Nghiên cứu đánh giá sức chịu tải ô nhiễm môi trường nước lưu vực sông Cầu

Luận văn nghiên cứu phương pháp đánh giá sức chịu tải ô nhiễm môi trường nước. Áp dụng mô hình Qual2k tính toán và phân tích cho một lưu vực sông.

• Tác giả: Lương Thị Phương Dung
• Người hướng dẫn: Ts. Trịnh Thành
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Quản lý Môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Tiếp Cận Đánh Giá Sức Chịu Tải Ô Nhiễm Môi Trường Nước Một Lưu Vực Sông
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và tầm quan trọng của sức chịu tải ô nhiễm môi trường nước

Sức chịu tải ô nhiễm môi trường nước là khả năng của một lưu vực sông tiếp nhận và tự làm sạch các chất ô nhiễm mà không vượt quá giới hạn chất lượng nước cho phép. Đây là một khái niệm quan trọng trong quản lý môi trường, đặc biệt khi các lưu vực sông đang chịu áp lực ngày càng tăng từ hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Việc hiểu rõ sức chịu tải giúp các nhà quản lý môi trường xác định mức độ ô nhiễm cho phép và đưa ra các biện pháp kiểm soát hiệu quả. Cơ sở sinh học của sức chịu tải liên quan đến năng lực tự làm sạch của hệ sinh thái nước, phụ thuộc vào nồng độ oxy hòa tan, các thành phần dinh dưỡng và quá trình sinh hóa trong môi trường nước.

1.1. Định nghĩa sức chịu tải trong các lưu vực sông

Sức chịu tải của một lưu vực sông được định nghĩa là lượng chất ô nhiễm tối đa mà con sông có thể tiếp nhận mà vẫn duy trì chất lượng nước đạt chuẩn. Giá trị này thay đổi tùy thuộc vào các đặc trưng thủy lực, khí tượng-thủy văn và mục đích sử dụng nước. Việc xác định chính xác sức chịu tải ô nhiễm là nền tảng cho quản lý bền vững các lưu vực sông ở Việt Nam.

1.2. Cơ sở sinh học của sức chịu tải

Cơ sở sinh học của sức chịu tải dựa trên khả năng tự làm sạch thông qua quá trình oxy hóa hóa học và sinh hóa. Hệ sinh thái nước sử dụng oxy hòa tan (DO) để phân hủy các chất hữu cơ và nitơ, giảm nồng độ BOD và amonia. Khi nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) vượt quá khả năng cung cấp oxy, chất lượng nước sẽ suy giảm.

II. Các phương pháp đánh giá sức chịu tải ô nhiễm

Để đánh giá sức chịu tải ô nhiễm môi trường nước, các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp khác nhau dựa trên công thức tổng quát và mô hình toán học. Phương pháp đánh giá thường tập trung vào các thông số chất lượng nước quan trọng như nồng độ oxy hòa tan (DO), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), amoni và nitrat. Các nồng độ tiêu chuẩn được xác định dựa trên ngưỡng tự làm sạch, mục đích tưới tiêu thủy lợi hoặc duy trì thủy sản. Mô hình Qual2k là công cụ tính toán tiên tiến, sử dụng phân đoạn sông, cân bằng dòng chảy, đặc trưng thủy lực và cân bằng nồng độ để mô phỏng chất lượng nước chính xác.

2.1. Công thức tổng quát và các thông số mô phỏng

Công thức tổng quát tính sức chịu tải dựa trên nồng độ ô nhiễm cho phép trừ nồng độ hiện tại, nhân với lưu lượng dòng chảy. Các thông số mô phỏng chính bao gồm DO, BOD, amoni, nitrat và chất rắn lơ lửng. Mỗi thông số có hệ số phản ứng riêng, ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của lưu vực sông.

2.2. Mô hình Qual2k và công cụ tính toán

Mô hình Qual2k là công cụ mô phỏng chất lượng nước dòng chảy, sử dụng nguyên tắc phân đoạn sông chi tiết. Mô hình tính toán cân bằng dòng chảy, cân bằng nhiệt và cân bằng nồng độ các chất ô nhiễm. Nó cho phép xác định sức chịu tải ô nhiễm tại các điểm khác nhau dọc theo lưu vực sông, hỗ trợ ra quyết định quản lý hiệu quả.

III. Hiện trạng ô nhiễm và chất lượng nước tại lưu vực sông Cầu

Lưu vực sông Cầu là một trong những lưu vực sông quan trọng ở Việt Nam, nhưng hiện đang chịu áp lực ô nhiễm từ nhiều nguồn. Hiện trạng ô nhiễm tại lưu vực sông Cầu bao gồm các nguồn thải từ khu công nghiệp, làng nghề, sinh hoạt dân cư và nông nghiệp. Chất lượng nước tại các điểm quan trắc dọc sông cho thấy nồng độ BOD, amoni và nitrat vượt tiêu chuẩn tại nhiều vị trí. Việc dự báo tăng dân số và phát triển kinh tế sẽ làm gia tăng tải lượng nước thải sinh hoạt trong những năm tới, gây áp lực lớn hơn lên sức chịu tải ô nhiễm của con sông. Cần tiến hành đánh giá chi tiết để xác định mức độ sức chịu tải hiện tại và dự báo tương lai.

3.1. Các nguồn ô nhiễm chính tại lưu vực sông Cầu

Các nguồn ô nhiễm chính tại lưu vực sông Cầu bao gồm khu công nghiệp, các làng nghề điển hình, xả thải sinh hoạt từ các thành phố lớn, và các hoạt động nông nghiệp. Các khu công nghiệp xả trực tiếp nước thải chứa nhiều chất độc hại vào sông. Làng nghề gây ô nhiễm môi trường nước qua quy trình sản xuất không kiểm soát.

3.2. Đánh giá chất lượng nước hiện tại

Đánh giá chất lượng nước tại lưu vực sông Cầu cho thấy nồng độ oxy hòa tan (DO) thấp ở các vùng hạ du, nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) vược chuẩn ở các khu công nghiệp. Nồng độ amonia và nitrat cao chỉ ra ô nhiễm từ sinh hoạt. Chất lượng nước không đáp ứng tiêu chuẩn cho tưới tiêu và duy trì thủy sản.

IV. Xác định sức chịu tải ở các mục đích sử dụng nước khác nhau

Sức chịu tải ô nhiễm môi trường nước khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng nước. Có ba mức độ sức chịu tải chính cần xác định: giới hạn tự làm sạch, đích đảm bảo chất lượng nước cho tưới tiêu thủy lợi, và mức ngưỡng duy trì thủy sản. Giới hạn tự làm sạch là mức sức chịu tải tối đa mà con sông có thể tự làm sạch mà không cần can thiệp. Nồng độ tiêu chuẩn cho tưới tiêu thường cao hơn vì mục đích sử dụng ít yêu cầu khắt khe. Nồng độ tiêu chuẩn cho duy trì thủy sản thấp hơn, nhằm bảo vệ các sinh vật sống trong nước. Thông qua mô phỏng chất lượng nước và tính toán, có thể xác định chính xác sức chịu tải tương ứng với từng mục đích, từ đó hướng dẫn quản lý phát thải nước thải hiệu quả.

4.1. Sức chịu tải ở giới hạn tự làm sạch

Sức chịu tải ở giới hạn tự làm sạch được xác định khi nồng độ oxy hòa tan (DO) không vượt ngưỡng tối thiểu cần thiết (thường 5 mg/L). Đây là mức sức chịu tải cao nhất mà hệ sinh thái nước vẫn có thể duy trì hoạt động bình thường. Vượt quá mức này sẽ gây ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng, dẫn đến chết cá và suy giảm đa dạng sinh học.

4.2. Sức chịu tải cho tưới tiêu thủy lợi và duy trì thủy sản

Sức chịu tải cho tưới tiêu thủy lợi cho phép nồng độ ô nhiễm cao hơn, vì nước tưới sẽ được xử lý trước sử dụng. Sức chịu tải cho duy trì thủy sản tương đối thấp, yêu cầu DO ≥ 5 mg/L, BOD ≤ 3 mg/L và amonia thấp. Các mục đích khác nhau dẫn đến khác biệt đáng kể về sức chịu tải ô nhiễm của lưu vực sông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan các lưu vực sông ở Việt Nam 1. Định nghĩa lưu vực sông Nước trên bề mặt đất tuân theo quy luật chung đều chảy từ nơi cao xuống nơi thấp, lâu ngày các đường chảy tạo thành sông suối. Mỗi một dòng sông đều có phần diện tích hứng và tập trung nước gọi là lưu vực sông (LVS).

- Lưu vực sông được định nghĩa như một vùng cung cấp nước ( bao gồm cả nước mặt và nước ngầm) bắt đầu từ nhánh suối đầu tiên cho đến khi ra đổ ra đại dương hoặc đổ vào một hồ cuối cùng hoặc một biển nội địa [17]. - Lưu vực sông mà một vùng lãnh thổ mà từ đó các dòng chảy bề mặt chảy qua một hệ thống nối tiếp các dòng suối, sông, có thể cả hồ và đổ ra biển qua cửa sông [18]. Phần thu nước mặt là phần diện tích bề mặt trái đất mà từ đó tất cả lượng nước sinh ra gia nhập vào hệ thống sông hoặc một con sông riêng biệt. Phần thu nước ngầm được tạo nên bởi phần đất đá mà từ đó nước ngầm chảy vào lưới sông.

Lưu vực sông được giới hạn bởi các đường chia nước. Lưu vực sông được gọi là lưu vực kín khi có đường chia nước mặt và đường chia nước ngầm trùng nhau; nếu không trùng nhau thì được gọi là lưu vực hở. Trong thực tế, rất khó có thể xác định chính xác đường phân nước ngầm nên thường coi là trùng với đường phân nước mặt. Lưu vực sông là một hệ thống mở và luôn tương tác với tầng khí quyển bên trên thông qua hoạt động của hoàn lưu khí quyển và chu trình thủy văn.

Hiện trạng ô nhiễm ở các lưu vực sông Việt Nam có hệ thống sông ngòi dày đặc, trong đó có 13 hệ thống sông lớn có diện tích trên 10. Tài nguyên nước mặt tương đối phong phú, chiếm khoảng 2% tổng lượng dòng chảy của các sông trên thế giới. Đây là nguồn tài nguyên quý giá, góp phần quan trọng vào sự phát triển kinh tế - xã hội đất nước. 9 Lương Thị Phương Dung 10BQLMT Luận văn thạc sỹ khoa học Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Tuy nhiên, nước mặt ở Việt Nam hiện đang đối mặt với nhiều thách thức, trong đó đáng kể nhất là tình trạng suy kiệt và ô nhiễm trên diện rộng [4].

Tình trạng nhiều khu công nghiệp (KCN), nhà máy, khu đô thị… xả nước thải chưa qua xử lý xuống hệ thống sông, hồ đã gây ô nhiễm nguồn nước trên diện rộng dẫn đến nhiều vùng có nước nhưng không sử dụng được vì bị ô nhiễm. Tại mỗi lưu vực sông , theo tình hình phát triển kinh tế-xã hội trong khu vực, tỷ lệ đóng góp lượng thải ô nhiễm nước của các ngành có khác nhau. Tuy nhiên áp lực nước thải chủ yếu từ các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt. Đối với các LVS, ô nhiễm chất hữu cơ đã và đang xảy ra ở nhiều đoạn sông, tập trung ở vùng trung lưu và hạ lưu.

Có nơi, ô nhiễm đã ở mức nghiêm trọng, điển hình như vấn đề ô nhiễm môi trường nước tại khu vực hạ lưu các sông và hệ thống hồ ao, kênh mương và các sông nhỏ trong khu vực nội thành, nội thị. Nhiều dòng sông trước kia là nơi giặt giũ tắm rửa sinh hoạt của người dân, thì ngày nay đã không còn có thể sử dụng nữa. Những lưu vực sông được đề cập đến bao gồm: - Lưu vực sông Cầu và các phụ lưu qua các tỉnh Bắc Kạn, Thái Nguyên, Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Bắc Giang và Hải Dương. - Lưu vực sông Nhuệ, sông Đáy chảy qua các tỉnh Hòa Bình, TP.Hà Nội, Hà Tây, Hà Nam, Nam Định và Ninh Bình.

- Lưu vực sông Đồng Nai, sông Sài Gòn gồm các tỉnh Lâm Đồng, Đắc Lắc, Đắc Nông, Bình Phước, Bình Dương, Tây Ninh, Đồng Nai, TP. Hồ Chí Minh, Bà Rịa – Vũng Tàu, Ninh Thuận và Bình Thuận. Theo báo cáo Hiện trạng môi trường Quốc gia 2010 [4], hiện trạng môi trường nước ở ba lưu vực sông Cầu, Nhuệ - Đáy và hệ thống sông Đồng Nai, chất lượng nước tại các vùng trung lưu và hạ lưu tại 3 lưu vực sông này đã bị ô nhiễm, có nhiều nơi ở mức nghiêm trọng. Nguyên nhân là do nước thải của các hoạt động sản xuất công nghiệp, sinh hoạt không được xử lý đã và đang thải trực tiếp vào các dòng sông.

Nhiều nơi, chất lượng nước suy giảm mạnh, nhiều chỉ tiêu như BOD 5 , COD, NH 4 , SS cùng các chất dinh dưỡng chứa nitơ, phốt pho, coliform… đo được trong nước đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. 10 Lương Thị Phương Dung 10BQLMT Luận văn thạc sỹ khoa học Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Lưu vực sông Cầu, nước mặt tại vùng trung lưu và hạ lưu của lưu vực sông Cầu nhiều nơi đang ở mức độ ô nhiễm báo động, đặc biệt ở các đoạn sông chảy qua địa phận tỉnh Bắc Giang, Bắc Ninh và Thái Nguyên nơi tập trung nhiều khu công nghiệp, khu chế biến và làng nghề. Đối với lưu vực sông Nhuệ - Đáy, tình trạng ô nhiễm nguồn nước càng phổ biến hơn khi môi trường nước mặt đang chịu tác động mạnh của nước thải sinh hoạt và các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và thủy sản trong toàn khu vực. Báo cáo hiện trạng môi trường cũng cho thấy, hiện nay, chất lượng nước của nhiều đoạn lưu vực sông Nhuệ - Đáy đã bị ô nhiễm tới mức báo động và gia tăng vào mùa khô.

Trên địa phận Hà Nội các chỉ tiêu về chất lượng nước cho phép loại B đối với nước mặt, thậm chí còn vượt tiêu chuẩn cho phép đối với nước thải sinh hoạt. Tổng cục Môi trường khẳng định, sông Nhuệ đã bị ô nhiễm nghiêm trọng sau khi nhận nước thải từ sông Tô Lịch. Mặc dù tại đầu nguồn sau khi nhận nước từ sông Hồng không ô nhiễm nhưng từ đoạn chảy qua khu vực Phúc La - Hà Đông cho tới trước khi nhận nước sông Tô Lịch, nước đã bắt đầu bị ô nhiễm, các giá trị COD, BOD 5 vượt tiêu chuẩn 3-4 lần. Nước đã có màu đen, váng, cặn lắng và mùi hôi tanh.

Sau khi tiếp nhận nước thải của sông Tô Lịch, nước sông Nhuệ đã bị ô nhiễm nghiêm trọng hơn đặc biệt là vào mùa khô. Mặc dù mấy năm gần đây, Hà Nội đã áp dụng giải pháp đưa nước sông Tô Lịch qua hệ thống hồ điều hoà Yên Sở bơm ra sông Hồng nhưng xu hướng ô nhiễm sông Nhuệ vẫn ngày một tăng. Cùng với sông Nhuệ, sông Đáy đang bị ô nhiễm cục bộ với mức độ cũng ngày càng tăng do ảnh hưởng ô nhiễm của sông Nhuệ. Trong cả 3 hệ thống sông trên, hệ thống sông Đồng Nai có mức độ ô nhiễm nghiêm trọng hơn, nhiều đoạn sông chảy qua địa phận Bình Dương đã trở thành sông chết.

Trải rộng trên địa bàn, lưu vực hệ thống sông này chịu ảnh hưởng mạnh nhất của nhiều nguồn tác động trên toàn bộ lưu vực. Đặc biệt phần hạ lưu của nhiều sông trong lưu vực đã ô nhiễm nghiêm trọng trong đó có đoạn đã trở thành sông chết hoàn toàn. Nước sông Đồng Nai từ nhà máy nước Thiện Tân đến Long Đại - Đồng Nai đã bắt đầu ô nhiễm hữu cơ, chất rắn lơ lửng và phát hiện hàm lượng chì vượt tiêu chuẩn. Lượng chất rắn lơ lửng trong nước đã vượt tiêu chuẩn từ 3-9 lần, giá trị COD vượt gần 2-3 lần tiêu 11 Lương Thị Phương Dung 10BQLMT Luận văn thạc sỹ khoa học Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường chuẩn…Ô nhiễm nhất trong lưu vực có lẽ là sông Thị Vải với một đoạn 10 km đã "chết" bắt đầu từ sau hợp lưu Suối Cả- sông Thị Vải đến KCN Mỹ Xuân.

Nước khu vực này có màu nâu đen, bốc mùi hôi thối cả khi triều lên và triều xuống. Các giá trị DO thường xuyên thấp dưới 0,5 mg/l nên các loài sinh vật đã không còn khả năng sinh sống. Chỉ số NH 4 + đã vượt quá TCVN từ 3-15 lần, giá trị Coliform vượt từ vài chục đến hàng trăm lần. Đặc biệt hàm lượng thủy ngân tại khu vực cảng Vedan, Mỹ Xuân vượt 1,5 - 4 lần; lượng kẽm vượt 3-5 lần tiêu chuẩn[1].

Như vậy, mức độ ô nhiễm nước các dòng sông mà đặc biệt là 3 lưu vực sông Cầu, Nhuệ - Đáy và hệ thống sông Đồng Nai là khá nghiêm trọng và đang có xu hướng diễn biến phức tạp và ngày càng xấu đi. Chất lượng nước sông vẫn đang tiếp tục suy thoái ở nhiều nơi mà đặc biệt là các đoạn chảy qua khu đô thị, khu công nghiệp và làng nghề. Trước bất cập này, việc ngăn chặn mức độ gia tăng ô nhiễm ở các lưu vực sông và trả lại sự trong lành cho các dòng sông là một nhiệm vụ cấp bách hiện nay. Nó không chỉ có ý nghĩa bảo vệ môi trường Việt Nam mà hơn hết là bảo vệ cuộc sống sinh hoạt, sản xuất của chính người dân sống trong lưu vực.

Hiện trạng lưu vực sông Cầu Sông Cầu bắt nguồn từ phía Nam đỉnh Phia Biooc của dãy Văn Ôn trong địa phận xã Phương Viên huyện chợ Đồn tỉnh Bắc Kạn, dòng chính chảy qua các tỉnh Bắc Kạn, Thái Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh rồi đổ vào hệ thống sông Thái Bình ở Phả Lại. Các sông Cầu, sông Thương, sông Lục Nam, Sông Đuống, sông Kinh Thầy và nhánh chính sông Thái Bình hợp nhau tại thị trấn Phả Lại huyện Chí Linh thành sông Thái Bình, dòng chính của hệ thống sông này chảy qua tỉnh Hải Dương và đổ ra biển Đông tại Thái Bình và Hải Phỏng. Do hệ thống sông Cầu được xác định kết thúc ở điểm hợp lưu, chưa ra đến biển, nên theo định nghĩa lưu vực sông ở trên, có thể coi nó là một tiểu lưu vực. Trong nghiên cứu của luận văn, vẫn sử dụng thuật ngữ “lưu vực sông Cầu” để chỉ hệ thống sông nghiên cứu từ nơi bắt nguồn là tỉnh Bắc Kạn cho đến khi hợp lưu với sông Thái Bình tại Phả Lại.

12 Lương Thị Phương Dung 10BQLMT Luận văn thạc sỹ khoa học Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường 1. Vị trí địa lý và các đặc trưng lưu vực[8] Lưu vực Sông Cầu nằm trong phạm vi tọa độ địa lý: 21o07' - 22o18' vĩ bắc, 105o28' - 106o08' kinh đông, có diện tích lưu vực 6030 km2. Lưu vực chiếm khoảng 47% diện tích toàn vùng, bao gồm toàn bộ hay một phần lãnh thổ của các tỉnh Bác Kạn, Thái Nguyên, Bắc Ninh, Bắc Giang, Vĩnh Phúc và Hà Nội. Mạng lưới sông suối trong lưu vực sông Cầu tương đối phát triển.

Mật độ lưới sông (độ dài sông trên một đơn vị diện tích) trong lưu vực biến đổi trong phạm vi 0,7 - 1,2 km/km2.