Giáo trình đo đạc và chỉnh lý số liệu thủy văn - Chương 6 docx

Quan hệ giữa độ clo và độ muối trong nước sông mùa ven biển phức tạp hơn nhiều, không thể dùng công thức 6-1 được do đó người ta đã đưa ra phương pháp xác định lượng muối natri clorua Na

Chương VI

đo độ mặn trong nước sông vùng ven biển

- Độ muối là tổng số gam các loại muối trong một nghìn gam nước biển Tổng số

Trong điều kiện này toàn bộ muối cacbonat bị oxi hoá, thành phần hữu cơ bị đốt cháy, các ion iốt (I-) và brôm (Br-) được thay thế bằng đương lượng ion clo (Cl-) Xác định độ muối

thông qua đó xác định được độ muối Qua kết quả nghiên cứu nước ở đại dương người ta

đưa ra công thức kinh nghiệm biểu thị quan hệ trên như sau:

C=0.030+1.8050Cl (6-1) Trong đó :

C : Là độ muối tính bằng o oo

Cl : Là độ clo tính bằng o oo

Quan hệ giữa độ clo và độ muối trong nước sông mùa ven biển phức tạp hơn nhiều, không thể dùng công thức (6-1) được do đó người ta đã đưa ra phương pháp xác định lượng muối natri clorua (NaCl) là loại muối chiếm tỷ lệ lớn nhất trong các loại muối ở nước biển

- Độ mặn là tổng số gam muối natri-clorua trong một nghìn gam nước biển Đơn vị

hay dùng g/1000g (o oo)- Ký hiệu là S

Để xác định độ mặn người ta dựa vào công thức biểu thị quan hệ giữa độ clo và độ mặn như sau:

Trong đó:

S : độ mặn (o oo)

Cl : độ clo (o oo) Kết quả nghiên cứu cho thấy độ mặn nhỏ hơn độ muối 8,6% Khi độ clo bình quân của nước biển là 19,337o oothì độ mặn bình quân là 32o oo, độ muối là 35%o như vậy giới hạn trên của độ mặn vùng ven biển vào khoảng 32 ữ 35o oo

134

I Đường thuỷ trực lấy mẫu

Khi trạm thuỷ văn cấp I, cấp II có đo mặn thì đường thủy trực lấy mẫu mặn trùng với

đường thuỷ trực đo lưu tốc

Các trạm thuỷ văn cấp III, các trạm chuyên đo mặn thì đường thủy trực được bố trí cố

định vào chỗ có dòng chảy rõ rệt, chỗ dòng chính, tránh nơi nước tù, nước vật

Nói chung đường thuỷ trực đại biểu lấy mẫu phân tích mặn trùng với đường thủy trực

đại biểu đo lưu tốc Trường hợp vị trí 2 đường thuỷ trực đại biểu đó không trùng nhau thì phải xác định vị trí thuỷ trực đại biểu đo mặn riêng

Cách xác định như sau: Tiến hành đo một số lần độ mặn đặc trưng (lớn nhất, nhỏ nhất, trung bình) trên toàn mặt ngang tính, độ mặt bình quân mặt ngang ( Smn) Chọn 1 số đường thuỷ trực tính độ mặn bình quân thuỷ trực Stt Lập quan hệ Smn ~ Stt Thuỷ trực nào cho quan hệ Smn ~ Sttchặt chẽ (có sai số quân phương nhỏ nhất) thì chọn làm thuỷ trực đại biểu

đo mặn

II Vị trí điểm lấy mẫu trên thủy trực

Số điểm lấy mẫu trên mỗi thuỷ trực có thể là 3 điểm hoặc 6 điểm

- Đo 3 điểm ở các độ sâu tương đối: mặt; 0,5h (hoặc 0,6h) và đáy

- Đo 6 điểm ở các độ sâu tương đối: mặt; 0,2h; 0,4h; 0,6h; 0,8h; và đáy

Qua tài liệu thực tế cho thấy độ mặn bình quân thuỷ trực thu được qua 2 phương pháp

đo trên chênh lệch nhau không đáng kể, do đó chủ yếu lấy mẫu theo phương pháp 3 điểm Khi có yêu cầu riêng thì mới dùng phương pháp 6 điểm

III Dụng cụ, máy móc và phương pháp lấy mẫu

Máy lấy mẫu có thể là kiểu chai có nút hoặc dùng máy lấy bùn cát kiểu ngang hoặc máy chân không Nếu lấy mẫu bằng máy kiểu chai thì cho chai xuống điểm đo, giật nút vòi, chờ cho nước đầy chai là kéo lên

Nếu dùng máy kiểu ngang hoặc máy chân không thì việc lấy mẫu phân tích mặn tương

tự như lấy mẫu bùn cát bằng phương pháp tích điểm

Mỗi lần lấy trên mặt cắt ngang hoặc trên thuỷ trực đại biểu đều phải đo mực nước, đo nhiệt độ nước Các mẫu nước được ghi thời gian, vị trí đo để tránh nhầm lẫn khi tính toán Sau mỗi lần lấy mẫu cần phân tích ngay độ mặn để xác định xu thế thay đổi của độ mặn mà

bố trí lần đo tiếp theo cho hợp lý

I Dụng cụ dùng để phân tích độ mặn:

Trong phân tích mẫu việc sử dụng chính xác và đúng quy định các loại dụng cụ đo lường, quyết định phần lớn độ chính xác của kết quả

135

Các loại dụng cụ thường dùng gồm có: bình định mức, ống dung lượng, ống hút và ống nhỏ giọt

1 Bình định mức

Bình định mức làm bằng thuỷ tinh, có khắc vạch dung tích ở nhiệt độ tương ứng (150C hoặc 200C) Bình định mức thường dùng gồm các loại: 1000, 500, 250, 200 và 100ml Trước khi dùng bình phải được rửa 2 đến 3 lần bằng nước sạch, sau đó rửa lại bằng nước cất 2-3 lần nữa Bình định mức thường được dùng để pha dung dịch có nồng độ định trước Khi xác

định thể tích dung dịch không cầm tay vào bình tránh gây sai số dung tích do làm tăng nhiệt

độ dung dịch

Khi pha chế một dung tích nào đó nên cho dần nước cất vào và lắc đều, khi tinh thể tan hết, thì thể tích dung dịch vào khoảng 3/4 dung tích định mức Để cho nước trong bình yên tĩnh, sau đó dùng ống hút hoặc đũa thuỷ tinh cho nước cất vào từ từ, tới khi điểm thấp nhất của mặt thoáng vừa tới vạch định mức là được

Khi xác định độ cao mặt thoáng dung dịch phải để tầm mắt nằm ngang

2 ống hút

ống hút được làm bằng thuỷ tinh Cấu tạo gồm 2 loại: loại có bầu và loại chia độ (hình 6-1)

ống hút thường dùng để đưa một thể tích nào đó của dung dịch từ bình này sang bình kia

Trước khi sử dụng ống hút cần được rửa sạch và tráng kỹ lại bằng nước cất

3

10 9 8 7

5 6 4

50

2 1 0

1 2

11 10 9 8

5ml

3 4 5

1

7 3 2

136

3 ống dung lượng

ống dung lượng là 1 ống thuỷ tinh hình trụ có đáy, trên thân ống có khắc vạch chỉ dung tích (hình 6-2)

ống dung lượng thường có các loại dung tích: 5, 10, 15, 25, 50, 100, 200, 500, 1000 ml, dùng để đo thể tích dung dịch không đòi hỏi độ chính xác cao

4 ống nhỏ giọt

ống nhỏ giọt là một ống thuỷ tinh nhỏ dài, trên thân có khắc độ chỉ thể tích (ml) Phần dưới cùng nhỏ dần và có khoá để đóng mở khi cần thiết Vạch khắc độ 0,00 ở trên cùng Độ chính xác khi sử dụng đọc tới 0,10 hoặc 0,15 ml, ước đoán tới 0,01 ml (hình 6-3) Trước khi

sử dụng ống nhỏ giọt cần tháo khoá rửa sạch bằng nước cất, tráng lại bằng dung dịch bạc nitrat (AgN03) rồi cho dung dịch chảy ra hết sau đó mới sử dụng

a) b)

II Hoá chất dùng để phân tích mặn và cách pha chế

1 Pha dung dịch bạc nitrat N = 0,0855

Lấy tinh thể bạc nitrat (AgN03) cho vào đĩa và sấy ở nhiệt độ 120oC trong 2 giờ, lấy ra

để nguội trong bình hút ẩm 45 phút Cân thật chính xác 14,533 gam (AgN03) hoà với một ít nước cất cho vào bình định mức 1 lít Sau đó cho dần nước cất (cất hai lần) vào lắc đều cho tan hoá chất rồi cho nước cất đến vạch định mức 1 lít, lắc đều

Dung dịch bạc nitrat thường được chứa trong bình màu nâu để trong bóng tối, tránh ánh sáng làm phân giải dung dịch

AgNO3 N =0,0855 pha thêm bốn lần thể tích nước cất hai lần

2 Pha dung dịch chuẩn Nacl N = 0,0855

Cần thật chính xác 5g tinh thể Nacl (đã sấy khô ở 120oC trong 4 giờ và để trong bình hút ẩm 45 phút), hoà vào 1 ít nước cất cho vào bình định mức 1000 ml, cho thêm nước cất vào đến vạch định mức và lắc đều

3 Pha dung dịch K 2 Cr 2 O 4 10%

Cân 10g tinh thể K2Cr2O4 hoà với 100ml nước cất

4 Phương pháp điều chỉnh nồng độ dung dịch bạc nitrat

Để điều chỉnh nồng độ dung dịch AgNO3 trước tiên ta dùng ống hút, lấy thật chính xác 10ml dung dịch chuẩn NaCl N = 0,0855 cho vào bình tam giác đã rửa sạch (có thể cho thêm

137

vào 10-20 ml nước cất nữa), rồi cho vào 3 giọt chỉ thị màu K2Cr2O4 10% Dùng dung dịch

thí nghiệm sai nhau không quá 0,1 ml thì dùng trị số bình quân số học của lượng AgNO3 đã nhỏ giọt

thì nồng độ nhỏ Cách điều chỉnh nồng độ như sau:

ΔV tính theo công thức sau:

1

1

V

) V 10 (

Trong đó:

V : Thể tích dung dịch AgNO3 cần điều chỉnh (ml)

V1 : Lượng AgNO3 bình quân đã dùng khi nhỏ giọt (ml)

công thức sau:

ΔG=

1

1

V

) 10 V (

Sau khi đã điều chỉnh nồng độ tiến hành làm lại thí nghiệm như bước (1) nếu nồng độ AgNO3 chưa đạt yêu cầu thì tiến hành điều chỉnh lần thứ hai

III Các bước phân tích và tính toán độ mặn

1 Dung tích nước mẫu phân tích: Để bảo đảm độ chính xác của tài liệu, tiết kiệm

hoá chất và tiện cho tính toán nên chọn thể tích nước mẫu phụ thuộc vào độ mặn như bảng (6-1)

Bảng 6-1 Thể tích nước mẫu dùng để phân tích

> 1,000

0,250 ữ1,000

< 0,250

0,0855 0,0855 0,01712 0,01712

5

5

1

1

5ml pha thêm 15ml nước cất

20

20 50ữ100

138

2 Các bước phân tích mặn

a Trước khi phân tích 1-2 giờ đem mẫu nước và dụng cụ phân tích để trên bàn cho nhiệt độ của chúng bằng nhiệt độ trong phòng (15-20oC)

b Xác định độ pH (dùng giấy thử pH) Nếu pH < 7,0 thì dùng dung dịch Na2CO3 0,1N trung hoà đưa pH về khoảng 7 Nếu pH > 10 thì dùng dung dịch H2SO4 0,12N để trung hoà đưa pH ≈7 Nếu pH = 7,5 ữ 10 thì không cần điều chỉnh độ pH

c Cho dung dịch AgNO3 vào ống nhỏ giọt đến vạch khắc độ “0”

d Dùng ống hút, hút mẫu nước (theo bảng 6-1) cho vào bình tam giác

e Cho vào nước mẫu 3 giọt chỉ thị màu K2Cr2O4

hồng nhạt) thì ghi lấy lượng AgNO3 đã nhỏ giọt

3 Tính toán độ mặn

a Độ mặn tại điểm đo

- Hàm lượng cl tính theo công thức sau:

V

5 , 35 N

V : dung tích nước mẫu dùng để phân tích (ml)

Nếu gọi p’ = N x 35,5 thì độ cl- được xác định:

V

' P W

ì

ì

Khi N = 0,0855 thì p’ = 3,035

N = 0,01712 thì p’ = 0,607’

- Độ mặn tính theo công thức:

V

45 , 58 N

Trong đó các ký hiệu W, N, V như trong công thức (6-6)

58,45 : Là đương lượng của NaCl

139

Nếu gọi P = N x 58,45 thì độ mặn được tính:

V

P W

ì

ì

N = 0,01712 thì P = 1,0 Nếu xác định độ mặn trước thì hàm lượng Cl- được xác định như sau:

Để tiện tính toán khi phân tích mặn có thể áp dụng công thức tính sẵn như bảng 6-2 sau

đây:

Bảng 6-2 Tính hàm lượng Cl và NaCl Nồng độ dung dịch

AgNO3 (N)

Thể tích nước mẫu phân tích (ml)

Công thức tính lượng muối NaCl

-độ mặn (mg/l)

Công thức tính hàm lượng Cl- (mg/l)

0,0855

0,01712

⎩

⎨

⎧ 20 5

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧ 100 50 20

1000W 250W 50W 20W 10W

607W 151,8W 30,35W 12,14W 6,07W

b Độ mặn bình quân thuỷ trực:

Đo 3 điểm:

3

S S

S

Đo 6 điểm :

6

S S

S S

S S

Stt mặt + 0, h+ 0, h+ 0, h + 0, h + dáy

c Độ mặn bình quân mặt ngang:

- Trường hợp khi đo mặn đồng thời có đo lưu lượng nước trên mặt ngang thì độ mặn bình quân mặt ngang được tính theo công thức sau:

Q

S Q

2

S S Q

2

S S S

S

n Q n 1 n n 1 -n 1

2 1 0 Q 1 mn

+

+ +

+ +

140

- Trường hợp khi đo mặn không đo lưu lượng thì độ mặn bình quân mặt ngang sẽ là:

n

S S S

S

+ + +

Trong các công thức từ (6-11) ữ (6-14) thì:

Smặt,, S02h, S04h - Độ mặn tại điểm có độ sâu tương đối là mặt, 02h, 04h

S1, S2 Sn - Độ mặn bình quân tại thuỷ trực số 1,2 n

Qo' Q1 Qn - Lưu lượng nước bộ phận giữa các thuỷ trực lấy mẫu mặn

I Nguyên lý hoạt động chung của máy đo mặn

Chúng ta đã biết độ dẫn điện trong môi trường nước phụ thuộc vào hàm lượng các loại

muối có trong đó Khi hàm lượng muối càng lớn thì độ dẫn điện càng lớn và ngược lại Dựa

vào tính chất này máy sẽ xác định được độ mặn thông qua độ dẫn điện của nước sông nơi

đo đạc

Một trong các bộ phận chủ yếu của máy là đầu đo (sensor) gồm hai cực điện, thường

được làm bằng platin (bạch kim) đặt cách nhau một khoảng xác định Khi đo, sensor được

đưa xuống nước tại điểm đo, độ dẫn điện của nước sẽ được máy chủ chuyển đổi thành giá trị

độ muối và độ mặn Kết quả đo đạc sẽ được hiển thị tức khắc trên màn hình hoặc được ghi

vào bộ nhớ của máy

Thông thường máy đo mặn còn có các sensor khác để đo cùng lúc nhiều yếu tố như

nhiệt độ nước, độ ôxy hoà tan, độ đục, độ pH v.v

II Giới thiệu một số loại máy đo mặn

- Máy TOA do Nhật Bản sản xuất: Đo được 7 yếu tố (độ mặn, nhiệt độ, ôxy hoà tan,

độ dẫn điện, độ đục, độ pH, độ muối)

- Máy HANNA (Mỹ): Loại này rất gọn nhẹ, các yếu tố đo được gồm: Độ mặn, độ

muối, nhiệt độ, độ dẫn điện

- Máy AST-200; AST-500, AST - 1000 (Nhật): Hệ thống của loại máy nằm dưới

nước, máy có thể đo được độ mặn và nhiệt độ nước theo chiều sâu dòng chảy.Việc đo

đạc được tự động hoá và số liệu được lưu trữ vào bộ nhớ

- Máy P- 1000, P- GHK, D- GHK (Nhật) cũng có các tính năng như các loại máy

trên nhưng hệ thống được lắp đặt trên bờ

III Đo độ mặn bằng máy

1 Công tác chuẩn bị: Trước khi đo cần kiểm tra lại tình trạng hoạt động của máy

Công tác kiểm tra có thể được tiến hành trên bờ (với nước mẫu ở trong thùng) Máy được

lắp ráp pin hoặc nối với nguồn điện theo thiết kế của máy Phần lớn các máy đo mặn được

cung cấp nguồn điện 1 chiều bằng pin hoặc ắc qui định có điện thế 3, 6, 12 V

141

2 Đo độ mặn bằng máy TOA và HANNA: Căn cứ vào các qui định ở

thủy trực và định số điểm đo trên thuỷ trực

- Dùng sào hoặc cá sắt đưa sensor của máy xuống điểm đo chờ (5ữ10)s cho nước ổn

định rồi mở máy, ấn phím chức năng đo mặn và ghi lại kết qủa trên màn hiển thị Trường hợp cần đo các yếu tố khác thì điều khiển các phím trên máy để giá trị yếu tố cần đo xuất hiện lần lượt trên màn hình

- Trường hợp từ nơi đặt máy chủ tới điểm đo vượt quá chiều dài dây dẫn của máy (từ máy tới sensor) thì có thể lấy mẫu nước tại điểm cần đo đựng vào thùng, đưa lên bờ, nhúng sensor vào để đo đạc Trường hợp này độ chính xác của một số yếu như độ ô-xy hào tan, nhiệt độ nước sẽ không phản ảnh đúng thực tế tính chất của nước nơi cần đo

- Máy đo mặn giúp ta dễ dàng xác định được độ mặn và một số yếu tố khác rất tiện lợi, nhất là khi đo mặn và các yếu tố khác phục vụ cho công tác điều tra, khảo sát

- Máy sẽ cho ngay kết quả tại hiện trường giúp ta điều chỉnh chế độ đo kịp thời và hợp lý Tuy vậy giá máy đo mặn vẫn còn khá cao, nên chưa có điều kiện để trang bị rộng rãi cho các trạm đo mặn Do yêu cầu của sản xuất và nghiên cứu khoa học nên

việc xác định độ mặn bằng phương pháp đã trình bày ở

được phổ biến và áp dụng

I Khái niệm về độ chua

Độ chua trong nước thiên nhiên do sự tồn tại của các axít hữu cơ tự do, khí cacbonic chưa hoá hợp và các loại kiềm yếu tạo thành, chủ yếu quyết định bởi tỷ lệ nồng độ của các ion H+ hoặc OH-

Trị số pH phụ thuộc vào nồng độ H+ (của axít), trị số p0H phụ thuộc vào nồng độ OH -(của kiềm) Vì giá trị của chúng trong nước quá nhỏ không tiện cho việc ghi chép tính toán, nên người ta dùng giá trị âm logarít của [H+] và của [0H-] để biểu thị môi trường của nước, tức là:

pH > 7 - nước thuộc loại kiềm

pH < 7 - nước thuộc loại axít

II Lấy mẫu nước đo độ chua :

Độ chua trong nước sông, hồ cũng thay đổi theo thời gian và không gian như độ mặn nên việc lấy mẫu cũng cần được tiến hành theo từng điểm tương tự như lấy mẫu đo độ mặn

142

Trường hợp cần đo cả hai yếu tố độ mặn và độ chua thì mỗi mẫu nước có thể dùng để đo xác định đồng thời cả hai yếu tố

III Phương pháp xác định độ chua pH:

Độ chua có thể được xác định bằng giấy thử pH hoặc dùng loại máy đo được các yếu tố tổng hợp như đã trình bày ở Đ6-4

Nguyên lý của phương pháp dùng giấy thử pH như sau: Mẫu nước có trị số pH khác nhau khi gặp giấy thử pH sẽ xuất hiện màu sắc khác nhau, dựa vào tính chất này để xác

định trị số pH Muốn xác định độ pH ta dùng một mảnh giấy thử pH nhúng vào nước mẫu cho ướt đều rồi lấy ra để khoảng 1 phút khi màu đã lên rõ thì đưa so sánh với thang màu pH chuẩn để xác định độ pH của mẫu

Độ mặn tại các sông thuộc vùng ảnh hưởng triều phụ thuộc vào các yếu tố chủ yếu như: Chế

độ thuỷ triều, dòng triều, lượng nước từ thượng nguồn do đó việc qui định chế độ đo sao cho thể hiện được sự thay đổi của độ mặn theo thời gian và không gian là yêu cầu cần thiết của công tác điều tra cơ bản: Chẳng hạn:

- Để thể hiện được quá trình mặn (s ~ t) thì cần bố trí đo 3-4 lần liên tiếp từ sau khi xuất hiện mực nước chân triều, mực nước đỉnh triều, khoảng thời gian của hai lần đo kề nhau có thể là 30 ph’, 1 giờ

- Để thể hiện quá trình (s ~ t) trong mỗi kỳ triều thì cần đo một số ngày đặc trưng trong kỳ triều (triều mãn, triều trung bình và triều cường)

- Đối với vùng có chế độ bán nhật triều hay triều hỗn hợp số lần đo sẽ nhiều hơn tại vùng có chế độ nhật triều

Khi đo mặn để phục vụ cho một chuyên đề, hoặc phục vụ sản xuất thì tuỳ theo yêu cầu

đặt ra mà bố trí chế độ đo, thời kỳ đo cho phù hợp

• Chế độ đo chua:

Độ chua trong nước sông, hồ luôn thay đổi theo thời gian và không gian Để xác định nắm được sự thay đổi đó chế độ đo độ chua cũng được bố trí tương tự như chế độ đo độ mặn Việc đo đạc và sử dụng tài liệu độ chua có thể cần thiết đối với mọi nguồn nước, trong khi đó độ mặn trong nước sông vùng ven biển mới có ý nghĩa đối với đời sống và sản xuất

143