Tổng quan nghiên cứu

Sông Cầu là một trong những trục thủy văn huyết mạch thuộc hệ thống sông Thái Bình với tổng chiều dài 288 km, diện tích lưu vực 6.030 km2 và lưu lượng dòng chảy bình quân khoảng 4,5 tỷ m3/năm. Đoạn sông Cầu chảy qua trung tâm thành phố Thái Nguyên có chiều dài khoảng 25 km, đóng vai trò sống còn trong việc cung cấp nước phục vụ sản xuất công nghiệp, tưới tiêu nông nghiệp và sinh hoạt cho một đô thị loại I có diện tích 222,93 km2 cùng dân số 364.078 người với mật độ 1.633 người/km2. Tuy nhiên, áp lực đô thị hóa gia tăng cùng với hoạt động xả thải sinh hoạt và sản xuất công nghiệp dọc hai bên bờ sông đã khiến chất lượng nước mặt suy thoái nghiêm trọng, đặc biệt vào mùa cạn khi lưu lượng tự nhiên giảm xuống mức 3,23 m3/s so với lưu lượng 620 m3/s trong mùa mưa lũ.

Nghiên cứu được triển khai nhằm mục tiêu đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng môi trường nước mặt sông Cầu đoạn chảy qua địa bàn thành phố Thái Nguyên, xác định các nguồn thải chính và phân tích biến động các thông số lý hóa học, vi sinh vật trong giai đoạn 2019-2020. Phạm vi không gian nghiên cứu bao quát 3 điểm quan trắc đại diện gồm Sơn Cẩm, Cầu Gia Bảy và Đập Thác Huống qua 4 đợt khảo sát từ tháng 11/2019 đến tháng 05/2020. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là cung cấp cơ sở khoa học định lượng giúp các cơ quan quản lý nhà nước lập quy hoạch bảo vệ tài nguyên nước và kiểm soát an toàn cho hệ thống cấp nước sinh hoạt đạt công suất 40.000 m3/ngày, hiện đang phục vụ cho 93% số hộ dân nội thành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng lý thuyết lan truyền và tự làm sạch chất ô nhiễm trong môi trường nước mặt kết hợp với mô hình đánh giá sức tải nguồn tiếp nhận chất thải theo định hướng của Luật Bảo vệ Môi trường năm 2014 và Luật Tài nguyên nước năm 2012. Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp phương pháp đánh giá chỉ số chất lượng nước tổng hợp WQI trên thang điểm từ 0 đến 100 và hệ thống quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 08-MT:2015/BTNMT ở cả hai cấp độ cột A2 phục vụ cấp nước sinh hoạt sau xử lý và cột B1 phục vụ tưới tiêu, thủy sản.

Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa trong nghiên cứu bao gồm:

  • Ô nhiễm môi trường nước: Sự biến đổi tính chất vật lý, hóa học và sinh học của nước mặt không phù hợp với quy chuẩn kỹ thuật cho phép, gây rủi ro sinh thái và đe dọa sức khỏe con người.
  • Nhu cầu oxy sinh hóa trong 5 ngày (BOD5) và nhu cầu oxy hóa học (COD): Các chỉ số phản ánh định lượng mức độ ô nhiễm của các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học và tổng lượng chất hữu cơ cần oxy hóa.
  • Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) và hợp chất dinh dưỡng (NH4+, NO3-, P-PO4): Nhóm chỉ thị thể hiện tình trạng xói mòn, rửa trôi bùn đất và nguy cơ phú dưỡng hóa do nước thải sinh hoạt, nông nghiệp.
  • Chỉ thị vi sinh Coliform và kim loại nặng (Fe, Pb): Các tham số đặc trưng đo lường nguy cơ lây truyền mầm bệnh sinh học và ô nhiễm độc chất vô cơ từ công nghiệp khai khoáng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập dữ liệu sơ cấp thông qua việc thiết lập cỡ mẫu gồm 12 mẫu nước mặt đại diện được lấy qua 4 đợt quan trắc định kỳ: đợt 6 năm 2019 (tháng 11/2019), đợt 1 năm 2020 (tháng 01/2020), đợt 2 năm 2020 (tháng 03/2020) và đợt 3 năm 2020 (tháng 05/2020). Phương pháp chọn mẫu áp dụng nguyên tắc lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng tại tầng mặt theo TCVN 6663-3:2008 ở 3 vị trí chiến lược: Sơn Cẩm (thượng lưu tiếp nhận nước thải sản xuất giấy và khai khoáng), Cầu Gia Bảy (trung tâm đô thị tiếp nhận suối Mỏ Bạch và suối Phượng Hoàng), và Đập Thác Huống (hạ lưu tích tụ tải lượng ô nhiễm tổng hợp). Mẫu nước được bảo quản lạnh nghiêm ngặt ở nhiệt độ 4 độ C trong thùng đá chuyên dụng và vận chuyển về phòng thí nghiệm trong vòng 24 giờ.

Song song đó, phương pháp điều tra xã hội học được thực hiện với cỡ mẫu 100 phiếu phỏng vấn ngẫu nhiên các hộ dân dọc hai bên bờ sông Cầu nhằm thu thập thông tin về hiện trạng phát sinh nước thải sinh hoạt và nhận thức bảo vệ môi trường. Các phương pháp phân tích phòng thí nghiệm được chọn lọc theo tiêu chuẩn SMEWW và TCVN (như TCVN 6492:2011 cho pH, TCVN 7325:2005 cho DO, SMEWW 5210D cho BOD5, SMEWW 5220C cho COD, TCVN 6177:1996 cho Fe, SMEWW 3113-B cho Pb và SMEWW 9221B cho Coliform). Lý do lựa chọn các phương pháp này là nhằm đảm bảo độ lặp lại cao, triệt tiêu sai số thực nghiệm và tương thích tuyệt đối với các ngưỡng kiểm soát của QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu ghi nhận hiện tượng ô nhiễm hữu cơ và hóa học tăng cao cục bộ vào các thời điểm cuối năm và mùa kiệt. Tại trạm quan trắc Sơn Cẩm vào đợt 1 năm 2020, chỉ tiêu BOD5 đạt mức 18 mg/l, vượt 3,0 lần so với ngưỡng cột A2 và vượt 1,2 lần cột B1 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT; đồng thời chỉ tiêu COD chạm ngưỡng 30 mg/l, vượt 2,0 lần so với cột A2. Tại điểm Cầu Gia Bảy, nồng độ BOD5 trong đợt 6 năm 2019 và đợt 3 năm 2020 lần lượt đạt 6,5 mg/l và 6,6 mg/l, vượt 1,08 đến 1,1 lần cột A2; chỉ số COD ở đợt 6 năm 2019 đạt 22,1 mg/l, vượt 1,47 lần cột A2.

Ô nhiễm chất rắn lơ lửng và kim loại nặng bùng phát mạnh vào thời điểm đầu mùa mưa. Trong đợt 3 năm 2020, chỉ số TSS tại Cầu Gia Bảy tăng vọt lên mức 348 mg/l, vượt 11,6 lần cột A2 và vượt 6,96 lần cột B1; tại Đập Thác Huống, TSS đạt 242 mg/l, vượt 8,07 lần cột A2. Kéo theo đó, hàm lượng Fe tại Cầu Gia Bảy đạt 2,86 mg/l (vượt 2,86 lần cột A2 và 1,9 lần cột B1) và tại Đập Thác Huống đạt 1,89 mg/l (vượt 1,89 lần cột A2).

Chỉ tiêu Amoni (NH4+) và vi sinh Coliform ghi nhận sự vượt chuẩn nghiêm trọng tại một số thời điểm. Điểm Đập Thác Huống trong đợt 6 năm 2019 có hàm lượng NH4+ lên tới 1,25 mg/l, vượt 4,17 lần cột A2 và 1,39 lần cột B1. Chỉ tiêu Coliform tại Đập Thác Huống vào đợt 3 năm 2020 đạt 5.400 MPN/100ml, vượt 1,08 lần so với giới hạn an toàn cấp nước sinh hoạt cột A2.

Chất lượng nước có sự phục hồi đáng kể trong giai đoạn giãn cách xã hội đợt 2 năm 2020. Các chỉ số hữu cơ tại cả 3 trạm đo đều giảm sâu: BOD5 tại Sơn Cẩm đạt 4,8 mg/l, Cầu Gia Bảy đạt 4,5 mg/l, Đập Thác Huống đạt 4,4 mg/l; COD duy trì ở mức thấp từ 6,1 đến 7,9 mg/l; hàm lượng TSS giảm về mức an toàn từ 5,5 đến 6,0 mg/l, đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn cột A2.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản dẫn tới suy thoái chất lượng nước sông Cầu là sự tương tác phức tạp giữa chế độ thủy văn và hoạt động kinh tế xã hội. Vào mùa khô, dòng chảy sông Cầu suy giảm chỉ còn 3,23 m3/s, khiến lượng nước thải sinh hoạt và sản xuất chiếm tới 15% tổng lưu lượng nước sông, làm triệt tiêu khả năng tự làm sạch tự nhiên. Nguồn nước thải từ 364.078 cư dân đô thị phần lớn chưa qua xử lý tập trung xả trực tiếp vào hai phụ lưu suối Phượng Hoàng và suối Mỏ Bạch, mang theo lượng lớn chất hữu cơ, nitơ và vi sinh vật đổ thẳng ra khu vực Cầu Gia Bảy.

Tại khu vực Sơn Cẩm, nước thải từ các nhà máy sản xuất giấy (độ pH kiềm từ 8,4 đến 9,0 và nồng độ NH4+ lên đến 4,0 mg/l) cùng hoạt động khai thác than Khánh Hòa và các bãi rửa quặng sắt giải phóng lượng lớn bùn thải chứa kim loại nặng. Khi mùa mưa đến vào tháng 5 năm 2020, nước mưa rửa trôi đất đá và chất thải quặng bề mặt từ thượng nguồn, làm bùng phát nồng độ TSS và Fe.

So sánh với các nghiên cứu của Nguyễn Đăng Anh năm 2017 (TSS Sơn Cẩm đạt 123,6 mg/l, NH4+ đạt 0,99 mg/l) và Nguyễn Anh Tuyên năm 2018 (TSS Sơn Cẩm lên tới 281,9 mg/l), chất lượng nước giai đoạn 2019-2020 đã có sự cải thiện nhẹ ở một số chỉ tiêu hóa học thông thường nhưng tính dao động thất thường của TSS và Fe trong mùa mưa lại gia tăng. Để minh họa trực quan, các chuỗi dữ liệu này có thể được trình bày thông qua biểu đồ đường đa trục phản ánh xu thế biến thiên của DO, BOD5, COD theo thời gian, kết hợp biểu đồ cột xếp chồng thể hiện nồng độ TSS và Fe đối chiếu trực tiếp với các đường ngưỡng chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

Đề xuất và khuyến nghị

Xây dựng và nâng cấp hệ thống xử lý nước thải tập trung: Ủy ban nhân dân thành phố Thái Nguyên cần phối hợp cùng Sở Xây dựng đẩy nhanh tiến độ xây dựng trạm xử lý nước thải đô thị công suất từ 20.000 đến 30.000 m3/ngày đêm, đi kèm hệ thống cống thu gom tách riêng nước mưa và nước thải sinh hoạt. Mục tiêu đặt ra là xử lý tối thiểu 70% tổng lượng nước thải sinh hoạt đô thị và 100% nước thải y tế bệnh viện đạt tiêu chuẩn môi trường trước năm 2025.

Siết chặt kiểm soát và xử phạt vi phạm xả thải công nghiệp: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Nguyên cần bắt buộc 100% các nhà máy giấy, cơ sở luyện kim và mỏ than Khánh Hòa phải vận hành trạm xử lý nước thải đạt chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT, đồng thời lắp đặt hệ thống quan trắc nước thải tự động truyền dữ liệu liên tục 24/7 về trung tâm giám sát. Mục tiêu là cắt giảm từ 35% đến 40% tải lượng TSS và chất hữu cơ công nghiệp phát thải trong lộ trình 2021-2024.

Quy hoạch cắm mốc hành lang bảo vệ nguồn nước và nạo vét bùn đáy: Chi cục Thủy lợi và Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cần khẩn trương hoàn thành việc cắm mốc hành lang bảo vệ nguồn nước sông Cầu và các nhánh suối Phượng Hoàng, suối Mỏ Bạch theo Nghị định số 43/2015/NĐ-CP. Đồng thời, tổ chức nạo vét định kỳ bùn lắng từ 1 đến 2 lần mỗi năm trước mùa lũ nhằm giảm thiểu hiện tượng tái phân tán chất ô nhiễm và sắt hữu cơ vào khối nước, thực thi xuyên suốt giai đoạn 2022-2025.

Mở rộng mạng lưới quan trắc và tuyên truyền cộng đồng: Nâng tần suất quan trắc nước mặt định kỳ từ 4 đợt lên 6 đến 8 đợt/năm, kết hợp ứng dụng GIS để xây dựng bản đồ cảnh báo ô nhiễm trực tuyến. Các đoàn thể địa phương cần triển khai sâu rộng phong trào bảo vệ lưu vực sông Cầu, phấn đấu đạt tỷ lệ trên 85% hộ gia đình nội thành thực hiện phân loại rác thải tại nguồn vào năm 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường: Các cán bộ tại Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Nguyên, Chi cục Bảo vệ Môi trường có thể sử dụng bộ dữ liệu định lượng 11 thông số và danh mục nguồn thải để làm cơ sở cấp phép xả thải, đánh giá tác động môi trường (ĐTM) và hoạch định chính sách bảo vệ lưu vực sông Cầu định hướng đến năm 2030.

Đơn vị sản xuất và cấp thoát nước: Công ty Cổ phần Nước sạch Thái Nguyên và ban quản lý các dự án cấp nước có thể khai thác số liệu về biến động TSS (348 mg/l) và Fe (2,86 mg/l) để tối ưu hóa quy trình keo tụ, khử sắt tại các nhà máy nước có công suất 40.000 m3/ngày, bảo đảm cấp nước an toàn 100 lít/người/ngày cho hơn 360.000 người dân.

Doanh nghiệp sản xuất công nghiệp và khai khoáng: Lãnh đạo các nhà máy giấy, khu Gang Thép Thái Nguyên và mỏ than có thể tham khảo dữ liệu tải lượng ô nhiễm để tiến hành kiểm toán môi trường, cải tiến công nghệ sản xuất sạch hơn và nâng cấp hệ thống xử lý nước thải nội bộ.

Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên sau đại học: Các nhà khoa học chuyên ngành Khoa học Môi trường và Quản lý Tài nguyên Nước có thể sử dụng quy trình phân tích, chuỗi số liệu 4 đợt thực địa và mô hình đánh giá của luận văn làm tài liệu giảng dạy, tham khảo và phát triển các công trình nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

Chất lượng nước sông Cầu đoạn qua thành phố Thái Nguyên có thể dùng trực tiếp cho sinh hoạt được không? Không thể sử dụng trực tiếp cho mục đích sinh hoạt do nước sông có thời điểm ghi nhận nồng độ BOD5 vượt 3,0 lần (18 mg/l) và vi sinh Coliform vượt 1,08 lần (5.400 MPN/100ml) so với ngưỡng cột A2 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT. Nguồn nước này bắt buộc phải qua dây chuyền keo tụ, khử trùng tại nhà máy nước trước khi đưa vào mạng lưới cấp nước dân sinh.

Tại sao nồng độ TSS và Fe lại tăng vọt tại Cầu Gia Bảy vào đợt quan trắc tháng 5 năm 2020? Hiện tượng nồng độ TSS tăng lên 348 mg/l (vượt 11,6 lần cột A2) và Fe tăng lên 2,86 mg/l (vượt 2,86 lần cột A2) xuất phát từ các trận mưa rào đầu mùa hạ. Nước mưa cuốn trôi một lượng lớn bùn đất xói mòn, xác hữu cơ và quặng sắt từ các khu vực khai khoáng thượng nguồn đổ dồn vào dòng suối Mỏ Bạch và lòng sông chính.

Thời gian giãn cách xã hội tác động như thế nào đến sự thay đổi chất lượng nước sông Cầu? Giai đoạn giãn cách xã hội vào tháng 3 năm 2020 đã tạo điều kiện cho sông Cầu phục hồi chất lượng nước ngoạn mục. Do các cơ sở dịch vụ, nhà hàng và sản xuất tạm ngừng hoạt động, chỉ số BOD5 tại cả 3 trạm đo giảm mạnh về mức 4,4 đến 4,8 mg/l, COD giảm xuống 6,1 đến 7,9 mg/l và TSS chỉ còn 5,5 đến 6,0 mg/l, đạt tiêu chuẩn cấp nước loại A2.

Các phụ lưu chính nào đang gây ô nhiễm nghiêm trọng nhất cho sông Cầu tại khu vực đô thị? Đoạn sông qua trung tâm thành phố chịu tải lượng ô nhiễm lớn nhất từ suối Mỏ Bạch và suối Phượng Hoàng trước khi hợp lưu tại Cầu Gia Bảy. Các phụ lưu này tiếp nhận nước thải sinh hoạt từ khu vực nội thành có mật độ 1.633 người/km2 và các cơ sở tiểu thủ công nghiệp chưa qua xử lý, gây tích tụ hàm lượng hữu cơ và amoni cao.

Những văn bản pháp lý nền tảng nào được sử dụng để đối chiếu đánh giá trong nghiên cứu? Luận văn áp dụng hệ thống văn bản pháp lý gồm Luật Bảo vệ Môi trường 2014, Luật Tài nguyên nước 2012, Nghị định số 43/2015/NĐ-CP về lập hành lang bảo vệ nguồn nước, Nghị định số 82/2017/NĐ-CP về tính tiền cấp quyền khai thác nước và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng nước mặt sông Cầu qua 11 chỉ tiêu hóa lý và vi sinh tại 3 điểm quan trắc chiến lược trong 4 đợt khảo sát giai đoạn 2019-2020.
  • Kết quả thực nghiệm khẳng định nước sông Cầu đang chịu áp lực ô nhiễm chất hữu cơ (BOD5 đạt 18 mg/l), ô nhiễm chất rắn lơ lửng (TSS lên tới 348 mg/l) và vi sinh vật vào các thời điểm mùa kiệt và đầu mùa mưa.
  • Nghiên cứu đã xác định rõ nguồn gây ô nhiễm trọng yếu đến từ nước thải sinh hoạt của 364.078 cư dân và nước thải công nghiệp từ sản xuất giấy, luyện kim, khai khoáng dọc đoạn sông dài 25 km.
  • Đề xuất các nhóm giải pháp đồng bộ giai đoạn 2021-2025 gồm xây dựng trạm xử lý nước thải 30.000 m3/ngày đêm, kiểm soát 100% nguồn thải công nghiệp và nâng cao tần suất quan trắc định kỳ để giảm 35% đến 40% tải lượng ô nhiễm.
  • Hãy tham khảo chi tiết toàn văn luận văn thạc sĩ khoa học môi trường này để có cơ sở dữ liệu khoa học chuẩn xác trong công tác quản lý và bảo vệ bền vững tài nguyên nước lưu vực sông Cầu.