PHẦN II: CƠ SỞ MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Chia sẻ: Nguyen Phuong | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:185

Thêm vào BST

Báo xấu

182
lượt xem 52
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

ĐẠI CƯƠNG VỀ NƯỚC TỰ NHIÊN 6.1. Sự hình thành nước, vai trò và sự phân bố của nước trong tự nhiên. 6.1.1. Sự hình thành nước trên trái đất [1, 2, 3, 4] Học thuyết khoa học về quá trình xuất hiện của nước và hình thành sự sống trên hành tinh trái đất nhiều nhà khoa học công nhận nhất là thuyết về sự sống được bắt đầu từ những dạng vật thể vô cùng cô đọng, có tỷ trọng cực lớn tồn tại trong khoảng thời gian cách xa đây vô tận. Học thuyết ấy cho rằng khoảng mười...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: PHẦN II: CƠ SỞ MÔI TRƯỜNG NƯỚC

PHẦN II: CƠ SỞ MÔI TRƯỜNG NƯỚC ................................................................... 4 CHƯ ƠNG VI. ĐẠI CƯ ƠNG VỀ NƯ ỚC TỰ NHIÊN ................................ ................. 4 6.1. Sự hình thành nước, vai trò và sự phân bố của nước trong tự nhiên. ............ 4 6.1.1. Sự hình thành nước trên trái đất [1, 2, 3, 4]........................................... 4 6.1.2. Tác động và vai trò của nước đối với môi trường [5, 6, 7, 8, 9] ............. 4 6.1.3. Lượng nước, sự phân bố và tiêu thụ nước trên trái đất [5, 6]................. 7 6.2. Sự tuần hoàn của nước ............................................................................ 233 6.2.1. Chu trình của nước ............................................................................ 233 6.2.2. Thời gian lưu của nước ................................ ...................................... 234 6.3. Phân loại nước tự nhiên. .......................................................................... 235 6.3.1.Phân loại theo sự phân bố : ................................................................. 235 6.3.2. Phân loại theo nhiệt độ (ch ủ yếu áp dụng đối với n ước khoáng):....... 235 6.3.3. Phân loại theo pH: ............................................................................. 235 6.3.4. Phân loại theo độ cứng ( H-me/l):...................................................... 236 6.3.5. Phân loại theo độ khoáng hoá: .......................................................... 236 6.3.6. Phân loại theo thành phần hoá học .................................................... 236 CHƯ ƠNG VII. ĐẶC TRƯNG CỦA NƯỚC ........................................................... 238 7.1. Cấu tạo của phân tử nước và liên kết hydro [2, 3, 4, 16, 18] .................... 238 7.I.1. Cấu tạo của phân tử nước................................................................... 238 7.I.2. Liên kết hydro ..................................................................................... 239 7.2. Cấu trúc của nước [2, 3, 16, 17]............................................................... 241 7.2.1. Quan niệm về cấu tạo của phân tử nước ............................................ 241 7.2.2. Ba trạng thái của n ước....................................................................... 241 7.3. Tính chất vật lý của nước [1, 2, 3, 5, 16, 19]............................................ 245 7.3.1. Tỷ trọng và thể tích của nước ............................................................. 245 7.3.2. Các tính chất nhiệt ............................................................................. 247 7.3.3. Độ nhớt .............................................................................................. 248 7.3.4. Sức căng bề mặt ................................................................................. 250 7.3.5. áp suất thẩm thấu ............................................................................... 251 7.3.6. Tính chất điện của nước ..................................................................... 251 7.3.7. Tính chất quang học của nước. .......................................................... 253 7.4. Tính chất hoá học của nước [2, 4, 7, 8, 21, 22] ....................................... 254 7.4.1. Tính chất dung môi của nước ............................................................. 254 7.4.2. Cân bằng hóa họ c của nước............................................................... 259 7.4.3. Phản ứng oxy hoá-khử của nước ....................................................... 263 7.5. Tính chất sinh học của nước (nước là 1 hệ sinh thái) [1, 5, 6, 10, 12, 24, 25] ....................................................................................................................... 264 7.5.1. Nước và sự trao đ ổi ch ất ................................................................... 264 7.5.2. Nước, môi trường số ng của vi sinh vật ............................................... 266 7.5.3. Các chất dinh dưỡng trong nước........................................................ 268 7.5.4 . Vi sinh vật - xúc tác của các phản ứng hoá họ c trong nước .............. 269 7.5.5. Tầm quan trọ ng của n ước đối với hệ sinh thái ................................... 270 CHƯ ƠNG VIII. CÁC LOẠI NƯ ỚC TỰ NHIÊN .................................................... 276 1
8.1. Nước mưa [2, 4, 19, 21, 23]..................................................................... 276 8.2. Nước biển [2, 4, 6, 8, 15, 20, 23] ............................................................. 278 8.2.1. Đặc điểm thành phần hoá học ................................ ............................ 278 8.2.2. Độ muố i, độ clo và mối tương quan của các ion chính ....................... 280 8.2.3. Giá trị pH của n ước biển ................................................................... 283 8.2.4. Các tính chất vậ t lý khác .................................................................... 284 8.3. Nước bề mặt [1, 5, 8, 10, 11, 14, 15] ....................................................... 285 8.3.1. Nước tù .............................................................................................. 286 8.3.2. Nước độ ng ......................................................................................... 290 8.3.3. Nước cửa sông ................................................................................... 295 8.4. Nước ngầm [8, 10, 11, 19, 23, 26] ........................................................... 297 8.4.1. Nguồn nước ngầm .............................................................................. 297 8.4.2. Đặc tính chung ................................................................................... 297 8.4.3. Tính chất của nước ngầm ................................................................... 300 8.5. Một số đặc trưng chính của nước tự nhiên ............................................... 301 8.5.1. Nhiệt độ nước..................................................................................... 301 8.5.2. Ion hydro ........................................................................................... 302 8.5.3. Các hợp ch ất tan trong nước.............................................................. 302 8.5.4. Các khí ............................................................................................... 302 8.5.5. Các chất lơ lửng................................................................................. 303 8.5.6. Quần xã sinh vật ................................ ................................................ 304 8.5.7. Trạng thái vậ t lý của nước tự nhiên ................................................... 304 8.5.8. Sự tạo phức trong nước tự nhiên và nước thả i [7, 8, 10] .................... 305 CHƯ ƠNG IX - Ô NHIỄM, QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH VÀ ............................. 306 XỬ LÝ NƯỚC TỰ NHIÊN ..................................................................................... 306 9.1. Một số vấn đề chung về ô nhiễm nước .................................................... 306 9.1.1 Khái niệm ô nhiễm môi tr−ờng nước ................................ .................. 306 9.1.2. Các loại nước bị ô nhiễm ................................................................... 307 9.1.3. Các thông số môi trường chính xác định n ước bị ô nhiễm ................. 310 9.2. Quá trình tự làm sạch nguồ n nước .......................................................... 315 9.2.1 Một số vấn đ ề chung về quá trình tự làm sạch ................................... 315 9.2.2. Quá trình tự làm sạch nguồn nước mặt .............................................. 316 9.2.3. Quá trình tự làm sạch nước ngầm ...................................................... 326 9.3. Mộ t số phương pháp xử lý nước tự nhiên ................................ ......................... 327 9.3.1. Phương pháp làm mềm n ước............................................................. 327 9.3.2. Phương pháp xử lý sắt ..................................................................... 327 9.3.4. Công nghệ xử lý amoni trong nước ngầm ...................................... 334 9.3.5. Phương pháp kh ử trùng .................................................................... 336 9.3.6. Loại muố i trong nước................................................................ ........ 339 9.3.7. Các phương pháp khác xử lý nguồn nước cấp ................................... 340 9.3.8. Phương pháp kh ử mùi trong nước ..................................................... 341 CHƯƠ NG X. QUẢN LÝ VÀ KIỂM SOÁT CHẤT LƯỢNG NƯỚ C ............ 342 10.1. Quản lý và sử dụng hợp lý tài nguyên nước ........................................... 342 2
10.1.1. Một số văn bản pháp lý chính liên quan đến quản lý tài nguyên nước .................................................................................................................... 342 10.1.2. Quản lý tài nguyên n ước ................................................................. 346 10.1.3. Thực hiện mô hình DPSIR trong đánh giá môi trường nước ............ 353 10.2. Một số phương pháp đánh giá chất lượng nước ..................................... 369 10.2.1. Đánh giá chất lượng nước dựa theo tiêu chuẩn môi trường ............ 369 10.2.2. Đánh giá theo thang đ iểm ............................................................... 372 10.2.3. Đánh giá tổng hợp nhiều thông số ................................ .................. 375 10.2.4. Đánh giá dựa trên chỉ tiêu tổng hợp ................................................ 376 10.2.5. Đánh giá thông qua mô hình ........................................................... 380 10.2.6. Đánh giá dựa theo chỉ thị sinh vật.................................................... 387 10.2.7. Đánh giá qua ước tính thiệt hại kinh tế ........................................... 389 10.3. Hệ thố ng quan trắc chất lượng nước ..................................................... 391 3
PHẦN II: C Ơ SỞ MÔI TR ƯỜNG NƯỚC CH ƯƠNG VI. Đ ẠI CƯƠNG VỀ NƯỚC TỰ NHIÊN 6.1. Sự hình thành nước, vai trò và sự phân bố của nước trong tự nhiên. 6.1.1. Sự hình thành nước trên trái đất [1, 2, 3, 4] Họ c thuyết khoa học về quá trình xuất hiện của nước và hình thành sự sống trên hành tinh trái đất nhiều nhà khoa học công nhận nhất là thuyết về sự sống được bắt đầu từ những dạng vật thể vô cùng cô đọng, có tỷ trọng cự c lớn tồn tại trong khoảng thời gian cách xa đây vô tận. Họ c thuyết ấy cho rằng kho ảng mười lăm đến hai mươi t ỷ năm trước đây đ ã xảy ra 1 vụ nổ lớn (Big Bang). Vụ nổ làm vật thể n ày tung thành những đ ám mây khí có nhiệt độ cao vô cùng, hơi nóng và hạt nguyên tử lan truyền khắp nơi. Cùng với thời gian, đám mây khí nguội dần rồi cô đ ọng thành các thiên th ể. Hơn 10 tỷ n ăm sau vụ Big Bang, tinh vân Ngân Hà đ ược hình thành trong đó có Mặt trời và Trái đất củ a chúng ta. Khoảng 4,4 -4,5 tỷ năm trước đ ây đã có quả đất với lớp vỏ cứng nằm cách xa mặt trời khoảng 150.000.000 km. Từ thời gian đó, những thay đổi chính đã xu ất hiện theo mộ t tỷ lệ tăng dần với thời gian. Khí quyển qủ a đất dần hình thành1 (trong phần I) và rồ i nư ớc xuất hiện khi băng giá tan chảy trên m ặt đất2. Nh ư vậy, cùng với quá trình hình thành trái đất, khí quyển, thì nước và sự sống cũng hình thành và d ần dần xu ất hiện trên các yếu tố cấu thành nên môi trường sống củ a chúng ta. 6.1.2. Tác độ ng và vai trò của nước đối với môi trường [5, 6, 7, 8, 9] Trong khi hyrdo ch ỉ là một cấu phần rất nhỏ của toàn bộ quả đất thì nước là một thành phần chính, quan trọng đối với việc tồn tại và phát triển sự sống trên hành tinh. Nư ớc bao phủ 70% b ề m ặt trái đất (với độ sâu chứa nước từ 0-11 km (độ sâu chứa nước 1 : Khi nghiên cứu các lớp ngoài của mặt trời, các hành tinh và các ngôi sao, môi trường giữa các vì sao, tinh vân, sao chổi và các đ ối tượng khác trong vũ trũ , ng ười ta đã phát hiện ra rằng: trong các đố i tượng đó có mặt hầu h ết mọi nguyên tố hoá họ c mà khoa họ c đã biết. Những nguyên tố phổ b iến nhấ t trong vũ trụ là Hydro và Heli. Tổng số các nguyên tử của chúng trong nhiều các vì sao, tinh vân và trong môi trư ờng giữa các ngôi sao lớn gấp trăm ngàn lần so với số nguyên tử của các nguyên tố còn lạ i. Các nguyên tố C, N, O , Ne, Na, Ca, Ti, Si, Fe... là những nguyên tố phổ biến. Trong vũ trụ các nguyên tố này ở dưới dạng nguyên tử và phân tử, hợp chất của chúng chủ yếu ở trạng thái ion hoá. 4
2 : Nước có mặ t làm cho sự sống dần hình thành, cách đây 3 tỷ nă m sự sống đầu tiên đã xuấ t hiện ở biển có dạng như vi khuẩn và tảo ngày nay. trung bình là 4 km) và có mối quan hệ khăng khít với không khí và đất. Cả đất, không khí và nước đều là những n ơi mà các hoạt động của con người tác động lên rất m ạnh mẽ. Chẳng hạn, đ ất nông nghiệp bị xáo trộn do những thay đổi củ a đồng cỏ ho ặc rừng; hay việc làm tăng các sản phẩm nông nghiệp có th ể là nguyên nhân làm giảm lớp phủ thực vật, thay đ ổi sự thoát hơi nước của cây cối và ảnh hưởng đến điều kiện vi khí hậu. Kết quả là tăng mưa, tăng xói mòn đất, gây tích tụ bùn và phù sa trong nước. Tiếp đó chu trình dinh dưỡng có th ể xảy ra với tần xuất cao hơn, dẫn đ ến thay đ ổi nồng độ củ a các chất dinh dưỡng trong lớp n ước bề mặt. Cứ như vậy, lần lượt, chúng có th ể tác động một cách sâu sắc đ ến các tính ch ất hoá họ c và sinh học củ a nước. Mặt khác, nước với những tính ch ất rất đặc biệt và quý giá củ a nó mà ta sẽ xét ở chương sau đã là những điều kiện thiết yếu để tạo nên cuộc sống trên hành tinh này3. Nư ớc được coi là dung môi “đ ộc nhất”, dung môi “đa năng” có khả năng hoà tan rất nhiều ch ất. Thêm nữa, cùng với kh ả n ăng bay h ơi cao củ a mình, nước đ ã đóng vai trò điều khiển sự phong hoá hoá h ọc củ a đất đá, cung cấp dinh dưỡng cho thực vật và vận chuyển các chất hoá học vào cơ thể sinh vật. Lịch sử nhân loại đã chỉ ra rằng sự cung cấp nước có mối liên hệ rất m ật thiết với n ền văn minh, với sự phát triển và diệt vong của nhân loại. Hàng loạt các thành phố và nền văn minh b ị biến m ất do cạn kiệt nguồn nư ớc dẫn đến sự biến đổ i khí hậu, bởi: - Sự phát triển giao thông và đô thị đã làm tăng các cơn lũ lụt là bởi các cây xanh và đất bị thay th ế b ằng các công trình xây dựng, các đư ờng cao tốc... Điều đó dẫn đến tăng tốc độ dòng chảy của các dòng nước mưa. Nếu m ực nước biển tăng trong các thế kỷ tới như dự báo thì mộ t số vùng thấp ven biển, các vùng đ ất ngập n ước và một số vùng đ ất trồng sẽ bị nhấn chìm xuống dưới mực nước biển. - Hàng triệu người trên thế giới, đ ặc biệt trong các n ước đang phát triển bị thiệt mạng do các b ệnh từ nước bẩn gây ra. Các bệnh tật được sinh ra theo con đ ường nước có thể gây chết đến 10% dân số củ a một thành phố. Ch ất lượng nước kém do sự ô nhiễm nước ngày càng gia tăng đang đ ặt ra cho loài người những thử thách nặng n ề. Nhiều bệnh dịch do vi khuẩn và vi rút lây nhiễm theo con đư ờng nước đ ã gây ra những thảm hoạ cho con người như b ệnh dịch tả n ăm 1991-1992 ở Nam Mỹ. Năm 2002, trận lũ trên sông Ngàn Phố (một nhánh nhỏ của sôgn Cả) gây d ịch tả, đặc biệt trâu bò 5
ch ết... Hoặc như, theo th ống kê củ a Tổ chức Y tế Th ế giới, thì trong vòng 24 giờ đồng hồ có đ ến 13.000 trẻ em d ưới 1 tuổi b ị ch ết do n ước bẩn, trên 1,5 tỷ n gười không có nước sạch để uống (số liệu trước n ăm 1996). 3 : Hiện nay chúng ta chỉ mới biết riêng hành tinh của chúng ta là có nước. - Sự có mặt củ a các hoá ch ất độc hại ở các quố c gia phát triển, chất th ải hữu cơ clo hoá từ các sản phẩm hoá họ c công nghiệp, kim loại nặng từ các phân xưởng m ạ kim lo ại, thuốc trừ sâu diệt cỏ, nồng độ muối khoáng tăng ở các cánh đồng nông nghiệp... đ ã làm xấu đi các tính ch ất của các nguồn nước. Mặc dù cho đến nay con người đ ã có nhiều biện pháp tích cực kiểm soát nguồn nước n hưng vẫn chư a thoát khỏi vấn đ ề ô nhiễm nư ớc. Nư ớc mà con người dùng được hầu h ết là nước ngọ t từ nguồn nư ớc b ề m ặt và nước ngầm. Nguồn nước này đ ang bị đe doạ nhiễm bẩn và cạn kiệt do việc xả th ải và sử dụng thiếu ý thức của con người, cộng thêm với sự gia tăng nhanh dân số th ế giới 4. Các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp đều đòi hỏi một lượng nước rất lớn 5. Mặt khác mức sống củ a dân chúng nâng cao cũng đã dẫn đến nước sử dụng cho sinh ho ạt tăng lên nhiều lần so với vài ba thập kỷ trước. Cách sử dụng nư ớc ngọ t như hiện nay sẽ không thể bền vữ ng n ếu dân số toàn Th ế giới lên đến 10 tỷ vào n ăm 2050. Nhiều nơi đ ã b ị thiếu nước trầm trọng. Nói chung tình trạng khan hiếm nư ớc đ ang dần trở nên hết sức căng thẳng theo thời gian ở những đ ịa điểm nh ất định. Trong nh ững vùng khô hạn và các miền duyên h ải hiện trạng thiếu nư ớc cũng như nước bị nhiễm mặn đang là mối lo ngại buộc chúng ta cần sớm tìm ra các giải pháp hợp lý. Nư ớc tham gia vào mọi quá trình xảy ra trên trái đ ất như đ ịa m ạo, địa hoá, xói mòn làm cho trên bề m ặt trái đất hình thành nên các sông, suối, đồng bằng... Nư ớc trong khí quyển được coi là lớp áo giáp b ảo vệ qu ả đất khỏ i bị giá lạnh và điều hoà khí hậu, b ởi vì nước có kh ả n ăng lưu giữ và ổn nhiệt tốt hơn mặt đất và không khí. Nư ớc có ý nghĩa đ ặc biệt đối với mọi quá trình sinh học, nó là thành phần chính củ a mọi vật th ể sống. Trung bình trong mộ t cơ thể sống, nước chiếm 80%. Trong các động vật bậc cao, nước chiếm 60 -70% trọng lượng cơ thể; các sinh vật biển như sứ a và mộ t số loài tảo, nước chiếm mộ t tỷ lệ rất cao khoảng 98% trọng lượng cơ th ể. Nhưng vi khu ẩn ở trạng thái bào tử ho ặc sinh khí lơ lửng mà bền vững thì hàm lượng nước chỉ là 50%. Đối với con người, nước chiếm kho ảng 70% trọng lượng cơ th ể 6. Trong 6
4 : DSTG tăng gấp đôi từ 2,5 tỷ nă m 1950 đ ến 5,0 tỷ năm 1987. Theo dự kiến của LHQ nếu độ mắn ổn định ở mức 2,5 con thì vào năm 2050 DSTG sẽ đạ t 28 tỷ (một viễn cảnh xấu nhất), nếu độ mắn thấp hơn ở mứ c 1,7 con DSTG sẽ đạt 7,8 tỷ. 5 : Ở hầu h ết các nước,việc tưới tiêu trong nông nghiệp là nguồn tiêu thụ nước chính, chiếm khoảng 70% lư ợng nước rút ra trên thế giới, nhưng ch ỉ < 40% nước tư ới tiêu được dùng đ ể phát triển mùa màng, phần còn lạ i là lãng phí. 6 : Trong cơ th ể con ng ười nước có trong sinh chất của các mô và tế bào (từ 20% trong xương đ ến 85% trong tế bào não). Ngư ời có trọng lượng trung bình nước chiếm 72,5% trọng lượng cơ th ể, trong đó trong tế bào là 26,5% và ngoài tế bào là 46%. cơ thể sinh vật, nước đóng vai trò như một dung môi đ ể thực hiện quá trình trao đổi ch ất và n ăng lượng. Ngoài thiên nhiên, thu ỷ sinh vật sống trong nước coi nước như là giá thể để cư trú, di chuyển và tìm kiếm thức ăn. Nước là tấm vỏ bọ c bảo vệ rất an toàn cho thu ỷ sinh vật tránh các thay đổi đột ngột của th ời tiết khắc nghiệt trên cạn hoặc các tia bức xạ nguy hiểm từ vũ trụ và mặt trời. Tóm lại, nước có mặt ở tất cả các quyển của trái đất như khí quyển, thu ỷ q uyển, địa quyển, sinh quyển và nó đ óng vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của tự nhiên và đời sống trên hành tinh chúng ta. Vì vậy sự h iểu biết về nước, về tính chất lý, hoá học cũng như sự tồn tại và vận chuyển của nước trong môi trường là cơ sở đ ể giải quyết những tác động xấu do nước gây ra. 6.1.3. Lượng nước, sự phân bố và tiêu thụ nước trên trái đấ t [5, 6] Nư ớc là mộ t thành phần cơ bản và quan trọng của môi trường sống mà sự có mặt củ a nó làm nên mộ t quyển trên trái đất đó là thu ỷ quyển. Thu ỷ quyển bao gồm toàn bộ các dạng chứa nước trên hành tinh củ a chúng ta. Đó là: đại dương, biển, sông, hồ, suối, các tảng b ăng và nước ngầm .v.v. Toàn bộ lượng nước trên trái đ ất có khoảng 1.400 x 109 km3, trong đó khoảng 97% lượng n ước toàn cầu là ở đại dư ơng và biển. Tuy nhiên do hàm lượng muố i cao nên n ước ở đ ây không được sử dụng cho nhu cầu củ a con ngư ời. Trong phần nước còn lại thì ph ần lớn lại nằm đóng băng ở 2 đầu cự c và các tảng băng (chiếm khoảng 2% tổng lượng nước - TLN). Lượng nước này che phủ khoảng 10% bề m ặt trái đất hiện tại. Như vậy, ch ỉ còn khoảng 0,6% nước ngọt bao gồm cả nước bề mặt và nư ớc ngầm là có thể sử dụng được. Trong tổ ng lượng nước đó, con người thực sự chỉ sử dụng khoảng 0,3% d ưới d ạng nước ngọ t phục vụ các mụ c đ ích khác nhau của mình. Ngoài ra nước còn được phân bố trong khí quyển dưới dạng hơi nước khoảng 0,001% TLN. Bảng 6.1. Sự phân bố nước trong các dạ ng chứa nước trên trái đất 7
Thể tích x 1017kg Stt Phân bố % Biển và đại dương 1 97,000 13.700,000 Băng hai cực 2 2,000 165,000 Nước ngầm đ ến độ sâu 750 m 3 0,500 42,000 Nước ngầm đ ến độ sâu 4.000 m 95,000 Sông, hồ... 4 0,010 1,300 Khí quyển 5 0,001 0,105 Phần nước ngọt trên trái đất được phân bố theo hình sau: 14% đất ẩm 4% 8,2% k2 75% ở hai 25% 96% cực và các hồ 7 %sông tầng sông b ăng 70,5% đất sâu Hình 6.1. Sơ đồ biểu diễn sự phân bố nước ngọt Hiện tại, lượng nước dùng cho các nơi tiêu thụ chính là: cho thu ỷ lợi (30%), các nhà máy nhiệt điện (50%), dùng cho sinh hoạt (7%) và tiêu thụ củ a các ngành công nghiệp (12%)... Chúng ta đ ều biết rằng, trung bình mỗi người cần 2 lít nư ớc cho việc ăn uống của họ hàng ngày. Lượng n ước này tiêu thụ nhiều hay ít th ường tu ỳ thuộc vào vùng khí h ậu, vị trí địa lý và cơ đ ịa từng người. Nó thường tăng lên đến 3-4 lít đối với những đ ất nước có khí hậu nóng, tuy nhiên so với nư ớc sử dụng cho sinh hoạt thì nó thường không đáng kể lắm. Lượng n ước sinh hoạt có thể thay đổi từ vài lít ngày trong các quốc gia không có dịch vụ cấp n ước công cộng và có tập quán gia đình thấp đến vài trăm lít ngày trong những nước phát triển. Nói chung, khoảng 2/3 số d ân trên th ế giới sử dụ ng trung bình 140 lít n ước ngày. (Theo thống kê...) Về tiêu thụ và sử dụng n ước ở Việt Nam: là nước đông dân, đất canh tác ít, diện tích canh tác tương đương Trung Quốc, nhưng thua các nước trong khu vực và Th ế giới. Mức cho thủ y lợi và tưới tiêu đạt 3% (thập kỷ 1970) giảm dần xuống 2% (th ập k ỷ 1980) và nay tăng trưởng dần lên thứ 6 Th ế giới về sử dụng nước (91,4 tỷ m 3) và sử 8
dụng theo đầu người 1,184 m3/người (năm 1995). (Theo Nguyễn Tiến Đạt – Dự báo sử dụng nước ở Việt Nam – Cương trình KC-12) Bả ng 6.2. Phân phố i nước sinh hoạ t Địa phương Phân phối Lượng nước được phân phối (lít/ngđ) Min.-Max. Trung bình Thành phố Trong các gia đình 70-250 140 Vòi lấy nư ớc ch ữa cháy 25-70 40 Trong nhà hoặc vòi lấy Nông thôn nước chữa cháy 25-70 40 Một nhóm tiêu thụ nước th ứ ba có th ể được thêm vào đ ây bao gồm các cơ quan, công ty và các dịch vụ công cộng khác nhau như trường học, bệnh viện, bể bơi, quét đường.... Ngoài ra, mộ t số ngành công nghiệp cũng sử dụng nước cấp công cộng. Nhóm này th ường sử dụng m ột lượng nước cấp lớn. Cuối cùng phải kể đến cả lượng nước b ị thất thoát trong quá trình sử dụng. Sản lượng n ước củ a một hệ thống phân phố i được xác định qua mối quan hệ giữ a th ể tích nước mà người tiêu dùng nhận được với lượng n ước được đưa ra khỏi nhà máy. Một hệ thống tốt thì sản lượng phải đạt 80%. Ở Pháp 50% các hệ thống có sản lượng < 70%, trong đó 25% các hệ thống có sản lượng < 60% (Lyonnaise des Handbook). Bả ng 6.3. Nhu cầu về nước của các đố i tượng khác nhau Nước(m3)/người, Nước(m3)/người, năm Địa phương Địa phương năm Dân nông thôn 12-15 Pari 150 Nhà chung vách 110 Lyon 140 Căn hộ New York 500 Cơ quan - Bình dân 60 25 - Tiện nghi 200 Bảng (6.3) trên đây trình bày nh ững thay đổi trong nhu cầu về nước ở những lối sống khác nhau. Hiện nay, tại M ỹ, lư ợng nước sử dụng bình quân là khoảng 1,6 x109 m 3/ngày; hay nói một cách khác bằng khoảng 10% tổng lư ợng n ước m ưa rơi trên mặt đ ất. 9
Lượng nư ớc sử dụng cho nông nghiệp và công nghiệp chiếm xấp xỉ 46% tổng lượng nước tiêu thụ7. Lượng tiêu thụ cho đ ô th ị chiếm 8% tổng lượng nư ớc. Một vấn đề chính liên quan đ ến sự cấp nước toàn cầu là sự phân b ố không đều củ a nó theo thời gian và khu vực củ a các vùng trái đất. Sự phân bố không đ ều này phụ thuộc ch ủ yếu vào các yếu tố khí hậu là b ức xạ và mưa. Mặc dù, lượng mưa trung bình hàng n ăm trên toàn bộ lụ c địa là 700 mm, nhưng vẫn có nh ững thay đổi trong một khoảng rộng giữa các vùng khác nhau cả về tổng lư ợng mưa và cả về mùa m ưa. Chẳng hạn, ở vùng sa mạc Atacama-Chi lê lượng mưa là 0,0 mm/n ăm, trong khi đó lượng mưa ở vùng Cherrapunji-Ấn độ lượng m ưa là 26 x10 3 mm/năm. Lượng mư a bình quân nhiều 7 : Đầu thế kỷ 20 lượng nước dùng cho nông nghiệp ch ỉ vào khoảng 500 tỷ m3, d ự kiến nă m 2000 là 3.300 tỷ m3 ,lượng nước sinh hoạt tăng vào khoảng từ 20 tỷ sẽ lên 400 tỷ m3. năm ở Việt Nam tương đối lớn1.957mm, ở những trung tâm m ưa lượng mưa rất lớn, Ví dụ Bắc Quang (Cao Bằng) 5.000mm, Bạch Mã (đèo Hải Vân) 8.000mm (GS. Ngô Đình Tuấ n). Đặc biệt lượng mưa ngày cực lớn ví dụ trận mưa năm 1999 ở Hu ế 1.430mm. Một số quốc gia có đủ nước mưa hàng năm nhưng hầu hết lại nhận đư ợc chúng trong cùng một thời gian, ví dụ như Ấn độ, 90% lượng mưa hàng năm đổ vào tháng 7-9. Nhưng cơn mưa lớn kéo dài này làm ngập đất, lấy đi các chất dinh dưỡng củ a đ ất, làm trôi các lớp đ ất m ặt và cây trồng. Nó là nguyên nhân củ a những trận lụt đồng b ằng. Hoặc như, ở Anh, giá trị m ưa trung bình cho nh ững vùng đ ất th ấp là 500 mm/năm, trong khi đó vùng phía Tây là 2.500 mm/n ăm 8. Ở các vùng vĩ độ cao, nhiệt độ th ấp, mùa nhiều nước là mùa xuân, đó là lúc băng tuyết tích lu ỹ đư ợc trong suốt mùa đông bị tan chảy khi thời tiết ấm lên. Lượng dòng chảy trong mùa này lớn hay nhỏ phụ thuộc vào lượng nước trữ được trên lưu vực và vào lượng mưa trong thời kỳ tuyết tan. Mức độ tập trung củ a dòng ch ảy và độ d ài củ a mùa phụ thuộ c vào trư ờng nhiệt và cư ờng độ bức xạ của khu vực. Mùa ít nư ớc còn gọ i là mùa cạn (khô), lượng dòng ch ảy trong mùa chủ yếu được cung cấp nhờ nguồn nước ngầm nên nhỏ và ổn đ ịnh hơn dòng chảy mùa lũ . Trong các vùng vĩ độ thấp và trung bình, nhiệt độ cao, mùa nhiều nước gọ i là mùa lũ . Dòng ch ảy trong mùa lũ chủ yếu do mưa cung cấp. Do đó th ời gian xuất hiện lũ và độ dài củ a mùa được quyết định bởi thời điểm xuất hiện và kéo dài củ a mùa mư a. Mưa càng lớn và tập trung thì dòng chảy mùa lũ sẽ càng lớn và quy mô lũ càng ác liệt. 10
Minh ho ạ dưới đ ây sẽ cho chúng ta thấy rõ sự phân bố các nguồn nư ớc trên trái đất theo các đ ại dương, biển và các châu lụ c địa. 8 :Trên mặt đất hàng năm có lượng dòng chả y là 101.000 km3 /nă m  750 mm/năm, tổng lượng bố c hơi là 74.000 km3/năm  545 mm/năm.Trên mặ t biển hàng năm có lượng bố c hơi là 351.000102 km3 /năm  940 mm/nă m, lượng mưa là 324 000 km3/năm  870 mm/nă m. Bả ng 6.4. Phân bố nguồ n nước trên thế giới Sườn Đại Tây Sườn Thái Vùng lưu vực Tổng diện tích Dương Bình Dư ơng nội đ ịa củ a đ ất Lụ c đ ịa hoặc Dòng Dòng Dòng Dòng các vùng F.103 F.103 F.103 F.10 3 chảy ch ả y ch ả y ch ả y km 2 km2 km2 km 2 mm mm mm mm Châu Âu kể cả 1970 297 1710 109 9680 262 Ailen Châu A kể cả 11970 163 16700 300 13630 17 42300 170 Nh ật, Philippin Châu Phi kể cả 13250 355 5470 218 11130 14 29850 203 Madagasca Châu Uc kể cả 4230 140 3740 6 7970 76 Tasmania và Newzeland Nam Mỹ 15600 475 1340 444 988 66 17928 450 Bắc Mỹ 14400 274 4960 485 835 11 20195 314 11
Băng đảo, 3880 180 3880 180 Canada và các quầnđ ảo ởbiển Malayan và 2620 160 2620 160 các quần đ ảo Tổng hoặ c 64070 314 35320 393 32033 21 134423 250 bình quân Các lưu vực là những nơi có ảnh hưởng lớn đến đặc đ iểm của nước trên trái đ ất. Về độ lớn chúng bao gồm từ những lưu vực nhỏ xíu tạo nên các dòng ch ảy ven biển dọc theo dãy núi Napali ở vùng ven biển Hawaii đến lưu vực sông Amazon, bao phủ lên mộ t diện tích gấp 2 lần diện tích Ấn độ . Trừ một vài cộ ng đồng sống ở các vùng sa mạc và hoang mạc, loài người sống chủ yếu ở lưu vực sông9. 9 :Phần bề mặt trái đất bao gồ m cả tầng đất đá cung cấp nước cho mỗi hệ thống sông hoặc một con sông riêng biệt gọi là lưu vự c hệ thống sông hay lưu vực sông hoặc phần đất có sông và các nhánh của chúng chảy qua. 12
Hình 6.2. Các lưu vực sông chính trên thế giới 13
6 .2. Sự tuần hoàn của nước 6 .2.1. Chu trình của nư ớc Nước cung cấp cho toàn cầu được phân bổ trong 5 ph ần củ a chu trình thu ỷ quyển. Mây Mặt trời Mây Mư Thoát hơi nước a Dòng chẩy Thực B ốc hơi B ốc hơi nước B iể n Nư ớc ngầm Hồ H ình 6.3. Chu trình thuỷ quyển đơn giản Một ph ần lớn lượng nước này n ằm trong các đại dương; Một phần khác có ở dạng h ơi nước trong khí quyển; Mộ t số nằm ở trạng thái rắn như đ á và tuyết ở các tảng tuyết, b ăng và băng ở địa cự c; Nước bề mặt có trong các kho trữ n ước (như ao, hồ), sông, su ối; Và nguồn nước ngầm n ằm trong các tầng ngậm nước d ưới đất. Nhờ chu trình luân chuyển, nước được phân bố đi kh ắp mọi khu vực trên trái đ ất.Vòng tuần hoàn củ a nước hoạt động được nhờ sự hấp thụ năng lượng m ặt trời, để tạo ra sự b ốc hơi n ước từ các đại dư ơng và đất liền. Mộ t cách đơn giản là sự bay hơi nước biển, nước bề m ặt và sự hô h ấp của cây cối sau đó ngưng tụ thành mây, m ưa...Ngoài ra, gió, sóng và các dòng vật chất trong khí quyển cũng đóng góp vào sự lưu thông củ a cả khối không khí và khố i nước. Gần khoảng 1/3 n ăng lư ợng mặt trời được bề m ặt trái đ ất h ấp thụ đã được dùng cho việc làm bay hơi nước từ bề mặt các đại d ương, ao, hồ, sông, suối và mặt đất. Lư ợng nư ớc b ay hơi hàng năm trên trái đất kho ảng trên 500.000 km 3. Phần lớn lượng nước này đư ợc bốc hơi từ mặt biển và đ ại dương (86% tổng lư ợng bốc hơi tức là kho ảng > 430.000 km3) sẽ trở lại đó dưới dạng mưa và tuyết (nhưng chỉ còn là 78% khoảng 390.000 km3) tạo nên vòng tuần hoàn đầu tiên gọi là vòng tuần hoàn nhỏ. Ph ần còn lại, hơi nước theo các khối không khí đ i từ đ ại dương vào đất liền gặp điều kiện thuận lợi lại ngưng tụ thành mây, m ưa rơi trên đất liền (khoảng 120.000 km 3). Lượng m ưa rơi trên đất liền thực tế lớn h ơn (57%) lư ợng hơi nước được bố c hơi lên từ đất liền. Mưa rơi trên lục địa một phần th ấm vào trong đ ất, một phần chảy trên mặt đất hình thành nên các dòng sông, suối, phần còn lại lại b ị bố c 233
h ơi. Quá trình mư a rơi trên đất liền vào h ệ thống sông, suố i... rồi sau đó lại bốc hơi, sẽ lặp đ i lặp lại. Nhưng cuối cùng nước từ lục địa sẽ quay trở về b iển cả nhờ các dòng chảy của sông, suối và sự thấm trực tiếp của nư ớc ngầm vào các đại dương để hình thành vòng tuần hoàn lớn thứ hai trên trái đ ất. Một phần rất nhỏ của tổng lượng nước tuần hoàn (gần 8.000 km3) sẽ hình thành nên vòng tuần hoàn trong phạ m vi các miền không lưu thông. Vòng tu ần hoàn này, ở một mức độ n ào đó mang tính ch ất độc lập mặc d ầu có liên quan với sự tu ần hoàn chung của nước. Nét đặc trưng củ a vòng tuần hoàn này là nư ớc đi ra đại dương không phải bằng các dòng chảy trự c tiếp mà ở d ạng hơi nước cuốn theo các khối không khí tạo nên độ ẩm đặc trưng của vùng. KHÍ QUYỂN 14 110 70 380 420 Sông 40 Sông: 1,2 Đ ại dương: 1,4.106 Băng đá: 27.103 H ồ ao: 280 Nước ngầm: 8.103 H ình 6.4. Trữ lượng nước trong các phầ n của chu trình thuỷ q uyển 6 .2.2. Thời gian lưu của nước Thời gian “lưu ” trung bình của hơi n ước trong khí quyển kho ảng 11 ngày. Trong khí quyển hơi nước muốn dịch chuyển ho ặc tồn tại đ ược đòi hỏi phải có sự hấp thụ năng lư ợng và như vậy nó sẽ có xu thế làm giảm nhiệt độ tại bề mặt chung của không khí và nước. Năng lượng này lại được giải phóng ra khi hơi nư ớc ngưng tụ. Và vì vậ y, sự vận động của hơi nư ớc có tác dụng chuyển n ăng lượng nhiệt từ vùng này sang vùng khác. Nước sẽ bố c h ơi nhanh nhất ở những nơi có nhiệt độ cao nhất và ngưng tụ ở nh ững nơi nhiệt độ thấp hơn. Nhờ thế chu trình nước có tác dụng làm giảm sự khác nhau về nhiệt độ giữa các vùng. “Thời gian sống” ho ặc 1 chu kỳ tuần hoàn của nước phụ thuộc vào các nguồn nước và môi trường khác nhau. Chu kỳ này có thể rất dài hàng thiên niên k ỷ và cũng có thể rất n gắn. Chẳng hạn: - Chu kỳ trung bình của hơi nước trong khí quyển là 11 ngày (12.900 km3). 234
- Nước luân chuyển trong hệ động-thực vật là 7 ngày(700 km3). - Nước sông luân chuyển kho ảng 14 ngày (1.700 km 3). - Nước trong đất luân chuyển từ 2 tu ần đến 1 năm (65.000 km 3). - Nước ở hồ và đầm lầy có thời gian sống tính đến hàng năm(125.000km3). - Nước ngầm hàng ngàn năm (7.000.000 km3 ). - Nước b ăng hà hàng triệu n ăm (26.000.000 km3) - Nước đ ại dương có chu kỳ dài hàng tỷ năm ( 1.370 tỷ km 3). 6 .3. Phân loại nước tự nhiên. Nước có mặt trong thiên nhiên từ rất nhiều nguồn khác nhau như sông ngòi, ao hồ, suố i, m ạch ngầm, biển, đại dương...Có thể nói nước thiên nhiên là một hệ dị th ể nhiều h ợp phần, trong đó có cả chất tan và chất không tan có nguồn gốc hữu cơ hoặc vô cơ. Các ch ất đó có th ể đ ược đưa từ khí quyển vào; hoặc cũng có th ể b ị hoà nhập vào từ quá trình phong hoá các quặng đất đá; hoặc từ các ho ạt động sống và quá trình phân hu ỷ th ối rữa; hay như từ nước th ải củ a sản xuất công nông nghiệp hoặc nước m ưa ch ảy đổ vào nguồn nhận. Và vì vậy mà con người có thể nhận đư ợc n ước mặn, lợ, nghèo dinh dưỡng, giàu dinh dưỡng, cứng, mềm, nước bị ô nhiễm hoặc không b ị ô nhiễm... Do vậy, việc phân lo ại n ước cũng có nhiều cách khác nhau, một số cách phân chia thư ờng được sử dụng là: 6 .3.1.Phân loạ i theo sự p hân bố: - Nước b ề mặt - Nước ngầm - Nước biển. 6 .3.2. Phân lo ại theo nhiệt độ (chủ yếu áp d ụng đối với nước khoáng): - Nhóm nước lạnh 100 oC. 6 .3.3. Phân lo ại theo pH: - Nước trung tính (pH 6,5-8,5) 235
- Nước có tính axit (pH Ca2+ + Mg2+ liên quan đ ến quá trình phong hoá đ á Macma ho ặc trao đổi Ca2+ và Mg2+ với Na+. Nước kiểu này có đ ộ khoáng hoá nhỏ, thường là nư ớc các hồ lưu thông ít và có nguồn cấp nước chủ yếu là nư ớc ngầm. 236
+ Kiểu II có tương quan HCO3- < Ca2+ + Mg2+ < HCO3- + SO42-. Kiểu này có liên quan với cả đá trầm tích và Macma, bao gồm nước củ a đ ại đ a số các sông hồ, nư ớc ngầm có độ khoáng trung bình và nhỏ. + Kiểu III có tương quan HCO3- + SO42- < Ca2++ Mg2+ ho ặc Cl- > Na+. Nước kiểu n ày có độ khoáng hoá cao, bao gồm nước Liman, nước có độ khoáng hoá cao trong hồ và nước ngầm. + Kiểu IV có đặc trưng là vắng m ặt ion HCO3-. Đây là kiểu nước axit, thường gặp ở các vùng đ ầm lầy, h ầm mỏ, núi lửa hoặc những nơi bị nhiễm bẩn m ạnh. 237
CH ƯƠNG VII. ĐẶC TRƯNG CỦA NƯỚC 7 .1. Cấ u tạo của phân tử nước và liên kết hydro [2, 3, 4, 16, 18] 7 .I.1. Cấ u tạo của phân tử nước Nước được ký hiệu một cách đơn giản nhất với công th ức là H2O. Thành phần hoá học củ a nước được nhà Hoá học Pháp nổi tiếng Lavoazie (1743 -1794) xác định năm 1783. Nước chứa 11,19 % hydro và 88,81 % oxy theo khối lượng. Khố i lượng phân tử của nước là 18,0153. Trong thực tế cả các nguyên tử hydro (H) và oxy (O) đều có nhiều đ ồng vị. Tính chất vật lý của nước phụ thuộc nhiều vào thành ph ần đồng vị và cấu trúc củ a phân tử nước. Trong tự nhiên có th ể có các phân tử nước đ ược cấu tạo từ các đồng vị b ền khác nhau như H1, H2 (D), H3 (T), O16, O17, O18; trong đó hàm lượng các phân tử kiểu H1O16H1 chiếm tuyệt đại đ a số. Các kiểu phân tử nư ớc còn lại được gọi là “nước nặng” và chỉ chiếm khoảng 0,015% tổng th ể tích nước trên trái đ ất và nồng đ ộ khoảng 10 -18% (theo P.O’Nell.), nhưng đ ã tạo ra những điều hết sức thú vị về nước10. Xét về mặt cấu tạo, phân tử nư ớc đ ược tạo nên từ 2 n guyên tử H và 1 nguyên tử O. Cấu hình electron của nguyên tử O và H nh ư sau: H: 1S1 O: 1S2 2S2 2P4 Như vậy, phân tử H2O có tất cả 10 electron, trong đó 8 electron là của nguyên tử o xy và 2 electron là của 2 nguyên tử h ydro tạo thành 5 cặp electron và được phân bổ như sau: - 1 cặp electron bên trong nằm gần hạt nhân của nguyên tử oxy. - 2 cặp electron bên ngoài tạo thành 2 liên kết ( H-O) nhờ sự góp chung điện tử củ a 2 nguyên tử h ydro với 2 điện tử trong 2 obitan 2p của oxy đ ể tạo thành 2 liên kết cộng hoá trị. - 2 cặp electron bên ngoài nữa là 2 cặp electron củ a 2 obitan củ a nguyên tử O không tham gia tạo liên kết trong phân tử nước. Kho ảng cách: H-O = 0,0958 nm H-H = 0,1515 nm 10 : Tỷ số nồng độ tự nhiên của T: H1 trong khí quyển = 1:1014. Lượng Dơteri trong hỗn h ợp các đồng vị thiên nhiên của Hydro là 0,014 -0,015%. 238
O H H Do O có độ âm điện lớn h ơn H (3,5 &2,1 theo thang Paolinh), nên các mây điện tử b ị hút lệch về phía nguyên tử O làm cho liên kết cộng hoá trị H - O trở n ên có cực (OH = 1 ,54 D) và 2 mối liên kết H – O tạo với nhau một góc 104o27’. Vì vậy phân tử nước phân cực mạnh với mô men lư ỡng cự c phân tử H2O = 1,84 D. O OH=1,54D 104o27’ H 0,62pm H H2O=1,84D 7 .I.2. Liên kết hydro a ) Ion hydro khi tham gia liên kết hoá học Nguyên tử H ngoài khả năng tham gia liên kết cộng hoá trị thông thường còn có kh ả n ăng tạo thành mối liên kết thứ 2 với mộ t nguyên tử khác có độ âm đ iện lớn và có kích thước nhỏ, đó là liên kết hydro. Nguyên nhân làm xuất hiện liên kết hydro là do đ ặc điểm cấu tạo của nguyên tử H: nguyên tử H ch ỉ có 1 đ iện tử duy nhất, khi kết hợp với một n guyên tử có độ âm điện lớn hơn thì đám mây đ iện tử n ày bị hút lệch m ạnh về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn đó. Kết qu ả là nguyên tử H trở thành hạt mang điện dương có những tính chất hoá học đặc biệt: -Nó gần như chỉ trơ trọi một proton mang điện tích dương không có lớp vỏ điện tử m ang đ iện âm. Vì vậy không bị vỏ đ iện tử của các nguyên tử hay ion khác đẩy. -Kích thước của nó rất nhỏ (nhỏ hơn các ion khác hàng ngàn lần). Vì thế ion H+ d ễ đ ến gần sát các nguyên tử và ion khác, th ậm chí xâm nhập cả vào bên trong lớp vở điện tử củ a các nguyên tử và ion khác. Do đó ion h ydro có mộ t khả năng đ ặc trưng là tạo thành mối liên kết thứ hai tức là liên kết hydro. 239