) S- độ lệch chuẩn, V - hệ số biến phân, DL - giới hạn phát hiện
Trong khu vực này, nồng độ Mn dao động trong khoảng 0,002 - 5,91 mg/l, trung bình là 0,68 mg/l. Mn phân bố khơng đồng đều về nồng độ. Điều đó đƣợc thể hiện ở mức độ chênh lệch giữa trị số trung bình (Av) và median (Me) hàm lƣợng cũng nhƣ ở sự vƣợt quá 100% của hệ số biến phân (bảng 3.1). Kết quả khảo sát và phân tích cho thấy, một số nơi có nồng độ Mn cao trong nƣớc dƣới đất nhƣ Chu Minh (Ba Vì), Ngọc Mỹ, Thạch Thán (Quốc Oai), Chúc Sơn (Chƣơng Mỹ). Tại những vùng này, nồng độ Mn đạt trên 1,5 mg/l, vƣợt quá 3 lần giới hạn cho phép theo QCVN 09:2008/BTNMT (0,5 mg/l). Nồng độ Fe tổng số dao động trong khoảng 0,001 - 26 mg/l, trung bình là 5,1 mg/l.
Tƣơng tự nhƣ Mn, Fe phân bố không đồng đều với hệ số biến phân đạt tới 133%. Một số nơi, nồng độ Fe trong nƣớc ngầm đạt trên 5 mg/l (giới hạn cho phép theo QCVN 09:2008/BTNMT) nhƣ Tân Lập (Đan Phƣợng), Vân Canh (Hoài Đức), thị trấn Quốc Oai, Minh Đức (Ứng Hòa), Phúc Tiến (Phú Xun).
3.1.2. Thành phần hóa học chính tầng Holocen (qh)
Trong các cation, Ca2+ có nồng độ cao nhất với trị số trunh bình 78,51mg/l,
tiếp đến là Na+ (trung bình 42,81mg/l), Mg2+ (trung bình 28,94mg/l) và nhỏ nhất là
K+ (trung bình 3,41mg/l). Tuy nhiên, nồng độ của chúng lại dao động trong các
khoảng rất lớn, khơng ổn định. Trong đó, nồng độ cation K+ thay đổi mạnh (hệ số
biến phân đạt tới - 111%) (bảng 3.2).
Bảng 3.2: Các đặc trƣng thống kê thành phần hóa học tầng Holocen (qh)
Thành phần hóa học (mg/l) Min Max Av Me S V (%) Na+ 11,00 145,00 42,81 39,50 34,69 81 K+ 0,50 14,20 3,41 1,75 3,77 111 Ca2+ 31,06 155,31 78,51 81,16 37,94 48 Mg2+ 18,85 57,76 28,94 27,97 10,37 36 Fe 0,00 0,83 0,29 0,34 0,28 97 NH4+ 0,00 90,00 14,39 5,50 24,84 173 Cl- 12,05 203,84 76,26 60,27 59,15 78 SO42- 0,00 33,62 6,85 2,40 10,50 153 HCO3- 222,72 768,85 429,84 387,48 182,69 43 SiO2- 2,96 17,44 10,62 11,40 4,90 46
Trong khu vực, hàm lƣợng cation Ca2+ và Mg2+ có mối tƣơng quan chặt chẽ
với hàm lƣợng HCO3- trong nƣớc với hệ số tƣơng quan tƣơng ứng là r = 0,75 và r =
0,65 (hình 3.1).
Hình 3.1: Tƣơng quan giữa hàm lƣợng Ca2+ với HCO3- và Mg2+ với HCO3-
Điều này giải thích rằng nguồn gốc của ion Ca2+ và Mg2+ trong nƣớc dƣới đất
đƣợc tạo ra từ sự phong hóa hóa học của các loại đá và khống vật bởi nƣớc ngầm chứa axit cacbonic (và các axit khác). Ví dụ nhƣ:
Đá vơi : CaCO3 + H2CO3 Ca2+
+ 2HCO3- (1)
Đolomit : [Ca,Mg] + 2H2CO3 Ca2+ + Mg2+ + 4HCO3- (2)
Khoáng vật thuộc lớp Alumosilicat:
2CaAl2Si2O8 + H2SO4 + 4 H2O 2 Al2Si2O5 + 2 Ca2+ + SO42- + 2OH- (3)
Canxit và Đolomit là các khoáng vật rất phổ biến trong đất đá, lại là các khống vật kém bền hóa học, dễ bị hịa tan. Mặt khác, kim loại kiềm thổ (trừ Be) là các kim loại thủy phân yếu, không bị kết tủa hydroxit ở điều kiện pH thấp và trung
tính. Do đó hàm lƣợng Ca 2+ và Mg2+ rất phổ biến trong nƣớc dƣới đất. Tuy nhiên,
ion Ca2+ thƣờng có hàm lƣợng lớn hơn ion Mg2+ do các đá trầm tích thƣờng chứa
nhiều khống vật của Canxi hơn Magie, mặt khác khi Mg2+ trong nƣớc đạt một hàm
lƣợng nhất định nào đó thì nó có thể tạo với axit silicxit hịa tan và các thành phần khác nhiều loại khoáng thứ sinh nhƣ secpentin, các khoáng vật sét (mommorinolit,vecmiculit…)
3Mg2+ + 6 HCO3- + 2H2SiO3 + 3H2O H2CO3 + Mg3Si2O3(OH)4 (secpentin) (4)
Tƣơng tự nhƣ vậy, đối với ion Na+ và K+, chúng đƣợc hình thành do sự
phong hóa, hịa tan các khống vật silicat và Alumosilicat chứa K, Na (chủ yếu là nhóm fenspat):
Na(K)AlSi3O8 + 3 H2O Al2 Si2O5(OH)4 + 2Na +(K+ ) + 2HsiO3- + 2SiO2 (5)
Trong nƣớc dƣới đất, hàm lƣợng Na+ thƣờng lớn hơn hàm lƣợng K+ vì K+
tham gia vào chu trình thực vật mạnh hơn và bị keo mùn hấp thụ. Mặt khác, trong
mơi trƣờng nƣớc, K+ cịn phản ứng với axit silicxit hịa tan để tạo thành khống vật
sét thứ sinh.
Trong các anion chính (Cl-, SO42-, HCO3- ),hàm lƣợng HCO3- chiếm ƣu thế
với giá trị trung bình đạt 429,84mg/l và dao động trong một khoảng khá rộng từ
222,72mg/l - 768,85mg/l. Hàm lƣợng trung bình của Cl- đạt 76,26mg/l và hàm
lƣợng SO42- có giá trị thấp nhất 6,85mg/l. Điều này đƣợc giải thích bởi nguồn gốc
làm giàu bởi sự bổ cập nƣớc của nƣớc mặt cho nƣớc ngầm khi nƣớc mặt chảy qua lớp thổ nhƣỡng đƣợc làm giàu CO2.
3.1.3. Thành phần hóa học chính tầng Pleistocen (qp)
Nƣớc dƣới đất tầng Pleistocen có thành phần và tỉ lệ về mặt hàm lƣợng giữa các ion trong nƣớc tƣơng tự nhƣ nƣớc dƣới đất trong tầng Holocen. Cụ thể nhƣ sau:
Cation: Ca2+ > Na+ > Mg2+ > K+
Anion: HCO3- > Cl- > SO42-
Bảng 3.3: Các đặc trƣng thống kê thành phần hóa học tầng Pleistocen (qp)
Thành phần hóa học (mg/l) Min Max Av Me S V (%) Na+ 8,75 80,00 34,36 33,00 357,73 1041 K+ 1,05 9,00 3,42 2,83 5,23 153 Ca2+ 32,06 130,26 55,56 43,09 884,88 1593 Mg2+ 6,69 39,52 22,96 25,23 84,69 369 Fe 0,00 2,94 0,64 0,34 0,66 103 NH4+ 0,00 72,00 13,24 8,58 371,53 2806 Cl- 6,20 216,25 50,23 26,59 3189,37 6350 SO42- 0,00 14,40 3,34 0,00 24,64 738 HCO3- 189,16 732,24 357,25 369,64 23775,80 6655 SiO2- 1,76 18,60 7,31 6,26 21,79 298
Cũng nhƣ nƣớc dƣới đất tầng Holocen, trong thành phần hóa học nƣớc dƣới
đất tầng Pleistocen, cation Ca2+ chiếm ƣu thế trong các cation chính với hàm lƣợng
dao động trong khoảng từ 32,06mg/l - 130,26mg/l ,trung bình đạt 55,56mg/l, sau đó
lần lƣợt là cation Na+, Mg2+ và K+ với hàm lƣợng trung bình là 34,36mg/l;
22,96mg/l và 3,42mg/l. Trong các anion, HCO3- có hàm lƣợng trung bình lớn nhất
357,25mg/l và SO42- có hàm lƣợng trung bình nhỏ nhất (3,34mg/l), hàm lƣợng anion
Cl- trong nƣớc trung bình đạt 50,23 mg/l. Đặc điểm này đã phản ánh nguồn gốc lục
địa của nƣớc dƣới đất khu vực nghiên cứu.
Qua bảng thống kê ở trên cho thấy, hàm lƣợng các ion trong tầng Pleistocen thấp hơn so với tầng Holocen (hình 3.2). Điều này đƣợc giải thích bởi sự bổ sung mạnh mẽ và thƣờng xuyên hàm lƣợng các ion từ nƣớc mặt đối với nƣớc dƣới đất tầng Holocen.
Hình 3.2: So sánh tƣơng quan thành phần các ion tầng qh và qp 3.2. Độ tổng khống hóa (TDS)
Nƣớc dƣới đất tầng Pleistocen chủ yếu là nƣớc nhạt với độ tổng khống hóa dao động trong khoảng từ 165mg/l đến 738mg/l, trung bình là 376,5mg/l. Trong khi đó, dƣới sự bổ cập nƣớc mạnh mẽ của nƣớc mặt và các nguồn cung cấp nƣớc khác, nƣớc dƣới đất trong tầng Holocen có độ tổng khống hóa cao hơn trong tầng Pleistocen với hàm lƣợng dao động trong khoảng từ 317,76 mg/l đến 1643,74 mg/l, trung bình đạt khoảng 765,49mg/l. Nƣớc ở tầng này chủ yếu cũng là nƣớc nhạt. Tuy nhiên ở một số điểm lấy mẫu, đặc biệt là ở vùng phía Nam của khu vực nghiên cứu bao gồm các huyện Phú Xuyên, Mỹ Đức và Ứng Hòa, xuất hiện các mẫu nƣớc có độ tổng khống hóa >1000mg/l.
Nhìn chung, ở hai tầng chứa nƣớc quan trọng này, chỉ tiêu TDS của nƣớc đáp ứng phù hợp cho việc ăn uống và sinh hoạt của ngƣời dân.
3.3. Kiểu hóa học của nƣớc dƣới đất
Kiểu hóa học của nƣớc dƣới đất đƣợc xác định bằng công thức Kurlov.
3.3.1. Kiểu hóa học của nƣớc tầng Holocen
Với sự chiếm ƣu thế của cation Ca2+ và anion HCO3- trong thành phần hóa học
của nƣớc, theo cơng thức Kurlov, nƣớc trong tầng Holocen là kiểu nƣớc bicacbonat canxi-magie chiếm 85% trong tổng số các mẫu nƣớc. Cơng thức loại hình hóa học của nƣớc tại điểm các điểm khảo sát trong khu vực nghiên cứu nhƣ sau:
Tại điểm Q63a - Hoài Đức: M0,45 pH7,7
Tại điểm Q55a - Đan Phƣợng: M0,62 pH7,6
Một số điểm trong khu vực nghiên cứu còn tồn tại các kiểu nƣớc nhƣ bicacbonat -clorua natri-canxi hoặc bicacbonat-clorua magie-canxi, chiếm 15% tổng số mẫu phân tích. Cơng thức các loại nƣớc này trên các mẫu phân tích thu đƣợc trong khu vực nhƣ sau:
Tại điểm Q52a - Đan Phƣợng: M0,46 pH7,4
Tại điểm Q56 - Hoài Đức: M1,3 pH7,7
3.3.2. Kiểu hóa học của nƣớc tầng Pleistocen
Nƣớc dƣới đất trong tầng Pleitocen khu vực nghiên cứu có kiểu hóa học phổ biến là bicacbonat canxi, bicacbonat canxi-magie. Một trong những mẫu nƣớc thể hiện rõ loại hình hóa học này đƣợc biểu diễn bởi cơng thức Kurlov nhƣ sau:
Tại điểm HN.09a - Hoài Đức: M0,49 pH7,2
Do sự gia tăng hàm lƣợng của các ion Na+ và Cl- theo hƣớng TB-ĐN, hƣớng chính của dịng chảy nên trong khu vực phía tây Hà Nội kiểu nƣớc trong tầng Pleistocen biến đổi từ Bicacbonat Canxi-Magie sang loại hình Bicacbonat-clorua Natri-Magie. Công thức Kurlov của mẫu HN.01a đƣợc lấy tại Phú Xuyên, Hà Nội đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
Tại điểm HN.01a - Phú Xuyên: M0,54 pH6,6
3.4. Thành phần các kim loại
Dựa theo kết quả phân tích 53 mẫu của Đặng Mai và 184 mẫu của Bùi Hữu Việt đƣợc lấy trong khu vực, học viên đã tổng hợp các đặc trƣng thống kê hàm lƣợng các kim loại Cr, Mn, Fe, Cu, Zn , Cd, Sb, Hg, Pb, Ni và As (bảng 3.4). Nồng độ các kim loại Mn, As, Fe, Cu, Zn, Cd, Sb, Hg, Pb có sự biến động khá lớn về hàm lƣợng (hệ số biến phân dao động từ 144 - 342%). Theo QCVN 09:2008/BTNMT và TCVN 5502:2003 giới hạn hàm lƣợng các kim loại cho phép thứ tự nhƣ sau: Cr(50ppb), Mn(500ppb), Hg(1ppb), Fe(5000ppb), Cu(1000ppb), Zn(3000ppb), Cd(5ppb), Sb(5ppb), Hg(1ppb), Pb(10ppb), Ni (1ppb) thì các mẫu nƣớc ngầm trong khu vực chƣa có dấu hiệu ơ nhiễm bởi hàm lƣợng các kim loại nhƣ Cr, Cu, Zn, Cd và Sb. Tuy nhiên, trong khu vực nhiều mẫu có hàm lƣợng các kim loại cao hơn tiêu chuẩn cho phép (TCCP) nhƣ Fe, Mn, Pb, Hg đặc biệt là As. Hàm lƣợng As dao động trong khoảng rất lớn từ 0,02 - 392,4ppb (hệ số biến phân - 216%), có nhiều mẫu có hàm lƣợng As rất cao, gấp từ 10-30 lần so với tiêu chuẩn nƣớc sinh hoạt do WHO quy định (10ppb) trong khi một số thấp hơn tiêu chuẩn nhiều (nhỏ hơn 1ppb).
Bảng 3.4. Các đặc trƣng thống kê hàm lƣợng các kim loại trong nƣớc dƣới đất
Thành phần các
nguyên tố (ppb) Min Max Av Me S V (%)
Cr 1,00 60,00 19,33 20,38 10,71 55,40 Mn 2,00 5917,15 283,60 76,00 629,58 244,21 Fe 1,16 23614,91 4422,59 2178,07 6166,69 139,44 Cu 0,04 76,00 16,38 8,00 15,92 97,16 Zn 1,03 484,00 44,77 17,45 74,77 167,00 As 0,02 392,42 28,77 4,71 62,16 216,05
Thành phần các
nguyên tố (ppb) Min Max Av Me S V (%)
Cd 0,00 1,54 0,12 0,05 0,22 187,93
Hg 0,02 173,63 1,37 0,29 11,59 843,52
Pb 0,03 47,60 4,93 1,58 7,78 157,71
Sb 0,01 6,85 0,94 0,30 1,49 159,24
Ni 8,00 156,00 62,90 64,50 32,40 52,00
Hàm lƣợng của một số kim loại cao gấp nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép có thể do sự ảnh hƣởng cơ bản của thành phần đất đá đến tầng nƣớc ngầm khi có q trình phong hóa, bào mịn hợp chất chứa các kim loại theo dòng nƣớc ngầm và do đặc tính di động khác nhau của các kim loại. Ngồi ra, các kim loại này cũng có thể đƣợc thải ra từ các làng nghề hoặc từ khu công nghiệp, chúng bị rửa trôi theo nguồn nƣớc mƣa và hịa vào các dịng sơng theo hệ thống sơng ngịi trên, tích tụ làm gia tăng hàm lƣợng chúng trong nguồn nƣớc ngầm.
CHƢƠNG 4: HÀNH VI ĐỊA HÓA CỦA ASEN TRONG NƢỚC DƢỚI ĐẤT KHU VỰC PHÍA TÂY HÀ NỘI
4.1. Hàm lƣợng As trong nƣớc dƣới đất
Với 100 kết quả phân tích hàm lƣợng As trong nƣớc dƣới đất tầng Pleistocen và 37 kết quả phân tích nƣớc dƣới đất tầng Holocen trong khu vực cho thấy:
Hàm lƣợng As trong nƣớc dƣới đất tầng Holocen dao động trong khoảng 0,23g/l đến 268,14g/l, trung bình 34,81g/l. Trong khi đó, hàm lƣợng của nguyên tố này trong nƣớc dƣới đất tầng Pleistocen dao động từ 0,14g/l- 392,42g/l, trung bình 38,91g/l (hình 4.1).
Bảng 4.1. Các đặc trƣng thống kê hàm lƣợng As trong tầng Holocen và Pleistocen
Tầng chứa nƣớc Min Max Av Me S V (%)
Tầng Holocen (qh) 0,23 268,14 34,81 5,10 70,17 202
Tầng Pleistocen (qp) 0,14 392,42 38,91 9,11 74,69 192 Theo quy định của WHO về giới hạn hàm lƣợng của các nguyên tố vi lƣợng trong nƣớc ngầm thì hàm lƣợng As khơng đƣợc vƣợt q 10g/l. Nếu theo quy định trên, thì có 32,4% mẫu nƣớc trong tầng Holocen và 44,1% mẫu nƣớc trong tầng Pleistocen đã bị ô nhiễm. Đặc biệt trong tầng Pleistocen 21/100 mẫu có hàm lƣợng As> 100g/l (gấp >10 lần TCCP), điều này cho thấy mức độ ô nhiễm As nghiêm trọng trong nƣớc dƣới đất tầng chứa này. Hệ số biến phân của hàm lƣợng As trong nƣớc tầng Holocen và Pleistocen lần lƣợt là Vqh= 202 % và Vqp= 192% . Nhƣ vậy, sự phân bố hàm lƣợng As trong khu vực là không đồng đều trong cả tầng qh và qp.
Dựa vào kết quả phân tích đƣa ra đƣợc sự phân bậc hàm lƣợng theo các mức khác nhau cho ta hình dung đƣợc phân bố định lƣợng của As (bảng 4.2). Theo đó, hàm lƣợng chiếm tần suất lớn nhất (38%) nằm trong khoảng từ 1 đến 10 µg/l, tiếp đến hàm lƣợng từ 10 - 50 µg/l chiếm 21%, thấp nhất là khoảng hàm lƣợng từ 300 - 400 µg/l (1%). Hàm lƣợng thấp nhất (0 - 1 µg/l) gặp trong 110 mẫu, chiếm tỷ lệ 20%. Hàm lƣợng cao, trên giới hạn cho phép của Tổ chức Y tế thế giới WHO (10 µg/l) chiếm 42%. Cịn hàm lƣợng vƣợt quá giới hạn cho phép đối với tiêu chuẩn chất lƣợng nƣớc ngầm của Việt Nam (50 µg/l) chiếm 21%, trong đó 12% số mẫu