Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Uông Bí, tỉnh Quảng Ninh là trung tâm công nghiệp năng lượng, khai khoáng và du lịch tâm linh trọng điểm của vùng Đông Bắc Bộ. Quá trình phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng ngành công nghiệp và xây dựng đạt trên 12% mỗi năm đã tạo ra sức ép môi trường to lớn lên các lưu vực sông tiếp nhận. Điển hình, với quy mô dân số đạt 127.120 người, lượng nước thải sinh hoạt đô thị phát sinh ước tính khoảng 8.898 m3/ngày đêm cùng với hơn 1.000 m3/ngày đêm nước thải thương mại, dịch vụ hầu hết chưa qua xử lý triệt để trước khi đổ ra hệ thống thủy vực tự nhiên. Bên cạnh đó, hoạt động của Nhà máy Nhiệt điện Uông Bí với nhu cầu tiêu thụ nước 4.500 m3/ngày đêm, cùng các mỏ than lớn như Đồng Vông (14.400 m3/ngày đêm), Nam Mẫu (9.000 m3/ngày đêm) và Vàng Danh (8.000 m3/ngày đêm) liên tục xả thải qua sông Vàng Danh, sông Sinh và sông Uông rồi chảy trực tiếp vào sông Đá Bạc.

Vấn đề nghiên cứu đặt ra là sự suy giảm chất lượng nước và nguy cơ ô nhiễm tích tụ tại sông Đá Bạc – tuyến giao thông thủy huyết mạch dài 12 km, rộng trung bình 400 m, giữ vai trò cung cấp nước tưới tiêu và điều hòa sinh thái cho các phường Phương Nam, Yên Thanh và xã Điền Công. Luận văn hướng đến mục tiêu đánh giá toàn diện hiện trạng, xác định diễn biến chất lượng môi trường nước mặt sông Đá Bạc qua chuỗi số liệu từ năm 2017 đến Quý II/2020 bằng phương pháp chỉ số chất lượng nước WQI, từ đó đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật và quản lý môi trường khả thi. Công trình mang ý nghĩa thực tiễn sâu sắc khi cung cấp hệ thống số liệu khoa học giúp chính quyền địa phương kiểm soát 100% các điểm xả thải trọng điểm, hỗ trợ quy hoạch hạ tầng thoát nước và hướng tới mục tiêu phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết đánh giá chất lượng môi trường nước thông qua chỉ số chất lượng nước tổng hợp (Water Quality Index - WQI). Thay vì đánh giá đơn chỉ tiêu truyền thống vốn bộc lộ nhiều hạn chế trong việc phản ánh bức tranh tổng thể dòng sông, mô hình WQI tích hợp đa thông số hóa lý và sinh học thành một giá trị không thứ nguyên trên thang điểm từ 0 đến 100. Khung lý thuyết này tiếp thu mô hình NSF-WQI của Quỹ Vệ sinh Quốc gia Hoa Kỳ và mô hình HCM-WQI cải tiến của các chuyên gia môi trường Việt Nam, đồng thời chuẩn hóa theo Quyết định số 1460/QĐ-TCMT ngày 12/11/2019 của Tổng cục Môi trường về hướng dẫn kỹ thuật tính toán chỉ số chất lượng nước Việt Nam (VN_WQI).

Các khái niệm cốt lõi vận dụng trong nghiên cứu bao gồm: Sức chịu tải môi trường nước (khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của thủy vực mà không làm biến đổi mục đích sử dụng), Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5 - lượng oxy cần thiết để vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ), Nhu cầu oxy hóa học (COD - lượng oxy đo lường toàn bộ chất hữu cơ có thể bị oxy hóa hóa học) và Tổng chất rắn lơ lửng (TSS - các hạt vô cơ và hữu cơ không tan lơ lửng trong nước). Cơ sở pháp lý và tiêu chuẩn đối chiếu của nghiên cứu dựa trên Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08-MT:2015/BTNMT và Luật Bảo vệ Môi trường Việt Nam.

Phương pháp nghiên cứu

Mạng lưới nghiên cứu thực nghiệm thiết lập 3 vị trí quan trắc chiến lược đại diện cho các vùng chịu tác động phát thải khác nhau dọc lưu vực 12 km sông Đá Bạc: điểm NM1 tại khu vực giáp ranh thành phố Uông Bí và thành phố Hải Phòng (tiếp nhận thải cơ khí và dân sinh), điểm NM2 tại hợp lưu nhánh sông thuộc phường Phương Nam (tiếp nhận thải xi măng Lam Thạch và khai thác đá), và điểm NM3 tại ngã ba hợp lưu của sông Sinh, sông Uông đổ vào sông Đá Bạc (tiếp nhận nước thải Nhà máy Nhiệt điện Uông Bí và đô thị trung tâm).

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 42 bộ dữ liệu quan trắc toàn diện, thu thập qua 14 đợt khảo sát từ Quý I/2017 đến Quý II/2020 (hồi cứu 12 đợt định kỳ 4 lần/năm từ năm 2017–2019 và thực nghiệm 2 đợt trong năm 2020). Phương pháp lấy mẫu, bảo quản và phân tích tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn TCVN 6663-6:2008 và phương pháp chuẩn SMEWW. Các thông số hiện trường như pH, nhiệt độ, DO, độ đục được đo trực tiếp bằng thiết bị đo đa chỉ tiêu cầm tay. Các chỉ tiêu phòng thí nghiệm bao gồm BOD5, COD, TSS, N-NH4+, P-PO43-, Tổng Nitơ, Tổng Photpho và Coliform. Lý do lựa chọn mô hình VN_WQI kết hợp đối sánh mô hình HCM-WQI cải tiến nhằm lượng hóa chính xác diễn biến chất lượng nước theo không gian và thời gian, loại trừ các sai số cục bộ và tạo công cụ truyền thông trực quan cho cơ quan quản lý đô thị.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả tính toán WQI theo phương pháp của Tổng cục Môi trường giai đoạn 2017–2020 cho thấy chỉ số chất lượng nước sông Đá Bạc phân hóa rõ rệt theo không gian và mùa:

Chỉ số WQI trung bình tại điểm NM1 duy trì ở mức cao từ 77 đến 79 điểm (thuộc mức màu xanh lá cây, chất lượng nước tốt, sử dụng tốt cho cấp nước sinh hoạt sau khi xử lý phù hợp). Tại điểm NM2, chỉ số WQI giảm nhẹ xuống 74 đến 77 điểm. Đáng chú ý nhất, điểm NM3 luôn ghi nhận giá trị WQI thấp nhất, chỉ dao động từ 71 đến 74 điểm (rơi vào phân hạng màu vàng, cảnh báo nước chỉ đạt yêu cầu tưới tiêu nông nghiệp và giao thông thủy). Mức suy giảm chất lượng nước tại điểm NM3 lên tới khoảng 8% đến 10% so với điểm NM1 đầu nguồn.

Hiện tượng ô nhiễm hữu cơ và chất rắn lơ lửng cục bộ xuất hiện nghiêm trọng vào mùa kiệt (Quý I hàng năm). Nồng độ BOD5 trong Quý I dao động từ 12,6 mg/l đến 21,9 mg/l, vượt ngưỡng giới hạn quy định tại Cột B1 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT. Tương tự, hàm lượng TSS trong Quý I đo được tại các điểm đạt từ 49 mg/l đến 55 mg/l, cao gấp hơn 3 lần so với mùa mưa (Quý II chỉ đạt 15,9 mg/l đến 16,8 mg/l).

Các chỉ tiêu vật lý và vi sinh khác duy trì ở ngưỡng an toàn: pH dao động ổn định trong khoảng 6,75 đến 7,12; lượng oxy hòa tan DO đạt 5,2 đến 6,2 mg/l (đạt chuẩn Cột A2); hàm lượng Coliform dao động từ 170 đến 680 MPN/100ml, thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng giới hạn 2.500 MPN/100ml của Cột A1. Độ mặn mùa kiệt duy trì trong phạm vi 0,1 đến 0,5 phần nghìn, đảm bảo khả năng tưới tiêu nông nghiệp.

Thảo luận kết quả

Diễn biến suy giảm chất lượng nước nghiêm trọng tại trạm quan trắc NM3 được giải thích bởi đặc điểm vị trí tiếp nhận trực tiếp dòng chảy từ sông Uông và sông Sinh. Đây là hai phụ lưu gánh chịu toàn bộ nước làm mát và nước thải xỉ than từ Nhà máy Nhiệt điện Uông Bí (công suất 300 MW) cùng nguồn nước thải của hơn 127.000 dân cư đô thị trung tâm chưa qua trạm xử lý nước thải tập trung. Thêm vào đó, nước chảy tràn từ các tuyến đường vận chuyển than ước tính đạt 37 m3/ngày đêm mang theo lượng lớn bụi than và kim loại nặng bồi lắng xuống hạ lưu.

Quy luật biến động theo mùa thể hiện tính quy luật khí hậu đặc trưng của vùng duyên hải Đông Bắc Bộ: lượng mưa tập trung 80% vào mùa mưa (tháng 4 đến tháng 9, cao điểm tháng 7 đạt 350,7 mm) tạo ra lưu lượng dòng chảy lớn từ hệ thống sông Hồng - Thái Bình giúp pha loãng hiệu quả các chất ô nhiễm. Ngược lại, mùa khô chỉ chiếm 20% tổng lượng mưa năm (tháng 1 lượng mưa chỉ đạt 0,1 mm) làm giảm sút lưu lượng tự nhiên, kết hợp cùng hoạt động xả thải công nghiệp mỏ như mỏ Vietmindo (công suất 5.000 m3/ngày đêm xử lý chưa triệt để) khiến các chỉ tiêu BOD5 và TSS gia tăng đột biến. Kết quả này khi đối sánh với mô hình HCM-WQI cải tiến của các nghiên cứu lưu vực sông phía Nam cho thấy sự tương đồng cao về xu hướng phân hóa chất lượng nước, khẳng định độ tin cậy của chuỗi số liệu quan trắc. Các dữ liệu này được thể hiện trực quan qua biểu đồ biến thiên WQI đa thời gian và bảng ma trận chất lượng nước giúp nhận diện chính xác các điểm nóng môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm kiểm soát và cải thiện chất lượng nước sông Đá Bạc:

Thứ nhất, đầu tư xây dựng hệ thống thu gom và trạm xử lý nước thải sinh hoạt đô thị tập trung. Ủy ban nhân dân thành phố Uông Bí cần phối hợp Sở Xây dựng triển khai dự án nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt với công suất thiết kế giai đoạn 1 đạt tối thiểu 10.000 m3/ngày đêm. Target metric là đạt tỷ lệ 70% nước thải đô thị được xử lý đạt chuẩn Cột A QCVN 14:2008/BTNMT trước khi xả ra sông Sinh và sông Uông, hoàn thành trước năm 2025.

Thứ hai, nâng cấp công nghệ và kiểm soát nghiêm ngặt các nguồn thải công nghiệp quy mô lớn. Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) và Tổng công ty Phát điện cần nâng cấp trạm xử lý nước thải mỏ Vietmindo lên công suất 5.000 m3/ngày đêm đảm bảo xử lý triệt để kim loại và cặn lơ lửng; đồng thời yêu cầu Nhà máy Nhiệt điện Uông Bí tuần hoàn tái sử dụng 85% lượng nước làm mát tuabin và nước tro xỉ, giảm thiểu nồng độ BOD5 và COD phát thải xuống dưới 15 mg/l, thực hiện trong giai đoạn 2021–2023.

Thứ ba, thiết lập mạng lưới quan trắc chất lượng nước tự động liên tục. Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh cần đầu tư lắp đặt 3 trạm quan trắc online truyền dữ liệu 24/7 tại các điểm xung yếu NM1, NM2 và NM3, tích hợp cảm biến đo tự động pH, DO, TSS, COD và độ đục, nhằm phát hiện kịp thời các sự cố môi trường và đạt tỷ lệ giám sát số liệu thời gian thực 100% vào năm 2024.

Thứ tư, siết chặt thanh tra, củng cố hành lang bảo vệ nguồn nước và phân vùng xả thải. Phòng Tài nguyên và Môi trường thành phố Uông Bí kết hợp lực lượng Cảnh sát Môi trường tiến hành thanh tra định kỳ tối thiểu 2 lần/năm đối với 100% cơ sở sản xuất ven sông; trồng 220 ha rừng phòng hộ ven bờ nhằm giảm 40% lượng bùn cát chảy tràn sau mưa bão, duy trì thường xuyên từ năm 2021.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và lý luận cao, là tài liệu tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng sau:

Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh, Chi cục Bảo vệ Môi trường, Phòng Tài nguyên và Môi trường thành phố Uông Bí): Cung cấp cơ sở khoa học định lượng bằng WQI để xây dựng kế hoạch phân vùng bảo vệ chất lượng nước lưu vực sông, cấp phép xả thải công nghiệp than - nhiệt điện và hoạch định chính sách bảo vệ môi trường địa phương.

Ban quản lý các khu công nghiệp, doanh nghiệp năng lượng và khai thác khoáng sản (Tập đoàn TKV, Công ty Nhiệt điện Uông Bí, Công ty Than Vàng Danh, Nhà máy Xi măng Lam Thạch): Tham khảo quy chuẩn phát thải, hiện trạng tác động và các thông số kỹ thuật để nâng cấp hệ sinh thái xử lý nước thải tuần hoàn và hoàn thiện báo cáo đánh giá tác động môi trường định kỳ.

Giảng viên, nghiên cứu viên và học viên cao học chuyên ngành Quản lý Môi trường, Kỹ thuật Môi trường và Thủy văn học: Sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm 42 bộ mẫu quan trắc chi tiết, phương pháp luận tính toán WQI theo Quyết định 1460/QĐ-TCMT và mô hình đối sánh đa biến phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu chuyên sâu.

Các đơn vị tư vấn quy hoạch đô thị và hạ tầng kỹ thuật: Khai thác tài liệu để tính toán tải lượng ô nhiễm hữu cơ và sức chịu tải của hệ thống thủy vực, phục vụ thiết kế mạng lưới thoát nước mưa, nước thải cho các đô thị công nghiệp loại II.

Câu hỏi thường gặp

Chỉ số WQI phản ánh như thế nào về mức độ an toàn của nguồn nước sông Đá Bạc?

Kết quả tính toán WQI dao động từ 71 đến 79 điểm khẳng định chất lượng nước sông Đá Bạc nằm ở mức trung bình khá đến tốt. Nguồn nước đáp ứng tốt mục đích giao thông thủy, tưới tiêu nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản, nhưng cần qua các quy trình xử lý hóa lý phù hợp nếu muốn khai thác cho mục đích sinh hoạt.

Nguyên nhân chính khiến nồng độ BOD5 và TSS tăng vọt trong Quý I là gì?

Do Quý I là đỉnh điểm mùa khô tại Uông Bí với lượng mưa chỉ chiếm 20% cả năm (tháng 1 chỉ đạt 0,1 mm), lưu lượng dòng chảy suy giảm làm mất khả năng tự làm sạch tự nhiên. Trong khi đó, hoạt động khai thác than và vận chuyển vật liệu xây dựng vẫn diễn ra liên tục, đẩy nồng độ BOD5 lên 12,6–21,9 mg/l và TSS lên 49–55 mg/l.

Mô hình VN_WQI của Tổng cục Môi trường có ưu điểm gì vượt trội so với đánh giá truyền thống?

Mô hình VN_WQI quy đổi các thông số phức tạp thành một chỉ số tích hợp từ 0 đến 100 theo bảng màu trực quan. Phương pháp này khắc phục tình trạng đánh giá mâu thuẫn khi có chỉ tiêu đạt, chỉ tiêu vượt quy chuẩn, giúp cơ quan quản lý dễ dàng so sánh diễn biến chất lượng nước theo không gian và thời gian.

Nước sông Đá Bạc có bị ảnh hưởng bởi hiện tượng xâm nhập mặn không?

Kết quả quan trắc độ mặn mùa kiệt trên sông Đá Bạc dao động từ 0,1 đến 0,5 phần nghìn. Mức độ nhiễm mặn này nằm trong ngưỡng cho phép đối với nước mặt dùng cho tưới tiêu nông nghiệp theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT, chưa gây ảnh hưởng tiêu cực đến cây trồng và sinh thái ven sông.

Nguồn phát thải công nghiệp nào gây áp lực lớn nhất lên hệ thống sông Uông Bí?

Nguồn thải lớn nhất thuộc về tổ hợp khai thác than với tổng lưu lượng trên 36.000 m3/ngày đêm (gồm các mỏ Đồng Vông, Nam Mẫu, Vàng Danh, Vietmindo) và Nhà máy Nhiệt điện Uông Bí với lưu lượng xả 4.500 m3/ngày đêm mang theo hàm lượng chất rắn lơ lửng, dầu mỡ và nhiệt độ cao.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện diễn biến chất lượng môi trường nước sông Đá Bạc giai đoạn 2017–2020 qua 14 kỳ quan trắc, xác định chỉ số WQI dao động trong khoảng 71 đến 79 điểm.
  • Xác định điểm nóng môi trường tại ngã ba hợp lưu sông Sinh - sông Uông (trạm NM3) do tiếp nhận trên 13.000 m3/ngày đêm nước thải đô thị và công nghiệp nhiệt điện chưa xử lý hoàn chỉnh.
  • Làm rõ tính quy luật mùa với sự gia tăng đột biến của nồng độ BOD5 (12,6–21,9 mg/l) và TSS (49–55 mg/l) trong mùa khô, đối lập với khả năng pha loãng tự nhiên trong mùa mưa.
  • Chứng minh tính ưu việt và độ tin cậy của mô hình tính toán VN_WQI theo Quyết định 1460/QĐ-TCMT khi tích hợp thành công dữ liệu đa thông số thành thang điểm quản lý trực quan.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp kỹ thuật, công nghệ quan trắc tự động và thể chế quản lý giai đoạn 2021–2025 với mục tiêu đưa 100% nguồn thải công nghiệp đạt chuẩn Cột A.

Đóng góp chính của luận văn là hoàn thiện bộ cơ sở dữ liệu môi trường nước mặt chi tiết cho thành phố Uông Bí, tạo tiền đề phương pháp luận cho việc ứng dụng WQI trong quản lý lưu vực sông ven biển. Các bước tiếp theo cần tập trung vào việc mô hình hóa sức chịu tải môi trường nước và tích hợp trạm quan trắc tự động liên tục. Các nhà quản lý đô thị, doanh nghiệp và nhà khoa học hãy cùng ứng dụng các kết quả nghiên cứu này để bảo vệ tài nguyên nước và thúc đẩy kinh tế xanh cho thành phố Uông Bí.