Các nhân tố thủy văn hình thành và phương pháp đánh giá chất lượng nước mặt

NGƯT Phạm Văn Huấn Những luận điểm chung Chất lượng nước trong thủy vực và trong sông ngòi hình thành do ảnh hưởng của nhiều quá trình: xâm nhập và thải các chất hóa học từ nước thải; xá

Các nhân tố thủy văn hình thành và phương pháp đánh giá chất lượng nước mặt

Bởi:

PGS TS NGƯT Phạm Văn Huấn

Những luận điểm chung

Chất lượng nước trong thủy vực và trong sông ngòi hình thành do ảnh hưởng của nhiều quá trình: xâm nhập và thải các chất hóa học từ nước thải; xáo trộn và pha loãng các chất ô nhiễm đi kèm; các quá trình vận chuyển hóa học và tác động tương hỗ của các chất ô nhiễm với các thành phần nước tự nhiên; các quá trình sinh hóa, sinh học, lý hóa

và vật lý diễn ra trong đối tượng nước Tất cả các quá trình này ở mức độ nhiều hay ít đều gắn liền với chế độ thủy văn của đối tượng nước, với các đặc trưng thủy động lực

và hình thái của nó

Đánh giá định lượng tác động các đặc trưng thủy văn đưa ra lên cường độ các quá trình hình thành chất lượng nước các thủy vực có thể còn xa với mọi quá trình kể trên Chi tiếtnhất có lẽ là phương pháp tính toán pha loãng nước thải trong sông, hồ và hồ chứa, phương pháp tính toán lắng đọng các chất lơ lửng chứa trong nước thải, phương pháp ước lượng chất lượng nước bằng cách tích phân các chỉ tiêu gắn với các đặc trưng xác suất của chế độ thủy văn của đối tượng nước

Nước thải là nước đưa ra sau khi sử dụng trong quá trình hoạt động sản xuất và sinh

hoạt của con người Khối nước trong sông và thủy vực là nơi tiếp nhận nước thải, bị ô nhiễm, tức là xảy ra quá trình thay đổi tính chất và thành phần của chúng, dẫn tới việc

suy giảm chất lượng nước để sử dụng (Cơ sở phương pháp đánh giá , 1987).

Phụ thuộc vào cường độ tác động của nước thải lên khối nước sông ngòi và thủy vực đã chia ra các vùng ô nhiễm và vùng chịu ảnh hưởng của ô nhiễm

Vùng ô nhiễm là phần dòng chảy hay thủy vực trong đó sự xâm nhập của các chất ô

nhiễm phá vỡ các quá trình sinh học và sinh hóa tự nhiên, và nồng độ chất ô nhiễm vượt

quá chuẩn quy định về vệ sinh, ngư nghiệp và các chỉ tiêu khác Đất trong vùng này cũng bị ô nhiễm

Vùng ảnh hưởng là phần dòng chảy hay thủy vực trong đó đổ nước thải từ vùng ô nhiễm

hay hoặc là trực tiếp từ việc đổ, nhưng do nồng độ chất ô nhiễm không cao hoặc là ô nhiễm thời hạn ngắn nên trong đó vẫn bảo toàn được tính chất tự nhiên của các quá trình sinh học và sinh hóa Nồng độ chất ô nhiễm trung bình không vượt quá chuẩn, nhưng có thể quan trắc được các thể tích nước riêng ô nhiễm mạnh hơn

Sự hình thành vùng ô nhiễm xảy ra từ từ, bắt đầu từ thời điểm đưa vào hoạt động các công trình thải Phụ thuộc vào chế độ dòng (hay thủy vực), chế độ thải dòng chảy và các nhân tố khác vùng ô nhiễm được hình thành sẽ ổn định theo thời gian và không gian hoặc sẽ thay đổi kích thước và hình dạng của nó Trong vùng đổ nước thải do sự lắng đọng các chất lơ lửng chứa trong nó tạo nên vùng ô nhiễm trầm tích đáy Ô nhiễm đất trong vùng có thể là nguồn ô nhiễm thứ sinh của khối nước trong trường hợp thay đổi chế độ thủy văn, các đặc trưng thủy lực hay chế độ sóng gió trên thủy vực

Do quá trình pha loãng, ngậm khí, sinh hóa, hóa học và vật lý diễn ra trên đối tượng nước xảy ra sự tái lập các tính chất và thành phần ban đầu của nước (tự làm sạch) Trong

số các quá trình đó, quá trình pha loãng thủy động lực là quan trọng nhất, đôi khi còn là quyết định bởi phần tự làm sạch nước khỏi các chỉ thị ô nhiễm hoà tan

Pha loãng được hiểu là quá trình hạ thấp nồng độ chất ô nhiễm, có trong thành phần của

nước thải do sự trộn lẫn nước sông hay thủy vực Xác định tính chất lan truyền và mức

độ pha loãng của các tạp chất hóa học bền vững trong dòng sông và thủy vực là bài toán thủy lực mà để giải nó đã thiết lập hàng loạt phương pháp tính toán

Tính toán sự pha loãng nước thải trong sông hoặc thủy vực có thể sử dụng để đánh giá toàn bộ tổ hợp hiện tượng, xác định sự tự làm sạch khi tiến hành các đặc trưng số của các quá trình sinh hóa và lý hóa

Sự hạ thấp nồng độ vật chất lơ lửng, chứa trong nước thải có thể diễn ra nhờ sự lắng động của chúng dưới tác động của lực trọng trường Cường độ quá trình này sẽ phụ thuộc cả vào kích thước và khối lượng phần tử cũng như vào các đặc trưng sông hoặc thủy vực (cấu trúc và chế độ dòng chảy, chế độ sóng gió) đã hình thành trong vùng đổ nước thải vùng ô nhiễm các trầm tích đáy khi thay đổi các điều kiện thủy động lực có thể là nguồn ô nhiễm thứ sinh khối nước

Các nhiệm vụ tính toán trong trường hợp này là: xác định nồng độ các chất ô nhiễm lơ lửng trên các khoảng cách khác nhau từ chỗ đổ; xác định kích thước vùng ô nhiễm đáy

và độ dày lớp trầm tích ở vùng này phụ thuộc vào các đặc trưng thủy động lực bị thay đổi của đối tượng nước

Phân loại các dòng nước và thủy vực để bảo vệ chúng

Mục đích chủ yếu của phân loại là xác định hạng và lớp dòng chảy và thủy vực, phản ánh các đặc điểm tự nhiên của chúng để đảm bảo thiết lập có hiệu quả nhất các biện pháp bảo vệ thiên nhiên trong quyền lợi và sử dụng hợp lý tài nguyên nước

Phân loại dòng chảy và thủy vực là một phần bộ phận của phân loại chung các đối tượng của quỹ nước quốc gia thống nhất, soạn thảo trong Viện Thủy văn Nhà nước có sự tham gia của hàng loạt các viện nghiên cứu khoa học Nguyên tắc và sơ đồ phân loại đã được

A M Vladimirov soạn thảo Công trình phân loại được hoàn thiện bởi việc thành lập

GOST “Bảo vệ thiên nhiên Môi trường thủy Phân loại các đối tượng nước”

Trong cơ sở phân chia dòng chảy (sông, kênh, suối, ngòi) và thủy vực (hồ, hồ chứa, ao)

ra các lớp và hạng gồm các đặc điểm chế độ và hình thái của các đối tượng đang xét Hạng phân loại là các dấu hiệu nhận dạng phản ánh các đặc điểm này và biểu hiện bằng việc tập hợp các đặc trưng trực tiếp xác định điều kiện hình thành lượng và chất của nước

Mỗi đặc trưng được chia nhỏ ra các hạng, chỉ ra được sự khác biệt về kích thước đối tượng và các điều kiện về chế độ, sự trao đổi nước của nó v.v Kết hợp các hạng của một dấu hiệu đã cho chỉ ra các điều kiện riêng của chế độ của đối tượng nước và phản ánh bởi kiểu Trên vị trí thứ nhất đưa ra hạng và kiểu phản ánh các điều kiện bất lợi nhất của sự hình thành dòng chảy và chất lượng nước

Tập hợp các dấu hiệu, trọng số mỗi đấu hiệu trong đó phản ánh bởi kiểu, cho phép xác định dưới lớp và lớp của dòng chảy, tức là tổng các trọng số tương ứng của hạng đã cho cho ta kiểu, còn tổng các kiểu là lớp và dưới lớp

Khi phân loại dòng chảy sử dụng các đặc trưng sau đây: vùng địa lý, mùa trong năm, thời gian hoạt động của dòng chảy, tính chất mùa kiệt (thời kỳ kéo dài, tính ổn định),

sự hiện diện của sa mạc hóa, đông lạnh hay băng tích, diện tích bồn tụ thủy, lưu lượng nước, nhiệt độ nước, dao động mực nước,vận tốc dòng chảy Các đặc trưng này chủ yếu thể hiện dạng định lượng Vì thế, lưu lượng nước, vận tốc dòng chảy, nhiệt độ nước và biên độ dao động mực nước được tính như là các đặc trưng trung bình nhiều năm cho thời kỳ kiệt (hay thời gian ít nước)

Đối với dòng chảy chia ra ba lớp và hai dưới lớp trong mỗi lớp Lớp I gồm các sông lớn

và rất lớn có nhiều nước Lớp II gồm chủv yếu là sông nước trung bình Lớp III - các sông nhỏ Sông với bồn thu nước lớn nhưng ít nước thuộc vào lớp II, còn sông trung bình nhưng nước nhiều lại thuộc lớp I

Các sông ngòi nằm trong vùng thiếu ẩm có thời kỳ kiệt ổn định và kéo dài, vận tốc dòng chảy không lớn và hạ thấp mực nước đáng kể trong thời kỳ kiệt, nhiệt độ nước cao gộp vào dưới lớp A

Các sông ngòi nằm trong vùng thừa ẩm hay ẩm biến động và vào màu hè - thu có dòng chảy cực tiểu lớn hơn so với mùa đông không cạn và không đóng băng có thời kỳ kiệt ngắn và không ổn định, vận tốc dòng chảy lớn và sự hạ thấp không đáng kể mực nước vào thời kỳ kiệt, nhiệt độ nước không cao vào thời kỳ này được gộp vào dươcí lớp B

Sự khác biệt giữa các dưới lớp được tính bằng các chỉ số trọng số và hạng trọng số Số thứ tự kiểu càng nhỏ, điều kiện hình thành lượng và chất lượng nước càng tồi Cho nên

ở dưới lớp A rơi vào các đối tượng nước chủ yếu là kiểu thứ nhất, còn dưới lớp B - chủ yếu là kiểu thứ hai và thứ ba

Khi phân loại thủy vực sử dụng các đặc trưng sau đây: diện tích mặt nước, thể tích, độ sâu cực đại, dao động mực nước, nhiệt độ nước, thời gian băng tích, thang nhiệt, hoàn lưu thẳng đứng, trao đổi nước Các đặc trưng này được chia ra các hạng (như lớn, trung bình và nhỏ) với các chỉ tiêu định lượng tương ứng Đại lượng các đặc trưng thủy văn được xác định theo số liệu nhiều năm, còn đối với hồ chứa - phụ thuộc vào mức độ điều tiết theo các đặc trưng nhiều năm hay một năm

Đối với các thủy vực chia ra 4 lớp và 2 dưới lớp trong mỗi lớp Khi đó người ta sử dụng các nguyên tắc giống y như là đối với dòng chảy

Dùng các nguyên tắc đã trình bày trên đây đánh giá cấp xét nghiệm, tính đến trọng số của đặc trưng đã cho của đối tượng nước từ quan điểm xét bảo vệ nó khỏi ô nhiễm, rác rưởi và cạn kiệt cho phép xác định khá khách quan và nhanh chóng lớp của đối tượng nước và khi thực hiện đại chúng theo các phép phân loại các đối tượng nước sử dụng máy tính điện tử

Sơ đồ phân loại đã nêu trên được tập trung xem xét chi tiết hơn trên ví dụ phân loại các dòng chảy Các điều kiện không thuận lợi nhất để hình thành chất lượng nước tốt, và tiếp theo để tập trung nước thải vào sông suối tồn tại trong pha dòng chảy ít, tức là vào

kỳ nước kiệt, khi mà trong các sông lưu lượng nước và vận tốc dòng chảy giảm đột ngột Cho nên khả năng dòng chảy pha loãng nước thải cũng hạ xuống nhiều

Thời kỳ kiệt trên các sông của Liên Xô quan trắc thấy vào mùa đông và hè thu Phần lớn sông có nước tối thiểu vào kỳ đông kiệt, thời gian kéo dài của nó có thể chiếm đến

6 - 7 tháng Cho nên sự hiện diện các lưu lượng nước bé trong quãng thời gian dài trong sông, phủ bởi băng hà, hạn chế mạnh khả năng tự làm sạch của nó

Phân loại sông suối bắt đầu từ việc tính các điều kiện khí hậu, trong đó hình thành dòng chảy kiệt, và cả tính chất của mùa kiệt (bảng 3.1 và 3.2) Khi đó mùa kiệt là ổn định,

nếu như nó không bị phá vỡ bởi lũ Trong trường hợp vắng mặt một hiện tượng nào đó (băng tích, khô cạn v.v ) trọng số được coi bằng 0

Bảng 3.1 Phân loại sông suối theo điều kiện khí hậu

Bảng 3.2.Phân loại sông suối theo tính chất mùa kiệt

Các đặc trưng thủy văn chủ yếu ảnh hưởng đến các quá trình tự làm sạch của sông suối dẫn trong bảng 3.3 và 3.4 Lớp dòng chảy chứng tỏ lượng nước và kích thước của nó, còn dưới lớp phản ánh điều kiện hình thành dòng chảy nước và khả năng tự làm sạch của dòng chảy xác định theo bảng 3.5 Thí dụ như khi phân loại sông Nheva ở Lêningrat, đối với mùa hè, nhận được các số liệu sau đây: theo bảng 3.1 tổng các trọng số (2 + 2 + 1) bằng 5, và tương ứng với kiểu 2; theo bảng 3.2 tổng trọng số (1 + 1 + 0 + 0) bằng 2, kiểu 1; theo bảng 3.3 tổng trọng số (2 + 3 + 2) bằng 7, kiểu 2; theo bảng 3.4 tổng trọng

số (1 + 1) bằng 2, kiểu 1; tổng các kiểu (2 + 1+ 2 + 1) nhận được theo các bảng 3.1 - 3.4,

từ bảng 3.5 xác định lớp I và dưới lớp B Suy ra sông Nheva có khả năng tự làm sạch cao và có thể duy trì sức tải nước thải khá lớn Tuy nhiên về định lượng sức tải cho phép cần được xác định bằng phương pháp tính toán PDK

Bảng 3.3 Phân loại sông suối theo chế độ thủy văn

Bảng 3.4 Phân loại loại theo quy mô nước

Phân loại các đối tượng nước phản ánh các điều kiện chính xác định trạng thái của chúng

và tình trạng gần nhất về nước các mùa và không tính các đặc điểm riêng Vậy nên, khi xác định khả năng pha loãng của sông và hồ có các giá trị điều kiện xáo trộn nước tồn tại trong đối tượng nước đã cho, tức là chế độ thủy động lực của nó

Xáo trộn rối trong sông được xác định bởi vận tốc dòng chảy nước, độ dốc lòng sông,

độ uốn khúc của nó, độ nhám Đối với thủy vực có các giá trị trao đổi trong và ngoài có thể đặc trưng cho mức độ chảy của thủy vực, độ sâu của nó, diện tích, tính chia cắt của đường bờ

Bảng 3.5.Lớp sông suối

Cho nên khi đánh giá sông suối và thủy vực theo các điều kiện xáo trộn nước thải trong

đó có thể sử dụng phân loại (dạng hóa các sông suối và thủy vực), soạn thảo bởi Viện Thủy văn Nhà nước và bổ sung các phân loạicác đối tượng nước nêu trên để tính đến chế độ thủy động lực của nó Với mục đích này chia ra ba dạng sông: đồng bằng, đồi núi và bán sơn địa Phụ thuộc vào độ dốc dọc của bề mặt nước dòng chảy, độ nhám của lòng sông (đặc trưng bởi dạng đất cấu tạo lòng và hệ số nhám), lưu lượng nước (phản ánh độ lớn của dòng chảy) và kích thước sông suối xác định được cường độ quá trình xáo trộn chất ô nhiễm Xáo trộn nước càng nhiều thì sự pha loãng nước và tự làm sạch nước của sôngxảy ra càng nhanh.Sự xáo trộn nước tốt nhất quan trắc thấy ở các sông miền núi, còn xáo trộn yếu nhất - trên các sông nhỏ miền đồng bằng Khi đó, trong sông

xáo trộn rối càng mạnh, hệ số Chezi C càng nhỏ Trong bảng 3.6 chứng minh ví dụ phân

loại sông suối với việc tính đếnchế độ thủy động lực

Việc tính đến các đặc điểm của chế độ thủy động lực thủy vực tiến hành riêng đối với mỗi loại trong bốn loại đã tách ra ở trên: nước sâu chảy mạnh và chảy yếu, nước nông chảy mạnh và chảy yếu (hay không chảy) Do mùa đông vào thời kỳ băng tích không có

sự xáo trộn sóng và gió của khối nước cũng như gây khó khăn cho sự thông khí (tạo nên điều kiện để tích luỹ các chất ô nhiễm ở nơi đổ chất thải) nên với việc dạng hóa các thủy vực cần tính đến thời gian băng tích

Trao đổi nước bên trong bị chi phối bởi rối và các quá trình đối lưu liên quan đến độ sâu

và diện tích thủy vực Hồ càng lớn và càng sâu, sự xáo trộn càng tốt Nó xảy ra mạnh mẽ nhất ở các thủy vực nước sâu và chảy mạnh, còn yếu nhất ở các thủy vực nhỏ có kích thước không lớn, nước nông và không chảy

Bảng 3.6.Dạng hóa các sông suối theo đặc điểm thủy động lực

Trong các thủy vực lớn và nước sâu, một khối nước lớn tác động cùng nước thải làm tăng chuyển động rối và tăng phần xâm nhập nước sạch vào vùng ô nhiễm Điều này thúc đẩy quá trình xáo trộn và tự làm sạch Tuy nhiên cần tính đến sự khác biệt của các quá trình động lực ven bờ,các phần nước nông và nước sâu của thủy vực, đặc biệt khi dao động độ sâu đáng kể vàsự chia cắt đường bờ lớn, sự hiện diện các đảo

Đồng dạng hóa các thủy vực và sông suối nêu trên cho phép đánh giá định tính khả năng

sử dụng chúng như là nơi tiếp nhận nước thải

Đánh giá định lượng sự thay đổi chất lượng nướctrong đối tượng nước khi đổ nước thải vào chúng, lựa chọn vị trí đổ, xác định mức độ cần thiết để làm sạch nước thải v.v được tiến hành bằng các phương phápdựa trên phương trình khuyếch tán rối và tính đến các chỉ tiêu chất lượng nước

Bảng 3.7 Khả năng sử dụng nước sông phụ thuộc vào chất lượng nước

Có lợi * - cần xử lý thêm

Bảng 3.8 Phân loại đánh giá chất lượng nước sông ở Mỹ

Phân loại đối tượng nước theo chất lượng nước, phản ánh mức độ ô nhiễm của chúng cho phép đánh giá khả năng sử dụng nước sông, hồ Thí dụ, sự hạ hạng đối tượng nước theo chất lượng nước sẽ chứng tỏ từ một phía về sự cần thiết: rút gọn dạng sử dụng nước

và phía khác - về sự tăng cường các biện pháp bảo vệ nước đối tượng này

Trong nền tảng của phân loại là các chỉ tiêu tổng hợp hay hoạch định của chất lượng nước, như làthủy sinhhay thủy hóa Ví dụ phân loại nước sông tính đến PDK vớimục đích xác định khả năng sử dụng chúng phụ thuộc vào chất lượng nước có thể tham khảo

bảng 3.7 (Zarubaiev, 1976).

Bảng 3.9 Phân loại đánh giá chất lượng nước sông ở Anh

Phân tích sự phân bố theo lãnh thổ nước chất lượng khác nhau cho ta khái niệm về mức

độ ô nhiễm các đối tượng nước theo chiều dài của chúng, nó có thể thể hiện dưới dạng bảng Vậy nên vào cuối những năm 60, ở Mỹ đã quan sát hơn 200 đối tượng nước về mức độ ô nhiễm [6]

Kết quả đưa ra ở bảng 3.8 Các nghiên cứu tương tự vào đầu những năm 70 được thực hiện ở Anh, mà một trong những chỉ tiêu cơ bản nhất là BPK (bảng 3.9)

Bảng 3.8 và 3.9 cho phép ta có khái niệm chung về trạng thái ô nhiễm các đối tượng nước và trước hết là sông ngòi, chảy trong các vùng công nghiệp đô thị hóa

Sự hình thành chất lượng nước ở thời kỳ kiệt nước trong năm

Dao động mùa và dao động nhiều năm của dòng chảy sông ngòi, trữ lượng nước ngọt trong các thủy vực bị chi phối bởi tính phân phối không đồng đều theo thời gian các đại lượng vàsố lượng tài nguyên nước Càng khó khăn hơn cho việc đảm bảo nước tạo nên vào những kỳ ít nước khi mà trên các sông quan trắc thấy sự suy giảm lưu lượng nước (mùa kiệt hay mùa dòng chảy thấp), còn trên các hồ sự hạ mực nước Thời kỳ kiệt trên các sông ở Liên Xôcó thể kéo dài trong vòngmùa hè - thu - đông có thời hạn từ 6 - 8 tháng hoặc hơn Dòng chảy kiệt hay dòng chảy cực tiểu trong thời kỳ này nhỏ hơn dòng chảy lũ lụt hàng chục và thậm chí hàng trăm lần Dòng chảy cực tiểu phân phân bố rất không đều trên lãnh thổ, giảm từ bắc xuống nam khoảng 10 lần

Tính không đồng đều của sự phân bố trữ lượng nước ngọt theo thời gian và theo lãnh thổ với thời kỳ dòng chảy thấp kéo dài làm hạn chế nhu cầu dùng nước, bên cạnh sự tăng thể tích nước thải thúc đẩy sự càn thiết soạn thảo tổng hợp vấn đề đảm bảo nước có tính đến số lượng và chất lượng nước khi tuân thủ đồng thời quyền lợi bảo vệ các đối tượng nước Khi đó nhất thiết phải có một bức tranh rõ ràng về sự hình thành chất lượng nước trong thời kỳ nước hạ