Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Cầu giữ vị trí trọng yếu trong hệ thống sông Thái Bình khi chiếm tới 47% diện tích toàn lưu vực, với chiều dài dòng chính 288 km và tổng lượng nước trung bình hàng năm đạt khoảng 4,5 tỷ m3. Tuy nhiên, nguồn tài nguyên nước tại đây phân bố rất không đều theo thời gian, trong đó lượng dòng chảy 5 tháng mùa lũ (tháng 6 đến tháng 10) chiếm từ 80% đến 85%, trong khi 7 tháng mùa khô chỉ chiếm khoảng 15% đến 20% tổng lượng nước cả năm. Đoạn sông Cầu chảy qua địa phận tỉnh Bắc Ninh có chiều dài khoảng 77 km, đóng vai trò là nguồn cấp nước sinh hoạt, tưới tiêu và sản xuất công nghiệp then chốt cho khu vực hạ du.

Hiện nay, sức ép phát triển kinh tế - xã hội tại tỉnh Bắc Ninh rất lớn với tỷ trọng công nghiệp và xây dựng chiếm tới 75,2% cơ cấu kinh tế cùng sự hiện diện của 62 làng nghề truyền thống. Thực trạng xả thải ồ ạt chưa qua xử lý đồng bộ từ các cơ sở sản xuất, khu dân cư và làng nghề đã làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng nước mặt, đẩy hệ sinh thái thủy vực vào nguy cơ vượt ngưỡng tự làm sạch. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn của công tác quản trị môi trường nước theo Thông tư số 76/2017/TT-BTNMT và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 08-MT:2015/BTNMT, luận văn tập trung đánh giá toàn diện sức chịu tải và khả năng tiếp nhận nước thải của đoạn sông Cầu qua tỉnh Bắc Ninh. Mục tiêu cốt lõi là định lượng tải lượng ô nhiễm từ nguồn điểm và nguồn phân tán, mô phỏng diễn biến chất lượng nước, từ đó cung cấp căn cứ khoa học vững chắc phục vụ việc quy hoạch phân bổ hạn ngạch xả thải và bảo vệ bền vững an ninh nguồn nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết sức chịu tải môi trường nước (Assimilative Capacity) và cơ chế tự làm sạch của hệ sinh thái dòng chảy. Về bản chất, sức chịu tải là lượng chất ô nhiễm tối đa mà thủy vực có thể dung nạp mà vẫn duy trì nồng độ các thông số trong giới hạn cho phép theo mục đích sử dụng nước xác định. Cơ sở khoa học của luận văn kế thừa các nguyên lý quản lý tổng tải lượng tiên tiến trên thế giới, bao gồm hệ thống tổng tải lượng ô nhiễm tối đa theo ngày (TMDL) của Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ và hệ thống kiểm soát tổng tải lượng theo khu vực (TPLCS) của Nhật Bản. Các khái niệm nền tảng được vận dụng xuyên suốt gồm: tải lượng ô nhiễm phát sinh, hệ số suy giảm dọc dòng, khả năng tự làm sạch của sông và hạn ngạch xả thải. Các chỉ tiêu đánh giá trọng tâm bao gồm nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), nhu cầu oxy hóa học (COD), tổng nitơ (T-N) và tổng phospho (T-P).

Phương pháp nghiên cứu

  • Cỡ mẫu và nguồn dữ liệu: Nghiên cứu thu thập chuỗi số liệu kinh tế - xã hội từ niên giám thống kê năm 2016 của 4 tỉnh thuộc lưu vực gồm Bắc Kạn, Thái Nguyên, Bắc Giang và Bắc Ninh với tổng dân số khoảng 4,5 triệu người. Dữ liệu không gian được kế thừa từ mô hình SWAT trên nền bản đồ DEM độ phân giải 1-arc của USGS, chia toàn bộ lưu vực thành 58 tiểu lưu vực để tính toán tải lượng.
  • Phương pháp chọn mẫu: Nghiên cứu lựa chọn mẫu quan trắc thủy văn và chất lượng nước tại các vị trí đầu nguồn, điểm nhập lưu của các phụ lưu lớn (sông Công, sông Cà Lồ, sông Ngũ Huyện Khê) và các trạm thủy văn chính (Thác Giềng, Thác Bưởi, Đáp Cầu). Mẫu dữ liệu được chọn đại diện cho hai thời đoạn thủy lực đặc trưng năm 2016: tháng 7 (đại diện mùa mưa với lưu lượng tại Đáp Cầu đạt 1.288,5 m3/s) và tháng 11 (đại diện mùa khô với lưu lượng kiệt giảm sâu còn 52,74 m3/s).
  • Phương pháp phân tích: Tải lượng ô nhiễm từ nguồn phân tán (dân sinh, dịch vụ, chăn nuôi, sử dụng đất) được ước tính bằng phương pháp đánh giá nhanh (Rapid Assessment Method) theo hướng dẫn của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO 1993). Diễn biến chất lượng nước được mô phỏng bằng mô hình QUAL2K. Lý do lựa chọn QUAL2K là vì mô hình này có khả năng mô phỏng chi tiết 15 thông số chất lượng nước theo không gian 1 chiều ở trạng thái thủy lực ổn định, cho phép chia các đoạn sông có kích thước không đều phù hợp với sự phân bố phức tạp của các nguồn xả thải dọc lưu vực sông Cầu. Quá trình tính toán được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 9/2017 đến tháng 12/2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  • Cơ cấu tải lượng phát sinh: Hoạt động dân sinh và chăn nuôi là hai nguồn đóng góp tải lượng hữu cơ lớn nhất trong các nguồn phân tán trên lưu vực, chiếm tỷ lệ trên 65% tổng lượng BOD và COD phát sinh hàng năm. Tại Bắc Ninh, áp lực xả thải cục bộ gia tăng đột biến do hoạt động của hơn 72.000 lao động tại 62 làng nghề và các khu công nghiệp tập trung.
  • Biến động chất lượng nước theo mùa: Kết quả kiểm định mô hình QUAL2K cho thấy sự phân hóa chất lượng nước sâu sắc giữa hai mùa. Vào mùa mưa (tháng 7/2016), nhờ lưu lượng dòng chảy lớn đạt trên 1.200 m3/s, khả năng hòa loãng cao giúp nồng độ BOD, COD và chất dinh dưỡng tại hầu hết các đoạn sông đạt quy chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột A2. Ngược lại, vào mùa khô (tháng 11/2016), khi lưu lượng dòng chính giảm hơn 24 lần xuống mức 52,74 m3/s, nồng độ BOD và COD tại hạ lưu tăng mạnh, vượt quy chuẩn cho phép từ 1,2 đến 2,5 lần.
  • Thâm hụt sức chịu tải đoạn qua Bắc Ninh: Khi áp dụng mô hình tính toán sức chịu tải và hạn ngạch xả thải, đoạn sông Cầu dài 77 km qua Bắc Ninh đã xuất hiện tình trạng quá tải nghiêm trọng trong mùa khô, đặc biệt là khu vực tiếp nhận nước thải từ sông Ngũ Huyện Khê và các khu công nghiệp Quế Võ, Yên Phong. Giá trị khả năng tiếp nhận nước thải đối với BOD và COD tại các phân đoạn này nhận giá trị âm, đòi hỏi phải cắt giảm từ 20% đến 45% tổng tải lượng xả thải hiện trạng mới có thể đưa chất lượng nước về ngưỡng an toàn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng suy giảm nghiêm trọng sức chịu tải trong mùa khô là do chế độ thủy văn tự nhiên bị thay đổi mạnh bởi các công trình điều tiết nước ở thượng nguồn. Điển hình là đập Thác Huống (Thái Nguyên) trong mùa cạn đã giữ lại phần lớn lượng nước để phục vụ tưới tiêu nông nghiệp, khiến dòng chảy duy trì xuống hạ lưu qua Bắc Ninh sụt giảm nghiêm trọng. Bên cạnh đó, tốc độ tăng trưởng kinh tế nhanh của Bắc Ninh với mức tăng GRDP đạt 19,12% năm 2017 đã kéo theo lượng nước thải sản xuất và sinh hoạt gia tăng vượt quá tốc độ đầu tư hạ tầng xử lý môi trường.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu trước đây trên lưu vực sông Cầu và lưu vực sông Đáy của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Các dữ liệu tính toán được trực quan hóa rõ nét thông qua hệ thống bảng biểu phân vùng sử dụng nước và các đồ thị đường cong phân bố nồng độ BOD, COD dọc theo 77 km dòng chảy. Dạng biểu đồ diễn tiến nồng độ cho thấy các bước nhảy vọt về mức độ ô nhiễm xuất hiện chính xác tại các điểm hợp lưu với sông Cà Lồ và sông Ngũ Huyện Khê, minh chứng cho độ nhạy và tính chính xác cao của mô hình QUAL2K đã hiệu chỉnh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết lập và phân bổ hạn ngạch xả thải (Quota ô nhiễm): Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bắc Ninh cần chủ trì, phối hợp với các cơ quan quản lý lưu vực sông áp dụng ngay công cụ phân bổ tải lượng xả thải theo từng đoạn sông. Mục tiêu cụ thể là cắt giảm tối thiểu 30% tải lượng BOD và COD xả vào các nhánh sông nội địa (đặc biệt là sông Ngũ Huyện Khê) trước năm 2025 nhằm đảm bảo nguồn tiếp nhận cho sông Cầu.
  2. Đầu tư nâng cấp hạ tầng xử lý nước thải làng nghề tập trung: Ủy ban nhân dân tỉnh Bắc Ninh cần phê duyệt và triển khai dự án xây dựng hệ thống thu gom, xử lý nước thải tập trung tại 4 làng nghề điểm nóng gồm giấy Phong Khê, sắt thép Đa Hội, nhôm Văn Môn và đúc đồng Đại Bái. Hệ thống cần đạt công suất xử lý 100% lượng nước thải phát sinh đạt chuẩn trước khi xả ra môi trường trong giai đoạn 2020 - 2024.
  3. Tăng cường kiểm soát quan trắc tự động và điều tiết liên hồ chứa: Cục Quản lý Tài nguyên nước phối hợp cùng các tỉnh Thái Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh lắp đặt bổ sung 5 trạm quan trắc tự động liên tục tại các cửa xả lớn và điểm nhập lưu chính. Đồng thời, xây dựng quy chế vận hành xả nước điều tiết từ hồ Núi Cốc và đập Thác Huống nhằm duy trì dòng chảy môi trường mùa kiệt tối thiểu 55 m3/s cho hạ du sông Cầu.
  4. Áp dụng công cụ kinh tế và chế tài xử phạt nghiêm ngặt: Triển khai cơ chế thu phí xả thải theo tải lượng thực tế (dựa trên công thức tính toán tải lượng ô nhiễm phát thải) thay vì thu phí cố định. Áp dụng mức xử phạt hành chính tối đa và đình chỉ hoạt động đối với các cơ sở công nghiệp vi phạm xả thải vượt quy chuẩn quy định tại Nghị định xử phạt vi phạm hành chính trong lĩnh vực bảo vệ môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường: Các chuyên viên tại Bộ Tài nguyên và Môi trường, Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh Bắc Ninh, Bắc Giang, Thái Nguyên có thể sử dụng dữ liệu tính toán sức chịu tải để làm căn cứ thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường và cấp giấy phép xả thải vào nguồn nước theo Thông tư 76/2017/TT-BTNMT.
  • Các viện nghiên cứu, trường đại học và nhà khoa học: Giảng viên, nghiên cứu sinh ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường và Thủy văn có thể kế thừa phương pháp luận kết hợp mô hình SWAT phân chia 58 tiểu lưu vực với mô hình QUAL2K để mở rộng nghiên cứu cho các lưu vực sông khác.
  • Ban quản lý các khu công nghiệp, cụm công nghiệp và làng nghề: Các nhà quản lý vận hành hạ tầng môi trường có thể tham khảo mức giới hạn tiếp nhận của nguồn nước để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật nội bộ và tính toán công suất trạm xử lý nước thải phù hợp với định mức tiếp nhận cho phép.
  • Học viên cao học và sinh viên chuyên ngành môi trường: Luận văn là tài liệu tham khảo thực tế mẫu mực về quy trình đánh giá nhanh tải lượng ô nhiễm, kỹ thuật cân bằng vật chất và cách thức ứng dụng công nghệ mô hình hóa trong bài toán quản lý tài nguyên nước.

Câu hỏi thường gặp

  • Mô hình QUAL2K có ưu điểm gì nổi bật khi ứng dụng cho lưu vực sông Cầu? Mô hình QUAL2K chạy trên môi trường bảng tính trực quan, tính toán nhanh và cho phép mô phỏng 15 thông số chất lượng nước trong điều kiện dòng chảy 1 chiều. Mô hình đặc biệt linh hoạt khi cho phép chia các phân đoạn sông có chiều dài khác nhau, rất phù hợp với đặc thù tiếp nhận nhiều nguồn thải phân tán và nguồn thải điểm không đồng đều dọc 77 km sông Cầu.

  • Tại sao sức chịu tải của sông Cầu lại suy giảm nghiêm trọng trong mùa khô? Sự sụt giảm sức chịu tải mùa khô xuất phát từ sự kết hợp của hai yếu tố: lưu lượng dòng chảy tự nhiên giảm mạnh xuống mức 52,74 m3/s (chỉ bằng khoảng 4% so với mùa mưa) làm mất khả năng hòa loãng, kết hợp với việc đập Thác Huống chặn dòng phía thượng lưu khiến lượng nước bổ cập cho hạ du gần như cạn kiệt trong khi tải lượng xả thải không giảm.

  • Nguồn ô nhiễm nào gây áp lực lớn nhất lên sông Cầu đoạn qua Bắc Ninh? Áp lực lớn nhất đến từ nguồn nước thải hữu cơ chưa qua xử lý của 62 làng nghề (điển hình là làng nghề giấy Phong Khê và thép Đa Hội) đổ qua sông Ngũ Huyện Khê vào sông Cầu, cùng với nước thải sinh hoạt đô thị và chất thải từ các trang trại chăn nuôi quy mô lớn tập trung dọc hai bờ lưu vực.

  • Hạn ngạch xả thải âm trong kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa gì? Khả năng tiếp nhận nước thải (Lkntn) nhận giá trị âm đồng nghĩa với việc tổng tải lượng ô nhiễm hiện trạng đã vượt quá sức chịu tải tối đa của đoạn sông. Để chất lượng nước đạt chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT, các địa phương bắt buộc phải thực hiện cắt giảm tải lượng phát thải hiện tại từ 20% đến 45% thông qua xử lý nước thải triệt để trước khi xả ra sông.

  • Luận văn áp dụng văn bản quy phạm pháp luật nào làm căn cứ cốt lõi? Luận văn căn cứ trực tiếp vào Thông tư số 76/2017/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường quy định về đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải, sức chịu tải của nguồn nước sông, hồ và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

Kết luận

  • Luận văn đã tính toán chi tiết tải lượng ô nhiễm từ nguồn điểm và nguồn phân tán trên toàn bộ 58 tiểu lưu vực sông Cầu dựa trên dữ liệu thống kê cập nhật của 4 tỉnh.
  • Thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định thành công mô hình chất lượng nước QUAL2K cho hai mùa mưa và mùa khô với độ chính xác và độ tin cậy cao.
  • Xác định định lượng sức chịu tải và khả năng tiếp nhận đối với các thông số BOD, COD, T-N, T-P cho đoạn sông Cầu dài 77 km chảy qua tỉnh Bắc Ninh.
  • Chỉ rõ thực trạng suy thoái chất lượng nước và sự thâm hụt sức chịu tải nghiêm trọng trong mùa khô tại các phân đoạn tiếp nhận nguồn thải công nghiệp và làng nghề.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp đồng bộ từ quy hoạch phân bổ hạn ngạch, đầu tư công nghệ xử lý nước thải đến điều tiết dòng chảy môi trường.

Để hiện thực hóa các kết quả nghiên cứu, các cơ quan quản lý cần sớm ban hành quy định phân bổ hạn ngạch xả thải cụ thể cho các cơ sở sản xuất trên địa bàn tỉnh Bắc Ninh trong lộ trình đến năm 2025. Hãy chủ động liên hệ và tham khảo toàn văn công trình nghiên cứu để tiếp cận đầy đủ bộ thông số thủy lực, bảng tính tải lượng chi tiết và bản đồ phân vùng sức chịu tải phục vụ công tác quy hoạch và bảo vệ môi trường lưu vực sông Cầu.