Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Kỳ Cùng là trục thủy văn huyết mạch dài 243 km, giữ vai trò quyết định trong việc cung cấp nguồn nước sản xuất, tưới tiêu nông nghiệp, điều tiết thoát lũ và kiến tạo cảnh quan sinh thái đô thị cho tỉnh Lạng Sơn. Với diện tích tự nhiên toàn tỉnh đạt khoảng 8.320 km² và dân số trên 778,4 nghìn người, sự tăng trưởng kinh tế ở mức 8,36% cùng quy mô đô thị hóa ngày càng mở rộng đang tạo áp lực gay gắt lên hệ sinh thái nước mặt. Đặc biệt, nguồn cấp nước tự nhiên của Lạng Sơn chỉ đạt xấp xỉ 8.000 m³/người/năm, thấp hơn mức bình quân 9.608 m³/người/năm của cả nước, khiến áp lực an ninh nguồn nước càng trở nên cấp thiết.

Vấn đề cốt lõi mà nghiên cứu tập trung giải quyết là sự suy giảm chất lượng nước mặt do tiếp nhận trực tiếp tải lượng chất thải sinh hoạt, dịch vụ thương mại và sản xuất công nghiệp chưa qua xử lý đồng bộ. Mục tiêu của đề tài là đánh giá toàn diện hiện trạng ô nhiễm, nhận diện các quy luật biến động không gian - thời gian của các thông số hóa lý, xác định hệ số tác động từ các khu dân cư tập trung, từ đó xây dựng hệ thống giải pháp quản lý bền vững.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên đoạn sông dài 105 km qua ba vùng kinh tế trọng điểm gồm huyện Lộc Bình, thành phố Lạng Sơn và huyện Văn Lãng. Nghiên cứu khai thác bộ dữ liệu quan trắc liên tục giai đoạn 2016 – 2018 kết hợp lấy mẫu thực địa bổ sung. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện ở việc lượng hóa mức độ rủi ro sinh thái, cung cấp luận cứ kỹ thuật phục vụ Quyết định số 1380/QĐ-UBND của Ủy ban nhân dân tỉnh Lạng Sơn về quy hoạch tài nguyên nước đến năm 2020 và định hướng 2030, hỗ trợ kiểm soát 100% các điểm xả thải then chốt dọc lưu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cân bằng vật chất và mô hình lan truyền chất ô nhiễm trong lưu vực thủy vực sông hở. Khung phân tích kết hợp giữa lý thuyết về sức chịu tải của nguồn nước mặt và quy luật tự làm sạch sinh thái tự nhiên. Bốn khái niệm học thuật then chốt được chuẩn hóa bao gồm:

  1. Nhu cầu oxy hóa sinh học (BOD5): Phản ánh lượng oxy hòa tan tiêu hao bởi vi sinh vật để phân hủy hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học ở 20°C.
  2. Nhu cầu oxy hóa học (COD): Thước đo tổng lượng oxy cần thiết để oxy hóa toàn bộ các hợp chất hóa học có trong mẫu nước.
  3. Oxy hòa tan (DO): Chỉ số sống còn xác định trạng thái dưỡng khí của thủy vực và khả năng duy trì sự sống thủy sinh.
  4. Khả năng tiếp nhận nước thải: Giới hạn tải lượng chất ô nhiễm tối đa mà dòng sông có thể dung nạp mà không làm biến đổi vượt chuẩn quy định tại Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột A và B1.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu quan trắc được thiết kế với cỡ mẫu gồm 21 đợt quan trắc định kỳ trong ba năm liên tục từ năm 2016 đến năm 2018 tại 3 trạm đại diện không gian trọng yếu: Trạm NM01 tại Cầu Bản Chu (huyện Lộc Bình - thượng lưu nông thôn), Trạm NM02 tại Cầu Ngầm (thành phố Lạng Sơn - trung lưu đô thị mật độ cao) và Trạm NM03 tại thị trấn Na Sầm (huyện Văn Lãng - hạ lưu sau tiếp nhận chất thải). Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo vị trí địa lý kết hợp lấy mẫu mặt ngẫu nhiên có kiểm soát được áp dụng nhằm phản ánh chính xác tác động tích lũy từ thượng nguồn đến hạ lưu.

Quy trình lấy mẫu thực địa vào ngày 22/12/2018 và kỹ thuật bảo quản tuân thủ nghiêm ngặt Thông tư số 24/2017/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường. Các thông số được phân tích bằng hệ phương pháp tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế: đo DO theo TCVN 7325:2004, BOD5 theo TCVN 6001-1:2008, COD theo SMEWW 5220C:2012, amoni (NH4+) theo SMEWW 4500-NH3.B&F:2012, nitrat (NO3-) theo TCVN 6180:1996, kim loại nặng (Fe, Zn) theo TCVN 6665:2011 và tổng khuẩn Coliform theo SMEWW 9221B:2012. Việc lựa chọn các phương pháp trắc quang và phổ hấp thụ nguyên tử này nhằm đảm bảo độ nhạy, tính lặp lại cao và hạn chế tối đa sai số nền từ các ion cản trở trong môi trường nước tự nhiên. Dữ liệu sau đó được xử lý bằng giải thuật thống kê đa biến và phương trình thực nghiệm để tính toán mối tương quan giữa quy mô dân số và nồng độ chất thải.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số liệu từ 21 đợt quan trắc đã chỉ ra các vấn đề ô nhiễm cục bộ và theo mùa trên sông Kỳ Cùng:

  • Nhu cầu oxy hóa sinh học (BOD5) dao động rộng từ 0,09 ppm đến 14,00 ppm, với giá trị trung bình ghi nhận vượt mức khuyến nghị cấp nước sinh hoạt. Trong tổng số 21 lần quan trắc, có tới 11 lần chỉ số BOD5 vượt giới hạn cho phép của QCVN 08-MT:2015/BTNMT (chiếm tỷ lệ 52,38%).
  • Nhu cầu oxy hóa học (COD) dao động trong khoảng 6,00 - 28,00 ppm, ghi nhận 3/21 lần vượt ngưỡng quy chuẩn (chiếm 14,29%), phản ánh sự tích tụ của các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học từ nước thải đô thị.
  • Nồng độ amoni (NH4+) trung bình đạt 0,47 mg/l, cao hơn ngưỡng quy chuẩn nước sinh hoạt cột A (0,30 mg/l), với 8/21 lần vi phạm ngưỡng quy định (chiếm 38,10%). Hàm lượng sắt tổng số (Fe) trung bình là 0,39 mg/l với 3 lần vượt ngưỡng, trong khi kẽm (Zn) đạt trung bình 0,38 mg/l và Coliform trung bình đạt 701 cá thể/ml, hoàn toàn nằm trong ngưỡng an toàn.
  • Chỉ số oxy hòa tan (DO) trung bình chỉ đạt 5,47 mg/l, trong đó phần lớn các đợt quan trắc đều ghi nhận giá trị DO thấp hơn ngưỡng tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt trực tiếp (yêu cầu ≥ 6,00 mg/l), chỉ có 4/21 lần đạt yêu cầu (chiếm 19,05%). Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) trung bình đạt 30,00 mg/l nhưng trong các đợt mưa lớn tháng 9 tại khu vực thành phố Lạng Sơn, TSS tăng vọt lên mức cao hơn 300% so với quy chuẩn.

Thảo luận kết quả

Diễn biến chất lượng nước sông Kỳ Cùng chịu chi phối mạnh mẽ bởi cơ chế thủy văn hai mùa và mật độ dân sinh dọc lưu vực. Vào mùa mưa (tháng 4 đến tháng 10), lượng mưa tập trung cao kết hợp độ dốc địa hình lớn đã thúc đẩy quá trình rửa trôi xói mòn bề mặt đất dốc, kéo theo lượng lớn mùn bã hữu cơ và phân bón nông nghiệp đổ vào dòng chính, khiến BOD5 và TSS tăng đột biến, đồng thời kéo giảm hàm lượng DO xuống mức thấp. Ngược lại, vào mùa khô, lưu lượng dòng chảy suy giảm đáng kể khiến khả năng pha loãng tự nhiên của dòng sông bị hạn chế, làm tích tụ nồng độ NH4+ và COD tại trạm NM02 thuộc khu vực nội đô thành phố Lạng Sơn.

Để trực quan hóa các kết luận trên, dữ liệu phân tích có thể được mô hình hóa qua biểu đồ phân tán hồi quy tuyến tính thể hiện tương quan giữa khoảng cách dòng chảy (km) với nồng độ BOD5 và DO, kết hợp biểu đồ cột so sánh biến động nồng độ TSS giữa tháng 4 (mùa khô) và tháng 9 (mùa mưa). Bảng ma trận tương quan cũng giúp lượng hóa chính xác mức độ ảnh hưởng của quy mô dân số các đô thị lân cận đến hệ số gia tăng chất ô nhiễm. Kết quả cho thấy hạ tầng kỹ thuật môi trường còn nhiều bất cập: trên 90% chất thải rắn đô thị đã được thu gom chôn lấp hợp vệ sinh tại bãi rác Tân Lang, nhưng nước thải sinh hoạt tại thành phố Lạng Sơn, huyện Lộc Bình và Văn Lãng hầu như mới qua xử lý sơ bộ bằng bể tự hoại hộ gia đình, chưa có nhà máy xử lý tập trung hoàn chỉnh để bẻ gãy các liên kết hợp chất nitơ và hữu cơ trước khi xả ra dòng sông.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả quan trắc thực tế, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp đồng bộ nhằm nâng cao hiệu quả quản trị môi trường nước sông Kỳ Cùng:

  1. Nâng cấp hệ sinh thái quan trắc và cảnh báo tự động: Thiết lập thêm 2 trạm quan trắc nước mặt tự động liên tục tại các cửa ngõ tiếp nhận nguồn thải ở thành phố Lạng Sơn và huyện Văn Lãng. Định kỳ lấy mẫu phân tích chuyên sâu 12 lần/năm đối với 16 thông số hóa lý vi sinh nhằm phát hiện sớm các sự cố môi trường, hướng tới mục tiêu giảm 100% các vụ xả trộm nước thải công nghiệp chưa qua xử lý vào giai đoạn 2020 - 2023. Chủ thể chủ trì: Sở Tài nguyên và Môi trường kết hợp Chi cục Bảo vệ Môi trường tỉnh Lạng Sơn.
  2. Đẩy nhanh tiến độ hạ tầng thu gom và xử lý nước thải tập trung: Hoàn thành giai đoạn 2 dự án hệ thống thoát nước và xử lý nước thải thành phố Lạng Sơn (sử dụng nguồn vốn hỗ trợ phát triển quốc tế), đầu tư trạm xử lý nước thải tập trung công suất tối thiểu 15.000 m³/ngày đêm ứng dụng công nghệ bùn hoạt tính hiếu khí kết hợp khử trùng ozone. Đảm bảo tỷ lệ thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt đô thị đạt trên 70% vào năm 2025, kéo giảm nồng độ BOD5 trung bình dưới 6,00 mg/l và NH4+ dưới 0,30 mg/l. Chủ thể thực hiện: Ủy ban nhân dân thành phố Lạng Sơn và Sở Xây dựng.
  3. Kiểm soát dòng chảy tràn và bảo vệ hành lang thoát lũ mùa mưa: Ban hành quy chế quản lý chất thải rắn và nước chảy tràn bề mặt trong các tháng cao điểm lũ (tháng 6 đến tháng 9). Xây dựng dải cây xanh đệm sinh thái rộng 30 - 50 m dọc hai bờ sông qua các vùng canh tác đất dốc để hạn chế xói mòn, mục tiêu cắt giảm 40% lượng bùn cát và TSS đổ vào lòng sông trong giai đoạn 2022 - 2026. Chủ thể thực hiện: Ủy ban nhân dân huyện Lộc Bình, Văn Lãng phối hợp Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.
  4. Tăng cường năng lực chế tài và truyền thông bảo vệ nguồn nước: Tổ chức thanh tra liên ngành tối thiểu 2 cuộc/năm đối với 100% cơ sở kinh doanh, nhà hàng, khách sạn và nhà máy chế biến nông lâm sản ven lưu vực. Kết hợp lồng ghép giáo dục môi trường học đường và truyền thông cộng đồng bằng tiếng phổ thông và tiếng dân tộc thiểu số, phấn đấu 95% hộ gia đình ven sông cam kết không xả rác và nước thải trực tiếp ra lòng suối đến năm 2025. Chủ thể thực hiện: Phòng Cảnh sát phòng chống tội phạm về môi trường (Công an tỉnh) và Ủy ban nhân dân các xã, phường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và khung phương pháp của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng:

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học, hệ thống dữ liệu quan trắc thực nghiệm và phương trình ước tính tải lượng ô nhiễm, giúp Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Lạng Sơn cùng các Chi cục chuyên trách hoạch định hạn ngạch xả thải, cấp phép môi trường và phê duyệt quy hoạch tài nguyên nước mặt giai đoạn đến năm 2030.
  2. Kỹ sư quy hoạch hạ tầng đô thị và cấp thoát nước: Hỗ trợ các đơn vị tư vấn thiết kế nắm bắt đặc tính động học dòng chảy, nồng độ ô nhiễm theo mùa để tính toán công suất trạm xử lý nước thải tập trung, thiết kế khẩu độ mạng lưới cống tách nước mưa - nước thải cho thành phố Lạng Sơn và các đô thị vệ tinh.
  3. Nhà nghiên cứu, giảng viên và sinh viên ngành Môi trường, Lâm nghiệp, Thủy văn: Đóng vai trò là tài liệu tham khảo học thuật chuẩn mực về phương pháp kết hợp quan trắc thực địa với mô hình hóa ảnh hưởng của điểm tập trung dân cư đối với thủy vực miền núi biên giới, phục vụ giảng dạy các học phần Quản lý lưu vực sông và Đánh giá chất lượng môi trường.
  4. Doanh nghiệp sản xuất công nghiệp và các tổ chức tư vấn môi trường: Giúp các chủ đầu tư dự án ven sông Kỳ Cùng hiểu rõ yêu cầu về ngưỡng tiếp nhận nguồn thải theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT, từ đó tối ưu hóa công nghệ xử lý nước thải nội bộ và lập báo cáo đánh giá tác động môi trường đạt chuẩn.

Câu hỏi thường gặp

Chất lượng nước sông Kỳ Cùng hiện nay có đủ điều kiện phục vụ cấp nước sinh hoạt trực tiếp không?
Nguồn nước sông Kỳ Cùng chưa đạt tiêu chuẩn để sử dụng trực tiếp cho ăn uống sinh hoạt do 52,38% số đợt quan trắc ghi nhận BOD5 vượt ngưỡng và hàm lượng oxy hòa tan (DO) trung bình chỉ đạt 5,47 mg/l (thấp hơn chuẩn 6,00 mg/l). Tuy nhiên, nguồn nước hoàn toàn đáp ứng tốt cho mục đích tưới tiêu nông nghiệp, thủy lợi và giao thông thủy theo quy chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột B1.

Yếu tố nào gây ra sự gia tăng đột biến của tổng chất rắn lơ lửng (TSS) trong mùa mưa?
Nguyên nhân chủ yếu do địa hình đồi núi Lạng Sơn có độ dốc cao kết hợp các hoạt động canh tác nông nghiệp không có bậc thang chắn. Vào tháng 9, lượng mưa lớn tạo dòng chảy mặt mạnh cuốn trôi đất đá và chất thải rắn chưa thu gom vào lòng sông, khiến chỉ số TSS tại các trạm đô thị tăng vọt cao hơn 300% so với giới hạn cho phép.

Phương trình thực nghiệm trong luận văn mô phỏng yếu tố tác động nào?
Luận văn đã ứng dụng các phương trình toán học thực nghiệm để mô phỏng mối quan hệ hàm số giữa quy mô dân số (nhân khẩu tại các cụm dân cư huyện Lộc Bình, thành phố Lạng Sơn, huyện Văn Lãng) và khoảng cách dòng chảy với sự suy giảm hàm lượng DO cũng như sự tích tụ nồng độ BOD5 và NH4+ dọc 105 km dòng chính.

Thực trạng xử lý nước thải sinh hoạt tại thành phố Lạng Sơn đang gặp thách thức gì?
Thách thức lớn nhất là thành phố chưa vận hành nhà máy xử lý nước thải tập trung toàn diện. Phần lớn nước thải sinh hoạt từ hộ dân, nhà hàng, khách sạn chỉ mới lắng sơ bộ qua bể tự hoại gia đình (hiệu suất khử BOD chỉ đạt khoảng 30 - 40%), sau đó chảy thẳng vào mạng lưới cống chung và thoát ra sông Kỳ Cùng.

Giải pháp công nghệ nào được đánh giá là tối ưu để xử lý nước thải đô thị ven sông Kỳ Cùng?
Giải pháp tối ưu là xây dựng trạm xử lý nước thải tập trung ứng dụng công nghệ sinh học hiếu khí bùn hoạt tính cải tiến (AO/AAO) kết hợp keo tụ hóa lý và khử trùng bằng tia cực tím hoặc ozone. Công nghệ này đảm bảo loại bỏ trên 90% hàm lượng BOD5, COD, chuyển hóa hoàn toàn hợp chất amoni và khử khuẩn đạt quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT cột A trước khi xả thải.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết lập bộ cơ sở dữ liệu quan trắc toàn diện dọc 105 km lưu vực sông Kỳ Cùng trong giai đoạn 2016 – 2018 với 21 đợt lấy mẫu kiểm chuẩn khoa học.
  • Đã xác định và lượng hóa chính xác 5 chỉ số môi trường có dấu hiệu vượt chuẩn quy định gồm: BOD5 (vượt chuẩn 52,38% số lần quan trắc), COD, NH4+, TSS mùa mưa và DO dưỡng khí.
  • Chỉ rõ nguyên nhân cốt lõi bắt nguồn từ nước thải sinh hoạt đô thị chưa qua xử lý tập trung và hiện tượng rửa trôi xói mòn bề mặt đất dốc trong các tháng mưa lũ cao điểm.
  • Đóng góp hệ thống phương trình thực nghiệm liên kết giữa mật độ phân bố dân cư với diễn biến ô nhiễm dòng chảy, cung cấp công cụ dự báo trực quan cho công tác quy hoạch.
  • Đề xuất khung 4 giải pháp đồng bộ về quan trắc số hóa, xây dựng trạm xử lý nước thải, bảo vệ hành lang sinh thái và siết chặt chế tài thanh tra với lộ trình triển khai rõ ràng đến năm 2025 và định hướng 2030.

Các cơ quan quản lý, viện nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến việc ứng dụng mô hình đánh giá sức chịu tải và bảo vệ tài nguyên nước mặt lưu vực sông Kỳ Cùng có thể liên hệ và tham khảo toàn văn công trình nghiên cứu tại Khoa Quản lý Tài nguyên Rừng và Môi trường, Trường Đại học Lâm nghiệp.