Bài giảng Tính chất vật lý của môi trường nước

Tính chất vật lý của môi trường nước CHƯƠNG 2 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC 1 ÁNH SÁNG VÀ MÔI TRƯỜNG NƯỚC 1.1 Phân phối năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời khi truyền qua khí quyển đến mặt đất thì năng lượng giảm dần do sự hấp thụ của khí quyển và vật chất trên bề mặt quả đất. Năng lượng mặt trời được truyền ở hai dạng sóng ánh sáng, ánh sáng khả kiến và bất khả kiến. Sự phân bố năng lượng được trình bày qua hình 2-1. Hình 2-1. Năng lượng mặt trời truyền vào khí quyển và mặt đất. 1.2 Sự xâm nhập của ánh sáng vào cột nước Ở một ngày trong lành, cường độ bức xạ mặt trời gia tăng từ 0 trước lúc bình minh và đạt cực đại vào lúc giữa trưa (14:00-16:00). Quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh gia tăng khi cường độ bức xạ mặt trời gia tăng và sẽ giảm khi cường độ bức xạ mặt trời giảm. Khi chiếu tới mặt nước ánh sáng không hoàn toàn xâm nhập vào cột nước mà một phần bị phản xạ lại không khí. Khả năng xâm nhập của ánh sáng vào môi trường nước phụ thuộc vào tính phẳng lặng của mặt nước và góc tới của tia sáng so với mặt nước. Những tia sáng chiếu gần thẳng góc với mặt nước sẽ xâm nhập vào nước nhiều 13 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản nhất. Cường độ ánh sáng sẽ giảm khi xuyên qua cột nước vì bị phân tán và hấp thu bởi cột nước. Đối với nước tinh khiết, chỉ 53% cường độ ánh sáng biến đổi thành nhiệt và triệt tiêu khi xuyên qua một mét nước đầu tiên của cột nước. Các tia sáng có bước sóng dài (đỏ, cam) và ngắn (hồng ngoại, tím) thì bị triệt tiêu nhanh hơn các tia sáng có bước sóng trung bình (lục, lam và vàng). Nước thiên nhiên có nhiều tạp chất ngăn cản quá trình xâm nhập của ánh sáng vào môi trường nước. Quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh không thể thực hiện được khi cường độ ánh sáng thấp hơn 1%. Tầng nước nhận được hơn 1% cường độ ánh sáng được gọi là tầng ánh sáng hay tầng quang hợp (photic layer). Nước trong ao nuôi tôm, cá thường đục do thực vật phù du phát triển mạnh nên tầng ánh sáng của nó thường thấp. Theo Boyd (1990) thì tầng ánh sáng thường gấp đôi độ trong của nước đo bằng đĩa Secchi. Hình 2-2. Sự xâm nhập của ánh sáng vào 3 ao cá có bón phân Mức độ hấp thụ ánh sáng của nước ở độ sâu z được tính theo công thức sau: Trong đó IO = IZ = Bức xạ xâm nhập vào mặt nước Bức xạ ở độ sâu Z. Độ hấp thụ khởi đầu được sử dụng để nghiên cứu sự xâm nhập của ánh sáng đơn sắc, nhưng khái niệm này được mở rộng cho tổng bức xạ. Lượng ánh sáng xâm nhập vào độ sâu Z nào đó được tính bằng phương trình Lambert: 14 Tính chất vật lý của môi trường nước IZ = I Oe Trong đó: E = K = -kz hoặc LnI O = LnI z - Kz Cơ số của logarithms tự nhiên (cơ số e) Hệ số mất đi In = Logarithm tự nhiên. 1.3 Năng lượng nhiệt 1.3.1 Năng lượng nhiệt tích lũy trong một thủy vực Nguồn nhiệt chính làm cho nước trong các thủy vực ấm lên là do năng lượng ánh sáng mặt trời cung cấp. Ngoài ra, còn có thể do năng lượng sinh ra trong quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong nước và nền đáy của thủy vực, nhưng năng lượng sinh ra bởi các quá trình oxy này không đáng kể so với năng lượng mặt trời cung cấp. Do đó, nhiệt độ của nước thay đổi theo vị trí địa lý của thủy vực, theo mùa, theo thời tiết và theo ngày đêm. Sự thay đổi nhiệt độ của nước trong các thủy vực theo ngày đêm gắn liền với cường độ chiếu sáng của mặt trời trong ngày. Thường nhiệt độ của nước trong các thủy vực thấp nhất vào buổi sáng lúc 2:00-5:00, cao nhất vào buổi chiều lúc 14:00-16:00 giờ và lúc 10:00 giờ nhiệt độ của nước trong thủy vực gần tới nhiệt độ trung bình ngày đêm. Biên độ dao động nhiệt độ trong ngày đêm lớn hay nhỏ phụ thuộc vào tính chất của thủy vực: các thủy vực nhỏ và nông có biên độ dao động nhiệt độ ngày đêm lớn hơn các thủy vực lớn và sâu. Sự thay đổi nhiệt độ theo ngày đêm ở các ao nông có thể rất đáng kể: ở tầng mặt sự chênh lệch nhiệt độ ngày đêm có thể tới 10 C, ở độ sâu 20 cm là 5 C còn ở đáy ao là 2 C. Trong thủy vực năng lượng nhiệt có thể bị mất đi do nước bốc hơi, phát xạ nhiệt, hấp thụ vào nền đáy hoặc dòng chảy ra khỏi thủy vực. o o o Hình 2-3. Năng lượng nhiệt chảy vào và ra khỏi thủy vực nước ngọt. (Số liệu từ F. W. Wheaton, 1977). Trích dẫn bởi C.K. Lin & Yang Yi (2001) 15 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản 1.3.2 Tỉ trọng nước o Nước ở 4 C có tỉ trọng lớn nhất, khi nhiệt độ tăng hay giảm một độ phân tử nước bị giảm làm nước trở nên nhẹ hơn. Tỉ trọng nước ở các mức nhiệt độ khác nhau được thể hiện ở Bảng 2-1 và Hình 2-4. 3 Bảng 2-1: Tỉ trọng nước (g/cm ) ở các nhiệt độ khác nhau C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3 g/cm 0,9998679 0,9999267 0,9999679 0,9999922 1,0000000 0,9999919 0,9999681 0,9999295 0,9998762 0,9998088 0,9997277 0C 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 3 g/cm 0,9996328 0,9995247 0,9994040 0,9992712 0,9991265 0,9989701 0,9988022 0,9986232 0,9984331 0,9982323 0,9980210 0C 22 23 24 25 26 27 28 29 30 3 g/cm 0,9977993 0,9975674 0,9973256 0,9970739 0,9968128 0,9965421 0,9962623 0,9959735 0,9956756 Hình 2-4. Sự thay đổi tỉ trọng nước theo nhiệt độ 16 Tính chất vật lý của môi trường nước 1.4 Sự phân tầng nhiệt độ 1.4.1 Nguyên nhân và quá trình phân tầng Các thủy vực tự nhiên, đặc biệt là các thủy vực nước tĩnh, sự phân tầng thường xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa tầng mặt và tầng đáy. Do tác động của gió và sóng, nhiệt độ từ mặt nước được truyền xuống sâu 1m đến vài trăm mét thành một tầng nước có nhiệt độ đồng nhất, tầng này gọi là tầng mặt (surface mixed layer). Từ độ sâu 200-300m, nhiệt độ bắt đầu giảm rất mạnh đến độ sâu 1000m. Tầng nước này gọi là o tầng giữa (thermocline). Nhiệt độ có thể giảm đi 20 C qua tầng nước này. Dưới tầng "thermocline", nhiệt độ nước giảm chậm lại và ổn định ở vùng đáy sâu (Hình 2-5). Khi nhiệt độ nước ở tầng mặt thay đổi (giảm dần đến 4 C hoặc tăng lên đến 4 C), lúc này tỉ trọng nước tầng mặt cao chúng sẽ chìm xuống và nước ở tầng dước nhẹ hơn sẽ nổi lên gây nên hiện tượng phá vỡ phân tầng. Tùy theo từng vùng trên trái đất mà sự phân tầng và phá vỡ phân tầng diễn 1 lần hay nhiều lần trong năm. Có thể chia sự phân tầng thành các kiểu sau: 1.4.2 Kiểu phân tầng - Amictic - bị phủ bởi lớp băng vĩnh cửu trên bề mặt, không có hiện tượng phá vỡ phân tầng. - Oligomictic - các hồ cạn ở vùng xích đạo hầu như ít xảy ra hiện tượng phân tầng hoặc thủy vực lạnh nước - Monomictic - phân tầng và phá vỡ phân tầng một lần trong năm vào mùa lạnh ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới vào mùa ấm ở vùng cực - Dimictic - phân tầng và phá vỡ phân tầng đều đặn hai lần trong năm ở các hồ vùng ôn đối vào mùa xuân và mùa thu - Polymictic - các thủy vực cạn thường xuyên xảy ra sự phân tầng và phá vỡ phân tầng (thường xảy ra theo chu kỳ ngày đêm). Hình 2-5. Sự phân tầng nhiệt điển hình trong ao cá o o 17 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Hình 2-6. Polymictic trong ao cạn 1.4.3 Hệ quả của sự phân tầng - Vật lý - ngăn cản quá trình hòa trộn và trao đổi nhiệt trong cột nước - Hóa học - giảm hàm lượng dinh dưỡng trên tầng mặt; ngăn cản sự trao đổi vật chất trong cột nước - Sinh học - giới hạn không gian của sự sống; giảm năng suất sinh học 1.4.4 Nguyên nhân và quá trình phá vỡ phân tầng (overturn) - Nhiệt độ thay đổi - Gió/bão - Mưa to - Dòng chảy - Sự di chuyển của sinh vật 1.4.5 Hệ quả của sự phá vỡ phân tầng - Vật lý Cân bằng nhiệt Xáo trộn tầng nước Tăng sự xâm nhập của ánh sáng - Hóa học Xáo trộn các vật chất hòa tan hay lơ lửng Cung cấp dinh dưỡng cho tầng mặt Giảm oxy hòa tan và tăng hàm lượng các chất độc (NH 3, CH 4, H 2S) ở tầng mặt - Sinh học Ảnh hưởng xấu đến động vật trong thời gian phá vỡ phân tầng Tăng năng suất sinh học sau khi hiện tượng phá vỡ phân tầng xảy ra 18 Tính chất vật lý của môi trường nước 1.5 Sự phân chia các vùng trong thủy vực Trong các thủy vực lớn tùy theo độ sâu và tùy theo khoảng cách với vùng bờ mà môi trường có đặc tính khác nhau. Dựa vào đặc tính vật lý của môi trường nước, có thể chia thủy vực thành các vùng sau: 1.5.1 Theo chiều thẳng đứng - Tầng mặt hay còn gọi là tầng đối lưu, đây là vùng có sự chuyển động của nước theo chiều thẳng đứng. - Tầng giữa hay là tầng biến nhiệt (thermocline), đây là ranh giới giữa tầng nước mặt có nhiệt độ cao và tầng đáy có nhiệt độ thấp. Vì vậy, nhiệt độ trong tầng biến nhiệt giảm rất nhanh theo độ sâu (Hình 2-5). - Tầng dưới là tầng nước có nhiệt độ thấp và ổn định - Vùng sáng được giới hạn từ mặt nước đến độ sâu có cường độ ánh sáng 1%, vùng này còn được gọi là vùng quang hợp (photic zone) vì thực phù du phát triển và hiện tương quang hợp xảy ra. - Vùng tối được giới hạn từ độ sâu có cường độ ánh sáng 1% đến đáy thủy vực. - Độ sâu cân bằng giữa quang hợp và hô hấp (compensation depth) chính là ranh giới giữa vùng sáng và vùng tối. 1.5.2 Ngang - Vùng trên triều (Supralittoral): là phần đất phía trên cao hơn mức triều cực đại, bao gồm đất canh tác, đất tự nhiên phủ bởi hệ thực vật hoang dại, các đầm nuôi trồng thủy sản. Hoạt động của con người lên tiểu vùng này rất mãnh liệt nhằm cải tạo đất, phát triển nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản. - Vùng triều là là vùng ngập nước theo chu kỳ, nơi tập trung của các cây rừng ngập mặn hoặc các bãi bùn, bãi cát bằng phẳng. Đây là nơi sinh sống của các sinh vật thích nghi với lối sống nửa nước nửa cạn. Điều kiện sống vùng này tương đối khắc nghiệt nhưng do đa dạng về môi trường sống nên sinh vật vùng triều rất đa dạng, đặc biệt đa dạng về kiểu gen. - Vùng khơi là vùng ngập nước thường xuyên, vùng này chiếm diện tích lớn nhất. Khối nước và nền đáy là nơi sinh sống và phát triển của các loài sinh vật biển. Hình 2-7. Ảnh hưởng của sự phân bố ánh sáng và nhiệt độ lên cấu trúc vật lý của ao hồ. 19 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Hình trên trình bày một hồ nhỏ điển hình ở vùng ôn đới vào mùa hè. Phân vùng thường không chính xác, ở hồ nước đục hoặc vào thời điểm gần bình minh hay hoàng hôn ở hầu hết các hồ thì tầng quang hợp (photic) chỉ đạt đến một phần của tầng đối lưu (mixed layer). Vào mùa Đông tầng đối lưu thường mở rộng đến nền đáy hồ. Hoạt động của sóng to thuận lợi cho sự xác định giới hạn của vùng triều. Thuật ngữ tầng biến nhiệt (thermocline) đôi khi được định nghĩa một cách nghiêm nhặt là vùng có sự o thay đổi nhiệt độ ít nhất 1 C/m sâu. Đối với vùng nhiệt đới không nhất thiết phải tuân theo giá trị như trong định nghĩa trên. 1.6 Chuyển động của nước - Nguyên nhân gây chuyển động: Do nhiều nguyên nhân như sự chênh lệch nhiệt độ, độ mặn, sóng gió thủy triều, sự di chuyển của thủy sinh vật, khối nước trong thủy vực luôn luôn chuyển động, ngay cả trong các thủy vực không có sự trao đổi nước. Nước chuyển giúp cho sự chuyển động của thủy sinh vật, sự khuếch tán oxy từ không khí vào môi trường nước, sự điều hòa nhiệt độ, độ mặn, các khí hòa tan và việc phân tán các sản phẩm bài tiết của thủy sinh vật được thực hiện một cách dễ dàng, tránh được hiện tượng nhiễm bẩn hay thiếu oxy cục bộ. - Kiểu chuyển động của nước: Đối lưu Dòng chảy Sóng Sự nhiễu loạn (Turbulence) Nước trồi (Upwelling) Nước chìm (Downwelling) Hình 2-8. Nêm nước mặn, một dạng nước trồi vùng cửa sông. Dòng nước ngọt trải trên lớp nước biển có tỉ trọng cao hơn tạo thành nêm nước mặn. Nơi này cũng là nơi "nước mặn ra" hoặc là nơi kết tụ của các hạt phù sa. 20 Tính chất vật lý của môi trường nước 2 ĐỘ ĐỤC, ĐỘ TRONG 2.1 Tính chất của độ đục, độ trong Độ đục là khả năng cản những tia nắng mặt trời và độ trong của nước là khả năng ánh sáng mặt trời xuyên qua nước. Hai tính chất này của nước tỉ lệ nghịch với nhau và phụ thuộc vào lượng keo khoáng, vật chất hữu cơ lơ lững, sự phát triển của các vi tảo, sóng gió thủy triều và lượng nước mưa đổ vào thủy vực. Ở những thủy vực khác nhau nguyên nhân gây ra độ vẫn đục khác nhau. Ở sông, độ đục của nước là do sự có mặt của các chất không hòa tan như phù sa (kích thước khoảng 2-50nm), các chất keo (kích thước nhỏ hơn 2nm) có nguồn gốc vô cơ và hữu cơ. Do đó độ vẫn đục thay đổi theo mùa rõ rệt. Mùa mưa, nước mưa chảy vào sông cuốn theo các tạp chất trên mặt đất nên độ đục của nước sông cao (thường thấy sau trận mưa lớn) và độ đục giảm dần theo mùa khô. Ở ao, ngoài các nguyên trên gây ra độ đục còn do vật chất hữu cơ từ phân bón, thức ăn sự phát triển của tảo. Độ đục và độ trong của nước có ảnh hưởng đến cường độ chiếu sáng của mặt trời vào thủy vực nên có ảnh hưởng đến cường độ quang hợp của thực vật phù du. Khi độ trong thấp (độ đục cao), lượng ánh sáng xâm nhập vào thủy vực ít - cường độ quang hợp của thực vật phù du giảm. Đối với cá, khi độ trong thấp cá khó hô hấp cường độ bắt mới giảm. Nhưng độ trong quá cao, nước nghèo dinh dưỡng, sinh vật phù du phát triển kém, hạn chế thành phần thức ăn tự nhiên của cá, năng suất cá nuôi giảm. Độ trong thích hợp cho các ao nuôi cá là từ 20-30 cm, đối với các ao nuôi tôm là 30-45 cm. Độ trong được đo bằng đĩa Secchi có đường kính bằng 20 cm, độ đục được đo bằng độ hấp thụ ánh sáng hoặc hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng. 2.2 Nguồn gốc độ đục - Bên ngoài: nguồn nước, nước rửa trôi, bụi phóng xạ từ không khí. - Bên trong: chất lơ lửng nền đáy - tạo ra do chuyển động của dòng nước và cá; thức ăn thừa, chất thải của tôm cá nuôi. 2.3 Ảnh hưởng của độ đục - Giảm sự xâm nhập của ánh sáng, làm giảm sự phát triển của thực vật nổi và thực vật bậc cao. - Ít tác động trực tiếp lên cá, nhưng nếu độ đục quá mức có thể gây ảnh hưởng đến chức năng của mang - Gây ra sự lắng tụ phù sa trên nền đáy bao phủ trứng cá - Hấp thụ và nhả chất dinh dưỡng 21 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản 2.4 Kiểm soát và quản lý độ đục 2.4.1 Quản lý độ đục từ nguồn nước Chứa nước đục trong ao để lắng (ví dụ như ao lắng cho tôm) có thể làm giảm độ đục. Khoanh lại nguồn nước đọng tránh gây xói mòn bờ ao. 2.4.2 Quản lý độ đục bên trong ao - Loại bỏ hạt sét bằng muối vô cơ: Kết tủa độ đục sét bằng các quá trình đông kết, trung hoà những hạt sét trao đổi ngược với các cation, hiệu quả gia tăng với các cation trao đổi lớn hơn (Al3+ > Fe3+ > Ca2+ > H+, Na+) Keo + cations Æ phức hệ keo-cation I Thí dụ: A1 2(SO 4) 3.12H 2O + 6H 2OÆ 2Al(OH) 3 + 6H 2O + 3SO 4 + 14H 2O - Loại bỏ hạt sét với thực vật phù du: Thực vật phù du được sử dụng như hạt nhân cho sự kết đông, phân bón kích thích sự phát triển của thực vật nổi, do đó các tế bào thực vật lấy đi những hạt sét. Chú ý nên tạo sự phát triển của phiêu sinh vật trước khi thả cá vì cá đói sẽ khuấy động nền đáy làm đục nước. - Chất hữu cơ vô sinh Vật chất hữu cơ, phân xanh phân huỷ sẽ làm giàu CO 2, pH giảm giúp cho quá trình kết tụ các hạt sét. 3 MÀU NƯỚC Nước sạch sẽ không có màu, chỉ có 1ớp nước dày mới có màu xanh lơ. Trên thực tế, nước thiên nhiên các thủy vực thường có màu do sự xuất hiện của các hợp chất vô cơ và hữu cơ hòa tan hay không hòa tan, hay sự phát triển của tảo. Trong ao nuôi thủy sản thường có các màu sau:. - Nước màu xanh nhạt (đọt chuối non): nước có màu xanh nhạt do sự phát triển của tảo lục (Chlorophyta), loài tảo này thường phát triển mạnh trong môi trường nước ngọt hoặc nước lợ nhạt (nhỏ hơn 10‰). - Màu xanh đậm (xanh rêu): nước có màu xanh đậm do sự phát triển của tảo lam (Cyanophyta), loài tảo này phát triển mạnh cả trong môi trường nước ngọt, lợ lẫn nước mặn. - Màu vàng nâu (màu nước trà): nước có màu vàng nâu do sự phát triển của tảo silic (Bacillariophyta), loài tảo này thường phát triển mạnh ở môi trường nước lợ, mặn vào đầu vụ nuôi. - Màu vàng cam (màu rỉ sắt): màu này thường xuất hiện ở các ao nuôi mới xây dựng trên vùng đất phèn. Màu vàng cam là do đất phèn tiềm tàng (FeS 2) bị oxy hóa tạo thành các váng sắt. - Màu đỏ gạch (màu đất đỏ): nước có nhiều phù sa do đất cát bị xói mòn từ vùng thượng nguồn được dòng nước mang đến vùng hạ lưu. 22 Tính chất vật lý của môi trường nước - Màu nâu đen: nước có màu nâu đen do trong nước có chứa nhiều vật chất hữu cơ. Trường hợp này hàm lượng oxy hòa tan rất thấp. - Màu trắng đục: nước có màu trắng đục do trong nước có chứa nhiều hạt sét (keo đất), trường hợp này thường do nước mưa rửa trôi từ đất từ trên bờ ao. - Nước trong: do nước nghèo dinh dưỡng hoặc nước bị nhiễm phèn. Màu thực của nước là màu do các hợp chất hòa tan trong nước gây ra, màu giả là màu của các hợp chất không hòa tan (lơ lững) ra. Trong ngành nuôi trồng thủy sản ta chú ý đến màu giả của nước nhiều hơn, vì qua đó có thể đánh giá sơ bộ môi tường nước đó giàu hay nghèo dinh dưỡng. Màu nước thích hợp cho các ao nuôi là màu xanh lá chuối non (nước ngọt) và màu vàng nâu (nước lợ, mặn). 4 MÙI Nước thiên nhiên trong các thủy vực thường có mùi do có sự hiện diện của các vi khuẩn, các hợp chất vô cơ, hữu cơ hòa tan hay không hòa tan gây ra. Các hợp chất hữu cơ đang bị phân hủy sẽ hình thành các hợp chất có mùi rất khó chịu. - Mùi tanh và hôi: có vi khuẩn phát triển - Mùi tanh: nước có nhiều sắt. - Mùi chlorine: do quá trình khử khuẩn. - Mùi trứng thối: do có nhiều khí H 2S. - Mùi bùn: do tảo lục phát triển mạnh. Ngoài ra, các tảo lam như Anabaena, Nostoc thường tiết ra nhiều độc tố thuộc loại polypeptite, polysacharit, acid hữu cơ, nhất là phytonxite (Aldehyd và acid hũu cơ bay hơi) làm cho nước có mùi rất tanh và độc hại đối với thủy sinh vật, nhiều loài sinh vật không xương sống ở nước chết hay không sinh sản do bị nhiễm độc bởi các chất thải của tảo. 5 VỊ Nước thiên nhiên có vị là do sự có mặt một số muối hay các khí hòa tan trong nước gây ra. Vị của nước phụ thuộc vào số lượng và thành phần hóa học của các chất chứa trong nước, nhiệt độ của nước (nhiệt độ thấp vị khó phát hiện) và độ nhạy cảm người thử. Có thể phân biệt 4 loại vị cơ bản của nước : mặn, ngọt, đắng, chua. - Vị mặn: do muối NaCl hòa tan > 500mg/l, - Vị ngọt: do nhiều khì CO 2 hòa tan, - Vị đắng, chát: do nhiều Mg (lớn hơn 1g/L), Na CO , MgSO , MgCl . 2+ - Vị chua: do muối nhôm và sắt. 2 3 4 2 23