Khả năng tự làm sạch sinh học và lý học của nước đầm Thủy Triều, Khánh Hòa

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 1/2015<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> KHẢ NĂNG TỰ LÀM SẠCH SINH HỌC VÀ LÝ HỌC<br /> CỦA NƯỚC ĐẦM THỦY TRIỀU, KHÁNH HÒA<br /> CAPACITY OF PHYSICAL-BIOLOGICAL SELF-PURIFICATION<br /> OF SEAWATERS IN THUY TRIEU LAGOON, KHANH HOA<br /> Phan Minh Thụ1, Tôn Nữ Mỹ Nga2<br /> Ngày nhận bài: 28/8/2014; Ngày phản biện thông qua: 15/10/2014; Ngày duyệt đăng: 10/2/2015<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Đánh giá đúng và đủ khả năng tự làm sạch của thủy vực góp phần quản lý, bảo vệ và khai thác thủy vực một cách<br /> hợp lý. Khả năng tự làm sạch, bao gồm các quá trình lý học, hóa học và sinh học, giúp cho thủy vực trở lại trạng thái<br /> cân bằng dưới tác động bên ngoài. Dựa vào kết quả thực nghiệm và mô hình hóa, bài báo đã đánh giá khả năng tự làm<br /> sạch sinh học và vật lý (thông qua quá trình pha loãng của thủy vực và phân rã chất hữu cơ cũng như đồng hóa muối<br /> dinh dưỡng) ở đầm Thủy Triều. Đặc trưng phân rã chất hữu cơ của thủy vực khá lớn (hằng số tốc độ phân rã hữu cơ<br /> dao động 0,129 - 0,168 ngày-1, tương ứng với thời gian bán phân rã là 4,13 - 5,37 ngày). Khả năng đồng hóa của thực<br /> vật nổi đối với muối dinh dưỡng trung bình đạt 1,18 - 2,54 mgN/m3/h và 0,07 - 0,16 mgP/m3/h; giá trị cực đại đạt<br /> 1,97 - 3,13 mgN/m3/h và 0,27 - 0,43 mgP/m3/h. Khả năng trao đổi nước chênh lệch khá cao giữa mùa khô (thời gian lưu<br /> của nước là 24,55 - 24,61 ngày) và mùa mưa (thời gian lưu của nước là 2,39 - 3,70 ngày). Sự tích hợp của việc pha loãng<br /> giúp cho quá trình sinh học tự làm sạch tăng thêm 4,06 - 4,07%/ngày vào mùa khô và 27,03 - 41,84%/ngày vào mùa mưa.<br /> Thêm vào đó, vai trò của một số hệ sinh thái biển đặc thù như cỏ biển, rong biển và rừng ngập mặn cũng góp phần tăng<br /> cường khả năng sinh học tự làm sạch của thủy vực.<br /> Từ khóa: Tự làm sạch, trao đổi nước, phân rã sinh học, đồng hóa muối dinh dưỡng, đầm Thủy Triều<br /> <br /> ABSTRACT<br /> Assessment of capacity of self-purification of water bodies exactly would take part in managing, protecting and<br /> exploiting the waters sustainably. The self-purification of waters, including physical, biological and chemical processes,<br /> could help them recover the stable status under external impacts. Basing on the experimental and modeling results, the<br /> paper indicated the physical - biological self-purification capacity of Thuy Trieu Lagoon (by the processes of water dilution<br /> and biodegradation of organic matter as well as nutrient assimilation of phytoplankton). Capacity of biodegradation<br /> of organic matter was quite high (biodegradation rate constants ranged 0.129 - 0.166 day-1, equal to the half-time of<br /> 4.13 - 5.37 day). The average nutrient assimilation capacity of phytoplankton was at 1.18 - 2.54 mg N m-3 h-1 and<br /> 0.07 - 0.16 mg P m-3 h-1; and the maximum reached at 1.97 - 3.13 mg N m-3 h-1 and 0.27 - 0.43 mg P m-3 h-1. The water<br /> exchanges were significantly different between dry season (with the residence times of water of 24.55 - 24.61 days) and<br /> rainy season (with the residence times of water of 2.39 - 3.70 days). Combining with diluting processes, the biodegradation<br /> self-purification could be increased by 4.06 - 4.07% per day in dry season and 27.03 - 41.84% per day in rainy season. In<br /> addition, the roles of particular marine ecosystems, such as seagrass bed, seaweed and mangrove forest, also contributed<br /> to increase the biological self-purification of waters.<br /> Keywords: Self-purification, water exchanges, biodegradation, nutrient assimilation, Thuy Trieu Lagoon<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Vùng nước ven bờ giữ nhiều chức năng vô<br /> cùng quan trọng trong việc ổn đinh và phát triển của<br /> các hệ sinh thái ở đây, bao gồm cung cấp nguồn<br /> 1<br /> 2<br /> <br /> vật chất cho các đối tượng sinh vật trong hệ sinh<br /> thái, cung cấp các dịch vụ mang lại lợi ích kinh<br /> tế cho con người như cung cấp lương thực, thực<br /> phẩm, góp phần vào các chức năng giải trí...<br /> <br /> ThS. Phan Minh Thụ: Viện Hải dương học - Viện Hàn lâm Khoa học công nghệ Việt Nam<br /> ThS. Tôn Nữ Mỹ Nga: Viện Nuôi trồng thủy sản - Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 57<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> Trong quá trình khai thác vùng ven bờ phục vụ cho<br /> nhu cầu ngày càng cao của con người, chúng ta đã<br /> làm cho hệ sinh thái ven bờ suy giảm khả năng hồi<br /> phục của chúng. Tuy nhiên, nhờ chức năng tự phục<br /> hồi, trong một mức độ nào đó, chúng có thể trở lại<br /> trạng thái cân bằng. Trong các chức năng tự phục<br /> hồi này, chức năng tự làm sạch đóng vai trò quan<br /> trọng nhất.<br /> Tự làm sạch của các thủy vực ven bờ là tổ hợp<br /> các quá trình vô cùng phức tạp nhưng nhìn chung<br /> được chia ra thành các quá trình vật lý, hóa học<br /> và sinh học. Trong đó, khả năng tự làm sạch vật lý<br /> được xác định bằng khả năng pha loãng, khả năng<br /> lắng đọng trên nền đáy và hấp phụ trên bề mặt trầm<br /> tích; quá trình hóa học được xác định bằng quá trình<br /> keo tụ và các tương tác hóa học; và quá trình sinh<br /> học được xác định bằng các quá trình sinh tổng hợp<br /> (hấp thụ muối dinh dưỡng) và phân rã sinh học chất<br /> hữu cơ.<br /> Bài báo này đánh giá khả năng tự làm sạch của<br /> đầm Thủy Triều bằng quá trình vật lý (pha loãng) và<br /> quá trình sinh học (tự làm sạch muối dinh dưỡng<br /> và tự làm sạch chất hữu cơ) trong cột nước, nhằm<br /> cung cấp những dữ liệu khoa học phục vụ cho việc<br /> quy hoạch phát triển kinh tế.<br /> <br /> Số 1/2015<br /> II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> 1. Khảo sát và thu thập số liệu<br /> Mẫu nước được thu tại 7 trạm mặt rộng<br /> (#1-7) và 3 trạm nước thải (T1-T3) trong 4 chuyến<br /> khảo sát ở vùng đầm Thủy Triều được thực hiện<br /> từ năm 2012 - 2014 (hình 1) theo đề tài cấp Viện<br /> (Viện Hải dương học và Viện Hàn lâm KHCN Việt<br /> Nam - VAST.ĐLT.01/13-14) và dự án NANO SE Asia<br /> 2013-2014. Tại mỗi trạm, các yếu tố nhiệt độ, độ<br /> mặn được đo bằng máy đa yếu tố; NH4+, NO2-, NO3-,<br /> PO43- được định lượng theo phương pháp lên màu<br /> đặc trưng rồi đo trên máy quang phổ UV-2900 [6]<br /> (DIN (Nitơ vô cơ hòa tan) bao gồm tổng NH4+ + NO2+ NO3-, và DIP (Photpho vô cơ hòa tan) là giá trị của<br /> PO43-); DO theo phương pháp Winkler [6]; BODt là<br /> nhu cầu oxy sinh học sau thời gian t ngày, được xác<br /> định bằng chênh lệch DO ban đầu với DOt; Năng<br /> suất sinh học xác định bằng chênh lệch DO giữa<br /> bình trắng và bình đen sau thời gian chiếu sáng tự<br /> nhiên hoặc nhân tạo t (ngày hoặc giờ). Chlorophyll-a<br /> (Chl-a) được xác định bằng phương pháp chiết xuất<br /> với aceton 90% trong 24 giờ, sau đó được định<br /> lượng trên máy quang phổ UV-2900 [8]. Khả năng<br /> đồng hóa muối dinh dưỡng được thí nghiệm với<br /> mẫu nước thu tại trạm 2 và 5; trong khi đó khả năng<br /> phân rã hữu cơ của vi sinh vật được thí nghiệm với<br /> mẫu nước thu tại các trạm 2, 3, 5 và mẫu nước thải<br /> từ các trạm T1, T2, T3.<br /> 2. Phương pháp đánh giá khả năng trao đổi nước<br /> Quá trình trao đổi nước được đánh giá theo mô<br /> hình LOICZ [7] với phương trình tổng quát như sau:<br /> dV<br /> — = VVào – VRa<br /> (1)<br /> dt<br /> <br /> Σ<br /> <br /> Σ<br /> <br /> Trong đó, ΣVVào là lượng nước đưa vào trong hệ;<br /> ΣVVào = VQ + VP + VG + VO + VX<br /> ΣVRa là lượng nước đưa ra khỏi hệ:<br /> ΣVRa = VE - VR + VX<br /> VR = -(VQ + VP + VG +VO) + VE<br /> Trong đó, VQ: nước sông suối; VP: nước mưa;<br /> VE: nước bốc hơi; VG: nước ngầm; VO: các nguồn<br /> nước khác; VR: dòng chảy ra khỏi hệ; VX: nước trao<br /> đổi giữa hệ với vùng biển kế cận.<br /> Do đặc tính bảo toàn khối lượng, tại trạng thái<br /> cân bằng, phương trình (1) được viết:<br /> 0 = VVào – VRa<br /> (2)<br /> Hay là:<br /> <br /> Σ<br /> <br /> Σ<br /> <br /> 0 = Σ (VQ + VP + VG + VO + VR + VX ) – Σ (|VE| + VX) (3)<br /> Hình 1. Trạm vị khu vực nghiên cứu<br /> (:trạm mặt rộng, +: Trạm nước thải)<br /> <br /> 58 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Do VX liên quan với sự trao đổi các vật chất nội<br /> tại trong khối nước, cụ thể là độ mặn của vùng biển<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 1/2015<br /> <br /> lân cận (Socean) với độ mặn của hệ thống (SSys). Với độ mặn của nước sông SQ, nước mưa SP, nước bốc hơi SE,<br /> nước ngầm SG, nước khác SO và nước ra khỏi hệ SR, cân bằng muối (3) được viết lại như sau:<br /> 0 = Σ (VQSQ + VPSP + VGSG + VOSO + VRSR + VXSocean ) – Σ (|VE|SE + VXSSys)<br /> <br /> Giả sử, độ mặn của nước mưa, nước bay hơi,<br /> nước sông, nước ngầm và các nguồn nước khác<br /> gần bằng 0, thì khi đó (4) được viết lại:<br /> 0 = Σ (VRSR + VXSocean ) – Σ (VXSSys)<br /> (5)<br /> Từ đó, suy ra:<br /> VRSR<br /> VX = ��<br /> (6)<br /> SSys – Socean<br /> Và với thể tích của hệ thống là VSys, thời gian<br /> lưu khối nước τ được tính:<br /> VSys<br /> (7)<br /> τ = ��<br /> (VX + |VR|)<br /> 3. Phương pháp đánh giá mức độ đồng hóa<br /> muối dinh dưỡng<br /> Khả năng đồng hóa muối dinh dưỡng của thủy<br /> vực được xác định thông qua khả năng quang hợp<br /> cực đại của thực vật nổi. Quá trình này được xác<br /> định bằng thí nghiệm năng suất sinh học từ mẫu<br /> nước thu được ở các trạm 2 và 5 với 20 mức ánh<br /> sáng khác nhau từ 0 - 600 µE m-2 s- [9], [2], [4]. Kết<br /> quả thí nghiệm được tình toán đựa trên phương<br /> trình tống quát trong điều kiện không có ức chế<br /> quang hợp [10]:<br /> - α1<br /> PB (I) = PBm 1 - exp ��<br /> (8)<br /> PBm<br /> <br /> [<br /> <br /> (<br /> <br /> )]<br /> <br /> (4)<br /> <br /> Trong đó, P (I): Năng suất sinh học (NSSH) ở<br /> cường độ bức xạ I, PBm: Cường độ quang hợp cực<br /> đại khi bão hòa ánh sáng; a: hệ số góc của đường<br /> cong P-I, hay hiệu suất hấp thụ ánh sáng riêng<br /> của Chlorophyll-a. Mức độ đồng hóa muối dinh<br /> dưỡng được tính toán bằng cách chuyển đổi giữa<br /> Carbon hữu cơ tạo thành với N hoặc P sử dụng.<br /> Giải phương trình (8) bằng phương pháp bình<br /> phương tối thiểu.<br /> B<br /> <br /> 4. Phương pháp đánh giá khả năng phân rã chất<br /> hữu cơ<br /> - Xác định hằng số phân rã hữu cơ dựa vào mô<br /> hình Streeter-Phelps [11]:<br /> BODt = BODgh (1 – e-kt )<br /> (9)<br /> Trong đó, BOD t là BOD sau thời gian ủ mẫu<br /> t (mg/l); BODgh là BOD giới hạn (mgO2/l) trong<br /> trường hợp này được xác định là BOD20; k: Hằng số<br /> tốc độ (1/ngày), được xác định như là tốc độ phân rã<br /> hữu cơ; và t: Thời gian (ngày). BODt được xác định<br /> tại các ngày 1, 3, 5, 6, 10, 15 và 20. Giải phương<br /> trình (9) bằng phương pháp bình phương tối thiểu.<br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> 1. Quá trình lý học tự làm sạch của đầm Thủy<br /> Triều - quá trình pha loãng<br /> <br /> Hình 2. Phân bố dòng tại đầm Thủy Triều ở pha triều xuống (trái) và triều lên (phải)<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 59<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 1/2015<br /> từ dữ liệu khảo sát của môi trường nước trong<br /> <br /> Theo Bùi Hồng Long và cộng sự [3], chế độ thủy<br /> triều ảnh hưởng lớn đến khả năng trao đổi nước ở đầm<br /> Thủy Triều (hình 2), thời gian dòng triều đi vào đầm<br /> thường dài hơn thời gian đi ra khỏi đầm từ 4 - 6 giờ.<br /> Độ trễ về pha triều tại mặt cắt giữa cửa đầm và đỉnh<br /> đầm là 1giờ 10phút, và lượng nước trao đổi qua mặt<br /> cắt cầu Long Hồ chỉ bằng 25 - 35% so với mặt cắt<br /> qua cửa vịnh.<br /> Kết quả tính toán khả năng trao đổi nước dựa<br /> vào cân bằng muối - nước theo mô hình LOICZ [7]<br /> <br /> những năm 2012 - 2014 và số liệu thống kê nhiều<br /> năm của lượng mưa và lượng bốc hơi trong khu vực<br /> cho thấy khả năng trao đổi nước ở đầm Thủy Triều<br /> vào mùa mưa (2,39 - 3,70 ngày) nhanh hơn mùa<br /> khô (24,55 - 24,61 ngày) rất nhiều (p