Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Thành phố Cao Bằng là trung tâm kinh tế, chính trị, văn hóa của tỉnh Cao Bằng, nằm ở tọa độ 22°39’ - 22°42’ vĩ độ Bắc và 106°11’ - 106°18’ kinh độ Đông. Trong giai đoạn 2006–2010, kinh tế tỉnh duy trì tốc độ tăng trưởng GDP bình quân đạt 11,47%/năm; trong đó ngành công nghiệp - xây dựng tăng 16,9%/năm và ngành dịch vụ tăng 15,9%/năm. Sự chuyển dịch cơ cấu kinh tế cùng tốc độ gia tăng dân số và đô thị hóa đã tạo ra sức ép lớn lên hệ thống tài nguyên thiên nhiên. Lưu vực sông Bằng Giang – dòng sông huyết mạch chảy qua trung tâm thành phố – phải tiếp nhận khối lượng lớn nước thải chưa qua xử lý từ sinh hoạt đô thị, cơ sở công nghiệp, bệnh viện, tiểu thủ công nghiệp và sản xuất nông nghiệp. Thêm vào đó, nạn khai thác cát, sỏi, đào đãi vàng sa khoáng ở thượng nguồn sông Hiến và ven sông Bằng làm gia tăng lượng bùn cát lơ lửng, suy giảm chất lượng nước mặt và đe dọa trực tiếp đến đời sống dân sinh.

Khóa luận được xây dựng nhằm giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

  1. Đưa ra kết quả chính xác về hiện trạng môi trường nước sông Bằng Giang đoạn chảy qua địa bàn thành phố Cao Bằng.
  2. Làm rõ các nguyên nhân chính và nhận diện nguồn thải ảnh hưởng đến chất lượng môi trường nước sông.
  3. Đề xuất các biện pháp khả thi nhằm giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ nguồn tài nguyên nước phù hợp với điều kiện địa phương.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Diễn biến chất lượng môi trường nước mặt sông Bằng Giang đoạn chảy qua thành phố Cao Bằng và các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm.
  • Phạm vi không gian: 8 phường (Hợp Giang, Sông Bằng, Tân Giang, Sông Hiến, Ngọc Xuân, Đề Thám, Duyệt Trung, Hòa Chung) và 3 xã (Chu Trinh, Hưng Đạo, Vĩnh Quang) thuộc thành phố Cao Bằng (diện tích tự nhiên 107,628 km², quy mô dân số 62.921 người).
  • Phạm vi thời gian: Đề tài tiến hành thu thập số liệu và quan trắc thực địa từ ngày 20/01/2014 đến ngày 30/04/2014.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên khung cơ sở pháp lý và tiêu chuẩn kỹ thuật môi trường Việt Nam:

  • Văn bản pháp lý: Luật Bảo vệ môi trường 2005 (có hiệu lực từ 01/07/2006); Luật Tài nguyên nước 1998; Nghị định 80/2006/NĐ-CP; Nghị định 149/2004/NĐ-CP; Thông tư số 02/2005/TT-BTNMT; Quyết định số 2010/QĐ-UBND phê duyệt quy hoạch tài nguyên nước tỉnh Cao Bằng đến năm 2020; Quyết định số 879/QĐ-TCMT ngày 01/07/2011 của Tổng cục Môi trường về việc ban hành Sổ tay hướng dẫn tính toán Chỉ số chất lượng nước (WQI).
  • Quy chuẩn so sánh: QCVN 08:2008/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt).

Phương pháp nghiên cứu thực hiện:

  • Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp và sơ cấp: Thu thập dữ liệu khí tượng thủy văn, hiện trạng kinh tế - xã hội, báo cáo quan trắc môi trường giai đoạn 2012–2013 từ Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Cao Bằng, Chi cục Bảo vệ Môi trường và Trung tâm Quan trắc và Phân tích Môi trường tỉnh Cao Bằng.
  • Phương pháp nghiên cứu ngoài thực địa: Thu mẫu tại 3 vị trí trên dòng chính sông Bằng Giang và 5 vị trí bổ sung tại các nhánh sông, suối, mương thoát nước xả vào sông. Mẫu nước mặt được chứa trong chai chuyên dụng 2 lít, bảo quản và vận chuyển về phòng thí nghiệm theo đúng quy trình quy chuẩn.
  • Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm:
    • Đo đạc nhanh tại hiện trường bằng máy đa chỉ tiêu HI 9828: Nhiệt độ, pH, Độ đục (NTU), Oxy hòa tan (DO).
    • Phân tích trong phòng thí nghiệm: Nhu cầu oxy sinh hóa BOD5 xác định theo TCVN 6001:1995; Nhu cầu oxy hóa học COD và các hợp chất dinh dưỡng ($N\text{-}NH_4^+$, $N\text{-}NO_2^-$, $P\text{-}PO_4^{3-}$) phân tích trên máy quang phổ DR 5000; Hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) phân tích trọng lượng; Tổng Coliform xác định theo TCVN 6187:1996.
  • Phương pháp tính toán và xử lý số liệu: Số liệu được xử lý thống kê bằng phần mềm Microsoft Excel. Tính toán chỉ số WQI tổng hợp theo công thức quy định tại Quyết định số 879/QĐ-TCMT:

$$WQI = \frac{WQI_{pH}}{100} \times \left[ \left(\frac{1}{5} \sum_{a=1}^{5} WQI_a\right) \times \left(\frac{1}{2} \sum_{b=1}^{2} WQI_b\right) \times WQI_c \right]^{1/3}$$

Trong đó $WQI_a$ là nhóm thông số $DO$, $BOD_5$, $COD$, $N\text{-}NH_4^+$, $P\text{-}PO_4^{3-}$; $WQI_b$ là nhóm thông số $TSS$, độ đục; $WQI_c$ là tổng Coliform; $WQI_{pH}$ tính theo thang pH. Kết quả WQI được đối chiếu thang phân loại 5 bậc (Loại I đến Loại V).

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Đặt vấn đề

Trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ quá trình phát triển kinh tế nhanh của tỉnh Cao Bằng với sự mở rộng các ngành xây dựng, dịch vụ, công nghiệp luyện kim, khai khoáng. Tác giả xác lập rõ các mục tiêu đánh giá hiện trạng chất lượng nước sông Bằng Giang, xác định nguyên nhân gây suy giảm nguồn nước, xây dựng hệ thống giải pháp giảm thiểu ô nhiễm khả thi, đồng thời nêu rõ ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong công tác quản lý tài nguyên môi trường tại địa phương.

Phần 2: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu

Hệ thống hóa cơ sở lý luận về nước mặt, ô nhiễm môi trường nước, đặc trưng các thông số lý hóa và vi sinh ($pH$, $DO$, $COD$, $BOD_5$, hợp chất Nitơ, Photpho, $TSS$). Tổng quan tình hình ô nhiễm nước sông trên thế giới (Ai Cập, Romania, Mỹ, Trung Quốc, Thái Lan) và tại các lưu vực sông lớn ở Việt Nam (sông Cầu, sông Nhuệ - Đáy, hệ thống sông Đồng Nai - Sài Gòn, sông Thị Vải). Đánh giá sơ bộ chất lượng nước sông Bằng Giang qua số liệu năm 2012–2013, chỉ ra dấu hiệu ô nhiễm hữu cơ và chất rắn lơ lửng gia tăng cục bộ tại khu vực nội thành. Phân tích các nguyên nhân tự nhiên (mưa lũ, xói mòn) và nguyên nhân nhân sinh (nước thải sinh hoạt, công nghiệp, y tế, nông nghiệp, giao thông thủy, khai thác khoáng sản).

Phần 3: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Xác định không gian và đối tượng nghiên cứu trên lưu vực sông Bằng Giang đoạn chảy qua thành phố Cao Bằng trong thời gian từ tháng 1 đến tháng 4 năm 2014. Thiết lập mạng lưới lấy mẫu gồm 3 điểm quan trắc định kỳ trên dòng chính và 5 điểm quan trắc bổ sung trên các chi lưu, cống thải KCN. Quy định rõ ràng quy trình đo đạc hiện trường bằng thiết bị cầm tay HI 9828, phương pháp phân tích phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN, phương pháp xử lý dữ liệu và công thức tính toán chỉ số chất lượng nước WQI theo Quyết định số 879/QĐ-TCMT.

Phần 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Đánh giá điều kiện tự nhiên, địa hình lòng máng bị chia cắt, đặc điểm khí tượng thủy văn của thành phố Cao Bằng (lượng mưa trung bình 1.442,7 mm/năm, tập trung 70% vào mùa mưa; lưu lượng dòng chảy sông Bằng trung bình 72,5 m³/s). Phân tích chi tiết số liệu chất lượng nước quan trắc năm 2014 tại 8 vị trí, tính toán chỉ số WQI và phân vùng chất lượng nước thành 3 cấp độ. Nhận diện và ước tính tải lượng ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt (dân số 62.921 người sinh ra 7.550 m³/ngày nước thải), nước thải công nghiệp từ 372 doanh nghiệp, nước thải y tế (523 m³/ngày từ 10 cơ sở y tế và 2 bệnh viện), cùng hoạt động nông nghiệp và khai thác cát sỏi ven sông. Đề xuất hệ thống giải pháp quản lý hành chính, nâng cao nhận thức cộng đồng, quy hoạch hạ tầng và các biện pháp kỹ thuật xử lý nguồn thải.

Phần 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng hợp các kết luận khoa học về hiện trạng ô nhiễm hữu cơ trên sông Bằng Giang đoạn qua khu vực trung tâm thành phố; khẳng định hiệu quả của việc ứng dụng chỉ số WQI trong phân vùng môi trường nước. Đưa ra các kiến nghị đối với UBND tỉnh, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Cao Bằng và các cơ quan quản lý nhằm tăng cường đầu tư trạm xử lý nước thải tập trung, siết chặt cấp phép xả thải và kiểm soát hoạt động khai khoáng ven sông.

Kết quả và đóng góp

1. Hiện trạng chất lượng nước trên dòng chính sông Bằng Giang (năm 2014)

Số liệu quan trắc tại 3 vị trí trên dòng chính sông Bằng Giang (NM1: Sau nhà máy luyện gang Km5; NM2: Cuối chợ Xanh/khách sạn Bằng Giang; NM3: Chân cầu Hoàng Ngà/sau bệnh viện Tỉnh) được đối chiếu với QCVN 08:2008/BTNMT:

STT Thông số Đơn vị NM1 NM2 NM3 QCVN 08:2008 (Cột A2) QCVN 08:2008 (Cột B1)
1 Độ đục NTU 35 36 31 - -
2 TSS mg/l 24 45 28 30 50
3 pH - 8,36 8,01 8,11 6 - 8,5 5,5 - 9
4 Nhiệt độ °C 23 24 22 - -
5 COD mg/l 13,2 27 19,6 15 30
6 DO mg/l 6,11 4,5 6,27 ≥ 5 ≥ 4
7 BOD5 mg/l 5,8 8,6 7,9 6 15
8 Coliform MPN/100ml 650 1060 950 5000 7500
9 N-NH4+ mg/l 0,028 0,18 0,17 0,2 0,5
10 P-PO43- mg/l 0,22 0,75 0,64 0,2 0,3

Kết quả cho thấy chất lượng nước suy giảm rõ rệt khi chảy qua khu vực nội đô:

  • Đoạn thượng lưu vào thành phố (NM1): Chất lượng nước còn tương đối tốt, hầu hết các chỉ tiêu đều nằm trong ngưỡng giới hạn cho phép của cột A2.
  • Đoạn trung tâm thành phố (NM2, NM3): Bị ô nhiễm chất hữu cơ và chất dinh dưỡng; BOD5 tại NM2 đạt 8,6 mg/l (vượt 1,4 lần chuẩn A2), COD đạt 27 mg/l (vượt 1,8 lần chuẩn A2), TSS đạt 45 mg/l (vượt 1,5 lần chuẩn A2), và P-PO43- dao động từ 0,64 đến 0,75 mg/l (vượt từ 3,2 đến 3,75 lần chuẩn A2).

2. Kết quả tính toán WQI và phân vùng chất lượng nước

Ký hiệu Vị trí quan trắc Giá trị WQI Mức đánh giá chất lượng nước Phân loại vùng
NM1 Phía sau nhà máy luyện gang Km5 82 Cấp nước sinh hoạt nhưng cần xử lý phù hợp Loại II
NM2 Phía sau khách sạn Bằng Giang (chợ Xanh) 65 Phục vụ mục đích tưới tiêu, nông nghiệp Loại III
NM3 Phía dưới chân cầu Hoàng Ngà 74 Phục vụ mục đích tưới tiêu, nông nghiệp Loại III
NM-BS1 Mương thoát nước KCN Đề Thám 69 Phục vụ mục đích tưới tiêu, nông nghiệp Loại III
NM-BS2 Sông Hiến 90 Cấp nước sinh hoạt nhưng cần xử lý phù hợp Loại II
NM-BS3 Suối Khuổi Khoán 85 Cấp nước sinh hoạt nhưng cần xử lý phù hợp Loại II
NM-BS4 Rãnh thoát nước KCN Chu Trinh 62 Phục vụ mục đích tưới tiêu, nông nghiệp Loại III
NM-BS5 Suối Hà Trì 91 Cấp nước sinh hoạt (chỉ cần xử lý đơn giản) Loại I

Phân vùng chất lượng nước toàn lưu vực được chia thành 3 cấp độ:

  • Loại I ($WQI = 91\text{--}100$): Chiếm 1/8 điểm (Suối Hà Trì, WQI = 91), nước chưa bị ô nhiễm, bảo đảm cấp nước sinh hoạt sau khi xử lý đơn giản.
  • Loại II ($WQI = 76\text{--}90$): Chiếm 3/8 điểm (NM1, NM-BS2, NM-BS3), ô nhiễm nhẹ, dùng cho sinh hoạt sau xử lý đặc biệt hoặc phục vụ thủy lợi.
  • Loại III ($WQI = 51\text{--}75$): Chiếm 4/8 điểm (NM2, NM3, NM-BS1, NM-BS4), ô nhiễm trung bình do tiếp nhận nước thải sinh hoạt đô thị và KCN, chỉ phù hợp cho tưới tiêu thủy lợi và giao thông thủy.

3. Đánh giá tải lượng các nguồn gây ô nhiễm

  • Nước thải sinh hoạt: Dân số 62.921 người thuộc 8 phường và 3 xã phát sinh lượng nước thải ước tính 7.550 m³/ngày. Dựa trên định mức WHO (1993), tải lượng ô nhiễm xả ra hàng ngày gồm: BOD5 là 3.146 kg/ngày; COD là 5.914 kg/ngày; TSS là 6.732 kg/ngày; Tổng N là 566 kg/ngày; Tổng P là 151 kg/ngày.
  • Nước thải y tế: 10 cơ sở y tế và 2 bệnh viện phát sinh 523 m³/ngày nước thải; trong đó Bệnh viện Đa khoa tỉnh (330 giường bệnh) xả 100 m³/ngày với hệ thống xử lý hoạt động kém hiệu quả, xả trực tiếp mầm bệnh và chất hữu cơ ra sông Bằng.
  • Nước thải công nghiệp: Thành phố có 372 doanh nghiệp; các cống xả từ KCN Đề Thám ($WQI = 69$) và KCN Chu Trinh ($WQI = 62$, $N\text{-}NH_4^+$ đạt 4,5 mg/l, $BOD_5$ đạt 20 mg/l) là những điểm nóng gây ô nhiễm cục bộ.

4. Hệ thống giải pháp đề xuất

  • Biện pháp hành chính: Tăng cường thanh tra, kiểm tra việc tuân thủ pháp luật bảo vệ môi trường đối với 372 cơ sở sản xuất kinh doanh; thực hiện nghiêm quy định cấp phép xả thải theo Nghị định 149/2004/NĐ-CP; đình chỉ hoặc xử phạt các hoạt động khai thác cát, sỏi và đãi vàng sa khoáng trái phép trên sông Bằng và sông Hiến.
  • Nâng cao nhận thức cộng đồng: Tuyên truyền giáo dục môi trường, chấm dứt thói quen đổ rác thải sinh hoạt và xác động vật xuống sông của các hộ dân ven bờ.
  • Giải pháp quy hoạch: Quy hoạch và xây dựng hệ thống mạng lưới cống thu gom tách riêng nước mưa - nước thải; đầu tư trạm xử lý nước thải sinh hoạt tập trung cho đô thị thành phố Cao Bằng.
  • Giải pháp kỹ thuật trọng tâm: Nâng cấp, cải tạo triệt để hệ thống xử lý nước thải y tế tại Bệnh viện Đa khoa tỉnh Cao Bằng; yêu cầu các cơ sở sản xuất tại KCN Đề Thám và KCN Chu Trinh đầu tư hệ thống xử lý nước thải đạt QCVN trước khi xả ra mương thoát chung.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Thời gian thực hiện đề tài giới hạn trong 3 tháng (từ tháng 1 đến tháng 4 năm 2014), chủ yếu thu thập số liệu và quan trắc mẫu vào cuối mùa khô/giai đoạn chuyển mùa, chưa phản ánh đầy đủ biến động chất lượng nước theo chu kỳ mùa lũ (tháng 6 đến tháng 8). Số lượng điểm lấy mẫu trên dòng chính còn ít (3 điểm), chưa bao phủ toàn diện các vi lưu vực nhỏ.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng mạng lưới quan trắc định kỳ cả mùa mưa và mùa khô trên toàn bộ lưu vực sông Bằng Giang và sông Hiến; nghiên cứu ứng dụng các mô hình toán mô phỏng thủy lực và lan truyền chất ô nhiễm (như MIKE 11, QUAL2K) để đánh giá chính xác khả năng tự làm sạch và sức chịu tải của nguồn nước.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên các ngành Quản lý Tài nguyên Môi trường, Địa chính Môi trường, Khoa học Môi trường và Kỹ thuật Môi trường khi thực hiện các đồ án, khóa luận đánh giá chất lượng nước mặt lục địa.
  • Giá trị nội dung: Cung cấp quy trình bài bản về phương pháp tính toán chỉ số WQI theo Quyết định số 879/QĐ-TCMT, phương pháp ước tính tải lượng ô nhiễm từ nước thải đô thị theo hướng dẫn của WHO và JICA, cùng bộ cơ sở dữ liệu thực tế về môi trường nước sông Bằng Giang năm 2014 phục vụ công tác quản lý tài nguyên nước tại tỉnh Cao Bằng.

Câu hỏi thường gặp

1. Chỉ số chất lượng nước (WQI) tại điểm quan trắc trung tâm thành phố Cao Bằng (NM2) đạt bao nhiêu và thuộc mức nào?

Tại điểm NM2 (phía sau khách sạn Bằng Giang, khu vực chợ Xanh), giá trị WQI tính toán được là 65, tương ứng với phân loại chất lượng nước Loại III (Mức màu Vàng). Mức này biểu thị nguồn nước bị ô nhiễm hữu cơ ở mức trung bình, không thể dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt mà chỉ phục vụ tưới tiêu nông nghiệp và các mục đích tương đương.

2. Nguyên nhân nào khiến các thông số $BOD_5$, $COD$ và $P\text{-}PO_4^{3-}$ tại khu vực chợ Xanh và cầu Hoàng Ngà vượt quy chuẩn?

Đoạn sông qua chợ Xanh (NM2) và cầu Hoàng Ngà (NM3) là trung tâm đô thị, tiếp nhận trực tiếp lượng nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý của 62.921 cư dân, hoạt động dịch vụ khách sạn, nước thải chợ Xanh và nước thải từ Bệnh viện Đa khoa tỉnh (100 m³/ngày). Hàm lượng chất hữu cơ, dầu mỡ, chất tẩy rửa sinh hoạt và dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt đô thị đã đẩy $BOD_5$ lên 8,6 mg/l (vượt 1,4 lần cột A2), $COD$ lên 27 mg/l (vượt 1,8 lần cột A2) và $P\text{-}PO_4^{3-}$ lên 0,75 mg/l (vượt 3,75 lần cột A2).

3. Điểm quan trắc nào trên địa bàn có chất lượng nước tốt nhất và chỉ số WQI là bao nhiêu?

Điểm quan trắc NM-BS5 tại Suối Hà Trì có chất lượng nước tốt nhất với chỉ số WQI đạt 91, xếp vào Loại I (Mức màu Xanh nước biển). Đây là khu vực dân cư thưa thớt, xung quanh là đồi núi, ít chịu tác động của sản xuất công nghiệp và khai khoáng, nguồn nước có thể sử dụng tốt cho mục đích cấp nước sinh hoạt sau khi xử lý đơn giản.

4. Tải lượng các chất ô nhiễm chính phát sinh từ nước thải sinh hoạt của thành phố Cao Bằng thải vào sông Bằng Giang là bao nhiêu?

Theo tính toán của tác giả dựa trên định mức tải lượng của WHO (1993) và lưu lượng nước thải 7.550 m³/ngày của 62.921 người dân, tải lượng các chất ô nhiễm sinh hoạt phát sinh hàng ngày đổ ra sông Bằng Giang gồm: 3.146 kg/ngày $BOD_5$; 5.914 kg/ngày $COD$; 6.732 kg/ngày $TSS$; 566 kg/ngày Tổng Nitơ; và 151 kg/ngày Tổng Photpho.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Đỗ Nông Lưu đã phản ánh toàn diện hiện trạng môi trường nước sông Bằng Giang đoạn qua thành phố Cao Bằng năm 2014 thông qua việc tích hợp các phương pháp đo đạc thực địa, phân tích phòng thí nghiệm và tính toán chỉ số WQI. Kết quả cho thấy dòng sông đang chịu áp lực ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng cục bộ tại khu vực trung tâm đô thị và các cống xả khu công nghiệp (WQI dao động từ 62 đến 74, thuộc Loại III), trong khi các nhánh suối tự nhiên như suối Hà Trì vẫn giữ được chất lượng tốt (WQI = 91, Loại I). Hệ thống giải pháp được đề xuất mang tính đồng bộ từ quản lý hành chính, quy hoạch mạng lưới thoát nước, kiểm soát xả thải y tế - công nghiệp đến xử lý rác thải sinh hoạt, cung cấp cơ sở khoa học thiết thực cho công tác bảo vệ môi trường nước mặt tại địa phương.