Luận án TS: Nghiên cứu phân vùng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng - Lê Văn Nam

Luận án tiến sĩ này nghiên cứu phân vùng chất lượng nước tại vùng biển ven bờ thành phố Hải Phòng thông qua việc sử dụng các chỉ số chất lượng nước nhằm mục

• Tác giả: Lê Văn Nam
• Người hướng dẫn: TS. Lê Xuân Sinh
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu phân vùng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng bằng chỉ số chất lượng nước
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phân vùng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng

Nghiên cứu phân vùng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng bằng chỉ số chất lượng nước là luận án tiến sĩ thuộc chuyên ngành Quản lý tài nguyên và môi trường. Đề tài được thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam năm 2021. Hải Phòng là thành phố cảng lớn nhất miền Bắc, có vùng biển ven bờ chịu nhiều tác động từ hoạt động công nghiệp, đô thị và nuôi trồng thủy sản. Việc đánh giá chất lượng nước đòi hỏi phương pháp định lượng khoa học, thay thế cách đánh giá định tính truyền thống. Chỉ số chất lượng nước (WQI) được sử dụng để tổng hợp nhiều thông số thành một giá trị duy nhất, phản ánh mức độ ô nhiễm tổng thể. Phương pháp này giúp cơ quan quản lý dễ dàng theo dõi, so sánh và ra quyết định. Nghiên cứu xây dựng chỉ số WQI riêng cho vùng biển ven bờ Hải Phòng, gọi là WQIHP, phù hợp với đặc điểm tự nhiên và nguồn thải khu vực.

1.1. Khái niệm chỉ số chất lượng nước WQI

Chỉ số chất lượng nước (Water Quality Index - WQI) là đại lượng số học tổng hợp nhiều thông số môi trường thành một giá trị duy nhất. WQI phản ánh mức độ chất lượng nước trên thang điểm xác định. Quy trình xây dựng WQI bao gồm lựa chọn thông số, tính chỉ số phụ để chuẩn hóa về cùng thang đo, xác định trọng số theo tầm quan trọng, và áp dụng công thức toán học để tính giá trị cuối cùng. WQI giúp so sánh chất lượng nước giữa các vị trí và thời điểm khác nhau một cách dễ dàng.

1.2. Tình hình nghiên cứu WQI trên thế giới và Việt Nam

Trên thế giới, nhiều quốc gia đã phát triển chỉ số WQI áp dụng cho vùng biển ven bờ như Mỹ, Ấn Độ, Nam Phi, Thái Lan, Ai Cập. Tại Việt Nam, năm 2010 Cục Kiểm soát ô nhiễm đề xuất SWQI với 6 thông số: TSS, COD, amoni, dầu mỡ, Pb và tổng Coliform. Tuy nhiên, phương pháp này chưa đủ tính đại diện. Các nghiên cứu của Hồ Công Hòa (2009) áp dụng WQI-CCME cho vùng biển Đà Nẵng và Phạm Ngọc Hồ (2011) cũng có hạn chế tương tự về trọng số và thông số.

II. Các vấn đề trong đánh giá chất lượng nước biển ven bờ hiện nay

Đánh giá chất lượng nước biển ven bờ tại Việt Nam gặp nhiều thách thức. Phương pháp truyền thống dựa trên so sánh nồng độ từng thông số với tiêu chuẩn QCVN 10-MT:2015/BTNMT chỉ cho kết quả cục bộ, không phản ánh bức tranh tổng thể. Chỉ số SWQI của Cục Kiểm soát ô nhiễm sử dụng phương pháp trung bình cộng không có trọng số, khiến các thông số có tầm quan trọng khác nhau bị đánh đồng. Số lượng thông số lựa chọn còn hạn chế, chưa đủ đại diện cho đặc trưng vùng biển. Vùng biển ven bờ Hải Phòng chịu tác động đa nguồn: nước thải công nghiệp từ các khu công nghiệp, nước thải sinh hoạt từ đô thị, hoạt động cảng biển và nuôi trồng thủy sản. Địa hình đáy biển phức tạp, chế độ thủy triều lớn làm quá trình pha trộn nước diễn ra mạnh. Do đó, cần phương pháp đánh giá tổng hợp, có trọng số phù hợp để phản ánh chính xác chất lượng nước khu vực.

2.1. Hạn chế của phương pháp đánh giá truyền thống

Phương pháp đánh giá chất lượng nước biển ven bờ hiện hành có nhiều hạn chế. Việc so sánh từng thông số riêng lẻ với tiêu chuẩn QCVN không cho phép tổng hợp thành đánh giá chung. SWQI của Cục Kiểm soát ô nhiễm áp dụng cách tính trung bình cộng đơn giản, không phân biệt tầm quan trọng giữa các thông số. Chẳng hạn, kim loại nặng có độc tính cao nhưng được đánh đồng với TSS. Số lượng thông số chỉ gồm 6 loại, thiếu các chỉ tiêu quan trọng như DO, pH, phosphat và kim loại nặng khác.

2.2. Tác động đa nguồn đến vùng biển ven bờ Hải Phòng

Vùng biển ven bờ Hải Phòng chịu áp lực từ nhiều nguồn ô nhiễm khác nhau. Nước thải công nghiệp từ các khu công nghiệp Đình Vũ, Nam Cầu Kiền chứa kim loại nặng và chất hữu cơ. Nước thải sinh hoạt từ nội thành Hải Phòng có hàm lượng chất dinh dưỡng cao. Hoạt động cảng biển gây ô nhiễm dầu mỡ và TSS. Nuôi trồng thủy sản tại Đồ Sơn và Bạch Long Vĩ thải ra lượng lớn chất hữu cơ và chất dinh dưỡng. Các nguồn thải này tích lũy, tạo áp lực lớn lên hệ sinh thái biển.

III. Phương pháp xây dựng chỉ số chất lượng nước WQIHP cho Hải Phòng

Luận án xây dựng chỉ số WQIHP qua 6 bước quy trình khoa học. Bước 1: Lựa chọn thông số tính WQI dựa trên đặc trưng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng. Bước 2: Tính chỉ số phụ để chuyển đổi các thông số về cùng thang đo. Bước 3: Xác định trọng số cho từng thông số theo tầm quan trọng. Bước 4: Áp dụng công thức toán học xác định để tính giá trị WQIHP cuối cùng. Bước 5: Xây dựng thang phân loại chất lượng nước. Bước 6: Kiểm nghiệm công thức. Phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) được sử dụng để lựa chọn thông số đại diện. Các thông số quan trắc bao gồm: nhiệt độ, độ muối, pH, DO, TSS, amoni, phosphat, florua, kim loại nặng, tổng dầu mỡ khoáng và Coliform. Trạm quan trắc Đồ Sơn thuộc hệ thống mạng quan trắc quốc gia cung cấp dữ liệu nền cho nghiên cứu.

3.1. Lựa chọn thông số bằng phương pháp PCA

Phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) giúp xác định các thông số có tương quan cao, giảm chiều dữ liệu và lựa chọn nhóm thông số đại diện. PCA phân tích ma trận tương quan giữa các biến môi trường, từ đó xác định các thành phần chính giải thích phần lớn phương sai dữ liệu. Thông số có hệ số tải trọng cao trên cùng thành phần chính được ưu tiên lựa chọn. Phương pháp này đảm bảo tính khoa học và giảm thiểu trùng lặp thông tin khi xây dựng WQIHP cho vùng biển ven bờ Hải Phòng.

3.2. Xây dựng thang phân loại và kiểm nghiệm WQIHP

Thang phân loại chất lượng nước theo WQIHP được xây dựng dựa trên phân tích thống kê dữ liệu quan trắc thực tế. Giá trị WQIHP được chia thành các bậc chất lượng từ rất tốt đến rất xấu, tương ứng với mức độ ô nhiễm tăng dần. Kiểm nghiệm công thức WQIHP được thực hiện bằng cách so sánh kết quả đánh giá với thực tế chất lượng nước tại các trạm quan trắc. Độ tin cậy của WQIHP được xác minh qua phân tích tương quan giữa giá trị WQIHP và nồng độ các thông số riêng lẻ.

IV. Kết luận và ứng dụng của chỉ số WQIHP trong quản lý môi trường biển

Nghiên cứu đã xây dựng thành công chỉ số chất lượng nước WQIHP áp dụng cho vùng biển ven bờ Hải Phòng. Chỉ số này tổng hợp nhiều thông số môi trường thành giá trị duy nhất, phản ánh mức độ chất lượng nước tổng thể. WQIHP khắc phục hạn chế của phương pháp truyền thống bằng cách áp dụng trọng số cho từng thông số theo tầm quan trọng. Kết quả phân vùng chất lượng nước cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các khu vực ven bờ. Khu vực gần cảng và khu công nghiệp có WQIHP thấp hơn so với khu vực ngoài khơi. Ứng dụng thực tiễn của WQIHP bao gồm: theo dõi diễn biến chất lượng nước theo thời gian, phân vùng ô nhiễm phục vụ quy hoạch sử dụng biển, đánh giá hiệu quả các biện pháp xử lý ô nhiễm. Kết quả nghiên cứu cung cấp công cụ khoa học cho cơ quan quản lý môi trường trong việc ra quyết định bảo vệ vùng biển ven bờ Hải Phòng.

4.1. Kết quả phân vùng chất lượng nước ven bờ Hải Phòng

Kết quả tính toán WQIHP cho thấy chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng có sự phân hóa rõ rệt theo không gian. Khu vực cửa sông, gần cảng và khu công nghiệp có giá trị WQIHP thấp, phản ánh mức ô nhiễm cao. Khu vực xa bờ và khu vực Đồ Sơn có WQIHP cao hơn, chất lượng nước tốt hơn. Sự phân vùng này phù hợp với đặc điểm nguồn thải và điều kiện tự nhiên khu vực. Kết quả là cơ sở khoa học để quy hoạch bảo vệ môi trường biển.

4.2. Ứng dụng WQIHP trong quản lý tài nguyên biển

Chỉ số WQIHP có nhiều ứng dụng thực tiễn trong quản lý tài nguyên và môi trường biển. Cơ quan quản lý sử dụng WQIHP để theo dõi diễn biến chất lượng nước theo thời gian, phát hiện sớm xu hướng ô nhiễm. Kết quả phân vùng giúp quy hoạch không gian biển, xác định khu vực ưu tiên bảo vệ. WQIHP cũng được dùng để đánh giá hiệu quả các dự án xử lý ô nhiễm và đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng nước phù hợp cho từng vùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, kết luận và các phụ lục (6 phụ lục), luận án bao gồm ba chương là: (i) Tổng quan tài liệu; (ii) Phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu, (iii) Kết quả nghiên cứu và thảo luận. Trong phần tổng quan tài liệu, luận án đã phân tích, đánh giá các chỉ số chất lượng nước trên thế giới và tại Việt Nam. Ngoài ra nội dung phần này còn phân tích, đánh giá đặc điểm về điều kiện tự nhiên, môi trường, tài nguyên và nguồn thải tác động đến chất lượng nước biển tại khu vực nghiên cứu. Phần phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu nêu tóm tắt về phạm vi địa lý và vấn đề nghiên cứu, các đối tượng và cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án.

Trong phần kết quả nghiên cứu và thảo luận, luận án đã trình bày chi tiết các kết quả đã thu được theo đúng các nội dung đã đề ra, bao gồm: (1) Phân tích, đánh giá chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng (Hiện trạng, diễn biến chất lượng nước và quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong nước). (2) Nghiên cứu phát triển chỉ số chất lượng nước phù hợp với đặc điểm môi trường nước biển ven bờ và hiện trạng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng; (3) Phân vùng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng; (4) Đề xuất các giải pháp bảo vệ môi trường vùng biển Hải Phòng. Luận án đã tham khảo 158 tài liệu tham khảo, bao gồm 65 tài liệu tham khảo tiếng Việt và 93 tài liệu tham khảo bằng tiếng Anh. Tổng quan về chỉ số chất lượng nước 1.

Khái niệm chỉ số chất lượng nước Năm 1960, sau hàng loạt nghiên cứu, nước Mỹ đưa ra chỉ số chất lượng môi trường bao gồm 6 thành phần là: không khí, nước, đất, rừng, đời sống hoang dã và khoàng chất [4]. Đến năm 1965, Horton khởi đầu cho việc đánh giá chất lượng nước sử dụng chỉ số là các con số và xây dựng trên thang số. Trong đó, chỉ số chất lượng nước (WQI) là một thông số "tổ hợp" được tính toán từ nhiều thông số chất lượng nước theo một phương pháp xác định (hay theo một công thức toán học xác định) [5]. WQI dùng để mô tả định lượng về chất lượng nước và được biểu diễn qua một thang điểm, từ đó đơn giản hóa chúng thành các kết luận đơn giản về chất lượng nước như rất tốt, tốt, trung bình, kém và rất kém.

Hiện nay, nhiều chỉ số chất lượng nước đã được phát triển và áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới (Mỹ, Canada, Bỉ, Thổ Nhĩ Kỳ, Ấn Độ, Thái Lan, Malayxia, Đài Loan,…). Một trong những bộ chỉ số nổi tiếng và được áp dụng rộng rãi trên thế giới là bộ chỉ số WQI-NSF (National Sanitation Foundation - Water Quality Index) của Quỹ vệ sinh Quốc gia Mỹ. Các ứng dụng chủ yếu của WQI bao gồm: - Phản ánh hiện trạng và xu thế biển đổi chất lượng môi trường nước (phân tích diễn biến chất lượng nước theo không gian và thời gian), đảm bảo tính phòng ngừa của công tác quản lý môi trường [4]. - Phục vụ quá trình ra quyết định: WQI có thể được sử dụng làm cơ sở cho việc ra các quyết định phân bổ tài chính và xác định các vấn đề ưu tiên.

- Phân vùng chất lượng nước , so sánh chất lượng nước tại các địa điểm khác nhau hoặc các khu vực địa lý. - Thu gọn kích thước, đơn giản hóa thông tin để dễ quản lý, sử dụng và lưu trữ, tạo ra tính hiệu quả của thông tin [4]. - Thực thi tiêu chuẩn/quy chuẩn: WQI có thể đánh giá được mức độ đáp ứng/không đáp ứng của chất lượng nước đối với tiêu chuẩn/quy chuẩn hiện hành. - Công bố thông tin cho cộng đồng.

- Nghiên cứu khoa học: các nghiên cứu chuyên sâu về chất lượng nước thường không sử dụng WQI, tuy nhiên WQI có thể sử dụng cho các nghiên cứu vĩ mô khác 6 như đánh giá tác động của quá trình đô thị hóa đến chất lượng nước khu vực, đánh giá hiệu quả kiểm soát phát thải. Quy trình xây dựng chỉ số WQI Hiện nay, các mô hình WQI đều được xây dựng thông qua quy trình 5 bước sau đây: Bước 1: Lựa chọn các thông số tính WQI. Bước 2: Tính toán chỉ số phụ - chuyển đổi các thông số về cùng một thang đo. Bước 3: Xác định trọng số của các thông số tính WQI.

Bước 4: Tính toán chỉ số cuối cùng - tính các giá trị WQI theo công thức toán học xác định. Bước 5: Xây dựng thang phân loại chất lượng nước theo WQI. Lựa chọn các thông số tính WQI Ott (1978), Dunnette (1979), Tebbutt (2002) và Phạm Ngọc Hồ (2015) đã đưa ra các tiêu chí lựa chọn thông số để tính chỉ số chất lượng nước (WQI) như sau [5, 6, 7, 8]: - Thông số được đo đạc thường xuyên và thường được sử dụng; - Thông số có ảnh hưởng rõ rệt đến hệ thủy sinh hoặc hoạt động giải trí của con người; - Thông số có nguồn gốc nhân sinh, gắn với các hoạt động xả thải; - Thông số dễ dàng kiểm soát thông qua các chương trình giảm thiểu ô nhiễm; - Thông số có khoảng giá trị phản ánh rõ ràng mức độ ô nhiễm, từ không ô nhiễm đến ô nhiễm nặng. - Không nên lựa chọn quá nhiều thông số đặc trưng (đại diện) ít khi vượt quá giới hạn cho phép sẽ làm tăng giá trị WQI dẫn đến làm tăng tính che khuất của các thông số này đối với một số thông số lớn hơn giới hạn cho phép.

- Khi lựa chọn các thông số đặc trưng đề đánh giá chất lượng nước cho một khu vực nghiên cứu cụ thể dựa vào các tiêu chí nêu trên, nhưng thông số cần phải lựa chọn lại không có trong QCVN, có thể tham khảo tài liệu nước ngoài để bổ sung thông số này đưa vào đánh giá nhưng cần chỉ rõ lý do và tiêu chuẩn cho phép của loại nước cần áp dụng. - Các thông số tính WQI cho môi trường nước mặt lục địa (nước ngọt) cần được lựa chọn trong 5 nhóm chỉ thị chất lượng nước, bao gồm: (1) - nhóm hàm 7 lượng ôxy hòa tan, nhu cầu ôxy hóa học, nhu cầu ôxy sinh hóa; (2) - nhóm phú dưỡng; (3) - nhóm tác động đến sức khỏe; (4) - nhóm đặc tính vật lý và (5) - nhóm chất rắn trong nước. - Hiện trạng chất lượng nước, các nguồn thải và mục đích sử dụng nước. Trong bộ chỉ thị về môi trường quốc gia theo Thông tư số 10/2009/BTNMT ngày 11 tháng 8 năm 2009, đã quy định về bộ chỉ thị môi trường quốc gia đối với môi trường nước biển ven bờ là: DO, BOD5, NH4+, dưỡng chất (theo N-T và P-T hoặc theo NO3-, NO2-, PO43-), clo hữu cơ, dầu mỡ, kim loại nặng, chl-a [9].

Báo cáo "Xây dựng bộ tiêu chí khoanh vùng kiểm soát ô nhiễm môi trường nước biển ven bờ" của Cục Kiểm soát ô nhiễm (Tổng cục Môi trường) năm 2010 chọn các thông số tính WQI, dùng để đánh giá chất lượng nước biển ven bờ là: TSS, COD, NH4+, dầu mỡ, Pb, T. Trong Quyết định Số: 1460/QĐ-TCMT ngày 12 tháng 11 năm 2019, của Tổng cục Môi trường (Bộ Tài nguyên và Môi trường) về việc ban hành Hướng dẫn kỹ thuật tính toán và công bố chỉ số chất lượng nước Việt Nam (VN_WQI). Các thông số được sử dụng để tính VN_WQI được chia thành 05 nhóm thông số, bao gồm các thông số: Nhóm I (thông số pH), nhóm II (nhóm thông số thuốc bảo vệ thực vật), nhóm III (nhóm thông số kim loại nặng), nhóm IV (nhóm thông số hữu cơ và dinh dưỡng), nhóm V (nhóm thông số vi sinh) [11]. Trong các công thức tính WQI, công thức của Canada và của Phạm Ngọc Hồ (2012) thì không giới hạn thông số tính toán [12, 13].

Ngoài ra, phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) đã được sử dụng trong bước lựa chọn thông số tính WQI [14, 15]. Phương pháp PCA là một trong những phương pháp phân tích thống kê đa biến, PCA được áp dụng để giảm số chiều của một tập dữ liệu bao gồm một số lượng lớn của các biến liên quan. Kết quả tổng hợp trong Phụ lục 1 cho thấy, các thông số thường được chọn để tính WQI là: nhiệt độ, pH, DO (hoặc % ôxy bão hòa), TSS, BOD5, NH4+ (hoặc NH3), PO43-, coliform. Các thông số thường được chọn để tính WQI (nước biển) là DO (hoặc % ôxy bão hòa), tổng nitơ, tổng photpho, chlorophyll a, độ trong, NH3, NO3-, PO43-, BOD5, TSS; số lượng các thông số được chọn để tính WQI từ 8 đến 10 thông số.

Tính toán chỉ số phụ (chuyển đổi các thông số về cùng một thang đo) Các thông số thường có đơn vị khác nhau và khoảng nồng độ khác nhau. Vì vậy cần phải chuyển đổi để loại bỏ các đơn vị khác nhau và thống nhất nồng độ về một thang đo. Bước này sẽ tạo ra một chỉ số phụ cho mỗi thông số. Có nhiều phương pháp tính toán chỉ số phụ như: Phương pháp đánh giá đường cong tỉ lệ [16], phương pháp tính toán độ lệch chuẩn [12], phương pháp chuyển đổi logarit [17] và phương pháp phân tích hồi quy [18].

Trong đó phương pháp đánh giá đường cong tỉ lệ được sử dụng phổ biến nhất [3]. Ngoài ra, theo Phạm Ngọc Hồ và nnk (2015) [8] đề xuất phương pháp tính chỉ số phụ ứng với từng loại tiêu chuẩn nước khảo sát đối với nhóm thông số thuộc tiêu chuẩn dưới, tiêu chuẩn trên và tiêu chuẩn trong đoạn. Xác định trọng số của các thông số tính WQI Khi đánh giá chất lượng nước thì mỗi thông số có tầm quan trọng khác nhau. Vì vậy, cần thiết phải đưa ra một trọng số cho mỗi thông số đã lựa chọn.

Thông thường, trọng số lớn nhất được gán cho thông số quan trọng nhất. Trong hầu hết trường hợp, tổng các trọng số bằng 1 [3, 19, 20, 21], hoặc có thể thiết lập trong phạm vi từ 1 đến 4 [3, 22]. Có một số nghiên cứu cho rằng sử dụng trọng số khi tính WQI là không cần thiết [23, 24, 25, 26]. Hiện nay trên thế giới, trọng số có thể xác định bằng phương pháp Delphi (tham khảo ý kiến chuyên gia); phương pháp cho điểm đánh giá tầm quan trọng dựa vào mục đích sử dụng hoặc tầm quan trọng của các thông số đối với đời sống thủy sinh; phương pháp tính toán trọng số dựa trên các tiêu chuẩn hiện hành, dựa trên đặc điểm của nguồn thải vào lưu vực; các phương pháp thống kê.