Tổng quan nghiên cứu

Thị xã Phú Mỹ là một trong những trung tâm công nghiệp, cảng biển và dịch vụ phát triển năng động nhất của tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu với tổng diện tích tự nhiên đạt 33.825 ha cùng quy mô dân số trên 145.154 người. Trên địa bàn tập trung tổ hợp công nghiệp quy mô lớn, tiêu biểu như Khu công nghiệp khí – điện – đạm Phú Mỹ có tổng mức đầu tư hơn 6 tỷ USD, sở hữu các nhà máy điện đạt công suất 3.900 MW (chiếm khoảng 40% tổng công suất điện năng toàn quốc) và nhà máy đạm với công suất 800.000 tấn Urê/năm. Tốc độ công nghiệp hóa và đô thị hóa vượt bậc đã đẩy nhu cầu khai thác tài nguyên nước dưới đất lên mức rất cao, đạt khoảng 50.982 m³/ngày trên địa bàn thị xã, đóng góp vào tổng lưu lượng khai thác toàn tỉnh lên tới 222.692 m³/ngày. Trong đó, lượng nước khai thác phục vụ ăn uống, sinh hoạt chiếm khoảng 36.000 m³/ngày và phục vụ các hoạt động sản xuất công nghiệp chiếm hơn 14.000 m³/ngày.

Nguồn nước phục vụ chính cho các hoạt động kinh tế – xã hội của khu vực được khai thác chủ yếu từ tầng chứa nước lỗ hổng trầm tích Pleistocen giữa (qp2-3). Tuy nhiên, kết quả quan trắc trong giai đoạn 2012–2019 cho thấy chất lượng nước ngầm tại nhiều vị trí đang có dấu hiệu suy thoái nghiêm trọng, một số giếng quan trắc ghi nhận độ tổng khoáng hóa (TDS) vượt quá 1.500 mg/l. Dưới tác động kép của việc khai thác tập trung cường độ cao và tác động của biến đổi khí hậu gây nước biển dâng, nguy cơ xâm nhập mặn vào tầng Pleistocen ngày càng gia tăng rõ rệt.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quản lý Tài nguyên và Môi trường của tác giả Lê Minh Trung, dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Hải Âu tại Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh (hoàn thành năm 2021), được thực hiện nhằm giải quyết bài toán cấp thiết này. Đề tài tập trung phân tích diễn biến chất lượng nước, đánh giá đặc điểm thủy địa hóa, mô phỏng không gian ranh mặn và đề xuất các giải pháp quản lý, khai thác an toàn, bền vững nguồn nước dưới đất tại thị xã Phú Mỹ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết thủy địa hóa học hiện đại nhằm nhận diện nguồn gốc, quá trình hình thành và biến đổi thành phần hóa học của nước dưới đất. Theo định luật Frezenus, hoạt tính hóa học của các ion được sắp xếp theo trật tự tương tác rõ ràng đối với cation (Kali, Natri, Canxi, Magie, Amoni, Sắt, Nhôm) và anion (Bicacbonat, Clorua, Sulfate, Nitrat, Nitrit, Cacbonat). Công thức Kurlov được sử dụng để biểu diễn súc tích tỷ lệ đương lượng các ion chiếm trên 10% và gọi tên loại hình nước dựa trên các thành phần vượt ngưỡng 25% đương lượng. Bên cạnh đó, phương pháp phân loại Trucaev và Xlavianov được tích hợp để chia độ khoáng hóa thành 4 nhóm cụ thể: nhóm A (nước nhạt, dưới 1,5 g/l), nhóm B (nước lợ nhẹ, từ 1,5 đến 10 g/l), nhóm C (nước mặn, từ 10 đến 40 g/l) và nhóm D (nước muối, từ 40 g/l trở lên), giúp xác định nguồn gốc nước ngấm từ nước mưa hay chịu ảnh hưởng từ biển.

Chỉ số chất lượng nước dưới đất (GWQI - Groundwater Quality Index) được áp dụng để lượng hóa mức độ ô nhiễm thông qua phương pháp trung bình tổng có trọng số. Mỗi thông số hóa lý được gán một trọng số tương đối (wi) từ 1 đến 5 tùy thuộc vào mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe con người theo nghiên cứu của Vasanthavigar và các cộng sự, sau đó so sánh nồng độ thực tế với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 09-MT:2015/BTNMT. Thang đánh giá GWQI phân chia chất lượng nước thành 5 cấp bậc: rất tốt (dưới 50), tốt (từ 50 đến 100), xấu (từ 100 đến 200), rất xấu (từ 200 đến 300) và không phù hợp cho mục đích sử dụng (trên 300).

Để phân nhóm các đối tượng quan trắc mà không bị chi phối bởi ý chí chủ quan, nghiên cứu áp dụng kỹ thuật thống kê đa biến với phương pháp phân tích cụm phân cấp (Hierarchical Cluster Analysis - CA). Thuật toán Ward kết hợp thước đo khoảng cách bình phương Euclid được vận dụng để nhóm các giếng quan trắc có cùng đặc tính chất lượng nước, giúp phát hiện các quy luật biến đổi không gian ẩn sâu trong ma trận dữ liệu quan trắc đa biến.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kế thừa và phân tích chuỗi dữ liệu thực nghiệm quan trắc định kỳ trong suốt giai đoạn 2012–2019 do Trung tâm Quan trắc Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu thu thập. Mạng lưới quan trắc bao gồm 17 giếng đại diện được phân bố đồng đều trên toàn bộ địa bàn thị xã Phú Mỹ, khai thác ở các tầng chứa nước Pleistocen trên (qp3) và Pleistocen giữa – trên (qp2-3). Cỡ mẫu 17 giếng này có độ sâu phân tầng đa dạng từ 5,1 m (giếng NB4) đến 37,4 m (giếng QT7A), giúp bao quát trọn vẹn sự biến thiên tầng chứa nước theo cả phương ngang và chiều sâu thẳng đứng.

Lý do lựa chọn tổ hợp phương pháp GWQI, phân tích cụm CA và hệ thống thông tin địa lý GIS bắt nguồn từ tính phức tạp của cấu trúc địa chất thủy văn ven biển. Phương pháp thủy địa hóa truyền thống khi kết hợp với thống kê đa biến CA giúp loại bỏ nhiễu, làm nổi bật mối tương quan giữa các ion gây mặn, trong khi GWQI tổng hợp nhiều thông số riêng lẻ thành một con số định lượng duy nhất. Dữ liệu sau khi xử lý được liên kết với phần mềm MapInfo và ArcGIS để biên tập bản đồ phân vùng chất lượng nước, phân tích sự dịch chuyển ranh mặn theo các kịch bản biến đổi khí hậu RCP 4.5 và RCP 8.5.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả phân tích cân bằng ion và biểu đồ thủy hóa đã nhận diện rõ 3 trên tổng số 17 giếng quan trắc (chiếm tỷ lệ 17,65%) có dấu hiệu nhiễm mặn rõ rệt, bao gồm các giếng VT4A, VT4B và QT7A. Tại các công trình này, tổng chất rắn hòa tan (TDS) thường xuyên vượt ngưỡng giới hạn cho phép 1.500 mg/l, trong nhiều đợt quan trắc ghi nhận mức nồng độ vượt trên 1.800 mg/l đến 2.200 mg/l. Nồng độ ion Clorua (Cl⁻) tại các giếng này cũng tăng đột biến so với các khu vực nước nhạt nội đồng, khẳng định sự tồn tại của các đới nhiễm mặn cục bộ trong tầng Pleistocen.

Thứ hai, kết quả phân tích cụm (CA) đã tách biệt 17 giếng quan trắc thành các nhóm riêng biệt trên biểu đồ hình cây (Dendrogram). Nhóm các giếng nhiễm mặn thể hiện mối tương quan đồng biến rất chặt chẽ giữa 5 thông số đặc trưng bao gồm: tổng độ cứng, TDS, Clorua, Sulfate và Sắt. Sự tập trung của các ion này phản ánh rõ quá trình hòa tan khoáng vật tầng chứa nước kết hợp với hiện tượng xâm nhập của nước mặn từ các nhánh sông vịnh vào tầng chứa nước ngầm.

Thứ ba, việc tính toán chỉ số GWQI và lập bản đồ đẳng trị theo mùa đã chỉ ra sự biến thiên sâu sắc theo thời gian và không gian. Vào mùa khô, chỉ số GWQI tại các khu vực ven biển và cửa sông tăng cao, diện tích các vùng có chất lượng nước ở mức xấu (GWQI từ 100 đến 200) mở rộng thêm khoảng 15% đến 20% so với mùa mưa. Hiện tượng này chứng minh lượng mưa mùa mưa đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc cung cấp nguồn bổ cập, làm loãng độ khoáng hóa của nước dưới đất.

Thứ tư, khi so sánh mô hình dòng chảy và ranh mặn năm 2009 với dữ liệu năm 2020 và kịch bản tương lai, ranh mặn (TDS lớn hơn 1.000 mg/l) có xu thế dịch chuyển sâu vào đất liền từ 300 m đến hơn 1.200 m tại một số phân khu. Áp lực khai thác tập trung tại các phường như Mỹ Xuân, Hắc Dịch, Tân Hải với mật độ khai thác từ 100 đến 200 m³/ngày/km² đã hình thành các phễu hạ thấp mực nước cục bộ, tạo điều kiện cho nước mặn thẩm thấu nhanh hơn.

Thảo luận kết quả

Các kết quả nghiên cứu trong luận văn được minh họa một cách trực quan thông qua các bảng số liệu cân bằng ion, biểu đồ cột chồng thành phần cation – anion và biểu đồ đường biến thiên nồng độ TDS, Clorua, Sulfate giai đoạn 2012–2017. Bản đồ đẳng trị phân vùng GWQI mùa mưa và mùa khô trên nền tảng GIS giúp các nhà quản lý quan sát rõ rệt sự co giãn của diện tích vùng nước chất lượng tốt và vùng nhiễm mặn qua từng chu kỳ thủy văn.

Nguyên nhân cốt lõi của tình trạng xâm nhập mặn bắt nguồn từ sự tương tác giữa yếu tố tự nhiên và nhân tạo. Về mặt tự nhiên, thị xã Phú Mỹ tiếp giáp hệ thống sông Thị Vải và vịnh Gành Rái chịu ảnh hưởng mạnh của chế độ bán nhật triều, kết hợp cấu trúc tầng chứa nước Pleistocen chủ yếu là cát, cuội sỏi lẫn sét có tính thấm cao. Về mặt nhân tạo, việc gia tăng khai thác phục vụ các khu công nghiệp với công suất trạm cấp nước Phú Mỹ – Mỹ Xuân và Tóc Tiên trên 15.430 m³/ngày đã làm mất cân bằng thủy lực tự nhiên. So sánh với các nghiên cứu tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và ven biển Đông Nam Bộ, tốc độ mặn hóa tại Phú Mỹ diễn ra cục bộ nhưng có tính chất phức tạp hơn do gắn liền với sự phát triển của hệ thống cảng nước sâu và khu công nghiệp nặng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, luận văn đề xuất hệ thống giải pháp đồng bộ kết hợp giữa kỹ thuật công nghệ và cơ chế chính sách quản lý:

Thứ nhất, hoàn thiện hành lang pháp lý và quy hoạch vùng hạn chế khai thác. Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu cần phối hợp chặt chẽ với Ủy ban nhân dân thị xã Phú Mỹ ban hành danh mục các khu vực phải khoanh định vùng hạn chế và cấm khai thác nước dưới đất, đặc biệt tại các phường Mỹ Xuân, Tân Hải, Sông Xoài và Hắc Dịch. Mục tiêu cụ thể là cắt giảm 20% đến 25% tổng lưu lượng khai thác nước dưới đất tại các khu vực có nguy cơ mặn hóa cao trong lộ trình từ năm 2022 đến năm 2025.

Thứ hai, hiện đại hóa mạng lưới giám sát và cảnh báo sớm. Ban quản lý môi trường cần đầu tư nâng cấp 17 công trình quan trắc hiện hữu sang hệ thống đo đạc tự động liên tục, đồng thời bổ sung thêm từ 3 đến 5 giếng quan trắc chuyên biệt dọc theo hành lang sông Thị Vải trước năm 2024. Hệ thống này cần tích hợp cảm biến đo độ dẫn điện (EC), độ mặn và mực nước tự động truyền dữ liệu thời gian thực về máy chủ trung tâm để kịp thời phát hiện sự dịch chuyển ranh mặn bất thường.

Thứ ba, chuyển đổi cơ cấu nguồn cấp nước sinh hoạt và công nghiệp sang nước mặt. Công ty Cổ phần Cấp nước tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu cần đẩy nhanh tiến độ đầu tư hệ thống đường ống dẫn nước từ các hồ chứa nước mặt lớn như hồ Sông Ray, hồ Đá Đen để thay thế hoàn toàn nguồn nước ngầm công suất 13.310 m³/ngày đang cấp cho sinh hoạt tại các trạm cấp nước Phú Mỹ – Mỹ Xuân và Tóc Tiên, hoàn thành mục tiêu chuyển đổi 100% trước năm 2026.

Thứ tư, áp dụng giải pháp bổ cập nhân tạo tầng chứa nước (Managed Aquifer Recharge - MAR). Ban Quản lý các Khu công nghiệp cần phối hợp với các doanh nghiệp xây dựng hệ thống thu gom và xử lý sơ bộ nước mưa trên diện tích mái nhà xưởng rộng hơn 1.000 ha tại các khu công nghiệp tập trung, sau đó đưa vào các công trình thấm lọc nhân tạo để bổ cập lại tầng Pleistocen với công suất mục tiêu khoảng 10.000 m³/ngày trong giai đoạn 2025–2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn thạc sĩ này là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị cho nhiều nhóm đối tượng:

Thứ nhất, các cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường bao gồm Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, Phòng Tài nguyên và Môi trường thị xã Phú Mỹ cùng Chi cục Bảo vệ Môi trường. Luận văn cung cấp phương pháp luận chuẩn xác và bản đồ phân vùng ranh mặn phục vụ công tác cấp phép khai thác, lập quy hoạch phân bổ tài nguyên nước và kiểm soát ô nhiễm nguồn nước ngầm.

Thứ hai, các doanh nghiệp cấp thoát nước và chủ đầu tư hạ tầng khu công nghiệp tại địa phương. Doanh nghiệp có thể sử dụng dữ liệu đánh giá chất lượng nước và dự báo ranh mặn để chủ động lập kế hoạch bảo dưỡng công trình giếng khoan, bảo vệ thiết bị lọc màng RO khỏi nguy cơ ăn mòn do hàm lượng Clorua cao, đồng thời tối ưu hóa kế hoạch chuyển đổi sang nguồn nước mặt.

Thứ ba, các nhà khoa học, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học thuộc các chuyên ngành Quản lý Tài nguyên, Kỹ thuật Môi trường, Địa chất thủy văn và Biến đổi khí hậu. Đây là nghiên cứu điển hình về việc ứng dụng tích hợp các mô hình toán, chỉ số GWQI và phân tích thống kê đa biến CA trong phân tích chuỗi dữ liệu môi trường thực tế.

Thứ tư, các tổ chức tư vấn môi trường và lập quy hoạch đô thị. Tài liệu hỗ trợ đắc lực cho việc thực hiện các báo cáo Đánh giá tác động môi trường (ĐTM), thẩm định dự án khu đô thị mới như Phú Mỹ Town, Petro Town nhằm bảo đảm an ninh nguồn nước và phát triển đô thị sinh thái bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Chỉ số GWQI trong luận văn được tính toán dựa trên những nguyên lý nào? Chỉ số GWQI được xác định thông qua phương pháp trung bình tổng có trọng số dựa trên 5 bước tính toán chuẩn mực. Các thông số hóa lý quan trắc được gán trọng số từ 1 đến 5 theo tầm quan trọng sức khỏe, sau đó chuẩn hóa theo QCVN 09-MT:2015/BTNMT để phân loại chất lượng nước theo 5 thang bậc từ rất tốt (dưới 50) đến không phù hợp sử dụng (trên 300).

Tại sao tầng chứa nước Pleistocen tại thị xã Phú Mỹ lại có nguy cơ nhiễm mặn cao? Tầng Pleistocen giữa (qp2-3) tại Phú Mỹ có cấu tạo từ trầm tích bở rời hạt thô với độ rỗng và hệ số thấm lớn, nằm tiếp giáp hệ thống sông Thị Vải và vịnh Gành Rái chịu triều mạnh. Khi hoạt động khai thác công nghiệp tập trung vượt quá 50.982 m³/ngày, phễu hạ thấp mực nước hình thành đã kéo nước mặn từ biển và cửa sông thẩm thấu trực tiếp vào tầng chứa nước.

Phương pháp phân tích cụm CA đóng vai trò gì trong việc xử lý dữ liệu? Phân tích cụm CA là kỹ thuật thống kê đa biến giúp gom nhóm 17 giếng quan trắc dựa trên khoảng cách hình học Euclid và thuật toán Ward. Phương pháp này giúp nhận diện khách quan nhóm giếng nhiễm mặn tương đồng mà không phụ thuộc vào cảm tính chủ quan, đồng thời chỉ ra nhóm thông số chi phối gồm TDS, độ cứng, Clorua, Sulfate và Sắt.

Những giếng quan trắc nào ghi nhận hiện tượng nhiễm mặn nghiêm trọng nhất? Nghiên cứu xác định chính xác 3 giếng quan trắc có dấu hiệu nhiễm mặn rõ rệt là VT4A, VT4B và QT7A với độ sâu từ 16,3 m đến 37,4 m. Tại các giếng này, độ tổng khoáng hóa TDS liên tục vượt ngưỡng quy chuẩn 1.500 mg/l, hàm lượng ion Clorua và Sulfate tăng cao phản ánh sự thâm nhập trực tiếp của nguồn gốc nước biển.

Kịch bản biến đổi khí hậu tác động như thế nào đến ranh mặn trong tương lai? Theo các kịch bản biến đổi khí hậu RCP 4.5 và RCP 8.5 kết hợp mô hình thủy lực, hiện tượng nước biển dâng và suy giảm lượng mưa mùa khô sẽ đẩy ranh mặn 1.000 mg/l lấn sâu thêm từ 300 m đến 1.200 m vào nội đồng nếu duy trì công suất khai thác nước ngầm hiện hành, đe dọa trực tiếp đến các trạm cấp nước sạch.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng nước và diễn biến xâm nhập mặn tầng chứa nước Pleistocen giữa (qp2-3) tại thị xã Phú Mỹ thông qua chuỗi số liệu quan trắc thực nghiệm liên tục giai đoạn 2012–2019.
  • Ứng dụng thành công tổ hợp phương pháp thủy địa hóa học, công thức Kurlov, phân loại Trucaev – Xlavianov kết hợp chỉ số GWQI và phân tích cụm đa biến CA trong việc chuẩn hóa dữ liệu tài nguyên nước dưới đất.
  • Nhận diện chính xác 3 giếng quan trắc trọng điểm (VT4A, VT4B, QT7A) bị nhiễm mặn với độ tổng khoáng hóa TDS vượt trên 1.500 mg/l và làm rõ mối tương quan giữa các ion chỉ thị Clorua, Sulfate, Canxi, Magie.
  • Phân tích sự suy giảm chất lượng nước theo mùa và cảnh báo nguy cơ ranh mặn lấn sâu từ 300 m đến 1.200 m dưới tác động của biến đổi khí hậu và áp lực khai thác ngầm 50.982 m³/ngày.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp chiến lược bao gồm khoanh vùng hạn chế khai thác, tự động hóa mạng lưới quan trắc, chuyển đổi nguồn cấp sang nước mặt và thí nghiệm bổ cập nhân tạo MAR hướng tới mục tiêu năm 2030.

Công trình luận văn của tác giả Lê Minh Trung đóng góp cơ sở dữ liệu định lượng khoa học và bộ công cụ hỗ trợ ra quyết định chuẩn xác cho các nhà hoạch định chính sách tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. Trong giai đoạn tiếp theo, các cơ quan quản lý cần khẩn trương số hóa toàn diện mạng lưới giếng quan trắc và tích hợp mô hình dòng chảy 3D thời gian thực nhằm bảo vệ nguồn tài nguyên nước ngầm quý giá, bảo đảm an ninh nguồn nước và phát triển kinh tế bền vững cho toàn vùng kinh tế trọng điểm phía Nam.