Tổng quan nghiên cứu

Tài nguyên nước dưới đất đóng vai trò then chốt trong sự phát triển kinh tế xã hội và an sinh cộng đồng, hiện cung cấp từ 35% đến 50% tổng lượng nước sinh hoạt tại các đô thị trên toàn quốc. Tại Việt Nam, tổng nhu cầu khai thác tài nguyên nước ước tính đạt khoảng 130 đến 150 tỷ m3/năm, chiếm tới gần 90% tổng nguồn nước trong mùa khô. Tuy nhiên, sự gia tăng dân số cùng tốc độ công nghiệp hóa nhanh chóng đang tạo áp lực gay gắt lên cả trữ lượng và chất lượng các tầng ngậm nước ngầm.

Thành phố Bắc Ninh là trung tâm chính trị, kinh tế của tỉnh Bắc Ninh, có diện tích tự nhiên 82,61 km2 với 19 đơn vị hành chính trực thuộc và mật độ dân số bình quân đạt 2.052 người/km2. Quá trình phát triển mạng lưới sản xuất công nghiệp và các làng nghề truyền thống đã làm phát sinh khối lượng lớn chất thải chưa qua xử lý triệt để, đe dọa nghiêm trọng tới môi trường thủy văn khu vực.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Khoa học Môi trường của tác giả Trần Văn Bình, dưới sự hướng dẫn của PGS. Đoàn Văn Điếm tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam, tập trung giải quyết vấn đề cốt lõi: Đánh giá thực trạng chất lượng môi trường nước ngầm và tình hình khai thác, sử dụng tài nguyên nước dưới đất trên địa bàn thành phố Bắc Ninh.

Nghiên cứu được triển khai trong phạm vi không gian toàn thành phố Bắc Ninh với dữ liệu quan trắc thực địa thu thập từ tháng 3/2015 đến tháng 3/2016. Mục tiêu cụ thể là lượng hóa mức độ ô nhiễm, xác định các nguồn áp lực chính, từ đó đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm giảm thiểu rủi ro cạn kiệt, suy thoái nguồn nước, phục vụ công tác quy hoạch tài nguyên nước bền vững cho địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết chu trình thủy văn và động lực học dòng chảy ngầm để mô tả quá trình vận động, thẩm thấu, tích tụ và trao đổi chất giữa tầng nước mặt với các tầng chứa nước dưới đất. Kết hợp với đó là lý thuyết lan truyền chất ô nhiễm trong môi trường xốp và nguyên lý cân bằng nước lưu vực nhằm phân tích tác động tiêu cực từ các nguồn thải nhân sinh.

Mô hình nghiên cứu phân chia không gian thành phố thành 4 tiểu vùng cân bằng tài nguyên nước: Hòa Long - Kinh Bắc (15,26 km2), Nam Sơn - Đáp Cầu (37,99 km2), Võ Cường - Hạp Lĩnh (18,80 km2), và Phong Khê - Khúc Xuyên (10,56 km2). Các khái niệm khoa học trọng tâm bao gồm: tầng chứa nước lỗ hổng Holocen (qh) có chiều dày trung bình 2,9m, tầng chứa nước Pleistocen giữa - trên (qp1) có chiều dày trung bình 13,4m với hệ số dẫn nước Km đạt 736 m2/ngày, tầng chứa nước khe nứt hệ tầng Hòn Gai (t3n-r hg), cùng khái niệm về hiện tượng thông tầng ô nhiễm do các lỗ khoan khai thác không đúng quy chuẩn kỹ thuật.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu kết hợp hài hòa giữa số liệu thứ cấp giai đoạn 2011-2015 từ Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bắc Ninh và số liệu thực nghiệm đo đạc thực tế từ tháng 3/2015 đến tháng 3/2016.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích kết hợp phân tầng đại diện được áp dụng để xác định 15 vị trí lấy mẫu điển hình (kí hiệu từ NN1 đến NN15). Cỡ mẫu gồm 30 lượt mẫu nước ngầm được lấy qua 2 đợt: mùa mưa (tháng 7) và mùa khô (tháng 1). Độ sâu các giếng khảo sát dao động từ 10m đến 60m, bao gồm 5 mẫu nước giếng dân sinh tầng nông (NN1-NN5), 4 mẫu nước ngầm công nghiệp tầng nông (NN6-NN9) và 6 mẫu giếng khoan tầng sâu tại các trạm cấp nước sạch và doanh nghiệp sản xuất (NN10-NN15). Quy trình lấy mẫu tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn TCVN 6663-11:2011 bằng thiết bị chuyên dụng WILDCO dung tích 2,2 lít, bảo quản mẫu theo TCVN 6663-3:2008.

Phương pháp phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm được thực hiện theo các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế chuẩn hóa: pH đo theo TCVN 6492:2011, độ cứng xác định theo SMEWW 2340 C:2012, clorua theo SMEWW 3114 B:2012, chì theo SMEWW 3113 B:2012, mangan theo SMEWW 3111 B:2012, sắt tổng số và nitrit, nitrat theo TCVN 6177:1996, amoni phân tích bằng phương pháp so màu HACH 8038-1998. Lý do lựa chọn các phương pháp trắc quang và quang phổ hấp thụ nguyên tử này là nhằm bảo đảm độ nhạy, giới hạn phát hiện vết và tính chính xác cao khi kiểm định các chỉ tiêu độc hại. Kết quả được xử lý trên phần mềm Microsoft Excel và so sánh trực tiếp với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước dưới đất QCVN 09:2008/BTNMT và nước ăn uống QCVN 01:2009/BYT.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả kiểm định cho thấy 9 trên tổng số 15 vị trí lấy mẫu (chiếm 60% các điểm quan trắc) có chất lượng nước ở cả mùa mưa và mùa khô đều vượt ngưỡng giới hạn cho phép của QCVN 09:2008/BTNMT đối với các thông số Mangan (Mn), Sắt (Fe), Amoni (NH4+) và Clorua (Cl-).

Thứ hai, hàm lượng các chất ô nhiễm có sự phân hóa mạnh mẽ theo chu kỳ mùa. Vào mùa khô, nồng độ Fe, Mn và Amoni tăng cao hơn mùa mưa từ 20% đến 45% do lưu lượng nước bổ cập từ nước mưa suy giảm, dẫn đến sự cô đặc khoáng chất và gia tăng quá trình hòa tan kim loại từ trầm tích chứa quặng vào tầng nước ngầm.

Thứ ba, mức độ ô nhiễm tập trung nghiêm trọng nhất tại các khu vực làng nghề và cụm công nghiệp. Điển hình tại Xí nghiệp giấy Phát Đạt (NN10) và Công ty TNHH Cường Thịnh thuộc Cụm công nghiệp Phong Khê (NN11), các chỉ tiêu Amoni, Fe và Mn luôn vượt quy chuẩn từ 1,5 đến hơn 3 lần. Hiện tượng ô nhiễm hữu cơ và hợp chất nitơ tại các giếng khoan sâu từ 20m đến 30m phản ánh tình trạng ngấm sâu của nước thải sản xuất giấy và sinh hoạt.

Thứ tư, cán cân khai thác nước ngầm đang chịu tải lượng khai thác rất lớn. Trạm cấp nước đô thị thành phố Bắc Ninh khai thác với công suất 22.000 m3/ngày hoàn toàn từ nguồn nước dưới đất. Bên cạnh đó, hoạt động sản xuất công nghiệp khai thác riêng khoảng 3.200 m3/ngày, kết hợp với 8.599 giếng khoan quy mô hộ gia đình tại khu vực nông thôn đang khai thác bình quân 0,3 m3/ngày/giếng, tạo nên sự suy giảm cục bộ mực nước tĩnh tại tầng Pleistocen.

Thảo luận kết quả

Các dữ liệu quan trắc khi được biểu diễn trên biểu đồ cột so sánh chu kỳ 2 mùa và biểu đồ đường biến thiên theo thời gian đã làm nổi bật xu hướng tích tụ kim loại nặng tại tầng chứa nước qp1. Bảng ma trận đối chiếu chất lượng nước giữa 4 vùng chỉ rõ vùng Phong Khê - Khúc Xuyên và Nam Sơn - Đáp Cầu là những điểm nóng ô nhiễm nhất.

Nguyên nhân chính của hiện tượng ô nhiễm xuất phát từ việc thành phố sở hữu 6 cụm công nghiệp với tổng diện tích quy hoạch 182,15 ha, trong đó các cụm như Hạp Lĩnh, Khắc Niệm, Võ Cường và Phong Khê I đều đã đạt tỷ lệ lấp đầy 100%. Nước thải công nghiệp chưa được xử lý đồng bộ xả trực tiếp ra hệ thống sông Ngũ Huyện Khê và kênh mương nội đồng, thấm qua lớp đất bở rời vào tầng Holocen và di chuyển xuống tầng sâu. Thêm vào đó, hàng ngàn giếng khoan khai thác nhỏ lẻ khi bị hư hỏng không được trám lấp đúng kỹ thuật đã trở thành các ống dẫn truyền chất bẩn trực tiếp từ bề mặt xuống lòng đất.

So sánh với các nghiên cứu tại Hóc Môn của Nguyễn Văn Phước năm 2008 (hàm lượng Fe đạt 9 mg/l) hay nghiên cứu tại Nhà Bè của Nguyễn Đình Toàn năm 2010 (Fe đạt 8,2 mg/l), thực trạng ô nhiễm sắt và mangan tại Bắc Ninh có nét tương đồng về cơ chế địa chất trầm tích đồng bằng châu thổ. Tuy nhiên, ô nhiễm amoni tại Bắc Ninh mang tính chất cục bộ rõ rệt gắn liền với mật độ xả thải của các làng nghề tái chế giấy và khu dân cư mật độ cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả đánh giá thực trạng, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp trọng tâm nhằm bảo vệ và quản lý bền vững tài nguyên nước ngầm:

  1. Đẩy mạnh quy hoạch chuyển đổi nguồn cấp nước mặt thay thế nước ngầm: UBND tỉnh Bắc Ninh và Sở Xây dựng cần phối hợp triển khai dự án xây dựng các nhà máy khai thác, xử lý nước mặt từ sông Cầu với công suất thiết kế ban đầu 30.000 đến 50.000 m3/ngày. Mục tiêu đặt ra là cắt giảm tỷ trọng khai thác nước dưới đất trong hệ thống cấp nước đô thị từ mức 100% xuống dưới 40% trong lộ trình 2016-2025.
  2. Hoàn thiện hệ thống thu gom và xử lý nước thải công nghiệp tập trung: Ban Quản lý các Khu công nghiệp và Cụm công nghiệp thành phố Bắc Ninh cần bắt buộc 100% doanh nghiệp sản xuất trong 6 cụm công nghiệp (đặc biệt là Phong Khê và Khắc Niệm) phải đấu nối vào trạm xử lý nước thải tập trung đạt chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT trước khi xả ra môi trường, hoàn thành dứt điểm trước quý IV năm 2018.
  3. Rà soát, đăng ký cấp phép và trám lấp giếng khoan hỏng: Phòng Tài nguyên và Môi trường thành phố Bắc Ninh kết hợp với chính quyền 19 xã, phường tổ chức tổng kiểm tra 8.599 giếng khoan tư nhân. Thực hiện trám lấp kỹ thuật đạt tỷ lệ 100% đối với các lỗ khoan thăm dò cũ, giếng không còn sử dụng theo đúng Thông tư số 27/2014/TT-BTNMT nhằm triệt tiêu hoàn toàn các phễu truyền dẫn ô nhiễm thông tầng trước năm 2020.
  4. Lắp đặt trạm tiền xử lý kim loại nặng và amoni cho các công trình cấp nước nông thôn: Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh Môi trường Nông thôn cần nhân rộng mô hình tháp oxy hóa giàn mưa kết hợp bể lọc cát mangan và than hoạt tính tại trạm cấp nước Dương Ô (công suất 800 m3/ngày) và các khu dân cư tự cấp nước, đảm bảo giảm trên 90% nồng độ Fe và Mn trong nước ăn uống sinh hoạt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bắc Ninh, Chi cục Bảo vệ Môi trường, Phòng TN&MT thành phố Bắc Ninh): Sử dụng tài liệu và bản đồ phân vùng làm căn cứ khoa học để hoạch định chiến lược cấp phép khai thác nước dưới đất, thanh tra môi trường và xây dựng quy hoạch bảo vệ tài nguyên nước giai đoạn 2020-2030.
  2. Đơn vị vận hành cấp thoát nước và doanh nghiệp hạ tầng (Công ty Cổ phần Nước sạch Bắc Ninh, các ban quản lý cụm công nghiệp): Nắm bắt chi tiết đặc tính thạch học tầng ngậm nước Pleistocen (qp1) và diễn biến nồng độ ion Fe, Mn, Amoni để cải tiến công nghệ lọc, lựa chọn tầng lọc phù hợp và xây dựng kế hoạch khai thác an toàn.
  3. Các doanh nghiệp sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp tại các làng nghề (ngành giấy Phong Khê, kính Đáp Cầu): Tham khảo để hiểu rõ tác động của hoạt động xả thải tới nguồn nước phục vụ chính doanh nghiệp, từ đó chủ động đầu tư công nghệ sản xuất sạch hơn và tuần hoàn tái sử dụng nước.
  4. Học viên cao học, giảng viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường, Địa chất Thủy văn: Kế thừa quy trình quan trắc chuẩn hóa theo TCVN, phương pháp đánh giá cân bằng nước lưu vực và mô hình nghiên cứu ô nhiễm đa tác nhân tại các vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tầng chứa nước nào tại thành phố Bắc Ninh có trữ lượng khai thác tốt nhất? Tầng chứa nước lỗ hổng trong trầm tích Pleistocen giữa - trên (qp1) có triển vọng khai thác cao nhất với bề dày trung bình 13,4m, lưu lượng hút nước thí nghiệm đạt bình quân 9,35 l/s và hệ số dẫn nước 736 m2/ngày. Đây là nguồn cấp nước chính cho nhà máy nước đô thị công suất 22.000 m3/ngày.

  2. Vì sao có tới 60% điểm quan trắc trong nghiên cứu bị vượt quy chuẩn môi trường? Nguyên nhân chủ yếu do hoạt động xả thải không qua xử lý từ 6 cụm công nghiệp lấp đầy 182,15 ha và các làng nghề giấy, cùng sự tồn tại của hơn 8.500 giếng khoan nhỏ lẻ không được trám lấp đúng chuẩn làm thông tầng ô nhiễm, kết hợp với hàm lượng sắt, mangan tự nhiên sẵn có trong cấu trúc địa chất trầm tích.

  3. Diễn biến nồng độ kim loại nặng và hợp chất nitơ khác biệt như thế nào giữa 2 mùa? Vào mùa khô, nồng độ Fe, Mn và Amoni tăng cao hơn mùa mưa từ 20% đến 45% do lượng nước mưa bổ cập suy giảm mạnh và hiện tượng bốc hơi làm tăng nồng độ khoáng hóa. Ngược lại, vào mùa mưa, hiện tượng ngập lụt làm tăng độ lan truyền diện rộng của chất hữu cơ từ nước mặt thẩm thấu xuống tầng nông.

  4. Tác hại của việc không trám lấp giếng khoan hỏng đối với nguồn nước ngầm là gì? Các giếng khoan hư hỏng không trám lấp tạo thành các đường dẫn trực tiếp, phá vỡ lớp sét cách nước tự nhiên dày từ 3,9m đến 14,6m. Điều này khiến nước mặt ô nhiễm từ các dòng sông như Ngũ Huyện Khê thẩm thấu thẳng xuống tầng Pleistocen sâu, làm ô nhiễm vĩnh viễn túi nước ngọt ngầm.

  5. Giải pháp công nghệ nào xử lý hiệu quả nước ngầm nhiễm Fe và Mn ở quy mô nông thôn? Giải pháp tối ưu và tiết kiệm nhất là áp dụng hệ thống làm thoáng giàn mưa oxy hóa Fe2+ và Mn2+ thành dạng kết tủa hidroxit không tan, kết hợp bể lọc nhiều tầng gồm cát thạch anh, cát mangan và than hoạt tính. Công nghệ này giúp loại bỏ trên 90% hàm lượng kim loại nặng và mùi tanh hữu cơ.

Kết luận

  1. Nghiên cứu đã xác lập bức tranh tổng thể về hiện trạng tài nguyên nước ngầm trên địa bàn 82,61 km2 của thành phố Bắc Ninh, làm rõ sự tương tác giữa 4 tiểu vùng thủy văn và 3 tầng chứa nước chính.
  2. Đã phát hiện và cảnh báo tình trạng ô nhiễm kim loại (Fe, Mn), Amoni và Clorua tại 60% số điểm quan trắc thực địa, chỉ ra nguy cơ suy thoái chất lượng nước ngầm đặc biệt nghiêm trọng trong mùa khô tại các khu vực làng nghề công nghiệp.
  3. Lượng hóa chính xác áp lực khai thác tổng hợp từ nhà máy nước đô thị công suất 22.000 m3/ngày, công nghiệp 3.200 m3/ngày và hệ thống 8.599 giếng khoan tư nhân lên tầng Pleistocen.
  4. Xây dựng hệ thống 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình mang tính khả thi cao, gắn liền trách nhiệm của các cơ quan quản lý và cộng đồng doanh nghiệp theo lộ trình cụ thể giai đoạn 2016-2025.
  5. Luận văn là tài liệu tham khảo khoa học có giá trị lý luận và thực tiễn sâu sắc, cung cấp cơ sở dữ liệu quan trắc tin cậy cho công tác quản lý tài nguyên và bảo vệ môi trường đô thị.

Các nhà quản lý, kỹ sư môi trường và nhà nghiên cứu quan tâm đến mô hình quản lý bền vững tài nguyên nước ngầm hãy kết nối, ứng dụng các kết quả nghiên cứu và đề xuất kỹ thuật của luận văn này vào thực tiễn quy hoạch phát triển đô thị ngay hôm nay.