Tổng quan nghiên cứu

Tài nguyên nước dưới đất đóng vai trò then chốt trong việc duy trì an ninh nguồn nước toàn cầu, cung cấp khoảng 50% lượng nước uống sinh hoạt và 38% nguồn nước phục vụ tưới tiêu nông nghiệp với tổng khối lượng khai thác hàng năm ước tính đạt 982 tỷ mét khối. Tại Việt Nam, nguồn nước ngầm đảm nhận khoảng 30% đến 50% tổng nhu cầu cấp nước sinh hoạt cho các khu vực đô thị. Theo thống kê của Viện Sức khỏe nghề nghiệp và Môi trường thuộc Bộ Y tế, có tới 17,2 triệu người (tương đương 21,5% dân số cả nước) đang sử dụng trực tiếp nguồn nước giếng khoan chưa qua xử lý đạt chuẩn. Thực trạng này đặt ra thách thức lớn đối với công tác kiểm soát chất lượng môi trường nước dưới tác động của quá trình phát triển kinh tế và đô thị hóa.

Thành phố Lạng Sơn là đô thị hạt nhân thuộc vùng Đông Bắc, giữ vị trí trung tâm trong đề án phát triển Khu kinh tế cửa khẩu Đồng Đăng - Lạng Sơn với quy mô không gian 394 km2 theo Quyết định số 138/2008/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ. Sự gia tăng dân số đô thị lên mức trên 200.490 người vào năm 2018 (trong đó cư dân thành thị chiếm 78%) cùng tốc độ tăng trưởng kinh tế bình quân đạt 8,82% giai đoạn 2015 - 2017 đã tạo áp lực khai thác nước rất lớn. Trong khi đó, toàn bộ nước thải sinh hoạt đô thị chưa có hệ thống xử lý tập trung, tiềm ẩn nguy cơ thẩm thấu và gây suy thoái tầng chứa nước.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá có hệ thống sự biến động chất lượng nước ngầm của thành phố Lạng Sơn trong giai đoạn 5 năm từ tháng 6 năm 2014 đến tháng 10 năm 2018 theo cả chiều thời gian và không gian. Nghiên cứu tập trung phân tích 8 thông số lý hóa quan trọng gồm pH, TDS, Ca2+, NH4+, SO42-, Pb, Zn, Fe tại 7 điểm trạm bơm và giếng khai thác trọng điểm. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài thể hiện ở việc cung cấp cơ sở dữ liệu quan trắc dài hạn, làm căn cứ quản lý bền vững tài nguyên nước và bảo vệ sức khỏe cho hơn 200.000 người dân địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết chu trình thủy văn và động thái dòng ngầm trong cấu trúc địa chất thung lũng đá vôi Karst đặc thù. Độ sâu bão hòa và chất lượng nước ngầm chịu sự chi phối chặt chẽ bởi thành phần khoáng hóa của các tầng đá vôi, đá trầm tích bở rời và khả năng bổ cập từ lưu vực sông Kỳ Cùng với lưu lượng trung bình 2.300 m3/s.

Khung phân tích môi trường vận dụng lý thuyết tự làm sạch của tầng ngậm nước thông qua 5 cơ chế tự nhiên: quá trình lọc cơ học giữ lại các chất lơ lửng; quá trình hấp phụ ion bởi hạt sét và oxit kim loại; phản ứng hóa học chuyển hóa ion hòa tan; cơ chế loại trừ vi sinh vật gây bệnh qua tầng đất; và quá trình pha loãng thủy lực.

Các khái niệm chuyên ngành nền tảng được định lượng hóa bao gồm: chỉ số hydro (pH) phản ánh tính axit - kiềm; tổng chất rắn hòa tan (TDS) đại diện cho mức độ khoáng hóa; độ cứng toàn phần xác định qua hàm lượng ion Ca2+; hợp chất nitơ ở dạng ion amoni (NH4+) - chỉ thị điển hình của ô nhiễm hữu cơ và chất thải sinh hoạt; cùng các ion sulfat (SO42-) và kim loại nặng (Pb, Zn, Fe).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng chuỗi dữ liệu thứ cấp từ mạng lưới quan trắc môi trường định kỳ của tỉnh Lạng Sơn trong giai đoạn 2014 - 2018. Tần suất thu thập mẫu gồm 2 đợt/năm vào tháng 6 (đại diện mùa mưa) và tháng 10 (đại diện mùa khô), tạo thành chuỗi 10 đợt quan sát liên tục trên 7 vị trí trọng điểm: 6 trạm bơm khai thác nước sinh hoạt đô thị (H1, H3, H7, H8, H9, H10) và 1 giếng khoan dân sinh tại thôn Pác Cáp - Quảng Hồng.

Phương pháp lấy mẫu hiện trường tuân thủ nghiêm ngặt Thông tư số 24/2017/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường. Quy trình phân tích hóa học trong phòng thí nghiệm áp dụng đồng bộ các Tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN) và Tiêu chuẩn Quốc tế (ISO/SMEWW):

  • Xác định pH bằng máy đo điện thế theo TCVN 6492-2011 và APHA 4500-H+B.
  • Phân tích TDS theo phương pháp sấy cân khối lượng SMEWW 2540C.
  • Xác định hàm lượng Ca2+ theo phương pháp chuẩn độ EDTA và Winkler (TCVN 5499-1995).
  • Định lượng ion NH4+ bằng phương pháp chưng cất và chuẩn độ theo TCVN 5988-1995 kết hợp SMEWW 4500-NH3.
  • Phân tích nồng độ SO42- theo phương pháp đo quang và điện hóa ISO 5814:1990 (TCVN 7325:2004).
  • Xác định các kim loại nặng Zn, Pb, Fe trên hệ thống quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) theo các tiêu chuẩn TCVN 6193:1996, SMEWW 3113B:2012 và SMEWW 3111B:2012.

Dữ liệu thu được được thống kê, xử lý biến động bằng phần mềm Excel 2013 và đối chiếu trực tiếp với Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước dưới đất QCVN 09:2015/BTNMT.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Tổng hợp chuỗi số liệu quan trắc 5 năm tại thành phố Lạng Sơn mang lại các phát hiện cốt lõi:

Thứ nhất, chỉ số pH trong toàn bộ các mẫu nước ngầm duy trì ở mức trung tính đến kiềm nhẹ, dao động từ 5,08 đến 8,56. Giá trị trung bình của toàn mạng lưới đạt khoảng 6,80 - 7,20, 100% mẫu quan trắc tại các trạm bơm cấp nước sinh hoạt đều nằm trong giới hạn cho phép của QCVN 09:2015/BTNMT (từ 5,5 đến 8,5). Điểm cực đại ghi nhận tại trạm bơm H9 vào tháng 6/2015 đạt 8,56 và điểm cực tiểu tại giếng Pác Cáp vào tháng 6/2016 đạt 5,08.

Thứ hai, tổng chất rắn hòa tan (TDS) và độ cứng Ca2+ phản ánh rõ đặc thù địa chất đá vôi nhưng vẫn được kiểm soát ở ngưỡng an toàn. Giá trị trung bình TDS dao động phổ biến từ 298 mg/l đến 339 mg/l, thấp hơn 77% so với ngưỡng giới hạn quy chuẩn (1500 mg/l). Riêng trạm bơm H9 có sự biến thiên lớn từ 25,8 mg/l (tháng 10/2014) lên 618 mg/l (tháng 6/2015) trước khi ổn định trở lại. Nồng độ ion Ca2+ trung bình đạt mức 195,22 mg/l, thấp hơn nhiều so với mức trần 500 mg/l của quy chuẩn.

Thứ ba, các chỉ tiêu ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng duy trì ở mức rất thấp. Hàm lượng ion Amoni (NH4+) trung bình chỉ đạt 0,03 mg/l (quy chuẩn cho phép 1,0 mg/l), ghi nhận sự suy giảm dao động rõ rệt sau năm 2014 và giữ ổn định từ 2015 đến 2018. Hàm lượng SO42- trung bình đạt 17,34 mg/l, chỉ tương đương 4,3% ngưỡng giới hạn tối đa (400 mg/l).

Thứ tư, hàm lượng kim loại nặng hoàn toàn đạt chuẩn nước sạch sinh hoạt. Nồng độ chì (Pb) trung bình đạt 0,0010 mg/l (ngưỡng quy chuẩn 0,01 mg/l); hàm lượng kẽm (Zn) dao động quanh 0,01 mg/l (ngưỡng 3,0 mg/l); hàm lượng sắt tổng số (Fe) trung bình đạt từ 0,003 đến 0,04 mg/l, giá trị cao nhất từng xuất hiện là 1,27 mg/l vào năm 2014, thấp hơn mức quy chuẩn tối đa 5,0 mg/l.

Thảo luận kết quả

Diễn biến chất lượng nước ngầm thành phố Lạng Sơn cho thấy nguồn nước dưới đất tại đây chưa có dấu hiệu bị ô nhiễm hóa học hay nhiễm kim loại nặng. Sự tương quan giữa các thông số lý hóa chứng minh vai trò tự bảo vệ tự nhiên của cấu trúc địa tầng khu vực. Địa hình lòng chảo bao bọc bởi các dãy núi Mẫu Sơn và Chắp Chài có độ cao trung bình 250 m chứa các vỉa đá vôi dày, giúp hòa tan các ion canxi carbonate tự nhiên, tạo tính đệm kiềm cho nước ngầm và hạn chế quá trình hòa tan các kim loại độc hại.

Khi so sánh với các đô thị lớn tại vùng đồng bằng Bắc Bộ, chất lượng nước ngầm Lạng Sơn thể hiện ưu thế vượt trội. Tại khu vực Mai Dịch (Hà Nội), kết quả quan trắc ghi nhận 100% mẫu vượt ngưỡng amoni và khu vực Tân Lập nồng độ amoni lên tới 23 mg/l cùng tình trạng mực nước ngầm tụt sâu từ 6 đến 10 m. Trong khi đó, nguồn nước ngầm tại Lạng Sơn có hàm lượng amoni thấp hơn tới 700 lần, tương đồng với các phát hiện tại vùng rừng núi Xuân Mai.

Dữ liệu phân tích biến động theo thời gian được mô hình hóa qua các biểu đồ đường thể hiện xu hướng ổn định qua 5 năm, và biểu đồ cột không gian thể hiện sự đồng đều giữa các trạm bơm H1, H3, H7, H8, H10. Tuy nhiên, tốc độ đô thị hóa nhanh và lưu lượng 80% nước cấp đầu vào chuyển thành nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý đang đe dọa trực tiếp đến tầng chứa nước nông, đặc biệt tại các khu vực giáp ranh như trạm H9 và giếng khoan Pác Cáp.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm bảo vệ chất lượng và khai thác bền vững nguồn nước ngầm thành phố Lạng Sơn, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp chiến lược:

  1. Thiết lập hành lang bảo vệ vệ sinh các công trình khai thác nước ngầm: Ủy ban nhân dân thành phố Lạng Sơn phối hợp cùng Công ty Cổ phần Cấp thoát nước Lạng Sơn tiến hành khoanh định ranh giới vùng bảo hộ vệ sinh nghiêm ngặt với bán kính 20 - 50 m xung quanh 6 trạm bơm H1 đến H10. Thời gian hoàn thành trong vòng 12 tháng, mục tiêu ngăn chặn tuyệt đối 100% các hoạt động xả thải và xây dựng công trình gây ô nhiễm gần miệng giếng.

  2. Xây dựng hệ thống thu gom và trạm xử lý nước thải sinh hoạt đô thị tập trung: Sở Xây dựng chủ trì lập dự án hạ tầng thoát nước riêng biệt, phấn đấu đạt chỉ tiêu thu gom và xử lý đạt chuẩn tối thiểu 70% tổng lượng nước thải sinh hoạt toàn thành phố giai đoạn 2020 - 2025, giảm áp lực thẩm thấu nitơ và chất hữu cơ vào lòng đất.

  3. Hiện đại hóa và nâng tần suất mạng lưới quan trắc môi trường nước dưới đất: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Lạng Sơn nâng tần suất lấy mẫu quan trắc từ 2 đợt/năm lên 4 đợt/năm (theo quý), triển khai đo đạc bổ sung các chỉ tiêu vi sinh (E.coli, Coliforms) và Asen. Đồng thời, số hóa bản đồ địa chất thủy văn tỷ lệ 1/50.000 cho 394 km2 khu vực kinh tế cửa khẩu trong vòng 24 tháng tới.

  4. Quản lý nghiêm ngặt hoạt động khoan giếng và trám lấp giếng hỏng: Phòng Tài nguyên và Môi trường thành phố tổ chức kiểm tra, cấp phép 100% cơ sở khai thác nước ngầm công nghiệp và dịch vụ; ban hành quy trình kỹ thuật bắt buộc để trám lấp hoàn toàn các giếng khoan hỏng, giếng không còn sử dụng tại khu vực nông thôn như xã Quảng Lạc, Mai Pha nhằm triệt tiêu đường dẫn chất bẩn xuống mạch nước ngầm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

  • Cơ quan quản lý Nhà nước (Sở Tài nguyên và Môi trường, UBND tỉnh Lạng Sơn): Sử dụng nguồn số liệu 5 năm làm căn cứ thực tiễn để phê duyệt quy hoạch tài nguyên nước, cấp phép khai thác và xây dựng chính sách bảo vệ môi trường nước trong quy hoạch mở rộng đô thị đến năm 2025.
  • Doanh nghiệp cấp thoát nước và hạ tầng đô thị: Ứng dụng kết quả phân tích nồng độ ion Ca2+ (195,22 mg/l) và TDS để lựa chọn công nghệ xử lý làm mềm nước tối ưu, kéo dài tuổi thọ hệ thống đường ống dẫn và thiết bị truyền nhiệt.
  • Học viên, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Môi trường/Địa chất thủy văn: Tham khảo phương pháp luận đánh giá chuỗi thời gian - không gian kết hợp phân tích đối chiếu quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 09:2015/BTNMT cho các đề tài nghiên cứu lưu vực miền núi.
  • Cộng đồng dân cư và các cơ sở sản xuất kinh doanh tại địa phương: Nắm bắt thông tin chính xác về chất lượng nguồn nước ngầm sinh hoạt, chủ động áp dụng các biện pháp tiền xử lý cặn vôi và nâng cao ý thức bảo vệ giếng khoan gia đình.

Câu hỏi thường gặp

Chất lượng nước ngầm tại thành phố Lạng Sơn hiện nay có đạt chuẩn sinh hoạt không? Kết quả phân tích 5 năm (2014 - 2018) trên 7 vị trí đại diện chứng minh 100% mẫu nước ngầm tại các trạm bơm đô thị đều đạt Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN 09:2015/BTNMT. Các hàm lượng độc hại như chì (0,001 mg/l), sắt (dưới 0,04 mg/l), amoni (0,03 mg/l) đều ở mức rất an toàn.

Tại sao đun sôi nước ngầm tại Lạng Sơn thường xuất hiện cặn trắng dưới đáy ấm? Hiện tượng này xuất phát từ độ cứng Ca2+ hòa tan tự nhiên từ các tầng đá vôi với hàm lượng trung bình 195,22 mg/l. Nồng độ này hoàn toàn nằm trong giới hạn an toàn 500 mg/l của Bộ Tài nguyên và Môi trường, không gây hại cho sức khỏe nhưng tạo kết tủa CaCO3 khi gặp nhiệt độ cao.

Sự khác biệt lớn nhất về chất lượng nước ngầm Lạng Sơn so với Hà Nội là gì? Nước ngầm Lạng Sơn có độ an toàn cao hơn nhiều do chưa chịu áp lực khai thác quá mức và cấu trúc đá vôi giúp tự làm sạch tốt. Tại Hà Nội, hàm lượng amoni có nơi lên tới 23 mg/l và sụt giảm mực nước 6 m, trong khi amoni tại Lạng Sơn duy trì ở mức thấp 0,03 mg/l.

Quá trình đô thị hóa ảnh hưởng như thế nào đến nguồn nước ngầm thành phố? Đô thị hóa làm tăng 78% tỷ lệ dân số sống tại thành thị, đẩy cao nhu cầu dùng nước từ vài trăm đến hàng triệu mét khối, đồng thời hiện tượng bê tông hóa bề mặt làm thu hẹp diện tích thấm nước mưa tự nhiên bổ cập cho dòng sông Kỳ Cùng.

Luận văn sử dụng tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật nào để đánh giá? Nghiên cứu áp dụng quy chuẩn QCVN 09:2015/BTNMT để đánh giá chất lượng nước dưới đất, kết hợp quy trình lấy mẫu theo Thông tư 24/2017/TT-BTNMT và hệ thống phương pháp thí nghiệm chuẩn hóa TCVN, ISO 5814:1990, SMEWW.

Kết luận

  • Nguồn nước ngầm tại thành phố Lạng Sơn giai đoạn 2014 - 2018 có chất lượng tốt, các chỉ tiêu pH, TDS, Ca2+, NH4+, SO42-, Pb, Zn, Fe đều nằm trong ngưỡng an toàn của QCVN 09:2015/BTNMT.
  • Môi trường nước dưới đất mang đặc tính kiềm nhẹ tự nhiên (pH trung bình 6,8 - 7,2) và độ khoáng hóa canxi ổn định (Ca2+ trung bình 195,22 mg/l) do địa tầng đá vôi chi phối.
  • Mức độ tích tụ kim loại nặng và ô nhiễm hữu cơ ở ngưỡng tối thiểu (Pb đạt 0,0010 mg/l, NH4+ đạt 0,03 mg/l, Fe phổ biến dưới 0,04 mg/l).
  • Nguy cơ tiềm ẩn bắt nguồn từ 80% lượng nước thải sinh hoạt đô thị chưa qua xử lý và tốc độ mở rộng không gian Khu kinh tế cửa khẩu Đồng Đăng 394 km2.
  • Cần hoàn thành khoanh vùng hành lang bảo hộ vệ sinh cho 6 trạm bơm trọng điểm và số hóa mạng lưới quan trắc môi trường nước giai đoạn 2020 - 2025.

Đóng góp quan trọng nhất của luận văn là đã lượng hóa thành công bức tranh toàn diện về biến động môi trường nước ngầm đô thị miền núi qua 10 đợt quan trắc thực địa liên tục. Đây là tài liệu khoa học nền tảng phục vụ đắc lực cho công tác quy hoạch phát triển bền vững của tỉnh Lạng Sơn. Các nhà hoạch định chính sách, doanh nghiệp cấp nước và toàn thể cộng đồng cần tăng cường phối hợp thực thi Luật Tài nguyên nước, chung tay bảo vệ nguồn tài nguyên nước ngầm quý giá cho tương lai.