Những chất chỉ thị tự nhiên

Chương 7. Phương pháp luận đối với đo đạc và quan trắc

7.3 Những chất chỉ thị tự nhiên

7.3.1 Kỹ thuật thực nghiệm

§é muèi

Có lẽ chất chỉ thị tự nhiên thường xuyên sử dụng nhất trong các cửa sông và vùng nước gần bờ là thành phần nước ngọt của nó. Nồng độ của nước ngọt trong biển và sự thay đổi của nó do phát tán ra sao có thể xem xét tương tự như nồng độ của màu được sử dụng trong thực nghiệm về dấu vết. Thay vì đánh giá trực tiếp nồng độ nước ngọt, tiện lợi hơn cả là sử dụng sự thiếu hụt thành phần muối của nước biển. Như đã thấy trong mục 6.6.2, phân số nước ngọt f liên quan đến giá trị cục bộ của độ mặn s bởi biểu thức

sw sw

S S

f S 

 (7.18)

trong đó ssw là độ mặn của nước biển hoàn toàn. Như vậy, phụ thuộc vào việc độ mặn so với độ mặn của nước biển hoàn toàn ra sao, thành phần phân số nước ngọt biến đổi giữa 0 và 1. Thông thường trong mô hình hoá sự phát tán của nước ngọt trong môi trường biển, giả thiết độ mặn của nước biển hoàn toàn không đổi, như vậy cho phép sử dụng phương trình (7.18) để mô hình hoá độ mặn thay cho thành phần nước ngọt phân số. Nước biển hoàn toàn thường lấy độ mặn cao nhất trong một khu vực, thậm chí dù nó rõ ràng thấp hơn 100 % nước biển tiêu biểu, là s = 35,0. Sự chuyển đổi từ nước ngọt phân số đến độ mặn có ưu điểm lớn là mô hình có thể sử dụng để dự đoán giá trị độ mặn để so sánh trực tiếp với độ mặn quan trắc.

Sự thay đổi thành phần nước ngọt phân số trong một khoảng thời gian, ví dụ, có thể sử dụng để suy luận 'độ pha loãng' D của nước ngọt bởi nước muối trong suốt thời gian ấy. Thấy rằng từ biểu thức ở trên độ pha loãng lấy bằng

 

 2 sw

sw 1

S s 1

S s D 1

/ /



  (7.19)

trong đó s1, s2 độ mặn vào lúc bắt đầu và kết thúc của khoảng thời gian, tương ứng.

VÝ dô

Độ muối trong một dòng chảy tương đối chậm trong đó bình lưu có thể bỏ qua, thay

đổi từ 32,00 đến 32,50 trong khoảng 15 phút. Nếu độ mặn của nước biển 'hoàn toàn' lấy là 34,00, độ pha loãng D là 1,33 lần.

Độ muối có thể sử dụng như một chất chỉ thị tự nhiên trong các cửa sông vì có xu hướng như một gradient từ sông đến biển. Những nguồn nước ngọt từ những sông nhánh có thể coi như những nhiễu động trong bức tranh tổng thể của độ mặn hướng ngang. Mật

độ nước cửa sông được thống trị bởi thành phần muối và bởi vậy, phân bố thẳng đứng của

độ mặn là một số đo của phân tầng mật độ. Do đó, những thay đổi trong bức tranh các

đường đẳng mặn thẳng đứng có thể sử dụng để nghiên cứu những hiệu ứng của trượt thẳng đứng và xáo trộn rối.

Vệt loang của nước nhiễm mặn phát ra từ một cửa sông, đặc biệt khi thủy triều rút, sẽ hình thành một trường lan truyền theo hướng ngang khi nó dịch chuyển ra ngoài giới hạn cửa sông. Những đo đạc độ mặn có thể sử dụng để nghiên cứu phạm vi lan rộng hướng ngang và xáo trộn xuống dưới theo thời gian.

Qua nhiều chu kỳ thủy triều, việc thải liên tiếp nước có độ mặn thấp tạo ra sự giảm nói chung trong thành phần muối của nước ven bờ. Những xác định độ mặn, ví dụ tại những mặt cắt xa ra ngoài bờ biển, có thể sử dụng để nghiên cứu những hiệu ứng có chu kỳ dài hơn của thủy triều và gió lên quá trình phát tán.

Mặc dầu không phải là nguồn nhập 'tự nhiên', cũng có thể khảo sát sự pha loãng chất thải từ cửa biển bằng cách sử dụng sự giảm độ mặn phát sinh cục bộ bởi nguồn nhập. Điều này có thể do những vật chất thải và những chất thải công nghiệp thường chứa những thể tích nước ngọt lớn.

Nhiệt độ

Trong một vài thời điểm nhiệt độ cũng có thể sử dụng như một chất chỉ thị tự nhiên. Trong những trạng thái mà sự đốt nóng của mặt trời hoặc sự làm mát có thể bỏ qua, những thay đổi nhiệt độ có thể liên quan đến bình lưu và phát tán. Ví dụ, cấu trúc

độ mặn thẳng đứng trong một cửa sông có thể liên quan đến phân bố nhiệt độ thẳng

đứng, với nước ấm hơn gần mặt nước và nước lạnh hơn tại các tầng sâu. Một khi mật độ phụ thuộc vào cả nhiệt độ và độ mặn, những đo đạc nhiệt độ cần phải phối hợp với bất kỳ quan trắc độ mặn nào nếu đòi hỏi một phân bố mật độ chính xác.

Trong nước ven bờ nơi bình lưu của nhiệt nhỏ so với sự nóng lên do mặt trời, phân bố nhiệt độ có thể sử dụng để suy luận gần đúng mức độ xáo trộn xuống dưới và có thể

hình thành những front nhiệt. Đầu vào của nhiệt từ nguồn đổ có thể rất có ý nghĩa, đặc biệt đối với việc thải nước làm mát từ những nhà máy điện và những nhà máy công nghiệp. Đối với những trạng thái như vậy, nhiệt độ là một phương tiện hữu ích để theo dõi trường thải.

Đo đạc độ mặn và nhiệt độ

Nói chung, độ mặn tại một vị trí trong cửa sông hoặc vùng ven bờ thay đổi theo thời gian do bình lưu của nước bởi dòng chảy xung quanh và do xáo trộn rối. Để xác định sự biến đổi theo thời gian và không gian của phân bố độ mặn, nói chung đòi hỏi phải có thiết bị cung cấp một trả lời nhanh. Những dụng cụ này có thể sử dụng để đo đạc tại một vị trí cố định trong cột nước, kéo trên một khu vực tại một độ sâu cố định hoặc lắp đặt trên những cột neo. Trong trường hợp này, biến đổi độ mặn trong một chu kỳ vài ngày hoặc vài tuần được ghi lại và lưu giữ. Vì nhiệt độ cũng cần thiết, đa số các máy móc được thiết kế để đo cả độ mặn lẫn nhiệt độ trên những bộ cảm ứng kề nhau.

Độ muối được đo bằng cách sử dụng độ dẫn điện, một tham số tăng lên khi số lượng những ion clo-rua và natri tự do trong nước tăng lên. Độ dẫn điện cũng phụ thuộc yếu vào nhiệt độ và bởi vậy, những đo đạc nhiệt độ được sử dụng để điều chỉnh độ dẫn

điện. Có thể đánh giá độ dẫn điện hoặc bằng một đầu dò cảm ứng hoặc đầu dò dẫn điện.

Những đầu dò cảm ứng thường có những bộ cảm ứng hình khuyên qua đó nước biển có thể dịch chuyển tương đối dễ dàng - dòng điện trong cuộn dây sơ cấp cuộn xung quanh ống phát sinh một dòng điện trong cuộn dây thứ cấp, phụ thuộc vào độ dẫn điện của nước trong ống. Những đầu dò dẫn điện có những điện cực đo dòng điện đi qua nước biển nằm giữa chúng. Những thiết bị này thường kém chính xác hơn những hệ thống cảm ứng, nhưng những hệ thống 'bốn cực' mới hơn áp dụng bốn điện cực thay cho hai điện cực lại chính xác hơn nhiều.

Những đo đạc chính xác nhiệt độ có thể thực hiện khi sử dụng những nhiệt kế kháng trở bạch kim (PRT). Tuy nhiên, khi với mức độ kém chính xác hơn cũng đủ, nhiệt

độ thường xác định bằng cách sử dụng những điện trở nhiệt, tương đối đáng tin cậy và bền. Trong nhiều tình huống thực tế, độ chính xác tương đối quan trọng hơn độ chính xác tuyệt đối, ví dụ xác định số Richardson; cũng rất tình cờ là thực hiện những đo đạc độ chính xác tương đối dễ hơn so với độ chính xác tuyệt đối. Đối với một vài nghiên cứu chuyên dụng, ví dụ dao động nhiệt độ của cột nước do những sóng nội, các điện trở nhiệt có thể lắp đặt trong một khung thẳng đứng từ một phao neo hoặc tàu đi trên mặt nước.

Dữ liệu từ những đo đạc độ mặn và nhiệt độ có thể lưu giữ trong đầu dò lấy mẫu và sau đó tải xuống vào cuối đợt lấy mẫu. Một vài dụng cụ liên kết đầu ra từ những đầu dò đến những màn hình trên boong tàu khảo sát, như vậy cho phép liên tục tải xuống thông tin và cho phép thao tác viên khảo sát những kết quả suốt đợt khảo sát.

Những dụng cụ sử dụng cho độ mặn và nhiệt độ gồm những đầu dò độ dẫn điện, nhiệt độ, độ sâu (CTD). Những dụng cụ này, có những bộ cảm ứng để đồng thời đo độ dẫn

điện, nhiệt độ và độ sâu, được đặt lên một khung có thể hạ thấp và nâng cao trong cột nước. Đó là một thiết kế tổng quát để đặt các thiết bị điện tử vào một hộp hình trụ, với những bộ cảm ứng định vị gần đáy khung, để khi hạ thấp, những bộ cảm ứng không bị

ảnh hưởng quá mức bởi nhiễu động dòng chảy do khung thiết bị. Những thiết bị điện tử

điều khiển tần số lấy mẫu của những bộ cảm ứng và lưu trữ dữ liệu phát ra. Một vài dụng cụ cho ta tùy ý chọn mẫu bằng những bộ cảm ứng tại những khoảng thời gian xác định, ví dụ cứ mỗi 20 giây, hoặc lấy mẫu tại những khoảng độ sâu định trước. Những phương án thiết kế cơ bản này gửi dữ liệu lên màn hình và thiết bị ghi bằng dây cáp phụ. Nhiều hệ thống CTD có thể gần giống với vật thể có dạng thủy động lực (ví dụ 'cá') và được kéo, hoặc tại một độ sâu cố định hoặc theo một kiểu gợn sóng để phát sinh những phân bố hai - hoặc ba chiều của độ mặn và nhiệt độ.

Hãa chÊt

Ngoài độ mặn và nhiệt độ, có thể sử dụng một vài thành phần hóa học biển làm chất chỉ thị tự nhiên. Những ví dụ là các chất dinh dưỡng, amôniắc và nitrat, hoặc nồng

độ ion hy-đrô, thường được biểu thị bằng pH. Amôniắc ở nồng độ cao hơn (tức là hơn 1 mgl-1) có thể đo bằng cách sử dụng điện cực ion chuyên dụng. Tuy nhiên, với những nồng

độ thấp hơn, những phân bố amôniắc có thể xác định bằng cách sử dụng máy phân tích tự

động trên boong tàu, và những thay đổi liên quan đến các mô hình đầu vào chủ yếu là amôniắc (Staples và nnk., 1993). Giới hạn dò tìm trên những hệ thống như vậy hiện tại là 0,1 mol NH4-Nl-1.

Giá trị pH có thể đo bằng cách sử dụng những đầu dò in-situ, chúng liên kết bằng cáp đến màn hình và thiết bị ghi dữ liệu trên tàu. Những đo đạc pH với trang bị máy móc như vậy nói chung có độ chính xác là 0,1 đơn vị pH.

7.3.2 Ví dụ ứng dụng

Thậm chí với trang bị máy móc hiện đại, việc lấy mẫu và ghi trường dữ liệu chiếm thời gian đáng kể. Ví dụ có thể mất 3 hoặc 4 phút để hạ thấp và nâng một đầu dò CTD qua một cột nước có độ sâu 20 m. Điều đó có nghĩa là để thu được những phân bố tại mười trạm cách nhau một kilômet, ví dụ, mất ít nhất 30 phút, chưa kể thời gian dùng để dịch chuyển từ một trạm đến trạm tiếp theo. Thời gian dịch chuyển giữa những trạm có thể giảm đáng kể nếu biển đủ yên lặng để cho phép sử dụng thuyền khảo sát đi nhanh (tức là thuyền nổi vỏ cứng - RIB). Điều mong muốn là sử dụng độ mặn hoặc nhiệt độ như một chất chỉ thị để thu được một tập hợp dữ liệu 'synop' (tức là dữ liệu thể hiện gần đúng phân bố tức thời của chất chỉ thị). Trong những dòng triều, phân bố độ mặn và nhiệt độ thay đổi liên tục, và thông thường, chỉ có thể thu được thông tin synốp xấp xỉ.

Ngoài thay đổi do thủy triều, những phân bố có thể bị ảnh hưởng bởi dòng chảy gió, tác động sóng, và trong khu vực lân cận cửa sông là biến đổi lưu lượng nước ngọt đổ xuống từ hệ thống sông. Một cách hiệu chỉnh đối với những biến đổi là đặt những trạm kiểm soát lấy mẫu lại tại những khoảng thời gian trong suốt thời gian thu thập dữ liệu.

VÝ dô

Lấy mẫu độ mặn và nhiệt độ vịnh Tees dựa trên cơ sở những trạm kiểm soát ở giữa vịnh và gần miệng cửa sông; những vị trí này được đánh dấu là trạm P và Q, tương ứng trong hình 7.9. Khảo sát thực hiện vào hai ngày khác nhau - một ngày lấy mẫu vùng

ven bờ (những đường liền) và khu vực ngoài khơi được lấy mẫu tiếp theo (những đường chấm). Tàu lấy mẫu dịch chuyển từ một góc của một hình chữ nhật đến góc tiếp theo để bao phủ khu vực với mức cho phép lấy mẫu lại tại P và Q với những khoảng 2 giờ. Việc sử dụng những trạm chung này cho phép những phân bố độ mặn và nhiệt độ nhận được sẽ

được hiệu chỉnh trong chu kỳ thủy triều (những biến đổi hai giờ) và đối với những thay

đổi của phân bố toàn bộ từ ngày này sang ngày khác.

Hiệu quả của cách tiếp cận này thể hiện trong hình 7.10, chỉ ra rằng có thể nhận

được một phân bố chắc chắn của độ mặn tại bốn trạng thái thủy triều; những đặc tính như dòng chảy có độ mặn thấp khi triều xuống và sự 'bó chặt lại' của vệt loang này tại nửa pha triều lên là hiển nhiên. Một bức tranh rất tương tự của vệt loang trung bình độ sâu và trung bình thủy triều từ cửa sông Tees có thể thấy trong hình 9.23.

Hình 7.9 Lưới lấy mẫu trong vịnh Tees với trạm điều khiển đặt tại vị trí P và Q; những trạm ven bờ (những

đường liền), những trạm ngoài khơi (những đường chấm).