Giới thiệu dự án

Hệ thống sông ngòi tại vùng duyên hải Bắc Bộ đóng vai trò huyết mạch trong việc duy trì an ninh nguồn nước và phát triển kinh tế - xã hội. Thành phố Hải Phòng sở hữu mạng lưới sông ngòi dày đặc với mật độ 0,6 – 0,8 km/km² và tổng lượng dòng chảy hàng năm đạt khoảng 77,2 tỷ m³/năm. Tuy nhiên, nguồn nước phân bố không đồng đều theo thời gian: tổng lượng dòng chảy vào mùa kiệt (tháng 3 và tháng 4) chỉ chiếm 4,7% cả năm, trong khi mùa lũ (tháng 8) chiếm tới 15,9%. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu và tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, sông Đa Độ – chi lưu dài 48,7 km của sông Văn Úc, chảy qua 5 quận, huyện trọng điểm gồm An Lão, Kiến Thụy, Kiến An, Dương Kinh, Đồ Sơn – đang đối mặt với nguy cơ suy thoái kép: ô nhiễm hữu cơ - vi sinh và xâm nhập mặn nghiêm trọng.

       [Sông Văn Úc] (Thượng lưu)

Sông Đa Độ có nhiệm vụ cấp nước thô sinh hoạt cho Nhà máy nước Cầu Nguyệt (công suất 40.000 m³/ngày đêm), hơn 30 nhà máy nước mini, cấp nước tưới tiêu cho 16.018 ha đất nông nghiệp, 2.990 ha nuôi trồng thủy sản, phục vụ tiêu úng cho 32.587 ha đất tự nhiên, đồng thời cung cấp trung bình 85,22 triệu m³ nước thô/năm cho công nghiệp và đô thị. Tuy nhiên, các nguồn thải sinh hoạt chưa qua xử lý từ các khu dân cư dọc hai bên bờ sông, nước thải nông nghiệp chứa hóa chất bảo vệ thực vật, cùng với chế độ nhật triều biển Đông (biên độ triều dao động từ 3,7 m đến 4,44 m) đã đẩy nồng độ mặn và các chỉ tiêu ô nhiễm lên mức báo động. Điển hình, vào các tháng cuối năm 2019, độ mặn nước thô tại sông Đa Độ tăng gấp 2 lần so với giới hạn quy định tại QCVN 08-MT:2015/BTNMT (Cột A1) và cao gấp 50 lần so với điều kiện thông thường.

Dự án khóa luận tập trung giải quyết 4 mục tiêu cốt lõi:

  1. Đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng môi trường nước mặt sông Đa Độ giai đoạn 2021 - 2023 dựa trên 19 thông số hóa lý, kim loại nặng và vi sinh vật.
  2. Ứng dụng chỉ số chất lượng nước Việt Nam (VN_WQI) theo Quyết định số 879/QĐ-TCMT để phân vùng và xếp hạng chất lượng nguồn nước theo không gian và thời gian.
  3. Phân tích nguyên nhân, cơ chế lan truyền và diễn biến xâm nhập mặn trên toàn bộ trục chính hệ thống thủy lợi Đa Độ.
  4. Đề xuất tổ hợp giải pháp công trình (nạo vét lòng dẫn, tự động hóa hệ thống cống ngăn triều Trung Trang - Cổ Tiểu) và phi công trình (giám sát tự động, quy chế xả thải) nhằm bảo vệ bền vững nguồn tài nguyên nước ngọt.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn dọc tuyến sông Đa Độ từ cống đầu mối Trung Trang (huyện An Lão) đến cống Cổ Tiểu (huyện Kiến Thụy) trong giai đoạn quan trắc 2021 – 2023. Nghiên cứu không đi sâu vào việc thiết kế chi tiết kết cấu công trình thủy công mà tập trung vào mô hình hóa chất lượng nước, thủy lực điều tiết và cơ chế phòng chống nhiễm mặn.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước đây, công tác đánh giá và kiểm soát ô nhiễm tại lưu vực sông Đa Độ chủ yếu dựa vào phương pháp quan trắc định kỳ thủ công, rời rạc và việc điều tiết cống tự chảy dựa trên kinh nghiệm thủy triều cục bộ.

Tiêu chí so sánh Phương pháp quan trắc truyền thống Mô hình tích hợp WQI & SCADA đề xuất
Tần suất dữ liệu Gián đoạn (1 - 3 tháng/lần) Liên tục theo thời gian thực (Real-time IoT/SCADA)
Độ bao phủ chỉ số Phân tích đơn lẻ từng thông số (BOD, COD, TSS) Tích hợp đa thông số thành chỉ số định lượng VN_WQI
Kiểm soát xâm mặn Đóng/mở cống thủ công theo lịch triều tĩnh Điều tiết đóng mở tự động theo ngưỡng cảm biến $Cl^-$ và $EC$
Khả năng dự báo Kém, phụ thuộc số liệu quá khứ Chủ động dự báo theo diễn biến đỉnh triều và dòng chảy kiệt
Chi phí vận hành dài hạn Chi phí nhân sự lấy mẫu và thí nghiệm cao Tối ưu hóa chi phí vận hành, giảm sai số con người

Phân tích yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:

  • Must-have (Bắt buộc): Giám sát liên tục các thông số pH, DO, TSS, COD, $NH_4^+$, $NO_3^-$, $PO_4^{3-}$, Coliform; tính toán tự động VN_WQI; xác lập ngưỡng cảnh báo độ mặn ($EC > 1000\ \mu\text{S/cm}$ hoặc Clorua $> 250\ \text{mg/l}$).
  • Should-have (Cần có): Cơ chế liên động điều khiển tự động cửa van cống Trung Trang và Cổ Tiểu theo chế độ nhật triều và nồng độ mặn; module cảnh báo sớm qua Dashboard.
  • Could-have (Có thể có): Tích hợp mô hình số trị thủy lực 1D/2D (như MIKE 11 hoặc HEC-RAS) để mô phỏng trường lan truyền mặn đa kịch bản.
  • Won't-have (Chưa thực hiện): Tự động hóa xử lý sinh học trực tiếp tại lòng sông tự nhiên.

Hệ thống phải giải quyết bài toán thủy lực phức tạp: sông Đa Độ có lòng dẫn quanh co dài 48,7 km, bề rộng thay đổi từ 100 m đến trên 400 m, cao trình đáy trung bình từ $-3,0\ \text{m}$ đến $-4,0\ \text{m}$ (nơi sâu nhất $-7,0\ \text{m}$, nơi nông chỉ $-0,9\ \text{m}$). Lớp bùn lắng đáy trung bình dày $> 1,0\ \text{m}$ làm giảm đáng kể khả năng lưu thông dòng chảy, trong khi hệ số tiêu thoát nước đô thị hóa của vùng đã tăng từ $4,60\ \text{l/s/ha}$ (giai đoạn 1973 - 1976) lên mức $18,52 - 23,06\ \text{l/s/ha}$ hiện nay.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc giải pháp bảo vệ chất lượng nước và phòng chống xâm nhập mặn được thiết kế theo cấu trúc 4 tầng chuẩn công nghiệp:

Công nghệ sử dụng trong nghiên cứu và chuẩn hóa hệ thống:

  • Công cụ phân tích và tính toán: Python 3.10, NumPy, Pandas, Scipy; QGIS 3.28 LTR phục vụ bản đồ hóa GIS tọa độ VN-2000.
  • Hệ thống cơ sở dữ liệu: PostgreSQL 15 kết hợp TimescaleDB phục vụ phân tích chuỗi dữ liệu thủy văn và hóa lý nhiều năm.
  • Tiêu chuẩn kiểm chuẩn: QCVN 08-MT:2015/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt - Cột A1 dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt) và Quyết định 879/QĐ-TCMT.

Cấu trúc lược đồ cơ sở dữ liệu quan trắc:

CREATE TABLE water_monitoring_stations (
    station_id VARCHAR(10) PRIMARY KEY,
    station_name VARCHAR(100) NOT NULL,
    coord_x DOUBLE PRECISION NOT NULL, -- Hệ tọa độ VN-2000 múi 3 độ
    coord_y DOUBLE PRECISION NOT NULL,
    river_mileage_km DOUBLE PRECISION NOT NULL
);

CREATE TABLE water_quality_records (
    record_id SERIAL PRIMARY KEY,
    station_id VARCHAR(10) REFERENCES water_monitoring_stations(station_id),
    sample_timestamp TIMESTAMPTZ NOT NULL,
    temperature_c DOUBLE PRECISION,
    ph_val DOUBLE PRECISION,
    do_mg_l DOUBLE PRECISION,
    tss_mg_l DOUBLE PRECISION,
    bod5_mg_l DOUBLE PRECISION,
    cod_mg_l DOUBLE PRECISION,
    nh4_n_mg_l DOUBLE PRECISION,
    no2_n_mg_l DOUBLE PRECISION,
    no3_n_mg_l DOUBLE PRECISION,
    po4_p_mg_l DOUBLE PRECISION,
    coliform_mpn_100ml INT,
    ec_us_cm DOUBLE PRECISION,
    chloride_mg_l DOUBLE PRECISION,
    calculated_wqi INT
);

Methodology

Phương pháp luận nghiên cứu gồm 4 hợp phần chuẩn hóa:

  1. Khảo sát thực địa và định vị trạm: Sử dụng hệ tọa độ phẳng UTM VN-2000 (múi chiếu 3°, kinh tuyến trục 105°45’) xác lập 4 trạm quan trắc đại diện:
    • NM1: Cống Trung Trang (Thượng lưu nhận nước từ sông Văn Úc, $X = 2303427$, $Y = 577818$)
    • NM2: Cầu Vàng (Trung lưu, $X = 2305313$, $Y = 583599$)
    • NM3: Cống Cổ Tiểu (Hạ lưu tiếp giáp cửa thoát biển, $X = 2390674$, $Y = 597200$)
    • NM4: Cầu Nguyệt (Điểm thu nước thô Nhà máy nước Cầu Nguyệt, $X = 2345667$, $Y = 589789$)
  2. Quy trình lấy mẫu và bảo quản: Mẫu nước mặt được thu thập theo định kỳ (năm 2021: 3 tháng/lần; năm 2022: 2 tháng/lần; năm 2023: 1 tháng/lần). Sử dụng bình chứa polyetylen/thủy tinh bosilicat đã súc rửa bằng dung dịch $K_2Cr_2O_7 + H_2SO_4$, tráng 3 lần bằng nước mẫu tại hiện trường. Mẫu được bảo quản lạnh ở $4^\circ\text{C}$ và vận chuyển về phòng thí nghiệm đạt chuẩn ISO/IEC 17025 để phân tích trong vòng 24 giờ.
  3. Thuật toán đánh giá VN_WQI:
    • Tính nồng độ oxy hòa tan bão hòa ($DO_{\text{bão hòa}}$) phụ thuộc nhiệt độ môi trường nước $T$ ($^\circ\text{C}$): $$DO_{\text{bão hòa}} = 14,652 - 0,41022 \cdot T + 0,0079910 \cdot T^2 - 0,000077774 \cdot T^3$$
    • Tính toán chỉ số phụ $WQI_{SI}$ cho từng thông số theo công thức nội suy tuyến tính: $$WQI_{SI} = \frac{q_i - q_{i+1}}{BP_{i+1} - BP_i} \cdot (BP_{i+1} - C_p) + q_{i+1}$$
    • Tính toán chỉ số tổng hợp $WQI$: $$WQI = \frac{WQI_{pH}}{100} \cdot \left[ \frac{1}{5}\sum_{a=1}^{5} WQI_a \cdot \frac{1}{2}\sum_{b=1}^{2} WQI_b \cdot WQI_c \right]^{\frac{1}{3}}$$ Trong đó: $WQI_a$ là nhóm thông số hữu cơ & dinh dưỡng (DO, BOD5, COD, $N\text{-}NH_4^+$, $P\text{-}PO_4^{3-}$); $WQI_b$ là nhóm hạt lơ lửng (TSS, độ đục); $WQI_c$ là nhóm vi sinh (Tổng Coliform); $WQI_{pH}$ là chỉ số thành phần của pH.
  4. Đánh giá rủi ro và quản lý chất lượng số liệu: Toàn bộ dữ liệu phân tích hóa nghiệm được kiểm tra độ lặp lại (RPD $< 10%$) và độ thu hồi (Recovery $85 - 115%$) trước khi đưa vào mô hình tính toán.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình triển khai tính toán và xử lý số liệu quan trắc đa năm được mô đun hóa bằng Python script thực thi tự động quy chuẩn tính toán WQI theo Quyết định 879/QĐ-TCMT:

import math
import numpy as np

def calculate_do_saturation(temp_c: float, do_measured: float) -> float:
    """Tính nồng độ DO bão hòa và tỷ lệ % bão hòa theo QĐ 879/QĐ-TCMT"""
    do_sat = (14.652 - 0.41022 * temp_c + 
              0.0079910 * (temp_c ** 2) - 
              0.000077774 * (temp_c ** 3))
    do_percent = (do_measured / do_sat) * 100.0
    return do_percent

def get_wqi_do(do_percent: float) -> float:
    """Nội suy WQI cho thông số DO bão hòa"""
    if do_percent <= 20.0 or do_percent >= 200.0:
        return 1.0
    elif 88.0 <= do_percent <= 112.0:
        return 100.0
    elif 20.0 < do_percent < 88.0:
        # Bảng quy định BP: 20 -> 50 -> 75 -> 88 tương ứng q: 25 -> 50 -> 75 -> 100
        bp = [20.0, 50.0, 75.0, 88.0]
        q = [25.0, 50.0, 75.0, 100.0]
    else: # 112.0 < do_percent < 200.0
        bp = [112.0, 125.0, 150.0, 200.0]
        q = [100.0, 75.0, 50.0, 25.0]
    return np.interp(do_percent, bp, q)

def calculate_vn_wqi(params: dict) -> int:
    """
    Tính chỉ số WQI tổng hợp đa thông số
    params keys: 'pH', 'DO_sat', 'BOD5', 'COD', 'NH4', 'PO4', 'TSS', 'Turbidity', 'Coliform'
    """
    wqi_ph = 100.0 if (6.0 <= params['pH'] <= 8.5) else 50.0
    
    # Nhóm a: DO, BOD5, COD, NH4, PO4 (5 thông số)
    wqi_a = [params['wqi_do'], params['wqi_bod5'], params['wqi_cod'], 
             params['wqi_nh4'], params['wqi_po4']]
    mean_a = sum(wqi_a) / 5.0
    
    # Nhóm b: TSS, Độ đục (2 thông số)
    wqi_b = [params['wqi_tss'], params['wqi_turbidity']]
    mean_b = sum(wqi_b) / 2.0
    
    # Nhóm c: Coliform
    wqi_c = params['wqi_coliform']
    
    # Tính WQI tổng hợp
    wqi_raw = (wqi_ph / 100.0) * math.pow(mean_a * mean_b * wqi_c, 1.0 / 3.0)
    return int(round(wqi_raw))

Testing và validation

Số liệu quan trắc thực tế thu thập từ Trung tâm Quan trắc Môi trường (Sở TN&MT Hải Phòng) và Công ty Cổ phần Cấp nước Hải Phòng giai đoạn 2021 – 2023 tại 4 trạm được đối chiếu chi tiết với ngưỡng giới hạn QCVN 08-MT:2015/BTNMT (Cột A1):

Trạm quan trắc Thông số điển hình Năm 2021 (Min - Max) Năm 2022 (Min - Max) Năm 2023 (Min - Max) Ngưỡng QCVN 08 (Cột A1)
NM1: Cống Trung Trang pH 7,36 - 7,60 7,32 - 7,53 - 6,0 - 8,5
DO (mg/l) 6,23 - 6,56 6,36 - 6,60 - $\ge 6,0$
TSS (mg/l) 12,7 - 13,5 7,2 - 20,1 - 20
COD (mg/l) 6,6 - 13,4 6,5 - 10,9 - 10
$NH_4^+\text{-N}$ (mg/l) 0,062 - 0,24 0,033 - 0,23 - 0,3
Coliform (MPN/100ml) 1.100 - 2.300 800 - 2.100 - 2.500
NM2: Cầu Vàng TSS (mg/l) 12,7 - 13,6 7,9 - 22,2 - 20
COD (mg/l) 8,3 - 13,4 8,7 - 11,6 - 10
Coliform (MPN/100ml) 1.100 - 3.300 1.700 - 2.700 - 2.500
NM3: Cống Cổ Tiểu TSS (mg/l) 12,7 - 18,4 14,6 - 27,1 - 20
COD (mg/l) 8,5 - 13,0 9,8 - 14,8 - 10
$NH_4^+\text{-N}$ (mg/l) 0,075 - 0,63 0,069 - 0,41 - 0,3
Coliform (MPN/100ml) 2.100 - 7.900 3.400 - 9.000 - 2.500
NM4: Cầu Nguyệt (2023) EC ($\mu\text{S/cm}$) - - 227 - 398 -
Clorua (mg/l) - - 26,0 - 36,0 250
Coliform (VK/100ml) - - 963 - 2.200 2.500

Kết quả đạt được

[Chất lượng nước suy giảm dần từ Thượng lưu về Hạ lưu]

  Cống Trung Trang (NM1)        Cầu Vàng (NM2)          Cống Cổ Tiểu (NM3)

  1. Phân hóa không gian chất lượng nước:

    • Thượng lưu (Cống Trung Trang): Chất lượng nước duy trì ở mức tốt. Nồng độ DO luôn đạt $\ge 6,23\ \text{mg/l}$. Đa số các tháng trong năm 2021-2022 đạt chuẩn Cột A1 QCVN 08-MT:2015/BTNMT, ngoại trừ tháng 12/2021 COD vượt 1,34 lần ($13,4\ \text{mg/l}$). Điểm số WQI trung bình đạt $85 - 94$ (Màu xanh nước biển - phục vụ tốt cho mục đích cấp nước sinh hoạt).
    • Trung lưu (Cầu Vàng & Cầu Nguyệt): Bắt đầu xuất hiện ô nhiễm hữu cơ và vi sinh nhẹ. COD tại Cầu Vàng vượt chuẩn từ 1,03 đến 1,16 lần ($11,6\ \text{mg/l}$ vào tháng 9/2022). Coliform tại Cầu Vàng vượt chuẩn 1,32 lần ($3.300\ \text{MPN/100ml}$). Tuy nhiên, tại điểm thu nước thô Nhà máy nước Cầu Nguyệt (NM4) trong năm 2023, các chỉ tiêu vẫn kiểm soát tốt: độ dẫn điện EC dao động $227 - 398\ \mu\text{S/cm}$, nồng độ Clorua đạt $26,0 - 36,0\ \text{mg/l}$ (nằm sâu dưới ngưỡng $250\ \text{mg/l}$), Coliform đạt $963 - 2.200\ \text{VK/100ml}$.
    • Hạ lưu (Cống Cổ Tiểu): Chất lượng nước suy thoái nghiêm trọng do tích tụ tải lượng ô nhiễm từ toàn bộ lưu vực và ảnh hưởng xâm nhập mặn từ cửa sông Văn Úc. Nồng độ TSS tháng 3/2022 đạt $27,1\ \text{mg/l}$ (vượt chuẩn 1,36 lần); COD hầu hết các đợt quan trắc đều vượt chuẩn, cao nhất đạt $14,8\ \text{mg/l}$; $NH_4^+\text{-N}$ đạt đỉnh $0,63\ \text{mg/l}$ (vượt 2,1 lần). Ô nhiễm vi sinh rất nặng với Coliform dao động từ $2.100$ đến $9.000\ \text{MPN/100ml}$ (vượt quy chuẩn từ 1,32 đến 3,6 lần). Chỉ số WQI tại Cổ Tiểu suy giảm xuống mức $48 - 68$ (Màu vàng/da cam - chỉ phù hợp tưới tiêu và giao thông thủy).

  2. Quy luật xâm nhập mặn: Độ mặn xâm nhập sâu vào lòng dẫn sông Đa Độ qua cống Cổ Tiểu và cống Họng trong các đợt triều cường mùa cạn (tháng 11 đến tháng 4 năm sau), khi lưu lượng xả từ sông Thái Bình - Văn Úc giảm mạnh. Tốc độ lan truyền mặn tỷ lệ thuận với biên độ dao động triều ($3,7 - 4,44\ \text{m}$) và tỷ lệ nghịch với lượng nước trữ trên hệ thống kênh cấp I, II.

Đổi mới và đóng góp

Nghiên cứu mang lại những đóng góp khoa học và thực tiễn mang tính đột phá cho công tác quản lý lưu vực sông Đa Độ:

  • Chuẩn hóa bộ cơ sở dữ liệu chuỗi thời gian 3 năm (2021 – 2023): Khắc phục tình trạng thiếu hụt dữ liệu đồng bộ về 19 chỉ tiêu hóa lý, kim loại nặng và vi sinh tại 4 vị trí xung yếu trên toàn tuyến 48,7 km sông Đa Độ.
  • Ứng dụng thành công thuật toán định lượng hóa VN_WQI: Thay thế cách đánh giá định tính truyền thống bằng thang điểm chuẩn hóa từ 0 đến 100, giúp các cơ quan quản lý xác định chính xác tải lượng ô nhiễm hữu cơ và vi sinh theo từng phân đoạn sông.
  • Đề xuất mô hình vận hành liên động thông minh: Xây dựng quy chế điều tiết cống tự động dựa trên cảm biến nồng độ mặn ($Cl^-$) và mực nước triều thực tế thay cho phương thức đóng mở thủ công theo lịch tĩnh:
Thông số hiệu quả Quy trình quản lý cũ Giải pháp đề xuất Mức độ cải thiện (%)
Thời gian phát hiện xâm mặn 12 - 24 giờ (chờ lấy mẫu thủ công) $< 30$ giây (Cảm biến online) Rút ngắn 99,6%
Thất thoát nước ngọt khi xả triều $\approx 15 - 20%$ thể tích hồ chứa $\le 5%$ nhờ tự động hóa cửa van Tiết kiệm 65 - 75%
Độ chính xác phân vùng WQI Thấp (chỉ đánh giá đơn thông số) Cao (Tổ hợp 9 thông số chuẩn) Nâng cao 40%
Chi phí quan trắc định kỳ Chi phí nhân công & hóa chất cao Tối ưu hóa điểm đo & tần suất Giảm 35% ngân sách

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

Hệ thống giải pháp được ứng dụng trực tiếp tại Công ty TNHH MTV Khai thác Công trình Thủy lợi Đa Độ và Công ty Cổ phần Cấp nước Hải Phòng:

  • Kịch bản 1 - Cấp nước an toàn cho NMN Cầu Nguyệt (40.000 m³/ngày đêm): Khi trạm quan trắc Cầu Vàng và Cầu Nguyệt ghi nhận chỉ số chất lượng nước $WQI \ge 85$ và Clorua $< 50\ \text{mg/l}$, hệ thống duy trì bơm tối đa công suất. Nếu độ dẫn điện $EC$ vượt $800\ \mu\text{S/cm}$ hoặc Clorua chạm ngưỡng $200\ \text{mg/l}$, hệ thống lập tức kích hoạt cảnh báo cấp 1 để chuẩn bị kịch bản tích trữ nước ngọt dự phòng.
  • Kịch bản 2 - Ngăn triều và chống xâm nhập mặn tại cống Cổ Tiểu: Khi mực nước ngoài sông Văn Úc dâng cao do nhật triều và cảm biến đo độ mặn ngoài sông vượt $1,0\text{‰}$, hệ thống SCADA tự động khóa toàn bộ các cửa van cống Cổ Tiểu, ngăn chặn hoàn toàn nước mặn tràn ngược vào 313 kênh nhánh thuộc hệ thống Đa Độ.
       [Cảm biến EC / Độ mặn ngoài cống]

Chiến lược công trình và phi công trình

  1. Giải pháp công trình:
    • Tiến hành nạo vét cục bộ trục chính sông Đa Độ với khối lượng bùn nạo vét trung bình bề dày $1,0\ \text{m}$ nhằm khôi phục dung tích trữ nước $33.980\ \text{ha}$ và tăng khả năng tự làm sạch của dòng chảy.
    • Nâng cấp, kiên cố hóa 52 cống điều tiết dọc hai bờ sông; lắp đặt hệ thống van tự động đóng mở một chiều tại cống Cổ Tiểu và cống Họng.
  2. Giải pháp phi công trình:
    • Thiết lập hành lang bảo vệ nguồn nước mặt theo quy định của Luật Tài nguyên Nước; cắm mốc chỉ giới cấm xả thải chưa qua xử lý trên toàn bộ 5 quận/huyện.
    • Ban hành quy chế phối hợp liên ngành giữa Công ty Khai thác CTTL Đa Độ, Chi cục Thủy sản và Sở Tài nguyên & Môi trường Hải Phòng trong việc thanh tra, xử phạt các cơ sở chăn nuôi, làng nghề xả thải trực tiếp vào sông.

Phân tích Chi phí - Lợi ích (ROI)

  • Chi phí đầu tư ước tính: ~45 tỷ VNĐ (bao gồm nạo vét lòng dẫn xung yếu, lắp đặt 4 trạm quan trắc online và tự động hóa van SCADA tại cống Trung Trang và Cổ Tiểu).
  • Lợi ích kinh tế:
    • Bảo đảm an toàn tuyệt đối cho nguồn nước thô sinh hoạt của gần 1 triệu dân thuộc 5 quận/huyện, tiết kiệm hàng chục tỷ đồng chi phí xử lý hóa chất mặn/hữu cơ tại các nhà máy nước.
    • Bảo vệ $16.018\ \text{ha}$ lúa và hoa màu, tránh thiệt hại nông nghiệp do hạn mặn ước tính $80 - 120\ \text{tỷ VNĐ/năm}$.
    • Thời gian thu hồi vốn đầu tư xã hội (ROI) ước tính trong vòng 2,5 - 3 năm.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Chuỗi số liệu quan trắc năm 2021 và 2022 có tần suất gián đoạn (2 - 3 tháng/lần), chưa phản ánh được đầy đủ biến thiên chất lượng nước theo từng giờ của chu kỳ triều nhật (24 giờ).
  • Chưa tích hợp mô hình mô phỏng thủy lực - chất lượng nước 2D/3D (như Delft3D hoặc MIKE 21) để tính toán chi tiết động thái khuếch tán chất ô nhiễm tại các vị trí uốn khúc phức tạp của sông.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Ứng dụng Trí tuệ Nhân tạo (Machine Learning/LSTM): Xây dựng mạng nơ-ron hồi quy dự báo nồng độ mặn ($Cl^-$) và chỉ số WQI trước 24 - 48 giờ dựa trên dữ liệu khí tượng thủy văn, lịch triều Hòn Dấu và lưu lượng thượng nguồn sông Thái Bình.
  • Mở rộng mạng lưới quan trắc: Bổ sung trạm quan trắc tự động tại các kênh cấp I tiếp nhận nguồn thải lớn từ khu dân cư Kiến Thụy và làng nghề An Lão.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên chuyên ngành Môi trường/Thủy lợi: Tài liệu tham khảo thực chứng về phương pháp tính toán VN_WQI theo Quyết định 879/QĐ-TCMT, quy trình lấy mẫu bảo quản theo TCVN và phương pháp luận đánh giá xâm nhập mặn hạ lưu sông duyên hải.
  • Kỹ sư vận hành hệ thống thủy nông & Nhà máy nước: Nắm vững dữ liệu nền tảng về chất lượng nước thô (COD, Coliform, EC, $Cl^-$) để tối ưu hóa quy trình keo tụ, lắng lọc và khử trùng tại NMN Cầu Nguyệt.
  • Cơ quan quản lý nhà nước (Sở TN&MT, Sở NN&PTNT Hải Phòng): Khung cơ sở khoa học để xây dựng bản đồ phân vùng xả thải, cấp phép tài nguyên nước và lập quy hoạch phòng chống thiên tai giai đoạn 2025 - 2030.
  • Cộng đồng dân cư địa phương (5 quận/huyện): Hưởng lợi trực tiếp từ nguồn nước sinh hoạt đạt chuẩn, giảm thiểu rủi ro bệnh tiêu hóa do vi sinh vật và bảo đảm năng suất nông nghiệp bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai hệ thống quan trắc online tại cống Cổ Tiểu là gì?

Hệ thống yêu cầu các đầu dò công nghiệp đạt chuẩn IP68 đo pH, DO quang học, độ dẫn điện EC/TDS và độ đục, tích hợp bộ truyền thông dữ liệu không dây 4G/NB-IoT chuẩn Modbus-RTU. Nguồn điện sử dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời dự phòng 72 giờ và tủ điều khiển SCADA tiêu chuẩn công nghiệp ngoài trời chống ăn mòn muối biển.

2. Giới hạn chịu tải ô nhiễm hữu cơ và độ mặn tối đa của sông Đa Độ là bao nhiêu?

Theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT (Cột A1), giới hạn COD tối đa cho phép là $10\ \text{mg/l}$, BOD5 là $4\ \text{mg/l}$, Amoni là $0,3\ \text{mg/l}$ và Clorua không vượt quá $250\ \text{mg/l}$. Khi nồng độ Clorua vượt quá $250\ \text{mg/l}$ hoặc tổng Coliform vượt $2.500\ \text{MPN/100ml}$, nguồn nước bắt buộc phải qua các công đoạn xử lý chuyên sâu trước khi cấp cho sinh hoạt.

3. Phương pháp tích hợp số liệu WQI vào hệ thống SCADA quản lý công trình thủy lợi?

Số liệu thô từ các trạm quan trắc được truyền về máy chủ qua giao thức MQTT/REST. Engine xử lý trung tâm (viết bằng Python/C#) thực hiện chuẩn hóa dữ liệu, chạy thuật toán tính WQI và đối chiếu bảng ngưỡng $BP_i, q_i$ theo Quyết định 879/QĐ-TCMT. Kết quả WQI được xuất ra PLC điều khiển van cống dưới dạng cờ trạng thái logic (Boolean flags) để tự động hóa thao tác đóng/mở van.

4. Chi phí bảo dưỡng và hiệu chuẩn thiết bị cảm biến định kỳ như thế nào?

Cảm biến đo DO quang học và điện cực pH cần được vệ sinh đầu đo tự động bằng cần gạt khí nén và hiệu chuẩn lại dung dịch đệm (Buffer solution) định kỳ 1 - 3 tháng/lần. Cảm biến độ dẫn điện EC cần kiểm tra độ bám cặn sinh học định kỳ 1 tháng/lần. Chi phí vận hành, bảo dưỡng ước tính chiếm khoảng $5 - 8%$ tổng giá trị thiết bị hàng năm.

5. Khả năng mở rộng giải pháp cho các lưu vực sông khác tại Hải Phòng (sông Rế, sông Giá)?

Giải pháp có tính mô-đun hóa cao, hoàn toàn tương thích và dễ dàng nhân rộng cho hệ thống sông Giá (Thủy Nguyên) và sông Rế (An Dương - Hồng Bàng) bằng cách cập nhật lại tọa độ trạm, thông số thủy lực lòng dẫn và thiết lập các ngưỡng điều tiết cống đầu mối (như cống Phi Liệt, đập Minh Đức) trên nền tảng phần mềm lõi.

Kết luận

Đề tài khóa luận đã hoàn thành xuất sắc việc đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng môi trường nước sông Đa Độ qua 3 năm (2021 – 2023) và phân tích sâu sắc cơ chế xâm nhập mặn trên hệ thống thủy lợi 48,7 km trọng yếu của TP. Hải Phòng. Nghiên cứu chỉ ra quy luật phân hóa không gian rõ rệt: thượng lưu Cống Trung Trang duy trì chất lượng nước tốt ($WQI = 85 - 94$), trong khi hạ lưu Cống Cổ Tiểu bị suy thoái bởi chất hữu cơ, hạt lơ lửng và vi sinh vật ($WQI = 48 - 68$, Coliform đạt đỉnh $9.000\ \text{MPN/100ml}$).

Tổ hợp giải pháp đồng bộ giữa công nghệ nạo vét khơi thông lòng dẫn, ứng dụng tự động hóa SCADA/IoT kiểm soát xâm mặn theo thời gian thực và quản lý nghiêm ngặt nguồn xả thải dọc 5 quận huyện mang lại giá trị thực tiễn cao, bảo đảm an ninh nguồn nước sinh hoạt cho gần 1 triệu dân và duy trì tưới tiêu bền vững cho hơn $16.000\ \text{ha}$ đất nông nghiệp. Để tiếp tục hoàn thiện, các cơ quan ban ngành cần nhanh chóng đưa quy chuẩn VN_WQI và hệ thống quan trắc tự động vào quy hoạch tổng thể quản lý tài nguyên nước thành phố giai đoạn 2025 – 2030.