Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Trà Khúc, với diện tích khoảng 3.337 km², là lưu vực sông lớn nhất tỉnh Quảng Ngãi, có vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường khu vực. Theo số liệu quan trắc từ năm 1977 đến 2010, lượng mưa trung bình hàng năm dao động từ 2.300 đến 4.000 mm, tập trung chủ yếu vào mùa mưa từ tháng 9 đến tháng 12, chiếm khoảng 65-70% tổng lượng mưa năm. Dòng chảy sông Trà Khúc có đặc điểm mùa lũ kéo dài 3 tháng và mùa kiệt kéo dài 9 tháng, với lưu lượng trung bình năm tại trạm thủy văn Sơn Giang là 6.440 triệu m³. Tuy nhiên, hiện nay lưu lượng nước đến hạ lưu sông đang suy giảm, đồng thời chất lượng nước bị ô nhiễm nghiêm trọng do các hoạt động phát triển đô thị, công nghiệp và nông nghiệp.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng mô hình Mike Basin để đánh giá cân bằng nước và tải lượng chất ô nhiễm, từ đó đề xuất các giải pháp quản lý bảo vệ chất lượng nước hạ lưu sông Trà Khúc. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khu vực hạ lưu từ đập Thạch Nham đến cửa sông, giai đoạn phân tích chủ yếu là các năm 2009-2010. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc hỗ trợ quản lý tài nguyên nước, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững lưu vực sông Trà Khúc, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và đảm bảo nguồn nước sạch cho sinh hoạt, sản xuất và phát triển kinh tế xã hội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết cân bằng nước và mô hình chất lượng nước.

  1. Lý thuyết cân bằng nước: Cân bằng nước được mô tả bằng phương trình tổng quát thể hiện mối quan hệ giữa lượng nước mưa, dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm, bốc hơi và trữ lượng nước trong lưu vực. Mô hình Mike Basin sử dụng nguyên lý này để tính toán cân bằng nước tại các nút trong hệ thống sông, đồng thời áp dụng các nguyên tắc ưu tiên cục bộ và ưu tiên toàn bộ trong phân bổ nguồn nước cho các đối tượng sử dụng.

  2. Mô hình chất lượng nước (Mike Basin WQ): Mô hình này mô phỏng sự vận chuyển và biến đổi các chất ô nhiễm như BOD, COD, NH₄⁺, NO₃⁻, tổng phốt pho và E.coli trong dòng chảy sông. Các quá trình sinh hóa như oxy hóa, nitrat hóa, khử nitơ và tiêu thụ oxy được mô hình hóa bằng các phương trình vi phân với hệ số phân hủy phụ thuộc nhiệt độ. Mô hình cũng phân biệt các nguồn ô nhiễm điểm (như nước thải công nghiệp, sinh hoạt) và nguồn ô nhiễm không điểm (nông nghiệp, chăn nuôi).

Các khái niệm chính bao gồm: cân bằng nước, tải lượng ô nhiễm, ưu tiên phân bổ nước, mô hình mạng lưới sông, và các quá trình sinh hóa trong nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu được tổng hợp từ số liệu quan trắc khí tượng thủy văn (mưa, nhiệt độ, độ ẩm, dòng chảy) tại các trạm như Sơn Giang, Ba Tơ, Quảng Ngãi trong giai đoạn 1977-2010; số liệu sử dụng nước cho nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt; và số liệu về tải lượng ô nhiễm từ các khu công nghiệp, cụm công nghiệp, và khu dân cư.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích tổng hợp số liệu: Xử lý và thống kê các số liệu khí tượng thủy văn, kinh tế xã hội, sử dụng GIS để xây dựng bản đồ lưu vực và phân vùng sử dụng nước.
  • Mô hình toán Mike Basin: Áp dụng mô hình cân bằng nước và mô hình chất lượng nước để mô phỏng dòng chảy, phân bổ nước và biến đổi chất lượng nước trong lưu vực.
  • Hiệu chỉnh mô hình: Sử dụng số liệu thực đo năm 2009-2010 để hiệu chỉnh các thông số mô hình nhằm đảm bảo độ chính xác.
  • Phân tích kịch bản: Mô phỏng các phương án quản lý, kiểm soát nguồn thải và bổ sung nguồn nước nhằm đánh giá hiệu quả các giải pháp bảo vệ chất lượng nước.

Cỡ mẫu dữ liệu khí tượng thủy văn và thủy văn là trên 30 năm, lựa chọn phương pháp mô hình toán vì tính khả thi và hiệu quả trong mô phỏng biến đổi không gian - thời gian của nước và chất lượng nước trên lưu vực sông phức tạp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cân bằng nước lưu vực: Lượng nước đến đập Thạch Nham trung bình năm khoảng 6.298 triệu m³, trong đó mùa kiệt chiếm khoảng 20-45% lưu lượng. Lượng nước lấy vào hệ thống thủy lợi Thạch Nham trong mùa kiệt dao động từ 400 đến 700 triệu m³, chiếm từ 20% đến 45% tổng lượng nước mùa kiệt của sông.

  2. Tải lượng ô nhiễm: Nguồn ô nhiễm tập trung chủ yếu từ nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý của thành phố Quảng Ngãi và thị trấn Sơn Tịnh, cùng với nước thải công nghiệp từ KCN Quảng Phú và KCN Tịnh Phong. Tải lượng BOD và COD tại các điểm xả thải lớn có thể vượt quá tiêu chuẩn cho phép, gây ô nhiễm nghiêm trọng đoạn sông từ cầu Trường Xuân đến bến Tam Thương.

  3. Hiệu quả mô hình Mike Basin: Mô hình đã được hiệu chỉnh với các thông số phù hợp, cho kết quả mô phỏng dòng chảy và nồng độ các chất ô nhiễm tương đối sát với số liệu thực đo (ví dụ, so sánh BOD, COD, NH₄⁺ tại trạm Tri Khúc). Mô hình cho phép dự báo biến đổi chất lượng nước theo các kịch bản quản lý khác nhau.

  4. Ảnh hưởng của các giải pháp quản lý: Kịch bản kiểm soát nguồn thải cho thấy giảm tải lượng BODs và COD từ 15% đến 30% so với hiện trạng. Giải pháp bổ sung nguồn nước giúp cải thiện nồng độ ô nhiễm, giảm thiểu tình trạng thiếu nước trong mùa kiệt, nâng cao chất lượng nước hạ lưu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của ô nhiễm nước hạ lưu sông Trà Khúc là do sự gia tăng các khu dân cư, khu công nghiệp chưa có hệ thống xử lý nước thải hiệu quả, cùng với hoạt động nông nghiệp và chăn nuôi gây phát sinh nguồn ô nhiễm không điểm. Kết quả mô hình Mike Basin phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ô nhiễm nước sông tại các lưu vực tương tự, khẳng định tính ứng dụng cao của mô hình trong quản lý tài nguyên nước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh nồng độ BOD, COD thực đo và mô phỏng tại các điểm quan trắc, bảng tổng hợp tải lượng ô nhiễm theo từng nguồn thải, và biểu đồ dòng chảy mùa lũ - mùa kiệt. Việc mô phỏng các kịch bản quản lý giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng giải pháp, hỗ trợ quyết định chính sách.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Kiểm soát nguồn thải công nghiệp và sinh hoạt: Thực hiện xây dựng và vận hành hệ thống xử lý nước thải tập trung tại các khu công nghiệp Quảng Phú, Tịnh Phong và các khu dân cư lớn, nhằm giảm tải lượng BOD, COD ít nhất 30% trong vòng 3 năm tới. Chủ thể thực hiện: chính quyền địa phương phối hợp với các doanh nghiệp.

  2. Tăng cường quản lý và giám sát chất lượng nước: Thiết lập mạng lưới quan trắc chất lượng nước liên tục tại các điểm xả thải và các vị trí trọng yếu trên sông, cập nhật dữ liệu hàng tháng để kịp thời phát hiện và xử lý vi phạm. Chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ngãi.

  3. Bổ sung nguồn nước cho mùa kiệt: Hoàn thiện và đưa vào vận hành hồ chứa Nước Trong với dung tích hữu ích khoảng 258,7 triệu m³ nhằm bổ sung nguồn nước cho hệ thống thủy lợi Thạch Nham, đảm bảo cung cấp nước tưới và sinh hoạt ổn định trong mùa khô. Thời gian thực hiện dự kiến trong 2 năm tới.

  4. Phát triển nông nghiệp và chăn nuôi bền vững: Áp dụng các biện pháp giảm phát thải ô nhiễm từ nông nghiệp như sử dụng phân bón hợp lý, xử lý nước thải chăn nuôi trước khi xả ra môi trường, giảm thiểu ô nhiễm không điểm. Chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn phối hợp với các hộ dân.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và môi trường: Sở Tài nguyên và Môi trường, các phòng ban liên quan có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách quản lý, giám sát và bảo vệ nguồn nước lưu vực sông Trà Khúc.

  2. Các nhà hoạch định chính sách phát triển kinh tế - xã hội: Thông tin về cân bằng nước và ô nhiễm giúp hoạch định các kế hoạch phát triển bền vững, cân đối giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường.

  3. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong các khu công nghiệp: Hiểu rõ tác động môi trường và các yêu cầu quản lý chất lượng nước để thực hiện các biện pháp xử lý nước thải, đảm bảo tuân thủ quy định pháp luật.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành khoa học môi trường, thủy văn: Tài liệu cung cấp phương pháp ứng dụng mô hình Mike Basin trong nghiên cứu cân bằng nước và chất lượng nước, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình Mike Basin có ưu điểm gì trong nghiên cứu lưu vực sông?
    Mike Basin là mô hình toán học tích hợp, cho phép mô phỏng đồng thời cân bằng nước và chất lượng nước trên lưu vực sông với khả năng xử lý dữ liệu không gian và thời gian chi tiết. Ví dụ, mô hình đã hiệu chỉnh chính xác dòng chảy và nồng độ ô nhiễm tại sông Trà Khúc.

  2. Nguồn ô nhiễm chính tại hạ lưu sông Trà Khúc là gì?
    Nguồn ô nhiễm chủ yếu là nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý từ thành phố Quảng Ngãi và thị trấn Sơn Tịnh, cùng với nước thải công nghiệp từ các khu công nghiệp chưa có hệ thống xử lý hoàn chỉnh.

  3. Giải pháp nào hiệu quả nhất để cải thiện chất lượng nước sông?
    Xây dựng hệ thống xử lý nước thải tập trung và kiểm soát chặt chẽ nguồn thải công nghiệp, kết hợp với bổ sung nguồn nước từ hồ chứa là các giải pháp được mô hình dự báo có hiệu quả cao.

  4. Làm thế nào để mô hình Mike Basin hỗ trợ quản lý tài nguyên nước?
    Mô hình cung cấp thông tin về phân bổ nước, dự báo thiếu hụt và ô nhiễm, giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định phân bổ nước hợp lý và thiết kế các biện pháp bảo vệ môi trường.

  5. Phạm vi áp dụng của nghiên cứu này có thể mở rộng ra sao?
    Phương pháp và mô hình có thể áp dụng cho các lưu vực sông khác có điều kiện tương tự, hỗ trợ quản lý tổng hợp tài nguyên nước và bảo vệ môi trường trên phạm vi rộng hơn.

Kết luận

  • Ứng dụng mô hình Mike Basin đã thành công trong việc mô phỏng cân bằng nước và biến đổi chất lượng nước hạ lưu sông Trà Khúc, với độ chính xác cao so với số liệu thực đo.
  • Lưu lượng nước mùa kiệt giảm mạnh, đồng thời tải lượng ô nhiễm từ các nguồn sinh hoạt và công nghiệp gây áp lực lớn lên chất lượng nước.
  • Các giải pháp quản lý như kiểm soát nguồn thải, xây dựng hệ thống xử lý nước thải và bổ sung nguồn nước được mô hình đánh giá có hiệu quả rõ rệt.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc hoạch định chính sách quản lý tài nguyên nước và bảo vệ môi trường lưu vực sông Trà Khúc trong giai đoạn tới.
  • Đề xuất tiếp tục cập nhật dữ liệu, mở rộng mô hình và triển khai các giải pháp trong vòng 2-3 năm tới để đảm bảo phát triển bền vững lưu vực sông.

Quý độc giả và các nhà quản lý được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả quản lý và bảo vệ nguồn nước tại lưu vực sông Trà Khúc.