Tổng quan nghiên cứu

Sông Cái Nha Trang là lưu vực sông lớn nhất tỉnh Khánh Hòa với diện tích lưu vực khoảng 2.000 km² và chiều dài dòng chính xấp xỉ 79 km. Đây là nguồn cung cấp nước sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp sống còn cho thành phố Nha Trang cùng một phần huyện Diên Khánh với tổng công suất cấp nước đạt khoảng 75.000 m³/ngày. Tuy nhiên, trước sức ép gia tăng dân số toàn tỉnh đạt 1.183,3 nghìn người năm 2012 cùng tốc độ đô thị hóa và tăng trưởng kinh tế nhanh chóng, chất lượng môi trường nước mặt đang chịu nhiều tác động tiêu cực. Nước thải sinh hoạt đô thị, nước thải chế biến thủy sản, tiểu thủ công nghiệp và chăn nuôi phần lớn chưa qua xử lý triệt để đã xả trực tiếp vào lưu vực, làm gia tăng nguy cơ ô nhiễm hữu cơ và vi sinh vật.

Nghiên cứu được thực hiện nhằm tính toán định lượng khả năng chịu tải và khả năng tiếp nhận nước thải của sông Cái Nha Trang, tạo cơ sở khoa học xác đáng cho việc đề xuất các giải pháp bảo vệ nguồn nước. Phạm vi không gian của đề tài tập trung vào đoạn sông trọng điểm dài 15 km từ điểm hợp lưu Suối Dầu đến cửa biển tại cầu Trần Phú, bao gồm 20 điểm xả thải chính. Phạm vi thời gian nghiên cứu bao quát hai trạng thái thủy văn đặc thù là mùa mưa vào tháng 9 năm 2012 và mùa khô kiệt vào tháng 3 năm 2013 đối với các thông số ô nhiễm cốt lõi gồm nhu cầu oxy sinh hóa 5 ngày, tổng chất rắn lơ lửng và photphat.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc chuyển đổi phương thức quản lý môi trường từ đánh giá hiện trạng thụ động sang kiểm soát tải lượng chủ động. Kết quả nghiên cứu xác lập hạn mức xả thải tối đa theo ngày bằng số liệu định lượng cụ thể, hỗ trợ cơ quan quản lý kiểm soát việc vượt ngưỡng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt, bảo vệ an toàn cho hệ thống cấp nước 75.000 m³/ngày của địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết cân bằng vật chất và sức chịu tải của thủy vực, định nghĩa khả năng tiếp nhận nước thải là năng lực nguồn nước có thể đồng hóa thêm một lượng chất ô nhiễm mà vẫn bảo đảm nồng độ nằm trong giới hạn cho phép theo mục đích sử dụng. Khung pháp lý và kỹ thuật trung tâm được xây dựng dựa trên Thông tư 02/2009/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường quy định quy trình đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước tiếp nhận.

Các tiêu chuẩn đối sánh chất lượng nước dựa trên Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 08:2008/BTNMT mức A2 đối với nước mặt dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt sau khi xử lý thông thường, cùng các quy chuẩn xả thải QCVN 14:2008/BTNMT cho nước thải sinh hoạt và QCVN 40:2011/BTNMT cho nước thải công nghiệp. Khung mô hình vận hành dựa trên 5 khái niệm tính toán then chốt:

  • Tải lượng ô nhiễm tối đa được phép tiếp nhận được tính từ tổng lưu lượng dòng chảy và lưu lượng thải nhân với giá trị nồng độ giới hạn chuẩn.
  • Tải lượng ô nhiễm sẵn có trong nguồn nước tiếp nhận trước khi xả thải.
  • Tải lượng chất ô nhiễm từ nguồn xả thải đưa vào đoạn sông.
  • Khả năng tiếp nhận tải lượng ô nhiễm thực tế của nguồn nước.
  • Hệ số an toàn dao động từ 0,3 đến 0,7 nhằm kiểm soát các yếu tố bất định của thủy văn và thời tiết.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu đầu vào toàn diện từ chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn trạm Đồng Trăng giai đoạn 2012 - 2013 kết hợp tài liệu địa hình số hóa từ các mặt cắt ngang lòng sông. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 4 trạm quan trắc chất lượng nước mặt đại diện trên dòng chính gồm trạm Đồng Trăng, trạm Thanh Minh, trạm Nhà máy nước Võ Cạnh, trạm Cầu Đường Sắt và 20 điểm xả thải trọng điểm gồm 17 cửa xả sinh hoạt đô thị cùng 3 điểm xả công nghiệp và dịch vụ lớn.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng dọc theo tuyến sông 15 km nhằm bao quát toàn bộ các nguồn thải phân tán và tập trung tác động trực tiếp đến các nhà máy khai thác nước sinh hoạt. Nghiên cứu kết hợp hai công cụ mô hình hóa tiên tiến: mô hình thủy động lực học một chiều MIKE 11 phân hệ HD của Viện Thủy lực Đan Mạch và phần mềm hệ thống thông tin giám sát địa lý trên nền web SAGOClim do nhóm tác giả thuộc Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh phát triển từ năm 2012.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích này là do MIKE 11 giải quyết chính xác bài toán thủy lực dòng chảy không ổn định biến đổi chậm tại hạ lưu sông chịu tác động của chế độ bán nhật triều không đều, cung cấp chính xác giá trị lưu lượng tức thời nhỏ nhất. Dữ liệu dòng chảy này sau đó được tích hợp tự động vào SAGOClim để mô phỏng tải lượng ô nhiễm và trực quan hóa bản đồ sức chịu tải theo từng kịch bản mùa mưa và mùa khô. Timeline nghiên cứu được thực hiện tập trung trong 6 tháng với chuỗi dữ liệu thực nghiệm kiểm chứng liên tục từ năm 2011 đến năm 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả mô phỏng thủy lực và tải lượng ô nhiễm trên tuyến sông Cái Nha Trang dài 15 km chỉ ra 3 phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, khả năng chịu tải đối với nhu cầu oxy sinh hóa 5 ngày vào mùa khô tháng 3 năm 2013 đã đạt ngưỡng cực hạn trên toàn bộ dòng chảy chính. Đặc biệt, phân đoạn sông Cái từ khu vực Cầu Sắt đến cửa biển cầu Trần Phú có khả năng tiếp nhận hữu cơ bằng 0 hoặc mang giá trị âm, đồng nghĩa với việc đoạn sông này đã hoàn toàn mất khả năng tự làm sạch đối với chất ô nhiễm hữu cơ trong mùa kiệt.

Thứ hai, các nguồn thải công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt có mức độ phát thải vượt chuẩn quy định ở mức báo động. Khảo sát thực tế tại 17 cơ sở chế biến thủy sản trên địa bàn tỉnh cho thấy có 16 cơ sở không đạt QCVN 11:2008/BTNMT cột B với nồng độ nhu cầu oxy sinh hóa 5 ngày dao động từ 38,5 đến 1.927 mg/l, vượt quy chuẩn từ 1,3 đến trên 38 lần. Nước thải ngành sản xuất giấy có nhu cầu oxy hóa học từ 415,5 đến 478 mg/l, vượt quy chuẩn 2,3 đến 2,65 lần. Nước thải chăn nuôi tại 6 cơ sở khảo sát đều vượt QCVN 40:2011/BTNMT cột B với nồng độ hữu cơ từ 40,5 đến 285,5 mg/l, trong đó nhiều đơn vị vượt quy chuẩn tới 5,7 lần.

Thứ ba, sự phân hóa sức chịu tải giữa hai mùa diễn ra sâu sắc. Khả năng tiếp nhận tổng chất rắn lơ lửng và photphat vào mùa mưa tháng 9 năm 2012 cao hơn mùa khô từ 40% đến 65% nhờ lưu lượng bổ cập dồi dào từ các tâm mưa thượng lưu đạt 2.500 - 3.000 mm/năm. Trạm Thanh Minh vào mùa mưa có hàm lượng chất rắn lơ lửng biến thiên từ 2 đến 52 mg/l do hoạt động khai thác cát và dòng chảy bùn cát từ thượng nguồn gia tăng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi khiến khả năng chịu tải hữu cơ suy giảm nghiêm trọng ở hạ lưu bắt nguồn từ việc nước thải sinh hoạt của khu dân cư và các cơ sở dịch vụ du lịch tại Nha Trang hầu như chỉ qua bể tự hoại rồi đấu nối thẳng vào cống thoát nước mưa xả ra sông. Vào mùa khô, lưu lượng dòng chảy tự nhiên giảm mạnh trong khi lưu lượng xả thải giữ nguyên, dẫn đến hệ số pha loãng suy giảm và chất lượng nước bị suy thoái.

So sánh với các nghiên cứu tương tự trên lưu vực sông Thachin tại Thái Lan bằng mô hình MIKE 11 hay sông Kaoping tại Đài Loan bằng mô hình Qual2E, kết quả tại sông Cái Nha Trang phản ánh quy luật chung của các lưu vực sông đô thị hóa nhanh tại Đông Nam Á: nguồn ô nhiễm hữu cơ và coliform phân tán là nhân tố phá vỡ sức chịu tải tự nhiên. Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn chi tiết qua biểu đồ diễn biến nồng độ nhu cầu oxy sinh hóa 5 ngày giai đoạn 2011 - 2013 tại 4 trạm quan trắc, bảng tính toán cân bằng tải lượng chi tiết cho 20 nguồn xả và bản đồ phân vùng tải lượng màu sắc trực quan xuất từ phần mềm SAGOClim, giúp các nhà quản lý nhận diện nhanh chóng các điểm nóng môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tính toán định lượng sức chịu tải, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình cụ thể:

Thứ nhất, đẩy nhanh tiến độ hoàn thiện hệ thống thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt đô thị. Ủy ban nhân dân thành phố Nha Trang và Ban Quản lý dự án Vệ sinh môi trường cần hoàn thành giai đoạn 2 dự án Cải thiện vệ sinh môi trường thành phố, xây dựng hoàn chỉnh mạng lưới cống tách nước thải riêng biệt và đưa 2 trạm xử lý nước thải tập trung phía Bắc và phía Nam vào vận hành với công suất xử lý đạt 100% nước thải sinh hoạt nội thị đạt QCVN 14:2008/BTNMT mức A trong giai đoạn 2014 - 2018.

Thứ hai, cưỡng chế kiểm soát và xử lý nguồn thải công nghiệp, làng nghề và chăn nuôi. Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Khánh Hòa cùng Phòng Cảnh sát Môi trường cần tiến hành thanh tra, buộc 100% các nhà máy chế biến thủy sản, sản xuất giấy tại Cụm công nghiệp Diên Phú và dọc lưu vực nâng cấp hệ thống xử lý nước thải đạt QCVN 40:2011/BTNMT mức B trước khi xả thải, cắt giảm tối thiểu 50% tải lượng hữu cơ phát thải trong vòng 12 đến 24 tháng.

Thứ ba, thiết lập hạn mức xả thải và cấp phép dựa trên sức chịu tải thực tế. Chi cục Bảo vệ Môi trường Khánh Hòa cần ứng dụng phần mềm SAGOClim để thẩm định hồ sơ cấp phép xả nước thải vào nguồn nước, kiên quyết ngừng cấp phép tăng tải lượng xả hữu cơ tại phân đoạn hạ lưu dài 5 km cuối nguồn vốn đã âm khả năng chịu tải, thực hiện liên tục từ năm 2014.

Thứ tư, nâng cấp mạng lưới giám sát và quan trắc môi trường tự động. Trung tâm Quan trắc Tài nguyên và Môi trường cần lắp đặt bổ sung 3 trạm quan trắc nước mặt tự động liên tục tại các vị trí xung yếu gồm trạm Thanh Minh, cửa lấy nước Nhà máy nước Võ Cạnh và khu vực Cầu Sắt trong thời hạn 18 tháng, bảo đảm cung cấp dữ liệu tức thời và cảnh báo ô nhiễm với độ trễ dưới 15 phút.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang giá trị ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng:

Cán bộ quản lý môi trường tại Sở Tài nguyên và Môi trường, Chi cục Bảo vệ Môi trường tỉnh Khánh Hòa và các địa phương có điều kiện tự nhiên tương đồng. Nghiên cứu cung cấp khung phương pháp luận và số liệu tải lượng thực chứng để xây dựng quy hoạch bảo vệ môi trường lưu vực sông, phân bổ hạn ngạch tiếp nhận nước thải và ban hành các chính sách kiểm soát xả thải chuẩn xác.

Kỹ sư quy hoạch hạ tầng kỹ thuật và công nghệ môi trường tại các viện nghiên cứu và công ty tư vấn cấp thoát nước. Luận văn cung cấp tài liệu thủy văn, thủy lực chi tiết và số liệu phân tích tải lượng dòng chảy phục vụ tính toán vị trí xả thải, công suất thiết kế nhà máy xử lý nước thải và lựa chọn vị trí công trình thu nước cấp an toàn.

Chuyên viên phụ trách an toàn môi trường tại các doanh nghiệp chế biến thủy sản, sản xuất công nghiệp và cơ sở chăn nuôi trên địa bàn lưu vực. Tài liệu giúp doanh nghiệp nắm rõ giới hạn tiếp nhận của nguồn nước mặt, từ đó chủ động đầu tư, nâng cấp công nghệ xử lý nước thải nội vi đáp ứng quy chuẩn kỹ thuật.

Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Quản lý Môi trường, Kỹ thuật Môi trường và Thủy văn. Đề tài là tài liệu tham khảo học thuật giá trị về quy trình kết hợp mô hình MIKE 11 và phần mềm SAGOClim để giải quyết bài toán sức chịu tải nguồn nước theo quy định quản lý nhà nước.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân chính khiến đoạn hạ lưu sông Cái Nha Trang không còn khả năng tiếp nhận chất hữu cơ vào mùa khô là gì? Hiện tượng này xuất phát từ lưu lượng dòng chảy tự nhiên trong mùa kiệt suy giảm sâu, kết hợp tác động dòng triều làm giảm vận tốc thoát nước. Cùng lúc đó, hạ lưu phải tiếp nhận lượng lớn nước thải sinh hoạt chưa xử lý từ đô thị và các cơ sở dịch vụ du lịch với nồng độ hữu cơ cao, khiến tải lượng xả thải vượt quá khả năng đồng hóa tự nhiên của nguồn nước.

Phần mềm SAGOClim mang lại ưu thế gì trong việc tính toán sức chịu tải sông Cái? SAGOClim là hệ thống giám sát thông tin địa lý vận hành trên nền tảng web, tích hợp trực tiếp dữ liệu thủy lực từ mô hình MIKE 11 với bản đồ số và cơ sở dữ liệu quan trắc. Phần mềm giúp tự động hóa toàn bộ công thức tính toán tải lượng theo Thông tư 02/2009/TT-BTNMT, trích xuất kết quả nhanh chóng và trực quan hóa bản đồ sức chịu tải phục vụ công tác quản lý.

Nguồn thải nào đang gây áp lực ô nhiễm lớn nhất lên lưu vực sông Cái Nha Trang? Nguồn thải sinh hoạt đô thị từ thành phố Nha Trang và nước thải chế biến thủy sản là hai nguồn gây áp lực lớn nhất. Khảo sát cho thấy 16 trên 17 cơ sở thủy sản xả nước thải có nồng độ nhu cầu oxy sinh hóa 5 ngày vượt chuẩn từ 1,3 đến 38 lần, trong khi phần lớn nước thải dân cư nội thị chỉ qua bể tự hoại rồi xả thẳng ra sông.

Tại sao trạm quan trắc Thanh Minh lại ghi nhận chỉ số chất lượng nước thường xuyên bị suy giảm? Chất lượng nước tại trạm Thanh Minh suy giảm cục bộ do nồng độ chất rắn lơ lửng dao động từ 2 đến 52 mg/l và coliform tăng cao. Nguyên nhân trực tiếp là do hoạt động khai thác cát cục bộ gây xáo trộn bùn đáy làm đục nước, kết hợp với nguồn xả thải từ các cơ sở chăn nuôi, giết mổ gia súc tập trung tại huyện Diên Khánh chưa được xử lý đạt chuẩn.

Hệ số an toàn trong phương pháp tính toán khả năng chịu tải có ý nghĩa như thế nào? Hệ số an toàn có giá trị từ 0,3 đến 0,7 được đưa vào công thức nhằm bù trừ các sai số trong đo đạc thủy văn, biến động thời tiết bất thường và dự phòng cho sự gia tăng tải lượng xả thải trong tương lai. Hệ số này bảo đảm chất lượng nguồn nước sau khi tiếp nhận dòng thải vẫn duy trì an toàn dưới ngưỡng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.

Kết luận

  • Đánh giá định lượng toàn diện khả năng chịu tải của đoạn sông Cái Nha Trang dài 15 km đối với 3 thông số ô nhiễm cốt lõi là nhu cầu oxy sinh hóa 5 ngày, tổng chất rắn lơ lửng và photphat.
  • Phát hiện và cảnh báo tình trạng đoạn hạ lưu và cửa sông Cái hoàn toàn mất khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm hữu cơ trong mùa khô kiệt năm 2013 do áp lực xả thải sinh hoạt và du lịch.
  • Ứng dụng thành công chuỗi công cụ mô hình hóa tích hợp giữa mô hình thủy động lực học MIKE 11 và phần mềm web SAGOClim theo đúng Thông tư 02/2009/TT-BTNMT.
  • Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu môi trường và thủy lực chuẩn hóa cho 20 điểm xả thải chính và 4 trạm quan trắc chất lượng nước dọc lưu vực.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp đồng bộ kết hợp giữa quy hoạch kỹ thuật hạ tầng thu gom nước thải với chính sách hạn mức xả thải và mạng lưới quan trắc tự động.

Đóng góp khoa học lớn nhất của luận văn là công trình tiên phong tại tỉnh Khánh Hòa ứng dụng công cụ mô hình toán và hệ thống thông tin giám sát địa lý để lượng hóa chính xác sức chịu tải của sông Cái Nha Trang. Hướng nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng mô phỏng cho toàn bộ mạng lưới các sông nhánh phụ lưu và tích hợp các kịch bản biến đổi khí hậu giai đoạn 2025 - 2030. Các cơ quan quản lý môi trường và chính quyền địa phương cần nhanh chóng thể chế hóa các ngưỡng tải lượng nghiên cứu thành quy định cấp phép xả thải cụ thể nhằm bảo vệ bền vững an ninh nguồn nước cấp cho cộng đồng.