Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Đánh giá chất lượng nước, tính toán khả năng chịu tải của sông Nhuệ - Đáy trong bối cảnh biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế xã hội" do nghiên cứu sinh Nguyễn Toàn Thắng thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2018. Công trình thuộc chuyên ngành Môi trường đất và nước (mã số: 62440303), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Văn Thiện và PGS. Trần Hồng Thái. Luận án theo đuổi hướng tiếp cận định lượng kết hợp thực nghiệm môi trường với phương pháp mô hình hóa toán học nhằm giải quyết bài toán sức chịu tải môi trường nước mặt.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Lưu vực sông (LVS) Nhuệ - sông Đáy nằm ở hữu ngạn sông Hồng, có diện tích tự nhiên khoảng 7.665 km² (diện tích tính toán lưu vực là 7.388 km², riêng lưu vực sông Đáy là 6.965 km²), dân số năm 2015 gần 12 triệu người, mật độ dân số trung bình khoảng 1.160 người/km². Tọa độ địa lý của lưu vực trải dài từ 20°00' đến 21°20' vĩ độ Bắc và từ 105°00' đến 106°30' kinh độ Đông, thuộc địa giới hành chính của 5 tỉnh và thành phố: Hòa Bình, Hà Nội, Hà Nam, Nam Định và Ninh Bình. Sự gia tăng các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội đã tạo ra áp lực lớn đối với môi trường nước. Thống kê của Ủy ban Bảo vệ môi trường lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy (2017) ghi nhận toàn lưu vực có khoảng 1.662 nguồn thải từ cơ sở sản xuất kinh doanh, 39 nguồn thải từ khu công nghiệp (KCN) và cụm công nghiệp (CCN), 137 cơ sở y tế cùng 144 làng nghề. Tổng lượng nước thải phát sinh (gồm sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, y tế) xả vào hệ thống sông ước tính khoảng 621 nghìn m³/ngày đêm, phần lớn chưa qua xử lý.

Kết quả quan trắc chất lượng nước tại các Sở Tài nguyên và Môi trường trong lưu vực cho thấy các thông số DO, COD, BOD5, NH4+ và Coliform đều vượt nhiều lần quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả chỉ rõ: các công trình trước đây chủ yếu tập trung đánh giá hiện trạng ô nhiễm cục bộ hoặc mô phỏng thủy lực dòng chảy đơn thuần, chưa có nghiên cứu nào đánh giá một cách hệ thống khả năng tự làm sạch và sức chịu tải của LVS Nhuệ - Đáy đặt trong mối quan hệ tương tác đồng thời giữa kịch bản phát triển kinh tế - xã hội và tác động của biến đổi khí hậu (BĐKH).

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 3 mục tiêu cụ thể:

  1. Đánh giá hiện trạng môi trường nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy.
  2. Tính toán và dự báo diễn biến chất lượng nước, tải lượng và ngưỡng chịu tải của lưu vực sông Nhuệ - Đáy theo các kịch bản phát triển kinh tế - xã hội và trong bối cảnh tác động của biến đổi khí hậu.
  3. Đề xuất các giải pháp quản lý, bảo vệ và cải thiện môi trường nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu và kịch bản phát triển kinh tế - xã hội.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội có sử dụng và xả thải vào nguồn nước trong lưu vực (nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, thủy sản, thủy điện).
    • Các đặc điểm điều kiện tự nhiên ảnh hưởng tới lưu lượng và chất lượng nguồn nước (địa chất, địa chất thủy văn, địa hình, địa mạo, khí tượng, thủy văn).
    • Môi trường nước và các quá trình xáo trộn, lắng đọng trong quá trình tự làm sạch nước sông của lưu vực sông Nhuệ - Đáy.
  • Phạm vi không gian: Lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy được bao bọc phía Bắc và Đông bởi đê sông Hồng (242 km), phía Tây Bắc giáp sông Đà (33 km), phía Tây và Tây Nam là đường phân lưu với lưu vực sông Mã qua dãy Ba Vì, Cúc Phương - Tam Điệp tới núi Mai An Tiêm và sông Càn (10 km), phía Đông Nam giáp biển Đông (95 km). Phạm vi hành chính bao gồm:
    • Hà Nội: 11 quận (Ba Đình, Bắc Từ Liêm, Cầu Giấy, Đống Đa, Hà Đông, Hai Bà Trưng, Hoàn Kiếm, Hoàng Mai, Nam Từ Liêm, Tây Hồ, Thanh Xuân), 13 huyện (Ba Vì, Chương Mỹ, Đan Phượng, Hoài Đức, Mỹ Đức, Phú Xuyên, Phúc Thọ, Quốc Oai, Thạch Thất, Thanh Oai, Thanh Trì, Thường Tín, Ứng Hòa) và thị xã Sơn Tây.
    • Hà Nam: Thành phố Phủ Lý và 5 huyện (Kim Bảng, Lý Nhân, Thanh Liêm, Bình Lục, Duy Tiên).
    • Nam Định: Thành phố Nam Định và 9 huyện (Vụ Bản, Ý Yên, Mỹ Lộc, Nam Trực, Trực Ninh, Xuân Trường, Giao Thủy, Hải Hậu, Nghĩa Hưng).
    • Ninh Bình: Thành phố Ninh Bình, thị xã Tam Điệp và 6 huyện (Nho Quan, Gia Viễn, Hoa Lư, Kim Sơn, Yên Khánh, Yên Mô).
    • Hòa Bình: 5 huyện (Kỳ Sơn, Lương Sơn, Kim Bôi, Yên Thủy, Lạc Thủy).
    • Trọng tâm tính toán chi tiết được thực hiện trên 2 trục sông chính là sông Nhuệ và sông Đáy, kết nối mạng lưới thủy lực với 8 con sông chính (sông Hồng, sông Nhuệ, sông Đáy, sông Đào, sông Đuống, sông Châu Giang, sông Ninh Cơ, sông Hoàng Long, sông Luộc).
  • Phạm vi thời gian:
    • Khảo sát thực địa nguồn thải và lấy mẫu hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình: năm 2014 và 2015.
    • Thu thập chuỗi số liệu hiện trạng chất lượng nước: giai đoạn 2011 - 2015.
    • Thu thập dữ liệu thủy văn, khí tượng phục vụ mô hình hóa: giai đoạn 1972 - 2015.
    • Mốc thời gian tính toán dự báo: năm 2020 và năm 2030 theo kịch bản BĐKH RCP4.5.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả đã hệ thống hóa các nhóm nghiên cứu liên quan đến môi trường nước LVS Nhuệ - Đáy và vấn đề sức chịu tải:

Nhóm nghiên cứu Công trình, tác giả tiêu biểu Nội dung và kết quả chính
Cơ chế, chính sách và thể chế - Luật Tài nguyên nước 2012, Luật BVMT 2005 & 2014
- Quyết định 25/2014/QĐ-TTg, Quyết định 1759/QĐ-TCMT
- Quyết định 223/QĐ-TTg, Quyết định 681/QĐ-TTg		 Thiết lập khung pháp lý quản lý lưu vực, quy định điều tra sức chịu tải và hạn ngạch xả thải; thành lập Chi cục BVMT lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy; quy hoạch chất thải rắn, thoát nước và xử lý nước thải đến 2030.
Quản lý tài nguyên nước - Đề án tổng thể BVMT LVS Nhuệ - Đáy đến 2020 (UBND TP. Hà Nội, 2008)
- Nguyễn Văn Cư và nnk (2005)
- Cục Quản lý Tài nguyên nước & Viện Sinh thái và Môi trường (2005)		 Xác định nguyên nhân gây ô nhiễm; xây dựng quy trình phân bổ tài nguyên nước phù hợp điều kiện Việt Nam; đánh giá nhanh khía cạnh kinh tế về số lượng và chất lượng nước phục vụ ra quyết định.
Kiểm soát ô nhiễm và quan trắc - Trung tâm Tư vấn Khí tượng Thủy văn và Môi trường (2009)
- Tổng cục Môi trường
- UBND TP. Hà Nội		 Đánh giá sức chịu tải và kiểm kê nguồn thải theo kịch bản kinh tế - xã hội; xây dựng cổng thông tin giám sát môi trường lưu vực ứng dụng GIS và camera; khảo sát 607 điểm xả thải lỏng trên địa bàn 14 quận/huyện.
Ứng dụng mô hình toán và sinh thái - Trần Hồng Thái và nnk (2009)
- Nguyễn Kiên Sơn (2005)
- Nguyễn Thanh Sơn và nnk (2011)
- Nguyễn Quang Trung (2000)
- Nguyễn Kỳ Phùng, Nguyễn Thị Bảy (2000)
- Nguyễn Minh Lâm và nnk (2012)		 Ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng thủy lực và chất lượng nước 3 lưu vực sông; dùng chỉ số tổ hợp sinh học (IBI) và đa dạng loài cá (H'); dùng mô hình NAM kết hợp kịch bản REMOCLIC phân tích biến đổi thủy văn 2020, 2050 so với nền 1970-1999; dùng WASP5 tính lan truyền chất trên sông Nhuệ; mô phỏng sông Cần Giờ và sông Vàm Cỏ Đông.
Đánh giá tự làm sạch và sinh học - Đặng Huy Huỳnh (2001)
- Nguyễn Vũ Thanh, Đoàn Cảnh (2005)
- Nguyễn Vũ Thanh, Tạ Huy Thịnh (2005)
- Nguyễn Vũ Thanh, Nguyễn Văn Thanh		 Đánh giá diễn biến hệ sinh thái thủy vực; ứng dụng chỉ số đa dạng sinh học ASPT trên sông Cầu; xác định cấp độ ô nhiễm sông Nhuệ - Đáy thông qua chỉ số đa dạng loài $\lambda$ và chỉ số $H'$ của quần xã tuyến trùng (giun tròn).
Nghiên cứu quốc tế về TMDL và tự làm sạch - Streeter & Phelps (1925), Thomann & Sobal (1946)
- Luật Nước sạch Hoa Kỳ (CWA 303d), US EPA
- Jordan (1900, 1903), Frank, Girard & Bordas, Seki & Ebara (1984), Makushkin (2000), Munoz và nnk (1969)		 Thiết lập mô hình diễn biến DO-BOD trên sông Ohio; phát triển các mô hình QUAL2E, Qual2K, AQUATOX, EPDRiv1 (sông Coosa, Chattahoochee); tính toán tải lượng ô nhiễm tối đa theo ngày (TMDL = $\sum WLA + \sum LA + MOS$); nghiên cứu vai trò của vi khuẩn, nhiệt độ, thực vật và động lực học trong quá trình tự làm sạch trên sông Spree, Seine, Isar, Rhine, Illinois, Teshio, Selenga.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Tổng quan tài liệu cho thấy, các nghiên cứu ứng dụng mô hình trên LVS Nhuệ - Đáy trước đó chưa xem xét đồng thời tác động kép của biến đổi dòng chảy do BĐKH và gia tăng tải lượng thải từ phát triển kinh tế - xã hội. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách tích hợp mô hình mưa - dòng chảy (NAM) để khôi phục và dự báo biên thủy văn theo kịch bản BĐKH RCP4.5, kết hợp mô hình thủy lực và chất lượng nước (MIKE 11 với mô đun AD và EcoLab) để lượng hóa khả năng tự làm sạch, khả năng tiếp nhận nước thải và sức chịu tải của từng phân đoạn sông Nhuệ và sông Đáy đến các mốc năm 2020 và 2030.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khái niệm và cơ sở lý thuyết

  • Các khái niệm cốt lõi:
    • Năng lực môi trường (GESAMP, 1986): Tính chất của môi trường và khả năng thích nghi trong việc điều tiết hoạt động mà không gây tác động không thể chấp nhận.
    • Sức tải của môi trường (Luật BVMT 2005): Giới hạn cho phép mà môi trường có thể tiếp nhận và hấp thụ chất gây ô nhiễm.
    • Ngưỡng chịu tải (US CFR Title 40, Section 130): Lượng chất ô nhiễm lớn nhất môi trường nước có thể tiếp nhận mà không làm ảnh hưởng đến tiêu chuẩn chất lượng nước.
    • Khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước (Thông tư 02/2009/TT-BTNMT): Khả năng nguồn nước tiếp nhận thêm một tải lượng ô nhiễm mà vẫn bảo đảm nồng độ chất ô nhiễm không vượt quá giới hạn quy định.
  • Thành phần hóa học tự nhiên của nước sông: Luận án dẫn liệu thành phần hóa học trung bình của nước sông khi chưa ô nhiễm (Đặng Kim Chi và nnk, 2005): $\text{CO}_3^{2-}$ chiếm 35,2%, $\text{Ca}^{2+}$ chiếm 20,4%, $\text{SO}_4^{2-}$ chiếm 12,4%, $\text{SiO}_2$ chiếm 11,7%, $\text{Na}^+$ chiếm 5,8%, $\text{Cl}^-$ chiếm 5,7%, $\text{Mg}^{2+}$ chiếm 3,4%, $(\text{FeAl}_2)\text{O}_3$ chiếm 2,7%, $\text{K}^+$ chiếm 2,1%, $\text{NO}_3^-$ chiếm 0,9%.
  • Cơ chế tự làm sạch (TLS):
    • Vai trò của oxy: Tham gia oxy hóa chất hữu cơ $({\text{CH}_2\text{O}} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{VSV}} \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O})$, oxy hóa amoni $(\text{NH}_4^+ + 2\text{O}_2 \xrightarrow{\text{VSV}} 2\text{H}^+ + \text{NO}_3^- + \text{H}_2\text{O})$ và oxy hóa các ion kim loại ($\text{Fe}^{2+}, \text{SO}_3^{2-}$).
    • Vai trò của vi sinh vật: Đóng vai trò xúc tác các phản ứng oxy hóa khử carbon, lưu huỳnh, sắt và chu trình chuyển hóa nitơ (nitrat hóa qua vi khuẩn Nitrosomonas, Nitrobacter; khử nitrat tạo thành khí $\text{N}_2$; oxy hóa sắt qua vi khuẩn Ferrobacillus, Gallionella).
    • Vai trò của thực vật và động vật thủy sinh: Vi tảo hấp thụ chất hữu cơ và kim loại nặng theo công thức: $$M_{\text{VITAO}} = \sum_{i=1}^{N} N_i \times d_i$$ Thực vật thủy sinh bậc cao (bèo cái, bèo tây) hấp thụ chất ô nhiễm theo công thức: $$M_{\text{TVTS}} = \sum_{i=1}^{K} K_i \times f_i$$ Động vật thủy sinh (cá, động vật đáy, hến) đồng hóa chất ô nhiễm theo công thức: $$M_{\text{DVTS}} = \sum_{l=1}^{L} S_i \times h_i$$
    • Quá trình động lực học dòng chảy: Sự xáo trộn, pha loãng và lắng đọng chất ô nhiễm dọc theo lòng dẫn dưới tác động của dòng chảy rối.

Khung phân tích và mô hình toán học

  1. Mô hình mưa - dòng chảy (NAM): Được phát triển bởi Viện Kỹ thuật Thủy động lực và Thủy lực Đan Mạch (1982). Mô hình cấu trúc gồm 5 bể chứa thẳng đứng: bể chứa tuyết tan, bể chứa mặt ($U_{\text{max}}$), bể chứa tầng dưới ($L_{\text{max}}$), bể chứa nước ngầm tầng trên và bể chứa nước ngầm tầng dưới. Các thông số chính gồm: $CQOF$, $CQIF$, $CBL$, $CKOF$, $CKIF$, $U_{\text{max}}$, $L_{\text{max}}$, $CK_{1,2}$, $CKBF$. Điều kiện ban đầu gồm $U, L, QOF, QIF, BF$. Mô hình được hiệu chỉnh bằng phương pháp thử sai kết hợp đánh giá qua chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe.
  2. Mô hình thủy lực và chất lượng nước (MIKE 11 - DHI):
    • Mô đun thủy động lực (HD): Giải hệ phương trình vi phân một chiều Saint-Venant bảo toàn khối lượng và bảo toàn động lượng cho dòng chảy không ổn định.
    • Mô đun truyền tải - khuếch tán (AD): Mô phỏng quá trình dịch chuyển một chiều của chất hòa tan và lơ lửng dựa trên phương trình tích lũy và định luật khuếch tán Fick.
    • Mô đun sinh thái (EcoLab): Tích hợp đồng thời với mô đun AD để tính toán 13 thông số chất lượng nước qua 6 cấp độ chuyển hóa (DO, BOD, Phốt pho, Amonia, Nitrate, Coliform).
  3. Phương pháp đánh giá tải lượng và sức chịu tải: Áp dụng phương pháp tính toán của Thông tư số 02/2009/TT-BTNMT và nguyên lý TMDL của US EPA ($TMDL = \sum WLA + \sum LA + MOS$).

Phương pháp thực nghiệm và phân tích

Tác giả áp dụng các phương pháp phân tích tiêu chuẩn quốc gia đối với các mẫu nước sông thu thập:

Thông số Phương pháp phân tích áp dụng Thiết bị / Tiêu chuẩn kỹ thuật
Nhiệt độ Đo trực tiếp tại hiện trường Máy đo cầm tay đa chỉ tiêu HQ40d
DO Phương pháp chuẩn độ / điện hóa TCVN 7325:2004
BOD5 (20°C) Phương pháp đo độ suy giảm oxy sau 5 ngày ủ ở 20°C TCVN 6001-1:2008
NH4+ Phương pháp trắc phổ hấp thụ phân tử TCVN 6491:1999

Nguồn tư liệu và dữ liệu đầu vào

  • Số liệu hình học mặt cắt lòng sông: Gồm 338 mặt cắt đo đạc giai đoạn 2000 - 2015 trên 8 nhánh sông chính:
    • Sông Hồng: 131 mặt cắt (Sơn Tây - Ba Lạt)
    • Sông Đáy: 96 mặt cắt (Ba Thá - Như Tân)
    • Sông Nhuệ: 43 mặt cắt (Cống Liên Mạc - Phủ Lý)
    • Sông Ninh Cơ: 25 mặt cắt (Ngã ba sông Hồng - Phú Lễ)
    • Sông Hoàng Long: 14 mặt cắt (Hưng Thi - Gián Khẩu)
    • Sông Châu Giang: 11 mặt cắt
    • Sông Đào: 10 mặt cắt (Nam Định - sông Đáy)
    • Sông Luộc: 5 mặt cắt
    • Sông Đuống: 3 mặt cắt (Ngã ba sông Đuống - Thượng Cát)
  • Số liệu thủy văn, khí tượng:
    • Lưu lượng thực đo trạm Sơn Tây (sông Hồng) giai đoạn 2010 - 2015 (bước thời gian $\Delta t = 1$ ngày).
    • Khôi phục chuỗi lưu lượng tại trạm Ba Thá (sông Đáy) và trạm Hưng Thi (sông Bôi) bằng mô hình NAM dựa trên chuỗi quan trắc lịch sử: hiệu chỉnh mô hình giai đoạn 1972 - 1973, kiểm nghiệm mô hình năm 1977.
    • Số liệu mực nước giờ ($\Delta t = 1$ giờ) tại 7 trạm: Hưng Yên, Hà Nội, Thượng Cát, Ninh Bình, Phủ Lý, Như Tân, Ba Lạt.
    • Số liệu mưa và bốc hơi tính toán phân bố theo phương pháp đa giác Thiessen cho các lưu vực thượng nguồn sông Đáy và sông Hoàng Long.
  • Số liệu chất lượng nước thực địa phục vụ hiệu chỉnh mô hình:
    • Năm 2014: Đo đạc DO, BOD, TN tại các điểm trên sông Đáy (Tuế Tiêu, Cầu Quế, Trung Hiếu Hạ, Hồng Phú) và sông Nhuệ (Phúc La, Cự Đà, Đò Quan, Cống Thần, Đồ Kiều).
    • Năm 2015: Đo đạc tại các điểm trên sông Đáy (Ba Thá, Vân Đình, Hồng Phú, Ngoại Độ) và sông Nhuệ (Cống Liên Mạc, Cổ Nhuế, Cầu Hà Đông, Thanh Liệt, Đồng Quan, Cống Thần, Cống Nhật Tựu, Cầu Phủ Lý).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận và thực tiễn về môi trường nước mặt lưu vực sông. Tác giả tổng kết các văn bản quy phạm pháp luật (Luật BVMT 2014, Luật Tài nguyên nước 2012, các Quyết định 25/2014/QĐ-TTg, 223/QĐ-TTg, 681/QĐ-TTg) và các đề án bảo vệ môi trường LVS Nhuệ - Đáy. Nội dung chương trình bày chi tiết bản chất các quá trình tự làm sạch tự nhiên trong nước sông thông qua quá trình oxy hóa sinh hóa, chu trình nitơ, cơ chế hấp thụ chất ô nhiễm của vi tảo, bèo cái, bèo tây và động vật đáy.

Chương này cũng tổng quan cơ sở toán học của mô hình thủy văn mưa - dòng chảy NAM, mô hình thủy lực 1 chiều và chất lượng nước MIKE 11 (mô đun HD, AD, EcoLab với 13 thông số chuyển hóa sinh thái). Đồng thời, tác giả điểm luận lịch sử phát triển của các nghiên cứu sức chịu tải, cách tiếp cận TMDL của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA), cùng các nghiên cứu đánh giá tự làm sạch tại các quốc gia (Đức, Pháp, Mỹ, Nga, Nhật Bản) và các nghiên cứu ứng dụng mô hình tại Việt Nam.

Chương 2: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết phạm vi không gian nghiên cứu trên diện tích 7.388 km² thuộc 5 tỉnh, thành phố (Hà Nội, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hòa Bình), giới hạn tọa độ và đặc điểm tiếp giáp địa lý. Tác giả thiết lập sơ đồ tiếp cận nghiên cứu dựa trên sự kết hợp giữa điều tra thống kê nguồn thải, khảo sát thực địa, phân tích mẫu theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 7325:2004, TCVN 6001-1:2008, TCVN 6491:1999) và mô hình hóa toán học.

Quy trình nghiên cứu sử dụng mô hình NAM để khôi phục chuỗi dòng chảy tại các trạm Ba Thá và Hưng Thi; thiết lập sơ đồ thủy lực mạng lưới 8 sông với 338 mặt cắt trong MIKE 11; áp dụng mô đun AD và EcoLab để mô phỏng sự lan truyền, chuyển hóa các chất ô nhiễm (DO, BOD, COD, NH4+); tính toán khả năng tiếp nhận nước thải theo Thông tư 02/2009/TT-BTNMT dựa trên các mục đích sử dụng nước mặt A2, B1, B2; và xây dựng kịch bản dự báo tải lượng ô nhiễm đến năm 2020 và 2030 theo kịch bản BĐKH RCP4.5 kết hợp kịch bản xử lý nước thải (tỷ lệ xử lý 80% so với 0%).

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu định lượng qua các nội dung chính:

  • Đặc điểm tự nhiên, kinh tế - xã hội và nhu cầu dùng nước: Tổng hợp đặc trưng phân phối dòng chảy năm, mực nước trung bình mùa kiệt tại các trạm; thống kê hiện trạng dân số, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, đàn gia súc, diện tích rừng, thủy sản và mục tiêu định hướng phát triển KT-XH giai đoạn 2020 - 2030 của 5 địa phương. Thống kê nhu cầu dùng nước thời kỳ 2012 - 2014 và phân loại các nguồn thải (1.662 cơ sở sản xuất kinh doanh, 39 KCN/CCN, 137 cơ sở y tế, 144 làng nghề).
  • Hiện trạng và diễn biến chất lượng nước (2011 - 7/2015): Đánh giá chi tiết sự biến thiên của các chỉ số DO, BOD5, COD, NH4+ và chỉ số chất lượng nước tổng hợp WQI trên sông Nhuệ, sông Đáy, các sông nội thành Hà Nội và sông nhánh; xây dựng bản đồ phân vùng chất lượng nước năm 2015.
  • Kết quả mô hình hóa dòng chảy và thủy lực:
    • Mô hình NAM: Xác định bộ thông số mô hình; kết quả hiệu chỉnh (1973 - 1975, 1976 - 1978) và kiểm nghiệm (1976 - 1977, 1972 - 1973) tại các trạm Hưng Thi và Ba Thá cho thấy đường quá trình lưu lượng tính toán bám sát số liệu thực đo với sai số chấp nhận được.
    • Mô hình thủy lực MIKE 11: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mực nước mùa kiệt (tháng 11 đến tháng 5 các năm từ 2010 đến 2015) tại 4 trạm Hà Nội, Hưng Yên, Phủ Lý, Ninh Bình đạt mức tương thích cao giữa số liệu tính toán và thực đo.
  • Kết quả mô hình hóa chất lượng nước và tự làm sạch:
    • Hiệu chỉnh và kiểm định nồng độ DO, nhiệt độ, BOD, NH4+ vào tháng 5/2014 và tháng 5/2015 trên sông Nhuệ và sông Đáy.
    • Phân đoạn sông nghiên cứu (xác định diện tích chiếm dụng, lưu lượng dòng chảy sông và lưu lượng xả thải theo từng đoạn).
    • Tính toán tổng tải lượng ô nhiễm đầu vào, tải lượng ô nhiễm tối đa cho phép và khả năng tiếp nhận nước thải của từng đoạn sông Nhuệ - Đáy theo 3 mục đích sử dụng: mục đích A2 (cấp nước sinh hoạt có xử lý phù hợp), mục đích B1 (tưới tiêu thủy lợi), mục đích B2 (giao thông thủy và các mục đích khác).
    • Đánh giá khả năng tự làm sạch chất ô nhiễm dựa vào mô hình của từng đoạn sông; dự báo tổng lượng nước thải và tải lượng chất ô nhiễm đến năm 2020 và 2030 theo kịch bản BĐKH RCP4.5 với kịch bản xử lý nước thải đạt 80% (so sánh với kịch bản 0% xử lý).
  • Đề xuất giải pháp: Xây dựng hệ thống giải pháp quản lý, kiểm soát nguồn thải, hoàn thiện cơ chế thể chế và các giải pháp công trình thủy lợi, xử lý nước thải nhằm giảm thiểu ô nhiễm lưu vực.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  • Luận án đã góp phần hoàn thiện phương pháp luận nghiên cứu và đánh giá ngưỡng chịu tải của môi trường nước lưu vực sông trong điều kiện biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế - xã hội.
  • Thiết lập quy trình liên hoàn kết hợp giữa mô hình mưa - dòng chảy (NAM) để khôi phục và dự báo biên lưu lượng thượng nguồn trong điều kiện thiếu chuỗi số liệu thực đo với bộ mô hình thủy lực - chất lượng nước một chiều (MIKE 11 HD, AD, EcoLab).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Luận án đã tính toán, xác định cụ thể tải lượng ô nhiễm tối đa và khả năng tiếp nhận nước thải đối với các thông số ô nhiễm chính (BOD, COD, NH4+) cho từng phân đoạn trên trục sông Nhuệ và sông Đáy tương ứng với từng mục đích sử dụng nước (A2, B1, B2).
  • Dự báo được diễn biến chất lượng nước, tải lượng ô nhiễm và ngưỡng chịu tải của hệ thống sông Nhuệ - Đáy đến năm 2020 và 2030 theo kịch bản biến đổi khí hậu phát thải trung bình RCP4.5 và các kịch bản kiểm soát nguồn thải (kịch bản xử lý 80% nước thải và kịch bản cơ sở 0%).
  • Cung cấp cơ sở khoa học định lượng phục vụ công tác phân bổ hạn ngạch xả nước thải vào lưu vực sông, hỗ trợ các cơ quan quản lý điều chỉnh kế hoạch và quy hoạch bảo vệ môi trường nước LVS Nhuệ - Đáy.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  1. Nhóm giải pháp quản lý và cơ chế chính sách:
    • Tăng cường thanh tra, kiểm tra, kiểm soát chặt chẽ 1.662 cơ sở sản xuất kinh doanh, 39 KCN/CCN, 137 cơ sở y tế và 144 làng nghề trên toàn lưu vực; kiên quyết xử lý các cơ sở gây ô nhiễm nghiêm trọng theo Quyết định 64/2003/QĐ-TTg.
    • Hoàn thiện cơ chế phối hợp liên ngành, liên tỉnh giữa UBND 5 tỉnh/thành phố (Hà Nội, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hòa Bình) và Ủy ban BVMT lưu vực sông Nhuệ - Đáy.
    • Áp dụng công cụ kinh tế và cấp phép xả thải dựa trên ngưỡng chịu tải và hạn ngạch xả thải đã được tính toán cho từng đoạn sông cụ thể.
  2. Nhóm giải pháp kỹ thuật và công trình:
    • Xây dựng, nâng cấp hệ thống thu gom và xử lý nước thải tập trung tại các đô thị loại II trở lên, các khu - cụm công nghiệp và làng nghề, bảo đảm đạt tỷ lệ xử lý tối thiểu 80% nước thải phát sinh đến năm 2020 và 2030.
    • Tối ưu hóa quy trình vận hành các công trình thủy lợi (cống Liên Mạc, cống Thần, cống Nhật Tựu, các trạm bơm tiêu thoát) nhằm điều tiết dòng chảy, tiếp nước bổ cập từ sông Hồng vào sông Nhuệ và sông Đáy trong mùa kiệt để tăng cường khả năng tự làm sạch và duy trì dòng chảy môi trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Về chuỗi dữ liệu thủy văn: Do các trạm thủy văn Ba Thá (sông Đáy) và Hưng Thi (sông Bôi) không duy trì đo đạc lưu lượng liên tục trong giai đoạn gần đây, nghiên cứu bắt buộc phải sử dụng phương pháp khôi phục số liệu chuỗi bằng mô hình mưa - dòng chảy NAM, điều này có thể dẫn đến những sai số nhất định so với đo đạc thực tế liên tục.
  • Về phạm vi không gian mô phỏng chi tiết: Nghiên cứu tập trung tính toán chi tiết khả năng chịu tải trên 2 trục sông chính là sông Nhuệ và sông Đáy; các chi lưu và sông nhánh phụ (như sông Tích, sông Thanh Hà, sông Hoàng Long, sông Châu Giang, sông Sắt, sông Đào) chủ yếu được xem xét như các nguồn biên nhập lưu hoặc nhánh kết nối mà chưa được đánh giá sức chịu tải độc lập từng nhánh nhỏ.
  • Về kịch bản BĐKH: Nghiên cứu chỉ tập trung khai thác kịch bản phát thải trung bình RCP4.5 cho các mốc năm 2020 và 2030, chưa mở rộng sang các kịch bản phát thải cao hoặc các mốc thời gian dài hạn hơn (2050, 2100).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Tiếp tục bổ sung và cập nhật mạng lưới quan trắc tự động liên tục về cả lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm trên toàn bộ các sông nhánh thuộc hệ thống lưu vực sông Nhuệ - Đáy.
  • Ứng dụng mô hình 2 chiều hoặc mô hình liên kết mạng sông chi tiết để đánh giá sự phân bố chất ô nhiễm tại các nút giao ngã ba sông và khu vực cửa cống xả lớn.
  • Đánh giá bổ sung ảnh hưởng của quá trình giải phóng chất ô nhiễm từ lớp trầm tích bùn đáy sông đến chất lượng nước trong điều kiện dòng chảy kiệt.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Học viên, nghiên cứu sinh và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Môi trường đất và nước, Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường, Thủy văn học và Quản lý Tài nguyên nước tại các trường đại học và viện nghiên cứu.
  • Cơ quan quản lý nhà nước: Bộ Tài nguyên và Môi trường, Tổng cục Môi trường, Cục Quản lý Tài nguyên nước, Chi cục BVMT lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy.
  • Chính quyền địa phương: Sở Tài nguyên và Môi trường, Chi cục Bảo vệ Môi trường của 5 tỉnh/thành phố trong lưu vực (Hà Nội, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hòa Bình).

Nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu

  • Quy trình tích hợp chuỗi mô hình: phương pháp sử dụng mô hình NAM để xử lý tình trạng khuyết thiếu dữ liệu biên lưu lượng và cách thức kết nối với mô hình chất lượng nước MIKE 11 (HD, AD, EcoLab).
  • Bảng số liệu thống kê chi tiết về hiện trạng nguồn thải (1.662 cơ sở sản xuất, 39 KCN/CCN, 137 bệnh viện, 144 làng nghề), dữ liệu 338 mặt cắt hình học của 8 con sông và bộ thông số hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy.
  • Phương pháp tính toán tải lượng ô nhiễm tối đa và khả năng tiếp nhận nước thải của từng đoạn sông phục vụ trực tiếp cho việc cấp phép xả thải và kiểm soát ô nhiễm nguồn nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng những công cụ mô hình toán học nào để giải quyết bài toán chất lượng nước và sức chịu tải?

Tác giả sử dụng kết hợp hai mô hình chính:

  • Mô hình mưa - dòng chảy NAM: Để tính toán sự biến đổi dòng chảy và khôi phục chuỗi số liệu lưu lượng làm biên đầu vào tại các trạm thượng nguồn (trạm Ba Thá trên sông Đáy và trạm Hưng Thi trên sông Bôi).
  • Mô hình MIKE 11 (Viện Thủy lực Đan Mạch - DHI): Sử dụng đồng thời 3 mô đun gồm mô đun thủy động lực (HD) giải hệ phương trình Saint-Venant một chiều; mô đun truyền tải - khuếch tán (AD) giải phương trình lan truyền chất; và mô đun sinh thái (EcoLab) mô phỏng các phản ứng chuyển hóa sinh hóa của 13 thông số chất lượng nước.

2. Dữ liệu hình học lòng sông được thiết lập trong mô hình MIKE 11 bao gồm những con sông nào và có bao nhiêu mặt cắt?

Mô hình thiết lập trên hệ thống 8 con sông với tổng cộng 338 mặt cắt hình học (đo đạc giai đoạn 2000 - 2015), gồm:

  • Sông Hồng: 131 mặt cắt (Sơn Tây - Ba Lạt)
  • Sông Đáy: 96 mặt cắt (Ba Thá - Như Tân)
  • Sông Nhuệ: 43 mặt cắt (Cống Liên Mạc - Phủ Lý)
  • Sông Ninh Cơ: 25 mặt cắt (Ngã ba sông Hồng - Phú Lễ)
  • Sông Hoàng Long: 14 mặt cắt (Hưng Thi - Gián Khẩu)
  • Sông Châu Giang: 11 mặt cắt
  • Sông Đào: 10 mặt cắt (Nam Định - sông Đáy)
  • Sông Luộc: 5 mặt cắt
  • Sông Đuống: 3 mặt cắt (Ngã ba sông Đuống - Thượng Cát)

3. Các kịch bản dự báo nào được xây dựng để tính toán tải lượng và sức chịu tải của hệ thống sông đến năm 2020 và 2030?

Luận án xây dựng các kịch bản dự báo dựa trên sự kết hợp giữa yếu tố tự nhiên và nhân tạo:

  • Kịch bản biến đổi khí hậu: Kịch bản phát thải trung bình RCP4.5 cho các mốc năm 2020 và 2030 để xác định lượng mưa bình quân lưu vực và biến đổi dòng chảy mặt cắt Ba Thá.
  • Kịch bản phát triển kinh tế - xã hội và xử lý nước thải: Dự báo tổng lượng nước thải phát sinh từ các nguồn thải chính và xem xét 2 kịch bản xử lý: kịch bản nước thải được thu gom xử lý đạt tỷ lệ 80% (theo định hướng quy hoạch) và kịch bản so sánh đối chứng 0% nước thải được xử lý.

4. Khả năng tiếp nhận nước thải của các đoạn sông Nhuệ - Đáy được đánh giá dựa trên các mục đích sử dụng nước nào?

Căn cứ theo Thông tư số 02/2009/TT-BTNMT và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt, luận án phân chia và tính toán tải lượng ô nhiễm tối đa cho từng đoạn sông theo 3 mục đích sử dụng:

  • Mục đích A2: Dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt nhưng phải áp dụng công nghệ xử lý phù hợp.
  • Mục đích B1: Dùng cho mục đích tưới tiêu thủy lợi hoặc các mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước tương tự.
  • Mục đích B2: Dùng cho giao thông thủy và các mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước thấp.

5. Cơ chế tự làm sạch tự nhiên của nước sông được luận án phân tích qua những hợp phần sinh hóa nào?

Cơ chế tự làm sạch tự nhiên trong luận án được phân tích qua 4 hợp phần chính:

  • Quá trình xáo trộn, pha loãng và khuếch tán rối thủy lực dọc theo lòng dẫn.
  • Quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ và oxy hóa amoni ($\text{NH}_4^+$) thành nitrit ($\text{NO}_2^-$) và nitrat ($\text{NO}_3^-$) nhờ vi sinh vật tiêu thụ oxy hòa tan (DO).
  • Quá trình hấp thụ và chuyển hóa kim loại nặng, dinh dưỡng của quần thể thực vật thủy sinh (vi tảo, bèo cái, bèo tây) và động vật thủy sinh (cá, động vật đáy).
  • Quá trình lắng đọng bùn cặn và cố định chất ô nhiễm xuống lớp trầm tích đáy.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Toàn Thắng là công trình nghiên cứu định lượng chuyên sâu về chất lượng nước và sức chịu tải môi trường nước lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy. Bằng việc kết hợp thực nghiệm phân tích hiện trạng với chuỗi mô hình toán học NAM và MIKE 11 (HD, AD, EcoLab), tác giả đã lượng hóa được khả năng tự làm sạch, tải lượng ô nhiễm tối đa và khả năng tiếp nhận nước thải của từng phân đoạn sông theo các mục đích sử dụng nước khác nhau. Kết quả tính toán và dự báo theo kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 cùng kịch bản phát triển kinh tế - xã hội đến năm 2020 và 2030 cung cấp cơ sở khoa học phục vụ công tác quản lý lưu vực, phân bổ hạn ngạch xả thải và quy hoạch các công trình xử lý ô nhiễm nước mặt.