Đánh giá chất lượng tự nhiên của nước ở pha kiệt của lưu lượng

Khái quát các đặc trưng thủy hóa dòng chảy địa phương ở dạng bản đồ vùng hay bản đồ đẳng trị chất chỉ thị hóa học hình thành các chỉ tiêu chất lượng nước chủ yếu, cho phép nhận được các

Đánh giá chất lượng tự nhiên của nước ở pha kiệt của lưu

lượng

Bởi:

PGS TS NGƯT Phạm Văn Huấn

Chất lượng nước tự nhiên sông ngòi và hồ chính là nền hay cơ sở trên đó diễn ra sự thay đổi trạng thái định tính của đối tượng nước gây nên bởi sự can thiệp của con người Sự đánh định lượng các chỉ thị hóa học được xác định dựa trên kết quả lấy mẫuđơn vị nước trên các trạm đo đạc thủy văn Phương pháp lấy mẫu nước, cách xử lý chúng và phân tích được xem xét trong các giáo trình đo đạc thủy văn và thủy hóa

Số liệu phân tích thủy hóa cho phép nhận được các thông tin về chất lượng nước chỉ ở các trạm lấy mẫu nước đối với các sông chưa được nghiên cứu ở khía cạnh thủy hóa về chất lượng nước tự nhiên có thể nhận được theo số liệu về các đặc trưng thủy hóa dòng

chảy địa phương (theo xác định của P P Voronkov [5]), nó được hiểu là các chỉ thị hóa

học thành tạo do kết quả hoà tan các hợp chất hữu cơ và vô cơ của bề dàylớp đất thổ nhưỡng cấu tạo lưu vựccác sông nhỏ Trên các sông vừa và lớn, thành phần hóa học của nước được hình thành do sự trộn nước có thành phần khác nhau, được thành tạo trên các sông nhỏ Khái quát các đặc trưng thủy hóa dòng chảy địa phương ở dạng bản đồ vùng hay bản đồ đẳng trị chất chỉ thị hóa học hình thành các chỉ tiêu chất lượng nước chủ yếu, cho phép nhận được các thông tin cần thiết đối với sông ngòi chưa được nghiên cứu từ khía cạnh hóa học Khi đánh giá chất lượng nước tự nhiên cũng có thể sử dụng quan hệ của các chất chỉ thị hóa họcvới các đặc trưng thủy văn, như lưu lượng nước, hay với các chỉ tiêu chính của chất lượng nước (như độ khoáng hóa tổng cộng có thể xác định theo quan hệ với hàm lượng ion chính trong nước sông)

Hình 3.1 Độ khoáng hóa (mg/l) sông đối với năm nước trung bình1 - ranh giới vùng

nghiên cứu

Khi xác định chất lượng nước tự nhiên cần phải tính đến căn nguyên của nó Trong thời

kỳ lụt hay lũ lớn trong mạng lưới sông ngòi chủ yếu là nước hình thành trêô nhiễm bề mặt lưu vực và các tầng thổ nhưỡng Khi có lụt hay lũ lớn mạng lưới sông ngòi được bổ sung bởi nước có nguồn gốc từ đất đá Trong thời gian còn lại, đặc biệt vào mùa kiệt, trong mạng lưới sông ngòi chủ yếu là nước ngầm Phụ thuộc vào nguồn gốc, nước sẽ được phân biệt hẳn theo hàm lượng các hợp chất vô cơ và theo lượng chất hữu cơ hoà tan Vẽ bản đồ các đặc trưng hóa học nước có nguồn gốc khác nhau cho phép nhận được

sô liệu về số lượng chất chỉ thị hóa học dòng chảy địa phương các sông chưa nghiên cứu vào những pha nước khác nhau cũng như về chế độ thủy hóa của chúng

Hình 3.2.Quan hệ độ khoáng hóa tổng cộng với hàm lượng anion

trong các nước sunfat sông ngòi (đối với lưu vực sông thượng Vonga)

Các sông nhỏ thường hay bị ô nhiễm, cho nên khi xây dựng bản đồ phân vùng hay các đường đẳng trị các đặc trưng hóa học để đánh giá trạng thái nền của chất lượng nước một vùng lãnh thổ cho trước cần nghiên cứu kỹ lưỡng tài liệu gốc và loại bỏ các tuyến

đo có chế độ thủy hóa bị phá vỡ mạnh Các lưu vực các sông nhỏ sử dụng để khái quát cần phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- bề mặt lưu vực cần đơn nhất theo địa hình và sự chênh lệch độ cao nhỏ;

- lưu vực sông ngòi cần được cấu tạo bởi các đất đá chủ yếu một thành phần thạch học

và không có nhập lưu nước ngầm đáng kể hình từ từ ngoài phạm vi của lưu vực đã cho;

- lớp phủ thổ nhưỡng của lưu vựccần đồng dạng theo mức độ hóa mặn của các muối dễ hoà tan (clo, sunfat);

- thực vật chiếm ưu thế trên lưu vực cần chiếm 70 -75 % diện tích của nó;

- hình thành các pha nước cần phải diễn ra đồng thời khắp cả lưu vực

Tuân thủ các điều kiện đã liệt kê cho phép xác định các đặc điểm chính thành phần hóa học của nước dòng chảy địa phương

Hình 3.3.Quan hệ độ khoáng hóa tổng cộng với hàm lượng cation trong các nước

sunphat sông ngòi (đối với lưu vực sông thượng Vonga)

Phương pháp xây dựng bản đồ các đặc trưng thủy hóa được P.P Voronkov [5] soạn thảo Trên một tờ bản đồ có thể lên các đường đồng mức và ranh giới vùng phân bố chất

chỉ thị hóa học Bản đồ xây dựng theo số liệu các giá trị trung bình nhiều năm các chất

chỉ thị hóa học đặc trưng cho pha dòng chảy cho trước, gắn với trọng tâm lưu vực nếu dẫn các đường đẳng trị hoặc với tuyến đo nêu thực hiện việc phân vùng

Khi phân tích độ khoáng hóavà thành phần hóa học nước số liệu về độ khoáng hóa thể hiện trên bản đồ bằng các đường đồng mức các giá trị làm tròn tính bằng mg/l Thường chúng nhận các giá trị cách 10 hay 100 mg/l Khi độ khoáng hóanước lớn và tỷ lệ bé nó

có thể lên tới 1000 mg/l

Số liệu về thành phần hóa học của nướcđưa lên bản đồ ở dạng giá trị hàm lượng ion và cation, biểu thị bằng % đương lượng Ranh giới các vùng được xác định theo phạm vi dao động của giá trị % đương lượng Thường trong một vùng gộp các giá trị khác nhau trung bình theo khu vực từ 10 -15 %

Độ khoáng hóalớn nhất trên các sông ngòi của Liên Xô quan trắc vào các thời kỳ nước

ít nhất đối với phần lớn sông ngòi diễn ra vào mùa đông và chỉ có các vùng phía tây và phía nam phần Âu Liên Xô vào mùa hè Cho nên bản đồ độ khoáng hóa được tập trung xây dựng đối với vùng chuyển tiếp gồm cả mùa đông, mùa hè phụ thuộc vào lãnh thổ Khái niệm về độ khoáng hóa trong thời kỳ chuyển tiếp và phân bố của nó trên lãnh thổ

Liên Xô đối với sông nước trung bình cho ra bản đồ độ khoáng hóa nước sông ngòi phần

Âu Liên Xô được thành lập bởi V V Voronkov và V I Zubareva (Hình 3.1)

Trên lãnh thổ Đông Xibia và Đông Bắc Liên Xô trong vùng băng hà nhiều năm hầu như các sông nhỏ bị băng phủ trong một thời gian dài cho nên việc đánh giá độ khoáng hóa nước có thể tiến hành theo sô liệu quan trắc trên các sông lớn và vừa

Tuân theo đánh giá tương đối của chất lượng nước uống mà với nó độ khoáng hóa là một trong các chỉ tiêu chính (bên cạnh độ cứng, độ axit permangan, sự hiện diện của các tạp chất độc hại), và trong trường hợp độ khoáng hóa đến 600 mg/l nước được coi là tốt (tính đến cả các chỉ tiêu khác), nước phần lớn sông ngòi của Liên bang Xô viết vào thời

kỳ nước ít theo giá trị độ khoáng hóa có thể liệt vào hạng tốt Các đường đồng mức 600 mg/l đi qua vùng phía nam phần Âu Liên Xô và Tây Xibia Tuy nhiên phía nam đường đồng mức này xảy ra sự tăng đột biến độ khoáng hóa nước trên một không gian hoàn toàn không lớn nó nhanh chóng đạt tới 1000 mg/l và hơn thế nữa chuyển nước trở nên bất lợi cho sự uống.Sự hiện diện của quan hệ khá chặt chẽ giữa độ khoáng hóa và hàm lượng các ion chính có thành phần hóa học nước giống nhau như các ion cacbonat hay sunfatchiếm ưu thế, cho phép tiến hành các tính toán tổng độ khoáng hóa của nước theo hàm lượng một trong các loại ion hay ngược lại

Hình 3.4 Quan hệ độ khoáng hóa với độ cứng tổng cộng (I)

và thường xuyên (II)của nước sông H

Trên hình 3.2 và 3.3 chỉ ra ví dụ quan hệ giữa độ khoáng hóa và hàm lượng các ion chính của nước sông tính chất sunfat đối với lưu vực Vonga Thượng

Đối với các điểm, trên đó tiến hành các quan trắc thủy hóa có thể xây dựng các đồ thị quan hệ của độ khoáng hóa và lưu lượng nước cho mùa kiệt, tính đến biên độ dao động các đặc trưng ấy cho toàn bộ thời kỳ quan trắc Với sự giống nhau của các điều kiện hình thành dòng chảyvà thành phần hóa học của nước các sông trung bình các đồ thị này có thể trung bình hóa và chấp nhận làđồ thị quan hệ vùng Sự hiện diện các đồ thị quan hệ vùng độ khoáng hóa và lưu lượng nước cho phép theo các giá trị đã biết của lưu lượng nước (xác định theo số liệu quan trắc hay bằng cách tính toán) xác định tổng độ khoáng hóa của nước đối với các sông chưa nghiên cứu

Hình 3.5 Phân bố độ cứng tổng cộng (mg đương lượng/l) của nước

trong mùa ít nước đối với sông nước trung bình, 1 - ranh giới vùng nghiên cứu

Với độ khoáng hóa của nước quan hệ trực tiếp với độ cứng của nó, nó tăng tỷ lệ thuận với nhau Quan hệ thường rất chặt chẽ và có thể sử dụng để tính toán (Hình 3.4) Độ cứng dư và không phân huỷ, tất nhiên không lớn, cố định theo thời gian và không thay đổi khi có sự thay đổi độ khoáng hóa Phân bố tổng độ cứng theo lãnh thổ Liên Xô về tổng thể trùng với phân bố độ khoáng hóa nước sông

Trên hình 3.5 chỉ ra bản đồ phân bố tổng độ cứng của nước vào mùa nước ít đối với sông nước năm trung bình bản đồ được thành lập bởi A M Vladimiarov trên cơ sở bản

đồ của P P Voronkov đối với phần Âu Liên Xô Đối với Đông Xibia và Đông - Bắc

Liên Xô các đường đồng mức không được dẫn vì các nguêyn nhân rằng khi khái quát số liệu về độ khoáng hóa nước, do kỹ thuật xây dựng bản đồ tương tự như thế

Nếu theo độ khoáng hóa tự nhiên, nước sông trên phần chủ yếu của lãnh thổ Liên Xô thuộc hạng tốt, thì theo độ cứng tổng cộng hạng này (độ cứng tổng cộng cho phép đến

3 mg đương lượng /l) thoả mãn chỉ đói với sông phía bắc đất nước (laọi bỏ vùng karst) Trên phần lớn lãnh thổ phầnÂu Liên Xô và trong các vùng Tây và Đông Xibia rộng lớn nước sông có độ cứng ôn hoà

Mối quan tâm thực tiễn tó lớn là đánh giá tổng hợp chất lượng nước tự nhiên các sông Liên Xô vào mùa kiệt (hay ít nước, chuyển tiếp) theo các chỉ tiêu chủ yếu nhưđộ khoáng hóa của nước, độ cứng tổng cộng của nó và độ axit hóa permangan Các chỉ tiêu này chính là nền tự nhiên, trên đó hình thành chất lượng nước sông suối đã cho trong trường hợp dị thường tự nhiên hay có sự can thiệp của con người, các hoạt động dịch vụ công cộng của nó Sự tăng số các chỉ tiêu chất lượng nước khi tiến hànhxả nước thải công cộng khái quát rộng lớn theo lãnh thổ làm phức tạp hóa đáng kể việc thực hiện chúng

và thậm chí có thể làm các nhà sử dụng nước định vị không đúng, do chất lượng nước

ở chừng mực nào đó xác định bởi mục đích sử dụng nó và nhiệm vụ bảo vệ đối tượng nước

Hình 3.6 Các vùng với chất lượng nước tự nhiên khác nhau

1 - tốt; 2 - thoả mãn; 3 - không thoả mãn; 4- ranh giới vùng nghiên cứu

Phân tích đồng thời bản đồ độ khoáng hóavà độ cứng tổng cộng cùng độ axit hóa permangan của nước (bản đồ cuối được P P Voronkov xây dựng cho phần Âu, và A

M Vladimiarov xây dựng cho phần châu Á, Liên Xô) sông Liên Xô có tính đến các chỉ tiêu đánh giá tương đối chất lượng nước uống cho phép phân vùng với chất lượng nước

tự nhiên khác nhau (hình 3.6) Với sự đánh giá tổng hợp chất lượng nước cần tính đến

sự khác biệt trong tính chất thay đổi của các chỉ tiêu lựa chọn phụ thuộc vào pha dòng chảy Vậy, nếu như độ khoáng hóa của nước và độ cứng của nó tác động tương hỗ và tỷ

lệ thuận với nhau thì độ axit của nước lại tỷ lệ nghịch với chúng, đặc biệt vào mùa kiệt trên một số vùng của Liên Xô Thí dụ như trên các sông phần hạ lưu lưu vực Pripiatri độ khoáng hóa và độ cứng của nước sông vào mùa kiệt không cao và tương ứng với đánh giá chất lượng nước tốt thìaxit permangan các loại nước này liên quan tới tính lầy lớn của lãnh thổ và sự hiện diện của các trầm tích mùn dàylà rất cao Cho nên chỉ tiêu cuối cùng không cho phép đặt nước sông vùng này thậm chí vào hạng đạt theo chất lượng,

do giá trị cho phép tới hạn của axit permangan chiếm 10 mg O/l với đánh giá tốt chất lượng nước và 20 mg O/l là đạt

Khi đánh giá chất lượng nước đầu tiên phải tính các chỉ tiêu có chỉ tiêu chất lượng kém thoả mãn nhất Với cách tiệm cận như vậy số sông trên lãnh thổ Liên Xô, đặc biệt ở phần

Âu Liên Xô theo chất lượng nước vào mùa chuyển tiếp(tức là mùa ít nước nhất) liệt vào hạng đạt (vùng 2 trên hình 3.6) Chia ra trên lãnh thổ vùng 2 các vùng địa phương với chất lượng nước không đạt (vùng 3) liên quan chủ yếu đến sự hiện diện axit permangan cao (chủ yếu phần Âu Liên Xô) hay độ cứng tổng cộng (chủ yếu là phần châu Á Liên Xô) Nước chất lượng cao nhất ghi nhận được ở các sông vùng đồi núi và phía bắc Liên

Xô, cũng như ở các sông vùng Viễn Đông và Camtratca, nơi mà thnhà phần điịnh lượng của cả ba chỉ tiêu trên là nhỏ nhất Lọi ít hoặc hoàn toàn bất lợi đối với việc sử dụng nước uống là sông ngòi phía nam phần Âu Liên Xô và các vùng phía nam Tây Xibia Điều này liên quan tới độ khoáng hóa và độ cứng rất cao của chúng Tất nhiên, đối với một số sông riêng biệt, thậm chí một số vùng chất lượng nước nêu trên có thể phân biệt đáng kể theo hướng xấu đi do thành phần hóa học của nước tự nhiên phức tạp hơn và sự hiện diện các chất ô nhiễm trong đó do việc thải các loại nước đã qua sử dụng

Khi đánh giá chất lượng nước theo số chất chỉ thị hóa học vào thời kỳ ít nước của năm cần tính đến dao động của chúng từ năm này qua năm khác, chúng có thể là rất lớn Do khi tính toán các đặc trưng định lượng dòng chảy bé thường hay phải xác định không phải là giá trị trung bình nhiều nămmà là dòng chảy tính toán suất đảm bảo cần thiết khi đánh giá chất lượng nước trong đoạn này hay đoạn khác của thời kỳ ít nước (mùa chuyển tiếp, mùa kiệt, thời kỳ 30 ngày dòng chảy cực tiểu v.v ) sử dụng các giá trị chất chỉ thị hóa học đáp ứng dòng chảy suất đảm bảo đã cho

Chất chỉ thị hóa họccó trong nước sông là đại lượng ngẫu nhiên và độc lập trong thể hiện nhiều năm như chính dòng chảy sông ngòi do sự thay đổi của chúng theo thời gian phụ thuộc vào số lớn các nhân tố mang tính ngẫu nhiên Cho nên đối với việc phân tích sự

phân bố theo thời gian của các đặc trưng này trên cơ sở không ít hơn so với dòng chảy nước, có thể sử dụng phương pháp xác suất thống kê

Khi xây dựng các đường cong đảm bảo thực nghiệm cần tập trung tính toán quan hệ của lưu lượng nước và số chất chỉ thị trong pha dòng chảy đang xét Như vậy, thường lưu lượng nước cực tiểu tương ứng với độ khoáng hóa cực đại Cho nên khi xây dựng các đường cong đảm bảo thực nghiệm tốt nhất là sử dụng giá trị độ khoáng hóa (số anion, cation) ngược với tự nhiên> Thí dụ 1 / Mg2+, hoặc 10 Ca2+ hay là 100/Σu - giá trị chất chỉ thịhay tổng của chúng càng lớn thì tử số càng lớn, và tương tự với việc dựng các đường cong đảm bảo Điều này nhằm bảo toàn hệ thức tẹ nhiên các đặc trưng số và chất lượng nước với các suất đản bảo của chúng bằng nhau

Suất đảm bảo các điểm thực nghiệm được tính toán theo công thức:

P = n + 1 m 100,

với m - số thứ tự của thành viên chuỗi đã sắp xếp các đặc trưng thủy hóa tính toán theo trật tự giảm dần; n - tổng số thành viên của chuỗi Khi xác định các giá trị tần suất của

độ khoáng hóa hay độ cứng (và các đặc trưng khác, tăng với sự giảm lưu lượng nước) các thành viên của chuỗi đã sắp xếp theo đại lượng ngược với tự nhiên

Hình 3.7.Suất đảm bảo độ khoáng hóa tổng cộng nước sông Xurư (1, 2) và Berezinư (3,

4); 1, 3 mùa đông; 2, 4 hè thu

Hình 3.8.Suất đảm bảo hàm lượng cation trong nước sông Xurư mùa đông

Khi tính toán độ khoáng hóa tổng cộng của nước hay từng số anion và cation, các đường cong suất đảm bảo cần được xây dựng cho thời kỳ dài, khác đi có thể không trùng với giá trị độ khoáng hóa tổng cộng và số thành phần chất chỉ thị của nó

Khi xây dựng các đường cong suất đảm bảo của chất chỉ thị hóa học chứa trong nước pha

ít nước của dòng chảy cần phải chú ý đến sự phù hợp củađườngtrung bình cácđiểm thực nghiệm phần thấp của đường cong đảm bảo, tương ứng với giá trị cực đại của chúng

Sự hiện diện các đường cong đảm bảo nêu trên cho phép xác định giá trị chất chỉ thị hóa học phù hợp với lưu lượng nước suất đảm bảo tính toán (xác suất vượt), còn việc khái quát các đặc trưng hóa học suất đảm bảo cho trước theo lãnh thổ ở dạng bản đồ các đường đồng mức hay các quan hệ vùng và sử dụng các hệ số chuyển đổi đến các suất đảm bảo khác cho phép xác định các đặc trưng thủy hóa cần thiết đối với sông chưa được nghiên cứu