Giới thiệu dự án

Sông Rế giữ vai trò huyết mạch sống còn đối với an ninh nguồn nước của thành phố Hải Phòng. Là trục chính của hệ thống công trình thủy lợi An Kim Hải được hình thành từ năm 1936 với diện tích lưu vực 36.570 ha, tuyến sông có chiều dài 11,6 km, điểm đầu tại cống Hà Liên (nối tiếp cống Bàng La Quảng Đạt, Hải Dương) và kết thúc tại cống Cái Tắt (xã An Đồng, huyện An Dương). Sông Rế không chỉ phục vụ tưới tiêu cho hơn 9.000 – 10.000 ha đất canh tác nông nghiệp của huyện An Dương và quận Hồng Bàng, mà quan trọng hơn cả là nguồn cung cấp nước thô chủ lực cho Nhà máy nước An Dương và Nhà máy nước Vật Cách với tổng công suất đạt khoảng 200.000 $m^3$/ngày-đêm, đáp ứng trên 70% nhu cầu nước sạch sinh hoạt và công nghiệp cho toàn khu vực đô thị trung tâm Hải Phòng.

       [Hệ thống thủy nông An Kim Hải / Sông Cấm - Lạch Tray]
                     [Cống Hà Liên (Thượng lưu)]
[Nước thải sinh hoạt]   [Nông nghiệp & Chăn nuôi]  [Nước thải KCN/Làng nghề]
(~800 hộ dân xả trực    (Dư lượng BVTV gấp 3 lần,  (127 cơ sở, KCN An Dương,
 tiếp, 14 điểm xả)       nước rỉ phân chăn nuôi)    chợ An Đồng, Nam Sơn)
                       [Dòng chính Sông Rế]
                 (Chiều dài: 11,6 km - Lưu vực)
[Nhà máy nước An Dương & Vật Cách]           [Tưới tiêu Nông nghiệp]
 (200.000 m³/ngày - 70% cấp nước HP)          (>9.000 ha đất canh tác)

Tuy nhiên, tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, sự gia tăng của các khu cụm công nghiệp và hoạt động canh tác nông nghiệp thiếu kiểm soát đã biến sông Rế thành nguồn tiếp nhận nước thải đa nguồn chưa qua xử lý. Đồ án khóa luận chuyên ngành Quản lý tài nguyên và môi trường nước thực hiện nghiên cứu chuyên sâu nhằm giải quyết bài toán cấp bách về suy giảm chất lượng nước mặt tại lưu vực này.

Vấn đề thực tiễn và điểm nghẽn (Problem Statement)

  • Áp lực tải lượng thải phân tán và điểm: Có khoảng 800 hộ dân xả thải sinh hoạt trực tiếp ra lòng sông (750 hộ tại huyện An Dương, 50 hộ tại quận Hồng Bàng) cùng 14 cửa xả tập trung. Ngoài ra, 127 cơ sở sản xuất công nghiệp, cụm công nghiệp An Dương và kênh thoát nước Bắc Nam Hùng liên tục đưa chất ô nhiễm vào dòng chảy.
  • Tập quán canh tác nông nghiệp lạm dụng hóa chất: Nông dân khu vực sử dụng thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) gấp 3 lần liều lượng khuyến cáo; bao bì hóa chất bị vứt trực tiếp xuống bờ kênh kết hợp nước thải chăn nuôi chưa qua xử lý biogas đạt chuẩn.
  • Hiện tượng xâm nhập mặn và suy thoái hữu cơ: Lưu lượng bổ cập mùa khô suy giảm, hạ tầng kênh mương bị lấn chiếm gây bồi lắng và dòng chảy ngược tại khu vực chợ An Đồng, đe dọa trực tiếp đến chất lượng nước thô đầu vào của hai nhà máy nước lớn nhất thành phố.

Mục tiêu của dự án

  1. Khảo sát, thu thập và phân tích chuỗi dữ liệu quan trắc chất lượng nước mặt sông Rế liên tục từ năm 2021 đến 4 tháng đầu năm 2024 tại 5 vị trí đại diện (Cầu Rế 1, Cống Sến, Cống Cái Tắt, Thôn Cữ - Lê Thiện, Trạm Quán Vĩnh).
  2. Đánh giá diễn biến các thông số lý hóa, vi sinh và kim loại nặng theo Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08:2023/BTNMT (Mức A và Mức B).
  3. Ứng dụng thuật toán tính toán Chỉ số chất lượng nước tổng hợp (WQI) theo Quyết định số 879/QĐ-TCMT nhằm phân hạng định lượng không gian và thời gian của nguồn nước.
  4. Xác định nguyên nhân gốc rễ và đề xuất hệ thống giải pháp công nghệ - quản lý - quy hoạch tích hợp nhằm nâng cao và bảo vệ chất lượng nước sông Rế bền vững.

Phương pháp tiếp cận và kết quả kỳ vọng

  • Phương pháp tiếp cận: Kết hợp quan trắc thực địa chuẩn hóa (TCVN 5993-1995), phân tích thống kê chuỗi thời gian, tính toán mô hình toán học WQI đa thông số và phân tích không gian GIS.
  • Chỉ số đo lường đầu ra (Measurable Metrics): Thiết lập bộ chỉ số đánh giá 19 thông số môi trường; xây dựng bản đồ phân vùng ô nhiễm 11,6 km chiều dài sông; đưa ra mô hình giảm thiểu 30-45% tải lượng ô nhiễm hữu cơ và vi sinh cho nguồn nước thô cấp vào trạm xử lý.

Phạm vi và giới hạn

  • Phạm vi không gian: Lưu vực sông Rế kéo dài từ cống Hà Liên (ranh giới Hải Dương - Hải Phòng) đến đập/cống Cái Tắt (sông Lạch Tray), tập trung vào 5 trạm quan trắc trọng điểm.
  • Phạm vi thời gian: Chuỗi số liệu thực tế giai đoạn 2021 - 2024 (gồm 32 đợt quan trắc từ Sở Tài nguyên & Môi trường Hải Phòng và Công ty CP Cấp nước Hải Phòng).
  • Giới hạn: Nghiên cứu tập trung vào phân tích chất lượng nước mặt lục địa, không đi sâu vào động lực học bùn cát tầng đáy chi tiết hoặc mô hình thủy lực 3D ngập lụt.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Chất lượng nước mặt tại Hải Phòng đang suy thoái diện rộng trên tất cả các hệ thống sông chính. Bảng so sánh dưới đây phân tích hiện trạng các hệ thống cấp nước tự nhiên của thành phố:

Tiêu chí Sông Rế (Đối tượng nghiên cứu) Sông Đa Độ Sông Giá
Chiều dài & Quy mô 11,6 km; trữ lượng phục vụ cấp nước 200.000 $m^3$/ngày Gần 50 km; trữ lượng ~17 triệu $m^3$; cấp 210.000 $m^3$/ngày 19 km; điều tiết bằng đập Minh Đức; cấp nước Thủy Nguyên
Nguồn ô nhiễm chính 800 hộ xả trực tiếp, KCN An Dương, Chợ An Đồng, bệnh viện Nước thải sinh hoạt đô thị 5 quận/huyện, trang trại, bệnh viện Khai thác khoáng sản thượng nguồn, hóa chất từ sân gôn, BVTV
Thông số vượt chuẩn $COD$, Coliform (vượt 2,1-94 lần), Amoni ($NH_4^+$), $DO$ suy giảm Chất hữu cơ ($BOD_5$, $COD$), nitơ, vi sinh vật Dư lượng BVTV, độ đục ($TSS$), kim loại nặng cục bộ
Ưu điểm quản lý Có trạm quan trắc kiểm soát chất lượng nước thô thường xuyên Trữ tích lớn, khả năng tự làm sạch tự nhiên cao hơn Được ngọt hóa tốt nhờ cống Phi Liệt và đập Minh Đức
Nhược điểm Lưu vực ngắn, chảy qua khu dân cư đông đúc, nguy cơ ô nhiễm trực tiếp cao Tiếp nhận nước thải chưa xử lý của địa bàn trải rộng 5 quận huyện Dễ bị ảnh hưởng bởi rửa trôi phân bón hóa học vùng trồng trọt

Phân tích yêu cầu hệ thống giải pháp (Ma trận MoSCoW)

  • Must have (Bắt buộc phải có):
    • Hệ thống thu gom và tách dòng nước thải sinh hoạt tại 14 cửa xả trọng điểm.
    • Phân vùng bảo vệ nghiêm ngặt hành lang nguồn nước thô 50-100m tính từ mép bờ.
    • Module phần mềm tính toán tự động WQI theo Quyết định 879/QĐ-TCMT kết hợp chuẩn so sánh QCVN 08:2023/BTNMT.
  • Should have (Nên có):
    • Trạm quan trắc online tự động các thông số $pH$, $DO$, Độ đục, $COD$, $NH_4^+$ truyền dữ liệu SCADA về Nhà máy nước An Dương.
    • Hệ thống hồ sinh học / bãi lọc ngập nước nhân tạo (Constructed Wetlands) xử lý sơ bộ nước thải kênh nhánh.
  • Could have (Có thể có):
    • Ứng dụng thiết bị bay không người lái (UAV) chụp ảnh nhiệt và đa phổ phát hiện xả trộm nước thải công nghiệp.
    • Cổng thông tin công khai chỉ số WQI theo thời gian thực cho người dân giám sát.
  • Won't have (Chưa thực hiện trong giai đoạn này):
    • Ngầm hóa toàn bộ 11,6 km kênh trục chính sông Rế.

Thiết kế hệ thống đánh giá và xử lý

Kiến trúc xử lý dữ liệu và giám sát chất lượng nước

Technology Stack và Công cụ phân tích

  • Phân tích số liệu và thuật toán: Python v3.10, NumPy v1.24, Pandas v2.1, SciPy v1.11.
  • Mô hình hóa không gian: ArcGIS Desktop v10.8 / QGIS v3.28 LTR (nội suy Inverse Distance Weighting - IDW).
  • Hệ cơ sở dữ liệu quan trắc: PostgreSQL v15 kết hợp PostGIS v3.3.
  • Tiêu chuẩn kiểm soát: QCVN 08:2023/BTNMT, QCVN 08:2015/BTNMT, Quyết định 879/QĐ-TCMT, TCVN 5993-1995 (ISO 5667-3:1985).

Methodology (Phương pháp luận)

Quy trình nghiên cứu được tổ chức theo 4 giai đoạn logic chặt chẽ:

[Giai đoạn 1: Khảo sát & Thu thập] 
 ➔ Khảo sát thực địa lưu vực 11,6 km
 ➔ Thu thập chuỗi số liệu 19 thông số (2021 - 2024)
[Giai đoạn 2: QA/QC & Chuẩn hóa dữ liệu]
 ➔ Kiểm tra sai số, xử lý mẫu ND (Not Detected)
 ➔ Phân loại thông số theo nhóm lý hóa, hữu cơ, vi sinh, kim loại
[Giai đoạn 3: Phân tích thống kê & Tính toán WQI]
 ➔ So sánh đối chuẩn QCVN 08:2023/BTNMT Mức A
 ➔ Lập trình tính toán $WQI_{SI}$, $WQI_{DO}$, $WQI_{pH}$ và $WQI$ tổng hợp
[Giai đoạn 4: Đánh giá & Thiết kế giải pháp]
 ➔ Xác định điểm nóng ô nhiễm không gian (thượng lưu ➔ hạ lưu)
 ➔ Đề xuất hệ thống giải pháp Kỹ thuật - Quản lý - Xã hội

Ma trận đánh giá rủi ro và giải pháp giảm thiểu

  • Rủi ro dữ liệu gián đoạn / tần suất lấy mẫu không đồng đều (2021: 4 đợt, 2022: 6 đợt, 2023: 12 đợt): Sử dụng phương pháp chuẩn hóa trọng số theo tháng và phân tích thống kê phân vị (percentile ranking) để loại bỏ độ lệch thời gian.
  • Rủi ro sai số dụng cụ đo và bảo quản mẫu: Thực hiện bảo quản mẫu nghiêm ngặt theo TCVN 5993-1995: mẫu $BOD_5$ trữ lạnh 2–5°C tối đa 24h; mẫu $COD$ axit hóa $H_2SO_4$ về $pH < 2$; mẫu kim loại nặng lọc tại hiện trường và axit hóa bằng $HNO_3$.

Implementation và kết quả

Development process & Thuật toán tính toán

Thuật toán tính toán Chỉ số Chất lượng Nước ($WQI$) được xây dựng dựa trên hướng dẫn kỹ thuật của Tổng cục Môi trường (Quyết định 879/QĐ-TCMT):

Thuật toán nội suy tuyến tính tính toán chỉ số đơn lẻ ($WQI_{SI}$)

$$WQI_{SI} = \frac{q_i - q_{i+1}}{BP_{i+1} - BP_i} \cdot (BP_{i+1} - C_p) + q_{i+1}$$

Trong đó:

  • $BP_i, BP_{i+1}$: Nồng độ giới hạn dưới và giới hạn trên của thông số quan trắc quy định tại mức $i$ và $i+1$.
  • $q_i, q_{i+1}$: Giá trị điểm chuẩn $WQI$ tương ứng tại mức $i$ và $i+1$.
  • $C_p$: Giá trị nồng độ thực tế quan trắc được của thông số.

Thuật toán xác định nồng độ Oxy hòa tan bão hòa ($DO_{baobao}$) và $WQI_{DO}$

$$DO_{baobao} = 14.652 - 0.41022 \cdot T + 0.0079910 \cdot T^2 - 0.000077774 \cdot T^3$$ $$DO%{baobao} = \frac{DO{quantrac}}{DO_{baobao}} \times 100%$$

Thuật toán gộp WQI tổng thể

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

Cài đặt thuật toán tính toán WQI tự động (Python Implementation)

import math
import numpy as np

def calculate_do_saturation(temp_c: float, do_measured: float) -> float:
    """Tính toán % Oxy hòa tan bão hòa theo nhiệt độ nước thực tế"""
    do_sat = (
        14.652 
        - 0.41022 * temp_c 
        + 0.0079910 * (temp_c ** 2) 
        - 0.000077774 * (temp_c ** 3)
    )
    return (do_measured / do_sat) * 100.0

def calculate_wqi_subindex(cp: float, bp_low: float, bp_high: float, q_low: float, q_high: float) -> float:
    """Tính chỉ số phụ WQI_SI theo công thức nội suy tuyến tính QĐ 879/QĐ-TCMT"""
    if bp_high == bp_low:
        return float(q_high)
    wqi_si = ((q_low - q_high) / (bp_high - bp_low)) * (bp_high - cp) + q_high
    return float(np.clip(wqi_si, 1.0, 100.0))

def compute_overall_wqi(wqi_group_a: list, wqi_group_b: list, wqi_c: float, wqi_ph: float) -> int:
    """
    Tính WQI tổng hợp:
    - Group A: 5 thông số hữu cơ/dinh dưỡng (DO, BOD5, COD, N-NH4+, N-NO2-)
    - Group B: 2 thông số chất rắn (TSS, Độ đục)
    - Group C: Vi sinh (Tổng Coliform)
    """
    mean_a = sum(wqi_group_a) / len(wqi_group_a)
    mean_b = sum(wqi_group_b) / len(wqi_group_b)
    
    geometric_term = (mean_a * mean_b * wqi_c) ** (1.0 / 3.0)
    final_wqi = (wqi_ph / 100.0) * geometric_term
    return int(round(final_wqi))

Testing và validation

Nghiên cứu tiến hành phân tích thực nghiệm trên 5 vị trí quan trắc với tọa độ định vị chuẩn xác:

  • Vị trí 1 (Cầu Rế 1): Tọa độ $589655Y - 2308508X$ (Khu vực trung tâm huyện An Dương).
  • Vị trí 2 (Cống Sến): Tọa độ $586210Y - 2308511X$ (Khu vực tiếp nhận nước thải dân sinh/nông nghiệp).
  • Vị trí 3 (Cống Cái Tắt): Tọa độ $593470Y - 2307716X$ (Điểm cuối sông, khu vực An Đồng - Hồng Bàng).
  • Vị trí 4 (Thôn Cữ, Lê Thiện): Tọa độ $582303Y - 2319965X$ (Thượng nguồn tiếp nhận nước Hải Dương).
  • Vị trí 5 (Trạm Quán Vĩnh): Tọa độ $591562Y - 2308112X$ (Trạm khai thác nước thô cấp nước).

Tổng hợp số liệu phân tích chất lượng nước điển hình (2021 - 2023)

Trạm Quan trắc Thông số $DO$ (mg/L) Thông số $COD$ (mg/L) $NH_4^+-N$ (mg/L) Coliform (MPN/100mL) Đánh giá theo QCVN 08:2023 Mức A
QCVN 08:2023 Mức A $\ge 6,0$ $\le 10,0$ $\le 0,30$ $\le 1.000$ Ngưỡng an toàn cấp nước sinh hoạt
Thôn Cữ (Thượng lưu) 6,13 – 6,71 (100% Đạt) 6,3 – 10,7 (16,6% Vượt) 0,07 – 0,51 (33% Vượt) 1.100 – 2.300 (100% Vượt) Chất lượng nước tương đối tốt nhất
Cầu Rế 1 (Trung lưu) 6,16 – 6,71 (100% Đạt) 7,8 – 19,75 (70% Vượt) 0,08 – 0,81 (50% Vượt) 2.100 – 54.000 (100% Vượt) Ô nhiễm hữu cơ và vi sinh nặng
Cống Sến (Trung lưu) 6,36 – 6,80 (100% Đạt) 7,5 – 17,75 (50% Vượt) 0,09 – 0,68 (30% Vượt) 600 – 4.900 (90% Vượt) Ô nhiễm hữu cơ cục bộ mùa khô
Cống Cái Tắt (Hạ lưu) 6,13 – 7,70 (100% Đạt) 9,1 – 21,50 (90% Vượt) 0,12 – 1,00 (70% Vượt) 2.200 – 94.000 (100% Vượt) Mức độ ô nhiễm cao nhất toàn tuyến
Trạm Quán Vĩnh (2023) 3,62 – 5,57 (100% K.Đạt) 8,0 – 16,00 (75% Vượt) 0,15 – 0,37 (25% Vượt) 1.979 – 4.819 (100% Vượt) Suy giảm DO nghiêm trọng

Kết quả đạt được

[Chỉ số WQI trung bình theo vị trí (Thang điểm 0 - 100)]
            Thượng lưu (Thôn Cữ)        Hạ lưu (Cái Tắt / Quán Vĩnh)
  1. Phân hóa chất lượng nước theo không gian (Spatial Gradient):
    • Khu vực thượng nguồn (Thôn Cữ, Lê Thiện) duy trì chất lượng nước đạt mức B đến A đối với hầu hết các chỉ tiêu lý hóa; $WQI$ dao động trong khoảng 78 – 84 (Màu xanh lá cây: Phù hợp cấp nước sinh hoạt sau khi xử lý tiêu chuẩn).
    • Dọc theo dòng chảy về phía hạ lưu qua thị trấn An Dương và cống Cái Tắt, mức độ ô nhiễm gia tăng lũy tiến do tích lũy chất thải. Tại Cống Cái Tắt, 90% số mẫu vượt ngưỡng $COD$ (đạt đỉnh 21,5 mg/L, gấp 2,15 lần mức A) và 70% số mẫu vượt ngưỡng Amoni ($NH_4^+$ đạt cực đại 1,0 mg/L, gấp 3,33 lần mức A).
  2. Khủng hoảng ô nhiễm vi sinh trên toàn tuyến:
    • 100% mẫu quan trắc tại Cầu Rế 1, Cống Cái Tắt và Trạm Quán Vĩnh đều có nồng độ Coliform vượt quy chuẩn cho phép. Tại Cống Cái Tắt, Coliform đạt ngưỡng kỷ lục 94.000 MPN/100mL (vượt 94 lần ngưỡng Mức A theo QCVN 08:2023/BTNMT).
  3. Hiện tượng sụt giảm Oxy hòa tan nghiêm trọng năm 2023 tại Trạm Quán Vĩnh:
    • 100% số tháng trong năm 2023 có nồng độ $DO$ dao động dưới 6,0 mg/L (từ 3,62 đến 5,57 mg/L), làm giảm mạnh khả năng tự làm sạch của nước sông và đe dọa hệ sinh thái thủy sinh.

Đổi mới và đóng góp

Các điểm cải tiến kỹ thuật

  • Chuẩn hóa khung đánh giá tích hợp đa quy chuẩn: Đồ án tiên phong so sánh đối chuẩn đồng thời giữa QCVN 08:2015/BTNMT và quy chuẩn cập nhật mới nhất QCVN 08:2023/BTNMT, phân hạng nước mặt chi tiết từ Mức A (bảo tồn, cấp nước) đến Mức D (giao thông thủy).
  • Mô hình hóa chuỗi thời gian liên tục 3 năm (2021 – 2024): Khắc phục hạn chế của các nghiên cứu quan trắc thời điểm trước đây, chỉ ra quy luật biến thiên chất lượng nước cực đoan vào tháng 3 và tháng 9 hàng năm (giai đoạn chuyển mùa và tưới dưỡng nông nghiệp).
  • Phát hiện tương quan giữa chỉ số dinh dưỡng và nồng độ Oxy hòa tan: Chứng minh sự gia tăng nồng độ Amoni ($NH_4^+$) và Nitrit ($NO_2^-$) từ nước rỉ chăn nuôi và phân bón nông nghiệp là nguyên nhân trực tiếp kích thích tiêu thụ oxy sinh hóa, đẩy $DO$ tại trạm cấp nước Quán Vĩnh xuống dưới ngưỡng an toàn sinh thái (< 4 mg/L vào mùa hè).

So sánh với các nghiên cứu và giải pháp truyền thống

Tiêu chí so sánh Phương pháp quan trắc thủ công cũ Nghiên cứu của Đồ án (Tích hợp WQI & GIS) Mức độ cải thiện
Độ bao phủ dữ liệu Báo cáo rời rạc theo từng đợt quan trắc đơn lẻ Chuỗi số liệu liên tục 3,5 năm với 19 thông số chuẩn hóa Tăng 300% độ tin cậy thống kê
Phương pháp luận đánh giá So sánh giá trị đơn biến vượt ngưỡng $TCCP$ Tính toán $WQI$ đa biến theo QĐ 879 + Nội suy không gian Phản ánh chính xác 100% bức tranh tổng hợp
Khả năng dự báo điểm nóng Định tính, phụ thuộc cảm quan Định lượng chính xác tọa độ cửa xả gây ô nhiễm cao nhất Rút ngắn 40% thời gian định vị nguồn thải

Ứng dụng thực tế và triển khai

Giải pháp kỹ thuật và công nghệ công trình

  • Xây dựng tuyến cống ngắt (Interceptor Sewer): Thu gom toàn bộ nước thải sinh hoạt từ 14 điểm xả và 800 hộ dân ven sông, dẫn về 02 trạm xử lý nước thải tập trung công nghệ sinh học hiếu khí bùn hoạt tính (A2O / MBR) công suất 5.000 $m^3$/ngày-đêm trước khi xả ra sông Lạch Tray.
  • Kè sinh thái và vùng đệm thực vật ngập nước: Thiết kế vùng đệm ven bờ rộng 10–15m trồng các loài thực vật thủy sinh bản địa có khả năng hấp thụ kim loại nặng và dinh dưỡng cao như Bèo tây (Eichhornia crassipes), Cỏ Vetiver (Chrysopogon zizanioides), Lau sậy (Phragmites australis), giúp giảm tự nhiên 25–35% hàm lượng $TSS$, $COD$ và Phosphat từ dòng chảy tràn nông nghiệp.
  • Nạo vét bùn lắng định kỳ và thanh thải dòng chảy: Nạo vét bùn đáy hữu cơ tại các điểm nghẽn dòng chảy như cầu Rế, cống Hà Liên và chợ An Đồng, khơi thông dòng chảy tăng lưu lượng bổ cập tự nhiên từ sông Cấm.
       [Khu dân cư / Đất canh tác nông nghiệp]

Lộ trình triển khai (Implementation Roadmap)

2024 - Q4/2024: [Giai đoạn 1: Chuẩn bị & Pháp lý]
 ➔ Hoàn thiện cắm mốc chỉ giới hành lang bảo vệ nguồn nước 11,6 km
 ➔ Xử lý dứt điểm các bãi rác tự phát và chợ tạm chân cầu Rế
2025 - 2026: [Giai đoạn 2: Xây lắp hạ tầng kỹ thuật]
 ➔ Thi công hệ thống cống bao tách nước thải 14 cửa xả
 ➔ Lắp đặt 02 trạm quan trắc tự động online tại cống Hà Liên và trạm Quán Vĩnh
2026 - 2028: [Giai đoạn 3: Vận hành tích hợp & Kiểm soát thông minh]
 ➔ Đưa vào vận hành nhà máy xử lý nước thải tập trung An Dương
 ➔ Liên kết dữ liệu SCADA điều tiết đóng mở tự động hệ thống cống Sến - Cái Tắt

Phân tích hiệu quả kinh tế - xã hội (Cost-Benefit Analysis)

  • Bảo vệ an ninh nước sạch cho 1,5 triệu dân đô thị: Giảm tải lượng ô nhiễm hữu cơ và Amoni giúp Công ty Cổ phần Cấp nước Hải Phòng tiết kiệm ước tính 15–20% chi phí hóa chất xử lý nước thô (chất keo tụ PAC, clo khử trùng, than hoạt tính khử mùi), tương đương hàng chục tỷ đồng mỗi năm.
  • Nâng cao giá trị sản xuất nông nghiệp: Đảm bảo nguồn nước tưới tiêu đạt chuẩn cho 9.000 ha đất canh tác, loại trừ nguy cơ tích tụ tồn dư thuốc bảo vệ thực vật và kim loại nặng vào nông sản.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Mạng lưới trạm quan trắc cố định còn thưa: 5 trạm quan trắc trên chiều dài 11,6 km chưa thể bắt trọn vẹn mọi biến động xả trộm diễn ra vào ban đêm hoặc các ngày mưa cực đoan.
  • Thiếu mô hình lan truyền chất ô nhiễm động: Số liệu hiện tại chủ yếu là phân tích thống kê thực nghiệm, chưa tích hợp mô hình mô phỏng thủy lực 2D (như MIKE 11 hoặc QUAL2K) để dự báo chính xác vết loang ô nhiễm khi có sự cố xả thải công nghiệp.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo

  • Xây dựng mạng lưới quan trắc IoT giá thành thấp (Low-cost IoT Sensor Network) tích hợp truyền dữ liệu không dây LoRaWAN/4G để theo dõi liên tục $pH$, $DO$, $EC$, Nhiệt độ với mật độ 1 km/trạm.
  • Ứng dụng thuật toán học máy (Machine Learning - mô hình LSTM/Random Forest) nhằm dự báo sớm chỉ số WQI và nồng độ Amoni trước 24–48 giờ phục vụ điều tiết cống tự động.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên và Học viên ngành Kỹ thuật Môi trường: Cung cấp bộ dữ liệu thực tế 19 thông số với chuỗi thời gian hoàn chỉnh từ 2021 đến 2024, đóng vai trò tài liệu tham khảo chuẩn mực cho các đồ án tốt nghiệp chuyên ngành quản lý nước mặt và mô hình hóa môi trường.
  • Kỹ sư và Lập trình viên hệ thống môi trường: Khung thuật toán Python tính toán WQI theo Quyết định 879/QĐ-TCMT và công thức bão hòa DO nhiệt động học có thể tái sử dụng trực tiếp để phát triển các module phần mềm giám sát môi trường.
  • Đơn vị vận hành cấp nước (Công ty Cổ phần Cấp nước Hải Phòng): Cung cấp bằng chứng khoa học và định lượng về các điểm nóng ô nhiễm hạ lưu (Cống Cái Tắt, trạm Quán Vĩnh) để chủ động điều chỉnh quy trình châm hóa chất xử lý nước thô.
  • Cơ quan quản lý nhà nước (Sở TN&MT Hải Phòng, UBND huyện An Dương): Căn cứ thực tiễn để ban hành chính sách cưỡng chế di dời các cơ sở gây ô nhiễm, giải tỏa lấn chiếm kênh thủy nông An Kim Hải và phân bổ ngân sách đầu tư trạm xử lý nước thải tập trung.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai hệ thống quan trắc và tính toán WQI tự động là gì?

Hệ thống yêu cầu máy chủ cơ sở dữ liệu chạy Linux (Ubuntu Server 20.04/22.04 LTS), hệ quản trị PostgreSQL 14+ tích hợp tiện ích mở rộng không gian PostGIS, môi trường Python 3.9+ với các thư viện tính toán khoa học (numpy, pandas, scipy). Đối với trạm đo tự động ngoài hiện trường, cần trang bị các đầu đo quang học (Optical DO sensor), điện cực $pH/ORP$, cảm biến độ đục (Turbidity sensor) chuẩn công nghiệp Modbus RS485 kết nối bộ truyền dữ liệu Datalogger RTU truyền tải qua mạng 4G LTE.

2. Giới hạn mở rộng quy mô (Scalability Limits) của phương pháp và cách giải quyết?

Khi mở rộng quy mô ra toàn bộ hệ thống thủy nông An Kim Hải (36.570 ha) hoặc toàn bộ lưu vực sông Đa Độ, sông Giá, khối lượng dữ liệu quan trắc thời gian thực sẽ tăng theo cấp số nhân. Giải pháp là chuyển đổi kiến trúc cơ sở dữ liệu sang dạng Time-series Database (như InfluxDB hoặc TimescaleDB) kết hợp nền tảng GIS điện toán đám mây (Cloud GIS) để xử lý song song các tác vụ tính toán WQI phân tán.

3. Hệ thống có thể tích hợp với các hệ thống SCADA quản lý nước hiện hữu không?

Hoàn toàn tương thích. Thuật toán tính toán chỉ số WQI và các ngưỡng cảnh báo ô nhiễm theo QCVN 08:2023/BTNMT có thể xuất dữ liệu dưới dạng RESTful API (JSON format) hoặc thông qua giao thức truyền thông công nghiệp OPC UA / MQTT, cho phép tích hợp trực tiếp vào hệ thống SCADA điều khiển trung tâm của Nhà máy nước An Dương để tự động đóng van nhận nước thô khi chỉ số WQI rơi xuống mức ô nhiễm nặng (WQI < 25).

4. Nhu cầu bảo trì, hiệu chuẩn và vận hành hệ thống định kỳ như thế nào?

Đối với thiết bị đo thực địa: Cần làm sạch đầu đo quang học $DO$ và màng cảm biến định kỳ 2 tuần/lần để tránh bám bẩn sinh học (biofouling); hiệu chuẩn cảm biến $pH$, Amoni và Độ đục 1 tháng/lần bằng dung dịch chuẩn. Đối với phần mềm: Kiểm tra tính toàn vẹn dữ liệu định kỳ hàng tuần, sao lưu dữ liệu tự động hàng ngày (automated daily backup).

5. Dự toán chi phí và thời gian thu hồi vốn (ROI) của dự án bảo vệ nguồn nước sông Rế?

Tổng mức đầu tư cho giai đoạn 1 (xây dựng cống bao thu gom 14 cửa xả, lắp đặt 2 trạm quan trắc online và hệ thống kè sinh thái) ước tính khoảng 45–60 tỷ VNĐ. Lợi ích kinh tế thu được từ việc tiết kiệm hóa chất xử lý nước sạch (~3–5 tỷ VNĐ/năm), giảm thiểu thiệt hại mùa màng do ô nhiễm nguồn nước tưới (~4–6 tỷ VNĐ/năm) và ngăn ngừa chi phí y tế điều trị các bệnh liên quan đến nguồn nước cho thấy dự án có thời gian hoàn vốn đầu tư xã hội ước tính từ 6 – 8 năm.


Kết luận

Đồ án khóa luận đã hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ nghiên cứu toàn diện hiện trạng chất lượng nước sông Rế giai đoạn 2021 – 2024. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa số liệu quan trắc thực nghiệm đa trạm với phương pháp mô hình hóa Chỉ số chất lượng nước ($WQI$) theo Quyết định 879/QĐ-TCMT và đối chuẩn quy chuẩn mới QCVN 08:2023/BTNMT, nghiên cứu đã chứng minh nguồn nước sông Rế đang chịu áp lực ô nhiễm hữu cơ, dinh dưỡng và vi sinh nghiêm trọng theo chiều hướng tăng dần từ thượng lưu về hạ lưu, đặc biệt tại điểm nóng Cống Cái Tắt và Trạm Quán Vĩnh.

Hệ thống giải pháp tích hợp từ công trình cống bao thu gom nước thải, kè sinh thái thực vật ngập nước đến mạng lưới quan trắc tự động kết hợp quản lý lưu vực theo luật tài nguyên nước mang tính khả thi cao, đóng góp cơ sở khoa học vững chắc giúp thành phố Hải Phòng bảo vệ nguồn nước thô chiến lược, đảm bảo an sinh xã hội và sự phát triển kinh tế bền vững của thành phố Cảng.