Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ chuyên ngành Khoa học Môi trường (mã số: 9440301.01) của nghiên cứu sinh Hán Thị Ngân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS Hoàng Xuân Cơ tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2021, mang tiêu đề: "Nghiên cứu đánh giá mưa axit trên lãnh thổ Việt Nam thông qua số liệu quan trắc nước mưa giai đoạn 2005 - 2018".
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Mưa axit là một dạng thể hiện của lắng đọng ướt trong quá trình lắng đọng axit khí quyển, bắt nguồn chủ yếu từ sự phát thải $\text{SO}_2$ và $\text{NO}_x$ từ các hoạt động đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, giao thông, công nghiệp cũng như các quá trình lan truyền ô nhiễm không khí xuyên biên giới. Tại Việt Nam, nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là than cho nhiệt điện, xi măng, luyện kim và hóa chất tăng mạnh trong giai đoạn 2005 - 2018 và dự báo đạt khoảng 110 triệu tấn vào năm 2025, tăng lên 144,7 - 153,1 triệu tấn vào giai đoạn 2030 - 2035 (gấp 3 lần so với giai đoạn 2015 - 2017).
Trước bối cảnh nguy cơ gia tăng ô nhiễm không khí cục bộ và lan truyền chất ô nhiễm xuyên biên giới ($\text{SO}_x, \text{NO}_x, \text{CO}_2$), các thông tin và phân tích xác đáng dài hạn về hiện trạng và xu thế mưa axit tại Việt Nam vẫn còn thiếu hụt. Nhiều nghiên cứu trước đây chỉ giới hạn trong phạm vi thời gian ngắn, quy mô một vài tỉnh thành cục bộ, hoặc chỉ quan sát chỉ số pH đơn thuần mà chưa phân tích đầy đủ mối quan hệ giữa thành phần các ion, hệ số trung hòa axit và tải lượng lắng đọng ướt trên quy mô toàn quốc. Việc đánh giá hệ số trung hòa axit còn mới mẻ tại Việt Nam, dẫn đến khó khăn trong việc giải thích hiện tượng nồng độ ion $\text{H}^+$ giảm trong khi phát thải các chất ô nhiễm không khí có nguồn gốc axit lại gia tăng.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát của luận án là đánh giá được tính axit theo cả về chất và lượng của nước mưa trên lãnh thổ Việt Nam dựa trên các số liệu quan trắc trong giai đoạn 2005 - 2018.
Để đạt được mục tiêu trên, luận án thực hiện 6 nội dung nghiên cứu cụ thể:
- Đánh giá mưa axit theo độ pH.
- Đánh giá thành phần hóa học trong nước mưa, phân tích mối tương quan giữa các cặp ion trong nước mưa.
- Đánh giá tổng lượng lắng đọng axit ướt.
- Nghiên cứu xu thế lắng đọng và nghiên cứu các mối quan hệ có liên quan đến xu thế lắng đọng.
- Nghiên cứu khả năng trung hòa axit trong nước mưa.
- Đề xuất giải pháp ứng phó với tình trạng mưa axit.
Luận điểm bảo vệ của tác giả
- Luận điểm 1: Xu thế nồng độ và xu thế lắng đọng của các ion cùng với xu thế pH trong nước mưa và mối quan hệ, tương quan của chúng phản ánh được tính axit của nước mưa cả về chất và lượng.
- Luận điểm 2: Khả năng trung hòa axit trong nước mưa được giải thích cho xu thế pH trong nước mưa giảm trong khi tình trạng ô nhiễm bụi chứa các cation trong môi trường không khí gia tăng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Tính axit của nước mưa được nghiên cứu thông qua chuỗi số liệu quan trắc phân tích thành phần hóa học, độ pH, nồng độ và mức lắng đọng các ion trong nước mưa cùng lượng mưa đo được trong nhiều năm.
- Phạm vi không gian: Kết quả quan trắc tại 23 trạm quan trắc chất lượng nước mưa phân bố trên 22 tỉnh, thành phố thuộc mạng lưới của Tổng cục Khí tượng Thủy văn quản lý.
- Phạm vi thời gian: Chuỗi số liệu quan trắc liên tục trong 14 năm, từ năm 2005 đến năm 2018.
- Phạm vi khoa học: Các đánh giá dựa trên dữ liệu mẫu nước mưa đo được tại trạm mang tính điều tra cơ bản, phục vụ đánh giá dữ liệu nền môi trường.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu quốc tế
Thuật ngữ "mưa axit" (acid rain) được nhà hóa học Robert Angus Smith sử dụng lần đầu tiên vào năm 1852 khi điều tra thành phần hóa học nước mưa tại Anh và Scotland, sau đó xuất bản thành công trình "Air and rain: The beginnings of a chemical climatology" (1872). Đến cuối thập niên 1960 - đầu thập niên 1970, mưa axit được công nhận là vấn đề môi trường toàn cầu với 3 khu vực trọng điểm: Đông Bắc Mỹ, Trung Âu và Trung Quốc.
Tác giả luận án đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu quốc tế theo 5 nhóm nội dung chính:
- Chính sách và mạng lưới quan trắc: Mỹ thiết lập Chương trình NADP/NTN (1978), hệ thống NAPAP, AIRMoN, MDN. Báo cáo năm 2004 của EPA chỉ ra vùng Đông Bắc Mỹ có tần suất $\text{pH} < 5,0$ cao nhất, nồng độ $\text{NO}_3^-$ lắng đọng ướt đạt 1,5 - 1,8 mg/l (14 - 20 kg/ha) và $\text{SO}4^{2-}$ đạt 2 - 2,5 mg/l (21 - >27 kg/ha). Daiju Narita nghiên cứu bụi $\text{PM}{2,5}$ và lắng đọng axit tại Bangkok (Thái Lan), ghi nhận ô nhiễm mùa khô cao hơn mùa mưa.
- Tác động hệ sinh thái: Linthurst et al. (1986) chỉ ra khoảng 8% hồ ở Đông Bắc Mỹ bị axit hóa ($\text{pH} < 5,0$). Sven Eric Jogensen (1998) ghi nhận khoảng một nửa trong số 7.000 hồ tại miền Đông Canada có độ kiềm $< 50\ \mu\text{eq/l}$. Mustapha và Mohammed nghiên cứu cá da trơn bùn châu Phi (Clarias gariepinus) ghi nhận tỷ lệ tử vong cao ở pH 3 và pH 4. Haili Yu et al. nghiên cứu 43 vị trí tại Trung Quốc cho thấy pH trung bình là 6,2 và gần 20% số điểm xuất hiện mưa axit ($\text{pH} < 5,6$).
- Thành phần ion và nguồn gốc: Ooki (2002) tại Nhật Bản nghiên cứu nguồn gốc nhân tạo của $\text{K}^+$ và $\text{Na}^+$. Salve (2012) chỉ ra $\text{Ca}^{2+}$, $\text{NH}_4^+$, $\text{Mg}^{2+}$ đóng vai trò trung hòa axit. Yong-Seok Seo (2015) xác định lắng đọng thủy ngân tại Seoul (Hàn Quốc). Hu (2003) tại Singapore ghi nhận nồng độ ion tăng cao vào tháng 5 do cháy rừng ở Kalimantan (Indonesia). Fenn (2003) tính toán lắng đọng nitơ tại miền Tây Hoa Kỳ đạt 1 - 4 kg/ha/năm (vùng chịu ảnh hưởng gió lên tới 30 - 90 kg/ha/năm). Li Zong-lie (2010 - 2015) dùng mô hình HYSPLIT V4 phân tích 402 mẫu nước mưa nguồn sông Dương Tử (pH từ 4,0 đến 8,57, trung bình 6,37; EC trung bình $27,59\ \mu\text{S/cm}$). Xinwei Lu (2011) tại Tây An (Trung Quốc) xác định thứ tự nồng độ đương lượng ion mùa xuân: $\text{SO}_4^{2-} > \text{Ca}^{2+} > \text{NH}_4^+ > \text{NO}_3^- > \text{Cl}^- > \text{Mg}^{2+} > \text{Na}^+ > \text{F}^- > \text{K}^+$, trong đó $\text{SO}_4^{2-}, \text{Ca}^{2+}, \text{NH}_4^+, \text{NO}_3^-$ chiếm 88%.
- Khả năng trung hòa axit: Johnson (1986) tại Nicaragua phát hiện cây bụi Malanthora và Lantana giải phóng $\text{K}^+$ để trung hòa axit từ núi lửa Masaya. Balasubramanian (2001) tại Singapore ghi nhận pH trung bình 4,5 (88% mẫu có $\text{pH} < 5$), quá trình trung hòa do $\text{Ca(OH)}_2, \text{Mg(OH)}_2$ và $\text{NH}_3$. Agnes Keresztesi et al. (2019) nghiên cứu 27 quốc gia châu Âu giai đoạn 2000 - 2017, ghi nhận hệ số trung hòa của $\text{Na}^+$ cao nhất (0,54), tiếp theo là $\text{NH}_4^+$ (0,46).
- Xu thế lắng đọng: Seto (2002, 2004) tại Nhật Bản giai đoạn 1989 - 1998 ghi nhận $\text{nss-SO}_4^{2-}$ giảm 3,49%/năm, $\text{NO}_3^-$ tăng 1,22%/năm, $\text{NH}_4^+$ tăng 1,11%/năm, $\text{nss-Ca}^{2+}$ giảm 1,38%/năm và $\text{H}^+$ giảm 2,12%/năm. Yamada (2007) áp dụng phương pháp kiểm nghiệm Seasonal Mann-Kendall (SMK) đánh giá xu thế chất lượng nước tại 5 hồ ở Nhật Bản. Navratil (2010) đánh giá xu thế 20 năm tại bang Maine (Hoa Kỳ).
Các nghiên cứu tại Việt Nam
Tại Việt Nam, các nghiên cứu tiêu biểu được tác giả tổng kết bao gồm:
| Tác giả / Năm |
Đề tài / Phạm vi nghiên cứu |
Kết quả và phát hiện chính |
| Nguyễn Hồng Khánh (1993, 2003) |
Khảo sát pH nước mưa Bắc Bộ; Đề tài cấp Nhà nước tại 7 tỉnh phía Bắc |
Xác định phân bố pH; ghi nhận tần suất mưa axit cao nhất tại Yên Bái (82,8% vào mùa khô) và thấp nhất tại Hà Đông (15,6% vào mùa mưa). |
| Nguyễn Thị Kim Lan, Nguyễn Thị Phương (1999) |
Hiện trạng mưa axit phía Nam (4 trạm: Tân Sơn Hòa, Tây Ninh, Cần Thơ, Cà Mau giai đoạn 1993 - 1998) |
Phác họa hiện trạng lắng đọng axit ban đầu ở miền Nam; đề xuất mạng lưới bố trí trạm quan trắc. |
| Trần Thị Diệu Hằng et al. (2005) |
Hiện trạng mưa axit toàn quốc giai đoạn 2000 - 2004 |
Phân tích tương quan các thành phần hóa học nước mưa trên phạm vi toàn quốc. |
| Phạm Thị Thu Hà (2010, 2013) |
Lắng đọng axit tại vùng đồng bằng sông Hồng (Hà Nội, Hải Phòng, Hải Dương, Ninh Bình giai đoạn 2006 - 2012) |
Đánh giá tải lượng lắng đọng ướt; thử nghiệm tác động của mưa axit đến sinh trưởng cây đậu cô ve tại Hải Dương. |
| Đàm Duy Ân (2016) |
Lắng đọng khô miền Bắc Việt Nam và lan truyền xuyên biên giới |
Tháng 1 ghi nhận tỷ lệ lắng đọng khô $\text{SO}_4^{2-}$ từ Trung Quốc sang đạt 20,67%, từ khu vực khác đạt 28,61%; $\text{NO}_3^-$ từ khu vực lân cận chiếm 15,66% - 22,31% vào mùa đông. |
| Đào Thị Thu Hà, Võ Thị Lệ Hiền (2018) |
Mạng lưới quan trắc nước mưa phía Nam |
Đánh giá vận hành mạng lưới phía Nam hơn 20 năm; chỉ ra hạn chế về cơ sở kỹ thuật và khung pháp lý. |
| Ngô Thị Vân Anh (2018) |
Đề tài cấp Bộ mô phỏng lắng đọng axit bằng mô hình WRF + REAS + CMAQ giai đoạn 2010 - 2015 |
Mưa axit xảy ra tại Vinh (60%), Huế (47%), Cúc Phương (44%), Thái Nguyên (40%), Bắc Giang (37%), Tây Ninh (37%), Cần Thơ (35%), Đà Lạt (35%), Pleiku (32%), Nha Trang (31%), Việt Trì (30%). Lắng đọng năm 2015 đạt 20 - 50 kg S/ha/năm và 5 - 10 kg N/ha/năm. |
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Luận án giải quyết các khoảng trống còn tồn tại:
- Thiếu một chuỗi số liệu quan trắc hóa nước mưa dài hạn, đồng bộ trên toàn lãnh thổ (luận án sử dụng chuỗi 14 năm liên tục từ 2005 đến 2018 tại 23 trạm).
- Chưa có đánh giá toàn diện về hệ số trung hòa của các cation đa dạng ($\text{Ca}^{2+}, \text{Mg}^{2+}, \text{NH}_4^+, \text{K}^+$) đối với quá trình trung hòa axit trong nước mưa tại Việt Nam (các nghiên cứu trước chủ yếu chỉ xét $\text{NH}_4^+$ và $\text{Ca}^{2+}$).
- Thiếu kiểm nghiệm định lượng về mức độ tương đồng giữa xu thế nồng độ và xu thế lắng đọng của các ion bằng phương pháp phi tham số chuẩn tắc.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và khái niệm
- Khái niệm và ngưỡng pH: Mưa axit là hiện tượng lắng đọng ướt của các axit hòa tan trong nước mưa. Theo Ủy ban Kinh tế Châu Âu (EEC), mưa có $\text{pH} < 5,5$ là mưa axit; tại Việt Nam, Ấn Độ, Hàn Quốc, ngưỡng quy ước là $\text{pH} < 5,6$ (mức cân bằng tự nhiên của nước tinh khiết với $\text{CO}_2$ khí quyển).
- Cơ chế giáng thủy: Chất ô nhiễm tham gia vào giáng thủy qua hai giai đoạn: "Rain-out" (quá trình vận chuyển, chuyển hóa diễn ra bên trong đám mây) và "Wash-out" (quá trình rơi và hòa tan, rửa trôi chất ô nhiễm phía dưới tầng mây).
- Cơ chế phản ứng hình thành axit:
- Axit sulfuric ($\text{H}_2\text{SO}_4$):
$$\text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2$$
$$\text{SO}_2 + \text{OH}^\bullet \rightarrow \text{HOSO}_2$$
$$\text{HOSO}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{HO}_2 + \text{SO}_3$$
- Axit nitric ($\text{HNO}_3$):
$$\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}$$
Sau đó $\text{NO}$ chuyển hóa thành $\text{NO}_2$ và phản ứng với gốc $\text{OH}^\bullet$ tạo thành $\text{HNO}_3$.
Mạng lưới 23 trạm quan trắc thu thập dữ liệu
Dữ liệu phân tích hóa nước mưa được thu thập tại 23 trạm quan trắc môi trường không khí thuộc Tổng cục Khí tượng Thủy văn:
| STT |
Tên trạm |
Địa điểm hành chính |
Vĩ độ Bắc |
Kinh độ Đông |
Độ cao (m) |
| 1 |
Thái Nguyên |
P. Trưng Vương, TP. Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên |
$21^\circ 36'$ |
$105^\circ 50'$ |
33,322 |
| 2 |
Việt Trì |
P. Tân Dân, TP. Việt Trì, tỉnh Phú Thọ |
$21^\circ 18'$ |
$105^\circ 25'$ |
30,476 |
| 3 |
Bắc Giang |
P. Ngô Quyền (Nguyên Hãn), TP. Bắc Giang, tỉnh Bắc Giang |
$21^\circ 36'$ |
$106^\circ 13'$ |
7,501 |
| 4 |
Bãi Cháy |
P. Bãi Cháy, TP. Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh |
$20^\circ 57'$ |
$107^\circ 04'$ |
52,409 |
| 5 |
Phủ Liễn |
P. Trần Thành Ngọ, Q. Kiến An, TP. Hải Phòng |
$21^\circ 48'$ |
$106^\circ 38'$ |
113,367 |
| 6 |
Láng |
P. Láng Thượng, Q. Đống Đa, TP. Hà Nội |
$21^\circ 01'$ |
$105^\circ 48'$ |
5,970 |
| 7 |
Hải Dương |
P. Việt Hòa, TP. Hải Dương, tỉnh Hải Dương |
$20^\circ 57'$ |
$106^\circ 18'$ |
2,234 |
| 8 |
Ninh Bình |
P. Ninh Sơn, TP. Ninh Bình, tỉnh Ninh Bình |
$20^\circ 15'$ |
$105^\circ 59'$ |
3,010 |
| 9 |
Cúc Phương |
Huyện Nho Quan, tỉnh Ninh Bình (VQG Cúc Phương) |
$20^\circ 14'$ |
$105^\circ 43'$ |
54,800 |
| 10 |
Thanh Hóa |
P. Ngọc Trạo, TP. Thanh Hóa, tỉnh Thanh Hóa |
$19^\circ 45'$ |
$105^\circ 47'$ |
4,382 |
| 11 |
Vinh |
Phố Lê Hồng Phong, TP. Vinh, tỉnh Nghệ An |
$19^\circ 40'$ |
$105^\circ 41'$ |
5,082 |
| 12 |
Huế |
Xã Thủy Bằng, TX. Hương Thủy, tỉnh Thừa Thiên Huế |
$16^\circ 26'$ |
$107^\circ 35'$ |
10,436 |
| 13 |
Đà Nẵng |
P. Trưng Nữ Vương, TP. Đà Nẵng |
$16^\circ 03'$ |
$108^\circ 02'$ |
4,749 |
| 14 |
Quy Nhơn |
P. Trần Phú, TP. Quy Nhơn, tỉnh Bình Định |
$13^\circ 46'$ |
$109^\circ 13'$ |
3,941 |
| 15 |
Nha Trang |
P. Vĩnh Nguyên, TP. Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa |
$12^\circ 13'$ |
$109^\circ 12'$ |
2,980 |
| 16 |
Phan Thiết |
P. Hưng Long, TP. Phan Thiết, tỉnh Bình Thuận |
$10^\circ 56'$ |
$108^\circ 06'$ |
8,713 |
| 17 |
Pleiku |
Đường Trường Chinh, TP. Pleiku, tỉnh Gia Lai |
$13^\circ 58'$ |
$108^\circ 50'$ |
778,900 |
| 18 |
Buôn Ma Thuột |
P. Tự An, TP. Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk |
$12^\circ 40'$ |
$108^\circ 01'$ |
470,298 |
| 19 |
Đà Lạt |
Phường 8, TP. Đà Lạt, tỉnh Lâm Đồng |
$11^\circ 57'$ |
$108^\circ 27'$ |
1508,600 |
| 20 |
Tây Ninh |
Đường 30/4, KP. 1, TP. Tây Ninh, tỉnh Tây Ninh |
$11^\circ 20'$ |
$106^\circ 07'$ |
88,605 |
| 21 |
Tân Sơn Hòa |
P. 1, Q. Tân Bình, TP. Hồ Chí Minh |
$10^\circ 49'$ |
$106^\circ 40'$ |
9,273 |
| 22 |
Cần Thơ |
P. Xuân Khánh, Q. Ninh Kiều, TP. Cần Thơ |
$09^\circ 11'$ |
$105^\circ 09'$ |
1,244 |
| 23 |
Cà Mau |
Đường Lý Thường Kiệt, TP. Cà Mau, tỉnh Cà Mau |
$21^\circ 36'$ |
$105^\circ 50'$ |
1,221 |
Quy trình kỹ thuật và phương pháp phân tích phòng thí nghiệm
- Lấy mẫu: Mẫu nước mưa được lấy theo từng trận mưa tại vườn khí tượng (miệng phễu cách mặt đất 1,5 m, cách vũ kế 1,5 m hoặc 2,5 m tùy kích thước vườn). Thu bình mẫu sau khi ngớt mưa 1 giờ.
- Bảo quản: Bình gom thủy tinh tối màu đậy kín, bảo quản bằng dung dịch Toluen ($1\ \text{ml}$ cho mỗi lần gom, tối đa không quá $5\ \text{ml/kỳ}$), gửi hàng tuần về phòng thí nghiệm khu vực.
- Tiêu chuẩn phân tích:
- Chỉ số pH: Phân tích theo TCVN 6492:2011.
- Độ dẫn điện đặc trưng (EC): Phân tích theo SMEWW 2510:2012.
- Các anion ($\text{PO}_4^{3-}, \text{F}^-, \text{NO}_3^-, \text{SO}_4^{2-}$): Phân tích theo TCVN 6494-1:2011.
- Các cation ($\text{Na}^+, \text{NH}_4^+, \text{K}^+, \text{Ca}^{2+}, \text{Mg}^{2+}$): Phân tích theo TCVN 6660:2000.
Phương pháp tính toán và xử lý số liệu
- Tính toán lắng đọng ướt: Tải lượng lắng đọng của từng ion được xác định từ tích số giữa nồng độ ion và lượng mưa thực đo trong kỳ quan trắc. Phân tích thêm dạng sunfat phi biển ($\text{nss-SO}_4^{2-}$) và canxi phi biển ($\text{nss-Ca}^{2+}$).
- Phương pháp tương quan Pearson: Tính toán hệ số tương quan giữa các cặp ion để xác định nguồn gốc đồng phát thải hoặc tương tác hóa học.
- Kiểm nghiệm phi tham số Seasonal Mann-Kendall (SMK): Đánh giá chiều hướng và mức ý nghĩa thống kê của xu thế biến đổi nồng độ cũng như tải lượng lắng đọng ion theo chuỗi thời gian nhiều năm.
- Hệ số trung hòa axit (Neutralization Factor - NF): Tính toán tỷ số đương lượng giữa các cation kiềm ($\text{Ca}^{2+}, \text{Mg}^{2+}, \text{NH}_4^+, \text{K}^+$) với tổng các gốc anion axit ($\text{SO}_4^{2-} + \text{NO}_3^-$).
- Dữ liệu kiểm kê phát thải đối sánh: Sử dụng dữ liệu kiểm kê phát thải toàn cầu EDGAR và châu Á REAS giai đoạn 2005 - 2015 để đối sánh với xu thế nồng độ các ion.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về mưa axit, lắng đọng khô và lắng đọng ướt; phân tích các nguồn phát thải ô nhiễm không khí nhân tạo (giao thông, sản xuất công nghiệp, xây dựng, nông nghiệp, xử lý chất thải) và tự nhiên, cùng hiện tượng lan truyền ô nhiễm xuyên biên giới.
Chương này phân tích tác hại của mưa axit đến hệ sinh thái nông - lâm nghiệp (làm suy giảm sinh trưởng ớt, cà chua, cà tím theo nghiên cứu của Arti et al. 2010), hệ sinh thái thủy sinh (axit hóa hồ gây chết phôi và cá con), ăn mòn công trình kiến trúc và tác động tiêu cực đến đường hô hấp con người. Đồng thời, tác giả nêu khía cạnh có lợi: gốc sunfat ức chế vi khuẩn sinh mêtan ở đầm lầy (khí mêtan chiếm 22% nguyên nhân gây hiệu ứng nhà kính) và cung cấp dưỡng chất lưu huỳnh, nitơ cho các loài thực vật ưa đất chua (calcifuge như Erica, Rhododendron, Betula, Pinus sylvestris).
Chương 1 tổng quan chi tiết các hệ thống giám sát trên thế giới (NADP/NTN, EANET) và 3 hệ thống tại Việt Nam (EANET do Viện KTTV&BĐKH làm đầu mối, mạng lưới của Tổng cục Môi trường, mạng lưới của Tổng cục KTTV).
Chương 2: Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Chương 2 thiết lập khung logic nghiên cứu kết nối giữa dữ liệu thực đo tại 23 trạm khí tượng thủy văn với các công cụ mô hình thống kê.
Nội dung chương mô tả cụ thể vị trí địa lý, tọa độ, độ cao của từng trạm trong tổng số 23 trạm quan trắc trên 22 tỉnh thành; quy chuẩn hóa quy trình lấy mẫu nước mưa theo trận, quy trình bảo quản bằng Toluen, quy trình kiểm định chất lượng và đóng quyển lưu trữ tại Trung tâm Tư liệu khí tượng thủy văn; trình bày các tiêu chuẩn kỹ thuật phân tích hóa lý (TCVN 6492:2011, SMEWW 2510:2012, TCVN 6494-1:2011, TCVN 6660:2000) và cơ sở toán học của phương pháp kiểm nghiệm phi tham số Seasonal Mann-Kendall (SMK), phương pháp tính hệ số trung hòa axit NF và xây dựng bản đồ phân bố.
Chương 3: Kết quả và bàn luận
Chương 3 trình bày các kết quả tính toán định lượng của luận án qua 14 bảng số liệu và 23 hình đồ thị, bản đồ:
- Đánh giá pH và ion $\text{H}^+$: Thống kê giá trị pH trung bình, tần suất mưa axit, tổng lượng lắng đọng $\text{H}^+$ (kg/ha/năm) và mức độ thay đổi xu thế lắng đọng, nồng độ ion $\text{H}^+$ qua kiểm nghiệm SMK.
- Đánh giá thành phần hóa học và nồng độ ion: Xác định nồng độ trung bình giai đoạn 2005 - 2018 (mg/l) và ma trận hệ số tương quan giữa các cặp ion tại 23 trạm cho các thông số: $\text{NO}_3^-, \text{SO}_4^{2-}, \text{nss-SO}_4^{2-}, \text{Cl}^-, \text{Ca}^{2+}, \text{nss-Ca}^{2+}, \text{NH}_4^+, \text{Na}^+, \text{K}^+, \text{Mg}^{2+}$.
- Đánh giá tổng lượng lắng đọng ướt: Thống kê chi tiết tải lượng lắng đọng ướt hàng năm (kg/ha/năm) và tỷ lệ phân bố theo mùa của từng ion trên toàn bộ mạng lưới trạm.
- Nghiên cứu xu thế lắng đọng ướt và nồng độ: Ứng dụng kiểm nghiệm SMK để xác định xu thế tăng/giảm của nồng độ và lắng đọng từng ion theo chuỗi 14 năm; phân tích mối quan hệ giữa biến động lượng mưa theo mùa với tải lượng lắng đọng; đối chiếu với dữ liệu kiểm kê phát thải EDGAR và REAS.
- Nghiên cứu khả năng trung hòa axit: Thống kê giá trị hệ số trung hòa $\text{NF}$ trung bình, phân tích tương quan $\text{NF} - \text{pH}$, và kiểm nghiệm xu thế nồng độ $\text{H}^+$ đối sánh với các cation bazơ ($\text{Ca}^{2+}, \text{Mg}^{2+}, \text{NH}_4^+, \text{K}^+$).
- Đề xuất giải pháp ứng phó: Luận án đề xuất 3 nhóm giải pháp thực tiễn gồm giải pháp kiện toàn mạng lưới giám sát mưa axit, giải pháp nghiên cứu cơ cấu cây trồng thích ứng và giải pháp truyền thông môi trường.
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới về mặt khoa học
- Chuỗi số liệu dài hạn và quy mô toàn diện: Đây là công trình đầu tiên tại Việt Nam sử dụng chuỗi số liệu quan trắc hóa nước mưa liên tục trong 14 năm (2005 - 2018) tại 23 trạm khí tượng thủy văn phân bố trên toàn quốc để đánh giá tính axit của nước mưa cả về chất và lượng.
- Xác định vai trò của các cation trong cơ chế trung hòa axit: Thông qua việc tính toán hệ số trung hòa axit ($\text{NF}$), luận án đã lượng hóa và xác lập thứ tự đóng góp của các cation vào quá trình trung hòa axit trong nước mưa tại Việt Nam: ion $\text{Ca}^{2+}$ giữ vai trò đóng góp chính nhất, tiếp theo là $\text{Mg}^{2+}$, sau đó đến $\text{NH}_4^+$ và cuối cùng là $\text{K}^+$.
- Giải thích nghịch lý về xu thế axit hóa: Luận án đã làm sáng tỏ hiện tượng mức độ axit trong nước mưa tại Việt Nam có xu thế giảm (nồng độ ion $\text{H}^+$ giảm trung bình 1,31%/năm) trong bối cảnh phát thải các khí ô nhiễm có tính axit ($\text{SO}_2, \text{NO}_x$) gia tăng. Nguyên nhân được luận chứng là do sự gia tăng đồng thời của nồng độ các hạt bụi chứa cation kiềm ($\text{Ca}^{2+}, \text{Mg}^{2+}, \text{NH}_4^+, \text{K}^+$) trong môi trường không khí đã thực hiện quá trình trung hòa lượng axit hình thành.
- Xác định mức độ tương đồng giữa nồng độ và lắng đọng: Luận án đã đánh giá xu thế nồng độ và xu thế lắng đọng ướt bằng phương pháp kiểm nghiệm Seasonal Mann-Kendall, chứng minh mức độ tương đồng chiều hướng (cùng tăng hoặc cùng giảm) giữa xu thế nồng độ và xu thế lắng đọng của các ion đạt tỷ lệ cao, dao động từ 69,37% đến 86,11%.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
- Về mạng lưới giám sát: Quy hoạch bổ sung các trạm quan trắc chất lượng nước mưa, ưu tiên thiết lập trạm tại khu vực Tây Bắc (nơi còn khoảng trống dữ liệu, địa hình dốc và lớp phủ thực vật nhạy cảm); phấn đấu đạt mật độ tối thiểu mỗi tỉnh/thành phố có 01 trạm quan trắc; nâng cấp trang thiết bị quan trắc đồng bộ cả lắng đọng ướt và lắng đọng khô.
- Về nông nghiệp và hệ sinh thái: Nghiên cứu lựa chọn các giống cây trồng nông nghiệp và lâm nghiệp thích ứng với đất chua và tải lượng lắng đọng lưu huỳnh, nitơ theo từng vùng sinh thái; tận dụng mặt có lợi của lắng đọng dinh dưỡng đối với nhóm thực vật ưa đất chua (calcifuge).
- Về truyền thông và quản lý: Tăng cường phổ biến kiến thức khoa học về mưa axit cho cộng đồng; kiểm soát chặt chẽ các nguồn phát thải công nghiệp lớn (nhiệt điện than, sản xuất xi măng, luyện kim) và thúc đẩy các chính sách giảm phát thải khí nhà kính và bụi lơ lửng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế được xác định từ phạm vi nghiên cứu
- Mật độ mạng lưới trạm còn thưa với 23 trạm trên 22 tỉnh thành, chưa phủ kín toàn bộ 63 tỉnh thành trên cả nước; đặc biệt khu vực Tây Bắc hoàn toàn chưa có trạm quan trắc nào trong giai đoạn 2005 - 2018.
- Số liệu nghiên cứu chủ yếu tập trung vào lắng đọng ướt thu thập từ các trạm điều tra cơ bản, chưa tích hợp đầy đủ mạng lưới quan trắc tự động liên tục đối với lắng đọng khô.
- Dữ liệu kiểm kê phát thải quốc tế EDGAR và REAS dùng để đối sánh mới được cập nhật đến năm 2015.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Mở rộng mạng lưới quan trắc chất lượng nước mưa tới các vùng còn trống, đặc biệt là vùng miền núi Tây Bắc.
- Kết hợp quan trắc mặt đất với các mô hình lan truyền chất lượng không khí đa quy mô (CMAQ, WRF) và dữ liệu viễn thám vệ tinh để mô phỏng chi tiết hơn sự vận chuyển ô nhiễm xuyên biên giới.
- Nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của tải lượng lắng đọng axit và các cation đến quá trình chua hóa đất, chất lượng nước mặt, nước ngầm và năng suất cây trồng cụ thể ở từng tiểu vùng khí hậu.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo khoa học có giá trị đối với các nhóm đối tượng:
- Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách: Bộ Tài nguyên và Môi trường, Tổng cục Khí tượng Thủy văn, Tổng cục Môi trường và Sở TN&MT các địa phương có thể sử dụng kết quả nghiên cứu làm căn cứ khoa học để quy hoạch mạng lưới trạm quan trắc môi trường không khí, xây dựng quy chuẩn kỹ thuật và hoạch định chính sách kiểm soát phát thải ô nhiễm không khí liên vùng, xuyên biên giới.
- Giảng viên, nhà nghiên cứu và nghiên cứu sinh: Các chuyên gia thuộc các ngành Khoa học Môi trường, Khí tượng học, Hóa học Khí quyển có thể tham khảo quy trình phân tích chuỗi số liệu thời gian dài hạn bằng kiểm nghiệm phi tham số Seasonal Mann-Kendall (SMK), phương pháp tính toán hệ số trung hòa axit NF và phương pháp xử lý số liệu hóa nước mưa theo các tiêu chuẩn TCVN.
- Ngành nông nghiệp và lâm nghiệp: Cung cấp cơ sở dữ liệu về tải lượng lắng đọng sunfat, nitrat và cation kiềm phục vụ nghiên cứu nông hóa thổ nhưỡng và quy hoạch cơ cấu cây trồng phù hợp.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án sử dụng bộ số liệu quan trắc từ nguồn nào và trong giai đoạn nào?
Luận án sử dụng chuỗi số liệu quan trắc hóa học nước mưa và lượng mưa thực đo trong 14 năm liên tục từ năm 2005 đến năm 2018 tại 23 trạm quan trắc môi trường không khí trên phạm vi cả nước do Tổng cục Khí tượng Thủy văn (Bộ Tài nguyên và Môi trường) quản lý.
2. Vì sao nồng độ ion $\text{H}^+$ trong nước mưa tại Việt Nam có xu thế giảm dù phát thải $\text{SO}_x$ và $\text{NO}_x$ gia tăng?
Luận án chỉ ra rằng nồng độ ion $\text{H}^+$ có xu thế giảm (trung bình 1,31%/năm) là nhờ quá trình trung hòa axit diễn ra mạnh mẽ trong khí quyển. Sự gia tăng đồng thời của các hạt bụi chứa cation bazơ ($\text{Ca}^{2+}, \text{Mg}^{2+}, \text{NH}_4^+, \text{K}^+$) từ hoạt động xây dựng, công nghiệp và nông nghiệp đã trung hòa phần lớn lượng axit $\text{H}_2\text{SO}_4$ và $\text{HNO}_3$ hình thành trong nước mưa.
3. Cation nào đóng vai trò chính trong quá trình trung hòa axit nước mưa tại Việt Nam?
Kết quả tính toán hệ số trung hòa axit ($\text{NF}$) của luận án xác định thứ tự các ion tham gia vào quá trình trung hòa axit là: $\text{Ca}^{2+}$ đóng vai trò lớn nhất, tiếp theo là $\text{Mg}^{2+}$, thứ ba là $\text{NH}_4^+$, và cuối cùng là $\text{K}^+$.
4. Mức độ tương đồng giữa xu thế nồng độ và xu thế lắng đọng của các ion là bao nhiêu?
Kiểm nghiệm phi tham số Seasonal Mann-Kendall (SMK) cho thấy sự tương đồng chiều hướng (cùng tăng hoặc cùng giảm) giữa xu thế biến đổi nồng độ và xu thế tải lượng lắng đọng của các ion trong nước mưa tại các trạm đạt mức từ 69,37% đến 86,11%.
5. Phương pháp phân tích các thành phần hóa học nước mưa trong luận án tuân theo tiêu chuẩn nào?
Các chỉ tiêu được phân tích theo các tiêu chuẩn kỹ thuật quy định: pH xác định theo TCVN 6492:2011; độ dẫn điện EC theo SMEWW 2510:2012; các anion ($\text{PO}_4^{3-}, \text{F}^-, \text{NO}_3^-, \text{SO}_4^{2-}$) theo TCVN 6494-1:2011; và các cation ($\text{Na}^+, \text{NH}_4^+, \text{K}^+, \text{Ca}^{2+}, \text{Mg}^{2+}$) theo TCVN 6660:2000.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Hán Thị Ngân đã hoàn thành đánh giá toàn diện tính axit của nước mưa trên lãnh thổ Việt Nam cả về chất và lượng thông qua chuỗi số liệu quan trắc 14 năm (2005 - 2018) tại 23 trạm khí tượng thủy văn. Công trình đã luận giải cơ chế trung hòa axit với vai trò chủ đạo của cation $\text{Ca}^{2+}$ và $\text{Mg}^{2+}$, qua đó làm sáng tỏ xu thế biến đổi nồng độ ion $\text{H}^+$ và tải lượng lắng đọng ướt tại Việt Nam bằng phương pháp kiểm nghiệm Seasonal Mann-Kendall. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học tin cậy phục vụ công tác quy hoạch mạng lưới quan trắc môi trường và hoạch định chính sách kiểm soát ô nhiễm không khí trong giai đoạn tới.
