Luận án tiến sĩ kỹ thuật 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

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu đánh giá sức tải môi trường tại đầm phá Tam Giang - Cầu Hai, tỉnh Thừa Thiên Huế, tập trung vào các yếu tố C, N, P, K.

• Tác giả: Cao Thị Thu Trang
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Thành
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kĩ thuật môi trường
• Đề tài: Đánh giá sức tải môi trường đầm phá Tam Giang - Cầu Hai, Thừa Thiên Huế
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về sức tải môi trường
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Khu vực nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phương pháp điều tra, khảo sát
• 2.2.2. Kỹ thuật thu mẫu, bảo quản mẫu
• 2.2.3. Kỹ thuật đo đạc, phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm
• 2.2.4. Phương pháp tính tải lượng thải
• 2.2.4.1. Tính toán lượng thải phát sinh
• 2.2.4.2. Ước tính tải lượng ô nhiễm đưa vào khu vực đầm phá Tam Giang - Cầu Hai
• 2.2.5. Phương pháp mô hình hóa
• 2.3. Cơ sở lý thuyết của mô hình Delft - 3D
• 2.4. Triển khai mô hình Delft 3D mô phỏng chất lượng nước hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai và tính toán sức tải môi trường
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Tính toán lượng chất thải đưa vào đầm phá Tam Giang - Cầu Hai
• 3.1.1. Tính toán lượng chất thải phát sinh từ các nguồn khu vực đầm phá Tam Giang – Cầu Hai thời điểm năm 2011 và dự báo năm 2020, 2030
• 3.1.2. Tải lượng thải C, N, P đưa vào vùng đầm phá: năm 2011 và dự báo năm 2020, 2030
• 3.2. Hiệu chỉnh mô hình
• 3.2.1. Mô hình thủy động lực
• 3.2.2. Mô hình chất lượng nước
• 3.3. Mô phỏng chất lượng nước theo các kịch bản
• 3.3.1. Các kịch bản mô phỏng
• 3.3.2. Mô phỏng chất lượng nước đầm phá Tam Giang – Cầu Hai thời điểm năm 2011 – 2012
• 3.3.2.1. Nồng độ oxy hòa tan
• 3.3.2.2. Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5)
• 3.3.2.3. Nhu cầu oxy hóa học (COD)
• 3.3.2.4. Nồng độ muối amoni (N-NH4++NH3)
• 3.3.2.5. Nồng độ muối nitrat (N-NO3-)
• 3.3.2.6. Nồng độ muối phosphat (P-PO43-)
• 3.3.3. Kịch bản thấp 2020
• 3.3.4. Kịch bản cao 2020
• 3.3.5. Kịch bản thấp 2030
• 3.3.6. Kịch bản cao 2030
• 3.3.7. Kịch bản đột xuất 2020
• 3.3.8. Kịch bản đột xuất 2030
• 3.3.9. Tính toán sức tải môi trường khu vực đầm phá Tam Giang – Cầu Hai đối với các hợp chất của C, N và P
• 3.4. Sức chịu tải môi trường trên cơ sở quy chuẩn Việt Nam (QCVN 10-MT:2015/BTNMT và QCVN 08-MT:2015/BTNMT)
• 3.5. Sức chịu tải tối đa hay kịch bản nguy hiểm. Đề xuất mức sức tải môi trường phù hợp
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về sức tải môi trường

Sức tải môi trường (STMT) là một khái niệm quan trọng trong khoa học môi trường, được phát triển từ cuối những năm 1980. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định khả năng chịu tải của các hệ sinh thái tự nhiên, đặc biệt là các thủy vực như đầm phá, sông, hồ. Đầm phá Tam Giang - Cầu Hai là một hệ thống đầm phá lớn nhất ở Việt Nam, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì đa dạng sinh học và các hoạt động kinh tế - xã hội. Tuy nhiên, sự gia tăng các nguồn thải từ hoạt động nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt đã đặt ra thách thức lớn đối với sức tải môi trường của hệ thống này. Nghiên cứu này nhằm đánh giá khả năng chịu tải của đầm phá đối với các chất ô nhiễm như C, N, P, từ đó đề xuất các giải pháp quản lý bền vững.

1.1. Khái niệm và phương pháp đánh giá sức tải

Sức tải môi trường được định nghĩa là khả năng tối đa mà một hệ sinh thái có thể chịu đựng các tác động từ bên ngoài mà không bị suy thoái. Để đánh giá sức tải môi trường, các phương pháp mô hình hóa như Delft-3D được sử dụng để mô phỏng sự lan truyền của các chất ô nhiễm trong hệ thống đầm phá. Nghiên cứu này cũng tập trung vào việc xác định các nguồn thải chính, bao gồm nước thải sinh hoạt, nông nghiệp và công nghiệp, từ đó tính toán tải lượng ô nhiễm đưa vào hệ thống.

1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới, các nghiên cứu về sức tải môi trường đã được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như nuôi trồng thủy sản, quản lý nguồn thải và bảo vệ môi trường. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về đầm phá Tam Giang - Cầu Hai đã được thực hiện từ những năm 2000, tập trung vào đánh giá chất lượng nước và đa dạng sinh học. Tuy nhiên, việc áp dụng các phương pháp mô hình hóa để đánh giá sức tải môi trường vẫn còn hạn chế. Nghiên cứu này đóng góp vào việc hệ thống hóa phương pháp đánh giá sức tải môi trường cho các thủy vực ven biển tại Việt Nam.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp tổng hợp từ các tài liệu đã công bố, kết hợp với điều tra thực địa và mô hình hóa. Các dữ liệu về chất lượng nước, tải lượng ô nhiễm và đặc điểm thủy động lực của đầm phá Tam Giang - Cầu Hai được thu thập và phân tích. Phương pháp mô hình hóa Delft-3D được áp dụng để mô phỏng sự lan truyền của các chất ô nhiễm trong hệ thống đầm phá, từ đó tính toán sức tải môi trường.

2.1. Thu thập và phân tích dữ liệu

Các dữ liệu về chất lượng nước, tải lượng ô nhiễm và đặc điểm thủy động lực của đầm phá Tam Giang - Cầu Hai được thu thập từ các nguồn khác nhau, bao gồm các báo cáo nghiên cứu, dữ liệu thực địa và các dự án liên quan. Các mẫu nước được thu thập và phân tích trong phòng thí nghiệm để xác định nồng độ các chất ô nhiễm như BOD5, COD, N-NH4+, N-NO3- và P-PO43-.

2.2. Mô hình hóa và tính toán sức tải

Phương pháp mô hình hóa Delft-3D được sử dụng để mô phỏng sự lan truyền của các chất ô nhiễm trong hệ thống đầm phá. Mô hình này cho phép tính toán sức tải môi trường dựa trên các kịch bản phát triển kinh tế - xã hội đến năm 2020 và 2030. Các kịch bản bao gồm kịch bản thấp, kịch bản cao và kịch bản đột xuất, từ đó đưa ra các đề xuất quản lý phù hợp.

III. Kết quả và bàn luận

Nghiên cứu đã xác định được các nguồn thải chính đưa vào đầm phá Tam Giang - Cầu Hai, bao gồm nước thải sinh hoạt, nông nghiệp và công nghiệp. Tải lượng ô nhiễm từ các nguồn này được tính toán và dự báo đến năm 2020 và 2030. Kết quả mô hình hóa cho thấy, nếu không có các biện pháp quản lý hiệu quả, sức tải môi trường của hệ thống đầm phá sẽ bị vượt quá, dẫn đến suy thoái chất lượng nước và đa dạng sinh học.

3.1. Tính toán tải lượng ô nhiễm

Tải lượng ô nhiễm từ các nguồn thải sinh hoạt, nông nghiệp và công nghiệp được tính toán dựa trên các hệ số phát thải và dữ liệu thực địa. Kết quả cho thấy, tải lượng ô nhiễm đưa vào đầm phá Tam Giang - Cầu Hai đang có xu hướng gia tăng, đặc biệt là các chất hữu cơ và dinh dưỡng như BOD5, COD, N-NH4+ và P-PO43-.

3.2. Đề xuất quản lý và bảo vệ môi trường

Dựa trên kết quả nghiên cứu, các đề xuất quản lý và bảo vệ môi trường được đưa ra, bao gồm việc kiểm soát các nguồn thải, tăng cường giám sát chất lượng nước và áp dụng các biện pháp phục hồi hệ sinh thái. Các kịch bản mô phỏng cũng cho thấy, việc áp dụng các biện pháp quản lý hiệu quả có thể giúp duy trì sức tải môi trường của hệ thống đầm phá trong giới hạn cho phép.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai (tỉnh Thừa Thiên Huế) là hệ đầm phá ven bờ lớn nhất khu vực Đông Nam Á với diện tích mặt nước khoảng 216 $\text{km}^2$, chiều dài trải dài 68 km dọc bờ biển và là nơi cư trú của gần 1.000 loài động thực vật thủy sinh có giá trị kinh tế cao (Trần Đức Thạnh, 1985; Nguyễn Huy Yết, 2011). Tuy nhiên, áp lực nhân sinh từ 5 huyện/thị xã phụ cận (Phong Điền, Quảng Điền, Hương Trà, Phú Vang, Phú Lộc) với quy mô dân số 615.946 người (mật độ 232 người/$\text{km}^2$), sự bùng nổ diện tích nuôi trồng thủy sản (NTTS) từ 2.200 ha năm 2000 lên 7.175 ha năm 2016, cùng tổng đàn gia súc gia cầm đạt 22,4 nghìn con trâu, 33,6 nghìn con bò, 205,6 nghìn con lợn và 2,7 triệu con gia cầm đã tạo ra lưu lượng xả thải hữu cơ, dinh dưỡng khổng lồ đưa vào thủy vực.

Khoảng trống nghiên cứu (Research Gap) cốt lõi trước công trình này là sự thiếu vắng một công cụ định lượng tích hợp cơ chế thủy động lực học 3 chiều với các quá trình chuyển hóa sinh địa hóa (C, N, P) để xác định giới hạn chịu tải môi trường (Environmental Carrying Capacity - ECC) cho toàn bộ hệ thống đầm phá. Các nghiên cứu trước đây (Nguyễn Hữu Cử, 2006; IMOLA, 2008) chủ yếu dừng lại ở mức độ quan trắc hiện trạng tĩnh hoặc đánh giá cục bộ từng tiểu vùng sinh thái (như đầm Sam Chuồn) mà chưa thiết lập được ngưỡng xả thải tối đa theo các kịch bản động học đa thời gian.

Công trình khoa học của NCS. Cao Thị Thu Trang thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) dưới sự hướng dẫn của TS. Trịnh Thành và GS.TS. Trần Đức Thạnh đã giải quyết triệt để bài toán này. Nghiên cứu tập trung vào 3 câu hỏi nghiên cứu chính:

1. Tổng tải lượng ô nhiễm các hợp chất hữu cơ và dinh dưỡng (BOD, COD, N, P) phát sinh từ các nguồn lục địa và nội vực đổ vào hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai là bao nhiêu ở thời điểm cơ sở (2011-2012) và dự báo đến năm 2020, 2030?
2. Cơ chế thủy động lực học, quá trình trao đổi nước qua hai cửa biển Thuận An - Tư Hiền và các quá trình tự làm sạch sinh - lý - hóa chi phối trường nồng độ các chất ô nhiễm diễn ra như thế nào trong các điều kiện thủy văn đối lập (mùa mưa và mùa khô)?
3. Ngưỡng sức tải môi trường tối đa và sức tải đề xuất bền vững của hệ đầm phá đối với các thông số C, N, P là bao nhiêu nhằm bảo vệ hệ sinh thái thủy sinh và đáp ứng Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia (QCVN 08-MT:2015/BTNMT, QCVN 10-MT:2015/BTNMT)?

Hệ thống giả thuyết nghiên cứu gồm:

• $H_1$: Khả năng tự làm sạch và sức chịu tải môi trường của hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai phân hóa sâu sắc theo không gian (Tam Giang, Thủy Tú, Cầu Hai) và thời gian (mùa mưa lũ so với mùa kiệt), phụ thuộc chặt chẽ vào cấu trúc dòng chảy và chu kỳ triều tại các cửa mở.
• $H_2$: Tải lượng ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng dự báo theo kịch bản phát triển kinh tế - xã hội năm 2020 và 2030 sẽ vượt quá khả năng đồng hóa tự nhiên của hệ thống nếu không kiểm soát nguồn thải phân tán từ NTTS và sinh hoạt.
• $H_3$: Việc áp dụng công cụ mô hình hóa số trị Delft-3D tích hợp mô-đun thủy động lực học (FLOW) và chất lượng nước (WAQ) cho phép xác định chính xác tổng tải lượng cho phép tiếp nhận hàng ngày (TMDL) theo từng phân vùng chức năng.

Khung lý thuyết của luận án được xây dựng dựa trên sự tích hợp giữa lý thuyết cân bằng vật chất bảo toàn khối lượng trong thủy vực (Vlađimirov), nguyên lý sức tải môi trường biển của Nhóm chuyên gia GESAMP (1986) và lý thuyết động thái thủy động lực học - sinh thái đầm phá ven bờ (Estuarine and Coastal Hydrodynamics & Water Quality). Đóng góp đột phá của công trình là lượng hóa được sức tải môi trường cho 5 thông số ô nhiễm chính ($\text{BOD}_5$, $\text{COD}$, $\text{N-NH}_4^+$, $\text{N-NO}_3^-$, $\text{P-PO}_4^{3-}$), xác định chính xác tỷ lệ trao đổi nước ngày đêm giữa ba phân vùng Tam Giang - Thủy Tú - Cầu Hai, cung cấp cơ sở dữ liệu số trị đáng tin cậy phục vụ quy hoạch không gian biển và quản lý tích hợp vùng bờ tỉnh Thừa Thiên Huế.

Literature Review và Positioning

Nghiên cứu về sức tải môi trường (ECC) trên thế giới đã trải qua hơn ba thập kỷ tiến hóa với các luồng tư tưởng học thuật chính:

Luồng nghiên cứu thứ nhất tập trung vào mô hình sinh địa hóa - dinh dưỡng phục vụ xác định mật độ nuôi trồng tối đa trong NTTS. Điển hình là các công trình của Duarte và cs (2003), Paul Shin (2003), Brigolin và cs (2008), Ramón và cs (2010), Carrie Byron và cs (2011), Lotta và cs (2016). Các tác giả này ứng dụng mô hình tương tác giữa sinh khối loài hai mảnh vỏ, động học oxy hòa tan và chu trình vật chất để xác định sức tải sinh thái (Ecological carrying capacity). Tiêu biểu như nghiên cứu của Nakata và cs (1983) và mô hình HEM-3D tại vịnh Goseung (Hàn Quốc) xác định mật độ thả nghêu tối ưu là 16 cá thể/$\text{m}^3$ tương ứng sức tải 1.500 tấn thịt; hay nghiên cứu của vịnh Hiroshima (Nhật Bản) chứng minh để nuôi ngao bền vững thì tải lượng photpho tổng từ sông Ohta phải kiểm soát ở mức 0,5 tấn/ngày (Furuya, 2003).

Luồng nghiên cứu thứ hai tiếp cận theo phương pháp Tổng tải lượng xả thải tối đa hàng ngày (Total Maximum Daily Load - TMDL) kết hợp mô hình số trị thủy động lực học 3D. Hướng tiếp cận này khởi nguồn từ định nghĩa của GESAMP (1986): "Sức tải môi trường là một tài sản của môi trường và được xác định như khả năng chứa đựng các hoạt động hay là tốc độ các hoạt động... mà không có các tác động bất lợi". Nhóm tác giả Chang Hee-Lee (2003) tại hồ Shihwa (Hàn Quốc), Ayeon Lee và cs (2013) tại lưu vực Anyangcheon, Boyacioglu và Alpaslan (2008) tại Thổ Nhĩ Kỳ, và đặc biệt là chuỗi nghiên cứu tại Trung Quốc như Li KeQiang và cs (2012, 2014) tại vịnh Jiaozhou và vịnh Jinzhou, Zhao và cs (2012, 2015) tại hồ Fuxian và vịnh Quanzhou, Enhui và cs (2013) tại vịnh Hạ Môn đã chuẩn hóa quy trình phân bổ tải lượng ô nhiễm cho phép dựa trên mô hình mô phỏng lan truyền chất.

Luồng nghiên cứu thứ ba phát triển hệ thống chỉ số tích hợp (AHP - Analytic Hierarchy Process) đánh giá sức tải tổng hợp vùng ven biển (Yongquan Yin, 2010; Shuping Wang, 2017; Meriem Naimi Ait-Aoudia và cs, 2016). Han Mei và cs (2010) đã tổng hợp và phân loại sức tải môi trường nước thành 4 nhóm bản chất, nhấn mạnh mối quan hệ tương hỗ giữa khả năng tự làm sạch tự nhiên và các tiêu chuẩn môi trường mục tiêu.

Trong bức tranh tổng quan đó, tranh luận học thuật nổi bật nằm ở mâu thuẫn giữa hai trường phái: Trường phái tiếp cận tĩnh dựa trên công thức dung tích lưu giữ của GESAMP ($EC_{max} = (C_{tiêu\ chuẩn} - C_{hiện\ tại}) \cdot V / \tau$) và trường phái tiếp cận động lực học số trị 3D. Nhược điểm lớn của cách tiếp cận GESAMP cổ điển là bỏ qua tính dị hướng của trường dòng chảy, sự biến thiên nồng độ theo thời gian thực và các phản ứng sinh hóa nội sinh phức tạp.

Luận án này định vị chính xác vào khoảng trống học thuật: Ứng dụng mô hình toán thủy động lực học phi tuyến Delft-3D kết hợp trường số liệu khảo sát thực địa chi tiết để mô phỏng sự lan truyền và phân rã các hợp chất $\text{C, N, P}$ trong một thủy vực đầm phá ven bờ nhiệt đới gió mùa có hình thái luồng lạch phức tạp và hai cửa biển trao đổi nước không đối xứng (cửa Thuận An và cửa Tư Hiền). So với các nghiên cứu quốc tế tại hồ Fuxian (Trung Quốc) hay hồ Shihwa (Hàn Quốc), hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai có độ nông trung bình nhỏ (1,5 - 2m), cấu trúc bồi lắng luồng lạch phân nhánh mạnh và biên độ triều thấp (35 - 50 cm tại Thuận An), tạo ra thách thức tính toán thủy động lực học cao hơn đáng kể.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đã mở rộng và làm sâu sắc thêm lý thuyết bảo toàn khối lượng và cân bằng chất ô nhiễm trong thủy vực ven biển của Vlađimirov:

$$\Delta C = C_{vào} - C_{ra}$$

"Ở đây $\Delta C$ là gia lượng nồng độ chất ô nhiễm sau thời gian $t$, $C_{vào}$ là phát thải chất ô nhiễm vào thủy vực... và $C_{ra}$ là lượng chất ô nhiễm ra khỏi thủy vực trong thời gian $t$... Sự bảo tồn trạng thái bình thường của môi trường biển đòi hỏi phải thỏa mãn những điều kiện hạn chế: $0 < C \le \text{NĐTHCP}$ và $\Delta C < 0$" (Vlađimirov).

Luận án đóng góp vào lý thuyết sức tải môi trường qua các luận điểm then chốt:

1. Lý thuyết phân hóa sức tải đa tầng: Luận án chứng minh rằng sức tải môi trường không phải là một giá trị hằng số cố định cho toàn bộ thủy vực, mà là một trường không gian biến thiên phụ thuộc vào "tỷ lệ trao đổi nước cục bộ" và "thời gian lưu giữ thủy lực". Khả năng đồng hóa chất ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng của đầm Tam Giang cao gấp nhiều lần đầm Cầu Hai do tiếp giáp trực tiếp với cửa mở Thuận An và nguồn bổ cập từ sông Hương.
2. Cơ chế liên kết phản ứng chuyển hóa C-N-P trong môi trường nước lợ ven bờ: Luận án làm sáng tỏ động học tiêu thụ oxy hòa tan ($\text{DO}$) dưới tác động đồng thời của quá trình oxy hóa sinh hóa ($\text{BOD}$), oxy hóa hóa học ($\text{COD}$), quá trình nitrat hóa ($\text{N-NH}_4^+ \to \text{N-NO}_2^- \to \text{N-NO}_3^-$) và nhu cầu oxy của trầm tích đáy ($\text{SOD}$).
3. Mô hình định lượng 3 ngưỡng sức tải: Thiết lập khung lý thuyết so sánh giữa 3 mức sức tải: (i) Sức tải theo Quy chuẩn Quốc gia (QCVN), (ii) Sức tải tối đa đồng hóa (ngưỡng nguy hiểm - assimilative capacity limit), và (iii) Sức tải đề xuất an toàn cho hệ sinh thái thủy sinh.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp liên ngành giữa:

• Lý thuyết Thủy khí động lực học tính toán (Computational Fluid Dynamics): Mô tả trường vận tốc dòng chảy 2 chiều/3 chiều qua hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS) kết hợp phương trình bảo toàn khối lượng liên tục.
• Lý thuyết Sinh thái học hệ thống (Systems Ecology): Mô tả chu trình tuần hoàn vật chất và dòng năng lượng dinh dưỡng khoáng trong đầm phá ven bờ.
• Lý thuyết Quản lý môi trường tích hợp vùng bờ (Integrated Coastal Zone Management - ICZM): Gắn kết sức tải môi trường với các kịch bản quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh Thừa Thiên Huế đến năm 2020 và tầm nhìn 2030.

Điều kiện biên lý thuyết (Boundary Conditions) được kiểm soát chặt chẽ: Thủy vực nghiên cứu được giới hạn bởi hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai với hai biên mở thông ra Biển Đông tại cửa Thuận An và cửa Tư Hiền, các biên sông tiếp nhận nước ngọt từ hệ thống sông Ô Lâu, sông Hương, sông Truồi, sông Cầu Hai, cùng điều kiện khí tượng - thủy triều đại diện cho hai mùa đặc trưng (mùa mưa tháng 11 và mùa khô tháng 5).

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu được thiết kế theo trường phái thực chứng thực nghiệm kết hợp mô hình hóa số trị tiên tiến (Positivist Numerical Paradigm). Thiết kế bao gồm nghiên cứu đa mức (Multi-level empirical design):

• Cấp độ vĩ mô: Toàn bộ lưu vực hứng nước đầm phá Tam Giang - Cầu Hai và dải ven bờ Thừa Thiên Huế.
• Cấp độ trung mô: Ba phân vùng sinh thái chức năng gồm Phá Tam Giang, Đầm Sam - Thủy Tú và Đầm Cầu Hai.
• Cấp độ vi mô: Các điểm xả thải cục bộ và các trạm đo đạc thông số thủy lý - thủy hóa, trầm tích học.

Khảo sát thực địa và lấy mẫu được triển khai theo quy trình chuẩn của Bộ Tài nguyên và Môi trường, tập trung vào hai đợt đo đạc liên tục đại diện cho hai chế độ thủy văn cực đoan: Mùa mưa (ngày 25-26/11/2011) và Mùa khô (ngày 19-20/5/2012), kết hợp dữ liệu kiểm định bổ sung vào tháng 4/2017 tại đầm Cầu Hai và chuỗi dữ liệu lịch sử giai đoạn 2004 - 2012.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thu thập và phân tích mẫu tuân thủ nghiêm ngặt các Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và Phương pháp chuẩn phân tích nước và nước thải (Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater - APHA):

• Thông số hiện trường: Nhiệt độ, $\text{pH}$, độ muối, oxy hòa tan ($\text{DO}$), độ đục được đo trực tiếp bằng máy đo đa chỉ tiêu tự động đã chuẩn hóa điện cực trước mỗi ca đo.
• Thông số phòng thí nghiệm: $\text{BOD}_5$ (phương pháp ủ 5 ngày ở $20^\circ\text{C}$ đo DO), $\text{COD}$ (phương pháp chuẩn độ Bicromat), Amoni ($\text{N-NH}_4^+$ - phương pháp so màu Phenate), Nitrat ($\text{N-NO}_3^-$ - phương pháp so màu Axit Sunfosalixilic), Nitrit ($\text{N-NO}_2^-$), Phosphat ($\text{P-PO}_4^{3-}$ - phương pháp Axit Ascorbic), Tổng chất rắn lơ lửng ($\text{TSS}$ - phương pháp sấy khô ở $105^\circ\text{C}$).
• Đo đạc hải văn - thủy động lực: Vận tốc và hướng dòng chảy được quan trắc tầng mặt và tầng đáy bằng máy đo dòng chảy chuyên dụng tại các mặt cắt then chốt (Thuận An, Tư Hiền, Tam Giang, Thủy Tú, Cầu Hai).
• Kiểm định chất lượng dữ liệu (QA/QC): Phân tích mẫu lặp lại, mẫu chuẩn đối chứng, hệ số biến thiên $CV < 5%$, độ tin cậy của các phép phân tích đạt $\alpha = 0,05$.

Data và phân tích

Quá trình mô hình hóa sử dụng phần mềm số trị quốc tế Delft-3D do Viện Thủy lực Deltares (Hà Lan) phát triển:

1. Thiết lập lưới tính toán và trường độ sâu: Xây dựng lưới cong trực giao (Curvilinear orthogonal grid) bám sát đường bờ phức tạp của hệ đầm phá, độ phân giải không gian cao tại các khu vực luồng lạch hẹp và các cửa biển. Trường độ sâu được nội suy từ bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:25.000 và 1:50.000.
2. Hiệu chỉnh mô hình thủy động lực (FLOW):
   • Hệ số nhám Manning ($n$): Hiệu chỉnh trong khoảng $0,020 - 0,028\ \text{s/m}^{1/3}$.
   • Hệ số nhớt xoáy ngang ($\nu_H$) và hệ số khuếch tán xoáy ngang ($D_H$): Hiệu chỉnh tối ưu để tái lập trường dòng chảy thực tế.
   • Kết quả kiểm định thống kê cho thấy sự tương thích xuất sắc giữa số liệu mô phỏng và thực đo: Vận tốc dòng chảy theo phương ngang ($U$) đạt $R^2 = 0,696$, sai số căn bậc hai trung bình $\text{RSE} = 0,0046$ trong mùa mưa; Vận tốc dòng chảy theo phương đứng ($V$) đạt $R^2 = 0,690$, $\text{RSE} = 0,0042$ trong mùa khô.
3. Hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước (WAQ):
   • Hiệu chỉnh các tham số sinh hóa: Tốc độ suy giảm $\text{BOD}$ ($k_{BOD} = 0,1 - 0,25\ \text{ngày}^{-1}$), tốc độ nitrat hóa ($k_{nit} = 0,05 - 0,15\ \text{ngày}^{-1}$), hệ số tái tạo khí qua bề mặt mặt nước, tốc độ lắng đọng photphat và nhu cầu oxy tầng trầm tích ($\text{SOD}$).
   • Kết quả so sánh giữa mô phỏng và quan trắc kiểm chứng tháng 4/2017 tại đầm Cầu Hai cho thấy sai số tuyệt đối của các thông số $\text{DO, BOD, COD, N, P}$ đều nằm trong khoảng sai số cho phép ($< 15%$), khẳng định độ tin cậy cao của bộ thông số mô hình.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Sự suy giảm nghiêm trọng của khả năng tự làm sạch tự nhiên trong giai đoạn 2004 - 2012:

   • Hàm lượng oxy hòa tan ($\text{DO}$) có xu hướng giảm mạnh, cục bộ vào mùa khô tại đầm Thủy Tú ghi nhận giá trị thấp tới $4,7\ \text{mg/l}$ (dấu hiệu thiếu dưỡng khí đối với sinh vật thủy sinh đáy).
   • Ngược lại, nhu cầu oxy hóa học ($\text{COD}$) và $\text{BOD}_5$ tăng đột biến: Mùa mưa năm 2009, $\text{BOD}_5$ cao gấp 2,4 đến 4,4 lần so với năm 2005; $\text{COD}$ đạt đỉnh $19,69\ \text{mg/l}$ tại đầm Cầu Hai vào tháng 11/2011, vượt ngưỡng an toàn cho phép theo QCVN 10-MT:2015.
   • Nồng độ muối nitrat ($\text{N-NO}_3^-$) dao động trong khoảng $88,5 - 204,2\ \mu\text{g/l}$, vượt tiêu chuẩn chất lượng nước biển của ASEAN từ 1,4 đến 3,4 lần.

2. Quy luật phân bố thủy động lực học và sự mất cân đối trao đổi nước:

   • Tại cửa Thuận An, dòng triều đóng vai trò thống trị: Pha triều lên có vận tốc trung bình tầng mặt đạt $51\ \text{cm/s}$ (cực đại $87\ \text{cm/s}$), tầng đáy đạt $47\ \text{cm/s}$ (cực đại $79\ \text{cm/s}$); pha triều xuống có vận tốc trung bình tầng mặt $42\ \text{cm/s}$ (cực đại $68\ \text{cm/s}$).
   • Ngược lại, đầm Cầu Hai là vùng "tù đọng động lực" với vận tốc dòng chảy rất nhỏ trong cả mùa mưa và mùa khô. Tỷ lệ trao đổi nước qua một ngày đêm tại Cầu Hai cực kỳ thấp so với Tam Giang và Thủy Tú, dẫn đến việc tích tụ các chất ô nhiễm hữu cơ và photphat hấp phụ ($\text{AAP}$) ở đáy đầm.

3. Cấu trúc tải lượng ô nhiễm từ lục địa:

   • Nguồn phát thải sinh hoạt và nuôi trồng thủy sản đóng góp tỷ trọng lớn nhất vào tổng tải lượng các chất dinh dưỡng và chất hữu cơ đưa vào đầm phá.
   • Năm 2016, với 7.175 ha NTTS (chủ yếu là nuôi xen ghép và tôm cao triều/hạ triều), lượng thức ăn thừa và chất thải chưa qua xử lý là nguyên nhân cốt lõi gây ô nhiễm hữu cơ cục bộ.

4. Kết quả mô phỏng các kịch bản tương lai (2020 và 2030):

   • Theo kịch bản phát triển cao và kịch bản đột xuất (xảy ra sự cố xả thải hoặc lũ cục bộ), nồng độ $\text{BOD}_5$ và $\text{COD}$ tại các khu vực nước nông, khu vực tập trung bè nuôi tôm đầm Sam Chuồn và đầm Cầu Hai sẽ vượt quy chuẩn QCVN 08/10 từ 1,5 đến 2,8 lần, đe dọa trực tiếp bãi đẻ và bãi giống tự nhiên.

5. Lượng hóa Sức tải môi trường (ECC):

   • Luận án đã tính toán tường minh giới hạn sức chịu tải cho phép của hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai đối với từng chất ô nhiễm ($\text{BOD}_5$, $\text{COD}$, $\text{N-NH}_4^+$, $\text{N-NO}_3^-$, $\text{P-PO}_4^{3-}$) theo ba kịch bản: Kịch bản QCVN, Kịch bản sức tải tối đa (đồng hóa cực hạn) và Kịch bản đề xuất bền vững sinh thái.

Implications đa chiều

• Về mặt lý luận học thuật: Công trình chứng minh tính ưu việt của việc kết hợp mô hình số trị thủy động lực - chất lượng nước 3D trong việc giải bài toán sức tải môi trường cho các hệ đầm phá ven biển nhiệt đới có điều kiện địa hình phức tạp và bồi lấp cửa biển thường xuyên.
• Về phương pháp luận ứng dụng: Thiết lập quy trình 4 bước chuẩn hóa từ điều tra nguồn thải, mô hình hóa số trị, hiệu chỉnh/kiểm định sai số đến phân bổ tải lượng xả thải tối đa, có thể chuyển giao và áp dụng trực tiếp cho các hệ đầm phá khác ở miền Trung Việt Nam (như đầm Lăng Cô, đầm An Khê, đầm Nước Ngọt, đầm Thị Nại).
• Về chính sách và quản trị thực tiễn: Cung cấp luận cứ khoa học thực chứng để Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thừa Thiên Huế quy định hạn ngạch cấp phép xả thải, quy hoạch lại diện tích NTTS (cắt giảm hoặc chuyển đổi phương thức nuôi thâm canh sang nuôi sinh thái có kiểm soát nước thải), và thiết kế mạng lưới trạm quan trắc tự động liên tục tại các điểm nóng môi trường.

Limitations và Future Research

Mặc dù đạt được những kết quả đột phá, luận án thẳng thắn chỉ ra các hạn chế kỹ thuật và phạm vi:

1. Dữ liệu biên khí tượng - hải văn: Chuỗi dữ liệu dòng chảy đo đạc liên tục ngoài hiện trường phục vụ hiệu chỉnh mô hình mới chỉ tập trung vào các đợt khảo sát ngắn ngày đại diện mùa mưa (tháng 11) và mùa khô (tháng 5), chưa bao quát hết các biến cố dị thường do biến đổi khí hậu như bão cực mạnh, lũ lịch sử hoặc hạn hán kéo dài nhiều tháng.
2. Quá trình giải phóng dinh dưỡng từ trầm tích đáy: Tốc độ giải phóng nitơ và photpho từ lớp bùn đáy ($\text{SOD}$ và giải phóng $\text{PO}_4^{3-}$) chủ yếu được ngoại suy qua các tham số kinh nghiệm và hiệu chỉnh số trị, chưa thực hiện được các thí nghiệm vi mô trong phòng (Microcosm/Mesocosm cores) tại từng tiểu vùng trầm tích.
3. Chưa tích hợp tương tác sinh thái bậc cao: Mô hình WAQ trong luận án tập trung vào các thông số thủy hóa chính ($\text{DO, BOD, COD, N, P}$) mà chưa ghép nối đầy đủ với mô-đun sinh khối chuỗi thức ăn (Phytoplankton - Zooplankton - Macrophytes - Benthos).

Chương trình nghiên cứu tiếp nối 10 năm tới (Future Research Agenda):

• Phát triển mô hình tích hợp biến đổi khí hậu - thủy văn lưu vực (SWAT) kết hợp Delft-3D để đánh giá tác động của nước biển dâng và các công trình thủy điện thượng nguồn sông Hương đến chế độ mặn và sức tải đầm phá.
• Nghiên cứu cơ chế trao đổi chất ô nhiễm tại ranh giới nước - trầm tích (Sediment-Water Interface Exchange) bằng kỹ thuật buồng đo dòng đáy tại hiện trường (In-situ benthic chamber).
• Xây dựng hệ thống số hỗ trợ ra quyết định thời gian thực (Real-time Decision Support System - DSS) tích hợp AI và mạng lưới cảm biến IoT cảnh báo sớm nguy cơ quá tải môi trường và phú dưỡng hóa.

Tác động và ảnh hưởng

• Tác động học thuật: Đóng vai trò là công trình tiên phong tại Việt Nam lượng hóa sức tải môi trường đầm phá ven biển bằng mô hình số trị đa chiều. Luận án tạo tiền đề cho các công bố quốc tế uy tín trong danh mục ISI/Scopus về mô hình hóa môi trường nước ven bờ và quản lý lưu vực.
• Tác động ngành và kinh tế: Định hướng tái cơ cấu ngành thủy sản tỉnh Thừa Thiên Huế, bảo vệ hơn 4.000 tấn thủy sản khai thác hàng năm và bảo tồn giá trị dịch vụ hệ sinh thái của gần 1.000 loài thủy sinh bản địa.
• Tác động chính sách: Cung cấp công cụ khoa học trực tiếp phục vụ triển khai Luật Bảo vệ Môi trường và Đề án "Quản lý tổng hợp dải ven biển tỉnh Thừa Thiên Huế", hỗ trợ cơ quan quản lý xác định hạn ngạch xả thải cho các khu công nghiệp phụ cận và lưu vực sông Hương.
• Ý nghĩa quốc tế: Hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai là một trong những vùng đất ngập nước có tầm quan trọng quốc tế theo tiêu chí Ramsar. Kết quả nghiên cứu đóng góp trực tiếp vào nỗ lực toàn cầu về bảo tồn đa dạng sinh học và phát triển bền vững các hệ sinh thái ven bờ châu Á.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và Giới học thuật: Tiếp cận một khung phương pháp luận hoàn chỉnh, bộ thông số thủy động lực và chất lượng nước đã được hiệu chỉnh chính xác bằng Delft-3D cho đầm phá nhiệt đới.
• Cơ quan Hoạch định Chính sách (Sở TN&MT, Sở NN&PTNT, UBND tỉnh Thừa Thiên Huế): Nắm giữ bộ số liệu định lượng về sức chịu tải môi trường tối đa và hạn ngạch xả thải để phê duyệt các dự án đầu tư phát triển kinh tế, công nghiệp, du lịch và NTTS.
• Doanh nghiệp và Cộng đồng nuôi trồng thủy sản: Nhận thức rõ ngưỡng an toàn mật độ nuôi thả và chế độ trao đổi nước, từ đó tối ưu hóa công nghệ nuôi, giảm thiểu rủi ro dịch bệnh và suy thoái nguồn nước.
• Các tổ chức Bảo tồn Quốc tế (IUCN, WWF, Ramsar): Sở hữu cơ sở dữ liệu khoa học tin cậy để tài trợ và triển khai các dự án bảo tồn đất ngập nước và phục hồi hệ sinh thái cỏ biển, thảm thực vật ngập mặn.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?
Luận án đã mở rộng lý thuyết cân bằng vật chất của Vlađimirov và khung sức tải môi trường của GESAMP bằng cách chuyển dịch từ mô hình cân bằng khối lượng tĩnh đơn giản ($EC_{max} = \Delta C \cdot V / \tau$) sang "Mô hình sức tải động học không gian 3 chiều". Đóng góp độc đáo nhất là việc thiết lập được mối quan hệ định lượng phi tuyến giữa trường dòng chảy triều, hệ số phân tán xoáy ngang ($D_H, \nu_H$) và tốc độ phân hủy sinh hóa của các hợp chất cacbon, nitơ, photpho theo từng tiểu vùng chức năng của hệ đầm phá ven bờ nhiệt đới.

2. Điểm cải tiến phương pháp luận so với các nghiên cứu tiền nhiệm là gì?
So với các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam (Nguyễn Hữu Cử, 2006; Nguyễn Chí Công, 2007) vốn chỉ sử dụng mô hình 1D/2D đơn giản hoặc phân tích thống kê nồng độ tĩnh, luận án đã triển khai thành công mô hình số trị Delft-3D tích hợp đầy đủ mô-đun thủy động lực học (FLOW) và mô-đun sinh địa hóa chất lượng nước (WAQ). Phương pháp này đã được hiệu chuẩn và kiểm định đồng thời với số liệu dòng chảy (đạt $R^2 = 0,696$, $\text{RSE} = 0,0046$) và chất lượng nước thực đo tại 3 phân vùng đối lập trong cả mùa mưa, mùa khô và các pha triều lên - triều xuống.

3. Phát hiện bất ngờ nhất từ dữ liệu nghiên cứu là gì?
Phát hiện bất ngờ nhất là sự đối lập sâu sắc về khả năng tự làm sạch giữa Phá Tam Giang và Đầm Cầu Hai. Mặc dù đầm Cầu Hai có diện tích mặt nước rất lớn nhưng do đặc điểm hình thái đáy trũng, xa cửa mở Thuận An và cửa Tư Hiền thường xuyên bị bồi lắng thu hẹp, vận tốc dòng chảy trong đầm Cầu Hai ở mức "rất nhỏ" trong cả mùa khô và mùa mưa. Điều này biến đầm Cầu Hai thành một "bẫy lắng đọng ô nhiễm" với nồng độ $\text{COD}$ thực đo lên tới $19,69\ \text{mg/l}$, làm đảo lộn giả định ban đầu cho rằng vùng nước rộng sẽ có khả năng pha loãng và sức tải cao hơn.

4. Nghiên cứu có cung cấp quy trình nhân rộng (Replication Protocol) không?
Có. Luận án cung cấp một quy trình 4 bước chuẩn hóa với đầy đủ tham số kỹ thuật: (1) Phương pháp điều tra, kiểm kê và dự báo tải lượng ô nhiễm từ nguồn điểm và nguồn diện; (2) Thiết lập lưới tính toán cong trực giao, nội suy trường độ sâu và xác định điều kiện biên hải văn - khí tượng; (3) Quy trình hiệu chỉnh hệ số nhám Manning ($n$), độ nhớt ngang ($\nu_H$) và các hằng số phân rã sinh hóa; (4) Thuật toán tính toán sức tải và phân bổ tải lượng theo các kịch bản quy chuẩn QCVN và kịch bản đồng hóa tự nhiên.

5. Lộ trình nghiên cứu phát triển trong 10 năm tới được phác thảo ra sao?
Lộ trình 10 năm tập trung vào 3 hướng then chốt: (1) Mở rộng ghép nối mô hình thủy động lực biển ven bờ với mô hình khí hậu khu vực (RCMs) và mô hình dòng chảy tràn lưu vực (SWAT) dưới tác động của biến đổi khí hậu; (2) Đo đạc và mô phỏng chi tiết thông lượng trao đổi dinh dưỡng tại ranh giới bùn đáy - cột nước ($\text{Benthic Flux}$); (3) Xây dựng nền tảng bản sao số (Digital Twin) đầm phá Tam Giang - Cầu Hai phục vụ quản trị thông minh theo thời gian thực.

Kết luận

1. Luận án đã giải quyết thành công bài toán khoa học cấp bách về đánh giá định lượng sức tải môi trường đối với các hợp chất $\text{C, N, P}$ cho hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai, hệ đầm phá ven bờ lớn nhất Việt Nam và Đông Nam Á.
2. Thiết lập thành công và làm chủ công nghệ mô hình hóa số trị tiên tiến Delft-3D (FLOW & WAQ), đạt độ chính xác cao trong mô phỏng trường dòng chảy ($R^2 \approx 0,70$, $\text{RSE} < 0,005$) và lan truyền các thông số chất lượng nước ($\text{DO, BOD, COD, N, P}$).
3. Lượng hóa chi tiết tải lượng chất thải phát sinh từ 5 nguồn thải chính (sinh hoạt, công nghiệp, chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản, rửa trôi đất) tại thời điểm 2011 và dự báo chính xác xu hướng gia tăng đến các năm 2020 và 2030.
4. Phát hiện quy luật phân hóa không gian - thời gian của khả năng tự làm sạch tự nhiên: Phá Tam Giang có sức tải cao nhờ động lực triều cửa Thuận An, trong khi đầm Cầu Hai có sức tải rất thấp do chế độ lưu thông nước kém, tiềm ẩn nguy cơ phú dưỡng hóa và suy kiệt oxy hòa tan tầng đáy.
5. Đề xuất hệ thống ngưỡng sức tải môi trường bền vững và các giải pháp quản lý kỹ thuật, chính sách phân vùng sinh thái, kiểm soát hạn ngạch xả thải, tạo cơ sở khoa học vững chắc cho chiến lược phát triển kinh tế - xã hội bền vững vùng đầm phá tỉnh Thừa Thiên Huế.
6. Mở ra hướng nghiên cứu mới về mô hình hóa tích hợp đa tầng hệ sinh thái đầm phá nhiệt đới, đóng góp quan trọng vào kho tàng khoa học môi trường và hải dương học vùng ven bờ Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về sức tải môi trường 1. Các khái niệm Sức tải môi trường (STMT) là một hướng nghiên cứu của khoa học môi trường, mới được phát triển trong hơn ba thập kỷ gần đây.

Bắt đầu từ cuối những năm 1980, Nhóm các chuyên gia về khoa học ô nhiễm biển (GESAMP) [3] đã tìm hiểu về khái niệm, cách tiếp cận liên quan đến STMT. Sau này, với việc phát triển của các công cụ mô hình hóa, hướng nghiên cứu này đã được áp dụng tại một số lĩnh vực như trong nuôi trồng thủy sản, du lịch, kiểm soát nguồn thải v. Đặc biệt, trong khoảng 15 năm trở lại đây, dưới sức ép của các quy hoạch phát triển và sự suy thoái của tài nguyên và môi trường, hướng nghiên cứu STMT được phát triển và áp dụng khá rộng rãi. Vấn đề đặt ra là cần làm rõ các khái niệm, hiểu đúng bản chất của STMT và có phương pháp tính toán đúng đắn để có thể áp dụng vào trong thực tiễn quản lý nguồn thải và bảo vệ môi trường.

Ngoài khái niệm về STMT, các khái niệm về khả năng tự làm sạch và cân bằng chất ô nhiễm trong thủy vực cũng có mối liên quan chặt chẽ với nhau, bổ sung cho nhau. Khả năng tự làm sạch của thủy vực: Các chất ô nhiễm khi đi vào các thủy vực tự nhiên như sông, hồ và biển sẽ bị biến mất dần dần theo thời gian. Việc loại bỏ các chất ô nhiễm từ các thủy vực mà không có bất kỳ can thiệp nào của con người được gọi là quá trình tự làm sạch, hoặc sự làm sạch tự nhiên [4]. Cơ chế của quá trình tự làm sạch tự nhiên có thể chia làm 3 nhóm: vật lý, hóa học và sinh học [2].

Quá trình vật lý đóng góp vào việc loại bỏ chất ô nhiễm từ thủy vực tự nhiên bao gồm pha loãng/trộn lẫn bằng các dòng chảy, khuyếch tán chất ô nhiễm trong nước và kết tủa/lắng đọng chất ô nhiễm xuống trầm tích đáy. Sự bay hơi của các chất ô nhiễm dễ bay hơi vào bầu khí quyển cũng làm giảm chất ô nhiễm trong nước. Quá trình hóa học liên quan đến việc loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi vực nước là sự oxi hóa bởi các chất ô xi hóa như ozon và oxy, sự oxi hóa bởi tia tử ngoại; quá trình khử và sự trung hòa. 4 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Quá trình sinh học bao gồm sự thoái hóa/chuyển đổi các chất ô nhiễm hữu cơ bởi vi khuẩn dưới các điều kiện hiếu khí hoặc yếm khí, cũng như sự tham gia của các vi khuẩn trong quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa tương ứng.

Quá trình sinh học giữ một vai trò quan trọng trong cơ chế làm sạch nước ở các thủy vực tự nhiên. Việc loại bỏ chất ô nhiễm khỏi thủy vực bằng phương pháp sinh học thường được gọi là “tự làm sạch đúng nghĩa” và sự tự làm sạch tổng số “lý, hóa, sinh” được gọi là “tự làm sạch biểu kiến”. Cân bằng chất ô nhiễm trong thủy vực: Nghiên cứu về cân bằng các chất ô nhiễm cung cấp cơ sở để dự báo động thái ô nhiễm của các vùng nước biển và đại dương theo những giá trị cho trước về phát thải các chất ô nhiễm, xây dựng những khuyến cáo về chế độ phát thải tối ưu và xác định các mức chịu tải cho phép tới hạn hay dung lượng dung hòa của biển với các chất ô nhiễm. Vlađimirov trong cuốn “Bảo vệ Môi trường” [5], về định tính, cân bằng các chất ô nhiễm đối với biển nói chung có thể biểu diễn bằng sơ đồ sau: ∆C = C vào – C ra Ở đây ∆C là gia lượng nồng độ chất ô nhiễm sau thời gian t, C vào là phát thải chất ô nhiễm vào thủy vực (bao gồm phát thải từ bờ, phát thải do sông mang ra, phát thải trực tiếp từ biển như tàu, giàn khoan v.v; lượng chất tới trong quá trình trao đổi nước, lượng chất xâm nhập từ khí quyển vào nước) và C ra là lượng chất ô nhiễm ra khỏi thủy vực trong thời gian t (bao gồm lượng chất đi do trao đổi nước, lượng chất đi từ biển vào không khí, lượng chất bị phân hủy hóa học, sinh hóa và lượng chất lắng đọng vào bùn đáy).

Sự bảo tồn trạng thái bình thường của môi trường biển đòi hỏi phải thỏa mãn những điều kiện hạn chế: 0< C ≤ NĐTHCP và ∆C < 0 trong đó NĐTHCP là nồng độ tới hạn cho phép của các chất ô nhiễm. Sức tải môi trường: Với quan điểm tiếp cận phòng ngừa ô nhiễm, năm 1986, UNESCO đã công bố báo cáo của Nhóm các chuyên gia về khoa học ô nhiễm biển (GESAMP), theo đó, sức tải môi trường (Environmental carrying capacity hay Environmental capacity) được định nghĩa "là một tài sản của môi trường và được xác định như khả năng chứa đựng các hoạt động hay là tốc độ các hoạt động (ví dụ thể tích chất thải trên một đơn vị 5 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật thời gian, số lượng chất thải nạo vét trên một đơn vị thời gian, số lượng các muối khoáng được chiết trên một đơn vị thời gian) mà không có các tác động bất lợi" [3]. STMT sẽ biến đổi theo đặc trưng khu vực, loại và lượng thải, các hoạt động hoặc các nguồn tài nguyên, các tiện ích bị ảnh hưởng. Theo định nghĩa này, cần phải làm rõ ngưỡng nào của môi trường thì có các tác động bất lợi.

Trong cuộc hội thảo diễn ra từ ngày 12 -15/5/2002 tại Malaysia về “Xác định sức tải môi trường khu vực biển và ven bờ: tiến trình, sự bắt buộc và lựa chọn tương lai”, một loạt các khái niệm và cách hiểu về STMT được đưa ra. Đây là một sự tổng hợp toàn diện các kết quả nghiên cứu về STMT cho tới thời điểm đó. Về phía nuôi trồng loài hai mảnh vỏ, STMT được định nghĩa là ”trữ lượng tối đa của một hệ sinh thái cụ thể với mức sản xuất tối đa mà không có các ảnh hưởng bất lợi đến tốc độ tăng trưởng’’ [6]. Định nghĩa này khá hẹp do chỉ tập trung vào các loài hai mảnh vỏ trong NTTS.

Mục đích là tối đa sức sản xuất và tối ưu sự kết hợp các loài và đóng góp vào việc giảm thiểu các tác động môi trường do việc nuôi trồng. Cũng liên quan đến nuôi trồng loài hai mảnh vỏ, khả năng tải đã được điều chỉnh thành bốn loại [7]: 1) Khả năng tải vật lý - "tổng diện tích các trang trại biển có thể được chứa đựng trong không gian vật lý sẵn có"; 2) Khả năng tải sản xuất - "mật độ thả của loài hai mảnh vỏ sao cho thu hoạch đạt tối đa "; 3) Khả năng tải sinh thái - "mật độ thả giống hoặc mật độ trang trại mà tại đó gây ra các tác động sinh thái không thể chấp nhận được"; 4) Khả năng tải xã hội - "mức phát triển nông trại mà tại đó gây ra các tác động xã hội không thể chấp nhận." Do hệ sinh thái có nhiều chức năng nên nhu cầu quản lý bền vững càng ngày càng gia tăng. Vì vậy, một định nghĩa chung về sức tải ở mức hệ sinh thái có thể là “một sự thay đổi mà một quá trình phải chịu trong một hệ sinh thái cụ thể mà không có sự thay đổi về cấu trúc và chức năng của nó quá các giới hạn cho phép” [8]. Tương tự như vậy, “khả năng tải” đề cập đến mức sản xuất (quy mô sản xuất hoặc mật độ nuôi trồng) mà không gây ra “tác động bất lợi đến môi trường rộng hơn” [9].

Ngắn gọn hơn, khả năng tải (CC – Carrying Capacity), tức là mật độ thả giống mà tại đó sức khỏe hệ sinh thái không bị tổn hại [10]. Ken Furuya (2003) [11], đề cập rằng STMT có thể được định nghĩa theo nhiều cách bởi vì các thủy vực ven bờ có các chức năng khác nhau. Hiểu biết về chu kỳ vật 6 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật chất trong tự nhiên và các HST sẽ cho ta những kiến thức quan trọng trọng việc định nghĩa STMT. Định nghĩa của Furuya về STMT khá đơn giản, là sức sản xuất tối đa hoặc trữ lượng tối đa với tác động môi trường ít nhất.

Khái niệm STMT này cũng khá hẹp như các khái niệm của Pedro Duarte (2003) [6] chỉ tập trung vào 1 số loài trong HST, trong khi ngoài NTTS, thủy vực còn chịu tác động của nhiều hoạt động khác. Chang Hee- Lee, (2003) [12] tiếp cận STMT qua việc tính toán tổng lượng thải tối đa thải ra hồ Shihwa để điều chỉnh và xử lý nguồn phát thải sao cho chất lượng nước trong hồ đạt đến mức có thể sử dụng cho công nghiệp và tưới tiêu. Công trình này được thực hiện dựa vào ý tưởng tổng tải lượng ô nhiễm từ các lưu vực và các nguồn nội tại cần phải được kiểm soát trong năng lực đồng hóa của nguồn nước tiếp nhận. Hệ thống này đã được thực hiện ở Nhật Bản và Mỹ dưới dạng “Hệ thống kiểm soát tổng tải lượng ô nhiễm phạm vi rộng” và “tổng tải lượng tối đa hàng ngày” (TMDL), tương ứng.

Trong vòng 10 năm trở lại đây, khái niệm “sức tải môi trường nước” (water environmental carrying capacity) được nghiên cứu khá nhiều, mang ý nghĩa rộng hơn và có nhiều cách hiểu. Trong một nghiên cứu ở thành phố Hoài An nằm ở lưu vực sông Huaihe, STMT nước được định nghĩa là “quy mô dân số và kinh tế lớn nhất mà môi trường nước có thể hỗ trợ ở một khu vực cụ thể trong một khoảng thời gian mà không ảnh hưởng xấu đến môi trường nước khu vực” [13]. Cũng mang ý nghĩa như vậy, STMT nước được hiểu là “tốc độ tiêu thụ tài nguyên và xả thải tối đa có thể được duy trì vô thời hạn trong một khu vực nhất định mà không làm giảm tính toàn vẹn chức năng và năng suất của HST có liên quan” [14]. Ở đây, STMT nước không chỉ đề cập đến chất thải, chất lượng môi trường mà còn mở rộng đến tài nguyên, mức tiêu thụ tài nguyên, tính dễ tổn thương của môi trường nước và cả các yếu tố kinh tế - xã hội khác như trình độ công nghệ, thể chế v.