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