Giáo trình Đo đạc và chỉnh lý số liệu thuỷ văn (Phần 2) - Ngô Tất Túc

55 trang ngocly 1740

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Đo đạc và chỉnh lý số liệu thuỷ văn (Phần 2) - Ngô Tất Túc", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_do_dac_va_chinh_ly_so_lieu_thuy_van_phan_2_ngo_ta.pdf

Nội dung text: Giáo trình Đo đạc và chỉnh lý số liệu thuỷ văn (Phần 2) - Ngô Tất Túc

CHƯƠNG III ĐO CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÀ CHỈNH LÝ SỐ LIỆU 3.1 ĐO BÙN CÁT TRONG SÔNG VÀ CHỈNH LÍ SỐ LIỆU 3.1.1 Nguồn gốc bùn cát và cách phân loại Trong đo đạc thuỷ văn không định nghĩa chính xác về bùn cát trong sông mà chỉ nêu lên khái niệm chung như sau: Bùn cát trong nước sông là chỉ những chất rắn không hoà tan, gồm các loại đất, đá, mùn hữu cơ chuyển động theo dòng nước. Nguồn cung cấp bùn cát cho sông bao gồm: Bùn cát do mưa bào mòn bề mặt lưu vực và chảy vào sông. Bùn cát do lưu tốc dòng nước xói lở lòng sông và bờ bãi ven sông rồi cuốn theo dòng chảy. Bùn cát do dòng triều vận chuyển từ biển vào vùng cửa sông. Trong đó nguồn bùn cát từ bào mòn lưu vực chiếm khoảng 80 ÷90% tổng lượng bùn cát trong năm, bùn cát từ biển vào chỉ khoảng trên dưới 5%. Trong đo đạc thuỷ văn chia bùn cát trong sông thành hai loại theo hình thức chuyển động như sau: Bùn cát lơ lửng là những hạt bùn cát nổi lơ lửng và cùng chuyển động theo dòng nước. Bùn cát đáy (di đẩy) là chỉ những hạt bùn cát chuyển động sông theo dạng lăn, trượt hoặc nhảy từng bước. Trong quá trình chuyển động theo dòng nước, hai loaiị bùn cát nêu trên có thể chuyển hoá lẫn nhau tuỳ thuộc sự thay đổi lưu tốc từng đoạn sông. Vì vậy cách phân loại như trên chỉ có ý nghĩa tương đối. 3.1.2 Đo lưu lượng bùn cát lơ lửng theo kiểu tích phân Lưu lượng bùn cát lơ lửng là khối lượng bùn cát lơ lửng (tính theo trạng thái khô) chuyển qua mặt cắt ngang sông trong một đơn vị thời gian. Kí hiệu biểu thị lưu lượng bùn cát lơ lửng là chữ R, đơn vị đo thông dụng trong ngành thuỷ văn : kg/s hoặc g/s. 3.1.2.1 Phương thức đo lưu lượng bùn cát - 147 -
Hiện nay chưa có phương tiện, thiết bị nào có thể đo trực tiếp được lưu lượng bùn cát lơ lửng. Do đó để có số liệu lưu lượng bùn cát phải áp dụng phương thức gián tiếp nghĩa là đo những thành phần liên quan với lưu lượng bùn cát. Cụ thể là đo lưu lượng nước (Q- m3/s) và đo lượng ngậm cát ( ρ -g/m3) từ hai số liệu thành phần tính được lưu lượng bùn cát lơ lửng theo biểu thức sau: R = Q. ρ (g/s) Trong đó Q : lưu lượng nước ρ : Lượng ngậm cát Lượng ngậm cát là khối lượng bùn cát lơ lửng (tính theo trạng thái khô) chứa trong một đơn vị thể tích nước. Thường đo theo đơn vị g/m3 hoặc kg/m3. Để có số liệu lưu lượng bùn cát chính xác yêu cầu phải đo lưu lượng nước và lượng ngậm cát cùng một thời điểm. Quy trình đo và tính lưu lượng nước đã trình bày trong chương IV và V. Vì vậy các mục tiếp sau đây chỉ giới thiệu cách đo thành phần lượng ngậm cát và gọi tắt là đo bùn cát. 3.1.2.2 Công trình và phương tiện đo bùn cát 1) Công trình đo bùn cát Đo bùn cát được thực hiện đồng thời với đo lưu lượng nước trên cùng tuyến đo, do đó các loại công trình đã giới thiệu trong chương đo lưu lượng nước như cầu treo, nôi treo, cáp treo thuyền v v. . . đều được sử dụng để đo bùn cát. 2) Phương tiện đo bùn cát Phương tiện đo bùn cát theo kiểu tích phân (tích sâu) gồm có tời và máy lấy mẫu nước kiểu chai. Cấu tạo của máy kiểu chai gồm có: a- Chai chứa nước b- Vòi lấy nước c- Vòi thoát không khí d- Vỏ bảo vệ - 148 -
Hình 3-1: Máy lấy mẫu nước kiểu chai 3.1.2.3 Trình tự một lần đo lưu lượng bùn cát Với trạm đo sử dụng công trình cáp treo thuyền có thể tiến hành đo bùn cát theo trình tự như sau: Điều khiển thuyền tới thuỷ trực thứ 1 và giữ cho ổn định, sử dụng tời thứ nhất cùng tải trọng và máy đo lưu tốc từng điểm trên thuỷ trực, cùng lúc sử dụng tời thứ hai và máy chai để đo bùn cát. Điều khiển tời, đưa máy chai chạm mặt nước, thả máy chìm với tốc độ đều tới đáy sông và kéo máy lên với tốc độ tương tự khi thả xuống để nước từ các độ sâu khác nhau lần lượt chảy vào máy. Mở nắp máy và quan sát, nếu nước trong máy đạt từ 1/2 đến 3/4 dung tích chai là đạt yêu cầu và mẫu nước của thuỷ trực 1 được đựng vào bình riêng có ghi số để tránh nhầm lẫn. Nếu nước trong máy chưa đạt 1/2 dung tích chai hoặc đầy chai thì phải đo lại (bỏ kết quả trước), khi đo lại phải điều chỉnh tốc độ thả và kéo máy sao cho đạt yêu cầu trên. Tiếp tục di chuyển thuyền tới các thuỷ trực 2, 3, . .n và lặp lại thao tác đo lưu tốc, đo bùn cát tương tự như thuỷ trực 1. Kết thúc đo tại thuỷ trực thứ n và kết quả thu được của lần đo gồm có: 1) Số liệu đo sâu và lưu tốc từng điểm trên n thuỷ trực. 2) n mẫu nước tương ứng với n thuỷ trực (mỗi mẫu đựng trong một bình riêng) - 149 -
Đối với trạm đo sử dụng Ca Nô và hệ thống cột tiêu, cầu treo, nôi treo v v. . cách đo cũng tương tự như trên chỉ khác về cách di chuyển từ thuỷ trực này sang thuỷ trực khác. 3.1.2.4 Xử lí mẫu nước - Xác định lượng ngậm cát thuỷ trực Những mẫu nước đo theo kiểu tích phân như trên là mẫu nước hỗn hợp, trong đó pha trộn nước và bùn cát của tất cả các độ sâu từ mặt nước tới đáy sông. Do đó xử lý những mẫu nước này để xác định lượng ngậm cát bình quân tại từng thuỷ trực. Trình tự xử lý theo các bước sau: 1) Đo dung tích mẫu nước Sử dụng thiết bị đo chuyên dùng xác định dung tích từng mẫu nước (tính theo 3 cm ). Lần lượt từng thuỷ trực có các dung tích mẫu nước tương ứng D1, D2, D3. . . Dn. 2) Lọc nước Mẫu nước được lọc bằng loại giấy chuyên dùng có thể cho nước thấm qua nhưng giữ lại tất cả các hạt bùn cát. Khối lượng mỗi tờ giấy lọc được xác định trước khi sử dụng với độ chính xác tới 1/1000 gam. Tương ứng với mỗi mẫu nước có một giấy lọc riêng với khối lượng L1, L2, L3. . . Ln (gam). 3) Sấy khô Sau khi lọc xong, giấy lọc có chứa bùn cát ướt được đem sấy khô với nhiệt độ 105°C bằng thiết bị chuyên dùng. (Thời gian sấy theo quy phạm đo đạc). 4) Cân giấy lọc và bùn cát khô Tổng khối lượng giấy lọc và bùn cát sấy khô được xác định bằng loại cân chuyên dùng chính xác tới 1/1000 gam. Gọi T là tổng khối lượng giấy lọc và bùn cát khô, kết quả tương ứng với mỗi mẫu nước là T1, T2, T3. . . Tn (gam). 5) Xác định khối lượng bùn cát khô trong mẫu nước Gọi P1, P2, P3. . . Pn khối lượng bùn cát khô tương ứng với từng mẫu nước. P1 = T1 – L1 P2 = T2 – L2 Pn = Tn – Ln - 150 -
Trong đó T1, T2, T3. . . Tn : Khối lượng của giấy lọc chứa bùn cát khô. L1, L2, L3. . . Ln: Khối lượng giấy lọc. 6) Xác định lượng ngậm cát bình quân thuỷ trực P1 6 3 ρ 1 = .10 (g/m ) D1 P2 6 3 ρ 2 = .10 (g/m ) D2 Pn 6 3 ρ n = .10 (g/m ) Dn Trong đó ρ 1, ρ 2, ρ 3,. . ρ n,: Lượng ngậm cát bình quân thuỷ trực thứ 1,2,3 n P1, P2, P3. . . Pn khối lượng bùn cát khô tương ứng với từng mẫu nước tại từng thuỷ trực 1, 2, 3. . . n (gam). 3 D1, D2, D3. . . Dn Dung tíhc mẫu nước đo tại từng thuỷ trực thứ 1, 2, . .n (cm ) 106: Hệ số đổi đơn vị. 3.1.3 Trình tự tính lưu lượng bùn cát lơ lửng Giả thiết trạm đo có ba thuỷ trực đo lưu tốc và bùn cát, những thuỷ trực này chia mặt cắt ngang thành bốn bộ phận. Từ số liệu đo lưu tốc và đo sâu đã tính được 4 trị số lưu lượng bộ phận Q1, Q2, Q3, Q4 và từ số liệu đo bùn cát đã xác định được lượng ngậm cát bình quân của ba thuỷ trực ρ 1, ρ 2, ρ 3 những số liệu này thể hiện trên hình (3-2). HÌNH 3-2: SỐ LIỆU LƯU LƯỢNG NƯỚC VÀ LƯỢNG NGẬM CÁT TRÊN MẶT CẮT NGANG Căn cứ số liệu trên hình (3-2) tiến hành tính lưu lượng bùn cát lơ lửng theo trình tự sau: 1) Tính lượng ngậm cát bình quân bộ phận - 151 -
Những bộ phận giữa dòng giơi hạn bởi hai thuỷ trực thì lượng ngậm cát bình quân bộ phận bằng trung bình cộng của lượng ngậm cát hai thuỷ trực. Lượng ngậm cát bình quân bộ phận sát bờ lấy bằng lượng ngậm cát của thuỷ trực sát bờ. 2) Tính lưu lượng bùn cát bộ phận Lưu lượng bùn cát bộ phận bằng tích lưu lượng nước bộ phận với lượng ngậm cát bình quân bộ phận. 3) Tính lưu lượng bùn cát toàn mặt cắt ngang Lưu lượng bùn cát toàn mặt cắt bàng tổng lưu lượng bùn cát bộ phận. Ba bước tính toán nêu trên được tổng hợp theo biểu thức sau: R = Q1. 1+Q2.( ρ 1+ ρ 2)/2+Q3( ρ 2+ ρ 3)/2+Q4. ρ 3 (3-1) Trong đó R: lưu lượng bùn cát toàn mặt cắt. Q1, Q2, Q3, Q4: lưu lượng nước từng bộ phận. ρ 1, ρ 2, ρ 3 : lượng ngậm cát bình quân từng thuỷ trực 4) Tính lượng ngậm cát bình quân toàn mặt cắt ngang R ρ m/n = (3-2) Q Trong đó ρ m/n lượng ngậm cát bình quân mặt ngang R : Lưu lượng bùn cát lơ lửng mặt cắt ngang Q : Lưu lượng nước toàn mặt cắt ngang Trên thực tế cách tính lưu lượng bùn cát theo biểu thức (3-1) được thể hiện bằng bảng tính và quen gọi là phương pháp phân tích. Lượng ngậm cát bình quân mặt ngang: 47.07 3 3 ρ m/n = = 0.0415 kg/m = 41.5 g/m 1134 - 152 -
Bảng 3-1: Tính lưu lượng bùn cát bằng phương pháp phân tích Thứ tự Diện Lưu tốc (m/s) Lưu Lượng ngậm cát Lưu thuỷ trực tích bộ lượng g/m3 lượng phận Bình Bình bộ phận bùn cát (m2) quân quân (m3/s) bộ phận thuỷ giữa hai (kg/s) trực thuỷ trực Mép nước 208 0.29 60.3 35.3 2.13 1 0.44 35.3 259 0.52 135 37.8 5.10 2 0.60 40.2 591 0.54 316 43.0 13.6 3 0.47 45.8 628 0.48 301 43.6 13.1 4 0.49 41.5 620 0.47 291 40.8 11.9 5 0.45 40.2 103 0.30 309 40.2 1.24 Mép nước Q = 1134 (m3/s) R = 47.07 (kg/s) 3 Lượng ngậm cát thuỷ trực đại biểu: ρ đb = 45.8 g/m (chọn thuỷ trực 3) Lưu lượng bùn cát R ≈ 47.1 kg/s Lưu lượng nước Q ≈ 1130 m3/s 3.1.4 Đo lưu lượng bùn cát theo kiểu tích điểm 3.1.4.1 phương tiện đo Đo bùn cát theo kiểu tích điểm sử dụng tời và máy lấy mẫu nước kiểu ống. Cấu tạo máy lấy mẫu nước kiểu ống gồm có: a) ống đựng nước b) nắp ống c) cơ cấu đóng mở nắp - 153 -
Hình 3-3: Máy lấy mẫu nước kiểu ống 3.1.4.2 Cách sử dụng Điều khiển tời đưa máy kiểu ống đã mở hai nắp tới độ sâu tương ứng đo lưu tốc (mặt, 0.2h, 0.6h, 0.8h, đáy), chờ cho máy ổn định và điều khiển cơ cấu đóng hai nắp ống và kết thúc lấy mẫu nước tại một điểm trên thuỷ trực. Kéo máy lên, mở náp ống và lấy nước trong ống voà bình chứa riêng có ghi số từng điểm đo để tránh nhầm lẫn. Trên một thuỷ trực có 5 điểm đo lưu tốc, tương ứng có 5 mẫu nước đo bùn cát, tương tự với trường hợp đo lưu tốc 3 điểm, 2điểm và 1điểm. 3.1.4.3 Trình tự một lần đo bùn cát kiểu tích điểm 1) Đo lưu tốc từng điểm trên thuỷ trực Điều khiển phương tiện đo đối với thuỷ trực 1, lần lượt đo sâu và đo lưu tốc từng điểm (mặt, 0.2h, 0.6h, 0.8h, đáy). 2) Đo mẫu nước từng điểm trên thuỷ trực Cùng lúc đo lưu tốc, điều khiển tời đưa máy kiểu ống tới độ sâu đo lưu tốc, lấy mẫu nước tương ứng với từng điểm đo lưu tốc. Lần lượt di chuyển phương tiện đo tới các thuỷ trực thứ 2, 3, . . .n và lặp lại thao tác đo lưu tốc và lấy mẫu nước từng điểm như thuỷ trực 1. 3) Kết quả một lần đo theo kiểu tích điểm a) Số liệu đo lưu tốc từng điểm trên n thuỷ trực của mặt ngang b) (n*5) mẫu nước nếu đo 5 điểm (n*3) mẫu nước nếu đo 3 điểm Số lượng mẫu nước nhiều hay ít tuỳ thuộc số điểm đo. - 154 -
3.1.4.4 Xử lí mẫu nước - xác định lượng ngậm cát từng điểm Trình tự xử lí mẫu nước tương tự như kiểu đo tích phân, gồm các bước: đo dung tích, lọc nước, sấy khô, xác định khối lượng bùn cát khô từng mẫu nước. Xác định lượng ngậm cát từng điểm trên thuỷ trực: PmÆt 6 3 Điểm mặt nước ρ mặt = .10 (g/m ) DmÆt P 2.0 6 3 Điểm 0.2h : ρ 0.2 = .10 (g/m ) D 2.0 Điểm 0.6h, 0.8h và điểm đáy P 6.0 6 3 P 8.0 6 3 ρ 0.6 = .10 (g/m ), ρ 0.8 = .10 (g/m ), D 6.0 D 8.0 6 3 ρ đáy = .10 (g/m ). Trong đó ρ 0.6, ρ 0.8, ρ 0.2, ρ mặt, ρ đáy: lượng ngậm cát từng điểm tương ứng với độ sâu 0.2h, 0.6h, 0.8h, mặt nước và đáy. Pmặt, P0.2. . .Pđáy: Khối lượng bùn cát khô tương ứng từng điểm (gam). 3 Dmặt, D0.2. . .D đáy : Dung tích mẫu nước từng điểm (cm ). 106 : Hệ số đổi đơn vị. 3.1.4.5 Xác định lượng ngậm cát bình quân thuỷ trực ρm.v m + 3.ρ0.2 .v 0.2+ 3ρ 0.60.6v + 2ρ 0.8 .v 0.8+ ρd . . v d Đo 5 điểm : ρ t = (3-4) 10.vt ρ0.2.v 0.2+ ρ 0.6 v 0.6 + ρ 0.8. v 0.8 Đo 3 điểm : ρ t = (3-5) v0.2+ v 0.6 + v 0.8 ρ0.2 v 0.2+ ρ 0.8 v 0.8 Đo 2 điểm : ρ t = (3-6) v0.2+ v 0.8 Đo 1 điểm ρ t = K. ρ 0.6 Trong các công thức trên ρ t: Lượng ngậm cát bình quân thuỷ trực. ρ 0.2, ρ 0.6, ρ 0.8, ρ m, ρ đ : lượng ngậm cát từng điểm tương ứng với mặt nước 0.2h, 0.6h, 0.8h, mặt, đáy sông. Vmặt, V0.2, V0.6, V0.8, Vđáy: lưu tốc từng điểm ứng với độ sâu. - 155 -
Vt: Lưu tốc bình quân thuỷ trực. K: Hệ số hiệu chỉnh, xác định theo số liệu thực đo 5 điểm. 3.1.4.6 Tính lưu lượng bùn cát lơ lửng Căn cứ số liệu đo lưu tốc từng điểm trên thủy trực, số kiệu lượng ngậm cát bình quân thuỷ trực ở mục trên tiến hành tính lưu lượng bùn cát tương tự tiết (6-3) và xác định được lưu lượng bùn cát R, lượng ngậm cát bình quân mặt cắt ngang ρ m/n. 3.1.5 Điều kiện ứng dụng đo kiểu tích phân, tích điểm Đo theo kiểu tích phân đơn giản, mỗi đường thuỷ trực chỉ lấy một mẫu nước hỗn hợp và xác định được lượng ngậm cát bình quân thuỷ trực. Do đó chi phí về xử lí mẫu nước ( giấy lọc, sấy khô) không nhiều, tính toán đơn giản. Tuy nhiên kiểu đo này không phản ảnh được quy luật phân bố bùn cát theo chiều sâu, vì vậy giá trị sử dụng của số liệu bị hạhnế c . Ngược lại kiểu đo tích điểm phản ảnh được quy luật phân bố bùn cát theo chiều sâu (từ trường hợp đo 1 điểm) vì vậy giá trị sử dụng của số liệu mở rộng hơn. Tuy nhiên kiểu đo này vất vả vì thực hiện nhiều thao tác đóng mở, kéo lên, đặt máy từng điểm, mặt khác chi phí đo đạc tốn kém hơn vì cần nhiều bình chứa mẫu nước, nhiều giấy lọc, thời gian cân, sấy kéo dài. Do đó kiểu đo tích phân được sử dụng rộng rãi hơn, kiểu đo tích điểm chỉ sử dụng với một số ít trạm đo trên sông lớn và tại những trạm này cũng chỉ sử dụng kiểu tích điểm cho một số lần đo trong năm. HÌNH 3-4: PHÂN BỐ LƯU TỐC VÀ LƯỢNG NGẬM CÁT THEO ĐỘ SÂU - 156 -
3.1.6 Chế độ đo bùn cát lơ lửng trong năm Đo lưu lượng bùn cát trên mặt cắt ngang nhằm mục đích có đủ số liệu để xây dựng tương quan giữa lượng ngậm cát bình quân mặt cắt ngang ( ρ m/n) với lượng ngậm cát thuỷ trực đại biểu ( ρ đb). Do đó về số lượng yêu cầu khoảng 25 đến 35 lần đo lưu lượng bùn cát trong một năm (ít hơn đo lưu lượng nước) với số liệu trên phải phân phối sao cho hợp lí, nghĩa là với số lượng không nhiều nhưng phản ánh được tương đối đầy đủ quá trình thay đổi bùn cát theo thời gian trong năm. Nói chung số lần đo bùn cát trong mùa lũ chiếm khoảng 80-90% tổng số lần đo trong năm. Ngoài chế độ đo lưu lượng bùn cát trên mặt cắt ngang còn thực hiện chế độ đo bùn cát trên thuỷ trực đại biểu nhằm thu được số liệu ( ρ đb) từng ngày từ đó sử dụng quan hệ tương quan ρ m/n ~ ρ đb tính được ρ m/n cho tất cả các ngày trong năm và các đặc trưng bùn cát toàn năm. Do đó theo quy phạm đo đạc, thực hiện đo bùn cát trên thuỷ trực đại biểu mỗi ngày một lần vào thời điểm 7 giờ theo kiểu đo tích phân. Sau khi xử lý mẫu nước xác định được lượng ngậm cát thuỷ trực đại biểu ρ đb tương ứng với 7 giờ hàng ngày và coi đây là lượng ngậm cát thuỷ trực đại biểu bình quân ngày ρ đb, ngày. Trên thực tế để giảm nhẹ khối lượng đo đạc, quy phạm cho phép đo gián đoạn trong mùa kiệt, cụ thể là khoảng 3-5 ngày đo một lần. Lượng ngậm cát thuỷ trực đại biểu đo hàng ngày thường quen gọi là lượng ngậm cát mẫu nước đơn vị. Vấn đề chọn thuỷ trực đại biểu tương tự như xét chọn thuỷ trực đại biểu đo lưu tốc đã giới thiệu trong chương II. 3.1.7 Tập hợp số liệu đo bùn cát trong năm Thực hiện chế độ đo nêu trên, kết thúc một mnăm đo bùn cát, trạm đo thu được các số liệu sau: 1) Số liệu bùn cát đo toàn mặt cắt ngang - 157 -
Số liệu này bao gồm lưu lượng bùn cát (R) , lưu lượng nước (Q), lượng ngậm cát bình quân mặt ngang ( ρ m/n), lượng ngậm cát thuỷ trực đại biểu ρ đb, mỗi loại có trên dưới 30 trị số tương ứng với nhau và được thống kê theo dạng bảng (3-2). 2) Số liệu đo bùn cát hàng ngày trên thuỷ trực đại biểu Số liệu này gồm khoảng trên dưới 200 trị số ρ đb (mùa lũ đo liên tục hàng ngày, mùa kiệt đo gián đoạn) và thống kê theo dạng bảng (3-3). Bảng 3-3: Số liệu đo bùn cát lơ lửng toàn mặt cắt – Năm 2000 Trạm Khả Lã Sông Lục Nam Thứ tự Tháng Ngày Giờ đo Q R ρ m/n ρ đb 3 lần đo Bắt Kết (m /s) (kg/s) (g/m3) (g/m3) đầu thúc 1 V 10 14h35 15h37 48.9 3.66 74.7 70.6 2 - 14 12.00 13.40 247 50.3 204 213 3 - 14 15.33 17.00 1240 951 767 727 . - . . . 23 IX 26 07.18 09.20 159 14.5 91.2 99.6 24 X 11 08.47 10.00 120 13.1 109 98.0 25 X 18 12.00 13.15 17.1 17.1 39.8 47.3 Trong bảng 3-3 theo hàng ngang là kết quả một lần đo gồm có: thời điểm đo (ngày tháng giờ đo) và 4 trị số tương ứng là lưu lượng nước Q, lưu lượng bùn cát R, lượng ngậm cát bình quân mặt cắt ngang ρ m/n, lượng ngậm cát thuỷ trực đại biểu ρ đb. Những số liệu này được sử dụng xây dựng tương quan ρ m/n ~ ρ đb, R~Q, trong công tác chỉnh lý tiếp sau đây: - 158 -
Bảng 3-3: Lượng ngậm cát thuỷ trực đại biểu – Năm 2000 Đơn vị (g/m3) trạm Khả Lã Sông Lục Nam I II III IV V VI VI VIII IX X XI XII Tháng I Ngày 1 1.8 50.8 2.1 2 39.6 2.3 3 41.2 4 1.7 27.0 5 30.0 1.7 6 1.6 32.0 1.6 . . . 27 1.6 70.5 1.8 28 91.2 29 1.5 68.7 30 71.3 1.6 31 1.5 70.6 1.8 Số liệu trong bảng 3-3 chỉ mang tính chất tượng trưng, biểu thị cho cách đo liên tục trong mùa lũ và đo gián đoạn trong mùa kiệt. 3.1.8 Đo bùn cát lơ lửng bằng phương tiện hiện đại [6] Phương tiện đo hiện đại có thể đo và cho kết quả trực tiếp lượng ngậm cát không phải thông qua xử lí mẫu nước. Chẳng hạn máy LISST- 25 dựa thưo đặc tính quang học của tia Laze. Máy này có thể xác định lượng ngậm cát ρ =1 ÷5000 g/m3, ngoài ra còn có thể xác định được đường kính hạt, máy có thể lưu trữ số liệu hoặc truyền tới máy tính đặt trên thuyền đo. Trên thực tế phạm vi sử dụng các phương tiện đo hiện đại còn rất hạn chế, trong ngành thuỷ văn nước ta phương tiện đo đơn giản thông dụng vẫn giữ vị trí chủ đạo. - 159 -
3.1.9 Chỉnh lí số liệu bùn cát lơ lửng 3.1.9.1 Số liệu cần thiết cho chỉnh lí Ngoài số liệu đo bùn cát toàn mặt cắt ngang bảng 6-2, số liệu bùn cát đo hàng ngày trên thuỷ trực đại biểu bảng 6-3 còn cần có thêm số liệu lưu lượng nước bình quân ngày đã chỉnh lí (chương IV, bảng 4-2a). Do đó chỉnh lí số liệu bùn cát thực hiện sau chỉnh lí số liệu lưu lượng nước. 3.1.9.2 Nội dung chỉnh lý lưu lượng bùn cát lơ lửng Chỉnh lý bùn cát lơ lửng bao gồm các nội dung sau: 1) Tính lưu lượng bùn cát bình quân ngày (365-366 trị số); 2) Tính đặc trưng bùn cát trong năm như: khối lượng bùn cát qua trạm đo trong năm (Wnăm), lượng ngậm cát bình quân năm ρ năm, lượng ngậm cát bình quân tháng ρ tháng, lượng ngậm cát lớn nhất, nhỏ nhất trong năm. 3) Kiểm tra sai số tính toán và tính hợp lí của đặc trưng. 4) Tổng hợp số liệu, thuyết minh và đánh giá chất lượng tài liệu. 3.1.9.3 Trình tự chỉnh lí số liệu lưu lưọng bùn cát lơ lửng 1) Vẽ quan hệ tương quan ρ m/n ~ ρ đb Căn cứ số liệu khoảng trên dưới 30 lần đo thống kê theo mẫu bảng 6-2, lập quan hệ tương quan lượng ngậm cát bình quân mặt cắt với lượng ngậm cát bình quân thuỷ trực đại biểu tương ứng. Quan hệ giữa hai yếu tố này thể hiện qua công thức: R QQ1ρ 1+ 2( ρ 1 + ρ 2 ) / 2 + ρn .Q n ρ m/n = = Q Q Trong đó ρ m/n : Lượng ngậm cát bình quân mặt cắt ngang ρ1 , ρ2 , ρ 3 . . . ρn : Lượng ngậm cát bình quân từng thuỷ trực (trong đó có thuỷ trực chọn làm đại biểu). Q1, Q2, Q3. . Qn : lưu lượng nước các bộ phận của mặt cắt ngang: Q: Lưu lượng nước toàn mặt cắt ngang. Theo (3-8) cho thấy quan hệ ρ m/n ~ ρ đb đồng biến, tuyến tính. Khi ρ đb=0 có nghĩa ρ1 , ρ2 , ρ 3 = 0 hoặc xấp xỉ bằng không và dẫn tới ρ m/n = 0. - 160 -
Do đó đồ thị tương quan ρ m/n ~ ρ đb qua gốc toạ độ. Chú ý khi vẽ đường trung bình nên dựa theo quy luật số đông, phân tích nguyên nhân của những điểm tương quan có xu thế thiên lớn, thiên nhỏ cá biệt (điểm đột xuất) để xử lý thích hợp. Đánh giá sai số tương quan theo tiêu chuẩn như sau: Nếu có ít nhất 4/5 tổng số điểm tương quan phân bố trong phạm vi sai số ± 15% so với đường trung bình thì tương quan đó có thể sử dụng được. 2) Tính lưu lượng bùn cát bình quân ngày Dựa theo số liệu lượng ngậm cát thực đo hàng ngày tại thuỷ trực đại biểu ( ρ đbngày). Lưu lượng bùn cát bình quân ngày tính như sau: R ngày = ρ mnngày . Q ngày Trong đó: R ngày :Lưu lượng bình quân ngày ρ mnngày: Lượng ngậm cát mặt cắt ngang bình quân ngày Q ngày : Lưu lượng nước bình quân ngày đã chỉnh lí Hình 3.5 Quan hệ ρ m/n ~ ρ đ - 161 -
Trong mùa kiệt có những ngày không đo lưu lượng ngậm cát thuỷ trực đại biểu thì tính bằng phương pháp nội suy tuyến tính theo số liệu của ngày đo trước và ngày đo sau gần nhất. 3) Tính lưu lượng bùn cát bình quân tháng, bình quân năm Lưu lượng bùn cát bình quan tháng, năm tính theo trung bình cộng lưu lượng bùn cát bình quân ngày trong tháng, năm. 28÷ 31 ∑ R ngμy 1 R tháng = (3-9) sèngμytrongth¸ ng 28÷ 31 ∑ R ngμy 1 R tháng = (3-10) sèngμytrongn¨ m 4) Tính đặc trưng bùn cát trong tháng, trong năm a) Khối lượng bùn cát lơ lửng qua trạm đo trong một năm Wnăm = K.R năm . T ( tấn) (3-11) Trong đó: K: hệ số chuyển đổi đơn vị R năm tính theo kg/s hoặc g/s Tnăm : Sốđo thời gian trong một năm tính bằng giây b)Lượng ngậm cát bình quân năm ρ năm = (3-12) Trong đó: 3 3 ρ năm : lượng ngậm cát mặt cắt ngang bình quân năm (g/m hoặc kg/ m ); R năm: lưu lượng bùn cát bình quân năm (g/s hoặc kg/s); 3 Q năm : lưu lượng nước bình quân năm (m /s) c) Lượng ngậm cát bình quân tháng ρ tháng = (3-13) - 162 -
3 3 Với ρ tháng – Lượng ngậm cát mặt cắt ngang bình quân tháng (g/m hoặc kg/ m ); R tháng: lưu lượng bùn cát bình quân tháng (g/s hoặc kg/s); 3 Q tháng : lưu lượng nước bình quân tháng (m /s); 5. Kiểm tra sai số tính toán và tính hợp lý của trí số đặc trưng Sai số tính toán do thực hiện các phép tính trung gian, sai số đọc biểu đồ, sai số do sao chép số liệu v.v. Để phát hiện những sai số này thường vẽ đường quá trình lưu lượng bùn cát bình quân ngày R ngày~ t và đường quá trình lưu lượng nước bình quân ngày Q ngày ~t cùng tỷ lệ thời gian để đối chiếu so sánh. Theo quy luật chung hai đường quá trình có xu thế thay đổi đồng dạng, các điểm cực trị Rmax, Rmin, Qmax, Qmin tương ứng. Nếu xuất hiện sự thay đổi không đồng dạng hoặc không tương ứng cần kiểm tra phát hiện nguyên nhân và sửa sai nếu có. Xét tính hợp lí của đặc trưng khối lượng bùn cát Wnăm, có thể sử dụng phương trình cân bằng bùn cát trong đoạn sông. Trong đó : : Khối lượng bùn cát chuyển vào đoạn sông qua các trạm đo phía thượng lưu (trong thời đoạn cần xét) Wrgiữa: Khối lượng bùn cát tăng thêm (+) do xói lở hoặc giảm bớt (-) do bồi lắng trong đoạn sông (trong thời gian xét cân bằng) hoặc do sông suối bổ sung. ∑Wrra : Khối lượng bùn cát chuyển ra ngoài đoạn sông qua các trạm đo phía hạ lưu (trong thời đoạn cần xét). Thành phần Wrgiữa rất khó xác định, thông thường chỉ có thể nhận biết có tính chất định tính hoặc xói bồi. Do đó Wrgiữa nếu đoạn sông có hiện tượng bồi lắng. Thời đoạn xét cân bằng có thể bất kì (tháng, năm, nhiều năm). Thông qua phương trình cân bằng bùn cát trong đoạn sông cũng chỉ có thể nhận xét tính hợp lí có tính chất định tính. - 163 -
6. Tổng hợp số liệu thuyết minh và đánh giá chất lượng tài liệu Qua các bước tính toán nêu trên có được nhiều loại số liệu. Trên cơ sở số liệu đó, tiến hành chọn lọc, tổng hợp đặc trưng theo bảng (6-4). Trong đó trị số lượng ngậm cát lớn nhất, lượng ngậm cát nhỏ nhất trong từng tháng được chọn từ trị số lớn nhất nhỏ nhất thực đo. Bảng 3-4: Số liệu đặc trưng bùn cát lơ lửng trong năm Tháng I II III IV V VI VII VII IX X XI XII Đặc trưng I Lượng ngậm cát bình quân (g/m3) Lượng ngậm cát lớn nhất (g/m3) Ngày Lượng ngậm nhỏ nhất (g/m3) Ngày Đặc trưng năm Khối lượng bùn cát cả năm . . (tấn). Lượng ngậm cát bình quân năm. . (g/m3) Lượng ngậm cát lớn nhất . . . (g/m3). Lượng ngậm cát nhỏ nhất . . . (g/m3) Cũng tương tự công tác chỉnh lý các yếu tố khác, số liệu đặc trưng bùn cát được sao chép nhiều bản và lưu trữ tại các cơ quan có trách nhiệm quản lý (trạm đo, đài khu vực và tổng cục). Kèm theo có thuyết minh nêu rõ những vấn đề đo đạc, chỉnh lý có liên quan đến chất lượng số liệu. 3.1.10 Một số biện pháp xử lý khi quan hệ ρ m/n ~ ρ đb không ổn định Sự phân bố bùn cát trên mặt cắt ngang rất không ổn định, nó phụ thuộc chủ yếu vào lưu tốc tại các thuỷ trực và sự đổi hướng chảy của các dòng chính (chủ lưu) từ đó dẫn tới sự dao động của quan hệ ρ m/n ~ ρ đb, nhiều trường hợp sai số tương quan lớn không đạt yêu cầu sử dụng. Do đó phải có biện pháp xử lý nhằm hạn chế sai số tạo điều kiện số liệu tính toán có thể chấp nhận được. 3.1.10.1 Dựng quan hệ ρ m/n ~ ρ đb từng thời đoạn - 164 -
Thông thường quan hệ này chỉ có một phương trình tương quan dùng cho cả năm. Tuy nhiên trong trường hợp không ổn định, nếu sử dụng một phương trình (một đường trung bình) sẽ sai số lớn. Có thể phân tích nguyên nhân dao động của các điểm tương quan mà chia tách ra nhiểu thời đoạn ổn định tạm thời, mỗi thời đoạn sử dụng mỗi phương trình tương quan ρ m/n ~ ρ đb khác nhau. Điều kiện chia tách như sau: Các điểm tương quan ρ m/n ~ ρ đb phân bố hình thành nhóm điểm thiên lớn hoặc thiên nhỏ theo thứ tự thời gian, chẳng hạn từ lần đo thứ nhất tới lần đo 11 phân bố thiên nhỏ, từ lần đo 12 đến 29 phân bố thiên lớn (hoặc ngược lại), trên cơ sở đó lập lại hai phương trình tương quan riêng sử dụng cho hai thời đoạn trong năm. 3.1.10.2 Thay thế ρ m/n = ρ đb Nếu các điểm tương quan phân bố không hình thành quy luật theo thời gian mà lại dao động lớn, không thể chấp nhận được, trường hợp này có thể coi ρ m/n = ρ đb và sử dụgn trực tiếp số liệu đo bùn cát hàng ngày bỏ qua công đoạn tính theo phương trình tương quan, có nghĩa ρ m/nngày = ρ đb ngày. Các bước tiếp theo thực hiện như mục 6.9.3. 3.1.10.3 Lập tương quan lưu lượng bùn cát ~ lưu lượng nước Trường hợp không thể sử dụng tương quan ρ m/n ~ ρ đbnhưng số liệu đo bùn cát hàng ngày cũng không đầy đủ, không thể xử lý theo cách thay thế, có thể dựng tương quan lưu lượng bùn cát ~ lưu lượng nước (R~Q). Ta có R = ρ .Q (3-15) Qua công thức trên cho thấy lưu lượng bùn cát R phụ thuộc lượng ngậm cát ρ và lưu lượng nước. Mặt khác giữa lưu lượng nước và lượng ngậm cát cũng có quan hệ đồng biến, chẳng hạn ρ = Q với là hằng số, thay vào ta có : R = .Q2 (3-16) Theo 3-15 thì quan hệ (R~Q) đồng biến, không tuyến tính và khi Q=0 ⎯⎯→ R=0. Căn cứ số liệu đo bùn cát toàn mặt cắt dạng bảng 3-2 lập quan hệ tương quan (R~Q). Từ số liệu ngày(đã chỉnh lí) thông qua quan hệ (R~Q), sẽ tính được R ngày. Các bước tính tiếp sau thực hiện như mục 3.1.9.3. - 165 -
Cách xử lí trên rất đơn giản nhưng vấn đề chính là sai số tương quan (R~Q). Nếu có ít nhất 60% tổng số điểm tương quan phân bố trong phạm vi sai sô ± 15% so với đường trung bình thì có thể chấp nhận được. 3.1.11 Đo bùn cát đáy Hiện nay có nhiều kiểu máy đo bùn cát đáy nhưng chưa có kiểu nào cho kết quả đạt yêu cầu sử dụng. Điều này có thể lí giải như sau: Do điều kiện địa hình đáy sông nói chung không bằng phẳng và không thể quan sát được, vì vậy rất khó đặt cửa hứng bùn cát của máy ngang bằng sát đáy sông mà có thể quan sát được, vì vậy rất khó đặt cửa hứng bùn cát của máy ngang bằng sát đáy sông mà có thể chếch lên cao hoặc sục vào lớp bùn ở đáy sông. Do đó cùng một vị trí với hai lần đo cách nhau 10-15 phút có thể cho lượng bùn cát đáy chênh lệch nhau hai ba lần rất khó xét chọn kết quả. Mặt khác quy luật vận động của bùn cát đáy rất không ổn định theo thời gian và không gian. Trong một năm thì bùn đáy chỉ vận động trong mùa lũ và trong mùa lũ cũng không vận động liên tục mà tuỳ thuộc cường suất lũ và mực nước lũ. Trên mặt cắt ngang sông bùn cát đáy chỉ vận động phần lòng sông giữa dòng có lưu tốc lớn và ranh giới này cũng luôn thay đổi tuỳ thuộc mức độ mạnh yếu của lũ. Tính chất vận động không tiên tuch theo thời gian và không gian của bùn cát đáy không thể quan sát được mà phải tiến hành đo liên tục theo thời gian, đo nhiều điểm trên mặt cắt ngang mới có thể xác định được ranh giới gián đoạn theo thời gian và trên mặt cắt ngang để tính toán lưu lượng bùn cát đáy. Những điều lí giải trên cho thấy đo bùn cát đáy phải thực hiện khối lượng công việc lớn và liên tục mà kết quả thu được chưa đạt yêu cầu sử dụng. Vì vậy đo bùn cát đáy hiện nay vẫn đang trong quá trình tiếp cận thực tế, những số liệu đã đo được chưa có giá trị sử dụng mà mới ở mức độ tham khảo. Trên thực tế khi cần xác định lượng bùn cát đáy thường dựa theo tỷ lệ % của bùn cát lơ lửng và tỷ lệ này cũng mang nặng tính chất kinh nghiệm. - 166 -
3.2 ĐO ĐẠC CHẤT LƯỢNG NƯỚC 3.2.1. Khái quát chung về đo đạc chất lượng nước Công việc đo đạc chất lượng nước bao gồm nhiều công đoạn khác nhau: lập chương trình lấy mẫu, lấy mẫu theo các chỉ tiêu đã định trước, bảo quản, xử lý mẫu, vận chuyển mẫu, và phân tích mẫu nước trong phòng thí nghiệm hoặc thậm chí ngay tại hiện trường với các dụng cụ đo đạc hiện trường xách tay. Cuối cùng là việc làm sáng tỏ số liệu và lập báo cáo. Độ chính xác của việc đo đạc, phân tích các chỉ tiêu của một hay hàng loạt mẫu nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: chiến lược lấy mẫu, điều kiện khí hậu, thời tiết, tính chủ quan của người lấy mẫu, điều kiện bảo quản, phân tích mẫu 3.2.2. Kỹ thuật lấy mẫu (theo tiêu chuẩn TCVN 5992-1995, ISO 5667-2: 1991) 1. Các phương pháp lấy mẫu a. Khái quát chung Dữ liệu phân tích cần phải cho biết chất lượng nước thông qua việc xác định các thông số như nồng độ các chất vô cơ, chất khoáng hoặc hóa chất hòa tan, khí hòa tan, chất hữu cơ hòa tan, và các chất lơ lửng trong nước hoặc trầm tích ở một thời điểm và địa điểm đặc biệt, hoặc trong một khoảng thời gian đặc biệt nhất định, tại một địa điểm riêng biệt. Một số thông số như nồng độ các chất khí hòa tan cần phải được đo ngay tại chỗ, nếu như có thể, để đảm bảo kết quả chính xác. Cần lưu ý rằng các phương pháp lưu giữ mẫu chỉ áp dụng được trong một số trường hợp. Nên lấy mẫu riêng cho từng mục đích phân tích như phân tích hóa học, sinh vật và vi sinh vật, bởi vì các phương pháp, thiết bị lấy mẫu và cách xử lý mẫu khác nhau. Kỹ thuật lấy mẫu thay đổi tùy theo hoàn cảnh. Cần phân biệt cách lấy mẫu từ vùng nước tĩnh và nước chảy. Mẫu đơn và mẫu tổ hợp được áp dụng cho cả 2 vùng nước này. Lấy mẫu gián đoạn theo chu kỳ và lấy mẫu liên tục áp dụng cho nước chảy, còn lấy mẫu loạt thường áp dụng cho nước tĩnh. b. Mẫu đơn Là mẫu gián đoạn, thường được lấy thủ công, nhưng cũng có thể lấy tự động, từ nước trên bề mặt, hoặc ở độ sâu nhất định, hoặc ở dưới đáy. Mỗi mẫu thường chỉ đại diện cho chất lượng nước ở thời điểm và địa điểm được lấy mẫu. Lấy mẫu tự động tương đương với một loạt mẫu đơn lấy theo cơ sở thời gian hoặc khoảng dòng chảy đã được chọn trước. Nên lấy mẫu đơn khi dòng nước là không đồng nhất, hoặc khi thông số cần nghiên cứu thay đổi, hoặc khi dùng mẫu tổ hợp sẽ không phân biệt được những mẫu riêng lẻ vì chúng phản ứng với nhau. Mẫu đơn cũng được dùng khi nghiên cứu khả năng xuất hiện ô nhiễm hoặc giám sát sự lan tỏa của nó, hoặc trong trường hợp lấy mẫu gián đoạn tự động, để xác định thời điểm trong ngày khi chất gây ô nhiễm xuất hiện. Mẫu đơn có thể được lấy trước khi lập chương trình lấy mẫu mở rộng. Nhất thiết phải lấy mẫu đơn (mẫu điểm) nếu mục tiêu - 167 -
của chương trình lấy mẫu là đánh giá xem liệu có phải chất lượng nước thay đổi bất thường hay không. Nên dùng mẫu đơn để xác định những thông số không ổn định như nồng độ các chất khí hòa tan, clo dư, sunfua tan. c. Mẫu gián đoạn (không liên tục) - Mẫu gián đoạn (mẫu chu kỳ) được lấy ở những khoảng thời gian định trước (phụ thuộc thời gian). Các mẫu này được lấy bằng cách dùng cơ chế hẹn giờ cho lúc bắt đầu và lúc kết thúc lấy mẫu nước trong khoảng thời gian xác định. Cách thông thường là dùng bơm bơm mẫu vào một hoặc nhiều bình chứa trong một thời gian nhất định, mỗi thể tích mẫu được chia cho từng bình một. - Mẫu gián đoạn (mẫu chu kỳ) được lấy ở những khoảng dòng chảy định trước (phụ thuộc thể tích). Loại mẫu này được lấy khi các chỉ tiêu chất lượng nước không liên quan đến tốc độ dòng chảy. Cứ mỗi thể tích nước chảy qua, lấy một thể tích mẫu ấn định không kể đến thời gian. d. Mẫu liên tục - Mẫu liên tục lấy ở lưu lượng định trước: Mẫu lấy bằng cách này chứa mọi thành phần của nước trong suốt giai đoạn lấy mẫu, nhưng trong nhiều trường hợp các mẫu này không cho thông tin về sự thay đổi nồng độ của các chất quan tâm trong giai đoạn đó. - Mẫu liên tục lấy ở lưu lượng thay đổi: Mẫu lấy tỷ lệ với dòng chảy là mẫu đại diện cho chất lượng nước toàn bộ vực nước. Nếu cả dòng chảy và thành phần nước thay đổi, mẫu lấy theo cách này có thể phát hiện được sự thay đổi đó mà mẫu đơn không làm được, miễn là các mẫu vẫn là gián đoạn và số mẫu đủ lớn để phân biệt sự thay đổi thành phần nước. Đây là cách lấy mẫu nước chính xác nhất nếu cả lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm quan tâm đều thay đổi mạnh. e. Mẫu loạt - Mẫu lấy theo chiều sâu: Đó là loại mẫu nước lấy ở các độ sâu khác nhau của một vùng nước ở một vị trí đã định. - Mẫu theo diện tích: Đó là loại mẫu nước lấy ở một độ sâu nhất định của một vùng nước và ở nhiều vị trí khác nhau. f. Mẫu tổ hợp Mẫu tổ hợp có thể lấy thủ công hay tự động, không phụ thuộc vào loại mẫu (theo thời gian, dòng chảy, thể tích hoặc vị trí). Các mẫu được lấy liên tục có thể trộn lẫn để được các mẫu tổ hợp (mẫu trộn). Các mẫu tổ hợp cung cấp các giá trị trung bình của thành phần nước. Do đó trước khi trộn các mẫu riêng cần xem xét có cần các giá trị đó không hoặc các thông số quan tâm có thay đổi nhiều trong giai đoạn lấy mẫu không. Mẫu tổ hợp có giá trị khi sự tuân thủ một mức giới hạn được dựa trên giá trị trung bình của chất lượng nước. g. Mẫu thể tích lớn Một vài phương pháp phân tích một số yếu tố nào đó có yêu cầu lấy mẫu thể tích lớn như từ 50 lít đến vài mét khối. Những mẫu như vậy cần dùng, thí dụ, khi phân tích - 168 -
thuốc trừ sâu hoặc vi sinh vật không có khả năng nuôi cấy. Mẫu được lấy hoặc bằng cách thông thường (lưu ý bình chứa mẫu phải thật sạch) hoặc cho một thể tích nước xác định qua chất hấp thụ hay qua màng lọc tùy theo yếu tố cần xác định. Thí dụ: ống nhựa trao đổi ion hoặc than hoạt tính có thể dùng để lấy mẫu một số thuốc trừ sâu, còn màng lọc bằng polypropylen cỡ lỗ trung bình 1 μm là thích hợp để lấy mẫu bào tử (Cryptosporidium). Chi tiết chính xác về phương pháp dùng màng lọc phụ thuộc vào loại nước và yếu tố cần xác định. Nên sử dụng một van điều chỉnh tốc độ chảy vào thiết bị hấp thụ hoặc màng lọc đối với nước cấp có áp suất. Với hầu hết các yếu tố cần xác định, cần dùng một bơm có đồng hồ đo áp lực đặt sau các thiết bị. Khi nước lấy mẫu bị đục hoặc chứa các chất rắn lơ lửng có thể bít màng lọc hoặc chất hấp thụ sẵn có, hoặc lượng chất cần phân tích vượt quá dung lượng hấp phụ của màng lọc lớn nhất hoặc chất hấp thụ sẵn có thì có thể dùng nhiều thiết bị lắp song song, có nhiều lối vào và lối ra, có vòi khóa. Lúc đầu để cho mẫu nước chỉ chảy vào một thiết bị, đến khi tốc độ chảy ra giảm rõ rệt thì chuyển sang cái tiếp theo. Khi nhiều màng lọc hoặc chất hấp thụ được dùng, mẫu phải được xử lý cùng với nhau và mẫu được xem như mẫu tổ hợp. Nếu có nguy cơ ống hay màng lọc bị quá tải thì phải nối ống và màng lọc mới ngay sau khi cái trưóc bị hết khả năng, rồi tắt nước chảy vào ống hay màng đã quá tải. Nếu lấy mẫu nước thải bằng cách này mà nước chảy ra khỏi các thiết bị lấy mẫu được đưa trở lại vùng nước đang được lấy mẫu, thì điểm cho chảy trở lại cần ở xa điểm lấy mẫu để khỏi ảnh hưởng đến nước sẽ được lấy mẫu tiếp. • Tần suất và thời gian lấy mẫu Kết quả phân tích từ một chương trình lấy mẫu cần phải cung cấp được thông tin cần thiết với sai số chấp nhận được theo quy định của chương trình. Nếu không định nghĩa rõ mức sai số thì một chương trình lấy mẫu dựa trên thống kê là không thể chấp nhận được. Tần số thu mẫu càng dày độ chính xác của việc đánh giá diễn biến chất lượng và ô nhiễm nước càng cao. Tuy nhiên, trong thực tế do hạn chế về nhân lực, thiết bị, kinh phí ở tất cả các quốc gia, tần số thu mẫu ở các trạm monitoring nước đều được quy định ở mức có thể chấp nhận được. Khi có những thay đổi chu kỳ hay thường xuyên, nên đánh giá nồng độ trung bình bằng cách lấy mẫu hệ thống thay cho lấy mẫu ngẫu nhiên (với số mẫu bất kỳ), và bảo đảm rằng khoảng cách thời gian giữa hai lần lấy mẫu liên tiếp là đủ ngắn để phát hiện những thay đổi. Khi lấy mẫu hệ thống cần phải bảo đảm rằng tần số lấy mẫu không trùng với bất kỳ chu kỳ tự nhiên nào của nơi nghiên cứu hoặc với những tác động theo thời gian (VD một bơm đặt ngay ở thượng lưu và khởi động 1 lần trong 1giờ, nghiên cứu tác động của nó không phải là đối tượng lấy mẫu). Chương trình quốc tế GEMS/WATER yêu cầu tần số thu mẫu hàng năm ở các loại trạm như bảng3-5. Trong trường hợp giám sát ô nhiễm do sự cố môi trường, việc lấy mẫu cần thực hiện hàng ngày hoặc nhiều lần trong ngày ở nhiều vị trí khác nhau, phụ thuộc vào mức độ sự cố, chế độ thủy văn, địa hình và đặc điểm về phân bố dân cư, sản xuất trong vùng. - 169 -
Bảng 3.5: Tần suất thu mẫu hàng năm ở các trạm giám sát chất lượng nước theo yêu cầu của GEMS Loại trạm Sông Hồ Nước ngầm Trạm cơ sở (nền) (a) 4 đến 12 (b) 4 2 đến 4 Trạm tác động: - Nước uống 12 đến 24 (c, d) 6 đến 12 (d) 4 đến 12 (d) - Nước thủy lợi 12 (e) 2 4 - Nước thủy sản 12 (e, f) 6 (f) - - Tác động đa dạng 12 (c) 4 4 Trạm xu hướng 12 đến 24 (g) 2 đến 6 (h) 4 Ghi chú: (a) Các trạm cơ sở chỉ khảo sát trong vòng từ 2-5 năm, phụ thuộc vào lưu lượng và sự thay đổi của chất lượng nước. (b) Thời gian thu mẫu cần thể hiện đủ các thay đổi về chu trình thủy văn trong năm. (c) Tần số thu mẫu cần theo chu trình thủy văn, việc thu mẫu cực đại cần tiến hành trong chu kỳ thủy văn bất thường nhất. (d) Tần số thu mẫu cần phù hợp với mức độ lấy nước và số dân có nhu cầu cấp nước (e) Thời gian thu mẫu cần tiến hành khi lưu lượng thấp (f) Cần xem xét chu trình sinh học: cần tăng tần số thu mẫu ở thời điểm có nămg suất sinh học cao (g) Thời gian thu mẫu cần tiến hành khi lưu lượng cao (h) Đối với các hồ đơn tầng và hai tầng cần thu 2 mẫu/1năm ở các thời điểm phân tầng nhiệt cao nhất và thấp nhất. Đối với các hồ nhiều tầng thu 6 mẫu/năm. 3.Thiết bị lấy mẫu (a) Vật liệu 0- Cần tham khảo TCVN 5993 (ISO 5667-3) cho những tình huống lấy mẫu đặc biệt. Các chất cần xác định để đánh giá chất lượng nước có nồng độ thay đổi từ lượng vết đến lượng lớn. Vấn đề thường hay mắc nhất là sự hấp phụ của các chất lên thành máy lấy mẫu và thành bình chứa, hoặc mẫu bị nhiễm bẩn do máy lấy mẫu và bình chứa không sạch trước khi lấy mẫu (do rửa không sạch) và do vật liệu làm các thiết bị đó. Bình chứa mẫu cần phải giữ cho thành phần mẫu không bị mất do hấp phụ và bay hơi, hoặc bị nhiễm bẩn bởi các chất lạ. Bình lấy mẫu và chứa mẫu cần được chọn cẩn thận sau khi đã xem xét đến, thí dụ, độ bền nhiệt, khó vỡ, dễ đóng mở, kích thước, dạng, khối lượng, khả năng dễ kiếm, giá cả, khả năng làm sạch và dùng lại Phải chú ý tránh mẫu bị đông, nhất là khi bình chứa bằng thủy tinh. Nên dùng bình bằng polyetylen dày, chắc để chứa mẫu xác định silic, natri, độ kiềm tổng số, clorua, độ dẫn điện, pH, độ cứng. Với những chất nhạy sáng cần - 170 -
dùng bình cản sáng. Bình bằng thép không rỉ có thể dùng cho những mẫu có nhiệt độ hoặc áp suất cao, hoặc khi lấy mẫu nồng độ các chất hữu cơ. Bình thủy tinh là thích hợp cho các hợp chất hữu cơ và sinh vật, còn các bình bằng chất dẻo thích hợp cho mẫu phóng xạ. Cần lưu ý rằng các thiết bị lấy mẫu thường có các van bôi trơn bằng dầu và gioăng làm bằng cao su tổng hợp. Vật liệu này không tốt cho các mẫu dùng để phân tích các chất hữu cơ và vi sinh vật. Ngoài những tính chất vật lý đã nêu trên, để lựa chọn bình dùng để lấy và chứa mẫu cần được tính đến các tiêu chuẩn chính sau đây: (đặc biệt khi các chất được phân tích tồn tại ở lượng vết). - Hạn chế đến mức tối thiểu khả năng gây ô nhiễm mẫu do vật liệu chế tạo bình và nút, thí dụ sự tan ra của các chất vô cơ từ thủy tinh (đặc biệt là thủy tinh mềm) và các chất hữu cơ cũng như kim loại từ chất dẻo và châts dẻo hóa (nút bằng vinyl được dẻo hóa, vỏ bằng cao su tổng hợp). - Dễ làm sạch và xử lý thành bình để loại các vết bẩn như kim loại nặng, chất phóng xạ. - Vật liệu làm bình phải trơ hóa học và sinh vật học để tránh hoặc giảm đến tối thiểu phản ứng giữa mẫu và bình chứa. - Bình chứa mẫu cũng có thể gây sai số do hấp phụ các chất cần xác định. Đặc biệt là vết các kim loại và cả các chất khác (như chất tảy rửa, thuốc trừ sâu, photphat) đều có khả năng hấp phụ lên thành bình. Người phân tích phải cho quyết định cuối cùng về chọn mẫu và thiết bị lấy mẫu. ống dẫn mẫu: nói chung được dùng để lấy mẫu tự động cấp mẫu cho các máy phân tích liên tục hoặc các máy giám sát. Trong một thời gian nhất định mẫu được xem như chứa trong bình có thành phần như ống dẫn. Do đó, hướng dẫn chọn vật liệu của bình chứa mẫu cũng áp dụng cho ống dẫn mẫu. (b) Các loại bình chứa mẫu - Khái quát chung Các bình bằng polyetylen và thủy tinh bosilicat là thích hợp cho lấy mẫu thông thường để xác định các thông số vật lý, hóa học của nước tự nhiên. Các loại vật liệu trơ hơn về mặt hóa học như polytetrafloteylen (PTFE) thì tốt hơn, nhưng quá đắt so với công việc thông thường hàng ngày. Các bình miệng hẹp, miệng rộng hoặc nút xoáy đều cần có nút bọc bằng nhựa trơ hoặc nút thủy tinh nhám (nhạy với sự ăn mòn của kiềm). Nếu mẫu được xếp vào hộp để chuyển đến phòng thí nghiệm phân tích thì nắp hộp phải cấu tạo để tránh nút bị lỏng ra, gây tràn mẫu ra ngoài hoặc mẫu bị nhiễm bẩn. - Bình chứa mẫu đặc biệt Ngoài những chú ý kể trên, việc bảo quản mẫu có chứa những chất liệu nhạy sáng, kể cả tảo, yêu cầu phải bảo vệ khỏi bị sáng. Khi đó dùng bình chứa làm bằng vật liệu cản sáng và phải đặt ở nơi tối trong thời gian lưu giữ. Lấy và phân tích các mẫu chứa khí hòa tan hoặc các thành phần dễ biến đổi do thấm khí, gây ra một vấn đề đặc biệt. Bình hẹp - 171 -
miệng để thử nhu cầu ô xy sinh hóa (BOD) cần có nút thủy tinh nhọn để tránh giữ không khí, và như vậy phải làm kín đặc biệt trong vận chuyển. - Bình chứa mẫu dùng phân tích vi sinh vật Bình chứa mẫu dùng phân tích vi sinh vật cần phải chịu được nhiệt độ khi khử trùng. Khi khử trùng hoặc khi bảo quản, vật liệu không được tạo ra hoặc tiết ra các hóa chất có khả năng ức chế sự tồn tạ i của vi sinh vật tiết ra độc tố hoặc thúc đẩy sự tăng trưởng của sinh vật. Bình chứa phải được giữ đóng nén cho đến khi mở ra ở phòng thí nghiệm và phải đóng lại ngay để tránh nhiễm bẩn. Bình chứa phải được làm bằng thủy tinh chất lượng tốt hoặc chất dẻo và không chứa các chất độc. Dung tích mỗi bình khoảng 300ml thường là đủ. Bình cần có nút nhám hoặc nút vặn vừa khít, nếu cần thì phủ bằng cao su silicon, vật liệu này chịu được nhiệt độ khử trùng ở nhiệt độ 1600C nhiều lần. (c) Thiết bị lấy mẫu để phân tích các thông số vật lý hay hóa học - Mở đầu Thể tích mẫu cần lấy đủ để phân tích theo yêu cầu và cho bất cứ phép phân tích lặp lại nào. Thể tích mẫu quá nhỏ có thể làm mẫu mất tính đại diện. Ngoài ra mẫu ít cũng làm tăng ảnh hưởng hấp phụ bởi tỷ số giữa thể tích và diện tích nhỏ. Các máy lấy mẫu hữu hiệu cần phải: + có thời gian tiếp xúc giữa mẫu và máy tối thiểu + làm bằng các vật liệu không gây ô nhiễm mẫu + có cấu tạo đơn giản để dễ làm sạch, với các mặt nhẵn và không có những chỗ gây cản trở dòng chảy như uốn cong, có càng ít vòi và van càng tốt (các máy lấy mẫu cần đảm bảo không tạo ra sai số) + phù hợp với mẫu nước cần lấy (hóa học, sinh vật, hoặc vi sinh vật) - Thiết bị lấy mẫu đơn (mẫu điểm) Mẫu đơn thường được lấy thủ công, thiết bị đơn giản nhất để lấy mẫu trên mặt nước là xô hoặc bình rộng miệng, nhúng xuống nước và kéo lên sau khi nạp đầy. • Thiết bị lấy mẫu đơn ở độ sâu đã định Trong thực tế, một bình được buộc vật nặng, nút kín và thả chìm vào nước; đến độ sâu đã định nút được mở ra và nước được tràn vào đến đầy. Theo cách này, không khí hoặc các khí khác cần phải được tính đến vì chúng có thể ảnh hưởng đến thông số cần xác định (như ôxy hòa tan). Đã có sẵn các loại bình lấy mẫu đặc biệt có thể tránh được vấn đề này. Ví dụ: bình chân không. Đối với các vùng nước phân tầng, một ống hình trụ có chia độ hở hai đầu bằng chất dẻo, thủy tinh hoặc thép không rỉ được thả xuống để tạo một cột nước thẳng đứng của vùng nước. ở điểm lấy mẫu, hai đầu được đóng lại trước khi kéo lên trên bề mặt (bình điều khiển từ xa). • Gầu hoặc nạo để lấy mẫu trầm tích - 172 -
Trầm tích có thể được lấy bằng gầu xúc hoặc nạo, được thiết kế để xâm nhập vào tầng trầm tích nhờ khối lượng của chúng hoặc đòn bẩy. Chúng có cấu tạo đa dạng, gồm lò xo kích hoạt hoặc trọng lượng, kiểu hàm ngậm. Dạng của chúng cũng thay đổi theo kích thước mẫu cần lấy vuông hay nhọn. Do đó, bản chất của mẫu nhận được chịu ảnh hưởng của các yếu tố như: + độ sâu xâm nhập vào lớp trầm tích + góc hàm ngậm + hiệu quả của hàm ngậm (khả năng tránh chướng ngại vật) + sự tạo ra sóng "sốc" và gây "mất" hoặc "rửa trôi" các thành phần hoặc sinh vật ở ranh giới bùn - nước + độ ổn định của mẫu trong dòng chảy nhanh Khi lấy mẫu bằng nạo cần chú ý địa điểm, chuyển động của nước, diện tích mẫu và trang bị thuyền bè có sẵn. • Gầu dẹt (gầu dạng vỏ trai) Gàu dẹt tựa như thiết bị dùng để đào đất. Các gàu được thả xuống vị trí đã chọn để thu được một mẫu tổ hợp lớn. Khi đó mẫu lấy bằng gàu dẹt cho thông tin chính xác hơn về nơi lấy mẫu so với lấy bằng nạo. • Thiết bị lấy mẫu lõi Được dùng khi cần thông tin về chiều thẳng đứng của lớp trầm tích. Trừ khi mẫu rắn chắc, cần chú ý giữ mẫu nguyên vẹn khi lấy ra khỏi thiết bị lấy mẫu. - Thiết bị lấy mẫu tự động Các thiết bị lấy mẫu tự động đã được chế tạo và bán trên thị trường. Tiêu chuẩn này không nhằm mục đích tiêu chuẩn hóa các thiết bị đó. Các tiêu chuẩn để lựa chọn các thiết bị phù hợp được nêu trong phụ lục A. Thiết bị cần yêu cầu được bảo vệ, sạch, đốt nóng hay làm lạnh Có 2 loại máy lấy mẫu tự động: phụ thuộc thời gian và phụ thuộc thể tích. Máy lấy mẫu phụ thuộc thời gian lấy các mẫu gián đoạn, mẫu tổ hợp hoặc mẫu liên tục không quan tâm đến lưu lượng, trong khi đó máy lấy mẫu phụ thuộc thể tích cũng lấy các loại mẫu trên nhưng có tính đến sự thay đổi lưu lượng. Sự lựa chọn phụ thuộc vào mục đích giám sát. Cũng có những máy lấy mẫu tinh vi hơn, thí dụ nó có thể phân phối mẫu cho các bình chứa làm bằng các vật liệu khác nhau và chứa các chất bảo quản khác nhau. Dùng các máy lấy mẫu tự động thí dụ để quan trắc và kiểm soát lưu lượng các dòng sông. Trong một số trượng hợp nhất định cần lấy mẫu thể tích lớn, nhất là khi cần phân tích các lượng vết. Tốt nhất là nên dùng hệ thống làm giàu tại chỗ nồng độ các chất cần xác định. Các hệ thống kiểu này có thể là từ các máy ly tâm cho phép lấy liên tục vi sinh vật cho đến những máy trang bị tốt hơn cho phép lấy lượng vết các chất ô nhiễm hữu cơ. Trong những điều kiện lạnh cần đảm bảo thiết bị và các bộ phận phụ hoạt động hữu hiệu. (d) Thiết bị lấy mẫu sinh vật - 173 -
- Mở đầu Giống như trường hợp lấy mẫu phân tích vật lý và hóa học, một số cần được tiến hành tại chỗ. Tuy nhiên đa số mẫu được đưa về phòng thí nghiệm để xác định. Thập niên gần đây nhiều thiết bị đã được tạo ra cho phép lấy mẫu bằng tay (dùng thợ lặn) hoặc tự động và quan sát từ xa, lấy mẫu một số loài sinh vật hoặc nhóm sinh vật. Tuy nhiên mục tiêu của phần này chủ yếu là mô tả những thiết bị đơn giản được sử dụng thông dụng. Để lấy mẫu sinh vật, bình rộng miệng là cần thiết, tốt nhất là miệng rộng gần như bằng thân bình chứa. Bình được làm bằng thủy tinh hoặc chất dẻo. - Sinh vật nổi • Thực vật nổi Kỹ thuật và thiết bị tương tự như dùng để lấy mẫu đơn (mẫu điểm) cho phân tích hóa chất trong nước. Với hầu hết những nghiên cứu về hồ, nên dùng bình có dung tích từ 0.5 đến 2 lít, tuy nhiên cũng cần chú ý đến nhu cầu phân tích. Cần có thiết bị mở nắp bình ở độ sâu lấy mẫu và sau đó đóng lại. Dùng vợt là không nên đối với phân tích định lượng. • Động vật nổi Cần lấy mẫu thể tích lớn (đến 10 lít). Ngoài loại bình vận hành bằng sức nước nên có một lưới nylon dùng cho sinh vật phù du. Kích thước mắt lưới phụ thuộc vào loài cần nghiên cứu. - Sinh vật đáy • Sinh vật sống bám Để lấy mẫu định lượng, nên dùng một phiến kính hiển vi bằng thủy tinh tiêu chuẩn (kích thước 25mm * 75mm). Có 2 cách đặt phiến kính cho hai tình huống khác nhau. ở các dòng suối nhỏ và nông hoặc khu vực gần bờ hồ ao, độ đục đáng kể, phiến kính được treo vào giá bằng chất dẻo trong suốt nổi trên bề mặt. Cần để phiến kính trong nước ít nhất 2 tuần lễ. Nếu yêu cầu kết quả trực tiếp (nghĩa là từ nơi sống tự nhiên) cần nạo lấy các sinh vật bám từ nền bám tự nhiên. • Thực vật thủy sinh lớn Để lấy mẫu định tính, thiết bị lấy mẫu thay đổi tùy theo từng hoàn cảnh, phụ thuộc vào độ sâu lớp nước. ở vùng nước nông, một chiếc cào làm vườn là đủ. ở chỗ nước sâu hơn có thể phải dùng nạo; Máy lấy mẫu phụ thuộc vào nhiều thông số: độ sâu của nước, dòng chảy, bản chất vật lý và hóa học của đáy - Cá Cá có thể được đánh bắt chủ động hoặc thụ động phụ thuộc vào nơi sinh sống và mục đích lấy mẫu. ở sông và suối nhỏ, độ sâu dưới 2 m, đánh cá bằng xung điện một chiều hay xoay chiều nói chung là kỹ thuật chủ động hữu dụng. ở sông rộng, nước chảy chậm hoặc nước lặng, kỹ thuật đánh lưới được ưa dùng. Đánh cá chủ động bằng lưới (lưới kéo, lưới rà) dùng khi không có chướng ngại vật. Đánh cá thụ động bằng lưới (lưới móc, lưới ba lớp và các loại bẫy) dùng khi có cỏ hoặc các chướng ngại vật khác. Những bẫy đặc biệt đặt ở đập nước là rất thích hợp để bắt cá vợt. - 174 -
Kỹ thuật lấy mẫu cá bị hạn chế bởi việc chọn thiết bị (kích cỡ mắt lưới, điện trường), bởi thói quen của cá và công luận về đánh cá bằng điện, cũng như yêu cầu lấy mẫu cá sống hay chết. Cần chú ý đến các yếu tố này trước khi quyết định chọn kỹ thuật lấy mẫu. (e ) Thiết bị lấy mẫu vi sinh vật Với đa số mẫu, thì bình thủy tinh hoặc chất dẻo đã khử trùng là thích hợp. Để lấy mẫu ở dưới mặt nước khá sâu như hồ ao, hồ chứa, dùng máy lấy mẫu như đã mô tả ở mục IV.3 (2) là thích hợp. Mọi máy móc dùng, kể cả bơm và thiết bị kèm theo, đều không được bẩn và không được đưa thêm vi sinh vật vào mẫu. (f)Thiết bị lấy mẫu phóng xạ Tùy theo đối tượng và luật lệ nhà nước, hầu hết kỹ thuật và thiết bị lấy mẫu nước và nước thải để phân tích thành phần hóa học nói chung đều có thể áp dụng cho lấy mẫu phân tích hoạt độ phóng xạ. Mẫu cần lấy vào bình chất dẻo đã rửa sạch bằng chất tẩy rửa và tráng bằng nước và axít nitric loãng. (g) Thiết bị để lấy mẫu khí hòa tan (và chất bay hơi) Mẫu thích hợp để xác định chính xác các khí hòa tan cần phải lấy bằng thiết bị dựa trên nguyên tắc choán chỗ bằng nước mà không phải là choán chỗ bằng không khí trong thiết bị lấy mẫu. Nếu dùng các hệ thống bơm, thì nhất thiết nước phải được bơm sao cho áp suất tác dụng lên nước không được giảm quá thấp so với áp suất khí quyển. Mẫu cần được bơm trực tiếp vào bình chứa hoặc bình phân tích. Bình cần được tráng trước bằng một lượng mẫu ít nhất gấp 3 lần thể tích của nó trước khi bắt đầu phân tích hoặc đậy nút. Nếu chấp nhận kết quả gần đúng, mẫu xác định ôxy hòa tan có thể lấy bằng bình hoặc xô. Sai số mắc phải trong trường hợp này do tiếp xúc của mẫu với không khí phụ thuộc vào mức độ bão hòa của khí ở trong nước. Nếu lấy từ vòi hoặc từ lối ra của bơm, cần dùng một ống dẫn trơ, mềm dẻo cắm sâu đến đáy bình để bảo đảm chất lỏng choán chỗ từ đáy bình và sự sục khí là tối thiểu. Lấy mẫu ôxy hòa tan từ nước bị phủ băng cần chú ý đặc biệt để tránh ô nhiễm mẫu từ không khí. 4. Xử lý, bảo quản, vận chuyển mẫu (Tuân theo tiêu chuẩn TCVN 5993-1995, ISO 5667-3: 1985) a. Bảo quản mẫu Các loại nước, đặc biệt là nước mặt và nước thải, thường bị biến đổi ở những mức độ khác nhau do các tác động lý, hóa và sinh vật học xảy ra trong thời gian lấy mẫu đến khi phân tích. Bản chất và tốc độ của những tác động này thường có thể làm cho nồng độ các chất cần xác định sai khác với lúc mới lấy mẫu nếu như không có các chú trọng cần thiết khi vận chuyển mẫu và lưu giữ mẫu ở phòng thí nghiệm trước khi phân tích. Nếu có nghi ngờ, cần tham khảo ý kiến các nhà phân tích và các nhà khoa học trước khi chọn phương pháp bảo quản và xử lý mẫu. Nguyên nhân gây biến đổi có rất nhiều, một vài nguyên nhân trong số đó là: - 175 -
- vi khuẩn, tảo, và các sinh vật khác có thể tiêu thụ một số thành phần có trong mẫu; chúng cũng có thể làm biến đổi bản chất của các thành phần và tạo ra các thành phần mới. Hoạt động sinh học này gây ảnh hưởng đến, thí dụ, hàm lượng ôxy hòa tan, cacbon điôxit, các hợp chất nitơ, photpho và đôi khi cả silic; - một số hợp chất có thể bị ôxy hóa bởi ôxy hòa tan trong mẫu nước hoặc ôxy không khí (thí dụ như các hợp chất hữu cơ, sắt (II), sunfua); - một số chất có thể kết tủa (VD: CaCO3, Al(OH)3, Mg3(PO4)2 hoặc bay hơi (VD: như ôxy, thủy ngân, cyanua); - pH, độ dẫn, hàm lượng cacbon điôxit có thể bị thay đổi do hấp thụ cacbon điôxit từ không khí; - các kim loại hòa tan hoặc ở dạng keo cũng như một số hợp chất hữu cơ có thể bị hấp phụ hoặc hấp thụ không thuận nghịch lên thành bình chứa hoặc lên các hạt rắn có trong mẫu; - các sản phẩm polyme hóa có thể bị depolyme hóa; ngược lạih ấcác hợp c t đơn giản có thể polyme hóa. Mức độ của các tác động này phụ thuộc vào bản chất hóa học và sinh học của mẫu, vào nhiệt độ, sự tiếp xúc với ánh sáng và vật liệu làm bình chứa mẫu, vào thời gian lưu giữ mẫu, và vào các điều kiện khác (VD: để yên hoặc lắc trong khi vận chuyển). Những biến đổi liên quan đến một chất riêng biệt có khi thay đổi cả về mức độ lẫn tốc độ, không những phụ thuộc vào loại nước mà còn vào những điều kiện mùa. Hơn nữa cần nhấn mạnh rằng những biến đổi này thường đủ nhanh và làm mẫu thay đổi trong vòng ít giờ. Bởi vậy trong mọi trường hợp phải hết sức chú ý làm giảm các động tác này và phân tích mẫu càng sớm càng tốt nhất là khi phải phân tích nhiều thông số. Những biến đổi phần lớn là do các quá trình sinh học nên cần chú ý chọn phương pháp bảo quản mẫu tốt, không làm mẫu nhiễm bẩn. Ngay trong thời gian bảo quản, mẫu cũng có thể biến đổi. Cần nói rằng các phương pháp bảo quản sẽ ít hữu hiệu trong trường hợp nước cống thô hơn là trường hợp nước cống đã xử lý (dòng chảy ra từ các trạm xử lý sinh học). Thực tế quan sát thấy rằng các loại nước thải khác nhau thể hiện tính chất khác nhau trong bảo quản, tuỳ theo mẫu được lấy từ các trạm xử lý nước thải sinh hoạt hay công nghiệp. Nước mặt và nước ngầm nói chung có thể được lưu giữ hữu hiệu hơn. Trường hợp đối với nước uống, vấn đề lưu giữ mẫu được giải quyết dễ dàng hơn vì ít chịu các tác động hóa học và sinh học. Do những biến đổi kể trên, trong một số phép xác định nên lấy mẫu đơn và phân tích ngay tại chỗ. Cần ghi nhớ rằng việc lưu giữ mẫu trong thời gian dài chỉ có thể được với một số hạn chế các thông số cần xác định. Mặc dù có rất nhiều nghiên cứu nhằm đề ra những phương pháp lưu giữ mẫu tốt, nhưng không có những quy tắc tuyệt đối nào dùng cho mọi trường hợp, mọi hoàn cảnh mà không có ngoại lệ. Trong mọi trường hợp, phương pháp lưu giữ mẫu phải phù hợp với kỹ thuât phân tích tiếp sau. Mục đích của tiêu chuẩn này là nêu những phương pháp dùng phổ biến nhất. - 176 -
b. Những việc cần thực hiện • Nạp mẫu vào bình chứa Trường hợp các mẫu dùng để xác định các thông số lý, hóa học, một chú ý đơn giản, tất nhiên không đầy đủ cho mọi trường hợp, là nạp mẫu đầy bình và đậy nút sao cho không có không khí ở trên mẫu. Điều đó hạn chế tương tác với pha khí và sự lắc khi vận chuyển (để tránh thay đổi hàm lượng cacbon dioxit, và do đó cũng không làm ảnh hưởng đến pH; hidro cacbonat không chuyển thành các kết tủa cacbonat; sắt ít xu hướng bị ôxy hóa, như vậy hạn chế được sự thay đổi màu của mẫu ) Các mẫu dùng để xác định vi sinh vật thì không được nạp đầy mà cần để một khoảng không khí sau khi nút. Điều đó cũng để dễ lắc trước khi phân tích và tránh đưa chất ô nhiễm vào mẫu. Bình chứa những mẫu phải bị đông lạnh thì khi bảo quản không được nạp đầy. • Dùng các bình chứa thích hợp Chọn và chuẩn bị bình chứa là rất quan trọng. Tiêu chuẩn này nêu một số hướng dẫn về vấn đề này. Điểm cơ bản là các bình chứa mẫu và nút không được: - là nguyên nhân nhiễm bẩn (VD thủy tinh bosilicat hoặc vôi xút có thể làm tăng hàm lượng silic oxit hoặc natri); - hấp thụ hoặc hấp phụ các chất cần xác định (VD: hidro cacbon có thể bị hấp thụ trong thành bình polyetylen, các vết kim loại có thể bị hấp phụ trên thành bình thủy tinh, điều này có thể tránh bằng cách axit hóa mẫu); - phản ứng với các chất nào đó trong mẫu (VD florua phản ứng với thủy tinh). Cần nhớ rằng dùng các bình chứa bằng thủy tinh mờ hoặc nâu (không quang hóa) làm giảm đáng kể các hoạt động quang hóa. Nên dành riêng một dãy bình chứa cho một phép xác định riêng, như vậy tránh được rủi ro ô nhiễm lẫ n nhau. Cần hết sức chú ý tránh dùng những bình đã chứa các chất xác định có nồng độ cao để sau đó lại chứa các chất có nồng độ thấp. Có thể loại bỏ các bình, nếu điều kiện kinh tế cho phép, để tránh loại nhiễm bẩn này. Chúng không thích hợp cho những thông số đặc biệt như thuốc trừ sâu clo hữu cơ. Luôn luôn phải làm mẫu trắng: dùng nước cất, bảo quản, phân tích như mẫu để kiểm tra sự lựa chọn và làm sạch các bình chứa mẫu. Khi lấy mẫu rắn hoặc nửa rắn cần dùng bình rộng miệng. • Chuẩn bị các bình chứa - Các mẫu phân tích hóa học Để phân tích các lượng vết trong nước mặt và nước thải, thường rửa kỹ các bình mới để giảm khả năng gây nhiễm bẩn mẫu; cách rửa và chất liệu bình chứa phụ thuộc vào thành phần cần phân tích. Nói chung, dụng cụ thủy tinh mới cần rửa bằng nước chứa chất tẩy rửa để loại hết bụi và các vật liệu đóng gói bám lại, sau đó tráng kỹ bằng nước cất hoặc nước trao đổi ion. Để phân tích vết nói chung, bình chứa cần được nạp đầy axit clohydric hoặc axit nitric 1 mol/l và ngâm ít nhất môt ngày, sau đó tráng bằng nước cất hoặc nước trao đổi ion. Để xác định phosphat, silic, bo và các chất hoạt động bề mặt, - 177 -
không được dùng các chất tẩy rửa để rửa bình chứa. Để phân tích vết các hợp chất hữu cơ, cần xử lý đặc biệt các bình chứa theo các tiêu chuẩn tương ứng. - Các mẫu phân tích thuốc trừ sâu, diệt cỏ và dư lượng của chúng Nói chung phải dùng bình thủy tinh (nâu càng tốt), vì chất dẻo, trừ polytetrafloetylen (PTFE), có thể gây ra các yếu tố cản trở nhất là khi phân tích vết. Tất cả các bình chứa cần được rửa bằng nước và chất tẩy rửa, sau đó tráng kỹ bằng nước cất hoặc nước trao đổi ion, sấy khô ở 1050C trong 2 giờ rồi để nguội trước khi tráng bằng dung môi chiết sẽ dùng để phân tích. Cuối cùng, làm khô bằng dòng không khí hay nitơ sạch. Ngoài ra những bình chứa đã dùng, sau khi ngâm với axeton 12 giờ, tráng bằng hexan và sấy như trên, có thể dùng lại được. - Các mẫu phân tích vi sinh Bình chứa phải được khử trùng ở nhiệt độ 1750C trong 1 giờ mà không giải phóng ra bất kỳ hợp chất nào gây ức chế hoạt tính sinh học, làm chết hoặc kích thích tăng trưởng. Khi dùng nhiệt độ khử trùng thấp hơn (khử trùng bằng hơi nước) có thể dùng bình chứa polycacbonat, polypopylen chịu nhiệt. Nắp hoặc nút đều phải chịu được nhiệt độ khử trùng như bình. Một điều cơ bản là bình chứa không được có vết axit, kiềm hoặc các chất độc. Bình thủy tinh cần được rửa bằng nước và chất tẩy rửa, sau đó tráng kỹ bằng nước cất. Cũng có thể tráng bằng axit nitric 10% (thể tích/thể tích) rồi tráng kỹ bằng nước cất để loại hết vết các kim loại nặng hoặc cromat dư. Nếu mẫu chứa clo, cần thêm natri thiosunphat (Na2S2O3) trước khi khử trùng. Điều đó loại trừ khả năng ức chế vi khuẩn do clo. • Làm lạnh và đông lạnh mẫu Mẫu cần được giữ ở nhiệt độ thấp hơn khi lấy. Bình chứa cần nạp gần đầy nhưng không hoàn toàn đầy. Cần nhấn mạnh rằng làm lạnh hoặc đông lạnh mẫu chỉ có tác dụng nếu thực hiện ngay sau khi lấy mẫu. Nếu có thể, nên dùng bình lạnh hay máy làm lạnh trên xe đậu ở nơi lấy mẫu. - Làm lạnh đơn giản Nước đá hoặc tủ lạnh, ở 20C đến 50C và để mẫu ở nơi tối trong đa số trường hợp là đủ để bảo quản mẫu trong khi vận chuyển đến phòng thí nghiệm và trong thời gian ngắn trước khi phân tích. Làm lạnh không thể xem là biện pháp bảo quản lâu dài, nhất là với các mẫu nước thải. Nói chung đông lạnh (- 200C) cho phép kéo dài thời gian bảo quản mẫu. Tuy nhiên, cần kiểm tra kỹ thuật đông lạnh và làm tan để bảo đảm cho mẫu trở lại trạng thái cân bằng ban đầu trước khi phân tích. Trong trường hợp này nên dùng bình chứa bằng chất dẻo (VD: polyvinyl clorua). Bình bằng thủy tinh không thích hợp để đông lạnh. Các mẫu phân tích vi sinh vật không được làm đông lạnh. • Lọc hoặc ly tâm mẫu Các chất lơ lửng, cặn lắng, tảo và các vi sinh vật khác có thể được loại đi lúc lấy mẫu hoặc ngay sau đó bằng cách lọc mẫu qua giấy hoặc màng lọc, hoặc ly tâm. Dĩ nhiên - 178 -
lọc sẽ không thích hợp nếu màng lọc giữ lại một hoặc nhiều thành phần cần phân tích. Căn bản là màng lọc không được gây ô nhiễm mẫu, phải được rửa kỹ trước khi dùng và phù hợp với phương pháp phân tích cuối cùng. Nhiều khi phương pháp phân tích yêu cầu tách riêng các dạng tan và không tan (VD của 1 loại bằng cách lọc). Dùng màng lọc cần lưu ý vì nhiều kim loại nặng và chất hữu cơ có thể bị hấp phụ lên bề mặt, và các chất trong màng có thể tan vào mẫu. • Thêm chất bảo quản Một số yếu tố vật lý, hóa học có thể ổn định bằng cách thêm hóa chất trực tiếp vào mẫu sau khi lấy hoặc vào bình chứa trước khi lấy mẫu. Nhiều hóa chất, ở nhiều nồng độ khác nhau đã được khuyến nghị dùng. Thông thường nhất là: - các axit - các dung dịch bazơ - các chất diệt sinh vật - các thuốc thử đặc biệt cần để bảo quản một số thành phần nhất định (VD: để xác định oxy, cyanua và sulfua tổng số yêu cầu ổn định mẫu tại chỗ) Cảnh báo: Tránh dùng thủy ngân II clorua (HgCl2) và phenyl thủy (II) axetat (CH3CO2HgC6H5) Cần nhớ rằng một số chất bảo quản (thí dụ các axit, clorofom) dễ gây nguy hiểm. Người làm việc với các chất đó cần được cảnh báo trước về những nguy hiểm có thể xảy ra và cách tự bảo vệ. Các chất bảo quản nhất thiết không được gây cản trở việc xác định, nếu nghi ngờ cần phải thử trước sự phù hợp của chúng. Sự pha loãng mẫu do thêm chất bảo quản cần phải được tính đến khi phân tích và tính toán kết quả. Nên dùng dung dịch chất bảo quản đủ đậm đặc để chỉ cần thêm một thể tích nhỏ vào mẫu. Điều đó cho phép bỏ qua sự pha loãng trong đa số trường hợp. Sự thêm chất bảo quản có thể làm thay đổi bản chất vật lý, hóa học của một số thành phần. Do đó cần đảm bảo chắc chắn rằng sự thay đổi là không ảnh hưởng đến sự xác định tiếp theo (VD axit hóa có thể làm tan các thành phần ở dạng keo hoặc rắn). Do đó phải hết sức chú ý nếu mục đích là xác định các thành phần hòa tan. Khi phân tích độc tính đối với sinh vật nước, cần phải tránh sự hòa tan của một số thành phần, đặc biệt là các kim loại nặng - rất độc ở dạng ion. Do đó cần phân tích mẫu sớm). Cần làm mẫu trắng, đặc biệt là với phép xác định vết các kim loại, để xem xét khả năng chất bảo quản có thể đưa thêm chất cần xác định vào mẫu (thí dụ các axit thường chứa lượng nhỏ asen, chì, thủy ngân) hay không. Trong trường hợp như vậy cần giữ dung dịch chất bảo quản để chuẩn bị mẫu trắng. a. Vận chuyển mẫu Các bình chứa mẫu được bảo vệ và làm kín để chúng không bị hỏng hoặc gây mất mát một phần mẫu trong khi vận chuyển. Cần đóng gói để bảo vệ các bình chứa khỏi bị nhiễm bẩn từ bên ngoài và bị vỡ, và vật liệu đóng gói không được là nguồn nhiễm bẩn. Trong khi vận chuyển, các mẫu cần được giữ lạnh và tránh ánh sáng, nếu có thể, đặt mỗi mẫu trong 1 vỏ riêng không thấm nước. Nếu thời gian vận chuyển vượt quá thời gian bảo - 179 -
quản cho phép thì vẫn phân tích mẫu và cần báo cáo rõ thời gian từ khi lấy mẫu đến khi phân tích sau khi đã tham khảo ý kiến người giải trình kết quả. Khi mẫu được chở đến phòng thí nghiệm và không thể phân tích ngay thì mẫu cần được bảo quản trong những điều kiện tránh được nhiễm bẩn từ bên ngoài cũng như bất kỳ thay đổi nào về hàm lượng của những chất cần xác định. Nên dùng phòng làm lạnh và tối để bảo quản mẫu. Trong mọi trường hợp, nhất là khi cần coi sóc hàng loạt mẫu, cần kiểm tra số bình nhận được so với số bình theo bản ghi của mỗi mẫu. 5. Nhận dạng mẫu và ghi chép Các bình chứa mẫu cần đánh dấu rõ và bền để tránh nhầm lẫn ở trong phòng thí nghiệm. Ngoài ra, khi lấy mẫu cần ghi chú ngay những chi tiết giúp ích cho việc giải trình kết quả thu được (ngày giờ lấy mẫu, tên người lấy mẫu, bản chất và lượng chất bảo quản thêm vào ). Có nhiều cách cho phép làm những điều trên (nhãn, bản ghi ). Những mẫu đặc biệt của chất không bình thường cần đánh dấu rõ và kèm theo bản mô tả về những bất thường đã nhận thấy. Nếu là những chất độc hại hoặc rất độc hại, thí dụ các axit, cần ghi rõ ràng. Báo cáo lấy mẫu ít nhất phải có những thông tin sau: (a) địa điểm (tên) lấy mẫu, có toạ độ và mọi thông tin về địa điểm (b) chi tiết về điểm lấy mẫu (c) ngày tháng lấy mẫu (d) phương pháp lấy mẫu (e) thời gian lấy mẫu (f) người lấy mẫu (g) điều kiện thời tiết (h) cách xử lý trước (i) chất bảo vệ hoặc chất ổn định đã đưa thêm vào mẫu (j) dữ liệu thu thập tại hiện trường. - 180 -
HƯỚNG DẪN LẤY MẪU Ở HỒ AO TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO ( Theo TCVN 5994 - 1995, ISO 5667 - 4: 1987) I. Phạm vi áp dụng Tiêu chuẩn này trình bày những nguyên tắc chi tiết áp dụng để vạch kế hoạch lấy mẫu, cho các kỹ thuật lấy mẫu và bảo quản mẫu nước lấy từ hồ ao tự nhiên và nhân tạo. Phần này không bao gồm lấy mẫu phân tích vi sinh. 1. Đo đặc trưng chất lượng Đo chất lượng nước trong một thời gian dài (vài năm) trên toàn bộ một vùng nước. 2. Đo kiểm tra chất lượng Đo chất lượng nước trong một thời gian dài ở một hoặc nhiều điểm xác định của một vùng nước, ở đó nước được (hoặc có thể được) lấy để sử dụng. 3. Đo vì những lý do đặc biệt Nhận biết và đo độ ô nhiễm, thí dụ chim, tôm cá bị chết, hoặc những hiện tượng bất thường khác (xuất hiện mùi lạ hoặc đục, tạo các lớp váng). II. Các loại mẫu đo 1. Mẫu đơn Mẫu riêng lẻ được lấy ngẫu nhiên từ một vùng nước (có chú ý đến thời gian hoặc địa điểm) 2. Mẫu theo chiều sâu Một loạt mẫu nước lấy từ những độ sâu khác nhau và ở một địa điểm đã định của một vùng nước. 3. Mẫu theo bề mặt Một loạt mẫu nước lấy ở một độ sâu nhất định và ở nhiều địa điểm khác nhau của một vùng nước. 4. Mẫu tổ hợp - Mẫu tổ hợp theo chiều sâu Hai hoặc nhiều mẫu nước lấy gián đoạn hoặc liên tục ở một địa điểm xác định của một vùng nước, hoặc giữa bề mặt và lớp trầm tích, hoặc giữa 2 độ sâu xác định, theo một đường thẳng đứng, và sau đó trộn lại với nhau. - Mẫu tổ hợp theo diện tích Mẫu nước trộn của một loạt mẫu lấy ở nhiều địa điểm và ở một độ sâu nhất định của một vùng nước. - 181 -
III. THIẾT BỊ LẤY MẪU 1. Vật liệu Các bình chứa mẫu phải được chọn sao cho không có sự tác động giữa nước và vật liệu làm bình (như thép không rỉ, chất dẻo). ánh sáng có thể ảnh hưởng đến các sinh vật có trong mẫu và có thể dẫn đến những phản ứng hóa học không mong muốn. 2. Các loại dụng cụ, máy móc (1) Dụng cụ lấy mẫu mở và dụng cụ lấy mẫu bề mặt Dụng cụ lấy mẫu mở là những bình hở miệng, dùng để lấy mẫu nước ở sát mặt nước. Nếu có các vật nổi, không thể lấy được mẫu đại diện hoặc mẫu lặp lại. (2) Dụng cụ lấy mẫu đóng Đó là những vật thể rỗng, có van, dùng để lấy mẫu nước ở độ sâu xác định (mẫu đơn hoặc mẫu loạt) hoặc để lấy mẫu tổ hợp theo chiều sâu. Dụng cụ này được nhúng xuống nước bằng dây hoặc cáp tời. Cần có thiết bị để đuổi không khí (hoặc khí) bị kéo vào mẫu. Van được điều khiển từ xa hoặc đóng mở tự động khi dụng cụ được nhúng xuống và kéo lên nhanh. Khi lấy mẫu ở gần đáy nước, cần chú ý tránh khuấy động lớp trầm tích. Một số dụng cụ tự động đóng khi chạm vào lớp trầm tích (điều khiển cơ học hoặc điện); loại này rất thích hợp cho lấy mẫu nước ở gần lớp trầm tích. (3) Bơm Bơm hút dùng tay hoặc môtơ, hoặc bơm nhúng, hoặc máy lấy mẫu phun hơi đều sử dụng được. Bơm được nhúng xuống một độ sâu mong nuốn bằng cáp tời hoặc cố định vào nơi lấy mẫu. Thiết bị tương tự có thể dùng để lấy mẫu ở những độ sâu xác định (mẫu đơn, mẫu loạt và mẫu tổ hợp theo chiều sâu). Khi lấy mẫu bằng bơm nhúng, các sinh vật nhỏ yếu có thể bị hư hại và dẫn đến các kết quả sai lạc. Khi lấy mẫu sinh vật, cần so sánh kết quả khi dùng bơm với kết quả khi dùng dụng cụ lấy mẫu đóng. Kiểu bơm, tốc độ bơm, áp lực hút, ống dẫn, chuyển động của nước qua ống dẫn đều có thể ảnh hưởng đến lấy mẫu. Các loài khác nhau có thể phản ứng khác nhau đối với lấy mẫu bằng bơm. IV. CÁCH LẤY MẪU 1. Vị trí lấy mẫu - Khi mặt nước có những vật nổi, cần dùng dụng cụ lấy mẫu nước bề mặt đặc biệt. - Sự phân bố không gian của các địa điểm lấy mẫu chỉ có thể quyết định chính xác sau khi đã nghiên cứu kỹ bằng cách dùng một số lớn vị trí lấy mẫu nhằm cung cấp một số thông tin áp dụng được kỹ thuật thống kê. - Để đánh giá được ảnh hưởng của các dòng nước, cần dùng một chương trình đo đặc biệt. (1) Phân bố theo phương nằm ngang của các vị trí lấy mẫu - Điểm lấy mẫu cho đặc trưng chất lượng nước - 182 -
Khác với các hồ ao gần như tròn, hồ ao thực tế hoặc là bao gồm nhiều vũng hoặc có đường bờ rất phức tạp (thí dụ: hầu hết hồ nhân tạo) và do đó có sự không đồng đều lớn theo hướng nằm ngang. Để đánh giá độ không đồng đều, cần đặt nhiều điểm lấy mẫu và tiến hành những nghiên cứu sơ bộ. Dữ liệu thu được cho phép quyết định số điểm lấy mẫu. Một điểm lấy mẫu ở phía trên chỗ sâu nhất là đủ cho những ao hồ mà độ không đồng đều theo hướng nằm ngang nhỏ. Các điểm lấy mẫu cần được đánh dấu rõ ràng, và nếu có thể thì đặt phao. Dùng các thiết bị hàng hải để nhận biết các điểm lấy mẫu nếu bề mặt hồ quá lớn và không cho phép cắm phao. - Điểm lấy mẫu cho kiểm tra chất lượng Cần lấy mẫu ở cửa ra, nơi lấy nước để sử dụng, hoặc ở cửa vào của nguồn nước chính. - Điểm lấy mẫu cho những nghiên cứu đặc biệt Thông thường, mẫu được lấy một hoặc vài lần ở điểm xuất hiện hiện tượng bất thường. Vị trí lấy mẫu cần được chỉ rõ trong báo cáo, và nếu có thể, kèm theo bản đồ hoặc sơ đồ. (2) Phân bố theo phương thẳng đứng của các vị trí lấy mẫu Chất lượng nước hồ ao tự nhiên và nhân tạo có thể có sự không đồng đều khá lớn theo phương thẳng đứng do hiện tượng phân tầng. Nguyên nhân là do những ảnh hưởng của mặt nước (thay đổi chất lượng do quang hợp ở vùng trên mặt và thay đổi nhiệt độ do đốt nóng) và những ảnh hưởng xuất hiện từ lớp trầm tích (hòa tan các chất từ trầm tích). Ngoài ra, độ không đồng đều thẳng đứng còn có thể sinh ra từ sự lắng của các chất rắn lơ lửng. Sự khác biệt lớn về chất lượng nước cũng thường thấy ở sự thay đổi nhiệt độ. Do đó khoảng cách theo chiều sâu lấy mẫu đơn ở những vùng không đồng đều cần rút ngắn. Sự bố trí chính xác của các vị trí lấy mẫu tùy thuộc vào thông tin yêu cầu và hoàn cảnh địa phương. Bởi vậy cần tiến hành những nghiên cứu sơ bộ với các máy đo (nhiệt độ, pH, độ dẫn, độ đục, clorophyl huỳnh quang), chúng cho phép quan trắc liên tục hoặc trong từng khoảng thời gian ngắn. Trong những trường hợp như vậy, hãy định chiều sâu lấy mẫu để có thể đạt được toàn bộ độ không đồng đều theo chiều thẳng đứng. Một khi chương trình lấy mẫu đã được xác định, cần tiến hành nhanh, bởi vì những sự thay đổi trong quá trình lấy mẫu làm cho số liệu nhận được không phù hợp với nhau, ở những vùng nước rộng và sâu, có thể có chuyển động trong lòng nước, khi đó nên dùng mẫu loạt lấy đồng thời. 2. Tần số và thời gian lấy mẫu Chất lượng nước hồ ao tự nhiên và nhân tạo thay đổi theo mùa. Do đó, tần số lấy mẫu phụ thuộc vào thông tin yêu cầu. Nói chung, khoảng cách một tháng giữa các lần lấy mẫu đơn là chấp nhận được cho đặc trưng chất lượng trong thời gian dài. Để kiểm tra chất lượng, nên dùng khoảng cách tối thiểu một tuần lễ. Nếu thấy chất lượng nước thay đổi nhanh cần lấy mẫu hàng ngày hoặc thậm chí lấy mẫu liên tục. Ngoài ra chất lượng nước thay đổi mạnh theo thời gian trong ngày. Do đó, các mẫu cần luôn luôn lấy tại cùng một thời điểm của ngày để giảm ảnh hưởng này trong - 183 -
trường hợp cần nghiên cứu xu hướng. Nếu sự biến đổi trong ngày là rất đáng quan tâm tới thì nên lấy mẫu cách hai hoặc ba giờ một lần. (Tham khảo thêm thông tin ở bảng 2.1) 3. Chọn phương pháp lấy mẫu Chọn phương pháp lấy mẫu phụ thuộc vào đối tượng của chương trình lấy mẫu. Các mẫu lấy cho những lý do đặc biệt hoặc cho kiểm tra chất lượng hầu hết là mẫu đơn. Để giám sát chất lượng nước, dùng một loạt mẫu đơn, nhưng mẫu tổ hợp có thể là có ích. Phân tích một loạt mẫu đơn thường đắt nên chúng hay được gộp lại để giảm giá thành. Tuy nhiên mẫu tổ hợp chỉ cho biết giá trị trung bình mà không chỉ ra chi tiết những cực trị về điều kiện và sự thay đổi chất lượng. Nên kết hợp lấy mẫu tổ hợp ở những khoảng thời gian ngắn và loạt mẫu đơn ở những thời gian dài hơn. 4. Vận chuyển, ổn định và lưu giữ mẫu Phải bảo đảm các bình chứa mẫu gửi đến phòng thí nghiệm được đậy kín và bảo vệ khỏi ánh sáng, sức nóng bởi vì chất lượng nước có thể thay đổi nhanh chóng do trao đổi khí, các phản ứng hóa học và sự đồng hóa của sinh vật. Cần ổn định và bảo quản những mẫu không thể phân tích ngay. Để giữ mẫu trong thời gian ngắn có thể làm lạnh đến 40C, trong thời gian dài nên đông lạnh tới - 200C. Nếu để đông lạnh, cần bảo đảm mẫu tan hoàn toàn trước khi phân tích vì quá trình đông lạnh có thể làm tập trung một số thành phần ở vùng giữa bình do đông lạnh sau. Mẫu có thể được bảo quản bằng cách thêm hóa chất. Chú ý chọn phương pháp bảo quản để không cản trở phương pháp phân tích tiếp sau hoặc ảnh hưởng đến kết quả. Ghi chép mọi bước bảo quản trong báo cáo. Đo và ghi nhiệt độ tại chỗ. Các thông số vật lý khác (VD pH) nên phân tích ngay tại chỗ sau khi lấy mẫu. Nếu mẫu chứa cacbon dioxit tự do, cần đo pH ngay. Phải chú ý mọi nguy hiểm và tuân theo quy tắc an toàn đặc biệt trong trường hợp lấy mẫu bằng thuyền. 5. Ghi chép và nhận dạng mẫu Mô tả từng điểm lấy mẫu. Trong trường hợp chương trình dài hạn, những điều kiện đã xác định mà không thay đổi thì không cần phải nhắc lại. Trong trường hợp này chỉ cần đề cập tới những phép đo tại chỗ và những thay đổi như điều kiện thờii tiết và những điều bất thường quan sát được. Khi lấy mẫu vì lý do đặc biệt, cần báo cáo chi tiết, gồm cả lý do lấy mẫu và bảo quản mẫu. Cần kèm theo sơ đồ vị trí lấy mẫu. Mẫu báo cáo nêu ở phụ lục A. - 184 -
HƯỚNG DẪN LẤY MẪU Ở SÔNG VÀ SUỐI (theo TCVN 5996 - 1995, ISO 5667 - 6: 1990) I. Phạm vi áp dụng Tiêu chuẩn này không áp dụng để lấy mẫu nước ở cửa sông hoặc ven biển và áp dụng hạn chế để lấy mẫu ở các kênh đào hoặc những loại nước trong đất liền có chế độ dòng chảy hạn chế. Kiểm tra trầm tích và sinh vật đòi hỏi những phương pháp đặc biệt và không là đối tượng của tiêu chuẩn này. Xác định mục đích lấy mẫu là yêu cầu cơ bản để chọn những nguyên tắc cần áp dụng vào một số vấn đề lấy mẫu nhất định. Những VD về mục đích lấy mẫu ở sông và suối là như sau: a) Để đánh giá chất lượng nước ở một số lưu vực sông; (b) Để xác định tính thích hợp của một sông hay suối làm nguồn nước uống (c) Để xác định tính thích hợp của một sông hay suối dùng cho nông nghiệp (VD: để tưới, dự trữ) (d) Để xác định tính thích hợp của một sông hay suối dùng để duy trì và phát triển nghề đánh cá, nuôi cá; (e) Để xác định tính thích hợp của một sông hay suối cho giải trí (VD: thể thao nước, bơi) (f) Để nghiên cứu tác động của việc xả nước thải hoặc các sự cố chảy tràn vào nguồn nước (g) Để đánh giá tác động của việc sử dụng đất tới chất lượng nước sông hoặc suối. (h) Để đánh giá hiệu ứng tích tụ và giải phóng các chất - Từ trầm tích đáy tới các loài thủy sinh trong nước hoặc - Tới trầm tích đáy (i) Để nghiên cứu tác động hút nước, điều khiển dòng sông và sự chuyển nước từ sông này sang sông khác tới chất lượng hóa học của sông và các loài thủy sinh; (j) Để nghiên cứu tác động của các công trình trên sông tới chất lượng nước (VD: thêm/di chuyển đập nước, chuyển thành kênh/cấu trúc đáy). II. Thiết bị lấy mẫu 1. Vật liệu Các bình polyetylen, polypropylen, polycacbonat và thủy tinh là thích hợp cho hầu hết các tình huống lấy mẫu. Các bình thủy tinh có ưu điểm là mặt trong của chúng dễ nhìn thấy và chúng có thể được khử trùng trước khi dùng lấy mẫu sinh vật. - 185 -
Cần dùng bình thủy tinh khi muốn phân tích các chất hữu cơ, trong khi đó các bình polyetylen nên dành để đựng mẫu xác định những chất chính có trong thủy tinh (VD: natri, kali, bo, silic) và mẫu xác định vết các kim loại. Tuy nhiên các bình polyetylen có thể là không thích hợp cho một số mẫu xác định vết kim loại như thủy ngân và chỉ nên dùng chúng nếu các phép thử sơ bộ chỉ ra những mức độ ô nhiễm chấp nhận được. Nếu dùng bình thủy tinh để lưu giữ nước có tính đệ m yếu thì nên chọn thủy tinh bosilicat thay cho thủy tinh xođa. 2. Thiết bị (1) Dụng cụ lấy mẫu bề mặt Để lấy mẫu phân tích hóa học thường chỉ cần nhúng một bình rộng miệng (thí dụ xô hoặc ca) xuống ngay dưới mặt nước. Nếu cần lấy mẫu ở một độ sâu đã định (hoặc lấy mẫu các khí hòa tan) thì nhất thiết phải dùng các thiết bị khác. Khi lấy mẫu lớp nước trên mặt để phân tích vi sinh (đặc biệt là vi khuẩn), có thể dùng các bình lấy mẫu như khi lấy mẫu nước uống. Những bình này thường có dung tích ít nhất là 250 ml và có nút vặn, nút thủy tinh nhám hoặc loại nút khác có thể khử trùng được và bọc trong giấy nhôm. Nếu dùng nút vặn thì gioăng cao su silicon phải chịu được nhiệt độ khử trùng ở trong nồi hấp ở 1210C hoặc 1600C. Nếu sự ô nhiễm vi khuẩn từ tay có thể sẽ ảnh hưởng thì buộc bình vào que hoặc kẹp. (2) Thiết bị nhúng Các thiết bị này gồm những bình kín chứa không khí (hoặc khí trơ) và được nhúng xuống nước đến một độ sâu đã định nhờ một dây cáp. Một bộ phận mở nắp bình (thí dụ một lò xo) và nước choán chỗ không khí đến đầy bình. Nếu trong thiết bị có bình thích hợp, có thể lấy mẫu khí hòa tan. Bình Dussart là một thí dụ của loại thiết bị lấy mẫu kiểu này. (3) Thiết bị có ống hở Loại này chứa một ống hình trụ hở cả hai đầu và hai nắp hoặc nút vừa khít gá trên bản lề. Hai nắp được mở khi thiết bị được nhúng tới độ sâu cần thiết. Sau đó thiết bị hoạt động nhờ sức nặng của dây cáp thả xuống và lò xo được nhả ra, làm các nắp hoặc nút được đóng chặt. Các thiết bị kiểu này là máy lấy mẫu Butner, Kemmerer, van Dorn và Friedinger. Trong khi các thiết bị loại kể trên thích hợp cho lấy mẫu ở vùng nước đứng hoặc chảy chậm thì thiết bị lấy mẫu kiểu Zukovsky thích hợp cho lấy mẫu ở những sông, suối chảy nhanh vì ống hở khi đó được đặt nằm ngang (không thẳng đứng) và cho phép lấy mẫu đẳng tốc dễ dàng. Mọi hoạt động khác giống như thiết bị lấy mẫu Friedinger. (4) Bơm Lấy mẫu bằng bơm là phương pháp phổ biến. Bơm thường dùng là loại nhúng hút và loại nhu động. Chọn bơm phụ thuộc vào tình huống lấy mẫu. (5) Máy lấy mẫu tự động - 186 -
Thiết bị loại này dùng tốt trong mọi tình huống lấy mẫu ở sông và suối vì nó cho phép lấy các mẫu loạt mà không cần sự can thiệp của con người. Thiết bị loại này là rất hữu dụng trong việc lấy mẫu tổ hợp và nghiên cứu những thay đổi chất lượng nước theo thời gian. Cần đảm bảo rằng tính không ổn định của mẫu không dẫn đến sai số do thời gian lưu trữ mẫu quá dài. Các thiết bị lấy mẫu tự động có thể là loại liên tục hay gián đoạn và có thể hoạt động theo thời gian hoặc theo dòng chảy. Việc chọn loại thiết bị tự động phụ thuộc vào tình huống lấy mẫu cụ thể. III. Phương án lấy mẫu 1. Chọn điểm lấy mẫu (1) Chọn nơi lấy mẫu Muốn chọn điểm lấy mẫu chính xác, cần chú ý 2 mặt: (a) chọn nơi lấy mẫu (VD định điểm lấy mẫu ở một lưu vực sông hoặc suối) (b) xác định điểm lấy mẫu chính xác ở nơi lấy mẫu đã chọn. Mục đích lấy mẫu thường xác định chính xác nơi lấy mẫu cần chọn (như trường hợp xác định chất lượng của một dòng thải), nhưng đôi khi mục đích đó chỉ đẫn đến một ý nghĩa chung chung về nơi lấy mẫu, như đặc tính chất lượng nước ở một lưu vực sông. Chọn nơi lấy mẫu cho các trạm lấy mẫu lẻ thường dễ. Thí dụ cho một trạm monitoring nền của chất lượng nước có thể là một cái cầu thông thường, hoặc ở dưới một nguồn xẻ, hoặc dưới một nhánh sông để cho nước trộn đều trước khi đến trạm. Các trạm kiểm soát điểm lấy cấp nước cần được cố định trong những giới hạn hẹp (thí dụ ở ngay sát điểm hút nước). (2) Chọn điểm lấy mẫu Chọn điểm lấy mẫu thích hợp trở nên khó khăn khi chất cần xác định phân bố không đồng đều trong vùng nước cần nghiên cứu. Nói chung nơi lấy mẫu như vậy là nên tránh vì các mẫu lấy sẽ không đại diện cho phần lớn vùng nước, trừ trường hợp nơi lấy mẫu đó là cần thiết. Nếu thấy có sự phân bố không đồng đều của chất cần xác định ở nơi đã chọn thì cần thử thực nghiệm về bản chất và mức độ không đồng đều theo ba chiều. Nếu các phép thử đó cho thấy rằng chất cần xác định phân bố đồng đều thì bất kỳ điểm lấy mẫu nào cũng có thể được. Ngược lại cần tìm nơi lấy mẫu khác, nơi mà chất cần xác định phân bố đồng đều. Nếu không thể tìm được nơi khác thì phải lấy mẫu ở nhiều điểm để bảo đảm kết quả là đại diện. Những mẫu này thường được tổ hợp lại và tạo ra một mẫu tổ hợp đại diện cho chất lượng nước ở nơi lấy mẫu mà không cần phân tích từng mẫu riêng. Tuy nhiên không được tạo mẫu tổ hợp như vậy khi nghiên cứu các khí hòa tan hoặc các chất dễ bay hơi. 2. Tần số và thời gian lấy mẫu Trong các hệ thống sông, những thay đổi theo chu kỳ đều đặn về chất lượng nước có thể xảy ra, ví dụ chu kỳ 1 ngày, 1 tuần lễ và 1 năm. Khi đó thời gian lấy mẫu cần chọn cẩn thận để có thể đánh giá được bản chất những thay đổi này. Nếu những thay đổi này - 187 -
là không thường xuyên hoặc ở mức độ nhỏ hơn những biến đổi ngẫu nhiên thì nên chọn thời gian lấy mẫu ngẫu nhiên, hoặc lấy những mẫu hệ thống trong suốt chu kỳ quan tâm. Mặt khác thời gian cần được chọn để lấy mẫu được lấy ở những phần khác nhau của chu kỳ, trừ khi cần nghiên cứu những nồng độ đặc biệt, mẫu được lấy ở những thời gian xác định của mỗi chu kỳ. 3.Chọn phương pháp lấy mẫu (1) Lấy mẫu để phân tích lý hóa học Trường hợp lấy mẫu dưới bề mặt (VD 50cm từ bề mặt), chỉ cần nhúng bình (xô, ca) vào dòng sông hoặc suối, sau đó chuyển nước vào bình chứa mẫu. Cũng có thể nhúng trực tiếp bình chứa mẫu xuống sông hoặc suối. Cần tránh lấy mẫu ở lớp bề mặt, trừ khi đó là yêu cầu. Khi muốn lấy mẫu ở độ sâu đã định, cần dùng thiết bị lấy mẫu đặc biệt. Hệ thống lấy mẫu ở sông cần chọn và lắp đặt cẩn thận để tránh tắc ống vào do các hạt rắn ở trong nước. Cần bảo vệ lối vào bằng cách quấn lưới thô và lưới tinh, thường xuyên kiểm tra và loại bỏ các mảnh tích tụ, và những yếu tố này cần được chú ý từ khi chọn điểm lấy mẫu. Lối vào của thiết bị lấy mẫu cũng phải đảm bảo cản trở dòng chảy không đáng kể. Cần bảo vệ hệ thống lấy mẫu ở nơi đặt (VD bờ sông) khỏi bị phá hoại và những tác động khác như nhiệt độ cao. Khi yêu cầu cần dùng bơm thì nên dùng bơm nhúng hơn là bơm hút trong tình huống lấy mẫu các khí hòa tan. Chú ý rằng các khí hòa tan bị giải phóng và kéo theo chất rắn lơ lửng lên bề mặt khi áp lực bị giảm do dùng bơm hút. Phải loại bỏ phần nước ban đầu khi dùng các hệ thống bơm. Điều này cũng có thể xảy ra khi dùng bơm nhu động như trong nhiều máy lấy mẫu tự động xách tay. Khi lấy mẫu khí hòa tan nên dùng thiết bị lấy mẫu nhúng đậy kín. Nhiễm bẩn mẫu cũng có thể bắt nguồn từ vật liệu của hệ thống, bao gồm các bộ phận của bơm. Khi đó nên dùng bơm nhu động với các ống bằng chất dẻo trơ hoặc silicon. Sự phát triển của vi khuẩn hoặc tảo ở trong ống bơm có thể ảnh hưởng, do đó phải rửa bơm thường xuyên hoặc dùng các biện pháp thích hợp khác. Mức độ gây ô nhiễm mẫu bởi các chất hữu cơ của các loại ống khác nhau cần được chú ý khi chọn vật liệu ống. Khi tốc độ của bơm thấp, tác dụng của trọng trường có thể làm giảm nồng độ các chất rắn lơ lửng ở trong mẫu. Bởi vậy, khi cần nghiên cứu các chất lơ lửng không nên dùng bơm tốc độ chậm kể cả các bơm nhu động công suất thấp thường dùng trong các máy lấy mẫu tự động. Tốt nhất là lấy mẫu trong điều kiện đẳng tốc, nhưng nếu thực tế không cho phép thì tốc độ dòng trong ống vào không được dưới 0.5 m/s và trên 3.0 m/s. Nồng độ của các chất cần xác định ở trong hệ thống bơm cần phải giống như ở trong nước lấy mẫu. Lấy mẫu các chất không tan cần được tiến hành trong điều kiện đẳng tốc; điều đó yêu cầu ống vào của hệ thống lấy mẫu phải hướng ngược với chiều chảy của sông hay suối. ở những nơi mức nước thay đổi lớn thì nên gá hệ thống lấy mẫu hoặc ống vào lên một bệ, nhưng cần chú ý bệ dễ bị hỏng. Cũng có thể dùng cách treo ống dẫn vào một - 188 -
phao nổi (hoặc thiết bị tương tự) và được nối vào thiết bị lấy mẫu bằng 1 ống mềm, ống mềm này được neo vào 1 vật nặng đặt ở đáy sông. Một loại thiết bị đắt tiền hơn bố trí hệ thống nhiều ống vào và cho phép lấy mẫu ở độ sâu thích hợp. (2) Lấy mẫu để phân tích vi sinh Khi lấy mẫu để phân tích vi sinh (VD vi khuẩn) cần phải dùng các bình sạch và tiệt trùng. Giữ bình kín cho đến khi nạp mẫu và sau đó đậy kín bằng mảnh giấy kim loại. Ngay khi nạp mẫu mới mở miếng giấy kim loại và nút ra và cầm trên tay. Chú ý trước khi nạp đầy không cần tráng bình bằng nước mẫu. Động tác lấy mẫu là nắm lấy phần đáy bình rồi cầm cổ bình thẳng vào nước đến độ sâu khoảng 0.3m dưới bề mặt, sau đó xoay bình để cổ bình hơi ngược lên và miệng bình hướng vào dòng chảy. Như vậy trong đại đa số trường hợp nước vào bình không tiếp xúc với tay, trừ khi xoáy mạnh thì ô nhiễm do tay có thể xảy ra. Nếu bị ô nhiễm do tay thì phải loại bỏ mẫu và lấy mẫu khác trong những điều kiện ít xoáy hơn, hoặc buộc bình vào que hoặc kẹp. Những thiết bị được khử trùng đặc biệt cũng có thể được dùng để lấy mẫu ở những độ sâu xác định. 4.Vận chuyển, ổn định và lưu giữ mẫu Khi cần phân tích các chất hòa tan (vd: vết các kim loại trong nước sông), cần phải tách các chất không tan ngay sau khi lấy mẫu (nghĩa là ngay ở nơi lấy mẫu, trước khi chuyên chở đến phòng thí nghiệm). Điều đó nhằm hạn chế đến mức tối thiểu những thay đổi thành phần có thể xảy ra sau khi lấy mẫu và trước mọi xử lý hoặc phân tích. Có nhiều kỹ thuật nhưng thông dụng nhất là lọc tại chỗ (nghĩa là ngoài phòng thí nghiệm). Có nhiều loại màng lọc như màng xelulo, sợi thủy tinh và polycacbonat. Không có loại màng lọc nào là vạn năng cả, nhưng màng lọc bằng sợi thủy tinh có một ưu điểm trội hơn các loại màng khác cùng cỡ lỗ (VD màng xelulozơ) là nó ít bị bít chắc bởi các hạt rắn. Cỡ lỗ thông thường nhất là 0.4 μm - 0.5 μm, mặc dầu có nhiều cỡ lỗ khác dùng cho những trường hợp riêng. Dù là dùng loại màng lọc nào thì kết quả phân tích cũng nên báo cáo là "các chất lọc được" thay vì "các chất tan". Trong mọi trường hợp, bình chứa mẫu chuyển đến phòng thí nghiệm phân tích phải được đậy kín và bảo vệ khỏi ánh sáng, sức nóng vì chất lượng mẫu có thể thay đổi nhanh chóng do trao đổi khí, phản ứng hóa học và sự đồng hóa của các sinh vật. Những mẫu không thể phân tích trong ngày cần được ổn định và bảo quản theo phương pháp phân tích tiêu chuẩn. Để lưu giữ mẫu trong thời gian ngắn (nghĩa là không quá 24 giờ), làm lạnh đến 40C; để giữ mẫu trong thời gian dài (> 1 tháng) phải để đông lạnh ở - 200C. Nếu đông lạnh, phải đảm bảo mẫu tan hết trước khi dùng, bởi vì quá trình đông lạnh có thể làm tăng nồng độ một số chất ở phần dung dịch bị đông lạnh sau cùng. Đông lạnh còn có thể làm mất chất cần xác định do kết tủa hoặc bị hấp phụ lên các chất kết tủa (VD canxi photphat và sulphat). Khi mẫu tan băng, sự hòa tan thường không hoàn toàn và dẫn đến những kết quả sai lạc, nhất là với các photphat, thuốc trừ sâu và các hợp chất polyclo diphenyl. Mẫu có thể được bảo quản bằng cách thêm hóa chất, nhưng cần chú ý không dùng các hóa chất gây cản trở cho phân tích. Khi dùng chất bảo quản, không cần tráng bình trước bằng nước sẽ lấy mẫu, nhưng bình phải rửa sạch và sấy khô trước đó. Nói chung - 189 -
trong các trường hợp lấy mẫu nên tráng bình trước bằng nước sẽ lấy, trừ trường hợp đặc biệt gây hậu quả không mong muốn. Tất cả mọi bước bảo quản cần được ghi trong báo cáo. Các thông số lý hóa (như nhiệt độ, độ pH) có thể đo tại chỗ thì nên làm tức thời hoặc ngay sau khi lấy mẫu. 5.Kiểm tra chất lượng - an toàn Mọi phương pháp lấy mẫu cần được định kỳ kiểm tra chất lượng để xác định hiệu quả của chúng, đặc biệt là các mặt liên quan đến vận chuyển, ổn định và lưu giữ mẫu trước khi phân tích. Điều đó có thể thực hiện bằng mẫu thêm (mẫu thật được thêm 1 lượng đã biết các chất cần xác định) và mẫu kép. Đi đến nơi lấy mẫu hàng ngày trong mọi thời tiết là rất quan trọng; nếu không đảm bảo tiêu chuẩn an toàn này thì phải loại bỏ chỗ lấy mẫu mặc dù nơi lấy mẫu đó là rất cần cho chương trình lấy mẫu. - 190 -
CHƯƠNG IV XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN Để xây dựng cơ sở dữ liệu thuỷ văn, cần thiết phải thiết lập cấu trúc chung của cơ sở dữ liệu đó. Việc thiết kế cấu trúc của cơ sở dữ liệu bao gồm việc phân lớp, phân nhóm dữ liệu, từ đó xác định nên các bảng dữ liệu, các trường dữ liệu, các trường khoá và thiết lập các mối quan hệ giữa các bảng dữ liệu với nhau trên cơ sở của một mô hình dữ liệu quan hệ. Cấu trúc dữ liệu được thiết kế thô sau đó sẽ được từng bước tối ưu mô hình dữ liệu, hoàn thiện mô hình dữ liệu cơ bản. Trên cơ sở hiểu rõ các khái niệm về cơ sở dữ liệu, phân tích các thông tin thu thập được, lựa chọn phần mềm tối ưu nhất để xây dựng cơ sở dữ liệu nói chung và cơ sở dữ liệu khí tượng thuỷ văn nói riêng. 4.1. Phân tích về cơ sở dữ liệu 1. Khái niệm Cơ sở dữ liệu: Là khối dữ liệu phản ánh thông tin được lưu trữ trên hệ thống theo một cấu trúc nào đó, gọi tắt là cơ sở dữ liệu (CSDL). Hệ quản trị cơ sở dữ liệu: Là một hệ thống phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu và tập các thao tác xử lý dữ liệu. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu rất quan trọng, như là một bộ diễn dịch với ngôn ngữ bậc cao nhằm giúp người sử dụng có thể dùng được hệ thống mà ít nhiều không cần quan tâm đến thuật toán chi tiết hoặc biểu diễn ở trong máy. Chức năng của hệ quản trị cơ sở dữ liệu : a. Thiết lập cơ sở dữ liệu: Gồm các giai đoạn - Khai báo - Định nghĩa - Nạp dữ liệu vào cơ sở dữ liệu b. Cập nhật dữ liệu: - Bổ sung dữ liệu vào cơ sở dữ liệu, - Loại bỏ dữ liệu khỏi cơ sở dữ liệu, - Sửa dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. c. Khai thác dữ liệu trong cơ sở dữ liệu - Tìm kiếm thông tin theo yêu cầu, - Kết xuất thông tin theo yêu cầu. 2. Mô hình dữ liệu Thông thường việc thiết kế và xây dựng các hệ thống thông tin quản lý, chúng ta cần xử lý các tệp (file) dữ liệu, các tệp này bao gồm nhiều bản ghi (record) và có cùng cấu trúc xác định. Đồng thời, mỗi bản ghi được phân chia thành các trường dữ liệu. Mỗi cơ sở dữ liệu là một hệ thống các tệp dữ liệu, mỗi tệp này có cấu trúc bản ghi khác nhau . Mỗi hệ quản trị cơ sở dữ liệu là một hệ thống quản lý và điều hành các tệp dữ liệu. - 191 -
Trong quá trình thiết kế và xây dựng các hệ quản trị cơ sở dữ liệu, người ta tiến hành xây dựng các mô hình dữ liệu. Mô hình dữ liệu phải thể hiện được bản chất mối quan hệ cơ bản của các dữ liệu mà dữ liệu này phản ánh các mối quan hệ và các thực thể trong thế giới thực. Có thể thấy mô hình dữ liệu phản ánh khía cạnh cấu trúc logíc mà không đi vào khía cạnh vật lý của cơ sở dữ liệu. Yếu tố quan trọng nhất của cấu trúc cơ sở dữ liệu là dạng cấu trúc dữ liệu lưu trữ được mô tả. Có thể thấy rằng loại dữ liệu nền tảng của việc mô tả các mối quan hệ là loại bản ghi. Bởi vì các ràng buộc giữa các loại bản ghi tạo ra bản chất cấu trúc cơ sở dữ liệu. Vì thế dựa trên việc xác định các ràng buộc giữa các loại dữ liệu được cho như thế nào mà chúng ta phân loại các mô hình dữ liệu. Có nghĩa là từ cách nhìn của người sử dụng việc mô tả các dữ liệu và các ràng buộc giữa các dữ liệu được thực hiện như thế nào. Hiện nay đã có nhiều loại mô hình dữ liệu. Bốn loại mô hình dữ liệu đang được sử dụng rộng rãi là: Mô hình phân cấp, Mô hình mạng, Mô hình quan hệ, Mô hình hướng đối tượng. a. Mô hình phân cấp Mô hình dữ liệu là một cây, trong đó các nút biểu diễn các tập thực thể, giữa các con và nút cha được liên hệ theo một mối quan hệ xác định ( Dựa trên cấu trúc cây) Ví dụ hình sau: Gốc A là thực thể lớn, ta chia thực thể A làm 3 thực thể nhỏ hơn là B,C,D. Trong đó thực thể B ta lại chia ra làm 3 thực thể nhỏ hơn là G,H,I, tương tự C có hai thực thể nhỏ là K và L, và D có 3 thực thể nhỏ là M, N và P A B C D G H I K L M N P Việc áp dụng mô hình dữ liệu phân cấp hiện nay rất được chú trọng, đặc biệt là trong thời kỳ chuẩn bị tiến hành xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ cho chính phủ điện tử. Băng việc phân cấp dữ liệu, các nhà quản lý có thể tiến hành trao quyền thu thập và quản lý dữ liệu cho các cấp cơ sở. Sau đó tiến hành tổng hợp xây dựng mô hình cơ sở dữ liệu mạng dưới dạng phân tán với những quan hệ được thiết lập và cung cấp thông qua các dạng thức đường truyền khác nhau b. Mô hình mạng Mô hình biểu diễn là một đồ thị có hướng Ví dụ: Mô tả cho mô hình dữ liệu mạng: Cho 5 đỉnh A,B,C,D,E. Các đỉnh này nối với nhau bởi các đường, trong đó đỉnh A gọi là tệp dữ liệu lớn được phân chia thành các tệp dữ liệu nhỏ hơn. Tương tự ta có các đỉnh tiếp theo được thể hiện giống như đỉnh A và chúng được biểu diễn như hình sau: - 192 -
A B C D E c. Mô hình quan hệ Mô hình CSDL quan hệ lần đầu tiên được E.F.Codd và tiếp sau đó được công ty IBM giới thiệu vào năm 1970. Ngày nay, hầu hết các tổ chức đã áp dụng CSDL quan hệ để quản lý dữ liệu trong đơn vị mình. Mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ là cách thức biểu diễn dữ liệu dưới dạng bảng hay còn gọi là quan hệ. Cấu trúc dữ liệu: dữ liệu được tổ chức dưới dạng bảng hay quan hệ. Thao tác dữ liệu: sử dụng những phép toán mạnh (bằng ngôn ngữ SQL). d. Mô hình hướng đối tượng Hệ thống được xem như là tập các thực thể ( Đối tượng ), tác động qua lại với nhau thông qua các thông báo để thực hiện các nhiệm vụ đặt ra. Đây là mô hình mới đang được tập trung nghiên cứu và phát triển ứng dụng. Trong 4 loại mô hình trên thì mô hình quan hệ có nhiều ưu đi ểm và được nhiều người quan tâm hơn cả, bởi lẽ mô hình dữ liệu quan hệ có tính độc lập dữ liệu rất cao, lại dễ sử dụng. Điều quan trọng hơn cả là mô hình quan hệ được hình thức hoá toán học tốt, do đó được nghiên cứu, phát triển và cho được nhiều kết quả lý thuyết cũng như ứng dụng trong thực tiễn . Mô hình dữ liệu quan hệ là một mô hình rất tiện lợi để mô tả cấu trúc Logíc của các cơ sở dữ liệu. Như vậy, ở mức logíc mô hình bao gồm các tệp được biểu diễn dưới dạng các bảng. Do đó đơn vị cơ sở dữ liệu quan hệ là một bảng, trong đó các dòng của bảng là các bản ghi dữ liệu cụ thể ( đó là các thể hiện cụ thể của các bản ghi ) còn tên các cột trong bảng là các thuộc tính. Trên cơ sở mô hình dữ liệu quan hệ, đến nay đã phát triển thêm một số loại mô hình khác nhau nhằm mô tả và thể hiện thế giới thực một cách chính xác và phù hợp như mô hình quan hệ thực thể (Entily Relationship Model), mô hình dữ liệu hướng đối tượng ( Object Oriented Model ), - 193 -
Theo cách nhìn của người sử dụng thì một cơ sở dữ liệu quan hệ là một tập các bảng biến đổi theo thời gian. Với ưu điểm về tính cấu trúc đơn giản và khả năng hình thức hoá phong phú cơ sở dữ liệu quan hệ dễ dàng mô phỏng các hệ thống thông tin tiết kiệm có tính độc lập cao, dễ sửa đổi, bổ sung cũng như khai thác dữ liệu. Mặt khác, việc khai thác và áp dụng kĩ thuật tổ chức và sử dụng bộ nhớ cho phép cài đặt các cơ sở dữ liệu quan hệ đem lại hiệu quả cao và làm cho cơ sở dữ liệu khẳng định được ưu thế của mình trên thị trường. 4.2. Lựa chọn ngôn ngữ dữ liệu để xây dựng phần mềm cơ sở dữ liệu Hiện nay có rất nhiều hệ quản trị cơ sở dữ liệu (Database Management System - DBMS) của các hãng khác nhau như: Foxpro, dBase, MS Access, MS SQL Server, MySQL, Oracle, DB2, mỗi DBMS có ưu và nhược điểm riêng. Tuy nhiên, hai trong số các DBMS kể trên là thông dụng nhất trong các ngân hàng dữ liệu tập trung hiện nay ở Việt Nam. Đó là MS Access và MS SQL Server. a. Microsoft Access Microsoft Access là một công cụ quản trị CSDL mạnh, được đánh giá cao trong số các phần mềm quản trị CSDL trên máy PC hiện nay do sức mạnh, tính linh hoạt cùng với mọi mức người dùng và rất dễ sử dụng. Nhiều công việc phải lập trình vất vả khi sử dụng các hệ quản trị CSDL khác như Foxpro chẳng hạn, nhưng với Microsoft Access thì chỉ cần thực hiện những thao tác đơn giản (sau khi đã thiết lập được những quan hệ cần thiết). Cho đến nay Microsoft Access đã trở thành phần mềm CSDL liên tục phát triển, thể hiện bước ngoặt quan trọng về sự dễ dàng trong việc sử dụng, nhiều người đã bị cuốn hút vào việc tạo các CSDL hữu ích của riêng mình và các ứng dụng CSDL hoàn chỉnh. Hiện nay, Microsoft Access đã trở thành một sản phẩm phần mềm mạnh, dễ dàng, đơn giản khi làm việc. Chúng ta hãy xem xét lợi ích của việc sử dụng phần mềm phát triển ứng dụng CSDL như Microsoft Access. Các tính năng tiên tiến của Access: + Phép định nghĩa đồ hoạ các mối quan hệ. + Các mặt nạ nhập liệu cho trường để tự động thêm các ký hiệu định dạng vào các dữ liệu. + Có khả năng lưu giữ các trường Null cũng như các trường trống trong CSDL. + Các quy tắc hợp lệ của bảng có khả năng kiểm tra tính hợp lệ của một trường dựa trên các trường khác. + Công cụ riêng để tạo các chỉ mục. Các tính năng tiên tiến của truy vấn trong MS Access: + Phương thức tối ưu truy vấn “Rushmore” (từ Foxpro). - 194 -
+ Phương tiện Query Wizard giúp thiết kế các truy vấn. + Truy xuất các thuộc tính cột (Quy cách định dạng, các vị trí thập phân (mặt nạ nhập) ). + Có khả năng lưu trữ kiểu trình bày bảng dữ liệu hoặc truy vấn. + Các công cụ tạo truy vấn (Query builder) khả dụng trên nhiều vùng. + Khả năng định nghĩa các kết nối tự động được cải thiện. + Hỗ trợ các truy vấn Union và các truy vấn thứ cấp (trong SQL). + Cửa sổ soạn thảo SQL được cải tiến. + Tăng số trường có thể cập nhật được trong một truy vấn kết nối. Mẫu biểu (Form): Mẫu biểu là đối tượng được thiết kế chủ yếu dùng để nhập hoặc hiển thị dữ liệu, hoặc điều khiển việc thực hiện một ứng dụng. Các mẫu biểu được dùng để trình bày hoàn toàn theo ý muốn các dữ liệu được truy xuất từ các bảng hoặc các truy vấn. Cho phép in các mẫu biểu. Cũng cho phép thiết kế các mẫu biểu để chạy Macro hoặc một Module đáp ứng một sự kiện nào đó. Mẫu biểu là phương tiện giao diện cơ bản giữa người sử dụng và một ứng dụng Microsoft Access và có thể thiết kế các mẫu biểu cho nhiều mục đích khác nhau. + Hiển thị và điều chỉnh dữ liệu. + Điều khiển tiến trình của ứng dụng. + Nhập các dữ liệu. + Hiển thị các thông báo. Báo cáo (Report): Báo cáo là một đối tượng được thiết kế để định quy cách, tính toán, in và tổng hợp các dữ liệu được chọn, bao gồm cả một số tính năng đồ hoạ. Các tính năng tiên tiến của báo cáo trong Access: + Có công cụ Auto Report dùng để tự động xây dựng một báo cáo cho một bảng hoặc truy vấn. + Có thể thiết đặt nhiều thuộc tính bổ sung bằng các Macro hoặc Access Basic. - 195 -
+ Các báo có thể chứa các chương trình Access Basic cục bộ (được gọi là chương trình nền của báo cáo-code behind report) để đáp ứng các sự kiện trên báo cáo. + Các công cụ để tạo các thuộc tính để giúp tạo các biểu thức phức tạp và các câu lệnh SQL. + Có thể cất kết quả báo cáo vào tệp văn bản RTF. + Có thuộc tính ' Page ' mới để tính tổng số trang tại thời điểm in. b. SQL Server 2000 Thời gian gần đây, khi mà hệ thống mạng được phát triển rộng khắp, yêu cầu chia xẻ dữ liệu ngày càng cao theo mô hình client/Serverr, MicroSoft cho ra đời sản phẩm quản trị cơ sở dữ liệu mạngSQL Server. Bản mới nhất, SQL Server 2000 là một hệ quản trị CSDL sử dụng Transact-SQL để trao đổi dữ liệu giữa Client computer và SQL Server computer. Một RDBMS bao gồm databases, database engine và các ứng dụng dùng để quản lý dữ liệu và các bộ phận khác nhau trong RDBMS. SQL Server 2000 được tối ưu để có thể chạy trên môi trường cơ sở dữ liệu rất lớn (Very Large Database Environment) lên đến Tera-Byte và có thể phục vụ cùng lúc cho hàng ngàn user. SQL Server 2000 có thể kết hợp "ăn ý" với các server khác như Microsoft Internet Information Server (IIS), E-Commerce Server, Proxy Server SQL Server có 7 editions: • Enterprise : Chứa đầy đủ các đặc trưng của SQL Server và có thể chạy tốt trên hệ thống lên đến 32 CPUs và 64 GB RAM. Thêm vào đó nó có các dịch vụ giúp cho việc phân tích dữ liệu rất hiệu quả (Analysis Services) • Standard : Rất thớch hợp cho cỏc cụng ty vừa và nhỏ vỡ giỏ thành rẻ hơn nhiều so với Enterprise Edition, nhưng lại bị giới hạn một số chức năng cao cấp (advanced features) khác, edition này có thể chạy tốt trên hệ thống lên đến 4 CPU và 2 GB RAM. • Personal: được tối ưu hóa để chạy trên PC nên có thể cài đặt trên hầu hết các phiên bản windows kể cả Windows 98. Tuy nhiên, cấu hỡnh PC đũi hỏi khỏ cao. • Developer : Có đầy đủ các tính năng của Enterprise Edition nhưng được chế tạo đặc biệt như giới hạn số lượng người kết nối vào Server cùng một lỳc Edition này cú thể cài trờn Windows 2000 Professional hay Win NT Workstation. • Desktop Engine (MSDE): éõy chỉ là một engine chạy trờn desktop và khụng cú user interface (giao diện). Thớch hợp cho việc triển khai ứng dụng ở mỏy client. Kớch thước database bị giới hạn khoảng 2 GB. • Win CE : Dựng cho cỏc ứng dụng chạy trờn Windows CE giành cho mỏy tớnh cầm tay PDA. • Trial: Có các tính năng của Enterprise Edition, download free, nhưng giới hạn thời gian sử dụng. Các Version của SQL Server SQL Server của Microsoft được thị trường chấp nhận rộng rói kể từ version 6.5. Sau đó Microsoft đó cải tiến và hầu như viết lại một engine mới cho SQL Server 7.0. Cho nờn cú thể núi từ version 6.5 lờn version 7.0 là một bước nhảy vọt. Cú một số đặc tớnh của SQL Server 7.0 không tương thích với version 6.5. Trong khi đó từ Version 7.0 lờn - 196 -