I. ĐẶC TÍNH MÔI TRƯỜNG NƯỚC
1. Chu trình nước và nguồn nước trong thiên nhiên 1.1. Chu trình nước
Chu trình nước hoặc chu trình thủy học (hydrologic cycle) được khái quát như mô hình dưới đây, mô tả sự dự trữ và sự chuyển vận nước giữa sinh quyển, khí quyển, thạch quyển và thủy quyển. Nước trên hành tinh có thể được dự trữ trong bất kỳ một trong những kho chứa như: khí quyển, đại dương, hồ, sông, đất, sông băng, núi tuyết và nước ngầm.
Hình 1.1. Chu trình nước trong tự nhiên (theo Pidwirny, 1999-2005)
Nước chuyển vận từ một nơi chứa này tới một một nơi chứa khác qua sự bốc hơi, sự ngưng tụ, mưa, sự lắng đọng, dòng chảy, sự thấm, sự thăng hoa, sự thoát hơi nước, tan băng, tuyết và dòng nước
ngầm. Các đại dương cung cấp hầu hết lượng nước bốc hơi thấy có trong khí quyển. Trong lượng nước bốc hơi này, chỉ có 91% được trở lại đại dương thông qua mưa, 9% số lượng còn lại được chuyển vận tới các vùng khác nhau trên đất liền mà ở đó, có các yếu tố khí hậu đã tạo thành mưa. Sự mất cân bằng giữa lượng bốc hơi và lượng mưa trên đất liền và đại dương được điều chỉnh bởi dòng chảy mặt và nước ngầm chảy vào đại dương. Lượng nước trên hành tinh được cung cấp chủ yếu từ đại dương. Khoảng 97% lượng nước trên trái đất là ở các đại dương. 3% còn lại là nước ngọt trong sông băng, núi băng tuyết, nước ngầm, hồ, đất, khí quyển và trong các cơ thể sống.
Mưa 99 x 1012m3/năm
Bốc hơi, thoát hơi nước
Bốc hơi Mưa 62 x 1012m3/năm 361 x 1012m3/năm 324 x 1012m3/năm
Dòng chảy/nước ngầm 37 x 1012m3/năm
Hình 1.2. Sự trao đổi thể tích nước giữa các kho chứa nước trên hành tinh
(theo Peixoto và Kettani,1973)
Bắt đầu từ đại dương, mặt trời chiếu xuống trái đất làm nước đại dương nóng lên. Một lượng nước biển bốc hơi thành hơi nước trong không khí. Băng và tuyết cũng có thể thăng hoa trực tiếp thành hơi nước. Nước trong cơ thể thực vật và trong đất cũng được bốc hơi. Hơi nước bay lên cao trong khí quyển, gặp nhiệt độ lạnh hơn bị ngưng tụ thành những đám mây. Dòng
KhÝ quyÓn 0,013 x 1015 m3
§Êt 33,6 x 1015 m3
Đại d−ơng 1.350 x 1015m3
không chí vận chuyển những đám mây vòng quanh quả đất. Các phần tử trong mây va chạm với nhau, phát triển và rơi xuống thành mưa. Một lượng mưa rơi xuống thành tuyết và có thể tích lũy thành băng hoặc sông băng mà có thể lưu giữ nước đóng băng hàng ngàn năm. Khi mùa xuân tới, thời tiết bắt đầu ấm áp, tuyết tan tạo thành dòng nước chảy trên mặt đất. Hầu hết lượng mưa đã trở lại đại dương hoặc trên lục địa mà ở đó, do trọng lực, dòng nước mưa trên mặt đất được xem là dòng chảy mặt (surface runoff). Một phần của dòng chảy mặt vào sông và tới các đại dương. Dòng chảy và nước thấm qua đất được tích lũy thành nước ngọt trong các đầm hồ. Không phải tất cả dòng nước đều tới sông, một lượng khá lớn xâm nhập vào đất được xem là nước thấm trong đất. Một lượng nước thấm sâu xuống đất tạo thành tầng ngậm nước (gần tầng mặt bão hòa) lưu giữ một lượng lớn nước ngọt trong thời gian dài.
Sơ đồ sau trình bày thể tích nước chứa trong đất, đại dương và trong khí quyển. Các mũi tên thể hiện sự trao đổi thể tích nước hàng năm giữa các kho chứa nước.
1.2. Sự phân bố nước trên trái đất
Sự phân phối nước trên quả đất được tóm tắt trong hình 1.3.
Khoảng 97% nước là đại dương, còn lại khoảng 3% là nước ngọt.
Trong tổng lượng nước ngọt, nước mặt chỉ chiếm 0,3% mà trong đó, nước được lưu giữ chủ yếu ở hồ (87% tổng lượng nước mặt), sông chỉ chiếm 2% tổng lượng nước mặt.
97%
3%
N−ớc mặn N−ớc ngọt
Nước trên trái đất
68.7
30.1
0.3
0.9 1.2
Băng, sông băng N−íc ngÇm N−ớc mặt Khác
Nước ngọt
87%
11% 2%
Hồ
§Çm lÇy Sông
Nước ngọt bề mặt
Hình 1.3. Sự phân bố nước trên trái đất
(Nguồn: Gleick, P. H., 1996) 1.3. Nguồn nước
Nước chiếm 70% diện tích trái đất. Trong đó, khoảng 97% (trên 109 km3) là đại dương. Nguồn nước ngọt trên trái đất là rất nhỏ so với nước ở các đại dương, nhưng nó có thời gian thay mới nước (renewal time) rất lớn. Nước ngọt nội địa bao phủ khoảng 2% bề mặt trái đất. Lượng nước ngọt lại tập trung ở một số hồ lớn, sâu. Riêng hồ Baikal ở Nga đã chiếm khoảng 20% tổng dung tích nước ngọt không đóng băng của trái đất. Năm hồ lớn của Bắc Mỹ chứa một dung tích nước ngọt tương tự.
Bảng 1.1. Ước lượng sự phân phối nước trên toàn cầu Nguồn nước Thể tích (Km3) Tỷ lệ % của
nước ngọt
Tỷ lệ % tổng số nước Đại dương,
biển và vịnh. 1.338.000.000 -- 96,5
Băng tuyết
vĩnh cửu 24.064.000 68,7 1,74
Nước ngầm 23.400.000 -- 1,7
Nước ngọt 10.530.000 30,1 0,76
Nước mặn 12.870.000 -- 0,94
Đất ẩm 16.500 0,05 0,001
Băng và tầng đất đóng băng vĩnh cửu
300.000 0,86 0,022
Hồ 176.400 -- 0,013
Nước ngọt 91.000 0,26 0,007
Nước mặn 85.400 -- 0,006
Khí quyển 12.900 0,04 0,001
Nước đầm lầy 11.470 0,03 0,0008
Sông 2.120 0,006 0,0002
Nước có nguồn gốc sinh học
1.120 0,003 0,0001
Tổng số 1.386.000.000 - 100
Nguồn: Gleick, P. H., 1996
Các thủy vực nước ngọt nội địa bao gồm suối, sông, hồ, ao, vùng cửa sông và các vùng đất ngập nước có cấu trúc phân biệt rõ ràng được xác định bởi hính thái vùng lưu vực và các mối tương tác vật lý, hóa học và sinh học. Cấu trúc vật lý được xác định bởi sự phân bố ánh sáng, nhiệt, sóng và dòng chảy biến đổi theo ngày, mùa. Cấu trúc hóa học được xác định bởi các yếu tố dinh dưỡng và ô xy hòa tan. Các yếu tố môi trường này là cơ sở hình thành các đặc tính sinh
học của thủy vực. Ngoài ra, các đặc điểm vùng lưu vực cũng như khối khí quyển trên vùng lưu vực cũng là yếu tố quan trọng xác định cấu trúc thủy vực nội địa, đặc biệt là tác động đến chu trình dinh dưỡng.
Một điều mà các nhà nghiên cứu về đầm hồ học (limnology) hiện nay rất quan tâm là phải bảo đảm được chất lượng và số lượng các thủy vực nước ngọt trong khi dân số ngày một tăng lên. Hầu hết các chất dinh dưỡng và các nguồn nước thải có tính chất độc hại chảy vào những sông, hồ và đang tích tụ một số lượng lớn các chất gây ô nhiễm làm suy thoái chất lượng nước.
2. Đặc tính thủy lý - hóa học của môi trường nước 2.1. Ánh sáng
Nguồn ánh sáng chủ yếu trong các thủy vực là từ mặt trời và từ mặt trăng tỏa xuống. Ngoài ra, còn phải kể đến các nguồn ánh sáng phát ra từ các thủy sinh vật. Cường độ và thành phần quang phổ của ánh sáng trong nước phụ thuộc vào lượng bức xạ mặt trời tỏa xuống mặt nước và sự phân bố ánh sáng trong các lớp nước. Ánh sáng từ bên ngoài vào nước một phần sẽ bị phản xạ ngay trên mặt nước và tán xạ trong tầng nước, còn phần lớn sẽ được hấp thụ ở trong nước.
Lượng ánh sáng phản xạ phụ thuộc vào góc nghiêng của tia sáng mặt trời so với mặt nước và tình trạng tĩnh lặng của mặt nước, từ vài phần trăm đến vài chục phần trăm tổng lượng ánh sáng chiếu vào mặt nước. Như vậy, lượng ánh sáng mặt trời chiếu xuống nước nhiều nhất ở vùng xích đạo - nơi có lượng bức xạ mặt trời vào nước lớn nhất ở thời gian buổi trưa và khi mặt nước yên tĩnh cũng là lúc lượng ánh sáng phản chiếu ít nhất. Một phần ánh sáng khác (khoảng 1%) bị tán xạ bởi các phần tử nước và các vật lơ lửng trong nước hấp thụ. Hệ số hấp thụ ánh sáng của nước tỷ lệ nghịch với độ trong của nước và khác nhau đối với từng loại tia sáng. Do vậy, các thuỷ vực nước đục, có lượng chất cái (seston) lớn, sẽ hấp thụ ánh sáng nhiều hơn các thuỷ vực trong. Tia đỏ được hấp thụ nhiều ngay trong tầng nước nông, còn các tia xanh, tia lục được hấp thụ ở cả các tầng nước sâu.
Bức xạ mặt trời cung cấp nhiệt và hình thành chế độ gió. Năng lượng của gió thổi trên bề mặt nước gây xáo trộn cho cả các thủy
vực ở nội địa và đại dương. Ánh sáng cần thiết cho sự quang hợp của các nhóm thực vật trong nước, mở đầu cho các chuỗi dinh dưỡng của thủy vực.
Tác dụng của ánh sáng đối với thủy vực và thủy sinh vật là rất quan trọng, trước hết nó cung cấp nhiệt cho nước, làm nóng khối nước bề mặt. Ánh sáng ảnh hưởng tới sự di động và phân bố của thuỷ sinh vật theo độ sâu, đặc biệt là cung cấp năng lượng cho thực vật quang hợp. Sự phân bố của ánh sáng trong thủy vực không đồng đều theo độ sâu đã tạo nên các vùng thực vật phong phú ứng với những vùng sáng của tầng nước. Sự chiếu sáng ngày đêm có tác động sâu sắc tới hiện tượng di động ngày đêm của thủy sinh vật.
Ánh sáng còn giúp động vật trong nước định hướng di động nhờ đặc tính hướng quang, thúc đẩy quá trình sinh hóa trong đời sống cá thể, đặc biệt trong quá trình tạo vitamin. Ánh sáng cũng có ảnh hưởng nhất định đến quá trình sinh sản và lối sinh sản. Ánh sáng còn liên quan đến sự biến đổi về hình thái và màu sắc cơ thể, các cơ quan cảm quan của động, thực vật ở các vùng sáng khác nhau. Ánh sáng trăng, ánh sáng sao mặc dầu có nguồn năng lượng không lớn (bằng 1/30.000 tới 1/50.000 lần của mặt trời), đã giúp cho sự di cư của động vật nổi và cá.
Động vật ở nước có khả năng nhận biết ánh sáng phân cực theo một phương duy nhất. Ánh sáng phân cực là phương tiện dẫn đường dưới nước cho sự vận động của động vật thủy sinh. Một thí dụ quan trọng là sự di cư của cá hồi từ đại dương vào bãi đẻ trứng của chúng ở tận thượng nguồn sông. Mặc dù chúng có thể sử dụng khả năng khứu giác ở sông, suối tại địa phương đó nhưng không thể sử dụng nó khi ở đại dương. Thay vì ánh sáng mặt trời, ánh sáng phân cực ở nước đã được xem như cái địa bàn dẫn đường cho cuộc hành trình dài này có thể tới hàng nghìn cây số (Hasler, 1966).
2.1.1. Đo đạc ánh sáng
Ánh sáng tới trái đất là một dòng các sóng điện từ hoặc lượng tử ánh sáng (photon, quanta) liên tục. Bước sóng dùng để đo dạc màu ánh sáng, lượng tử để mô tả năng lượng ánh sáng. Một đặc tính quan trọng của tia sáng là cường độ của nó - lượng photon qua một đơn vị diện tích. Một đặc điểm quan trọng khác nữa của
tia sáng là bước sóng (λ, lambda) hoặc màu của nó là trị số năng lượng ánh sáng.
Để đo tổng lượng bức xạ mặt trời, người ta sử dụng một máy ghi lượng nhiệt mặt trời liên tục (pryroheliometer) đặt ở mặt nước.
Thiết bị đơn giản này ghi nhận sự biến đổi ánh sáng bởi sức căng cơ học được tạo thành do sự giãn nở trong quá trình hấp phụ bởi đĩa mặt đen và sự phản chiếu lại của đĩa mặt bạc. Một kiểu đo bức xạ mặt trời khác là tế bào quang mặt trời (photovoltaic solar cells) dựa trên nguyên lý chuyển năng lượng ánh sáng thành điện. Đơn vị đo ánh sáng là microinsteins hoặc watt, hoặc gram-calories/cm2. Các nhà nghiên cứu đầm hồ học có thể đo được các bước sóng ánh sáng khác nhau tại từng độ sâu. Một số các thiết bị đo đạc quang phổ hiện đại có thể đo được phổ ánh sáng từ các tia nhìn thấy đến các tia hồng ngoại (400-800nm).
Ánh sáng trong đại dương tại vận tốc bằng với vận tốc ánh sáng trong chân không được phân chia bởi chỉ số khúc xạ (n), thường = 1,33. Như vậy, vận tốc ánh sáng trong nước bằng khoảng 2,25 x 108m/s. Do đó, ánh sáng truyền trong nước chậm hơn so với trong không khí, một số ánh sáng bị phản chiếu lại ngay ở bề mặt nước.
Hầu hết ánh sáng mặt trời tới mặt biển được truyền xuống nước biển, một ít bị phản xạ trở lại. Điều này có nghĩa là tia tới của ánh sáng mặt trời tới biển và đại dương trong vùng nhiệt đới hầu hết được hấp phụ xuống phía dưới bề mặt nước biển.
Độ trong của nước ở các thủy vực, chủ yếu phụ thuộc vào số lượng và đặc tính khối chất cái (seston) trong nước, thường được đo bằng một thiết bị đơn giản, rẻ tiền là đĩa Secsi. Độ trong của nước lớn nhất thường thấy ở đại dương, các biển và hồ tự nhiên có độ sâu lớn, nghèo dưỡng. Độ trong ở Thái bình dương có thể tới 60m, ở hồ Baican tới 40m, ở hồ Giơnevơ tới 21m, ở các hồ nhỏ và biển nhỏ, độ trong của nước thấp hơn rõ rệt, chỉ vài mét tới hàng chục mét.
Độ trong theo đĩa Secsi ở các hồ phú dưỡng, sông nhiều phù sa thường thấp 0-2m.
2.1.2. Ánh sáng dưới nước
Các tia sáng đi vào trong nước trong nước không đồng đều, phụ thuộc vào độ dài sóng và độ trong của nước. Độ sâu nhất của các tia sáng xuyên trong nước vào khoảng 1.500-1.700m. Vùng sâu dưới
1.700m, có thể coi là vùng tối, luôn luôn không có ánh sáng mặt trời. Do khả năng xâm nhập của các tia sáng vào nước là khác nhau, nên có thể chia tầng nước từ trên bề mặt xuống dưới sâu thành các vùng ánh sáng khác nhau. Vùng trên (vùng sáng) là vùng còn có đủ các tia sáng từ đỏ tới tím, bảo đảm sự phát triển của thực vật quang hợp. Đây là vùng có thực vật ở nước phát triển mạnh nhất. Vùng giữa là vùng chỉ còn các tia sáng ngắn và cực ngắn. Vùng dưới (vùng tối) là vùng không còn tia sáng nào xuống tới được. Sự phân bổ các vùng ánh sáng ở biển tương đối rõ rệt: vùng sáng ở trong khoảng 0-200m, vùng giữa từ 200-500m, vùng tối là vùng biển có độ sâu trên 1.700m. Ở các thủy vực nước ngọt, do độ trong thấp, nhiều chất lơ lửng, độ xâm nhập của ánh sáng kém, nên sự phân bố các tầng sáng trong vùng nước không đồng nhất và không sâu như ở biển. Vùng sáng chỉ ở khoảng vài chục mét, đến 200m sâu đã là vùng tối.
Ánh sáng xuyên xuống nước được khúc xạ, tán xạ, truyền hoặc hấp phụ. Ánh sáng bị khúc xạ khi đi qua những môi trường có mật độ quang học khác nhau. Ánh sáng có bước sóng ngắn có chỉ số khúc xạ cao hơn ánh sáng có bước sóng dài. Như vậy, ánh sáng xanh có chỉ số khúc xạ cao nhất, ánh sáng đỏ thấp nhất. Ánh sáng mặt trời màu trắng được khúc xạ bởi hạt mưa trong bầu trời mà nó như là các lăng kính nhỏ tạo thành cầu vồng. Ánh sáng được tán xạ cũng như được hấp thụ hoặc được khúc xạ bởi các hạt và một số phân tử. Một tia sáng đi qua cửa sổ thường không nhìn thấy nhưng lại dễ dàng nhìn rõ trong phòng có bụi bởi ánh sáng bị tán xạ bởi các hạt bụi. Hiện tượng tương tự xảy ra ở vùng nước đục. Một bầu trời trong sạch hoặc một hồ nước màu xanh do các phân tử ô xy trong không khí và trong nước sạch tán xạ ánh sáng màu xanh nhiều hơn các màu khác. Do ánh sáng xuyên và được hấp phụ nên nó trở thành nhiệt trong nước.
Theo độ sâu, cường độ ánh sáng giảm theo hàm số mũ. Sự giảm ánh sáng được biểu thị theo toán học bởi hệ số triệt tiêu єλ (epsilon- lambda) của dung dịch, các phần ánh sáng bị hấp phụ theo mét cột nước. Giá trị єλ cao khi sự truyền ánh sáng thấp hoặc khả năng ánh sáng xuyên qua nước thấp. Đối với một chùm ánh sáng song song đơn sắc (cùng một bước sóng), cường độ I tại độ sâu cột nước z khi mặt trời trực tiếp ở đỉnh đầu được tính theo công thức:
Iz = Loe-єλz
Io = cường độ xuyên qua mặt nước Z = độ dài
єλ= hệ số triệt tiêu của bước sóng cụ thể ở đây Hệ số triệt tiêu cũng có thể được tính như sau:
єλ= єw + єd + єp
єw = triệt tiêu bởi phân tử nước єd = triệt tiêu bởi vật chất hòa tan єp = triệt tiêu bởi các hạt nhỏ.
Đối với nước cất thì єd = єp = 0 và єλ= єw.
Trong điều kiện tự nhiên, ánh sáng là một phổ phức hợp nhưng chỉ có khoảng một nửa phổ ánh sáng xuống nước được các loại tảo sử dụng để quang hợp, gọi là bức xạ hoạt động quang hợp (PAR), dao động từ 400 đến 700nm. Thực vật nổi và các thực vật thủy sinh có thể phát triển trong môi trường nước có hàng tỷ các hạt lơ lửng.
Nhìn chung, ánh sáng nhiều thì quang hợp nhiều nhưng hầu hết các hồ vào những ngày nắng, cường độ bức xạ giữa trưa thường ngăn cản khả năng quang hợp. Hiện tượng này thấy rõ ở các vùng có không khí trong sạch, đặc biệt ở vùng cực. Hầu hết các bước sóng gây hại là tia cực tím (UVB) (có bước sóng từ 290 tới 230nm), có thể phá hủy DNA lạp lục (Bauer et al., 1982) và làm giảm khả năng sinh sản của động vật nổi (Karanas et al., 1981). Trong hầu hết các trường hợp, sự nở rộ thực vật nổi có thể bị phá hủy bởi quá nhiều ánh sáng mặt trời.
2.1.3. Màu nước
Vì ánh sáng xuyên vào nước hồ được lựa chọn để hấp phụ mà thường ở rìa phổ ánh sáng. Sự hấp phụ tương đối khác nhau giữa nước đục và nước trong do ảnh hưởng của sự tán xạ bởi độ đục cho phép khả năng đâm xuyên của ánh sáng có bước sóng dài (tia hồng ngoại) hơn là ở nước trong. Hầu hết các trường hợp, tia cực tím và hồng ngoại của phổ ánh sáng được hấp phụ ngay đầu tiên và bởi vậy, sự đâm xuyên ít nhất. Có phổ ánh sáng hẹp xuống được khối