Tổng quan nghiên cứu

Tài nguyên nước mặt đóng vai trò huyết mạch trong sự phát triển kinh tế - xã hội của Việt Nam với tổng lượng dòng chảy trung bình năm đạt khoảng 830 tỷ m3 trên 8 lưu vực sông chính. Tuy nhiên, hơn 63% nguồn nước mặt (tương đương 520 tỷ m3) bắt nguồn từ ngoài lãnh thổ, khiến tài nguyên nước nội địa chỉ đạt gần 310 tỷ m3 mỗi năm. Trong bối cảnh tổng nhu cầu khai thác nước toàn quốc đã chạm ngưỡng 80,6 tỷ m3/năm, áp lực suy thoái và ô nhiễm nguồn nước mặt ngày càng trở nên nghiêm trọng, đặc biệt tại các đô thị công nghiệp trọng điểm.

Sông Cầu là trục thoát nước và cấp nước chính của hệ thống sông Thái Bình, chiếm 47% diện tích toàn lưu vực với chiều dài 288 km và dung tích dòng chảy đạt khoảng 4,5 tỷ m3/năm. Khi chảy qua thành phố Thái Nguyên với chiều dài 25 km, dòng sông phải tiếp nhận lượng lớn nước thải chưa qua xử lý đồng bộ từ đô thị loại I có quy mô dân số 364.078 người cùng 1.468 cơ sở công nghiệp phát sinh gần 2 triệu m3 nước thải mỗi tháng. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là sự suy thoái nghiêm trọng về chất lượng nước mặt tại hạ lưu sông Cầu và các phụ lưu nội đô, gây đe dọa an ninh nguồn nước sinh hoạt của hơn 93% hộ dân thành phố.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng nước mặt sông Cầu và 3 phụ lưu chính gồm suối Phượng Hoàng, suối Mỏ Bạch, suối Cam Giá trong giai đoạn 2017 - 2018; đồng thời xác định các nguồn xả thải then chốt và đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật, quản lý khả thi. Kết quả nghiên cứu cung cấp bộ cơ sở dữ liệu định lượng chính xác theo chỉ số chất lượng nước WQI, hỗ trợ Ủy ban nhân dân tỉnh Thái Nguyên thực hiện hiệu quả Quyết định số 1162/QĐ-UBND về quy hoạch và bảo vệ tài nguyên nước mặt đến năm 2020, định hướng năm 2030.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng lý thuyết cân bằng dòng chảy lưu vực sông kết hợp với mô hình đánh giá tải lượng tiếp nhận và khả năng tự làm sạch của thủy vực tự nhiên. Khung lý thuyết này khẳng định nồng độ các chất ô nhiễm trong nước mặt phụ thuộc chặt chẽ vào tương quan giữa tải lượng xả thải từ các nguồn nhân tạo và lưu lượng dòng chảy tự nhiên theo mùa.

Để định lượng hóa mức độ suy thoái, nghiên cứu tích hợp mô hình tính toán Chỉ số Chất lượng Nước (WQI) theo hướng dẫn tại Quyết định số 879/QĐ-TCMT và Quyết định số 711/QĐ-TCMT của Tổng cục Môi trường dành riêng cho lưu vực sông Cầu. Các khái niệm cốt lõi được chuẩn hóa theo hệ thống pháp lý hiện hành, bao gồm:

  • Tài nguyên nước và Nước mặt: Được quy định theo Điều 2 Luật Tài nguyên nước số 17/2012/QH13.
  • Ô nhiễm môi trường nước: Sự biến đổi tính chất lý học, hóa học và sinh học vượt ngưỡng quy định theo Điều 3 Luật Bảo vệ Môi trường số 55/2014/QH13.
  • Chỉ thị môi trường (Environmental Indicators): Tập hợp các thông số hóa lý đại diện như oxy hòa tan (DO), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5), nhu cầu oxy hóa học (COD), tổng chất rắn lơ lửng (TSS), nitơ amoni (NH4+), kim loại nặng (Fe, Pb) và vi sinh vật chỉ thị (Coliform).
  • Chỉ số WQI thông số (WQISI): Thước đo chuẩn hóa từ thang điểm 0 đến 100 phản ánh khả năng sử dụng nguồn nước cho các mục đích sinh hoạt, tưới tiêu hoặc giao thông thủy.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp điều tra hiện trường kết hợp lấy mẫu và phân tích phòng thí nghiệm theo mạng lưới quan trắc gồm 6 vị trí trọng điểm: 3 điểm trên dòng chính sông Cầu (Cầu Gia Bảy, Đập Thác Huống, sau điểm xả suối Cam Giá 300 m) và 3 điểm tại các phụ lưu hợp lưu trực tiếp (suối Phượng Hoàng - SPH 6, suối Mỏ Bạch - SMB 4, suối Cam Giá - SCG 1). Tổng số mẫu phân tích là 48 mẫu nước mặt, thu thập qua 8 đợt quan trắc định kỳ 2 tháng/lần từ tháng 6/2017 đến tháng 4/2018 (6 đợt năm 2017 và 2 đợt năm 2018).

Quy trình lấy mẫu tuân thủ nghiêm ngặt TCVN 6663-6:2008 và TCVN 6663-3:2008. Các chỉ tiêu được phân tích tại Trung tâm Quan trắc Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Nguyên theo các phương pháp chuẩn quốc tế Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (SMEWW), cụ thể: BOD5 theo SMEWW 5210-B:2005, COD theo SMEWW 5220D-2012, TSS theo SMEWW 2540-D:2005, NH4+ theo SMEWW 4500-NH3, Fe theo SMEWW 3111B:2005, Pb theo SMEWW 3113:2005 và Coliform theo SMEWW 9222. Lý do lựa chọn các phương pháp này là nhằm đảm bảo độ lặp lại, tính pháp lý khi đối chiếu với QCVN 08-MT:2015/BTNMT (cột A2 và B1). Đồng thời, tác giả kế thừa chuỗi dữ liệu thủy văn 50 năm (1961 - 2010) được khôi phục qua mô hình mưa - dòng chảy NAM tại 7 trạm đo khí tượng thủy văn để phân tích biến động lưu lượng liên năm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã chỉ ra sự biến động sâu sắc về chế độ thủy văn và mức độ ô nhiễm môi trường nước sông Cầu đoạn qua thành phố Thái Nguyên:

Thứ nhất, lưu lượng dòng chảy phân bố cực kỳ bất đối xứng giữa hai mùa. Chuỗi dữ liệu thủy văn tại trạm Gia Bảy cho thấy tổng lượng dòng chảy trung bình nhiều năm đạt 1,91 tỷ m3/năm (lưu lượng bình quân 60,47 m3/s). Tuy nhiên, mùa cạn kéo dài 8 tháng (từ tháng 10 đến tháng 5 năm sau) chỉ chiếm 20% - 25% tổng lượng nước cả năm, với lưu lượng kiệt đáy giảm sâu xuống mức 3,32 m3/s trong các tháng 1, 2 và 3. Ngược lại, mùa lũ kéo dài 4 tháng (tháng 6 đến tháng 9) chiếm tới 70% - 75% tổng lượng dòng chảy năm, với lưu lượng đỉnh lũ quan trắc đạt trên 1.150 m3/s đến mức lịch sử 3.490 m3/s.

Thứ hai, phụ lưu suối Phượng Hoàng bị ô nhiễm chất rắn lơ lửng và chất hữu cơ ở mức báo động đỏ. Nồng độ TSS tại điểm SPH 6 ghi nhận mức kỷ lục 546,3 mg/l vào đợt 1 năm 2018, vượt 18,21 lần so với QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột A2 và vượt 10,93 lần cột B1. Nhu cầu oxy sinh hóa BOD5 đạt đỉnh 19,62 mg/l (vượt 3,27 lần cột A2), COD đạt 38,6 mg/l (vượt 2,57 lần cột A2), hàm lượng Sắt (Fe) đạt 1,62 mg/l và Chì (Pb) đạt 0,0287 mg/l (vượt 1,435 lần cột A2). Giá trị WQI tại suối Phượng Hoàng trong 4 đợt quan trắc liên tiếp chỉ dao động từ 14 đến 18 điểm, thuộc mức nước ô nhiễm rất nặng.

Thứ ba, suối Mỏ Bạch và suối Cam Giá chịu áp lực ô nhiễm nitơ amoni và vi sinh vật nghiêm trọng. Nồng độ NH4+ tại suối Mỏ Bạch (SMB 4) tăng vọt lên mức 19,0 mg/l vào đợt 1 năm 2018, vượt 63,3 lần cột A2 (0,3 mg/l) và vượt 21,1 lần cột B1 (0,9 mg/l). Chỉ số Coliform tại đây đạt ngưỡng 14.000 MPN/100ml, vượt 2,8 lần chuẩn A2. Tương tự, tại cửa xả suối Cam Giá, nồng độ COD đạt 57,54 mg/l và hàm lượng amoni luôn duy trì ở mức cao, gây suy giảm trực tiếp chất lượng nước sông chính tại điểm hạ lưu cách cửa xả 300 m (SCA 3-1).

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm chất lượng nước bắt nguồn trực tiếp từ hoạt động nhân sinh trên nền tảng cơ sở hạ tầng đô thị chưa đồng bộ. Thành phố Thái Nguyên với 364.078 cư dân phát sinh lượng nước thải sinh hoạt mang tải lượng BOD5 từ 13,5 đến 16,2 tấn/ngày và TSS từ 21,0 đến 43,5 tấn/ngày, hầu như chỉ qua xử lý sơ bộ bằng bể tự hoại rồi xả thẳng vào các nhánh suối nội đô. Bên cạnh đó, hoạt động của 17 bệnh viện với nước thải chứa coliform từ 10^6 đến 10^9 MPN/100ml cùng nước thải công nghiệp từ KCN Lưu Xá và các cơ sở sản xuất giấy, tuyển than Quán Triều là nguồn đóng góp chính các hợp chất kim loại nặng và hóa chất khó phân hủy.

So với các nghiên cứu trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy hay sông Sài Gòn, đặc thù sông Cầu đoạn qua Thái Nguyên chịu tác động chi phối rất mạnh bởi yếu tố thủy văn tự nhiên. Vào mùa mưa, lưu lượng trung bình 620 m3/s giúp tăng cường khả năng tự làm sạch và pha loãng, đưa WQI dòng chính tại Cầu Gia Bảy lên mức 76 - 88 điểm (chất lượng tốt). Tuy nhiên, vào mùa khô, dòng chảy giảm còn 3,32 m3/s khiến nồng độ ô nhiễm tích tụ cục bộ, biến các đoạn sông hạ lưu điểm nhập lưu thành những vùng nước ô nhiễm hữu cơ trầm trọng.

Dữ liệu quan trắc trong nghiên cứu có thể được trực quan hóa tối ưu thông qua biểu đồ đường (line chart) đa biến biểu diễn tương quan biến thiên nồng độ BOD5, TSS, NH4+ qua 8 đợt quan trắc, kết hợp sơ đồ phân vùng không gian WQI theo thang 5 màu chuẩn của Bộ Tài nguyên và Môi trường. Cách trình bày trực quan này giúp cơ quan quản lý nhận diện tức thì các "điểm nghẽn" sinh thái trên bản đồ số GIS của lưu vực.

Đề xuất và khuyến nghị

Để kiểm soát và phục hồi chất lượng nước mặt sông Cầu, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược gắn liền với mục tiêu định lượng và lộ trình cụ thể:

Thứ nhất, xây dựng và đưa vào vận hành hệ thống thu gom, xử lý nước thải sinh hoạt đô thị tập trung cho khu vực nội thành Thái Nguyên. Mục tiêu đến năm 2025 đạt công suất xử lý tối thiểu 30.000 m3/ngày-đêm, ứng dụng công nghệ sinh học hiếu khí bùn hoạt tính kết hợp màng MBR nhằm giảm ít nhất 85% tải lượng BOD5 và NH4+ xả vào hệ thống suối Mỏ Bạch và suối Cống Ngựa. Đơn vị chủ trì thực hiện là Ủy ban nhân dân thành phố Thái Nguyên phối hợp với Sở Xây dựng.

Thứ hai, tăng cường kiểm soát và giám sát tự động nguồn thải công nghiệp tại các cơ sở trọng điểm. Bắt buộc 100% doanh nghiệp tại KCN Lưu Xá, Nhà máy Giấy Quán Triều và Công ty Cổ phần Gang Thép Thái Nguyên phải đầu tư hệ thống xử lý nước thải đạt QCVN 40:2011/BTNMT cột A trước quý 4 năm 2023. Sở Tài nguyên và Môi trường Thái Nguyên chịu trách nhiệm lắp đặt trạm quan trắc tự động liên tục truyền dữ liệu 24/7 đối với các thông số pH, COD, TSS và kim loại nặng (Fe, Pb, Mn).

Thứ ba, thiết lập quy trình điều tiết liên hồ chứa và duy trì dòng chảy môi trường trong mùa kiệt. Chi cục Thủy lợi phối hợp với Công ty TNHH một thành viên Khai thác thủy lợi Thái Nguyên thực hiện xả nước định kỳ từ Hồ Núi Cốc và các hồ chứa thượng nguồn, đảm bảo duy trì lưu lượng tối thiểu 15 m3/s qua trạm Gia Bảy trong các tháng 1, 2 và 3 hàng năm, nâng cao năng lực tự làm sạch tự nhiên của dòng sông.

Thứ tư, hoàn thiện thể chế quản lý lưu vực sông liên ngành và chế tài xử phạt. Kiện toàn Ban quản lý Lưu vực sông Cầu cấp tỉnh, tổ chức thanh tra liên ngành định kỳ 2 lần/năm đối với 17 cơ sở y tế và các điểm mỏ khai khoáng, kiên quyết xử lý nghiêm các hành vi xả thải vượt tiêu chuẩn theo Nghị định số 155/2016/NĐ-CP.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn sau:

Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường, Chi cục Bảo vệ Môi trường, Phòng TN&MT thành phố Thái Nguyên): Luận văn cung cấp bộ dữ liệu thực chứng và bản đồ chỉ số WQI chuẩn xác, phục vụ trực tiếp cho công tác thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM), cấp phép xả thải và xây dựng quy hoạch phân bổ nguồn nước mặt cấp tỉnh.

Ban quản lý các khu công nghiệp và doanh nghiệp xử lý nước thải (KCN Lưu Xá, các nhà máy luyện kim, chế biến khoáng sản): Tài liệu cung cấp số liệu phân tích đặc trưng dòng thải công nghiệp và tải lượng ô nhiễm, hỗ trợ tính toán công nghệ, công suất thiết kế hệ thống xử lý nước thải đạt chuẩn trước khi xả ra nguồn tiếp nhận.

Các viện nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Tài nguyên nước: Luận văn là tài liệu tham khảo có giá trị cao về phương pháp luận tích hợp mô hình thủy văn NAM với chỉ số WQI của Tổng cục Môi trường để đánh giá chất lượng nước sông theo mùa.

Tổ chức xã hội và cộng đồng dân cư địa phương: Cung cấp thông tin khoa học minh bạch về hiện trạng an toàn nguồn nước mặt, phục vụ công tác giám sát cộng đồng và truyền thông nâng cao nhận thức bảo vệ nguồn nước cấp sinh hoạt.

Câu hỏi thường gặp

Chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua thành phố Thái Nguyên bị ô nhiễm nặng nhất vào khoảng thời gian nào? Nguồn nước bị ô nhiễm nghiêm trọng nhất vào mùa cạn, đặc biệt từ tháng 1 đến tháng 3 hàng năm. Nguyên nhân do lượng mưa giảm sâu, lưu lượng dòng chảy kiệt đáy chỉ đạt khoảng 3,32 m3/s tại trạm Gia Bảy, làm suy giảm mạnh khả năng pha loãng tự nhiên trong khi tải lượng nước thải đô thị vẫn xả liên tục.

Phụ lưu nào ghi nhận mức độ ô nhiễm hữu cơ và chất rắn lơ lửng cao nhất trên địa bàn thành phố? Suối Phượng Hoàng là điểm ô nhiễm chất rắn nặng nhất với nồng độ TSS đạt tới 546,3 mg/l (vượt 18,21 lần quy chuẩn A2) và WQI chỉ đạt 14 - 18 điểm do tiếp nhận nước thải rửa quặng và nhà máy giấy. Trong khi đó, suối Mỏ Bạch ô nhiễm amoni cao nhất với nồng độ NH4+ lên tới 19,0 mg/l (vượt 63,3 lần quy chuẩn A2).

Chỉ số chất lượng nước WQI trong luận văn được tính toán dựa trên những căn cứ pháp lý nào? Chỉ số WQI được tính toán dựa trên hướng dẫn kỹ thuật tại Quyết định số 879/QĐ-TCMT ngày 01/7/2011 kết hợp với bộ trọng số thông số dành riêng cho lưu vực sông Cầu theo Quyết định số 711/QĐ-TCMT ngày 29/5/2015 của Tổng cục Môi trường, bao gồm 10 thông số hóa lý và vi sinh cốt lõi.

Các nguồn thải công nghiệp nào đóng góp tải lượng ô nhiễm kim loại nặng chính vào dòng sông? Khu công nghiệp Lưu Xá (luyện kim gang thép) và các cơ sở tuyển than, chế biến khoáng sản tại khu vực Quán Triều, Phúc Hà là nguồn thải chính phát sinh hàm lượng Fe vượt 1,62 mg/l và Pb vượt 0,0287 mg/l, xả trực tiếp qua suối Cam Giá và suối Phượng Hoàng trước khi nhập lưu vào sông Cầu.

Giải pháp cấp bách nào cần thực hiện ngay để giảm thiểu ô nhiễm cho nguồn nước sinh hoạt thành phố? Giải pháp cấp bách nhất là đầu tư trạm xử lý nước thải sinh hoạt tập trung công suất 30.000 m3/ngày-đêm cho khu vực nội thành, kết hợp điều tiết lưu lượng xả tối thiểu 15 m3/s từ các hồ chứa thượng lưu trong mùa khô nhằm duy trì dòng chảy môi trường cho sông Cầu.

Kết luận

  • Dòng chảy sông Cầu có sự phân hóa mùa sâu sắc với 70% - 75% lượng nước tập trung trong mùa lũ, khiến mùa kiệt chỉ còn lưu lượng đáy 3,32 m3/s, làm giảm nghiêm trọng khả năng tự làm sạch.
  • Hiện trạng chất lượng nước mặt tại các phụ lưu nội đô như suối Phượng Hoàng, suối Mỏ Bạch, suối Cam Giá rơi vào tình trạng ô nhiễm rất nặng với TSS vượt tới 18,21 lần, NH4+ vượt 63,3 lần và WQI đạt mức 14 - 18 điểm (mức đỏ).
  • Dòng chính sông Cầu đoạn sau cửa xả suối Cam Giá 300 m bị suy giảm chất lượng rõ rệt do tiếp nhận hỗn hợp nước thải công nghiệp từ KCN Lưu Xá và nước thải sinh hoạt chưa xử lý.
  • Luận văn đóng góp bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn hóa gồm 48 mẫu quan trắc phân tích 11 thông số theo phương pháp chuẩn quốc tế, làm sáng tỏ tương quan giữa thủy văn và chất lượng nước mặt đô thị.
  • Lộ trình 2023 - 2025 cần tập trung hoàn thành trạm quan trắc tự động tại KCN Lưu Xá và xây dựng nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt tập trung 30.000 m3/ngày-đêm.

Bảo vệ môi trường nước sông Cầu là nhiệm vụ sống còn để đảm bảo an ninh nguồn nước và phát triển bền vững cho thành phố Thái Nguyên. Các cơ quan quản lý, doanh nghiệp và cộng đồng xã hội hãy chung tay hành động ngay hôm nay bằng việc tuân thủ quy chuẩn xả thải, giám sát chặt chẽ các nguồn ô nhiễm và đẩy nhanh tiến độ hoàn thiện hạ tầng xử lý nước thải đô thị.