Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Lô đoạn chảy qua thành phố Việt Trì, tỉnh Phú Thọ giữ vai trò huyết mạch trong việc bảo đảm an ninh nguồn nước sinh hoạt, sản xuất công nghiệp và tưới tiêu nông nghiệp cho hơn 200.000 người dân đô thị. Dưới tác động mạnh mẽ của quá trình đô thị hóa và sự phát triển công nghiệp ven sông, nguồn nước tiếp nhận hàng chục nghìn mét khối nước thải mỗi ngày mà chưa qua hệ thống thu gom, xử lý đồng bộ. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quản lý Môi trường với đề tài "Đánh giá hiện trạng và dự báo diễn biến chất lượng nước sông Lô đoạn chảy qua thành phố Việt Trì" do học viên Triệu Quý Hợi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Văn Diệu Anh tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giải quyết toàn diện bài toán cấp thiết này. Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá hiện trạng chất lượng nước mặt giai đoạn 2008 - 2012, kiểm kê các nguồn xả thải chính và xây dựng mô hình toán dự báo diễn biến chất lượng nước đến năm 2020. Phạm vi không gian nghiên cứu giới hạn trên đoạn sông Lô chảy qua thành phố Việt Trì, đặc biệt là các điểm nóng xả thải như Cụm công nghiệp Phượng Lâu, các cửa xả sinh hoạt Cẩm Giàng, Hạ Giáp cho đến điểm hợp lưu với sông Hồng. Công trình mang giá trị khoa học và thực tiễn to lớn, cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng xác thực giúp các cơ quan quản lý giảm thiểu rủi ro ô nhiễm nguồn nước mặt, bảo vệ hơn 15 km lưu vực sông và xây dựng kế hoạch quản lý môi trường nước bền vững cho tương lai.

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 động lực học dòng chảy hở một chiều mô tả qua hệ phương trình vi phân phi tuyến Saint-Venant kết hợp cùng lý thuyết lan truyền, khuếch tán và chuyển hóa chất ô nhiễm trong môi trường nước mặt. Quá trình tính toán tải lượng ô nhiễm dựa trên nguyên lý cân bằng vật chất đối với các nguồn thải điểm và nguồn thải diện. Mô hình nghiên cứu chính là bộ công cụ mô hình toán MIKE 11 do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) phát triển, ứng dụng hai mô đun cốt lõi gồm mô đun thủy lực (HD - Hydrodynamic) và mô đun chất lượng nước (WQ - Water Quality / AD). Khung lý thuyết này vận hành xoay quanh 5 khái niệm chuyên ngành then chốt: Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5), Nhu cầu oxy hóa học (COD), Nồng độ oxy hòa tan (DO), Tải lượng ô nhiễm nguồn tiếp nhận và Khả năng tự làm sạch của dòng sông. Các chỉ tiêu này được quy chiếu trực tiếp theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08:2008/BTNMT nhằm xác lập giới hạn cho phép đối với từng mục đích sử dụng nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn tích hợp chuỗi số liệu quan trắc chất lượng nước định kỳ từ năm 2008 đến năm 2012, số liệu khí tượng thủy văn đo đạc liên tục giai đoạn 2006 - 2011 tại trạm thủy văn Việt Trì cùng tài liệu đo đạc bình đồ, mặt cắt địa hình lòng sông Lô. Phương pháp phân tích các thông số hóa lý và vi sinh trong phòng thí nghiệm được thực hiện chuẩn hóa theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và sổ tay chuẩn quốc tế SMEWW. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 8 vị trí quan trắc cố định dọc theo trục dòng chảy, được lựa chọn theo phương pháp lấy mẫu phân tầng nhằm kiểm soát trọn vẹn đặc trưng nước sông từ khu vực thượng lưu, các cửa xả điểm của Cụm công nghiệp Phượng Lâu, cửa xả nước thải sinh hoạt đô thị cho đến khu vực hạ lưu. Phương pháp mô hình hóa số trị MIKE 11 được lựa chọn nhờ khả năng mô phỏng thủy lực dòng chảy không ổn định có độ chính xác cao, hỗ trợ đắc lực cho việc hiệu chỉnh và kiểm định các thông số Amoni, BOD và Nitrat. Timeline nghiên cứu được thực hiện tập trung từ năm 2011 đến năm 2013 với mục tiêu thiết lập kịch bản dự báo tải lượng và nồng độ chất ô nhiễm chi tiết đến năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, giai đoạn 2008 - 2012 ghi nhận chất lượng nước sông Lô có dấu hiệu ô nhiễm hữu cơ và Amoni cục bộ tại các vị trí tiếp nhận nước thải đô thị và công nghiệp. Tại các điểm xả cống Cẩm Giàng, cống Hạ Giáp và Cụm công nghiệp Phượng Lâu, nồng độ BOD5 và Amoni (NH4+) vào mùa kiệt tăng từ 18% đến 35% so với đoạn thượng lưu, tiệm cận hoặc vượt quá ngưỡng giới hạn loại A2 theo QCVN 08:2008/BTNMT. Thứ hai, hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng (TSS) luôn ở mức cao, dao động từ 48 mg/L đến trên 125 mg/L, nguyên nhân do sự kết hợp giữa dòng chảy phù sa tự nhiên và hoạt động của 12 doanh nghiệp khai thác cát sỏi ven sông cùng lưu lượng tàu bè vận tải thủy gia tăng. Thứ ba, kết quả ứng dụng mô hình MIKE 11 sau quá trình hiệu chỉnh và kiểm định với số liệu thực đo năm 2011 cho thấy mức độ tương thích vượt trội, sai số giữa lưu lượng và nồng độ chất tính toán so với thực đo chỉ dao động trong khoảng 8% đến 12%, khẳng định độ tin cậy tuyệt đối của công cụ toán. Thứ tư, theo kịch bản dự báo phát triển đến năm 2020 khi tải lượng nước thải sinh hoạt và công nghiệp tiếp tục tăng nhưng chưa có trạm xử lý tập trung, nồng độ BOD5 và Nitrat lớn nhất dọc trục sông dự báo tăng khoảng 25% đến 40%, kéo theo nồng độ oxy hòa tan (DO) tại đoạn hạ lưu suy giảm xuống dưới ngưỡng 4,0 mg/L vào mùa khô.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chủ yếu của tình trạng suy thoái chất lượng nước cục bộ là do tốc độ gia tăng dân số đô thị và sản xuất công nghiệp tại thành phố Việt Trì chưa đi đôi với cơ sở hạ tầng xử lý nước thải. Hầu hết nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất từ Cụm công nghiệp Phượng Lâu đều xả thẳng ra hệ thống kênh mương rồi đổ trực tiếp vào lòng sông Lô. So với các nghiên cứu tương đồng trên hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình, diễn biến ô nhiễm trên sông Lô mang tính chu kỳ mùa sâu sắc; mùa lũ có lưu lượng lớn làm tăng khả năng hòa loãng chất hữu cơ nhưng tăng độ đục, trong khi mùa cạn lưu lượng kiệt làm suy giảm nghiêm trọng khả năng tự làm sạch. Toàn bộ dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua các biểu đồ đường quá trình mực nước, biểu đồ phân bố nồng độ Amoni, BOD và Nitrat dọc theo trục sông, cùng bảng so sánh đối chiếu giữa kịch bản hiện trạng năm 2011 và kịch bản dự báo năm 2020. Kết quả thảo luận khẳng định sự cần thiết phải kiểm soát nghiêm ngặt tải lượng xả thải tại các điểm xả tập trung để bảo vệ nguồn cấp nước an toàn cho hạ du.

Đề xuất và khuyến nghị

Một là, đầu tư xây dựng hệ thống thu gom và xử lý nước thải tập trung. Ủy ban nhân dân thành phố Việt Trì cùng Ban Quản lý các Khu công nghiệp tỉnh Phú Thọ cần triển khai xây dựng trạm xử lý nước thải tập trung với công suất thiết kế từ 15.000 đến 20.000 m3/ngày đêm, bảo đảm thu gom và xử lý đạt quy chuẩn trên 75% nước thải sinh hoạt đô thị và 100% nước thải tại Cụm công nghiệp Phượng Lâu trước năm 2020. Hai là, ban hành quy chế quản lý hạn ngạch và tải lượng xả thải tối đa cho phép. Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Phú Thọ cần dựa trên kết quả tính toán sức chịu tải của mô hình toán để ban hành hạn ngạch xả thải định kỳ cho 100% doanh nghiệp và cơ sở sản xuất ven sông Lô, hoàn thành phê duyệt khung pháp lý trong giai đoạn 2014 - 2016. Ba là, áp dụng chương trình sản xuất sạch hơn (SXSH) và công nghệ tuần hoàn nước thải. Các cơ sở chế biến công nghiệp và doanh nghiệp khai thác cát sỏi cần tiến hành kiểm toán môi trường định kỳ, áp dụng giải pháp SXSH để giảm thiểu tối thiểu 20% lượng chất thải phát sinh tại nguồn và nâng tỷ lệ tuần hoàn tái sử dụng nước lên 30% trước năm 2018. Bốn là, xây dựng mạng lưới trạm quan trắc tự động và cảnh báo ô nhiễm liên tục. Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Phú Thọ cần lắp đặt tối thiểu 3 trạm quan trắc tự động tại điểm thượng lưu, khu vực cửa xả Cụm công nghiệp Phượng Lâu và hạ lưu hợp lưu sông Hồng trước năm 2020, tích hợp hệ thống truyền dữ liệu liên tục 24/7 nhằm phát hiện sớm các sự cố xả thải bất thường. Năm là, nâng cao năng lực chuyên môn và nhận thức bảo vệ môi trường cộng đồng. Chi cục Bảo vệ Môi trường phối hợp với chính quyền địa phương tổ chức ít nhất 4 lớp tập huấn hàng năm cho cán bộ quản lý môi trường cấp xã/phường, đồng thời tuyên truyền trên các phương tiện truyền thông đến 100% chủ phương tiện giao thông thủy và các hộ dân sinh sống ven sông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường, cụ thể là Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Phú Thọ, Chi cục Bảo vệ Môi trường và Phòng Tài nguyên và Môi trường thành phố Việt Trì. Luận văn cung cấp bộ cơ sở dữ liệu thực đo 5 năm cùng kết quả mô phỏng sức chịu tải của sông Lô, hỗ trợ đắc lực cho công tác lập quy hoạch phân vùng xả thải, cấp phép môi trường và thanh kiểm tra hoạt động xả thải. Nhóm thứ hai là các nhà nghiên cứu, giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Môi trường, Thủy văn, Quản lý tài nguyên nước. Tài liệu là một case study chuẩn mực hướng dẫn quy trình ứng dụng mô hình số trị MIKE 11 từ khâu xây dựng dữ liệu biên thủy lực, địa hình đến bước hiệu chỉnh thông số chất lượng nước WQ. Nhóm thứ ba là ban quản lý các khu, cụm công nghiệp và các doanh nghiệp sản xuất ven sông. Đề tài cung cấp các định mức tải lượng ô nhiễm phát sinh trên đầu người và quy trình công nghệ, giúp doanh nghiệp chủ động thiết kế hệ sinh thái xử lý nước thải nội bộ và áp dụng giải pháp sản xuất sạch hơn. Nhóm thứ tư là các kỹ sư tư vấn môi trường và chuyên gia quy hoạch hạ tầng đô thị. Công trình mang lại phương pháp tính toán cân bằng vật chất và dự báo tải lượng ô nhiễm đô thị, hỗ trợ lập báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM) và thiết kế hệ thống cấp thoát nước bền vững cho đô thị loại I.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao mô hình MIKE 11 lại được lựa chọn để mô phỏng và dự báo chất lượng nước sông Lô? Mô hình MIKE 11 tích hợp liên kết chặt chẽ giữa mô đun thủy lực dòng chảy hở (HD) và mô đun chất lượng nước (WQ), cho phép mô phỏng chính xác quá trình lan truyền, khuếch tán và chuyển hóa chất ô nhiễm trong điều kiện dòng chảy không ổn định. Với sai số tính toán dưới 12% so với chuỗi số liệu thực đo năm 2011, mô hình mang lại độ tin cậy khoa học vượt trội cho các bài toán dự báo.

Khu vực nào dọc sông Lô đoạn qua thành phố Việt Trì ghi nhận mức độ ô nhiễm cao nhất? Khu vực ghi nhận nồng độ ô nhiễm cao nhất là đoạn tiếp nhận nước thải từ Cụm công nghiệp Phượng Lâu và các cống thoát nước sinh hoạt đô thị Cẩm Giàng, Hạ Giáp. Tại các vị trí này, nồng độ BOD5 và Amoni vào mùa cạn tăng từ 20% đến 35% so với thượng nguồn do tiếp nhận tải lượng hữu cơ đậm đặc chưa qua xử lý.

Chất lượng nước sông Lô có sự biến động như thế nào giữa mùa mưa và mùa khô? Vào mùa mưa, lưu lượng dòng chảy đạt đỉnh giúp tăng cường khả năng hòa loãng các chất ô nhiễm hữu cơ nhưng hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng (TSS) tăng cao trên 100 mg/L do xói mòn và phù sa. Ngược lại, vào mùa khô lưu lượng kiệt làm suy giảm khả năng tự làm sạch, khiến nồng độ Amoni, BOD5 tăng cao và hàm lượng oxy hòa tan (DO) sụt giảm mạnh.

Kịch bản mô phỏng đến năm 2020 đưa ra cảnh báo môi trường quan trọng nào? Kịch bản năm 2020 cảnh báo nếu không đầu tư hệ thống xử lý nước thải tập trung, sự gia tăng dân số đô thị và sản xuất công nghiệp sẽ khiến nồng độ chất hữu cơ và Nitrat tăng từ 25% đến 40%. Điều này làm nồng độ DO tại khu vực hạ lưu hợp lưu giảm sâu xuống dưới 4,0 mg/L, đe dọa nghiêm trọng đến hệ sinh thái thủy sinh vật.

Giải pháp kỹ thuật nào được đánh giá là cấp bách nhất cần triển khai ngay? Giải pháp cấp bách hàng đầu là đầu tư xây dựng trạm xử lý nước thải tập trung cho thành phố Việt Trì với công suất 15.000 đến 20.000 m3/ngày đêm kết hợp trạm xử lý của Cụm công nghiệp Phượng Lâu. Giải pháp này giúp cắt giảm ngay hơn 70% tải lượng ô nhiễm hữu cơ xả thẳng ra lòng sông, bảo vệ nguồn nước cho vùng hạ du.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công bộ cơ sở dữ liệu quan trắc toàn diện về chất lượng nước sông Lô đoạn qua thành phố Việt Trì qua chuỗi thời gian 2008 - 2012 với 8 thông số quan trắc then chốt.
  • Nghiên cứu đã định lượng chính xác tải lượng các nguồn xả thải chính, khẳng định nước thải sinh hoạt đô thị và Cụm công nghiệp Phượng Lâu là hai nguồn đóng góp tải lượng ô nhiễm hữu cơ lớn nhất.
  • Đề tài đã ứng dụng thành công mô hình toán MIKE 11 với độ chính xác cao, sai số kiểm định duy trì dưới 12%, chứng minh tính ưu việt của công cụ mô phỏng trong quản lý lưu vực sông.
  • Mô hình đã dự báo chi tiết diễn biến chất lượng nước đến năm 2020, đưa ra cảnh báo sớm về nguy cơ suy giảm DO và gia tăng nồng độ Amoni tại khu vực hạ lưu nếu thiếu các biện pháp can thiệp hạ tầng.
  • Tác giả đã đề xuất đồng bộ 5 nhóm giải pháp chiến lược bao gồm kỹ thuật xử lý nước thải tập trung, ban hành hạn ngạch xả thải, sản xuất sạch hơn, quan trắc tự động và truyền thông nâng cao nhận thức.

Đóng góp cốt lõi của công trình là cung cấp một phương pháp luận khoa học kết hợp giữa đo đạc hiện trường và mô phỏng số trị, tạo tiền đề vững chắc cho việc quản lý tài nguyên nước theo lưu vực. Các cơ quan quản lý môi trường tỉnh Phú Thọ và thành phố Việt Trì cần khẩn trương đưa các kết quả dự báo và khuyến nghị vào kế hoạch hành động môi trường địa phương giai đoạn tới. Các nhà nghiên cứu, chuyên gia quy hoạch và doanh nghiệp hãy chủ động tham khảo công trình khoa học này để cùng chung tay bảo vệ nguồn tài nguyên nước sông Lô xanh, sạch và bền vững.