Phương pháp luận đối với đo đạc và quan trắc

202 Ch­¬ng 7. Ph­¬ng ph¸p luËn ®èi víi ®o ®¹c vµ Quan tr¾c 7.1 Giíi thiÖu Trong m«i tr­êng biÓn sù tr¶i réng h­íng ngang cña chÊt hoµ tan cã xu h­íng phô thuéc nhiÒu vµo sù ph¸t t¸n xuÊt hiÖn tõ nh÷ng biÕn ®æi dßng ch¶y trung b×nh h¬n lµ vµo møc ®é rèi. Nh­ vËy nh÷ng hÖ sè khuyÕch t¸n h­íng ngang, cã thÓ ®¸nh gi¸ tõ nh÷ng x¸c ®Þnh trùc tiÕp c­êng ®é rèi (môc 4.3.2), Ýt khi thÓ hiÖn møc ®é lan truyÒn ngang. Tuy nhiªn, nh÷ng ®¸nh gi¸ hÖ sè khuyÕch t¸n th¼ng ®øng tõ nh÷ng ®o ®¹c rèi chøng tá lµ h÷u Ých bëi v× tham sè nµy lµ mét yÕu tè then chèt trong viÖc ®Þnh l­îng sù ph¸t t¸n do tr­ît th¼ng ®øng trong dßng ch¶y trung b×nh. Kh«ng may, rèi trong c¸c cöa s«ng vµ n­íc ven bê cã xu h­íng biÕn ®æi ®¸ng kÓ theo kh«ng gian vµ thêi gian. Nh­ vËy, sù gi¶i thÝch ®èi víi nh÷ng b¶n ghi rèi th­êng lµ khã, nh­ ®· th¶o luËn trong môc 4.3.6, vµ ¸p dông d÷ liÖu nh­ vËy ®èi víi nh÷ng vÊn ®Ò thùc tÕ cã xu h­íng kh«ng h÷u Ých. Thay cho viÖc x¸c ®Þnh trùc tiÕp lµ thùc hiÖn nh÷ng thùc nghiÖm chÊt chØ thÞ mµ cho thÊy hiÖu øng toµn bé cña nh÷ng nhiÔu ®éng rèi h¬n lµ ®i s©u vµo chi tiÕt. V× viÖc lÊy trung b×nh nh÷ng chuyÓn ®éng rèi lµm cho kÕt qu¶ ®Æc biÖt phï hîp víi vÊn ®Ò thùc tÕ ®Ó ®¸nh gi¸ sù lan réng cña chÊt hoµ tan, ch­¬ng nµy tËp trung vµo viÖc sö dông nh÷ng chÊt chØ thÞ, th¶i mét c¸ch cã chñ ý vµ x¶y ra mét c¸ch tù nhiªn, ®Ó nghiªn cøu hiÖn t­îng ph¸t t¸n. Môc ®Ých c¬ b¶n cña nh÷ng thùc nghiÖm chÊt chØ thÞ lµ nhËn ®­îc ®é lín cña nh÷ng tham sè ph¸t t¸n vµ liªn hÖ chóng víi nh÷ng ®Æc tÝnh ®iÓn h×nh cña khu vùc nghiªn cøu. KhÝa c¹nh nµy ®Æc biÖt quan träng, bëi v× nÕu sù phô thuéc nµy ®­îc hiÓu râ, sÏ ®¸nh gi¸ ®­îc qu¸ tr×nh ph¸t t¸n thay ®æi d­íi nh÷ng ®iÒu kiÖn kh¸c nhau cña giã, thuû triÒu vµ ph©n tÇng ra sao. Nh­ ®· thÓ hiÖn trong Ch­¬ng 5, nh÷ng hÖ sè ph¸t t¸n phô thuéc vµo sù biÕn ®æi theo kh«ng gian cña vËn tèc trung b×nh vµ vµo hÖ sè khuyÕch t¸n ®o ®­îc qua gradient vËn tèc. C¶ hai yÕu tè nµy bÞ ¶nh h­ëng bëi møc ®é æn ®Þnh cña cét n­íc, vµ bëi vËy cÇn cã nh÷ng quan tr¾c phô trî vÒ cÊu tróc mËt ®é khi thùc hiÖn c¸c thùc nghiÖm chÊt chØ thÞ, ®Ó b¶o ®¶m r»ng cã thÓ xem xÐt thÝch hîp hiÖu øng ph©n tÇng. ThØnh tho¶ng, cã thÓ nhËn ®­îc c¸c x¸c ®Þnh trùc tiÕp sù tr­ît dßng ch¶y trung b×nh tháa ®¸ng, vµ do ®ã kiÓm tra ®­îc tÝnh hiÖu lùc cña tr­ît vËn tèc sö dông trong nh÷ng m« h×nh ph¸t t¸n (môc 8.4.3). Trong hai môc tiÕp theo xem xÐt ph­¬ng ph¸p luËn thùc nghiÖm cho nh÷ng chÊt chØ thÞ ®­îc th¶i ra vµ xuÊt hiÖn tù nhiªn, t­¬ng øng, víi viÖc m« t¶ giai ®o¹n ph©n tÝch ®Çu tiªn sö dông trong mçi vÝ dô. Môc cuèi cïng tãm l­îc nh÷ng kiÓu quan tr¾c phô trî nªn cã ®èi víi nh÷ng nghiªn cøu nh­ vËy vµ m« t¶ kü thuËt ®o ®¹c liªn quan ®ang ¸p dông hiÖn nay. 203 7.2 nh÷ng chÊt chØ thÞ ®­îc giíi thiÖu 7.2.1 Kü thuËt thùc nghiÖm Nh÷ng chÊt chØ thÞ mµu ph¸t quang Mét trong sè nh÷ng kü thuËt ®­îc sö dông réng r·i nhÊt ®Ó ®Þnh l­îng nh÷ng ®Æc tr­ng x¸o trén trong n­íc ven bê lµ ¸p dông chÊt chØ thÞ mµu ph¸t quang. Nh÷ng chÊt mµu nh­ vËy cã ­u ®iÓm lµ chóng v« h¹i, t­¬ng ®èi dÔ kiÓm so¸t vµ cã thÓ ph¸t hiÖn b»ng c¸ch sö dông mét quang kÕ, thËm chÝ khi bÞ pha lo·ng ®Õn nh÷ng nång ®é mµ chóng kh«ng cßn nh×n thÊy. Kh¶ n¨ng thÊy mµu, Ýt nhÊt trong nh÷ng giai ®o¹n ph¸t t¸n ban ®Çu, lµ mét ­u ®iÓm ®¸ng kÓ trong viÖc lÊy mÉu mét ®èm loang hoÆc vÖt loang chÊt chØ thÞ. NÕu n­íc pha mµu ®­îc nh×n thÊy, th× chÕ ®é lÊy mÉu cã thÓ ®iÒu chØnh ®Ó c¶i thiÖn chÊt l­îng cña d÷ liÖu thu thËp. MÆc dÇu chÊt ph¸t quang mµu xanh l¸ c©y th­êng ®­îc sö dông nhiÒu nhÊt cho c«ng viÖc vÒ chÊt chØ thÞ trong s«ng, kh«ng dÔ ph¸t hiÖn ra nã trong mét ph¹m vi pha lo·ng réng nh­ chÊt mµu ®á rhodamine. VÝ dô, rhodamine - B cã thÓ ph¸t hiÖn ë nång ®é kho¶ng 3 x 10-8 kgm- 3 vµ mét kg cã thÓ sö dông ®Ó nhËn biÕt mét thÓ tÝch n­íc ba m­¬i lÇn lín h¬n träng l­îng ®ã cña chÊt ph¸t quang. H¬n n÷a, biÓn cã xu h­íng ph¸t quang nÒn t¹i nh÷ng b­íc sãng mµu xanh da trêi vµ xanh l¸ c©y, Ýt thuËn lîi cho chÊt mµu xanh l¸ c©y so víi mµu ®á; nãi chung, rhodamine - B ®­îc thÊy râ trªn mÆt biÓn víi nh÷ng nång ®é lín h¬n kho¶ng 10-4 kgm- 3. Mét h¹n chÕ ®Æc biÖt cña rhodamine - B lµ nã cã xu h­íng hót b¸m trªn bÒ mÆt nh÷ng chÊt r¾n vµ bëi vËy kh«ng ph¶i rÊt thÝch hîp ®èi víi nghiªn cøu chÊt chØ thÞ trong nh÷ng khu vùc cã nång ®é nh÷ng chÊt r¾n l¬ löng cao. Talbot vµ Henry (1968) ®· thùc hiÖn mét vµi ®¸nh gi¸ møc ®é hÊp thô cña rhodamine - B d­íi nh÷ng nång ®é kh¸c nhau cña nh÷ng chÊt r¾n l¬ löng, vµ ph¸t triÓn mét c«ng thøc kinh nghiÖm liªn kÕt nång ®é rhodamine khi kh«ng cã sù hÊp thô víi nång ®é quan tr¾c ë mét møc x¸c ®Þnh cña chÊt r¾n l¬ löng. Nh÷ng chÊt chØ thÞ mµu thay thÕ Ýt bÞ hót b¸m gåm cã rhodamine - WT vµ lissamine FF, nh­ng chóng t­¬ng ®èi ®¾t so víi rhodamine - B ((Smart vµ Laidlaw, 1977). Rhodamine - WT vµ pontacyl lãng l¸nh hång ®· trë thµnh c¸c chÊt chØ thÞ mµu th­êng sö dông nhÊt trong c¸c hÖ thèng biÓn, n¬i nh÷ng t¶i l­îng chÊt r¾n l¬ löng cao. Trong mét vµi tr¹ng th¸i, cã thÓ ¸p dông nhiÒu chÊt chØ thÞ - ®iÒu nµy cã ­u ®iÓm lµ nh÷ng h¹n chÕ cña mét lo¹i chÊt chØ thÞ cã thÓ kh¾c phôc bëi nh÷ng ­u thÕ cña chÊt chØ thÞ kh¸c th¶i cïng lóc (Thomas, 1962). Nh÷ng chÊt mµu cã thÓ ë d¹ng bét kh« nh­ng chóng th­êng khã b¶o qu¶n, ®Æc biÖt trong nh÷ng khu vùc ph¬i tr­íc giã. Rhodamme th­êng s½n cã ë d¹ng dung dÞch trong a-xÝt axetic ®ãng b¨ng, nh­ng v× dung dÞch nµy cã mËt ®é kho¶ng 1200 kgm-3, nã râ rµng ®Ëm ®Æc h¬n n­íc biÓn vµ sÏ cã xu h­íng ch×m nÕu ®¬n gi¶n ®æ xuèng biÓn. §Ó tr¸nh t×nh tr¹ng nµy, thùc hµnh nãi chung lµ ®iÒu chØnh mËt ®é cña chÊt chØ thÞ b»ng c¸ch pha lo·ng chÊt mµu hoµ tan víi mét chÊt næi nh­ Metanola cã mËt ®é lµ 800 kgm-3. Nh÷ng tØ lÖ chÝnh x¸c cña dung dÞch Metanola vµ mµu ¸p dông th­êng ®­îc lùa chän ®Ó mang l¹i mËt ®é kÕt qu¶ gÇn nh­ mËt ®é cña n­íc biÓn bao quanh, nãi chung lªn xuèng tõ 1015 ®Õn 1025 kgm-3 trong c¸c cöa s«ng vµ n­íc ven bê. Tuy nhiªn, ®èi víi mét 204 vµi kh¶o s¸t ®Æc tr­ng cã thÓ nªn ®iÒu chØnh mËt ®é cña dung dÞch chÊt chØ thÞ ®Ó nã cã mËt ®é thÊp h¬n hoÆc cao h¬n xung quanh. H×nh 7.1 Chai mariotte ®Ó ®æ chÊt chØ thÞ víi mét møc ®é æn ®Þnh Ph­¬ng ph¸p th¶i mét chÊt chØ thÞ mµu ph¶i kh«ng ¶nh h­ëng ®Õn sù ph¸t t¸n sau ®ã. §Ó th¶i mµu lªn trªn mÆt n­íc biÓn, vÝ dô, cÇn ph¶i lµm cho nã dÔ dµng ch¶y ra ngoµi tõ mét thïng lín kiÓu cæ chai ®­îc ®Þnh vÞ ngay trªn mÆt n­íc. Mµu ®­îc rãt ra nhanh chãng tõ ®é cao nµo ®ã ë trªn mÆt n­íc cã xu h­íng ch×m xuèng n­íc do ®éng l­îng ®i xuèng cña nã. Nh÷ng chØ ®¹o nµy ¸p dông cho viÖc th¶i, ®­îc thiÕt kÕ ®Ó h×nh thµnh ®èm loang chÊt chØ thÞ ph¸t t¸n. §èi víi viÖc th¶i liªn tôc ®­îc thiÕt kÕ ®Ó h×nh thµnh nh÷ng vÖt loang, møc thÓ tÝch cña chÊt th¶i th­êng chËm h¬n nhiÒu vµ hiÖu øng cña ®éng l­îng Ýt khi cã vÊn ®Ò. Mµu cã thÓ ®­îc b¬m vµo n­íc t¹i mét ®é s©u ®­îc chän hoÆc cã thÓ ®­a vµo b»ng c¸ch sö dông mét chai mariotte (h×nh 7.1). ThiÕt bÞ nµy gåm mét thïng kÝn h¬i chøa mµu, víi mét èng ®Æt th¼ng ®øng cho phÐp x©m thùc cña kh«ng khÝ. Khi dung dÞch ch¶y ra th«ng qua mét c¸i lç gÇn ®¸y chai, kh«ng khÝ ®­îc ®Èy vµo trong th«ng qua c¸i èng, nh­ vËy gi÷ cho kho¶ng kh«ng ë trªn chÊt mµu cã ¸p lùc kh«ng khÝ. §iÒu nµy cho phÐp nhËn ®­îc mét cét ¸p suÊt kh«ng ®æi theo bÊt cø ®é s©u nµo cña dung dÞch trong b×nh, vµ nh­ vËy l­u l­îng thÓ tÝch còng kh«ng ®æi. §é lín cña dßng ch¶y nµy ®­îc kiÓm so¸t bëi kÝch th­íc cña lç. Chai mariotte cã thÓ ®Æt lªn mét c¸i phao neo hoÆc trªn thuyÒn trong khu vùc nghiªn cøu, víi mét c¸i èng tõ miÖng chai ®Æt ®Õn ®é s©u phun ®ßi hái, do ®ã ph¸t sinh mét vÖt loang liªn tôc cña chÊt chØ thÞ trong dßng ch¶y. Kü thuËt t¹o ra vÖt loang mµu nh­ thÕ ®· ®­îc dïng trong nh÷ng hå Lín (Csanady, 1973), vµ trong vïng ven bê vµ cöa s«ng (Bowden vµ Lewis, 1973; Bowden vµ nnk., 1974). 205 §o ®¹c ph¸t quang Nguyªn lý c¬ b¶n vËn hµnh mét quang kÕ lµ ¸nh s¸ng tõ mét ®Ìn cùc tÝm ®i qua bé läc s¬ cÊp P vµ lµm cho bÊt kú vËt chÊt ph¸t quang nµo ®ang cã trong mét ng¨n kÝnh sÏ ph¸t quang (h×nh 7.2). Tia s¸ng ph¸t ra ®i qua mét bé läc thø cÊp S vµ kÝch ho¹t mét bé nh©n quang ®Õn bé chÆn tia s¸ng. Tia s¸ng bÞ ng¾t còng ®¹t ®Õn bé nh©n quang bëi mét ®­êng dÉn tia s¸ng phÝa sau. Mét ®Çu dß cã ®é nh¹y vÒ pha so s¸nh c­êng ®é cña tia s¸ng tõ ng¨n dßng ch¶y víi tia tõ ®­êng dÉn tia s¸ng phÝa sau. §Çu ra tõ ®Çu dß pha dÉn cam l¸i tia ®i qua mét m« t¬ phô, chuyÓn ®éng cña nã c©n b»ng víi c­êng ®é cña tia s¸ng nhËn tõ ng¨n dßng ch¶y vµ ®­êng dÉn tia s¸ng phÝa sau. Møc ®é chuyÓn ®éng cña cam lµ sè ®o ph¸t quang cña mµu trong ng¨n dßng ch¶y. §iÖn ¸p ®Çu ra tõ quang kÕ, tû lÖ víi chuyÓn ®éng nµy, cho phÐp nh÷ng biÕn ®æi ph¸t quang sÏ ®­îc hiÓn thÞ trªn mét m¸y ghi biÓu ®å hoÆc ghi lªn mét bé l­u sè liÖu nh­ mét b¶n ghi ®­îc sè ho¸. H×nh 7.2 Nguyªn lý vËn hµnh cña quang kÕ ®èi ngÉu HÖ thèng ®­êng dÉn tia s¸ng kÐp nµy cã ­u ®iÓm lµ nh÷ng biÕn ®æi ®iÖn ¸p hoÆc ®é nh¹y ®Çu dß lµ c©n b»ng nhau. Mét vµi quang kÕ cã thÓ kh«ng cã hÖ thèng nµy nh­ng nh÷ng kÕt qu¶ chóng t¹o ra cÇn ®­îc xö lý thËn träng bëi ®é nh¹y cña chóng ®èi víi nh÷ng dao ®éng ®iÖn ¸p. Mét ®­êng dÉn tia s¸ng vÒ phÝa tr­íc ®­îc cung cÊp bëi v× bé nh©n quang lu«n lu«n ®ßi hái tia s¸ng ®i ®Õn nµo ®ã ph¶i gi÷ cho m« t¬ phô vËn hµnh chÝnh x¸c. Khi mét sè l­îng nhÊt ®Þnh cña chÊt ph¸t quang tù nhiªn tån t¹i trong biÓn, cã mét ®iÒu khiÓn tËp hîp trèng trong ®­êng dÉn tia s¸ng phÝa sau ®Ó bï ®¾p ®ãng gãp cña yÕu tè nµy cho ®Çu dß. Quang kÕ cã thÓ cã kiÓu 'bench-top' vµ cã thÓ thÝch hîp ®Ó lÊy nh÷ng mÉu rêi r¹c hoÆc ®äc dßng ch¶y liªn tôc b»ng viÖc thay ®æi ng¨n lÊy mÉu. §Ó nghiªn cøu chÊt chØ thÞ trong biÓn, thiÕt bÞ dßng ch¶y liªn tôc ®­îc sö dông th­êng xuyªn nhÊt, mÆc dÇu mét ng¨n rêi r¹c còng cã gi¸ trÞ hiÖu chØnh c¸c mÉu. Víi dßng ch¶y liªn tôc n­íc lÊy mÉu ®­îc b¬m lªn quang kÕ trong khi tµu kh¶o s¸t dÞch chuyÓn qua mét ®èm loang hoÆc vÖt loang 206 cña n­íc biÓn cã mµu. Quy tr×nh nµy ch¾c ch¾n cã nghÜa lµ cã sù gi¸n ®o¹n gi÷a lÊy mÉu b»ng èng trong biÓn vµ x¸c ®Þnh sù ph¸t quang cña nã. §ã cã thÓ lµ mét bÊt lîi ®¸ng kÓ v× sù x¸o trén trong èng cã thÓ lµm tr¬n c¸c chi tiÕt vµ tµu cã thÓ ®· dÞch chuyÓn mét kho¶ng c¸ch nµo ®ã tr­íc khi nhËn thøc r»ng giíi h¹n cña n­íc mµu ®· ®¹t ®Õn. Mét quang kÕ kÐo ch×m cung cÊp hÇu hÕt sè ®äc tøc thêi cña chÊt ph¸t quang vµ lµ mét biÖn ph¸p ­u tiªn cña viÖc lÊy mÉu mµu trong biÓn. KiÓu dông cô nµy th­êng sö dông mét hÖ thèng ®­êng dÉn tia s¸ng kÐp vµ ®iÖn ¸p ®Çu ra thÝch øng mét c¸ch tuyÕn tÝnh víi sù t¨ng nång ®é cña hîp chÊt ph¸t quang; sù thÝch øng phi tuyÕn cã thÓ xuÊt hiÖn t¹i nh÷ng nång ®é mµu cao do chïm tia kÝch ho¹t bÞ 'dËp t¾t' bëi chiÕt xuÊt quang häc cña dung dÞch. Bé läc quang kÕ ®­îc ®iÒu chØnh ®Ó b¶o ®¶m r»ng ®é nh¹y lín nhÊt cña ®Çu dß ®­îc ¸p dông cho chÊt chØ thÞ mµu ®· chän. §èi víi rhodamine - B bé läc s¬ cÊp cÇn ph¶i lµ 546 m cho mµu xanh l¸ c©y vµ bé läc thø cÊp cÇn ph¶i lµ 460 m cho sù kÕt hîp mµu xanh da trêi vµ mµu vµng. Bé läc thÝch hîp víi nh÷ng chÊt chØ thÞ mµu kh¸c ®­îc cung cÊp bëi nh÷ng nhµ s¶n xuÊt quang kÕ. Nh÷ng chÊt chØ thÞ phãng x¹ Nh÷ng chÊt chØ thÞ phãng x¹, nh­ br«m - 82 hoÆc tritium, ®­îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh nh÷ng ®Æc tr­ng ph¸t t¸n theo c¸ch t­¬ng tù nh­ chÊt chØ thÞ mµu. Trong mét thùc nghiÖm tiªu biÓu, mét sù th¶i tøc thêi 500 mCi cña br«m - 82 cã thÓ cßn thÊy trong vßng 4 giê trong n­íc ven bê. Ph©n bè cña ®èm loang kÕt qu¶ cã thÓ quan tr¾c nhê sö dông mét m¸y ®Õm nhÊp nh¸y ®­îc kÐo ch×m, ®é dß cã thÓ xuèng ®Õn 0,1 mCil-1 (mét møc ®Õm xÊp xØ hai lÇn møc nÒn). Còng cã mét sè h¹n chÕ ®èi víi viÖc sö dông nh÷ng chÊt chØ thÞ phãng x¹ trong biÓn, nh­ sau: 1. Nh÷ng chÊt chØ thÞ phãng x¹ ph¶i cã mét nöa cuéc sèng ng¾n ngñi ®Ó chóng chÊp nhËn ®­îc ®èi víi viÖc th¶i xuèng m«i tr­êng biÓn; ®iÒu nµy h¹n chÕ sù chän läc nh÷ng chÊt cã thÓ sö dông. 2. Nh÷ng chÊt chØ thÞ phãng x¹ kh«ng thÓ thÊy vµ, trõ phi chuyÓn ®éng ®­îc h¹n chÕ bëi nh÷ng bê bao hoÆc nh÷ng ®Æc ®iÓm kh¸c, nhiÒu nç lùc lÊy mÉu cã thÓ h­íng tíi nh÷ng khu vùc trong ®ã kh«ng cã chÊt chØ thÞ. Kh«ng ph¶i tÊt c¶ viÖc th¶i nh÷ng chÊt chØ thÞ phãng x¹ ®­îc lªn kÕ ho¹ch nh­ mét phÇn cña kh¶o s¸t thùc nghiÖm. VÝ dô, nhµ m¸y ®iÖn h¹t nh©n cã thÓ th¶i ë møc ®é thÊp chÊt phãng x¹ vµo cöa s«ng hoÆc vïng ven bê. Mét so s¸nh møc ®é cña Xªdi -137 trong lßng dÉn Bristol víi ®é mÆn gi¶ thiÕt r»ng cã thÓ xem xÐt nh÷ng hÖ sè ph¸t t¸n däc t­¬ng tù víi nh÷ng ph©n bè ®­îc quan tr¾c, vµ r»ng ngËp trµn Xªdi -137 tõ cöa s«ng chñ yÕu do t¸c ®éng cña ph¸t t¸n theo trôc (Uncles, 1979). Xªdi -137 ®­îc th¶i liªn tôc xuèng biÓn Ai len tõ nhµ m¸y t¸i chÕ Sellafield vµ nã h×nh thµnh mét vÖt loang cã thÓ nhËn thÊy ngay trªn bê biÓn phÝa t©y cña Scotland vµ ®æ vµo BiÓn B¾c (Livingston vµ nnk., 1982). B»ng viÖc lÊy nh÷ng tû lÖ phãng x¹ h¹t nh©n kh¸c nhau, cã thÓ biÕt møc ®é vËn chuyÓn nhiÒu h¬n so víi viÖc sö dông mét h¹t nh©n riªng biÖt. Kü thuËt nµy chØ ra r»ng phãng x¹ h¹t nh©n ®­îc gi÷ l¹i trong biÓn Ai len vµo kho¶ng hai n¨m tr­íc khi ®­îc vËn chuyÓn 207 t­¬ng ®èi nhanh ®Õn BiÓn B¾c. Thêi gian c­ ngô cña nh÷ng chÊt chØ thÞ nµy trong biÓn B¾c lµm chóng th©m nhËp vÒ phÝa Nam nhiÒu h¬n, c¸c ®¸nh gi¸ n»m trong ph¹m vi tõ mét vµi th¸ng ®Õn Ýt h¬n hai n¨m tr­íc khi chóng cuèi cïng trµn vµo §¹i T©y D­¬ng bëi dßng ch¶y ven bê Na Uy. Nh÷ng chÊt chØ thÞ vi khuÈn Nh÷ng chÊt chØ thÞ vi khuÈn lµ h÷u Ých ®Ó thùc thi nh÷ng kÕt qu¶ thùc nghiÖm chÊt chØ thÞ mµu vµ ®Ó ®¸nh gi¸ møc ®é vi khuÈn chÕt trong biÓn. Kü thuËt bao gåm viÖc thu thËp nh÷ng mÉu riªng biÖt ®­îc bäc trong mét chÊt gien agar vµ cho phÐp lín lªn trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é kiÓm so¸t ®­îc. Sè l­îng vi khuÈn lín lªn trong chÊt gien ®­îc ®Õm vµ sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ sè l­îng vi khuÈn trªn thÓ tÝch ®¬n vÞ n­íc biÓn lÊy mÉu. MÆc dÇu kü thuËt cã nh­îc ®iÓm lµ nã kh«ng thÓ sö dông ®èi víi dßng ch¶y liªn tôc, nh­ng cã thÓ sö dông víi nh÷ng møc pha lo·ng lín h¬n mµ mét mµu ph¸t quang cã thÓ cã. Escherichia coli (E.coli) lµ mét sinh vËt tù nhiªn xuÊt hiÖn trong ruét ng­êi vµ ®­îc sö dông nh­ mét chØ tiªu cã mÆt cña chÊt th¶i. Nång ®é cña E.coli trong biÓn ®· trë thµnh c¬ b¶n cho ChØ thÞ n­íc t¾m cña EC, x¸c ®Þnh liÖu n­íc cã thÝch hîp ®Ó t¾m, l­ít sãng vµ nh÷ng ho¹t ®éng t­¬ng tù hay kh«ng. HiÖn t¹i giíi h¹n b¾t buéc ®èi víi E.coli trong n­íc t¾m lµ 2000 faecal trùc khuÈn trªn 100 ml, giíi h¹n chØ tiªu ®­îc khuyÕn c¸o lµ 100 coliforms trªn 100 ml. Trong nh÷ng khu vùc cã nguån chÊt th¶i ®¸ng kÓ, nång ®é E.coli cã thÓ sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ møc ®é ph¸t t¸n. Tuy nhiªn, ®èi víi nh÷ng môc ®Ých thùc nghiÖm tèt nhÊt lµ ¸p dông mét chÊt chØ thÞ vi khuÈn cã thÓ ®æ xuèng víi møc ®é kiÓm so¸t ®­îc trong bÊt kú khu vùc ®­îc chän nµo. Mét chÊt chØ thÞ tiªu biÓu cña lo¹i nµy lµ vi khuÈn Serratia marcesens. Lo¹i nµy t­¬ng ®èi dÔ thu ®­îc vµ nu«i cÊy, vµ qu¶n lý an toµn mét c¸ch c¬ b¶n. Serratia còng hä hµng víi E. coli vµ møc ®é Serratia chÕt trong biÓn ®­îc sö dông ®Ó suy ra møc ®é chÕt faecal trùc khuÈn. Kü thuËt thùc hiÖn bao gåm viÖc th¶i Serratia vµ ph¸t quang mµu cïng nhau, hoÆc th¶i liªn tôc hoÆc th¶i rêi r¹c, vµ ®o sù thay ®æi nång ®é cña c¶ hai theo thêi gian. Mét khi nång ®é mµu chñ yÕu phô thuéc vµo sù pha lo·ng, trong khi nång ®é vi khuÈn phô thuéc vµo sù pha lo·ng vµ chÕt ®i, tû lÖ cña chóng lµ sè ®o cña møc ®é vi khuÈn mÊt m¸t. Sù chÕt cña vi khuÈn trong biÓn do tia tö ngo¹i vµ do bÞ ®ãi lµ tin cËy vÒ mÆt nguyªn lý. Lý do tr­íc gi¶ thiÕt r»ng møc ®é chÕt Ýt h¬n vµo ban ®ªm vµ lý do sau nãi lªn r»ng sù tån t¹i ph¶i thÊp h¬n trong nh÷ng khu vùc mµ ë ®ã nh÷ng chÊt dinh d­ìng thÊp, mµ nãi chung øng víi nh÷ng khu vùc cã ®é mÆn cao h¬n (Gameson, 1984). Thùc nghiÖm cho thÊy víi nh÷ng nång ®é mµu thÊy trong mét thùc nghiÖm chÊt chØ thÞ tiªu biÓu, møc ®é chÕt cña vi khuÈn ®­îc th¶i cïng lóc kh«ng bÞ ¶nh h­ëng bëi sù cã mÆt cña mµu (Jensen vµ Kristensen, 1989). Mét d¹ng kh¸c cña chÊt chØ thÞ lµ vi khuÈn thùc khuÈn. Thùc khuÈn kh¸ng cù ®Æc biÖt víi nh÷ng ®iÒu kiÖn ®Æc thï trong biÓn vµ sù tån t¹i kÐo dµi nµy cã ­u ®iÓm lµ cã thÓ sö dông thùc khuÈn ®Ó x¸c ®Þnh sù ph¸t t¸n cña nh÷ng chÊt th¶i qua mét vµi chu kú thñy triÒu. Tuy nhiªn, mét h¹n chÕ sö dông cña thùc khuÈn ë chç chóng cã thÓ sèng 208 trong trÇm tÝch vµ mét khi ®· sö dông trong mét khu vùc, th× kh«ng thÓ sö dông thªm n÷a ®èi víi chÊt chØ thÞ nµy cho mét thêi gian ®¸ng kÓ, vÝ dô mét vµi n¨m. 7.2.2 C¸c vÝ dô øng dông Quy tr×nh kh¶o s¸t vµ ph©n tÝch sè liÖu §Ó minh häa cho sù ph©n tÝch vµ øng dông d÷ liÖu tõ nh÷ng thùc nghiÖm chÊt chØ thÞ, môc nµy m« t¶ nh÷ng quy tr×nh tiªu biÓu vµ soi s¸ng c¸c b­íc trong quy tr×nh ph©n tÝch kÕt qu¶ tõ mét thùc nghiÖm ngoµi bê biÓn Wales. C¸ch tiÕp cËn ®¬n gi¶n ®· ®­îc chän mét c¸ch c©n nh¾c ®Ó lµm râ tõng b­íc, nh­ng ng­êi ®äc cÇn ý thøc r»ng kü thuËt m« h×nh ho¸ tiªn tiÕn h¬n cho sù ph©n tÝch nh­ vËy ®ang trë nªn t­¬ng ®èi tæng qu¸t. Thùc nghiÖm chÊt chØ thÞ ®· m« t¶ ®­îc thùc hiÖn nh­ mét phÇn cña nghiªn cøu ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ tèi ­u cho mét nguån ®æ dµi trªn biÓn ®Ó x¶ mét nguån chÊt th¶i ®· xö lý tõ thµnh phè Aberystwyth trªn bê phÝa T©y cña Wales (h×nh 7.3). Mçi thùc nghiÖm gåm sù rãt mµu nhÑ nhµng lªn mÆt biÓn tõ mét c«ngten¬ cã miÖng réng, sao cho chuyÓn ®éng xuèng d­íi do t¸c ®éng rãt lµ Ýt nhÊt; toµn bé viÖc th¶i ®­îc hoµn thµnh trong mét vµi gi©y. Mét dung tÝch kho¶ng 20 lÝt cña 40 % rhodamine - B pha lo·ng víi Metanola ®­îc x¶. Kh¶o s¸t thùc hiÖn trong Th¸ng b¶y 1976, lµ thêi kú ®Æc biÖt yªn lÆng chØ víi giã rÊt nhÑ vµ bÊt kú sù ph¸t t¸n nµo do giã lµ kh«ng ®¸ng kÓ. Thêi tiÕt ®Çy n¾ng s¸ng, t¹o ra mét gradient nhiÖt ®é th¼ng ®øng xÊp xØ 1oCm-1, t­¬ng ®­¬ng víi gradient mËt ®é th¼ng ®øng lµ 0,174t ®¬n vÞ trªn mÐt. Tham sè t lµ mét biÓu thÞ kh¸c cña mËt ®é ®Ó gi¶m nh÷ng ®¬n vÞ ®Õn mét kÝch th­íc qu¶n lý ®­îc vµ lÊy b»ng (mËt ®é (kgm-3)) 1000. §é s©u n­íc ®Ó th¶i kho¶ng 15 m. Tµu kh¶o s¸t chuyÓn ®éng ra xa ®èm loang sau khi th¶i mµu, ®Ó cho viÖc lan truyÒn kh«ng bÞ nhiÔu ®éng kho¶ng 10 phót; trong thêi gian ®ã ®èm loang mµu ®á thÓ hiÖn xÊp xØ d¹ng h×nh trßn cã ®­êng kÝnh kho¶ng 20 m. M­êi phót sau khi th¶i mµu, tµu kh¶o s¸t dÞch chuyÓn ®Õn t©m cña ®èm loang vµ x¸c ®Þnh nh÷ng ph©n bè th¼ng ®øng cña nång ®é trong suèt 20 phót sau ®ã b»ng c¸ch h¹ thÊp èng lÊy n­íc cña mét quang kÕ ghi liªn tôc trong cét n­íc; mét vÝ dô cña ph©n bè tiªu biÓu trong thêi gian nµy ®­îc cho trong h×nh 7.4 (a). Tµu kh¶o s¸t sau ®ã ®i qua ®èm loang, lóc ®Çu lµ th¼ng gãc víi h­íng tr«i chÝnh vµ sau ®ã däc theo h­íng ®ã, víi ®Çu lÊy n­íc cña quang kÕ ®Æt t¹i ®é s©u cè ®Þnh 1,0 m. Trong khi chuyÓn ®éng qua ®èm loang, vËn tèc cña tµu ®­îc gi÷ ë mét møc æn ®Þnh vµ chËm ®Ó tèi gi¶n sù nhiÔu ®éng cña tr­êng mµu. Nh÷ng ph©n bè nång ®é mµu tiªu biÓu ngang vµ däc theo ®èm loang ®­îc thÓ hiÖn trong nh÷ng H×nh 7.4 (b) vµ ( c). Theo thêi gian, ®èm loang dÇn dÇn ngõng l¹i vµ cã d¹ng h×nh vßng trßn vµ trë thµnh h×nh ªlÝp h¬i th«, trôc chÝnh th­êng lµ, nh­ng kh«ng ph¶i lu«n lu«n, th¼ng hµng víi h­íng cña dßng ch¶y (xem H×nh 7.3). Dßng triÒu x¸o trén mµu trong toµn bé cét n­íc trong kho¶ng 2,5 giê; cã thÓ cho r»ng møc ®é x¸o trén t­¬ng ®èi chËm nµy lµ do sù k×m h·m bëi gradient th¼ng ®øng cña mËt ®é. Nh÷ng cuéc ®i qua ®èm loang ®­îc tiÕp tôc cho ®Õn khi sù pha lo·ng lµm cho mµu n­íc qu¸ khã ®Ó ph©n biÖt víi mµu cña biÓn bao quanh, kho¶ng 3,5 ®Õn 4 giê sau thêi gian th¶i. 209 H×nh 7.3 Nh÷ng vÕt c¸c ®èm loang chÊt chØ thÞ mµu ®­îc th¶i ngoµi Aberystwyth khi triÒu lªn vµ xuèng - triÒu xuèng th¶i 10,36 BST, triÒu lªn th¶i 16,50 BST. H×nh d¹ng vµ kÝch th­íc xÊp xØ cña nh÷ng ®èm loang t¹i nh÷ng lÇn lÊy mÉu thµnh c«ng ®­îc chØ ra. (§­îc sù ®ång ý cña Hyder plc) D÷ liÖu nhËn ®­îc tõ thùc nghiÖm ®­îc sö dông ®Ó tÝnh to¸n ®é dµi, chiÒu réng vµ ®é s©u cña ®èm loang mµu h×nh ªlÝp t¹i nh÷ng thêi ®iÓm khuyÕch t¸n kh¸c nhau. §Ó x¸c ®Þnh ®é dµi vµ chiÒu réng, ®é biÕn thiªn cña nh÷ng ph©n bè h­íng ngang vµ däc ®­îc tÝnh to¸n tõ nh÷ng ph©n bè nång ®é. §èi víi mét ®èm loang h×nh ªlÝp, nh÷ng biÕn thiªn n»m ngang ®­îc x¸c ®Þnh bëi c¸c ph­¬ng tr×nh               dxdyyyxc M 1 dxdyxyxc M 1 σ 22 y 22 x ),( ),( σ (7.1) trong ®ã M lµ toµn bé khèi l­îng cña chÊt chØ thÞ trong líp mÆt (bÒ dµy dz) cña ®èm loang vµ liªn quan ®Õn nång ®é mÆt n­íc c(x, y) bëi        dxdyyxcM ),( . (7.2) 210 H×nh 7.4 Nh÷ng nång ®é mµu tiªu biÓu tõ nh÷ng ®o ®¹c ph¸t quang lÊy qua mét ®èm loang: (a) th¼ng ®øng, (b) ngang vµ (c) däc Tuy nhiªn, thÊy r»ng chØ cÇn lÊy nh÷ng ph©n bè h­íng ngang vµ däc ®i qua t©m ®èm loang lµ ®ñ cho nªn, vÝ dô, biÕn thiªn däc b»ng     dxxxc M 1 2 x 2 x )(σ (7.3) trong ®ã     dxxcMx )( . (7.4) TÝnh to¸n ®é biÕn thiªn §é biÕn thiªn ®­îc tÝnh to¸n b»ng viÖc ®äc nång ®é c(x) t¹i nh÷ng kho¶ng c¸ch ®Òu nhau däc theo h×nh vÏ ph©n bè nång ®é vµ sau ®ã sö dông nh÷ng ph­¬ng tr×nh (7.3) vµ (7.4). Nh÷ng nång ®é nµy cã thÓ sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ x 2 b»ng nh÷ng ph­¬ng tr×nh biÓu thÞ l¹i (7.3) vµ (7.4) ë d¹ng 2 i ii i 2 ii2 x c xc c xc              σ (7.5) trong ®ã sè h¹ng trong nh÷ng dÊu mãc vu«ng thÓ hiÖn vÞ trÝ träng t©m cña ph©n bè nång ®é. Mét ®Þnh nghÜa t­¬ng øng cã thÓ sö dông ®Ó tÝnh to¸n sù biÕn thiªn y 2 theo h­íng y. VÝ dô 1 H×nh 7.5 cho thÊy mét ph©n bè tiªu biÓu cña nång ®é ci x¸c ®Þnh t¹i mçi kho¶ng c¸ch rêi r¹c xi tõ mét gèc tuú ý. §©y lµ mét quy tr×nh t­¬ng ®èi dÔ ®Ó tÝnh to¸n x 2, b»ng c¸ch sö dông ph­¬ng tr×nh (7.5) víi nh÷ng cÆp gi¸ trÞ nµy. §èi víi ph©n bè ®· chØ ra, gi¸ 211 trÞ tÝnh to¸n cña x 2 lµ 11 960 m2, øng víi gi¸ trÞ x lµ 109,4 m. Dùa vµo ph­¬ng tr×nh (6.4), ®é lÖch chuÈn nµy ®èi víi ph©n bè Gauss lµ t­¬ng ®­¬ng víi mét ®èm loang cã ®é dµi 437,6 m gi÷a nh÷ng ®iÓm b»ng mét phÇn m­êi nång ®é lín nhÊt. Nh­ ®­îc dù kiÕn, ®é dµi nµy ng¾n h¬n mét Ýt so víi ®é dµi ph©n bè toµn bé lµ 500 m. Trong h­íng th¼ng ®øng, ph©n bè mµu lµ xÊp xØ b¸n Gauss víi cùc ®¹i cña ®­êng cong n»m t¹i mÆt biÓn (xem H×nh 7.4 (a)). §èi víi mét ph©n bè nh­ vËy cña mµu, biÕn thiªn th¼ng ®øng ®¬n gi¶n thµnh   i ii z c zc 22σ . (7.6) Nh­ tr­êng hîp th«ng th­êng, d÷ liÖu t¹i Aberystwyth vÒ ph©n bè nång ®é th¼ng ®øng lµ qu¸ bÊt cËp ®Ó tÝnh to¸n ®é biÕn thiªn h÷u Ých vµ z 2 ®­îc ®¸nh gi¸ b»ng c¸ch sö dông ®é s©u H mµ t¹i ®ã nång ®é ph©n bè h¹ xuèng mét phÇn m­êi so víi gi¸ trÞ t¹i mÆt n­íc. §é biÕn thiªn z 2 , ®­îc ®¸nh gi¸ tõ mèi quan hÖ víi ®é lÖch chuÈn z = H / 2 ®· cho trong môc 6.2. H×nh 7.5 Nh÷ng nång ®é mµu ci lÊy t¹i nh÷ng kho¶ng rêi r¹c trªn kho¶ng c¸ch xi däc theo trôc chÝnh cña mét ®èm loang mµu tõ mét gèc tuú ý. D¹ng mét ®­êng cong Gauss, xÊp xØ víi sè liÖu quan tr¾c, còng ®­îc chØ ra trªn h×nh vÏ. Trong nh÷ng tr¹ng th¸i mµ c¸c líp cña mét ®èm loang khuÕch t¸n ®­îc nhËn thÊy râ rµng, b»ng c¸ch ®¬n gi¶n cã thÓ ®¸nh gi¸ chiÒu dµi L vµ chiÒu réng W cho mét ®èm loang tõ vÞ trÝ cè ®Þnh. Nh÷ng mèi quan hÖ x = L / 4 vµ y = W / 4, bao hµm bëi ph­¬ng tr×nh (6.4) (môc 6.2), sau nµy cã thÓ sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ nh÷ng biÕn thiªn ngang cña ®èm loang t¹i nh÷ng thêi ®iÓm khuyÕch t¸n kh¸c nhau. C¸ch tiÕp cËn nµy cã thÓ tháa m·n nh­ mét xÊp xØ ®Çu tiªn, mÆc dÇu nÕu biªn ®èm loang trë nªn kh«ng râ rµng, cÇn sö dông nh÷ng biÕn thiªn ®· tÝnh to¸n thay vµo ®ã. §Ó ®¸nh gi¸ ®é lín cña nh÷ng hÖ sè x¸o trén, nh÷ng biÕn thiªn cña ®èm loang ®­îc vÏ theo nh÷ng thêi ®iÓm khuyÕch t¸n t­¬ng øng. Gi¶ thiÕt r»ng nh÷ng hÖ sè kh«ng ®æi theo thêi gian, ®é dèc cña mét ®­êng cã thÓ sö dông ®Ó tÝnh to¸n Kxe tõ c«ng thøc 212 dt d 2 1 K 2 x xe σ  . (7.7) Nh÷ng biÓu thøc t­¬ng ®­¬ng cã thÓ sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ Ky vµ Kz tõ nh÷ng biÕn thiªn y 2 vµ z 2 VÝ dô 2 Nh÷ng gi¸ trÞ ®èi víi biÕn thiªn däc ®­îc vÏ theo thêi gian cho chÊt th¶i mµu khi triÒu lªn t¹i Aberystwyth trong h×nh 7.6. Tõ ph­¬ng tr×nh (7.7), ®é dèc cña ®­êng cho thÊy r»ng Kxe = 0,542 m 2 s -1. MÆc dÇu kh«ng ®ñ nh÷ng ®iÓm d÷ liÖu trªn h×nh vÏ ®Ó x¸c ®Þnh sù biÕn thiªn cã t¨ng tuyÕn tÝnh theo thêi gian hay kh«ng, hoÆc tu©n theo mét xu h­íng kh«ng tuyÕn tÝnh, cã vÎ gi¶ thiÕt ®Çu tiªn lµ hîp lý ®Ó lÊy gradient lµ h»ng sè trong thêi gian loang mµu. H×nh 7.6 BiÕn thiªn däc theo thêi gian ®èi víi viÖc th¶i khi triÒu lªn t¹i Aberystwyth. (§­îc sù ®ång ý cña Hyder plc) BiÕn ®æi nång ®é t¹i t©m ®èm loang HÖ sè Kxe ®· cho ë ph­¬ng tr×nh trªn nhÊn m¹nh r»ng víi sù cã mÆt cña tr­ît dßng ch¶y h­íng däc, hÖ sè thùc tÕ lµ ph¸t t¸n chø kh«ng ph¶i khuÕch t¸n. §Ó minh häa øng dông cña nh÷ng hÖ sè nµy, h·y xÐt m« h×nh cña mét ®èm loang mµu ph¸t t¸n t¹i mÆt biÓn. Nång ®é c(0, 0, 0, t) t¹i t©m ®èm loang do ph­¬ng tr×nh (6.13) ph¸t biÓu r»ng zyx 23 σπ2 M t000c σσ/ ),,,(  . (7.8) Thay thÕ nh÷ng ®é lÖch chuÈn b»ng nh÷ng hÖ sè x¸o trén lµ h»ng sè (ph­¬ng tr×nh (4.17)), biÓu thøc nµy trë