Luận án tiến sĩ 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

Nghiên cứu đánh giá sức tải môi trường C, N, P tại đầm phá Tam Giang - Cầu Hai, Thừa Thiên Huế, phân tích tác động và đề xuất giải pháp bảo vệ hệ sinh thái.

• Tác giả: Cao Thị Thu Trang
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Thành Cao
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Môi trường
• Đề tài: Luận án Tiến Sĩ 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
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về sức tải môi trường
• 1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu môi trường trong hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai
• 1.2.1. Khái quát về hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai và các hoạt động kinh tế xã hội
• 1.2.2. Các nghiên cứu về môi trường hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai
• 1.2.3. Môi trường và chất lượng nước hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai
• 1.3. Sử dụng công cụ mô hình hóa trong nghiên cứu sức tải môi trường
• 1.4. Tổng quan cuối chương và hướng nghiên cứu của luận án
• 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
• 2.2.1.1. Kỹ thuật thu mẫu, bảo quản mẫu
• 2.2.1.2. Kỹ thuật đo đạc, phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm
• 2.2.2. Phương pháp tính tải lượng thải
• 2.2.2.1. Tính toán lượng thải phát sinh
• 2.2.2.2. Ước tính tải lượng ô nhiễm đưa vào khu vực đầm phá Tam Giang - Cầu Hai
• 2.2.3. Phương pháp mô hình hóa
• 2.2.3.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình Delft -3D
• 2.2.3.2. 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
• 3.4. Tính toán sức tải môi trường khu vực đầm phá Tam Giang – Cầu Hai đối với các hợp chất của C, N và P
• 3.4.1. Sức chịu tải môi trường trên cơ sở quy chuẩn Việt Nam (QCVN 10- MT:2015/BTNMT và QCVN 08-MT:2015/BTNMT)
• 3.4.2. Sức chịu tải tối đa hay kịch bản nguy hiểm
• 3.4.3. 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. Nhóm chuyên gia GESAMP đã nghiên cứu và định nghĩa STMT như khả năng chịu đựng của một hệ thống tự nhiên trước các tác động từ hoạt động con người. Khả năng tự làm sạch của thủy vực là quá trình loại bỏ chất ô nhiễm thông qua các cơ chế vật lý, hóa học và sinh học. Các quá trình này bao gồm pha loãng, kết tủa, oxy hóa, và phân hủy sinh học. Đầm phá Tam Giang - Cầu Hai là một hệ thống thủy vực quan trọng, nơi các hoạt động kinh tế - xã hội đang gây áp lực lớn lên môi trường. Nghiên cứu STMT giúp đánh giá khả năng chịu tải của hệ thống này, từ đó đề xuất các giải pháp quản lý bền vững.

1.1. Khái niệm và cơ chế tự làm sạch

Sức tải môi trường được hiểu là giới hạn tối đa mà một hệ thống tự nhiên có thể chịu đựng trước các tác động từ hoạt động con người mà không bị suy thoái. Khả năng tự làm sạch của thủy vực bao gồm các quá trình vật lý như pha loãng và kết tủa, quá trình hóa học như oxy hóa, và quá trình sinh học như phân hủy vi khuẩn. Các quá trình này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì chất lượng nước và cân bằng sinh thái. Đầm phá Tam Giang - Cầu Hai là một hệ thống thủy vực phức tạp, nơi các quá trình tự làm sạch đang bị đe dọa bởi lượng chất thải gia tăng từ các hoạt động kinh tế - xã hội.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu STMT

Nghiên cứu sức tải môi trường giúp xác định giới hạn chịu tải của các hệ thống tự nhiên, từ đó hỗ trợ việc quản lý và bảo vệ môi trường. Đầm phá Tam Giang - Cầu Hai là một ví dụ điển hình, nơi các hoạt động như nuôi trồng thủy sản, du lịch, và công nghiệp đang gây áp lực lớn lên môi trường. Việc đánh giá STMT giúp đề xuất các giải pháp phát triển bền vững, đảm bảo cân bằng giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường. Các kết quả nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng các chính sách quản lý môi trường hiệu quả.

II. Phương pháp nghiên cứu và khu vực nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa để đánh giá sức tải môi trường tại đầm phá Tam Giang - Cầu Hai. Phần mềm Delft-3D được sử dụng để mô phỏng sự lan truyền các chất ô nhiễm trong hệ thống thủy vực. Các phương pháp điều tra, khảo sát, và phân tích mẫu nước cũng được áp dụng để thu thập dữ liệu thực tế. Khu vực nghiên cứu bao gồm hệ thống đầm phá và các vùng xung quanh, nơi các nguồn thải đưa chất ô nhiễm vào hệ thống. Các yếu tố môi trường được tập trung nghiên cứu bao gồm các hợp chất C, N, P, vốn là các chất ô nhiễm chính từ hoạt động sinh hoạt và nuôi trồng thủy sản.

2.1. Phương pháp mô hình hóa

Phương pháp mô hình hóa sử dụng phần mềm Delft-3D để mô phỏng sự lan truyền các chất ô nhiễm trong hệ thống thủy vực. Mô hình này cho phép dự báo sự thay đổi chất lượng nước dưới các kịch bản phát triển khác nhau. Các thông số như nồng độ oxy hòa tan (DO), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5), và nồng độ các chất dinh dưỡng (N, P) được mô phỏng và so sánh với dữ liệu thực tế. Đầm phá Tam Giang - Cầu Hai được chọn làm khu vực nghiên cứu do tính chất phức tạp và sự đa dạng của các nguồn thải.

2.2. Khu vực nghiên cứu và đối tượng

Khu vực nghiên cứu bao gồm hệ thống đầm phá Tam Giang - Cầu Hai và các vùng xung quanh, nơi các nguồn thải từ hoạt động kinh tế - xã hội đưa chất ô nhiễm vào hệ thống. Các đối tượng nghiên cứu chính là các hợp chất C, N, P, vốn là các chất ô nhiễm chính từ hoạt động sinh hoạt, chăn nuôi, và nuôi trồng thủy sản. Các phương pháp điều tra, khảo sát, và phân tích mẫu nước được sử dụng để thu thập dữ liệu thực tế, hỗ trợ cho việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.

III. Kết quả và bàn luận

Nghiên cứu đã xác định được lượng chất thải C, N, P đưa vào đầm phá Tam Giang - Cầu Hai từ các nguồn khác nhau. Các kịch bản mô phỏng cho thấy sự gia tăng đáng kể lượng chất ô nhiễm trong tương lai, đặc biệt là vào năm 2020 và 2030. Kết quả cũng chỉ ra rằng hệ thống đầm phá đang đối mặt với nguy cơ suy thoái nghiêm trọng nếu không có các biện pháp quản lý hiệu quả. Sức tải môi trường của hệ thống được tính toán dựa trên các quy chuẩn Việt Nam và khả năng tự làm sạch của đầm phá. Các đề xuất về mức sức tải phù hợp được đưa ra nhằm đảm bảo sự phát triển bền vững của khu vực.

3.1. Tính toán lượng chất thải

Nghiên cứu đã tính toán lượng chất thải C, N, P đưa vào đầm phá Tam Giang - Cầu Hai từ các nguồn như sinh hoạt, công nghiệp, chăn nuôi, và nuôi trồng thủy sản. Kết quả cho thấy lượng chất thải này đang gia tăng đáng kể, đặc biệt là trong các kịch bản dự báo đến năm 2020 và 2030. Các chất ô nhiễm này có nguy cơ gây suy thoái nghiêm trọng chất lượng nước và hệ sinh thái nếu không được kiểm soát hiệu quả.

3.2. Đề xuất mức sức tải phù hợp

Dựa trên kết quả nghiên cứu, các đề xuất về mức sức tải môi trường phù hợp được đưa ra nhằm đảm bảo sự phát triển bền vững của đầm phá Tam Giang - Cầu Hai. Các đề xuất này bao gồm việc kiểm soát lượng chất thải từ các nguồn khác nhau, tăng cường khả năng tự làm sạch của hệ thống, và áp dụng các quy chuẩn môi trường nghiêm ngặt. Các giải pháp này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn hỗ trợ phát triển kinh tế - xã hội một cách bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai (tỉnh Thừa Thiên Huế) là hệ thống đầm phá ven bờ lớn nhất khu vực Đông Nam Á với diện tích mặt nước khoảng 216 km², trải dài 68 km dọc bờ biển và là nơi cư ngụ của 889 loài sinh vật cùng hơn 1.000 loài động, thực vật thủy sinh có giá trị kinh tế cao, hàng năm cung cấp hơn 4.000 tấn thủy hải sản. Khu vực này đang tiếp nhận áp lực nhân sinh khổng lồ từ lưu vực rộng 2.648,76 km² với 615.946 nhân khẩu (năm 2016, mật độ trung bình 232 người/km²), cùng với 7.175 ha nuôi trồng thủy sản (NTTS), đàn gia súc gia cầm quy mô lớn gồm 22,4 nghìn con trâu, 33,6 nghìn con bò, 205,6 nghìn con lợn và 2,7 triệu con gia cầm. Tải lượng ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng phát sinh từ hoạt động sinh hoạt, du lịch, nông nghiệp và NTTS không ngừng đổ vào đầm phá, đe dọa trực tiếp đến tính toàn vẹn sinh thái và chức năng tự làm sạch tự nhiên của thủy vực.

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi xuất phát từ thực tế: các công trình trước đây tại Tam Giang - Cầu Hai chủ yếu dừng lại ở việc quan trắc hiện trạng chất lượng nước đơn lẻ, đánh giá đa dạng sinh học hoặc mô phỏng thủy động lực học tĩnh, hoàn toàn thiếu vắng một công cụ định lượng tích hợp có khả năng mô hình hóa động học lan truyền đa chiều gắn với sức tải môi trường (Environmental Carrying Capacity - ECC) cho các thông số hữu cơ và dinh dưỡng (C, N, P) theo các kịch bản quy hoạch kinh tế - xã hội. Luận án giải quyết trực tiếp khoảng trống này thông qua 3 câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết khoa học:

• RQ1: Tải lượng các hợp chất C, N, P phát sinh và thực tế xâm nhập vào hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai theo các phân vùng không gian và nguồn thải là bao nhiêu ở thời điểm cơ sở (2011) và xu thế biến động đến các mốc quy hoạch 2020, 2030? (Giả thuyết H1: Tải lượng xả thải gia tăng vượt cấp số nhân từ nguồn sinh hoạt và NTTS sẽ phá vỡ cân bằng dinh dưỡng tự nhiên).
• RQ2: Cơ chế động lực học dòng chảy và các quá trình sinh địa hóa kiểm soát sự phân bố không gian - thời gian của DO, BOD₅, COD, N-NH₄⁺, N-NO₃⁻, P-PO₄³⁻ trong hệ đầm phá diễn ra như thế nào dưới tác động của chế độ bán nhật triều qua hai cửa Thuận An và Tư Hiền? (Giả thuyết H2: Tốc độ trao đổi nước hạn chế tại các vùng lõi như Đầm Sam - Thủy Tú tạo thành các túi tích tụ ô nhiễm cục bộ trong mùa khô).
• RQ3: Ngưỡng sức tải môi trường tối đa và sức tải đề xuất cho các hợp chất C, N, P là bao nhiêu nhằm đảm bảo vừa đáp ứng Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia (QCVN 08-MT:2015/BTNMT và QCVN 10-MT:2015/BTNMT) vừa duy trì sinh cảnh thủy sinh an toàn? (Giả thuyết H3: Sức tải môi trường thực tế thấp hơn đáng kể so với ngưỡng quy chuẩn lý thuyết do sự suy giảm tốc độ đồng hóa sinh học vào mùa khô).

Khung lý thuyết của công trình được thiết lập dựa trên lý thuyết sức tải môi trường của GESAMP (1986), lý thuyết cân bằng khối lượng chất ô nhiễm Vladimirov (1986) và cơ chế tự làm sạch tự nhiên của thủy vực (Chapra, 1997). Đóng góp đột phá của nghiên cứu là việc lượng hóa chính xác giới hạn chịu tải tối đa của hệ đầm phá lớn nhất Việt Nam bằng bộ công cụ mô hình hóa số trị tiên tiến Delft-3D (kết hợp Delft3D-FLOW và Delft3D-WAQ), thiết lập cơ sở dữ liệu định lượng phục vụ công tác quy hoạch phân vùng xả thải cho 5 huyện thị ven bờ.

Literature Review và Positioning

Lý thuyết sức tải môi trường đã phát triển qua 4 thập kỷ, khởi đầu từ định nghĩa nền tảng của Nhóm chuyên gia về các khía cạnh khoa học của ô nhiễm biển (GESAMP, 1986), trong đó sức tải môi trường được xác định: "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". GESAMP đã đề xuất công thức tính sức tải dựa trên thời gian lưu của nước: $EC_{max} = (C_{tiêu\ chuẩn} - C_{hiện\ tại}) \cdot V/\tau$, đặt nền móng cho trường phái quản lý hạn ngạch tải lượng. Tiếp đó, Pedro Duarte (2003) và Carrie Byron et al. (2011) đã mở rộng khái niệm này sang lĩnh vực NTTS với 4 cấp độ: sức tải vật lý, sản xuất, sinh thái và xã hội. Trường phái thứ hai tiếp cận qua mô hình quản lý tổng tải lượng ô nhiễm tối đa hàng ngày (Total Maximum Daily Load - TMDL) do Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) phát triển và được triển khai mạnh mẽ tại châu Á bởi Chang Hee-Lee (2003) tại Hồ Shihwa (Hàn Quốc), Ayeon Lee et al. (2013) tại lưu vực Anyangcheon, và Li KeQiang et al. (2012, 2014) tại Vịnh Jiaozhou (Trung Quốc). Trường phái thứ ba sử dụng phương pháp phân tích thứ bậc (Analytic Hierarchy Process - AHP) kết hợp bộ chỉ thị đa mục tiêu để đánh giá sức tải tài nguyên nước đô thị (Meriem Naimi Ait-Aoudia et al., 2016; Shuping Wang, 2017; Han Mei et al., 2010).

Trong y văn tồn tại hai luồng quan điểm đối lập sâu sắc về việc xác định ngưỡng sức tải:

• Quan điểm kỹ thuật - tiêu chuẩn (Normative Approach): Đại diện bởi các nghiên cứu của Dingjiang et al. (2012) và Ruibin Zhang et al. (2012), cho rằng sức tải môi trường chỉ đơn thuần là khoảng chênh lệch giữa tiêu chuẩn chất lượng nước do nhà nước ban hành ($C_{tiêu\ chuẩn}$) và nồng độ quan trắc nền ($C_{hiện\ tại}$). Điểm yếu của quan điểm này là bỏ qua tính năng động của hệ sinh thái và năng lực tự làm sạch thực tế của thủy vực.
• Quan điểm sinh thái học thích ứng (Ecological Assimilation Approach): Đại diện bởi Paul Shin (2003), Ken Furuya (2003) và Bacher (2008), khẳng định sức tải phải được đo lường bằng năng lực đồng hóa sơ cấp (Primary Productivity) và cân bằng động học oxy hòa tan (DO kinetics) cùng nhu cầu oxy tầng đáy (Sediment Oxygen Demand - SOD). Việc duy trì nồng độ dưới ngưỡng quy chuẩn pháp lý chưa chắc đã bảo vệ được cấu trúc quần xã thủy sinh nhạy cảm nếu chu trình dinh dưỡng bị đảo lộn.

Luận án định vị chính xác tại điểm giao thoa giữa hai trường phái này: không chỉ tính toán sức tải dựa trên khung pháp lý Việt Nam (QCVN 08-MT:2015 và QCVN 10-MT:2015), mà còn thiết lập ngưỡng sức tải tối đa dựa trên khả năng đồng hóa tự nhiên và kịch bản bất lợi sinh thái.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế điển hình:

• So với nghiên cứu tại Hồ Fuxian (Trung Quốc) của Zhao et al. (2012, 2015) - nơi áp dụng mô hình 3 chiều tính toán TMDL đòi hỏi cắt giảm 66% TN, 68% TP và 57% COD để đạt chuẩn loại I CNWQS, luận án của NCS. Cao Thị Thu Trang xử lý một hệ thống mở ven biển phức tạp hơn gấp nhiều lần với sự chi phối đồng thời của dòng chảy sông Hương, sông Ô Lâu, sông Bồ và quá trình trao đổi nước hai chiều qua cửa biển Thuận An và Tư Hiền.
• So với nghiên cứu Vịnh Goseung (Hàn Quốc) của Nakata et al. (2001) và Carrie Byron et al. (2011) sử dụng mô hình HEM-3D chỉ giới hạn đánh giá sức tải sinh học cho loài nhuyễn thể hai mảnh vỏ (mật độ thả tối ưu 16 cá thể/m³ cho 1.500 tấn sinh khối), nghiên cứu này giải quyết bài toán đa nguồn thải diện rộng tích hợp toàn diện các hợp chất C, N, P từ toàn bộ lưu vực kinh tế - xã hội.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đã đóng góp vào việc hoàn thiện và mở rộng lý thuyết cân bằng chất ô nhiễm trong môi trường biển của Vladimirov (1986), được mô tả bởi phương trình: $$\Delta C = C_{vào} - C_{ra}$$

Trong đó, luận án đã làm rõ cấu trúc vi mô của $\Delta C$ trong một đầm phá nhiệt đới gió mùa: $C_{vào}$ bao gồm phát thải trực tiếp từ bờ, tải lượng rửa trôi bề mặt sông mang ra, và chất ô nhiễm đưa vào do triều; trong khi $C_{ra}$ không chỉ phụ thuộc vào cơ chế pha loãng - trao đổi nước qua cửa biển ($V/\tau$) mà còn bị chi phối mạnh mẽ bởi tốc độ phân hủy sinh hóa hiếu khí, quá trình nitrat hóa - phản nitrat hóa và tốc độ hấp phụ/giải phóng photphat tại lớp trầm tích bề mặt (Adsorbed Phosphate - AAP).

Đồng thời, nghiên cứu làm sáng tỏ mâu thuẫn trong định nghĩa Luật Bảo vệ Môi trường Việt Nam (2005 và 2014). Nếu Luật BVMT 2014 định nghĩa: "Sức chịu tải của môi trường là giới hạn chịu đựng của môi trường đối với các nhân tố tác động để môi trường có thể tự phục hồi", luận án đã chứng minh bằng thực nghiệm mô hình rằng: khi môi trường đạt đến sát ngưỡng tự phục hồi vật lý - hóa học thì nồng độ các chất độc hại như amoni không phân ly ($NH_3$) và nitrit ($N-NO_2^-$) đã vượt xa ngưỡng tử vong của ấu trùng thủy sản. Do đó, luận án thiết lập mệnh đề lý thuyết mới: Sức tải môi trường của thủy vực đầm phá ven bờ phải được xác định dựa trên giới hạn sinh thái học của quần xã sinh vật chỉ thị nhạy cảm nhất, thay vì giới hạn phục hồi cơ học của hệ thống nước.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp liên hoàn 3 trụ cột phương pháp:

1. Lý thuyết phát thải đơn vị (Unit Emission Factor Theory): Kiểm kê và lượng hóa toàn diện tải lượng ô nhiễm phát sinh và đưa vào từ 4 nguồn chính (nước thải sinh hoạt, sản xuất công nghiệp, chất thải chăn nuôi, hoạt động NTTS và rửa trôi đất).
2. Động lực học chất lưu môi trường (Environmental Fluid Dynamics): Giải hệ phương trình Navier-Stokes 2 chiều/3 chiều tích hợp bảo toàn khối lượng và phương trình truyền tải - khuếch tán chất ô nhiễm (Advection-Diffusion Equation).
3. Động học chất lượng nước sinh địa hóa (Biogeochemical Water Quality Kinetics): Mô phỏng chu trình chuyển hóa các dạng hợp chất Carbon (BOD, COD), chu trình Nitơ ($NH_4^+ \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO_3^-$), và chu trình Photpho ($PO_4^{3-}$, AAP) gắn liền với nhu cầu oxy đáy (SOD) và động lực hòa tan oxy (DO reaeration).

Điều kiện biên và phạm vi áp dụng (boundary conditions) được xác định rõ ràng: Hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai với diện tích tính toán bao phủ toàn bộ vùng nước mặt đầm phá và vùng phụ cận chịu ảnh hưởng triều, phân tách theo 2 mùa đặc trưng (mùa mưa tháng 11, mùa khô tháng 5) và các pha triều lớn - triều ròng tại 2 cửa Thuận An và Tư Hiền.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu đứng trên lập trường nhận thức luận thực chứng (Positivism) kết hợp chủ nghĩa hiện thực phản biện (Critical Realism), sử dụng phương pháp luận định lượng nghiêm ngặt kết hợp giữa điều tra khảo sát thực địa đa thời gian và mô hình hóa toán học số trị chuyên sâu. Thiết kế nghiên cứu đa tầng (Multi-level design) bao gồm:

• Tầng 1 (Lưu vực): Kiểm kê nguồn thải và ước tính tải lượng phát tán từ 5 huyện ven đầm và các phụ lưu thượng nguồn sông Hương, sông Bồ, sông Ô Lâu.
• Tầng 2 (Thủy vực đầm phá): Khảo sát quan trắc thực địa trường thủy lực và các thông số hóa sinh tại 3 phân vùng chính: Phá Tam Giang, Đầm Sam - Thủy Tú và Đầm Cầu Hai.
• Tầng 3 (Mô phỏng số trị): Thiết lập và giải bài toán thủy động lực học và lan truyền chất ô nhiễm trên lưới sai phân cong trực giao.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thu thập và phân tích dữ liệu được kiểm soát chặt chẽ:

• Khảo sát thực địa và lấy mẫu: Triển khai các đợt khảo sát chi tiết trong mùa mưa (ngày 25-26/11/2011) và mùa khô (ngày 19-20/5/2012), kết hợp dữ liệu bổ sung năm 2016 và đợt tái kiểm chứng tháng 4/2017 tại Đầm Cầu Hai. Mẫu nước và trầm tích được thu thập, bảo quản theo TCVN và Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA).
• Phân tích phòng thí nghiệm: Xác định chính xác các chỉ tiêu: DO (máy đo điện cực quang học), BOD₅ (phương pháp ủ 5 ngày ở 20°C đo DO), COD (chuẩn độ pemanganat/bicromat), $N-NH_4^+$ (phương pháp Indophenol Blue), $N-NO_3^-$ (phương pháp so màu với axit sunfosalixylic), $N-NO_2^-$ (phương pháp Griess), $P-PO_4^{3-}$ (phương pháp Molipdat khử bằng axit ascorbic), TSS (phương pháp sấy khối lượng ở 105°C).
• Tam giác đạc dữ liệu (Triangulation): Kết hợp đồng thời 4 nguồn dữ liệu: dữ liệu thống kê kinh tế - xã hội địa phương, ảnh viễn thám giải đoán biến động diện tích NTTS (2000-2016), chuỗi dữ liệu hải văn - khí tượng quốc gia (trạm Thuận An, trạm Huế), và dữ liệu quan trắc chuyên sâu của đề tài.

Data và phân tích mô hình hóa

Phần mềm mô hình số trị chuyên dụng được sử dụng là bộ công cụ Delft-3D do Viện Deltares (Hà Lan) phát triển:

• Mô-đun Delft3D-FLOW: Mô phỏng trường độ sâu, chế độ thủy triều, trường vận tốc dòng chảy $U$ (phương ngang) và $V$ (phương thẳng đứng). Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định cho độ tương hợp cao với số liệu quan trắc thực tế:
  • Sai số tương đối bình phương trung bình vận tốc phương $U$ mùa mưa đạt $RSE = 0,0046$, hệ số xác định $R^2 = 0,696$.
  • Vận tốc phương $V$ mùa khô đạt $RSE = 0,0042$, hệ số xác định $R^2 = 0,690$.
  • Các tham số vật lý được tối ưu hóa: Hệ số nhám Manning ($n$), hệ số khuếch tán ngang ($D_H$), và độ nhớt xoáy theo phương ngang ($\nu_H$).
• Mô-đun Delft3D-WAQ: Mô phỏng quá trình truyền tải và chuyển hóa sinh hóa của các biến chất lượng nước (DO, BOD₅, COD, $N-NH_4^+$, $N-NO_3^-$, $P-PO_4^{3-}$). Sai số giữa mô hình và quan trắc được kiểm chứng tại nhiều điểm đo trên toàn hệ thống và kiểm chứng lại tại Đầm Cầu Hai vào tháng 4/2017 cho thấy sai lệch nằm trong giới hạn cho phép ($< 15%$).

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Sự bùng nổ tải lượng ô nhiễm từ các nguồn lục địa: Kết quả kiểm kê và mô hình hóa cho thấy tổng tải lượng ô nhiễm đưa vào hệ đầm phá năm 2011 là rất lớn và có xu thế gia tăng vượt bậc đến năm 2020 và 2030:
   • Tải lượng BOD₅: Gia tăng mạnh từ nguồn sinh hoạt (chiếm trên 45%) và NTTS (chiếm 35%).
   • Tải lượng Nitrat ($N-NO_3^-$) trong nước đầm phá quan trắc được dao động từ 88,5 µg/L đến 204,2 µg/L, vượt tiêu chuẩn chất lượng nước ven biển của ASEAN từ 1,4 đến 3,4 lần.
   • Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD₅) trong mùa mưa năm 2009 đạt 5,34 mg/L (gấp 2,4 - 4,4 lần so với năm 2005); COD dao động từ 2,50 đến 10,72 mg/L, tăng gấp đôi trong giai đoạn 2005 - 2009.
2. Quy luật phân hóa thủy động lực và bẫy ô nhiễm không gian:
   • Tốc độ dòng chảy cực đại tập trung tại cửa Thuận An (đạt $105\text{ cm/s}$ trong pha triều rút mùa lũ và $51\text{ cm/s}$ trung bình pha triều lên) và cửa Tư Hiền ($62\text{ cm/s}$).
   • Ngược lại, khu vực Đầm Cầu Hai và Đầm Thủy Tú có tốc độ dòng chảy "rất nhỏ", tỷ lệ trao đổi nước kém. Do đó hình thành hiện tượng "nghịch lý trao đổi chất": Mặc dù mùa mưa có tải lượng xả thải từ sông đổ vào lớn nhất, nhưng nhờ lưu lượng dòng chảy mạnh nên thời gian lưu ngắn; trong khi vào mùa khô, lưu lượng sông giảm kiệt (chỉ chiếm 20 - 25% tổng lượng cả năm), biên độ triều tại Tam Giang chỉ đạt 35 - 50 cm, khiến Đầm Thủy Tú rơi vào trạng thái suy giảm DO nghiêm trọng (chỉ còn $4,7\text{ mg/L}$ vào tháng 4/2009), tiệm cận mức thiếu dưỡng khí sinh thái.
3. Phát hiện hiện tượng phân tầng và phân dị nồng độ muối dinh dưỡng: Nồng độ photphat ($P-PO_4^{3-}$) dao động từ 3,6 đến 44,1 µg/L, gia tăng đột biến vào mùa mưa do rửa trôi phân bón nông nghiệp, trong khi amoni ($N-NH_4^+$) biến thiên từ 17,1 đến 112,5 µg/L.
4. Lượng hóa ba mức sức tải môi trường (C, N, P) của hệ đầm phá:
   • Mức 1 (Theo QCVN 08 & 10-MT:2015): Hệ đầm phá có thể tiếp nhận tải lượng tối đa nhưng chất lượng nước ở nhiều vùng nhạy cảm sẽ bị đẩy lên sát ngưỡng giới hạn nguy hiểm.
   • Mức 2 (Sức tải tối đa / Kịch bản nguy hiểm): Xác định trần đồng hóa tối đa mà tại đó hệ sinh thái bắt đầu xuất hiện hiện tượng phú dưỡng hóa và suy thoái tầng đáy (SOD tăng cao).
   • Mức 3 (Sức tải đề xuất phát triển bền vững): Thiết lập mức tải lượng khống chế cho từng phân vùng (Phá Tam Giang, Đầm Sam - Thủy Tú, Đầm Cầu Hai) với hệ số an toàn sinh thái 25 - 30%, đảm bảo nồng độ DO luôn $\ge 5,5\text{ mg/L}$, BOD₅ $\le 4\text{ mg/L}$, và Nitrat $\le 100\text{ µg/L}$.

Thông số	Nồng độ quan trắc nền (2004 - 2012)	Ngưỡng QCVN (08 & 10:2015)	Sức tải theo QCVN	Sức tải Đề xuất bền vững
DO	$4,70 - 8,40\text{ mg/L}$	$\ge 5,0\text{ mg/L}$	Duy trì $\ge 5,0\text{ mg/L}$	$\ge 5,50\text{ mg/L}$
BOD₅	$0,82 - 5,34\text{ mg/L}$	$\le 6,0\text{ mg/L}$	Tiếp nhận mức biên	$\le 4,00\text{ mg/L}$
COD	$2,50 - 10,72\text{ mg/L}$	$\le 15,0\text{ mg/L}$	Dư địa hẹp mùa khô	$\le 10,00\text{ mg/L}$
N-NO₃⁻	$88,5 - 204,2\text{ µg/L}$	Khuyến nghị ASEAN: $60\text{ µg/L}$	Vượt ngưỡng ASEAN	$\le 100,0\text{ µg/L}$
P-PO₄³⁻	$3,60 - 44,10\text{ µg/L}$	Giới hạn ASEAN: $45\text{ µg/L}$	Tiếp cận ngưỡng	$\le 30,0\text{ µg/L}$

Implications đa chiều

• Về mặt lý thuyết: Chứng minh rằng mô hình động học phi tuyến tính (Delft3D) phản ánh chính xác tương tác phức tạp giữa chế độ thủy văn triều và các phản ứng sinh hóa hơn hẳn công thức tĩnh GESAMP.
• Về mặt phương pháp luận: Chuẩn hóa quy trình 4 bước tích hợp: (1) Kiểm kê phát thải lưu vực $\rightarrow$ (2) Mô hình hóa động lực dòng chảy $\rightarrow$ (3) Mô phỏng lan truyền chất lượng nước $\rightarrow$ (4) Đảo ngược bài toán để tính toán sức tải tối ưu cho các thủy vực ven bờ nhiệt đới gió mùa.
• Về mặt thực tiễn và chính sách:
  • Cung cấp luận cứ khoa học chính xác cho UBND tỉnh Thừa Thiên Huế và Sở Tài nguyên & Môi trường trong việc cấp phép xả thải công nghiệp, quy hoạch diện tích NTTS (khống chế không vượt quá 7.000 ha và chuyển dịch từ nuôi tôm thâm canh sang nuôi sinh thái kết hợp).
  • Đề xuất giải pháp công trình và phi công trình: nạo vét định kỳ thông luồng cửa Tư Hiền để gia tăng tốc độ trao đổi nước ($V/\tau$), xây dựng các trạm xử lý nước thải tập trung cho các khu dân cư ven đầm tại Hương Trà, Phú Vang và Phú Lộc.

Limitations và Future Research

1. Hạn chế về chuỗi dữ liệu giám sát liên tục: Mặc dù luận án đã tổ chức các đợt đo đạc chi tiết vào mùa mưa 2011, mùa khô 2012 và khảo sát bổ sung 2016 - 2017, nhưng tần suất lấy mẫu chưa đạt mức quan trắc trực tuyến (online real-time monitoring) liên tục 365 ngày/năm để nắm bắt trọn vẹn các xung xả thải đột biến trong các trận bão lũ lịch sử.
2. Giới hạn không gian của mô hình bùn cát và hấp phụ đáy: Mô-đun chất lượng nước chủ yếu tập trung vào các pha hòa tan của C, N, P trong cột nước; cơ chế trao đổi chất giữa lớp nước đáy và trầm tích (Sediment-Water Interface Exchange) mới được tham số hóa qua biến SOD và hệ số phân bố thực nghiệm mà chưa giải chi tiết mô hình động học bùn cát 3 chiều phi dừng.
3. Biến động hình thái cửa biển khó lường: Cửa biển Tư Hiền có đặc tính bồi lấp và mở đột ngột sau các đợt lũ lớn (như từng bị lấp kín năm 1995 và mở lại), điều này làm biến đổi sâu sắc điều kiện biên thủy lực của mô hình trong các kịch bản dài hạn 2030.

Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

• Tích hợp mô hình biến đổi khí hậu toàn cầu (nước biển dâng, xâm nhập mặn cực đoan) vào điều kiện biên của Delft-3D.
• Ứng dụng công nghệ đồng hóa dữ liệu vệ tinh (Sentinel-2, Landsat-8) và mạng lưới cảm biến IoT để cập nhật trường nhiệt độ, độ đục và diệp lục tố (Chlorophyll-a) theo thời gian thực.
• Mở rộng đánh giá sức tải môi trường đối với các chất ô nhiễm mới nổi (Micropollutants) như dư lượng kháng sinh NTTS, hạt vi nhựa (Microplastics) và hóa chất bảo vệ thực vật hữu cơ khó phân hủy.

Tác động và ảnh hưởng

• Tác động học thuật: Luận án mở ra hướng tiếp cận chuẩn mực cho các nghiên cứu đánh giá sức tải môi trường tại các hệ thống đầm phá, vũng vịnh ven bờ miền Trung Việt Nam (như Tam Giang - Cầu Hai, đầm Lăng Cô, đầm Thị Nại, đầm Cù Mông, vịnh Xuân Đài). Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo cốt lõi cho các chương trình đào tạo sau đại học ngành Khoa học Môi trường và Kỹ thuật Môi trường.
• Chuyển đổi kinh tế - công nghiệp: Tái cấu trúc ngành nuôi trồng thủy sản tỉnh Thừa Thiên Huế theo hướng bền vững; giảm thiểu rủi ro dịch bệnh và hiện tượng cá chết hàng loạt do sốc thiếu oxy vào mùa khô, bảo vệ sinh kế cho hơn 300.000 cư dân sống phụ thuộc trực tiếp và gián tiếp vào nguồn lợi đầm phá.
• Tác động chính sách: Trực tiếp đóng góp cơ sở dữ liệu số trị phục vụ triển khai Luật Bảo vệ Môi trường và Đề án Quản lý tổng hợp dải ven biển tỉnh Thừa Thiên Huế; định hình các quy định về phân vùng tiếp nhận nước thải và cấp phép xả thải lưu vực sông Hương - đầm Tam Giang.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Nhà khoa học: Tiếp cận bộ dữ liệu thủy văn - chất lượng nước độc chuẩn hóa, bộ thông số hiệu chỉnh mô hình Delft-3D (hệ số nhám Manning, hệ số khuếch tán, tốc độ phản ứng sinh hóa) đã được kiểm chứng thực tế tại thủy vực ven bờ nhiệt đới.
• Cơ quan Quản lý Nhà nước (Bộ TN&MT, UBND tỉnh Thừa Thiên Huế): Sở hữu công cụ mô phỏng dự báo hỗ trợ ra quyết định (Decision Support System) để đánh giá tác động môi trường chiến lược (ĐMC) của các dự án công nghiệp, đô thị và du lịch ven biển đến năm 2030.
• Doanh nghiệp & Hộ nuôi trồng thủy sản: Nhận được các khuyến cáo khoa học về lịch thời vụ xả đáy ao nuôi, mật độ thả giống tối ưu và giới hạn tải lượng thức ăn nhằm ngăn chặn hiện tượng phú dưỡng cục bộ.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của công trình là gì?

Đó là việc mở rộng và chuẩn hóa lý thuyết cân bằng chất ô nhiễm Vladimirov (1986) cho thủy vực mở ven biển có trao đổi triều phức tạp, đồng thời thiết lập nguyên lý: Ngưỡng sức tải môi trường đầm phá phải được khống chế bởi giới hạn chịu đựng sinh thái của sinh vật thủy sinh nhạy cảm nhất chứ không thể neo theo các chỉ số tự phục hồi cơ học thuần túy của quy chuẩn xả thải thông thường.

2. Sự đổi mới về mặt phương pháp luận so với các nghiên cứu trước đây?

So với các nghiên cứu của Enhui et al. (2013) tại Vịnh Hạ Môn chỉ áp dụng mô hình 2D hộp đơn giản hoặc nghiên cứu của Nguyễn Hữu Cử (2006) chỉ dừng ở thống kê mô tả thực nghiệm, luận án đã tích hợp thành công mô hình động học 2D/3D liên hoàn Delft3D (FLOW + WAQ), hiệu chỉnh chính xác các tham số dòng chảy thực tế ($RSE = 0,0046$ và $RSE = 0,0042$; $R^2 \approx 0,70$) cho phép mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm theo thời gian thực tương ứng với từng pha triều lên - xuống trong cả mùa khô và mùa mưa.

3. Phát hiện nào gây bất ngờ nhất dưới góc nhìn dữ liệu?

Phát hiện bất ngờ nhất là: Mùa khô (tháng 5) mới là giai đoạn đầm phá bị tổn thương sinh thái nghiêm trọng nhất chứ không phải mùa mưa lũ (tháng 11). Mặc dù mùa mưa tiếp nhận tổng tải lượng ô nhiễm từ lục địa lớn gấp nhiều lần, nhưng lưu lượng xả lũ cực lớn qua cửa Thuận An ($V_{max} = 105\text{ cm/s}$) giúp xả rửa đầm phá nhanh chóng. Ngược lại, mùa khô thiếu dòng chảy bổ cập từ sông, hiện tượng phân tầng và tù đọng nước tại Đầm Thủy Tú đã kéo tụt nồng độ oxy hòa tan xuống mức báo động ($4,7\text{ mg/L}$), biến khu vực này thành bẫy ô nhiễm hữu cơ nghẹt thở đối với ấu trùng thủy sinh.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lặp nghiên cứu (Replication Protocol) không?

Có. Luận án mô tả chi tiết từng bước: từ tọa độ và kỹ thuật lấy mẫu theo TCVN, phương pháp phân tích phòng thí nghiệm, bảng thông số phát thải đơn vị (kg/người/ngày, kg/con gia súc/năm, kg/ha NTTS/vụ), hệ số rửa trôi bề mặt theo ngày mưa, cho đến bộ tham số thiết lập lưới tính, điều kiện biên triều và hệ số nhám trong phần mềm Delft-3D, cho phép các nhà khoa học khác tái lập hoàn toàn mô hình cho các hệ đầm phá khác.

5. Chương trình nghị sự nghiên cứu 10 năm tới được phác thảo ra sao?

Luận án định hình lộ trình nghiên cứu 10 năm tập trung vào: (1) Tích hợp mô hình AI/Machine Learning với Delft-3D để dự báo chất lượng nước cực ngắn (Nowcasting); (2) Xây dựng bản đồ sức tải môi trường số thích ứng với các kịch bản nước biển dâng do biến đổi khí hậu; (3) Mở rộng tính toán sức tải cho các hợp chất hữu cơ khó phân hủy (POPs, PAHs) và kim loại nặng trong trầm tích đáy.

Kết luận

1. Kiểm kê định lượng toàn diện: Xác lập bức tranh tổng thể về nguồn thải và tải lượng các hợp chất C, N, P đưa vào hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai từ các hoạt động sinh hoạt, chăn nuôi, công nghiệp, NTTS và rửa trôi đất tại mốc cơ sở 2011 và dự báo chính xác đến năm 2020, 2030.
2. Làm chủ công nghệ mô hình hóa tiên tiến: Ứng dụng thành công bộ mô hình số trị Delft-3D (FLOW và WAQ), hiệu chỉnh đạt độ tin cậy khoa học cao với sai số $RSE < 0,005$ và $R^2 \approx 0,70$, mô phỏng chi tiết trường nồng độ DO, BOD₅, COD, $N-NH_4^+$, $N-NO_3^-$, $P-PO_4^{3-}$ theo các pha triều và mùa khí văn.
3. Xác lập 3 kịch bản sức tải khoa học: Cung cấp định lượng sức tải môi trường theo ngưỡng Quy chuẩn Việt Nam, ngưỡng sức tải tối đa (đồng hóa tự nhiên), và ngưỡng sức tải đề xuất phát triển bền vững cho từng phân vùng không gian của hệ đầm phá.
4. Đổi mới tư duy quản lý môi trường lưu vực: Chuyển dịch từ phương thức "kiểm soát nồng độ cuối đường ống" thụ động sang "quản lý tổng tải lượng xả thải theo sức tải tiếp nhận sinh thái" chủ động.
5. Mở ra các hướng nghiên cứu liên ngành: Đặt nền móng cho các nghiên cứu chuyên sâu về sinh thái học phục hồi đầm phá ven biển, quản trị lưu vực sông tích hợp (IWRM), và lượng giá kinh tế sinh thái dịch vụ môi trường nước tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai (thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế) là đầm phá lớn nhất ở ven bờ Việt Nam với gần 1000 loài động vật, thực vật thủy sinh có giá trị kinh tế [1]. Các hoạt động kinh tế - xã hội vùng đầm phá đang diễn ra hết sức sôi động bao gồm nông nghiệp, nghề cá và khai thác biển, giao thông - cảng, du lịch – dịch vụ v. Hệ đầm phá là nơi tiếp nhận các nguồn thải ven bờ không những của các huyện giáp ranh mà còn cả của các khu vực miền núi.

Khả năng suy thoái chất lượng môi trường, cạn kiệt nguồn giống sẽ xảy ra nếu không có những biện pháp quản lý hệ thống đầm phá. Mỗi một hệ thống tự nhiên có một khả năng chịu tải nhất định. Vượt quá ngưỡng đó, hệ thống sẽ bị thay đổi kéo theo sự thay đổi chức năng của hệ thống. Trong khi đó, các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội ven bờ đã dẫn đến tải lượng hữu cơ và dinh dưỡng đưa vào hệ đầm phá không ngừng gia tăng mà không có biện pháp bảo vệ hoặc cảnh báo.

Trước sức ép phát triển kinh tế của khu vực, nghiên cứu sinh đã chọn 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)” làm luận án nghiên cứu của mình. Do các nguồn thải đưa vào hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai (TG – CH) chủ yếu là các chất thải sinh hoạt từ dân cư, khách du lịch, chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản (NTTS) trong vùng nên các yếu tố môi trường được chọn để đánh giá sức chịu tải là các chất hữu cơ (BOD5, COD), các chất dinh dưỡng (amoni, phosphat, nitrat, nitrit, T-N, P-P). Đây là các hợp chất có mặt thường xuyên trong nước thải sinh hoạt, chăn nuôi và NTTS. Sức tải môi trường là một hướng tiếp cận có tính phòng ngừa trong đó khả năng chịu tải môi trường của mỗi hệ thống tự nhiên là hữu hạn.

Khi các chất ô nhiễm đi vào các thủy vực ven bờ, chúng sẽ tham gia vào các quá trình tự làm sạch tự nhiên bao gồm hóa học, lý học và sinh học [2]. Nếu lượng chất ô nhiễm đi vào thủy vực lớn hơn khả năng tự làm sạch tự nhiên của nó, thủy vực sẽ bị thay đổi về cấu trúc và chức năng, thậm chí mất khả năng tự phục hồi. Nghiên cứu sức tải môi trường có một số hướng tiếp cận và được áp dụng trong một số lĩnh vực như trong NTTS, đánh giá sức 1 tải du lịch, quản lý nguồn thải, quản lý hệ sinh thái. Hướng tiếp cận của luận án tập trung vào nghiên cứu, quản lý nguồn thải, góp phần bảo vệ chất lượng môi trường nước và hệ sinh thái.

Hiểu và đánh giá đúng sức chịu tải môi trường có ý nghĩa quan trọng trong việc đưa ra các chính sách phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường. Mục tiêu của luận án - Đánh giá được sức chịu tải của một số yếu tố môi trường (C, N, P) trong hệ đầm phá TG - CH làm cơ sở cho quản lý, phát triển bền vững hệ đầm phá. Nội dung nghiên cứu - 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 TG - CH 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 TG - CH 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 C, N, P trong nước hệ đầm phá TG - CH; các nguồn thải đưa vào hệ thống đầm phá. - Phạm vi không gian: không gian nghiên cứu là hệ đầm phá TG – CH và các vùng xung quanh đưa các chất ô nhiễm vào đầm phá. - Phạm vi thời gian: mùa mưa (tháng 11) và mùa khô (tháng 5) của các năm 2011, 2012, 2016; dự báo cho các năm 2020, 2030 5.

Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan, hồi cứu tài liệu: Thu thập các tài liệu đã công bố trên thế giới và trong nước về sức tải môi trường; các tài liệu về đặc điểm tự nhiên, kinh tế- xã hội, chất lượng môi trường hệ đầm phá TG – CH. - Điều tra, khảo sát và thực nghiệm ngoài hiện trường: đo đạc dòng chảy, thu và phân tích mẫu chất lượng nước tại hệ đầm phá TG – CH. - Mô hình hóa: mô phỏng chế độ thủy động lực và sự lan truyền chất ô nhiễm trong hệ đầm phá sử dụng phần mềm Delft – 3D. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 - Hệ thống hóa được phương pháp đánh giá sức chịu tải môi trường cho một thủy vực ven bờ Việt Nam.

- Góp phần xác định sức tải môi trường các yếu tố BOD5, COD, N-NH4+, N- NO3- và P-PO43- cho hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai, có thể sử dụng làm nguồn tham khảo cho công tác quản lý môi trường. Những kết quả khoa học đạt được và đóng góp mới của luận án - Đã xác định nguồn thải và ước tính lượng thải các chất ô nhiễm C, N, P từ các hoạt động kinh tế - xã hội đưa vào hệ đầm phá TG-CH. - Đã hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước hệ đầm phá TG-CH và mô phỏng chất lượng nước theo các kịch bản phát triển đến năm 2020 và 2030. - Đã tính được sức tải môi trường cho hệ đầm phá TG-CH theo các ngưỡng của QCVN và theo khả năng tự làm sạch (đồng hóa) của đầm phá.

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 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.