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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----  ---- Lê Văn Nam NGHIÊN CỨU PHÂN VÙNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÙNG BIỂN VEN BỜ HẢI PHÒNG BẰNG CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----  ---- Lê Văn Nam NGHIÊN CỨU PHÂN VÙNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÙNG BIỂN VEN BỜ HẢI PHÒNG BẰNG CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường Mã số: 9850101 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Lê Xuân Sinh 2.TS Đặng Thị Kim Chi Hà Nội - 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án "Nghiên cứu phân vùng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng bằng chỉ số chất lượng nước" là công trình của riêng bản thân tôi. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được sử dụng trong luận án nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 LÊ VĂN NAM ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, cho phép tôi được bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Lê Xuân Sinh và GS.TS Đặng Thị Kim Chi - thầy cô hướng dẫn khoa học, đã tạo điều kiện tối đa, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, hướng dẫn tôi thực hiện đề tài và viết luận án, đồng thời luôn động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ, cùng các thầy cô trong khoa Khoa học và Công nghệ biển đã luôn động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Tài nguyên và Môi trường biển, Phòng Hóa Môi trường biển đã luôn động viên và tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình luôn là chỗ dựa vững chắc cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, ngày…… tháng……năm 2021 Nghiên cứu sinh LÊ VĂN NAM iii MỤC LỤC MỤC LỤC . iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. viii DANH MỤC CÁC BẢNG . ix DANH MỤC CÁC HÌNH . xi MỞ ĐẦU . Tổng quan về chỉ số chất lượng nước . Khái niệm chỉ số chất lượng nước . Quy trình xây dựng chỉ số WQI . Lựa chọn các thông số tính WQI . Tính toán chỉ số phụ (chuyển đổi các thông số về cùng một thang đo) 8 1. Xác định trọng số của các thông số tính WQI. Tính toán chỉ số cuối cùng (tính các giá trị WQI theo công thức toán học xác định) . Xây dựng thang phân loại chất lượng nước theo WQI . Tình hình nghiên cứu và ứng dụng WQI trên thế giới và tại Việt Nam . Trên thế giới . Tại Việt Nam . Ưu điểm và hạn chế của WQI. Tình hình nghiên cứu phân vùng chất lượng nước biển . Giới thiệu chung về khu vực nghiên cứu . Vị trí địa lý . Đặc điểm khí tượng, thuỷ - hải văn . Đặc trưng về khí hậu . Đặc điểm thủy văn sông và hải văn . Đặc điểm địa hình, địa chất . Đặc điểm địa hình. Đặc điểm địa chất . Hiện trạng đa dạng sinh học . Các hệ sinh thái . Đa dạng sinh học . Các nguồn thải tác động đến chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng . Nguồn thải phát sinh . Nguồn thải đưa vào . PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU31 2. Phạm vi nghiên cứu . Phạm vi địa lý . Phạm vi vấn đề nghiên cứu . Đối tượng nghiên cứu. Cách tiếp cận . Các bước thực hiện vấn đề nghiên cứu . Tiếp cận hệ thống. Tiếp cận liên ngành . Tiếp cận quản lý biển theo không gian . Các phương pháp nghiên cứu . Thu thập phân tích, đánh giá tổng hợp và thừa kế dữ liệu . Phương pháp xây dựng chỉ số chất lượng nước . Lựa chọn các thông số tính WQI . Phương pháp phân nhóm các thông số chất lượng nước. Xây dựng chỉ số phụ (qi) . Xác định trọng số của các thông số tính WQI. Đánh giá, lựa chọn công thức tính WQI . Xây dựng thang phân loại chất lượng nước theo WQI . Kiểm nghiệm công thức WQI . Phương pháp phân vùng chất lượng nước theo WQI . Phương pháp nội suy không gian . Số hóa bản đồ nền . Thiết lập hệ tọa độ . Tỷ lệ bản đồ . Xây dựng chú giải . Biên tập kỹ thuật. Phương pháp mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm trong thủy vực . Phương pháp điều tra, khảo sát chất lượng nước và phân tích trong phòng thí nghiệm . Vị trí và thời gian quan trắc . Thông số quan trắc . Phương pháp thu mẫu, bảo quản mẫu, đo đạc tại hiện trường và phân tích trong phòng thí nghiệm . Phương pháp hỗ trợ. Phương pháp đánh giá rủi ro ô nhiễm môi trường nước biển . Phương pháp xử lý số liệu . KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN . Chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng . Hiện trạng và diễn biến chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng . Các yếu tố hóa lý cơ bản . Các chất hữu cơ tiêu hao ôxy . Các muối dinh dưỡng và chlorophyll-a . Đánh giá chung về chất lượng nước và rủi ro ô nhiễm môi trường nước vùng biển ven bờ Hải Phòng . Khả năng lan truyền chất ô nhiễm trong nước vùng biển ven bờ Hải Phòng . Thủy động lực và trao đổi nước . Kết quả mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm trong nước . Thiết lập chỉ số chất lượng nước cho vùng biển ven bờ Hải Phòng . Phân tích và lựa chọn thông số tính toán WQI . Kết quả phân tích PCA các thông số chất lượng nước . Xác định trọng số của thông số tính WQI . Phân tích và lựa chọn hàm tổng hợp WQI (tổng quát) . Đánh giá nhược điểm của các hàm tổng hợp (WQI) được sử dụng thường xuyên . Đề xuất công thức tính WQI tổng quát cho vùng biển ven bờ Hải Phòng . Phân nhóm thông số tính WQI . Xác định trọng số của các nhóm thông số tính WQI . Kết quả thiết lập WQI áp dụng cho vùng biển ven bờ Hải Phòng . Xây dựng các chỉ số phụ và giản đồ chỉ số phụ. Xây dựng thang phân loại WQI cho vùng biển ven bờ Hải Phòng . Kiểm nghiệm công thức tính WQI cho vùng biển ven bờ Hải Phòng . So sánh công thức tính WQI đã xây dựng với một số công thức khác . Đánh giá chung công thức tính WQI cho vùng biển ven bờ Hải Phòng 112 3. Phân vùng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng . Cơ sở phân vùng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng . Kết quả phân vùng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng . Kết quả phân vùng chất lượng nước trong mùa khô . Kết quả phân vùng chất lượng nước trong mùa mưa . Tổng hợp đánh giá kết quả phân vùng chất lượng nước . Đề xuất giải pháp bảo vệ môi trường nước vùng biển ven bờ Hải Phòng 127 3. Mục tiêu bảo vệ chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng . Giải pháp chung . Giải pháp quản lý . Định hướng quản lý và các hoạt động sử dụng các vùng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng . Kiểm soát nguồn phát thải đưa ra biển . Giải pháp kỹ thuật .131 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .134 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .136 TÀI LIỆU THAM KHẢO .137 PHẦN PHỤ LỤC.151 Phụ lục 1: Tổng hợp tình hình nghiên cứu và ứng dụng WQI trên thế giới và tại Việt Nam . i vii Phụ lục 2: Giá trị DObão hòa theo nhiệt độ, độ mặn và tại áp suất 1atm . xi Phụ lục 3: Tính toán kiểm nghiệm WQI cho vùng biển ven bờ Hải Phòng với các số liệu giả định . xii Phụ lục 4: Tính trọng số WQI .xxv Phụ lục 5: Kết quả tính WQI . lxi Phụ lục 6: Một số hình ảnh trong quá trình nghiên cứu . lxxiii viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT BOD: Biochemical Oxygen Demand (Nhu cầu ôxy sinh hóa) BVMT: Bảo vệ môi trường CB: Cát Bà COD: Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu ôxy hóa học) ĐBĐS: Đông Bắc Đồ Sơn DIC: Dissolved inorganic cacbon (Cacbon vô cơ hòa tan) DOC: Dissolved organic cacbon (Cacbon hữu cơ hòa tan) GHCP: Giới hạn cho phép GTGH: Giá trị giới hạn HCBVTV: Hóa chất bảo vệ thực vật HST: Hệ sinh thái KLN: Kim loại nặng NCS: Nghiên cứu sinh NL: Nước lớn NTTS: Nuôi trồng thủy sản N-T: Nitơ tổng NR: Nước ròng PCA: Principal Components Analysis (Phân tích thành phần chính) P-T: Photpho tổng POC: Particulate organic cacbon (Cacbon hữu cơ không tan) QCVN: Quy chuẩn kỹ thuật Quốc Gia TNĐS: Tây Nam Đồ Sơn TS: Thông số TVNM: Thực vật ngập mặn TVPD: Thực vật phù du VCS: Vùng cửa sông VN: Vùng ngoài WQI: Water Quality Index (Chỉ số chất lượng nước) ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Các công thức tính WQI tổng quát . Các tiêu chí đánh giá WQI . Tổng tải lượng ô nhiễm phát sinh trong khu vực . Tổng tải lượng ô nhiễm từ các nguồn đưa vào VCS Bạch Đằng . Kỹ thuật bảo quản mẫu sử dụng trong quan trắc môi trường . Trọng số của các thông số ô nhiễm tính RQ. Giá trị BOD5 trong nước biển ven bờ Hải Phòng . Hàm lượng nitrit trong nước biển ven bờ Hải Phòng . Hàm lượng KLN trong nước vùng biển ven bờ Hải Phòng . Hàm lượng xyanua trong nước biển ven bờ Hải Phòng . Hàm lượng HCBVTV trong nước ven biển Hải Phòng . Hàm lượng HCBVTV trong nước vùng biển Hải Phòng 2017-2018 . Hàm lượng PAHs trong nước vùng biển Hải Phòng 2017-2018. Giá trị RQ tại các điểm khảo sát vùng biển ven bờ thành phố Hải Phòng . Kết quả phân tích PCA và gia trị S . Kết quả xác định trọng số (wi) tính WQI . Kết quả tính WQI của các hàm tổng hợp trong trường hợp lý tưởng khi một chỉ số phụ cực trị bằng 0 hoặc 1, các chỉ số phụ khác bằng 100 . Kết quả tính trọng số của các nhóm thông số . Bảng quy định các giá trị chỉ số phụ qi tương ứng với hàm lượng Ci . Xây dựng ngưỡng phân loại chất lượng nước . Kết quả tính WQI theo ngưỡng phân loại chất lượng nước . Kết quả xây dựng thang phân loại chất lượng nước . So sánh công thức tính WQIHP đã xây dựng với một số công thức khác .