Tổng quan luận án
Hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai thuộc địa phận tỉnh Thừa Thiên Huế là hệ đầm phá ven bờ lớn nhất Việt Nam và khu vực Đông Nam Á, nơi cư trú của gần 1000 loài động thực vật thủy sinh có giá trị kinh tế. Vùng đầm phá chịu áp lực mạnh mẽ từ các hoạt động phát triển kinh tế – xã hội như nuôi trồng thủy sản, chăn nuôi, nông nghiệp, du lịch – dịch vụ và sinh hoạt dân cư từ 5 huyện phụ cận (Phong Điền, Quảng Điền, Hương Trà, Phú Vang, Phú Lộc) cũng như tiếp nhận chất thải từ lưu vực sông Hương và các khu vực miền núi. Việc gia tăng tải lượng chất hữu cơ và chất dinh dưỡng vượt quá khả năng tự làm sạch tự nhiên có nguy cơ dẫn tới suy thoái môi trường nước và suy giảm nguồn lợi sinh vật. Để quản lý phát triển bền vững, tác giả Cao Thị Thu Trang đã thực hiện luận án tiến sĩ kĩ thuật với đề tài: "Nghiên cứu đánh giá sức tải một số yếu tố môi trường (C, N, P) khu vực đầm phá Tam Giang - Cầu Hai (tỉnh Thừa Thiên Huế)" tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của TS. Trịnh Thành và GS.TS. Trần Đức Thạnh (bảo vệ năm 2019).
Mục tiêu nghiên cứu:
Đánh giá được sức chịu tải của một số yếu tố môi trường (C, N, P) trong hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai làm cơ sở cho quản lý, phát triển bền vững hệ đầm phá.
Nội dung nghiên cứu của luận án:
- Phân tích, đánh giá và dự báo tải lượng ô nhiễm từ các nguồn đưa vào hệ đầm phá.
- Mô phỏng lan truyền các chất ô nhiễm trong hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai theo các kịch bản cơ sở (năm 2011 – 2012) và kịch bản 2020, 2030, kịch bản đột xuất.
- Nghiên cứu, tính toán sức tải hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai đối với các chất hữu cơ và chất dinh dưỡng theo các ngưỡng của quy chuẩn Việt Nam, ngưỡng sức tải tối đa và ngưỡng gây bất lợi đối với sinh vật thủy sinh.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Các hợp chất của Cacbon, Nitơ, Phốt pho (BOD5, COD, N-NH4+, N-NO3-, P-PO43-) trong nước hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai và các nguồn thải đưa vào đầm phá.
- Phạm vi không gian: Hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai (gồm phá Tam Giang, đầm Sam – Thủy Tú, đầm Cầu Hai) và các khu vực phụ cận phát sinh chất thải đổ vào đầm phá thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế.
- Phạm vi thời gian: Khảo sát, đo đạc vào mùa mưa (tháng 11) và mùa khô (tháng 5) của các năm 2011, 2012, 2016; dự báo tải lượng và mô phỏng kịch bản cho các mốc năm 2020 và 2030.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã hệ thống hóa các nghiên cứu trong và ngoài nước về sức tải môi trường (STMT) và các công cụ mô hình hóa chất lượng nước:
1. Tình hình nghiên cứu quốc tế:
- Khái niệm và cách tiếp cận STMT: Khởi đầu từ báo cáo của Nhóm chuyên gia về khoa học ô nhiễm biển (GESAMP, 1986), STMT được định nghĩa là khả năng tiếp nhận hoạt động hoặc tốc độ xả thải mà không gây tác động bất lợi. Vlađimirov đưa ra mô hình cân bằng chất ô nhiễm trong thủy vực ($\Delta C = C_{vào} - C_{ra}$). Han Mei và cs (2010) tổng kết 4 nhóm định nghĩa về STMT nước. Bacher (2008) phân định 4 loại sức tải: sản xuất, sinh thái, điều tiết và xã hội.
- Mô hình sinh địa hóa - dinh dưỡng trong nuôi trồng thủy sản: Duarte và cs (2003), Brigolin và cs (2008), Ramón và cs (2010), Carrie Byron và cs (2011), Lotta và cs (2016) nghiên cứu sức tải sinh thái cho các loài hai mảnh vỏ. Mô hình thủy động lực - phú dưỡng 3 chiều (HEM-3D) áp dụng tại vịnh Goseung (Hàn Quốc) xác định mật độ nuôi ngao 16 cá thể/m3 (sức tải 1.500 MT). Tại vịnh Hiroshima (Nhật Bản), mô hình hệ sinh thái chỉ ra tải lượng P tổng từ sông Ohta cần duy trì ở mức 0,5 tấn/ngày với nồng độ chlorophyll a tầng mặt là 7 $\mu$g/l. Paul Shin (2003) nghiên cứu nhu cầu oxy hòa tan cho nuôi cá biển (83–400 gO2/tấn/h).
- Phương pháp tổng tải lượng tối đa hàng ngày (TMDL): Enhui và cs (2013) đề xuất giảm 67–74% tải lượng P tại vịnh Hạ Môn (Trung Quốc). Li KeQiang và cs (2012, 2014) xác định năng lực môi trường đối với Chì tại vịnh Jiaozhou (60 tấn/năm) và Kẽm, Cadmi tại vịnh Jinzhou (17 và 8 tấn/tháng). Zhao và cs (2012, 2015) thiết lập mô hình 3D cho hồ Fuxian chỉ ra yêu cầu giảm tải lượng TN (66%), TP (68%) và COD (57%). Các nghiên cứu khác gồm vịnh Quanzhou (Zhao, 2015), sông ChangLe (Dingjiang, 2012), sông Hồng Kỳ thuộc lưu vực hồ Taihu (Ruibin, 2012), lưu vực Tahtali ở Thổ Nhĩ Kỳ (Boyacioglu và Alpaslan, 2008), hồ Shihwa ở Hàn Quốc (Chang Hee-Lee, 2003) và lưu vực sông Anyangcheon sử dụng mô hình HSPF (Ayeon Lee, 2013).
- Phương pháp phân tích phân cấp (AHP) và hệ thống chỉ thị: Yongquan Yin (2010) tại Shandong Rencheng; Meriem Naimi Ait-Aoudia và cs (2016) tính toán sức tải nguồn nước Algiers; Shuping Wang (2017) tại vùng ven biển Thanh Đảo; nghiên cứu tại lưu vực sông Huaihe (Hoài An, 2010).
2. Tình hình nghiên cứu trong nước và khu vực Tam Giang – Cầu Hai:
- Tại Việt Nam: Các định nghĩa trong Luật BVMT 2005 và Luật BVMT 2014. Các nghiên cứu quản lý tải lượng và mô hình hóa của Nguyễn Chí Công và cs (2007) trên sông Thương; Huỳnh Thị Minh Hằng và cs (2006) trên lưu vực sông Đồng Nai; Võ Duy Sơn và Nguyễn Tác An (2001) dùng đồng vị phóng xạ đánh dấu tại đầm Thủy Triều và Nha Phu; Hoàng Dương Tùng (2004) dùng Delft-3D tính toán lan truyền chất ô nhiễm tại Hồ Tây.
- Tại hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai: Trần Đức Thạnh (1985, 1994, 2008, 2009) xác lập các đặc trưng địa mạo, trầm tích và sinh thái đầm phá thay thế cho khái niệm cửa sông trước đó; Nguyễn Hữu Cử (2006); Dự án IMOLA (2007, 2008) về kim loại nặng, PCB, PAH; Nguyễn Huy Yết (2011); Nguyễn Huy Anh (2012).
Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết:
Các nghiên cứu trước đây tại Tam Giang – Cầu Hai chủ yếu dừng lại ở việc quan trắc hiện trạng chất lượng nước, đánh giá xói lở hoặc mô phỏng dòng chảy đơn lẻ mà chưa tích hợp mô hình thủy động lực 3 chiều với mô hình sinh địa hóa chất lượng nước để định lượng sức tải môi trường đối với các hợp chất C, N, P theo các kịch bản phát triển kinh tế – xã hội và ngưỡng đồng hóa tự nhiên.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và khái niệm
- Sức tải môi trường (STMT): Dựa trên tiếp cận của GESAMP (1986), STMT được tính theo công thức:
$$EC_{max} = \frac{(C_{tiêu\ chuẩn} - C_{hiện\ tại}) \times V}{\tau}$$
Trong đó $EC_{max}$ là năng lực tải tối đa (kg/ngày), $C_{tiêu\ chuẩn}$ là nồng độ giới hạn cho phép theo quy chuẩn (mg/l), $C_{hiện\ tại}$ là nồng độ trung bình trong thủy vực (mg/l), $V$ là thể tích trung bình (m3), $\tau$ là thời gian lưu của nước (ngày).
- Quá trình tự làm sạch tự nhiên: Phân chia thành tự làm sạch biểu kiến (tổng hợp cơ chế vật lý: pha loãng, khuếch tán, lắng đọng, bay hơi; cơ chế hóa học: oxy hóa khử, trung hòa) và tự làm sạch đúng nghĩa (cơ chế sinh học: vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ, nitrat hóa, phản nitrat hóa).
- Mô hình cân bằng chất: Nguyên lý cân bằng chất ô nhiễm $\Delta C = C_{vào} - C_{ra}$ theo Vlađimirov, đảm bảo điều kiện bảo tồn môi trường: $0 < C \le NĐTHCP$ và $\Delta C < 0$.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp điều tra, khảo sát và phân tích thực nghiệm: Đo đạc trường dòng chảy, mực nước, đo đạc thông số thủy lý (nhiệt độ, độ muối, độ đục, pH) và lấy mẫu nước mặt phân tích các thông số DO, BOD5, COD, N-NH4+, N-NO2-, N-NO3-, P-PO43-, TSS, kim loại nặng, dầu mỡ, hóa chất bảo vệ thực vật cơ clo trong các đợt khảo sát mùa mưa (tháng 11) và mùa khô (tháng 5).
- Phương pháp tính toán tải lượng phát sinh và đưa vào đầm phá: Sử dụng hệ số phát thải theo tài liệu hướng dẫn của WHO và tiêu chuẩn ngành đối với 5 nguồn chính: sinh hoạt (dân số, khách du lịch), công nghiệp (nước thải các ngành), chăn nuôi (trâu, bò, lợn, gia cầm), nuôi trồng thủy sản (thức ăn thừa, phân bón), và rửa trôi đất bề mặt (diện tích lưu vực và lượng mưa).
- Phương pháp mô hình hóa số trị: Ứng dụng bộ phần mềm Delft-3D (Viện Thủy lực Delft, Hà Lan) bao gồm module thủy động lực (Delft3D-FLOW) mô phỏng trường dòng chảy, mực nước, độ mặn và module chất lượng nước (Delft3D-WAQ) mô phỏng quá trình lan truyền, chuyển hóa sinh hóa của các hợp chất C, N, P.
Nguồn tư liệu và dữ liệu
- Số liệu kế thừa từ các đề tài: Đề tài "Đánh giá sức tải môi trường vùng đầm phá Tam Giang – Cầu Hai và đề xuất các giải pháp phát triển bền vững", Dự án nhiệm vụ số 8 đề án 47 (giai đoạn 2016–2020), dự án IMOLA và các công bố từ năm 2004–2012.
- Số liệu quan trắc khí tượng, thủy văn tại trạm Thuận An, Tư Hiền và các sông chính (sông Hương, sông Ô Lâu, sông Bồ, sông Truồi, sông Cầu Hai).
- Số liệu niên giám thống kê và quy hoạch phát triển kinh tế – xã hội tỉnh Thừa Thiên Huế đến năm 2020 và 2030.
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Tổng quan vấn đề nghiên cứu và khu vực nghiên cứu
Chương I tổng hợp cơ sở lý luận về STMT, các mô hình số trị (1D, 2D, 3D như EFDC, WASP5, Delft-3D, HSPF), đồng thời phân tích điều kiện tự nhiên, kinh tế – xã hội và hiện trạng chất lượng nước hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai:
1. Điều kiện thủy hải văn:
Đầm phá nối với biển qua hai cửa Thuận An (chế độ bán nhật triều đều, biên độ ngày 35–50 cm) và cửa Tư Hiền (chế độ bán nhật triều không đều, biên độ 55–100 cm). Mùa cạn mực nước đầm phá thấp hơn biển 5–15 cm tại phá Tam Giang và 25–30 cm tại đầm Cầu Hai; mùa lũ mực nước đầm Cầu Hai cao hơn biển tới 70 cm do nước lũ thoát chậm.
| Khu vực |
Mùa khô: Chảy ra (xuống) $V_{tb}$ / $V_{max}$ |
Mùa khô: Chảy vào (lên) $V_{tb}$ / $V_{max}$ |
Mùa mưa: Chảy ra (xuống) $V_{tb}$ / $V_{max}$ |
Mùa mưa: Chảy vào (lên) $V_{tb}$ / $V_{max}$ |
| Hòa Duân |
47 / 97 |
48 / 86 |
- / - |
- / - |
| Thuận An |
26 / 64 |
40 / 60 |
54 / 105 |
- / - |
| Tư Hiền |
47 / 62 |
36 / 54 |
45 / 55 |
33 / 51 |
| Sông Hương |
28 / 46 |
22 / 28 |
30 / 49 |
- / - |
| Tam Giang |
25 / 40 |
37 / 47 |
20 / 62 |
15 / 22 |
| Thủy Tú |
14 / 24 |
23 / 28 |
22 / 29 |
18 / 26 |
| Cầu Hai |
Rất nhỏ |
Rất nhỏ |
Rất nhỏ |
Rất nhỏ |
Bảng: Tốc độ dòng chảy (cm/s) trung bình và cực đại ở tầng mặt tại khu vực đầm phá Tam Giang – Cầu Hai (Nguồn: Trích dẫn bảng 1.3 trong luận án).
2. Áp lực kinh tế – xã hội:
Năm 2016, tổng dân số 5 huyện ven đầm phá là 615.946 người, diện tích tự nhiên 2648,76 km2 (mật độ 232 người/km2). Diện tích nuôi trồng thủy sản tăng từ 2200 ha (năm 2000) lên 4650 ha (2006), 5884 ha (2010) và đạt 7175 ha (năm 2016). Đàn gia súc năm 2016 có 22,4 nghìn con trâu, 33,6 nghìn con bò, 205,6 nghìn con lợn và 2,7 triệu con gia cầm.
3. Hiện trạng các thông số môi trường nước (2004–2012):
| Thời gian khảo sát |
Phá Tam Giang ($T^o$ / pH / Độ muối / Độ đục) |
Đầm Sam – Thủy Tú ($T^o$ / pH / Độ muối / Độ đục) |
Đầm Cầu Hai ($T^o$ / pH / Độ muối / Độ đục) |
| T6/2004 |
30,8 / 7,58 / 4,0 / 35 |
32,9 / 7,74 / 15,6 / 7 |
33,1 / 8,10 / 14,7 / 9 |
| T9/2005 |
30,2 / 6,88 / 0,5 / 29 |
30,5 / 7,25 / 11,0 / 4 |
29,9 / 7,14 / 13,0 / 5 |
| T4/2006 |
27,4 / 7,60 / 7,0 / - |
29,3 / 8,30 / 17,0 / - |
29,9 / 8,40 / 14,0 / - |
| T11/2006 |
30,4 / 7,80 / 4,5 / - |
29,1 / 8,10 / 12,0 / - |
32,0 / 8,10 / 18,3 / - |
| T6/2008 |
31,55 / 7,44 / 16,3 / 22 |
30,43 / 8,39 / 15,0 / 22 |
32,57 / 8,52 / 13,5 / 20 |
| T4/2009 |
29,7 / 7,95 / 25,7 / 36 |
29,2 / 7,61 / 23,5 / 23 |
30,4 / 7,86 / 21,0 / 23 |
| T9/2009 |
26,9 / 7,61 / 1,0 / 29 |
28,2 / 7,92 / 3,0 / 29 |
29,7 / 7,79 / 3,5 / 30 |
| Mùa khô 2009 |
32,2 / 7,90 / - / - |
31,1 / 8,00 / - / - |
31,5 / 8,10 / - / - |
| Mùa mưa 2009 |
26,1 / 7,50 / - / - |
26,2 / 7,80 / - / - |
26,2 / 7,80 / - / - |
| T11/2011 |
24,68 / 7,84 / 5,8 / 10 |
24,08 / 8,23 / 6,2 / 15 |
24,02 / 7,16 / 2,0 / 15 |
| T5/2012 |
30,8 / 8,03 / 18,0 / 9 |
30,43 / 8,26 / 31,7 / 11 |
32,38 / 8,40 / 18,1 / 12 |
Bảng: Đặc điểm môi trường nước hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai giai đoạn 2004–2012 ($T^o$: $^oC$, Độ muối: ‰, Độ đục: FTU) (Nguồn: Bảng 1.2 trong luận án).
| Thời gian khảo sát |
Phá Tam Giang (DO / BOD5 / COD) |
Đầm Sam – Thủy Tú (DO / BOD5 / COD) |
Đầm Cầu Hai (DO / BOD5 / COD) |
| T6/2004 |
7,01 / 1,02 / 2,50 |
6,24 / 1,40 / 5,01 |
6,47 / 1,42 / 4,40 |
| T9/2005 |
7,95 / 1,15 / 4,89 |
7,80 / 0,82 / 5,36 |
7,61 / 1,74 / 5,53 |
| T4/2006 |
6,90 / 0,72 / 5,50 |
7,20 / 1,47 / 6,00 |
6,70 / 0,98 / 6,60 |
| T11/2006 |
6,40 / 0,50 / 6,00 |
6,20 / 0,50 / 5,00 |
6,10 / 0,40 / 5,00 |
| T6/2008 |
6,76 / 1,88 / 4,71 |
7,04 / 1,45 / 3,85 |
6,69 / 1,20 / 3,69 |
| T4/2009 |
5,82 / 2,23 / 3,68 |
4,70 / 2,62 / 6,93 |
7,13 / 1,83 / 3,88 |
| T9/2009 |
5,94 / 5,34 / 6,81 |
5,92 / 3,65 / 10,72 |
5,84 / 4,24 / 8,09 |
| Mùa khô 2009 |
6,40 / - / 18,10 |
5,95 / - / 15,80 |
5,70 / - / 21,10 |
| Mùa mưa 2009 |
7,70 / - / 6,20 |
8,40 / - / 8,00 |
7,90 / - / 10,10 |
| T11/2011 |
7,57 / 3,47 / 9,15 |
5,33 / 5,33 / 12,03 |
6,30 / 5,20 / 19,69 |
| T5/2012 |
7,22 / 3,98 / 10,61 |
5,40 / 4,20 / 9,07 |
5,60 / 3,85 / 11,41 |
| QCVN 08, 10:2015 |
$\ge 5$ / $\le 6$ / $\le 15$ |
$\ge 5$ / $\le 6$ / $\le 15$ |
$\ge 5$ / $\le 6$ / $\le 15$ |
Bảng: Nồng độ oxy hòa tan và nhu cầu oxy trong nước đầm phá Tam Giang – Cầu Hai (mg/l) (Nguồn: Bảng 1.4 trong luận án).
| Thời gian |
Tam Giang (NO2- / NO3- / NH4+ / PO43-) |
Thủy Tú (NO2- / NO3- / NH4+ / PO43-) |
Cầu Hai (NO2- / NO3- / NH4+ / PO43-) |
| T6/2004 |
12,1 / 120,8 / 90,1 / 7,3 |
7,2 / 100,2 / 91,0 / 6,3 |
6,6 / 88,5 / 63,8 / 5,2 |
| T9/2005 |
6,7 / 147,1 / 90,3 / 14,4 |
8,2 / 132,0 / 81,4 / 34,1 |
7,3 / 111,7 / 85,2 / 27,0 |
| T4/2006 |
<10 / 140,0 / 45,0 / 27,0 |
<10 / 50,0 / 40,0 / 28,0 |
<10 / 50,0 / 95,0 / 16,0 |
| T11/2006 |
60,0 / 20,0 / 15,0 / - |
50,0 / 20,0 / 16,0 / - |
50,0 / 20,0 / 10,0 / - |
| T6/2008 |
18,4 / 128,0 / 76,0 / 33,5 |
16,39 / 109,5 / 40,2 / 27,0 |
14,46 / 112,7 / 59,8 / 28,8 |
| T4/2009 |
17,6 / 146,8 / 33,2 / 12,9 |
17,68 / 171,1 / 38,2 / 12,2 |
19,02 / 164,1 / 36,6 / 9,9 |
| T9/2009 |
10,4 / 196,9 / 112,5 / 44,1 |
12,28 / 204,2 / 24,2 / 35,9 |
6,99 / 187,6 / 17,1 / 26,3 |
| Mùa khô 2009 |
310,0 / 30,0 / 10,0 / - |
165,0 / 25,0 / 10,0 / - |
150,0 / 20,0 / 10,0 / - |
| Mùa mưa 2009 |
880,0 / 240,0 / 5,0 / - |
865,0 / 190,0 / 4,0 / - |
730,0 / 180,0 / 4,0 / - |
| T11/2011 |
12,7 / 121,2 / 71,2 / 25,67 |
11,58 / 116,4 / 87,15 / 24,47 |
17,95 / 165,9 / 97,65 / 28,92 |
| T5/2012 |
11,2 / 123,7 / 81,7 / 24,88 |
10,49 / 113,2 / 69,10 / 22,62 |
11,53 / 113,1 / 68,79 / 22,21 |
Bảng: Nồng độ một số chất dinh dưỡng khoáng ($\mu$g/l) trong nước đầm phá Tam Giang – Cầu Hai (Nguồn: Bảng 1.5 trong luận án).
Nồng độ dầu mỡ vượt giới hạn (0,19–0,87 mg/l). Các kim loại nặng (Cu: 2,5–12,21 $\mu$g/l; Pb: 5–18 $\mu$g/l; Zn: 5,75–59,9 $\mu$g/l; Cd: 0,54–6,55 $\mu$g/l; As: 0,01–8,73 $\mu$g/l; Hg: 0,01–1,32 $\mu$g/l) và 7 hợp chất bảo vệ thực vật cơ clo đều nằm trong giới hạn cho phép của QCVN 10-MT:2015/BTNMT.
Chương II: Phương pháp nghiên cứu
Chương II thiết lập quy trình tính toán tải lượng thải và triển khai mô hình Delft-3D:
- Tính toán tải lượng ô nhiễm phát sinh và đưa vào đầm phá: Xác định tải lượng cho 5 nguồn ô nhiễm:
- Nước thải sinh hoạt từ dân cư đô thị, nông thôn và khách du lịch.
- Nước thải công nghiệp từ các cụm công nghiệp và làng nghề.
- Chất thải chăn nuôi (hệ số phát thải theo gia súc, gia cầm).
- Chất thải nuôi trồng thủy sản (nuôi chuyên canh, quảng canh cải tiến).
- Ô nhiễm do rửa trôi đất bề mặt trong các ngày mưa theo diện tích lưu vực sông đổ vào đầm phá.
- Thiết lập mô hình thủy động lực (Delft3D-FLOW):
- Xây dựng lưới tính cong trực giao bao phủ toàn bộ diện tích đầm phá Tam Giang – Cầu Hai và hai cửa biển Thuận An, Tư Hiền.
- Thiết lập trường độ sâu thực tế từ dữ liệu đo đạc địa hình đáy.
- Thiết lập điều kiện biên hở phía biển (dao động mực nước triều) và biên sông (lưu lượng nước các sông Ô Lâu, sông Hương, sông Truồi...).
- Hiệu chỉnh các thông số: hệ số nhám đáy Manning ($n$), hệ số nhớt phân tử theo phương ngang ($\nu_H$), và hệ số khuếch tán ngang ($D_H$).
- Thiết lập mô hình chất lượng nước (Delft3D-WAQ):
- Đưa vào các vị trí điểm xả thải thực tế dọc ven bờ và các cửa sông.
- Thiết lập điều kiện biên chất lượng nước cho các chất DO, BOD5, COD, amoni ($N\text{-}NH_4^+ + NH_3$), nitrat ($N\text{-}NO_3^-$), và phosphat ($P\text{-}PO_4^{3-}$).
- Mô phỏng các quá trình phản ứng sinh địa hóa: tiêu thụ oxy bởi BOD và COD, quá trình nitrat hóa amoni thành nitrat, quá trình tiêu thụ/giải phóng phosphat, và nhu cầu oxy đáy/trầm tích (SOD).
Chương III: Kết quả và bàn luận
Chương III trình bày toàn bộ kết quả tính toán tải lượng, hiệu chỉnh mô hình, mô phỏng các kịch bản và tính toán sức tải môi trường:
1. Tải lượng chất ô nhiễm phát sinh và đưa vào đầm phá:
- Tính toán chi tiết lượng phát sinh từ sinh hoạt, công nghiệp, chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản và rửa trôi đất cho năm cơ sở 2011, dự báo cho các năm 2020 và 2030.
- Xác định tổng tải lượng ô nhiễm C, N, P thực tế đổ vào hệ đầm phá theo các lưu vực nhánh.
2. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Delft-3D:
- Mô hình thủy động lực: Kết quả so sánh giữa mô phỏng và quan trắc đạt độ tương thích cao.
- Vận tốc dòng chảy theo phương ngang ($U$) trong mùa mưa: sai số tương đối $RSE = 0,0046$, hệ số xác định $R^2 = 0,696$.
- Vận tốc dòng chảy theo phương thẳng đứng ($V$) trong mùa khô: sai số tương đối $RSE = 0,0042$, hệ số xác định $R^2 = 0,690$.
- Mô hình chất lượng nước: Sai số giữa mô hình và số liệu quan trắc thực nghiệm các ngày 25–26/11/2011 (mùa mưa) và 19–20/5/2012 (mùa khô) đối với các thông số DO, BOD, COD, $N\text{-}NH_4^+$, $N\text{-}NO_3^-$, $P\text{-}PO_4^{3-}$ nằm trong giới hạn sai số cho phép. Mô hình được kiểm chứng bổ sung bằng dữ liệu quan trắc tháng 4/2017 tại đầm Cầu Hai.
3. Kết quả mô phỏng chất lượng nước theo các kịch bản:
- Kịch bản cơ sở (2011–2012): Tái hiện trường nồng độ oxy hòa tan, BOD5, COD, muối amoni, nitrat và phosphat trong các pha triều lên/xuống vào mùa mưa và mùa khô. Nồng độ chất ô hữu cơ và dinh dưỡng có xu hướng tích tụ cao hơn ở các khu vực kín gió, ít trao đổi nước như đầm Sam – Thủy Tú và vùng đáy đầm Cầu Hai.
- Kịch bản phát triển năm 2020 và 2030: Mô phỏng theo kịch bản thấp (tốc độ phát triển kinh tế vừa phải, có xử lý nước thải), kịch bản cao (tốc độ phát triển nhanh, tỷ lệ thu gom/xử lý chất thải thấp), và kịch bản đột xuất (sự cố xả thải hoặc ngập lụt cực đoan) vào thời điểm triều xuống mùa mưa và mùa khô.
4. Kết quả tính toán sức tải môi trường (STMT):
- Sức tải theo quy chuẩn Việt Nam: Tính toán trên cơ sở giới hạn nồng độ cho phép của QCVN 10-MT:2015/BTNMT (nước biển ven bờ, bảo vệ thủy sinh) và QCVN 08-MT:2015/BTNMT (nước mặt).
- Sức tải tối đa (kịch bản nguy hiểm): Xác định ngưỡng tải lượng giới hạn mà vượt qua mức đó, hệ sinh thái đầm phá sẽ bị suy thoái hoàn toàn chức năng tự làm sạch, dẫn tới thiếu hụt DO nghiêm trọng.
- Đề xuất mức sức tải môi trường phù hợp: Đưa ra bảng giá trị giới hạn nồng độ và tổng tải lượng xả thải tối đa hàng ngày/hàng năm cho các hợp chất BOD5, COD, tổng Nitơ và tổng Phốt pho nhằm bảo vệ đời sống động thực vật thủy sinh đầm phá.
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:
- Đã hệ thống hóa và hoàn thiện phương pháp luận đánh giá sức chịu tải môi trường cho một thủy vực đầm phá ven bờ tại Việt Nam bằng việc kết hợp giữa phương pháp điều tra tải lượng nguồn thải lục địa và mô hình số trị động lực học chất lượng nước 3 chiều (Delft-3D).
- Xác lập được bộ thông số động học phản ứng sinh hóa, hệ số nhám đáy Manning và hệ số khuếch tán đặc thù cho hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai, phục vụ mô phỏng quá trình lan truyền các hợp chất Cacbon, Nitơ và Phốt pho.
Những đóng góp về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất:
- Cung cấp bộ số liệu định lượng về tải lượng ô nhiễm phát sinh từ 5 nguồn thải (sinh hoạt, công nghiệp, chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản, rửa trôi đất) năm 2011 và dự báo cho các mốc năm 2020, 2030 trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế.
- Xác định định lượng ngưỡng sức tải môi trường của hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai đối với các thông số BOD5, COD, $N\text{-}NH_4^+$, $N\text{-}NO_3^-$, $P\text{-}PO_4^{3-}$ theo các ngưỡng QCVN và khả năng tự làm sạch tự nhiên.
- Đề xuất các ngưỡng nồng độ và tải lượng thải an toàn phục vụ công tác cấp phép xả thải, quy hoạch không gian nuôi trồng thủy sản, và kiểm soát nguồn thải bảo vệ hệ sinh thái đầm phá.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Luận án tập trung đánh giá sức tải đối với các thông số ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng chính (C, N, P), chưa lượng hóa chi tiết chu trình lan truyền và tích lũy của các kim loại nặng, hóa chất bảo vệ thực vật cơ clo trong trầm tích đáy sâu do hạn chế về nguồn số liệu quan trắc định kỳ; chuỗi dữ liệu thực nghiệm kiểm chứng mô hình WAQ tập trung chủ yếu vào các đợt khảo sát điển hình các năm 2011, 2012 và tháng 4/2017.
- Hướng nghiên cứu tiếp: Tiếp tục cập nhật chuỗi số liệu quan trắc chất lượng nước và biến động kinh tế – xã hội sau năm 2020; mở rộng nghiên cứu tương tác giữa chất lượng nước và trầm tích đáy (SOD, hấp phụ - giải phóng lân); tích hợp tác động của biến đổi khí hậu, nước biển dâng và các công trình thủy lợi, đập thủy điện thượng nguồn sông Hương đến chế độ thủy động lực và sức tải đầm phá.
Giá trị tham khảo
- Đối với công tác nghiên cứu và đào tạo: Là tài liệu tham khảo cho nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên và giảng viên thuộc các chuyên ngành Kĩ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường, Hải dương học, Thủy văn và Quản lý Tài nguyên Nước. Phần phương pháp thiết lập lưới tính, điều kiện biên và quy trình hiệu chỉnh mô hình Delft-3D có giá trị áp dụng cho các thủy vực ven bờ khác.
- Đối với các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học cho Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thừa Thiên Huế, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Ban Quản lý Đầm phá trong việc phân bổ hạn ngạch xả thải, cấp phép nguồn nước, kiểm soát mật độ lồng bè nuôi trồng thủy sản và xây dựng kế hoạch bảo vệ môi trường đầm phá Tam Giang – Cầu Hai.
Câu hỏi thường gặp
1. Khái niệm sức tải môi trường trong luận án được tiếp cận theo cơ sở nào?
Luận án tiếp cận sức tải môi trường theo định nghĩa của Nhóm chuyên gia về khoa học ô nhiễm biển (GESAMP, 1986), xem sức tải là khả năng tiếp nhận chất thải của thủy vực mà không gây tác động bất lợi đến hệ sinh thái, gắn liền với khả năng tự làm sạch tự nhiên và thời gian lưu chuyển nước của đầm phá.
2. Luận án sử dụng công cụ mô hình hóa nào để tính toán sức tải và lan truyền chất ô nhiễm?
Luận án sử dụng bộ mô hình toán học Delft-3D gồm hai module: Delft3D-FLOW (mô phỏng thủy động lực học, trường dòng chảy, mực nước) và Delft3D-WAQ (mô phỏng lan truyền, biến đổi sinh thái và chất lượng nước đối với các chất C, N, P).
3. Các nguồn thải nào được tính toán tải lượng phát sinh đổ vào đầm phá Tam Giang – Cầu Hai?
Luận án phân tích và tính toán tải lượng ô nhiễm từ 5 nguồn chính: nước thải sinh hoạt (dân cư ven đầm phá và khách du lịch), nước thải sản xuất công nghiệp, chất thải chăn nuôi gia súc – gia cầm, chất thải nuôi trồng thủy sản, và tải lượng ô nhiễm do rửa trôi bề mặt lưu vực khi có mưa.
4. Độ chính xác trong hiệu chỉnh mô hình thủy động lực của luận án đạt kết quả như thế nào?
Kết quả hiệu chỉnh trường vận tốc dòng chảy giữa mô hình và số liệu quan trắc thực nghiệm đạt mức sai số tương đối $RSE = 0,0046$, hệ số xác định $R^2 = 0,696$ đối với thành phần vận tốc ngang $U$ (mùa mưa) và $RSE = 0,0042$, $R^2 = 0,690$ đối với thành phần vận tốc thẳng đứng $V$ (mùa khô).
5. Các kịch bản mô phỏng lan truyền chất lượng nước được xây dựng cho các mốc thời gian nào?
Các kịch bản mô phỏng được xây dựng gồm: kịch bản cơ sở (năm 2011–2012), kịch bản thấp và kịch bản cao cho các năm dự báo 2020 và 2030, cùng các kịch bản xả thải đột xuất vào thời điểm triều xuống mùa mưa và triều xuống mùa khô.
Kết luận
Luận án tiến sĩ kĩ thuật của tác giả Cao Thị Thu Trang đã giải quyết vấn đề đánh giá sức tải môi trường đối với các hợp chất Cacbon, Nitơ và Phốt pho tại hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai thông qua việc tích hợp tính toán cân bằng tải lượng nguồn thải và ứng dụng mô hình số trị Delft-3D. Công trình đã làm rõ hiện trạng phân bố các chất ô nhiễm, xác định các thông số động lực học, mô phỏng các kịch bản phát triển đến năm 2020 và 2030, đồng thời định lượng sức chịu tải theo quy chuẩn Việt Nam và khả năng tự làm sạch tự nhiên. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học trực tiếp cho công tác kiểm soát nguồn ô nhiễm lục địa và quản lý môi trường bền vững vùng đầm phá ven bờ tỉnh Thừa Thiên Huế.
