Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Bởi: PGS TS NGƯT Phạm Văn Huấn Chất lượng nước tự nhiên sông ngòi hồ hay sở diễn thay đổi trạng thái định tính đối tượng nước gây nên can thiệp người Sự đánh định lượng thị hóa học xác định dựa kết lấy mẫuđơn vị nước trạm đo đạc thủy văn Phương pháp lấy mẫu nước, cách xử lý chúng phân tích xem xét giáo trình đo đạc thủy văn thủy hóa Số liệu phân tích thủy hóa cho phép nhận thông tin chất lượng nước trạm lấy mẫu nước sông chưa nghiên cứu khía cạnh thủy hóa chất lượng nước tự nhiên nhận theo số liệu đặc trưng thủy hóa dòng chảy địa phương (theo xác định P P Voronkov [5]), hiểu thị hóa học thành tạo kết hoà tan hợp chất hữu vô bề dàylớp đất thổ nhưỡng cấu tạo lưu vựccác sông nhỏ Trên sông vừa lớn, thành phần hóa học nước hình thành trộn nước có thành phần khác nhau, thành tạo sông nhỏ Khái quát đặc trưng thủy hóa dòng chảy địa phương dạng đồ vùng hay đồ đẳng trị chất thị hóa học hình thành tiêu chất lượng nước chủ yếu, cho phép nhận thông tin cần thiết sông ngòi chưa nghiên cứu từ khía cạnh hóa học Khi đánh giá chất lượng nước tự nhiên sử dụng quan hệ chất thị hóa họcvới đặc trưng thủy văn, lưu lượng nước, hay với tiêu chất lượng nước (như độ khoáng hóa tổng cộng xác định theo quan hệ với hàm lượng ion nước sông) 1/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Hình 3.1 Độ khoáng hóa (mg/l) sông năm nước trung bình1 - ranh giới vùng nghiên cứu Khi xác định chất lượng nước tự nhiên cần phải tính đến nguyên Trong thời kỳ lụt hay lũ lớn mạng lưới sông ngòi chủ yếu nước hình thành trêô nhiễm bề mặt lưu vực tầng thổ nhưỡng Khi có lụt hay lũ lớn mạng lưới sông ngòi bổ sung nước có nguồn gốc từ đất đá Trong thời gian lại, đặc biệt vào mùa kiệt, mạng lưới sông ngòi chủ yếu nước ngầm Phụ thuộc vào nguồn gốc, nước phân biệt hẳn theo hàm lượng hợp chất vô theo lượng chất hữu hoà tan Vẽ đồ đặc trưng hóa học nước có nguồn gốc khác cho phép nhận sô liệu số lượng chất thị hóa học dòng chảy địa phương sông chưa nghiên cứu vào pha nước khác chế độ thủy hóa chúng 2/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Hình 3.2.Quan hệ độ khoáng hóa tổng cộng với hàm lượng anion nước sunfat sông ngòi (đối với lưu vực sông thượng Vonga) Các sông nhỏ thường hay bị ô nhiễm, xây dựng đồ phân vùng hay đường đẳng trị đặc trưng hóa học để đánh giá trạng thái chất lượng nước vùng lãnh thổ cho trước cần nghiên cứu kỹ lưỡng tài liệu gốc loại bỏ tuyến đo có chế độ thủy hóa bị phá vỡ mạnh Các lưu vực sông nhỏ sử dụng để khái quát cần phải đáp ứng yêu cầu sau: - bề mặt lưu vực cần đơn theo địa hình chênh lệch độ cao nhỏ; - lưu vực sông ngòi cần cấu tạo đất đá chủ yếu thành phần thạch học nhập lưu nước ngầm đáng kể hình từ từ phạm vi lưu vực cho; - lớp phủ thổ nhưỡng lưu vựccần đồng dạng theo mức độ hóa mặn muối dễ hoà tan (clo, sunfat); - thực vật chiếm ưu lưu vực cần chiếm 70 -75 % diện tích nó; - hình thành pha nước cần phải diễn đồng thời khắp lưu vực Tuân thủ điều kiện liệt kê cho phép xác định đặc điểm thành phần hóa học nước dòng chảy địa phương 3/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Hình 3.3.Quan hệ độ khoáng hóa tổng cộng với hàm lượng cation nước sunphat sông ngòi (đối với lưu vực sông thượng Vonga) Phương pháp xây dựng đồ đặc trưng thủy hóa P.P Voronkov [5] soạn thảo Trên tờ đồ lên đường đồng mức ranh giới vùng phân bố chất thị hóa học Bản đồ xây dựng theo số liệu giá trị trung bình nhiều năm chất thị hóa học đặc trưng cho pha dòng chảy cho trước, gắn với trọng tâm lưu vực dẫn đường đẳng trị với tuyến đo nêu thực việc phân vùng Khi phân tích độ khoáng hóavà thành phần hóa học nước số liệu độ khoáng hóa thể đồ đường đồng mức giá trị làm tròn tính mg/l Thường chúng nhận giá trị cách 10 hay 100 mg/l Khi độ khoáng hóanước lớn tỷ lệ bé lên tới 1000 mg/l Số liệu thành phần hóa học nướcđưa lên đồ dạng giá trị hàm lượng ion cation, biểu thị % đương lượng Ranh giới vùng xác định theo phạm vi dao động giá trị % đương lượng Thường vùng gộp giá trị khác trung bình theo khu vực từ 10 -15 % Độ khoáng hóalớn sông ngòi Liên Xô quan trắc vào thời kỳ nước phần lớn sông ngòi diễn vào mùa đông có vùng phía tây phía nam phần Âu Liên Xô vào mùa hè Cho nên đồ độ khoáng hóa tập trung xây dựng vùng chuyển tiếp gồm mùa đông, mùa hè phụ thuộc vào lãnh thổ Khái niệm độ khoáng hóa thời kỳ chuyển tiếp phân bố lãnh thổ 4/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Liên Xô sông nước trung bình cho đồ độ khoáng hóa nước sông ngòi phần Âu Liên Xô thành lập V V Voronkov V I Zubareva (Hình 3.1) Trên lãnh thổ Đông Xibia Đông Bắc Liên Xô vùng băng hà nhiều năm sông nhỏ bị băng phủ thời gian dài việc đánh giá độ khoáng hóa nước tiến hành theo sô liệu quan trắc sông lớn vừa Tuân theo đánh giá tương đối chất lượng nước uống mà với độ khoáng hóa tiêu (bên cạnh độ cứng, độ axit permangan, diện tạp chất độc hại), trường hợp độ khoáng hóa đến 600 mg/l nước coi tốt (tính đến tiêu khác), nước phần lớn sông ngòi Liên bang Xô viết vào thời kỳ nước theo giá trị độ khoáng hóa liệt vào hạng tốt Các đường đồng mức 600 mg/l qua vùng phía nam phần Âu Liên Xô Tây Xibia Tuy nhiên phía nam đường đồng mức xảy tăng đột biến độ khoáng hóa nước không gian hoàn toàn không lớn nhanh chóng đạt tới 1000 mg/l chuyển nước trở nên bất lợi cho uống.Sự diện quan hệ chặt chẽ độ khoáng hóa hàm lượng ion có thành phần hóa học nước giống ion cacbonat hay sunfatchiếm ưu thế, cho phép tiến hành tính toán tổng độ khoáng hóa nước theo hàm lượng loại ion hay ngược lại Hình 3.4 Quan hệ độ khoáng hóa với độ cứng tổng cộng (I) thường xuyên (II)của nước sông H 5/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Trên hình 3.2 3.3 ví dụ quan hệ độ khoáng hóa hàm lượng ion nước sông tính chất sunfat lưu vực Vonga Thượng Đối với điểm, tiến hành quan trắc thủy hóa xây dựng đồ thị quan hệ độ khoáng hóa lưu lượng nước cho mùa kiệt, tính đến biên độ dao động đặc trưng cho toàn thời kỳ quan trắc Với giống điều kiện hình thành dòng chảyvà thành phần hóa học nước sông trung bình đồ thị trung bình hóa chấp nhận làđồ thị quan hệ vùng Sự diện đồ thị quan hệ vùng độ khoáng hóa lưu lượng nước cho phép theo giá trị biết lưu lượng nước (xác định theo số liệu quan trắc hay cách tính toán) xác định tổng độ khoáng hóa nước sông chưa nghiên cứu Hình 3.5 Phân bố độ cứng tổng cộng (mg đương lượng/l) nước mùa nước sông nước trung bình, - ranh giới vùng nghiên cứu Với độ khoáng hóa nước quan hệ trực tiếp với độ cứng nó, tăng tỷ lệ thuận với Quan hệ thường chặt chẽ sử dụng để tính toán (Hình 3.4) Độ cứng dư không phân huỷ, tất nhiên không lớn, cố định theo thời gian không thay đổi có thay đổi độ khoáng hóa Phân bố tổng độ cứng theo lãnh thổ Liên Xô tổng thể trùng với phân bố độ khoáng hóa nước sông Trên hình 3.5 đồ phân bố tổng độ cứng nước vào mùa nước sông nước năm trung bình đồ thành lập A M Vladimiarov sở đồ P P Voronkov phần Âu Liên Xô Đối với Đông Xibia Đông - Bắc 6/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Liên Xô đường đồng mức không dẫn nguêyn nhân khái quát số liệu độ khoáng hóa nước, kỹ thuật xây dựng đồ tương tự Nếu theo độ khoáng hóa tự nhiên, nước sông phần chủ yếu lãnh thổ Liên Xô thuộc hạng tốt, theo độ cứng tổng cộng hạng (độ cứng tổng cộng cho phép đến mg đương lượng /l) thoả mãn đói với sông phía bắc đất nước (laọi bỏ vùng karst) Trên phần lớn lãnh thổ phầnÂu Liên Xô vùng Tây Đông Xibia rộng lớn nước sông có độ cứng ôn hoà Mối quan tâm thực tiễn tó lớn đánh giá tổng hợp chất lượng nước tự nhiên sông Liên Xô vào mùa kiệt (hay nước, chuyển tiếp) theo tiêu chủ yếu nhưđộ khoáng hóa nước, độ cứng tổng cộng độ axit hóa permangan Các tiêu tự nhiên, hình thành chất lượng nước sông suối cho trường hợp dị thường tự nhiên hay có can thiệp người, hoạt động dịch vụ công cộng Sự tăng số tiêu chất lượng nước tiến hànhxả nước thải công cộng khái quát rộng lớn theo lãnh thổ làm phức tạp hóa đáng kể việc thực chúng chí làm nhà sử dụng nước định vị không đúng, chất lượng nước chừng mực xác định mục đích sử dụng nhiệm vụ bảo vệ đối tượng nước Hình 3.6 Các vùng với chất lượng nước tự nhiên khác - tốt; - thoả mãn; - không thoả mãn; 4- ranh giới vùng nghiên cứu 7/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Phân tích đồng thời đồ độ khoáng hóavà độ cứng tổng cộng độ axit hóa permangan nước (bản đồ cuối P P Voronkov xây dựng cho phần Âu, A M Vladimiarov xây dựng cho phần châu Á, Liên Xô) sông Liên Xô có tính đến tiêu đánh giá tương đối chất lượng nước uống cho phép phân vùng với chất lượng nước tự nhiên khác (hình 3.6) Với đánh giá tổng hợp chất lượng nước cần tính đến khác biệt tính chất thay đổi tiêu lựa chọn phụ thuộc vào pha dòng chảy Vậy, độ khoáng hóa nước độ cứng tác động tương hỗ tỷ lệ thuận với độ axit nước lại tỷ lệ nghịch với chúng, đặc biệt vào mùa kiệt số vùng Liên Xô Thí dụ sông phần hạ lưu lưu vực Pripiatri độ khoáng hóa độ cứng nước sông vào mùa kiệt không cao tương ứng với đánh giá chất lượng nước tốt thìaxit permangan loại nước liên quan tới tính lầy lớn lãnh thổ diện trầm tích mùn dàylà cao Cho nên tiêu cuối không cho phép đặt nước sông vùng chí vào hạng đạt theo chất lượng, giá trị cho phép tới hạn axit permangan chiếm 10 mg O/l với đánh giá tốt chất lượng nước 20 mg O/l đạt Khi đánh giá chất lượng nước phải tính tiêu có tiêu chất lượng thoả mãn Với cách tiệm cận số sông lãnh thổ Liên Xô, đặc biệt phần Âu Liên Xô theo chất lượng nước vào mùa chuyển tiếp(tức mùa nước nhất) liệt vào hạng đạt (vùng hình 3.6) Chia lãnh thổ vùng vùng địa phương với chất lượng nước không đạt (vùng 3) liên quan chủ yếu đến diện axit permangan cao (chủ yếu phần Âu Liên Xô) hay độ cứng tổng cộng (chủ yếu phần châu Á Liên Xô) Nước chất lượng cao ghi nhận sông vùng đồi núi phía bắc Liên Xô, sông vùng Viễn Đông Camtratca, nơi mà thnhà phần điịnh lượng ba tiêu nhỏ Lọi hoàn toàn bất lợi việc sử dụng nước uống sông ngòi phía nam phần Âu Liên Xô vùng phía nam Tây Xibia Điều liên quan tới độ khoáng hóa độ cứng cao chúng Tất nhiên, số sông riêng biệt, chí số vùng chất lượng nước nêu phân biệt đáng kể theo hướng xấu thành phần hóa học nước tự nhiên phức tạp diện chất ô nhiễm việc thải loại nước qua sử dụng Khi đánh giá chất lượng nước theo số chất thị hóa học vào thời kỳ nước năm cần tính đến dao động chúng từ năm qua năm khác, chúng lớn Do tính toán đặc trưng định lượng dòng chảy bé thường hay phải xác định giá trị trung bình nhiều nămmà dòng chảy tính toán suất đảm bảo cần thiết đánh giá chất lượng nước đoạn hay đoạn khác thời kỳ nước (mùa chuyển tiếp, mùa kiệt, thời kỳ 30 ngày dòng chảy cực tiểu v.v ) sử dụng giá trị chất thị hóa học đáp ứng dòng chảy suất đảm bảo cho Chất thị hóa họccó nước sông đại lượng ngẫu nhiên độc lập thể nhiều năm dòng chảy sông ngòi thay đổi chúng theo thời gian phụ thuộc vào số lớn nhân tố mang tính ngẫu nhiên Cho nên việc phân tích 8/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng phân bố theo thời gian đặc trưng sở không so với dòng chảy nước, sử dụng phương pháp xác suất thống kê Khi xây dựng đường cong đảm bảo thực nghiệm cần tập trung tính toán quan hệ lưu lượng nước số chất thị pha dòng chảy xét Như vậy, thường lưu lượng nước cực tiểu tương ứng với độ khoáng hóa cực đại Cho nên xây dựng đường cong đảm bảo thực nghiệm tốt sử dụng giá trị độ khoáng hóa (số anion, cation) ngược với tự nhiên> Thí dụ / Mg2+, 10 Ca2+ 100/Σu - giá trị chất thịhay tổng chúng lớn tử số lớn, tương tự với việc dựng đường cong đảm bảo Điều nhằm bảo toàn hệ thức tẹ nhiên đặc trưng số chất lượng nước với suất đản bảo chúng Suất đảm bảo điểm thực nghiệm tính toán theo công thức: P= m n + 100, với m - số thứ tự thành viên chuỗi xếp đặc trưng thủy hóa tính toán theo trật tự giảm dần; n - tổng số thành viên chuỗi Khi xác định giá trị tần suất độ khoáng hóa hay độ cứng (và đặc trưng khác, tăng với giảm lưu lượng nước) thành viên chuỗi xếp theo đại lượng ngược với tự nhiên 9/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Hình 3.7.Suất đảm bảo độ khoáng hóa tổng cộng nước sông Xurư (1, 2) Berezinư (3, 4); 1, mùa đông; 2, hè thu 10/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Hình 3.8.Suất đảm bảo hàm lượng cation nước sông Xurư mùa đông Khi tính toán độ khoáng hóa tổng cộng nước hay số anion cation, đường cong suất đảm bảo cần xây dựng cho thời kỳ dài, khác không trùng với giá trị độ khoáng hóa tổng cộng số thành phần chất thị Khi xây dựng đường cong suất đảm bảo chất thị hóa học chứa nước pha nước dòng chảy cần phải ý đến phù hợp củađườngtrung bình cácđiểm thực nghiệm phần thấp đường cong đảm bảo, tương ứng với giá trị cực đại chúng Sự diện đường cong đảm bảo nêu cho phép xác định giá trị chất thị hóa học phù hợp với lưu lượng nước suất đảm bảo tính toán (xác suất vượt), việc khái quát đặc trưng hóa học suất đảm bảo cho trước theo lãnh thổ dạng đồ đường đồng mức hay quan hệ vùng sử dụng hệ số chuyển đổi đến suất đảm bảo khác cho phép xác định đặc trưng thủy hóa cần thiết sông chưa nghiên cứu 11/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Đánh giá chất lượng nước sông thủy vực điều kiện có tác động nhân sinh Trong điều kiện tự nhiên, thành phần hóa học, tính chất vật lý nước cácđối tượng nước khác Điều kiệnvà đặc điểm hình thành thành phần hóa học nước mặt xét giáo trình “Thủy hóa “ Khi sử dụng đối tượng nước với mục đích cụ thể 9cung cấp nước uống, sử dụng ngư nghiệp ) cần phải đánh giá tính chất thành phần nước từ quan điểm có lợi cho nhu cầu dùng nước cho trước, tức đánh giá lượng nước tồn thời gian Đánh giá chất lượng nước thực bàng cách so sánh hàm lượng tiêu tương ứng (như hàm lượng ôxy hoà tan, BKP5 v.v ) với tiêu xác định “Các nguyên tắc bảo vệ nước mặt khỏi bị ô nhiễm nước thải” Nếu trường hợp địa lý tự nhiên cụ thể, chất lượng nước đối tượng nước đặc trưng tính ổn định điều kiện có tác động nhân sinh xảy thay đổi tích cực chất lượng nước Trong số nhân tố gây nên thay đổi thành phần tính chất tự nhiên nước đối tượng nướcchủ yếu nước thải công nghiệp, nước thải công cộngvà loại nước thải khác, dẫn tới ô nhiễm Trong đối tượng nước ô nhiễm xảy hàng loạt trình lý hóa trình khác dẫn tới việctái lập lại trạng thái tự nhiên nước tức diến trình tự làm khối nước Trong số trình tự làm vai trò trình pha loãng biến dạng chất ô nhiễm Pha loãng nước thải Xác địnhtính chất lan truyền mức độ pha loãng tạp chất hóa học sông suối thủy vực toán thủy lực, để giải soạn hàng loạt phương pháp Tính toán pha loãng nước thải sông thủy vựccó thể sử dụng để đánh giá toàn tổ hợp tượng, xác định tự làm đưa đặc trưng số trình lý hóa sinh hóa Hay áp dụng nước thải công cộng, phương pháp tính toán pha loãng dựa việc sử dụng lời giải số phương trình khuếch tán rối Từ kết tính toán theo phương pháp cho khả nhận giá trị nồng độ cực đại chất ô nhiễm (Smax) khoảng cách từ chỗ đổ nước thải Đánh giá chất lượng nước điểm xác định (tuyến đo đối tượng nước) thực đường so sánh nồng độ cực đại chất ô nhiễm với nồng độ tới hạn cho phép chất (PDK), tiếu chuẩn “Các nguyên tắc bảo vệ nước mặt khỏi bị ô nhiễm nước thải” (1975) 12/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Ngồng độ cực đại chất ô nhiễm tới hạn sông sau chỗ đổ nước thải thay đổi phạm viSt ≥ Smax ≥ Ss với Ss -nồng độ trung bình chất dòng chảy, xác định từ phương trình cân vật chất: Ss = QpSp + QtSt Qp + Qt (3.1) với Qp - lưu lượng nước sông m3/s; Qt - lưu lượng nước thải m3/s; Sp - nồng độ chất xét nước sông, mg/l hay g/m3; St - nồng độ chất xét nước thải mg/l hay g/m3 Khi thực tính toán pha loãng người ta sử dụng gọi làgiá trị dẫn nồng độ chất ô nhiễm Sđ - thể đại lượng mức vượt tự nhiên tức vượt hàm lượng chất xét nước sông (Sp) Nếu S - nồng độ thực chát ô nhiễm vùng ô nhiễm thì: Sđ = S - Sp (3.2) Nồng độ dẫn chất ô nhiễm nước thải Sđt = St - Sp (3.3) Để thuận tiện tính toán việc tính tiến hành với giá trị tương đối nồng độ, thí dụ theo % Sđt, coi Sđt = 100 % Giá trị thực nồng độ chất ô nhiễm điểm trường tính toán nhận cách chuyển từ giá trị tương đói tuyệt đối cộng nồng độ tính toán nồng độ Thường thực tế, tính toán pha loãng sử dụng khái niệm độ ngắn pha loãng n hệ số xáo trộn ? Độ ngắn pha loãng n đặc trưng pha loãng tổng hợp nồng độ chất ô nhiễm hạ xuống lần nước thải đoạn sông xem xét Giá trị n xác định theo quan hệ: n= St − Sp Smax − Sp (3.4) với Sp = n= St Smax (3.5) 13/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Hệ số xáo trộn ? lần I Đ Rodziller (năm 1954) đưa ra, phần lưu lượng nước sông xáo trộn nước thải Độ ngắn pha loãng hệ số xáo trộn quan hệ với sau: n= Qt + γQp Qt (3.6) Qt γ = (n − 1) Q (3.7) p Hệ số xáo trộn tính trường hợp nước thải lan truyền tuyến đo tính toán không khắp chiều rộng sông Sự vận chuyển chất ô nhiễm Bên cạnh pha loãng nước thải sông thủy vực làm hạ nồng độ chất ô nhiễm trình lý hóa sinh hóa diễn tronga đối tượng nước Một phương pháp đánh giá định lượng hạ nồng độ trình nêu việc sử dụng hệ số mang tên gọi tính không bảo thủ (kH), tổng cộng tốc độ vật chất chuyển hóa Giá trị hệ số không bảo thủ xác định theo số liệu khảo sát thực địa phòngthí nghiệm Thí dụ điều kiện vịnh Nhepski, Viện nghiên cứu khoa học bảo vệ nước toàn Liên bang nhận giá trị số hệ số vận tốc chuyển hóa sô chất, tiêu chuẩn hóa “Các nguyên tắc bảo vệ nước mặt khỏi bị ô nhiễm nước thải” tính qua kH (bảng 3.10) Hệ số không bảo thủ giảm chất ô nhiễm âm, thứ nguyên kH - ngày -1; s -1 Trong trường hợp tổng quát, động học trình chuyển hóa sinh hóa viết phương trình bậc St = S0exp( − (kH,1 + kH,2 + +kH,n)t), (3.8) với S0 St - ngồng độ vật chất tương ứng với thời điểm ban đầu thời điểm t, hệ số kH,n- thuộc trình chuyển hóa vật chất đối tượng nước Trong thực tế giả sử tiến hành tính toán theo trình chuyển đổivật chất chính, bỏ qua trìnhcó giá trị bậc hai Trong trường hợp phương trình tính toán chấp nhận dạng: (3.9) Bảng 3.10 Giá trị hệ số không bảo thủ với oC vịnh Nhepski 14/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Các phương pháp tính toán dẫn cho khả xác định nồng độ chất ô nhiễm bảo thủ, nhiên phương pháp cho phép tính hạ thấp nồng độ giảm chất ô nhiễm, có giá trị số số không bảo thủ (kH) Phương pháp tính toán giảm chất tính toán pha loãng soạn Viện Thủy văn Nhà nước (Cơ sở phương pháp đánh giá , 1987) Cơ sở lý thuyết phương pháp tính toán Các phương trình áp dụng rộng rãinhất để soạn thảo phương pháp tính toán thực tế pha loãng nước thải dòng chảy sông ngòi, hồ hồ chứa phương trình vi phân tổng quátkhuếch tán rối V I Macaveev đưa vào năm 1931: dS dt =D ( ∂2 S ∂x + ∂2 S ∂y + ∂2 S ∂z )−u ∂S ∂y , (3.10) với dS dt = ∂S ∂t ∂S ∂S ∂S + vx ∂ x + vy ∂ y + vz ∂ z (3.11) Ở S - nồng độ chất lơ lửng hay hoà tan nước, mg/m3 hay g/m3; u -vận tốc rơi phần tử lơ lửng nước,m/s (đối với chất hoà tan u = 0); t - thời gian, s; vx, vy, vz - thành phần vậntốc dòng chảy tương ứng toạ độ x, y, z, m/s; Trục x hướng theo chiều dòng chảy; trục y - từ mặt xuống đáy; trục z - theo chiều rộng dòng chảy D ký hiệu hệ số khuếch tán rối, m2/s: D= A ρ (3.12) với A - hệ số trao đổi rối, kg/(m.s); ρ - mật độ nước kg/m3 Đối với điều kiện trình khuếch tán dừng chất hoà tan thành phần vậntốc dòng chảy ngang, phương trình (3.10) viết dạng: 15/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng ∂S vx ∂ x = D ( ∂2 S ∂y + ∂2 S ∂ z2 ) (3.13) Nếu xét lan truyền nước ô nhiễm hướng mặt phẳng, thí dụ theo trục ngang, phương trình khuếch tán viết sau (bài toán hai chiều): ∂S vx ∂ x = D ∂2 S ∂ z2 (3.14) Xem xét phân bố chất ô nhiễm theo trục hoành mặt phẳng dùng trường hợp theo trục tung xáo trộn thực nhanh quan tâm đến lan truyền chất ô nhiễm theo chiều rộng dòng chảy Khi tính toán khuếch tán rối thủy vực, đặc trưng dòng chảy yếu hướng không ổn định, tiếp nhận phương pháp dựa phương trình khuếch tán rốido A V Karausev đưa ratrong hệ toạ độtrụ [13]: ∂S ∂t = (D − Qt ∂ S ϕH ) r ∂ r +D ∂2 S ∂ r2 (3.15) với r - toạ độ (bán kính) thể khoảng cách từ nguồn ô nhiễm, m; t - thời gian, s;φ góc phận ô nhiễm với lưu lượng nước Qt; H - độ sâu thủy vực đoạn xâm nhập nước thải, m.Phương trình (3.15) tương ứng điều kiện đặt nguồn ô nhiễmlưu lượng nước Qt vào gốc toạ độ Trong trường hợp đổ nước thải thực qua công trình kỹ thuật thủy đảm bảo dự khác biệt động học dòng ô nhiễm khối nước xung quanh, cần tính tới trình pha loãng chi phối tính bất đồng động học có chỗ cách nơi đổ không xa Khi sử dụng quan hệ để xác định độ ngắn pha loãng (nH) có dạng: nH = 0,248 1−m (√ ) ˉ2 1−m d m2 + 8,1 − m (3.16) d ˉ với d = d/d0, d0 - đường kính mặt cắt đầu ra, d - dường kính dòng ô nhiễm mặt cắt tính toán; m - vtb/vt - tỷ lệ vậntốc dòng chảy trung bình dòng vậntốc chảy nước thải Những tiêu tích phân đánh giá chất lượng nước mức ô nhiễm sông thủy vực Hiện đánh giá chất lượng nước song ngòi thủy vực thường sử dụng số liệu phân tích hóa học vcác mẫu nước lấy điểm đối tượng nước vào thời điểm riêng khác nên không cho phép đặc trưng chất lượng nước 16/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng đoạn riêng biệt hay thể tích theo dõi thay đổi ô nhiễm nước theo thời gian Liên quan đến Viện Thủy văn Nhà nước (GGI) sonạ thảo tiêu tích phân đánh giá chất lượng nước độ ô nhiễm đối tượng nước, cho phép tính đến biến đổi độ ô nhiễm khối nước theo thời gian không gian, chi phối tính biến đổi cảu đặc trưng thủy văn đối tượng nước [3, 21] Hệ thống tiêu tích phân soạn thảo GGI gồm ba nhóm: câc tiêu tải trọng đánh giá sức tải dòng theo nồng độ trung bình chất ô nhiễm mặt cắt ngang;các tiêu phân bố không gian ô nhiễm sông; tiêu tính đến trao đổi nước bên thủy vực Hai nhóm gắn với đặc trưng xác suất chế độ nước đối tượng, đánh giá độ lặp lại suất đảm bảo trạng thái ô nhiễm sông hay thủy vực Các số thủy văn học tổng tải trọng dòng chất bảo thủ.Chỉ số tuyệt đối tổng tải trọng Tổng tải trọng dòng chất bảo thủ hay tổng đại số chất biểu thị (trong dòng) nồng độ Sn chất xác định từ điều kiện cán cân vật chất (3.1) Địa lượng Sn tuyến đo xáo trộn hoàn toàn biểu thị giá trị thực nồng độ chất thị hóa học ô nhiễm; tuyến đo, phân bố nơi đổ nước thải nơi xáo trộn hoàn toàn, đại lượng Sn đặc trưng tương đối nồng độ trung bình Nếu nước sông nồng độ chất ô nhiễm cho trước Sp = 0, thì: Sn = QtSt Qp + Qt (3.17) Chỉ số Sn cho phép nhận đặc trưng đầy đủ tải trọng dòng vật chất ô nhiễm vòng thời đoạn cho trước Đánh giá tính biến động số Sn theo thời gian hàm suất đảm bảo PQ lưu lượng nước ngày sông ngòi chuỗi quan trắc nhiều năm Nếu Qt = const St = const suất đảm bảo (%) nồng độ trung bình: PSn = (100 − PQ) (3.18) Chỉ số vượt không vượt ô nhiễm so với chuẩn Chỉ số vượt ô nhiễm so chuẩn biểu thị suấ đảm bảo Pb dòng chảy nước ô nhiễm tuyến đo cụ thể sông xem xét.Suất đảm bảo tính theo số ngày đáp ứng việc tuyến đo cho qua dòng chảy ô nhiễm Để xác định Pb thuận tiện sử dụng phương pháp đồ thị sau Xây dựng đường cong suất đảm bảo Sn dẫn đường thẳng đáp ứng PĐK đối 17/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng với chất ô nhiễm xét Tại điểm cắt đường cong Sn = f(P) với đường thẳng PĐK nhận điểm cho suất đảm bảo Pb vượt nồng dộ trung bình chất so chuẩn Đôi vào tiêu Pb người ta sử dụng tiêu không vượt ô nhiễm so với chuẩn P, thể suát đảm bảo dòng chảy sạch: P = (100 − Pb) (3.19) Chỉ số tải trọng tương đối số tải trọng cho phép tới hạn dòng chất ô nhiễm Chỉ số tải trọng tương đối dòng chất ô nhiễm cụ thể tìm cách so sánh gía trị tính toán Sn với nồng độ tới hạn cho phép (PDK) chất Khi có hai trường hợp: Sn ≥ PDK (nước bẩn) Sn ≤ PDK (nước sạch) Thế bất đẳng thức giá trị Sn theo công thức (3.1) biến đổi chúng, nhận được: (St − SPDK)Qt (SPDK − Sp)Qp ≥1 (St − SPDK)Qt (SPDK − Sp)Qp ≤1 ký hiệu vế trái bất đẳng thức qua φ' ϕ' = (St − SPDK)Qt (SPDK − Sp)Qp (3.20) Tỷ số (3.20) có tên gọi số tải trọng tương đối dòng chất ô nhiễm, tức φ' ≥ φ' ≤ Giống Sn, φ' > - nước bẩn; φ' < - nước φ' = điều kiện tới hạn tải trọng lưu vực nhiểm bẩn (φ'b) Chỉ số phân bố không gian ô nhiễm sông thủy vực Do việc đổ nước thải vào sông thủy vực nên thủy vực hình thành vùng ô nhiễm, kích thước chúng sữ thay đổi phụ thuộc vào đặc trưng chế độ dòng (mực nước, lưu lượng nước, vận tốc dòng chảy v.v ) thủy vực (mực nước, vận tốc dòng chảy v.v ) gắn liền với thay đổi việc đổ nước thải Để đánh giá tính ô nhiễm thủy vực hay đoạn dòng sông sửd ụng kích thước tương đối vùng ô nhiễm (kích thước thẳng, diện tích, thể tích) đặc trưng biến động chúng bị chi pjối cácnhân tố định Các số nhóm tính sở số liệu khảo sát chi tiết vùng ô nhiễm địa phương theo số liệu tính toán lý thuyết vùng Chia số tương đối ô nhiễm: tuyến tính (λb), diện tích (?b) thể tích (μb) Để đặc trưng cho kích thước tuyến tính vùng ô nhiễm đề nghị xét hai số tuyến tính tương đối: λHb, λBb thể tỷ số dộ dài tuyến tính cực đại vùng ô nhiễm (Lb) với độ sâu đặc trưng (H*), chiều rộng đối tượng nước (B*): λH,b = Lb H (3.21) 18/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng λB,b = Lb B (3.22) Ở Lb - khoảng cách từ chỗ đổ nước thải đến tuyến đo, nơi nồng độ tới hạn chất PDK; H* B* sông tính giá trị trung bình độ sâu độ rộng dòng với chế độ cụ thể đoạn sông xét; H* - độ sâu trung bình thủy vực vùng ô nhiễm hay độ sâu trung bình thủy vực Giá trị λBb thủy vực không cần tính Chỉ số diện tích tương đối vùng ô nhiễm (?b) tính theo công thức: ηb = μb = Ωb Ω Wb W (3.23) (3.24) với ?b Wb - diện tích thể tích ô nhiễm, tính đo với điều kiện thủy văn cụ thể; ? W - diện tích chung thể tích nước đoạn xét với điều kiện Các số nhóm tính cho điều kiện trung bình (thí dụ Q50 % hay với mực nước dâng bình thường cho hồ chứa), điều kiện không thuận lợi (Q95 % v.v ) Sử dụng tiêu nhóm cho phép đánh giá thay đổi trạng thái vệ sinh ảnh hưởng nhân tố định - thay đổi đặc trưng thủy văn chủ yếu Tại GGI thực phân tích quan hệ kích thước vùng ô nhiễm sông ngòi (?b, Zb) từ biến động đặc trưng thủy văn chủ yếu (Qp, Qt) sông ngòi dạng khác (đồng bằng, đồi núi, lớn, trung bình nhỏ) đề xuất phương pháp đơn giản tính toán số phân bố không gian chất ô nhiễm phụ thuộc vào lưu lượng nước dạng sông ngòi (phương pháp toán đồ) 19/19 [...]... mẫu nước lấy trên các điểm của đối tượng nước vào các thời điểm riêng khác nhau nên không cho phép đặc trưng được chất lượng nước trên các 16/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên của nước ở pha kiệt của lưu lượng đoạn riêng biệt hay cả thể tích và theo dõi được sự thay đổi của ô nhiễm nước theo thời gian Liên quan đến cái đó trong Viện Thủy văn Nhà nước (GGI) đã sonạ thảo các chỉ tiêu tích phân đánh giá chất. .. điểm xác định (tuyến đo của đối tượng nước) được thực hiện bằng con đường so sánh nồng độ cực đại của chất ô nhiễm với nồng độ tới hạn cho phép của chính chất đó (PDK), bằng tiếu chuẩn “Các nguyên tắc bảo vệ nước mặt khỏi bị ô nhiễm nước thải” (1975) 12/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên của nước ở pha kiệt của lưu lượng Ngồng độ cực đại của chất ô nhiễm tới hạn trong sông sau chỗ đổ nước thải thay đổi trong... 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 11/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên của nước ở pha kiệt của lưu lượng Đánh giá chất lượng nước ở các sông và thủy vực trong điều kiện có tác động nhân sinh Trong các điều kiện tự nhiên, thành... hiện tỷ số của dộ dài tuyến tính cực đại vùng ô nhiễm (Lb) với một độ sâu đặc trưng nào đó (H*), hoặc chiều rộng của đối tượng nước (B*): λH,b = Lb H (3.21) 18/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên của nước ở pha kiệt của lưu lượng λB,b = Lb B (3.22) Ở đây Lb - khoảng cách từ chỗ đổ nước thải đến tuyến đo, nơi nồng độ tới hạn của chất bằng PDK; H* và B* đối với sông tính được giá trị trung bình của độ sâu... chất lượng tự nhiên của nước ở pha kiệt của lưu lượng Các phương pháp tính toán dẫn ra dưới đây cho khả năng xác định nồng độ các chất ô nhiễm bảo thủ, tuy nhiên các phương pháp này cũng cho phép tính cả sự hạ thấp nồng độ do sự giảm các chất ô nhiễm, nếu như có các giá trị số của hằng số không bảo thủ (kH) Phương pháp tính toán sự giảm chất khi tính toán pha loãng được soạn bởi Viện Thủy văn Nhà nước. . .Đánh giá chất lượng tự nhiên của nước ở pha kiệt của lưu lượng 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... St Smax (3.5) 13/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên của nước ở pha kiệt của lưu lượng Hệ số xáo trộn ? lần đầu tiên được I Đ Rodziller (năm 1954) đưa ra, chỉ ra phần lưu lượng nước nào của sông được xáo trộn cùng nước thải Độ ngắn pha loãng và hệ số xáo trộn quan hệ với nhau như sau: n= Qt + γQp Qt (3.6) Qt γ = (n − 1) Q (3.7) p Hệ số xáo trộn chỉ được tính trong trường hợp nếu như nước thải lan truyền... đảm bảo Pb của dòng chảy nước ô nhiễm trong một tuyến đo cụ thể của sông đang xem xét.Suất đảm bảo của nó được tính theo số ngày đáp ứng việc tuyến đo cho qua dòng chảy ô nhiễm Để xác định Pb thuận tiện nhất là sử dụng phương pháp đồ thị sau đây Xây dựng đường cong suất đảm bảo Sn và dẫn đường thẳng đáp ứng PĐK đối 17/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên của nước ở pha kiệt của lưu lượng với chất ô nhiễm... số trao đổi rối, kg/(m.s); ρ - mật độ nước kg/m3 Đối với điều kiện quá trình khuếch tán dừng các chất hoà tan khi không có các thành phần vậntốc dòng chảy ngang, phương trình (3.10) viết dạng: 15/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên của nước ở pha kiệt của lưu lượng ∂S vx ∂ x = D ( ∂2 S ∂y 2 + ∂2 S ∂ z2 ) (3.13) Nếu như xét lan truyền nước ô nhiễm trên một hướng nào đó của mặt phẳng, thí dụ theo trục ngang,... học, các tính chất vật lý nước của cácđối tượng nước rất khác nhau Điều kiệnvà đặc điểm hình thành của thành phần hóa học nước mặt được xét trong giáo trình “Thủy hóa “ Khi sử dụng đối tượng nước với một mục đích cụ thể 9cung cấp nước uống, sử dụng trong ngư nghiệp ) cần phải đánh giá tính chất và thành phần nước từ quan điểm có lợi cho nhu cầu dùng nước cho trước, tức là đánh giá lượng nước tồn tại ... 11/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Đánh giá chất lượng nước sông thủy vực điều kiện có tác động nhân sinh Trong điều kiện tự nhiên, thành phần hóa học, tính chất vật lý nước. .. với giảm lưu lượng nước) thành viên chuỗi xếp theo đại lượng ngược với tự nhiên 9/19 Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Hình 3.7.Suất đảm bảo độ khoáng hóa tổng cộng nước sông.. .Đánh giá chất lượng tự nhiên nước pha kiệt lưu lượng Hình 3.1 Độ khoáng hóa (mg/l) sông năm nước trung bình1 - ranh giới vùng nghiên cứu Khi xác định chất lượng nước tự nhiên cần phải