Tổng quan nghiên cứu

Khu vực phía Nam tỉnh Thái Nguyên bao gồm thành phố Sông Công, thị xã Phổ Yên và huyện Phú Bình với tổng diện tích tự nhiên khoảng 320 km², đóng vai trò là cửa ngõ kinh tế - công nghiệp trọng điểm của vùng Trung du miền núi Đông Bắc. Đây là nơi tập trung 6 khu công nghiệp lớn được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt, tiêu biểu như Khu công nghiệp Sông Công I (220 ha), Khu công nghiệp Sông Công II (250 ha), Khu công nghiệp Nam Phổ Yên (200 ha) và Khu công nghiệp Điềm Thụy (350 ha). Sự bùng nổ của sản xuất công nghiệp cùng quy mô dân số trên 242.656 người (mật độ trung bình 613 người/km², cá biệt tại các đô thị tập trung như Ba Hàng đạt tới 3.274 người/km²) đã tạo ra áp lực khai thác tài nguyên nước vô cùng lớn. Tình trạng khai thác nước dưới đất tự phát, thiếu quy hoạch thống nhất kết hợp với việc hơn 90% diện tích đất nông nghiệp sử dụng thuốc bảo vệ thực vật và phân bón hóa học đang đặt nguồn nước ngầm trước nguy cơ suy giảm trữ lượng và ô nhiễm nghiêm trọng.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là đánh giá thực trạng công tác quản lý, khai thác sử dụng nước dưới đất; đồng thời đánh giá chi tiết hiện trạng động thái mực nước, nhiệt độ và chất lượng nước dưới đất tại khu vực nghiên cứu trong giai đoạn 2017 - 2020. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn sâu sắc khi cung cấp hệ thống số liệu khoa học xác thực, phục vụ việc phân vùng hạn chế khai thác theo Nghị định số 167/2018/NĐ-CP của Chính phủ. Kết quả nghiên cứu hỗ trợ cơ quan chức năng kiểm soát 100% các công trình khai thác vượt ngưỡng 10 m³/ngày đêm, ngăn ngừa nguy cơ sụt lún địa tầng và bảo vệ an ninh nguồn nước sinh hoạt cho hàng trăm nghìn người dân địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy địa chất và động lực học dòng ngầm trong môi trường xốp và nứt nẻ. Trọng tâm lý thuyết là cơ chế vận động của nước dưới đất dưới tác động đồng thời của các yếu tố khí tượng (lượng mưa trung bình năm đạt 1.700 mm) và áp suất khí quyển. Theo lý thuyết hiệu ứng khí áp, sự biến đổi áp suất khí quyển tỷ lệ nghịch với mực nước thủy áp trong tầng chứa nước có áp, với giá trị hiệu ứng khí áp dao động trong khoảng từ 20% đến 70%.

Hệ thống phân loại địa tầng thủy văn tại khu vực phía Nam tỉnh Thái Nguyên được xác định dựa trên 3 tầng chứa nước chính: Tầng chứa nước lỗ hổng trong trầm tích bở rời Đệ tứ với diện tích phân bố khoảng 100 km² ven lưu vực sông Cầu và sông Công, có hệ số thấm đạt 82,4 m/ngày; Tầng chứa nước khe nứt trong trầm tích lục nguyên Triat thượng hệ tầng Mẫu Sơn với diện tích phân bố rộng nhất khoảng 120 km², có hệ số dẫn nước dao động từ 12,9 m/ngày đến 228 m/ngày; và Tầng chứa nước khe nứt xen phun trào hệ tầng Tam Đảo có diện tích khoảng 79 km² với lưu lượng khai thác đơn giếng đạt từ 0,2 l/s đến 2,6 l/s.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thiết lập mạng lưới quan trắc gồm 12 công trình đại diện, phân bố tại 3 địa bàn hành chính: thành phố Sông Công (1 công trình), huyện Phú Bình (3 công trình) và thị xã Phổ Yên (8 công trình). Phương pháp chọn mẫu có chủ đích kết hợp phân tầng không gian được áp dụng nhằm bao phủ toàn diện 3 phân vị địa tầng chứa nước chủ đạo, đồng thời kiểm soát các điểm tiếp giáp với nguồn thải tiềm ẩn như Khu công nghiệp Điềm Thụy, Khu công nghiệp Sông Công 1 và làng nghề gỗ mỹ nghệ Giã Trung.

Phương pháp thu thập dữ liệu sơ cấp tuân thủ Thông tư số 19/2013/TT-BTNMT và Thông tư số 24/2017/TT-BTNMT về quy chuẩn kỹ thuật quan trắc. Mực nước và nhiệt độ được đo bằng thiết bị tự ghi tự động với tần suất 2 giờ/lần (12 lần/ngày) liên tục từ ngày 01/4/2018 đến 31/3/2020. Mẫu chất lượng nước được lấy định kỳ 2 lần/năm (vào đầu tháng 4 - mùa khô và tháng 8 - mùa mưa) với tổng cộng 46 chỉ tiêu phân tích theo các Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) hiện hành như TCVN 6179-1:1996 xác định amoni, TCVN 6665:2011 xác định kim loại nặng và phương pháp US EPA 410.2 xác định COD. Lý do lựa chọn hệ thống phương pháp này nhằm đảm bảo tính pháp lý tuyệt đối khi so sánh dữ liệu với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 09-MT:2015/BTNMT, đồng thời phản ánh khách quan chu kỳ biến thiên chất lượng nước theo mùa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Về động thái mực nước, số liệu quan trắc giai đoạn 2018 - 2020 cho thấy mực nước trung bình ngày biến thiên từ -0,05 m (nông nhất tại công trình QH7 vào ngày 03/8/2019) đến -9,95 m (sâu nhất tại công trình QH8 vào ngày 21/02/2020). Mực nước trung bình toàn giai đoạn đạt từ -1,22 m (QH7) đến -8,93 m (QH8). Mức hạ thấp mực nước lớn nhất từng ghi nhận là -10,26 m tại trạm TN2, tuy nhiên tất cả 12 công trình quan trắc đều nằm trong giới hạn hạ thấp cho phép, với độ an toàn cao hơn nhiều so với ngưỡng quy định (dao động từ -12,70 m đến -50,00 m). Nhiệt độ nước dưới đất duy trì ổn định trong khoảng 23,36°C đến 26,54°C, trung bình toàn khu vực đạt 24,96°C.

Về chất lượng nước, kết quả phân tích chỉ ra tình trạng ô nhiễm cục bộ đối với một số chỉ tiêu hóa lý và kim loại nặng. Đáng chú ý nhất là nồng độ Amoni tại công trình QH7 vào tháng 4/2017 đạt 8,5 mg/l, vượt ngưỡng QCVN 09-MT:2015/BTNMT tới 8,5 lần; đến tháng 4/2019 vẫn ở mức 2,41 mg/l (vượt 2,41 lần) trước khi giảm về ngưỡng an toàn vào tháng 8/2019. Chỉ tiêu Mangan ghi nhận sự vượt chuẩn tại nhiều điểm quan trắc: tại QH7 đạt đỉnh 7,34 mg/l vào tháng 4/2017 (vượt 14,68 lần so với quy chuẩn 0,5 mg/l); công trình QH10 đạt 2,42 mg/l (vượt 4,84 lần); công trình QH4 vượt 2,66 lần. Hàm lượng Chì tại trạm TN3 ghi nhận 0,0136 mg/l vào tháng 4/2018 (vượt 1,36 lần ngưỡng 0,01 mg/l). Chỉ tiêu Asen tại QH7 đạt 0,0598 mg/l (vượt 1,19 lần ngưỡng 0,05 mg/l) và Cadimi tại QH10 đạt 0,0079 mg/l (vượt 1,58 lần ngưỡng 0,005 mg/l) trong mùa khô năm 2017.

Thảo luận kết quả

Sự biến động chất lượng nước dưới đất khu vực phía Nam tỉnh Thái Nguyên chịu tác động tổng hợp từ điều kiện tự nhiên và hoạt động nhân sinh. Nồng độ amoni cao bắt nguồn từ hoạt động chăn nuôi gia súc quy mô lớn và nước thải sinh hoạt đô thị chưa qua xử lý triệt để thấm sâu vào lòng đất. Sự xuất hiện của hàm lượng mangan, sắt và chì vượt chuẩn phản ánh tác động kép: một mặt do đặc điểm địa tầng chứa quặng kim loại tự nhiên trong đới dập vỡ kiến tạo của hệ tầng Tam Đảo và Mẫu Sơn; mặt khác do ảnh hưởng từ các nguồn xả thải của ngành luyện kim, cơ khí chế tạo và chất thải rắn công nghiệp từ các cụm công nghiệp dọc lưu vực sông Công và sông Cầu.

Để làm nổi bật quy luật phân bố không gian và thời gian, dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa thông qua biểu đồ đường đa trục so sánh biến thiên mực nước quan trắc (-0,05 m đến -9,95 m) tương ứng với chu kỳ phân bố lượng mưa (đạt đỉnh 568 mm vào tháng 6/2019 và thấp nhất 2,1 mm vào tháng 1/2019). Bên cạnh đó, biểu đồ cột so sánh nồng độ mangan và amoni giữa mùa mưa và mùa khô đối chiếu với đường giới hạn chuẩn đỏ của QCVN 09-MT:2015/BTNMT sẽ cung cấp minh chứng rõ nét về tính chu kỳ rửa trôi và pha loãng chất ô nhiễm. So với các báo cáo quan trắc giai đoạn trước, sự sụt giảm nồng độ kim loại nặng vào giai đoạn 2019 - 2020 khẳng định bước đầu hiệu quả của công tác thanh tra môi trường trên địa bàn.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm bảo vệ bền vững tài nguyên nước dưới đất khu vực phía Nam tỉnh Thái Nguyên, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược:

Thứ nhất, hoàn thiện hệ thống quan trắc tự động và cơ sở dữ liệu lớn. Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Nguyên cần chủ trì đầu tư nâng cấp 100% trạm quan trắc hiện hữu sang chế độ truyền dữ liệu trực tuyến tự động với tần suất 1 giờ/lần; đồng thời hoàn thành dự án phân vùng hạn chế khai thác nước dưới đất trên phạm vi toàn bộ 320 km² trước năm 2025 theo đúng tinh thần Nghị định số 167/2018/NĐ-CP.

Thứ hai, triển khai công nghệ xử lý kim loại nặng và amoni tại các trạm cấp nước tập trung. Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn phối hợp với Ủy ban nhân dân thị xã Phổ Yên và huyện Phú Bình áp dụng công nghệ oxy hóa tiếp xúc qua vật liệu lọc mangan dioxit kết hợp sục khí làm thoáng, mục tiêu khử trên 95% hàm lượng mangan và hạ nồng độ amoni xuống dưới 1,0 mg/l trong giai đoạn 2024 - 2026.

Thứ ba, siết chặt công tác thanh tra, cấp phép và thu tiền cấp quyền khai thác. Thanh tra Sở Tài nguyên và Môi trường tăng cường rà soát các cơ sở sản xuất kinh doanh có lưu lượng khai thác từ 10 m³/ngày đêm trở lên theo Nghị định số 201/2013/NĐ-CP; kiên quyết xử lý các giếng khoan tự phát không phép, duy trì tỷ lệ thu tiền cấp quyền khai thác nước đạt 100% kế hoạch hàng năm (tương đương quy mô trên 14 tỷ đồng).

Thứ tư, quy hoạch bổ cấp nhân tạo và bảo vệ hành lang nguồn nước mặt. Ủy ban nhân dân tỉnh Thái Nguyên chỉ đạo các sở ngành cắm mốc bảo vệ hành lang 35 km sông Công và 35 km sông Cầu; nghiên cứu giải pháp bổ sung nhân tạo cho tầng chứa nước Đệ tứ và Mẫu Sơn bằng nguồn nước dự trữ từ hồ Suối Lạnh (dung tích 1,3 triệu m³) và hồ Nước Hai (dung tích 2,7 triệu m³) trong tầm nhìn đến năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường, Phòng Tài nguyên và Môi trường cấp huyện): Ứng dụng nguồn số liệu 12 trạm quan trắc và danh mục nguồn thải để lập quy hoạch tài nguyên nước, xây dựng tiêu chí cấp phép thăm dò - khai thác và thiết lập bản đồ khoanh vùng cấm khai thác nước ngầm.

Ban quản lý các khu công nghiệp và doanh nghiệp hạ tầng: Sử dụng thông số chất lượng nước nền và độ dẫn thủy lực của các tầng chứa nước để thiết kế hệ thống xử lý nước thải công nghiệp tập trung, kiểm soát nguy cơ thẩm thấu chất ô nhiễm vào lòng đất.

Các công ty cấp thoát nước và đơn vị tư vấn địa chất công trình: Khai thác thông số thủy văn như hệ số thấm 82,4 m/ngày và lưu lượng khai thác tầng Mẫu Sơn (1 - 5 l/s) để tối ưu hóa vị trí đặt giếng khoan công nghiệp và lựa chọn dây chuyền xử lý nước sinh hoạt đạt chuẩn.

Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Khoa học Môi trường, Địa chất Thủy văn: Kế thừa khung phương pháp luận quan trắc theo chuỗi thời gian, phương pháp xử lý thống kê 46 chỉ tiêu lý hóa và cơ sở lý thuyết về hiệu ứng khí áp trong môi trường nước dưới đất.

Câu hỏi thường gặp

Nguồn nước dưới đất khu vực phía Nam tỉnh Thái Nguyên tập trung chủ yếu ở tầng địa chất nào?
Nguồn nước phân bố chủ yếu ở 3 tầng chứa nước: Tầng lỗ hổng Đệ tứ dày 5 - 20 m ven sông Cầu và sông Công; Tầng khe nứt Mẫu Sơn có diện tích 120 km² với lưu lượng 1 - 5 l/s (đối tượng khai thác chính); và Tầng khe nứt xen phun trào Tam Đảo có diện tích khoảng 79 km² ở phía Tây Phổ Yên.

Mực nước dưới đất tại khu vực nghiên cứu có đang bị sụt lún hoặc suy thoái nghiêm trọng không?
Mực nước trung bình giai đoạn 2018 - 2020 dao động từ -1,22 m đến -8,93 m, với mức hạ thấp sâu nhất là -10,26 m tại trạm TN2. Tuy nhiên, toàn bộ 12 công trình quan trắc đều duy trì khoảng cách an toàn rất xa so với giới hạn hạ thấp cho phép (-12,70 m đến -50,00 m), chứng minh tầng nước chưa bị suy thoái trữ lượng.

Những chỉ tiêu chất lượng nước nào ghi nhận nồng độ vượt ngưỡng quy chuẩn?
Các đợt quan trắc ghi nhận sự vượt chuẩn cục bộ trong mùa khô ở chỉ tiêu Amoni (đạt 8,5 mg/l tại QH7, vượt 8,5 lần), Mangan (đạt 7,34 mg/l tại QH7, vượt 14,68 lần), Chì (đạt 0,0136 mg/l tại TN3), Asen (đạt 0,0598 mg/l tại QH7) và Cadimi (đạt 0,0079 mg/l tại QH10) so với QCVN 09-MT:2015/BTNMT.

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng nồng độ Mangan và Amoni trong nước ngầm là gì?
Nguyên nhân xuất phát từ sự hòa tan khoáng vật chứa kim loại trong các tầng đá nứt nẻ tự nhiên kết hợp với quá trình ngấm rỉ từ nước thải công nghiệp luyện kim, hóa chất, nước thải sinh hoạt và hơn 90% diện tích đất nông nghiệp lạm dụng phân bón hóa học.

Làm thế nào để xử lý triệt để nước ngầm nhiễm Mangan và Amoni quy mô gia đình và công nghiệp?
Trong thực tế, giải pháp tối ưu là áp dụng hệ thống sục khí làm thoáng để oxy hóa kim loại, lọc qua cát mangan và than hoạt tính nhằm loại bỏ trên 95% Mangan, kết hợp màng lọc RO hoặc công nghệ trao đổi ion để đưa nồng độ Amoni về dưới ngưỡng 1,0 mg/l.

Kết luận

Luận văn đã đạt được các kết quả khoa học và thực tiễn cốt lõi:

  • Đánh giá toàn diện hiện trạng động thái mực nước, nhiệt độ và chất lượng nước dưới đất trên diện tích 320 km² tại 12 công trình quan trắc chuẩn hóa.
  • Xác định tầng chứa nước khe nứt hệ tầng Mẫu Sơn ($T_3ms$) là nguồn cung cấp nước tiềm năng nhất với hệ số dẫn nước đạt tới 228 m/ngày.
  • Phát hiện và cảnh báo kịp thời tình trạng ô nhiễm cục bộ Amoni (vượt 8,5 lần) và Mangan (vượt 14,68 lần) trong mùa khô tại một số điểm quan trắc nhạy cảm.
  • Khẳng định mực nước tĩnh vẫn duy trì trong ngưỡng hạ thấp an toàn, chưa xảy ra hiện tượng cạn kiệt tầng chứa nước trên diện rộng.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp kỹ thuật, công nghệ giám sát và cơ chế chính sách đồng bộ nhằm quản lý bền vững tài nguyên nước đến năm 2030.

Đóng góp lớn nhất của công trình là cung cấp cơ sở dữ liệu quan trắc thực nghiệm tin cậy, trực tiếp phục vụ công tác khoanh định vùng hạn chế khai thác nước dưới đất cấp tỉnh. Bước đi tiếp theo cần tập trung số hóa mạng lưới quan trắc tự động và cắm mốc hành lang bảo vệ nguồn nước trong giai đoạn 2024 - 2025. Các nhà quản lý, doanh nghiệp và nhà khoa học quan tâm hãy tham khảo toàn văn luận văn để tiếp cận chi tiết hệ thống số liệu phân tích chuyên sâu!