Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Cầu giữ vai trò huyết mạch trong hệ thống sông Thái Bình khi chiếm tới 47% tổng diện tích toàn lưu vực, sở hữu chiều dài 288 km với tổng lượng nước trung bình đạt khoảng 4,5 tỷ m3 mỗi năm. Tuy nhiên, nguồn tài nguyên nước mặt tại đây đang đối mặt với nguy cơ suy thoái nghiêm trọng do áp lực kép từ biến đổi khí hậu và tốc độ công nghiệp hóa nhanh chóng. Đoạn sông Cầu chảy qua địa phận tỉnh Bắc Ninh có chiều dài khoảng 77 km, đóng vai trò tiếp nhận nước thải từ vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ. Tỉnh Bắc Ninh có diện tích tự nhiên 823,1 km2, quy mô dân số trên 1,15 triệu người, sở hữu tốc độ tăng trưởng kinh tế đạt 19,1% và cơ cấu công nghiệp - xây dựng chiếm đến 75,2%. Hoạt động sản xuất từ các khu công nghiệp tập trung cùng 62 làng nghề truyền thống đang xả một lượng lớn chất thải chưa qua xử lý triệt để vào nguồn nước.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá sức chịu tải và khả năng tiếp nhận nước thải đối với các thông số ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng trên đoạn sông Cầu chảy qua Bắc Ninh. Phạm vi không gian bao quát toàn bộ lưu vực sông Cầu và đi sâu vào 77 km hạ lưu qua 4 huyện thị gồm Yên Phong, Từ Sơn, Tiên Du và Quế Võ. Thời gian tính toán tập trung vào hai mùa thủy văn tương phản là mùa mưa (tháng 7) và mùa khô (tháng 11) theo chuỗi số liệu thống kê. Kết quả đề tài cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng phục vụ công tác quản lý tài nguyên nước theo Thông tư 76/2017/TT-BTNMT, thiết lập hạn ngạch phát thải nhằm giảm thiểu 30% đến 50% tải lượng ô nhiễm vượt ngưỡng, hỗ trợ bảo vệ hệ sinh thái thủy vực bền vững.

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 sức chịu tải môi trường nước và cơ chế tự làm sạch của hệ sinh thái dòng chảy. Khả năng tự phục hồi của lưu vực sông là quá trình đồng hóa vật chất thông qua các cơ chế thủy động lực học, oxy hóa sinh hóa và tương tác trầm tích để đưa chất lượng nước trở về trạng thái ổn định ban đầu. Về mặt pháp lý và quản trị, đề tài kế thừa nguyên lý kiểm soát tổng tải lượng ô nhiễm tối đa theo ngày (TMDL) của Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ và Hệ thống kiểm soát tổng tải lượng theo khu vực (TPLCS) của Nhật Bản ban hành từ năm 1979.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng các khái niệm nền tảng quy định trong Luật Bảo vệ Môi trường Việt Nam và Thông tư 76/2017/TT-BTNMT. Bốn khái niệm chính được làm sáng tỏ gồm: sức chịu tải của dòng sông (tổng tải lượng ô nhiễm tối đa nguồn nước có thể tiếp nhận mà không làm suy giảm mục đích sử dụng), khả năng tiếp nhận nước thải (chênh lệch giữa sức chịu tải và tải lượng hiện trạng), độ thâm hụt oxy hòa tan (DO) và hệ số phân hủy sinh hóa của các hợp chất hữu cơ (BOD, COD).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu phân chia toàn bộ lưu vực sông Cầu thành 58 tiểu lưu vực dựa trên mô hình số độ cao DEM độ phân giải 1-arc từ Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS). Cỡ mẫu không gian bao quát toàn bộ 58 tiểu lưu vực trải dài trên 4 tỉnh Bắc Kạn, Thái Nguyên, Bắc Giang và Bắc Ninh. Phương pháp chọn mẫu phi xác suất kết hợp hệ thống được áp dụng để lựa chọn các điểm quan trắc đại diện cho dòng chính, các phụ lưu nhập lưu lớn như sông Công (lưu lượng 899 triệu m3/năm), sông Cà Lồ (lưu lượng 880 triệu m3/năm) và các điểm xả thải trọng điểm.

Nguồn dữ liệu thứ cấp được tổng hợp từ Niên giám thống kê năm 2016 của các địa phương, kết hợp số liệu quan trắc thủy văn và chất lượng nước thực đo tại các trạm Thác Giềng, Thác Bưởi, Đáp Cầu và Cát Khê. Để ước tính tải lượng ô nhiễm từ các nguồn phân tán (sinh hoạt, chăn nuôi, nông nghiệp, dịch vụ) và nguồn thải điểm (khu công nghiệp, bệnh viện), tác giả sử dụng Phương pháp Đánh giá nhanh của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO 1993).

Mô hình chất lượng nước một chiều QUAL2K được lựa chọn làm công cụ tính toán mô phỏng chính. Lý do lựa chọn mô hình này là nhờ khả năng mô phỏng chi tiết 15 thông số chất lượng nước trong điều kiện dòng chảy ổn định một chiều, hỗ trợ phân chia các đoạn sông có chiều dài linh hoạt và tích hợp chính xác quá trình chuyển hóa động học của carbon hữu cơ, nitơ và phospho. Toàn bộ chuỗi tính toán được kiểm định cho hai mùa đặc trưng với lưu lượng dòng chảy mùa lũ đạt 1.288,5 m3/s và mùa cạn hạ thấp xuống mức 52,74 m3/s tại trạm Đáp Cầu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng thủy lực và tính toán lan truyền chất ô nhiễm trên đoạn sông Cầu chảy qua Bắc Ninh đã đưa ra các kết quả định lượng cụ thể:

Thứ nhất, có sự chênh lệch sâu sắc về khả năng tự làm sạch của sông Cầu giữa hai mùa thủy văn. Vào mùa mưa (tháng 7), lưu lượng dòng chảy đạt 1.288,5 m3/s giúp sức chịu tải đối với chất hữu cơ và chất dinh dưỡng tăng cao gấp 15 đến 20 lần so với mùa khô. Ngược lại, vào mùa khô (tháng 11), lưu lượng kiệt giảm xuống chỉ còn 52,74 m3/s (giảm hơn 95,9% lưu lượng), khiến nồng độ DO suy giảm mạnh và đẩy nhiều đoạn sông vào trạng thái quá tải nghiêm trọng.

Thứ hai, tải lượng ô nhiễm từ nguồn thải sinh hoạt và hoạt động làng nghề chiếm tỷ trọng chi phối trong tổng tải lượng đổ vào sông Cầu. Riêng chất thải sinh hoạt từ các đô thị và khu dân cư tập trung đóng góp trên 60% tổng lượng BOD và COD phát sinh hàng ngày. Tại các nhánh sông tiếp nhận nước thải làng nghề như sông Ngũ Huyện Khê, nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng (Tổng N, Tổng P) vượt quy chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT từ 1,5 đến 3,0 lần.

Thứ ba, kết quả xác định hạn ngạch tiếp nhận nước thải cho thấy sức chịu tải đối với BOD và COD tại các đoạn sông hạ lưu qua huyện Quế Võ và thành phố Bắc Ninh rơi vào tình trạng âm trong mùa khô. Cụ thể, khả năng tiếp nhận BOD của đoạn sông hạ lưu đạt giá trị âm, đồng nghĩa với việc nguồn nước không còn khả năng tiếp nhận thêm nước thải hữu cơ và đòi hỏi phải cắt giảm từ 25% đến 45% lượng phát thải hiện hữu để đạt mục tiêu bảo vệ chất lượng nước mặt loại A2 hoặc B1.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng ô nhiễm cục bộ xuất phát từ sự tập trung mật độ cao của 62 làng nghề truyền thống và các cụm công nghiệp chưa hoàn thiện hệ thống thu gom, xử lý nước thải tập trung. Đặc biệt, làng nghề giấy Phong Khê và sắt thép Đa Hội xả trực tiếp nước thải có hàm lượng chất rắn lơ lửng cùng nhu cầu oxy hóa học cao vào hệ thống thủy lợi nội đồng trước khi đổ ra sông Cầu. Hơn nữa, việc vận hành đập Thác Huống ở thượng lưu nhằm tích nước phục vụ tưới tiêu trong mùa khô đã làm suy giảm nghiêm trọng dòng chảy duy trì môi trường ở hạ du, khiến khả năng pha loãng tự nhiên của dòng sông bị triệt tiêu.

Khi so sánh với các nghiên cứu chất lượng nước trên lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy, kết quả nghiên cứu này tương đồng ở quy luật suy thoái chất lượng nước tập trung vào các tháng mùa kiệt (tháng 11 đến tháng 4 năm sau). Diễn biến nồng độ các chất ô nhiễm dọc theo 77 km chiều dài sông Cầu có thể được biểu diễn trực quan qua các đồ thị đường tương quan giữa mùa mưa và mùa khô. Dữ liệu tính toán sức chịu tải theo từng phân đoạn sông được lượng hóa rõ nét qua các bảng phân bổ hạn ngạch phát thải, chỉ rõ ranh giới các tiểu đoạn sông có chỉ số tiếp nhận mang giá trị âm hoặc dương. Điều này khẳng định tầm quan trọng của việc quản lý lưu vực theo không gian và thời gian thực.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả đánh giá sức chịu tải và hạn ngạch xả thải, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp trọng tâm nhằm kiểm soát ô nhiễm nguồn nước sông Cầu:

Thứ nhất, áp dụng công cụ hạn ngạch xả thải dựa trên hệ thống kiểm soát tổng tải lượng (TPLCS). Ủy ban nhân dân tỉnh Bắc Ninh phối hợp với Sở Tài nguyên và Môi trường tiến hành rà soát, điều chỉnh giấy phép xả thải đối với 100% các cơ sở sản xuất có lưu lượng từ 50 m3/ngày đêm trở lên, đảm bảo mục tiêu cắt giảm ít nhất 30% tổng tải lượng COD và BOD phát tán vào lưu vực sông trước năm 2026.

Thứ hai, đầu tư xây dựng và nâng cấp đồng bộ hạ tầng xử lý nước thải tập trung tại 4 làng nghề ô nhiễm nghiêm trọng gồm giấy Phong Khê, sắt thép Đa Hội, nhôm Văn Môn và đồng Đại Bái. Ban Quản lý các Khu công nghiệp và Làng nghề tỉnh cần hoàn thành trạm xử lý nước thải đạt chuẩn QCVN trước năm 2027, nâng tỷ lệ nước thải làng nghề được xử lý đạt quy chuẩn lên mức tối thiểu 85%.

Thứ ba, thiết lập mạng lưới quan trắc tự động liên tục và tích hợp phần mềm mô phỏng chất lượng nước trực tuyến. Lắp đặt thêm 5 trạm quan trắc tự động dọc tuyến 77 km sông Cầu qua Bắc Ninh trong giai đoạn 2025-2028, kết nối dữ liệu viễn thám và mô hình QUAL2K để dự báo sự cố ô nhiễm nước mặt theo thời gian thực.

Thứ tư, hoàn thiện cơ chế điều tiết dòng chảy liên hồ chứa liên tỉnh giữa Hồ Núi Cốc, đập Thác Huống và các công trình thủy lợi thượng nguồn. Cục Quản lý Tài nguyên Nước chủ trì điều phối xả nước bổ cập trong các tháng mùa cạn, duy trì lưu lượng tối thiểu không thấp hơn 60 m3/s tại trạm Đáp Cầu nhằm đảm bảo dòng chảy môi trường cho hạ du sông Cầu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả tính toán trong luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

Một là, các nhà quản lý môi trường tại Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bắc Ninh, Bắc Giang, Thái Nguyên cùng Cục Quản lý Tài nguyên Nước. Luận văn cung cấp công cụ tính toán định lượng để thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường và cấp giấy phép môi trường theo đúng tinh thần Thông tư 76/2017/TT-BTNMT.

Hai là, các kỹ sư tư vấn môi trường, quy hoạch đô thị và hạ tầng khu công nghiệp. Dữ liệu về tải lượng phát thải từ 58 tiểu lưu vực giúp xác định vị trí tối ưu để xây dựng các cửa xả, tính toán công suất thiết kế trạm xử lý nước thải tập trung và đánh giá mức độ tương thích môi trường của các dự án công nghiệp mới.

Ba là, giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường và Quản lý Tài nguyên Nước. Luận văn là tài liệu tham khảo chuẩn mực về quy trình thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình QUAL2K kết hợp phương pháp Đánh giá nhanh của WHO.

Bốn là, Ban quản lý các khu công nghiệp, hiệp hội doanh nghiệp làng nghề tại lưu vực sông Cầu. Tài liệu giúp các đơn vị hiểu rõ giới hạn tải lượng cho phép xả thải, từ đó chủ động xây dựng lộ trình đổi mới công nghệ sản xuất sạch hơn và giảm thiểu chi phí xử lý chất thải cuối đường ống.

Câu hỏi thường gặp

  1. Sức chịu tải của đoạn sông Cầu chảy qua Bắc Ninh thay đổi như thế nào giữa mùa mưa và mùa khô? Sức chịu tải có sự phân hóa sâu sắc do chế độ thủy văn thay đổi mạnh mẽ. Vào mùa mưa tháng 7 với lưu lượng dòng chảy lên tới 1.288,5 m3/s, khả năng tự làm sạch của dòng sông rất lớn, sức chịu tải đối với BOD và COD duy trì ở mức cao. Ngược lại, vào mùa khô tháng 11 khi lưu lượng giảm sâu chỉ còn 52,74 m3/s, sức chịu tải sụt giảm trên 90%, khiến nồng độ ô nhiễm tích tụ vượt ngưỡng cho phép.

  2. Tại sao mô hình QUAL2K lại được lựa chọn để đánh giá sức chịu tải sông Cầu? Mô hình QUAL2K là phần mềm mô phỏng chất lượng nước một chiều hiện đại chạy trên môi trường giao diện bảng tính trực quan. Mô hình có ưu thế vượt trội trong việc phân chia các đoạn sông linh hoạt theo từng tiểu lưu vực, tính toán đồng thời 15 thông số môi trường nước (DO, BOD, COD, hợp chất Nitơ, Phospho) và phản ánh chính xác các quá trình động học phân hủy chất hữu cơ dọc theo 288 km dòng chính.

  3. Nguồn phát thải nào đóng góp tải lượng ô nhiễm hữu cơ lớn nhất vào đoạn sông nghiên cứu? Theo kết quả tính toán từ 58 tiểu lưu vực, nước thải sinh hoạt từ khu dân cư đô thị và nông thôn chiếm trên 60% tổng lượng BOD và COD xả vào sông Cầu. Bên cạnh đó, nước thải không qua xử lý từ 62 làng nghề truyền thống tại Bắc Ninh (tiêu biểu như Phong Khê, Đa Hội) qua hệ thống sông Ngũ Huyện Khê là nguồn gây ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng nghiêm trọng nhất tại hạ lưu.

  4. Khả năng tiếp nhận nước thải được xác định dựa trên công thức toán học nào? Khả năng tiếp nhận nước thải được tính bằng chênh lệch giữa sức chịu tải tối đa của đoạn sông và tổng tải lượng ô nhiễm hiện trạng đổ vào đoạn sông đó (bao gồm tải lượng từ hai bờ và tải lượng từ thượng nguồn chuyển xuống). Nếu kết quả mang giá trị âm, đoạn sông đã hết khả năng tiếp nhận và bắt buộc phải áp dụng biện pháp cắt giảm phát thải đối với các nguồn xả.

  5. Kết quả của luận văn có ý nghĩa gì đối với việc thực thi Thông tư 76/2017/TT-BTNMT? Luận văn đã cụ thể hóa phương pháp đánh giá sức chịu tải bằng mô hình toán theo đúng quy định tại Thông tư 76/2017/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường. Kết quả xác định hạn ngạch xả thải định lượng cho từng đoạn sông là căn cứ pháp lý và kỹ thuật trực tiếp để các cơ quan nhà nước phê duyệt phân vùng tiếp nhận nước thải và cấp giấy phép xả thải công bằng cho các doanh nghiệp.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết lập thành công mô hình QUAL2K trên lưu vực sông Cầu, lượng hóa chính xác tải lượng ô nhiễm từ 58 tiểu lưu vực dựa trên chuỗi số liệu kinh tế - xã hội và quan trắc năm 2016.
  • Đánh giá chi tiết sự tương phản về sức chịu tải giữa mùa mưa (lưu lượng 1.288,5 m3/s) và mùa khô (lưu lượng 52,74 m3/s), chứng minh hiện tượng suy giảm nghiêm trọng khả năng tự làm sạch trong các tháng mùa kiệt.
  • Xác định được hạn ngạch tiếp nhận nước thải đối với BOD, COD, Tổng N và Tổng P trên 77 km sông Cầu qua Bắc Ninh, chỉ ra các phân đoạn hạ lưu có chỉ số tiếp nhận âm cần ưu tiên xử lý khẩn cấp.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý đồng bộ gắn liền với hạn ngạch TPLCS, kiểm soát nước thải làng nghề, mở rộng quan trắc tự động và điều tiết dòng chảy liên hồ chứa giai đoạn 2025-2028.
  • Để triển khai hiệu quả các phát hiện nghiên cứu, các cơ quan quản lý và doanh nghiệp trong lưu vực cần khẩn trương áp dụng khung tính toán này vào quy hoạch phân vùng chất lượng nước, đồng thời liên hệ cơ quan chuyên môn để tiếp nhận chuyển giao mô hình tính toán phục vụ cấp phép xả thải ngay trong chu kỳ quy hoạch tiếp theo.