Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Cái Lớn và sông Cái Bé đóng vai trò là mạng lưới thủy văn huyết mạch của tỉnh Kiên Giang với chiều dài lần lượt là 62,5 km và 77,35 km, thuộc hệ sinh thái liên kết vùng Tây sông Hậu và Bán đảo Cà Mau. Nguồn nước từ hai con sông này phục vụ tưới tiêu cho hàng trăm nghìn hecta đất nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản, phát triển mạng lưới giao thông thủy nội địa và cung cấp sinh kế cho hơn 1,32 triệu người dân trong tỉnh. Tuy nhiên, trước sức ép từ quá trình phát triển kinh tế - xã hội, mật độ dân số đạt 276 người/km² cùng sự vận hành của các cụm công nghiệp chế biến thủy sản tập trung, chất lượng nước mặt tại đây đang đối mặt với nguy cơ suy thoái nghiêm trọng.

Nghiên cứu được triển khai nhằm đánh giá toàn diện hiện trạng và diễn biến chất lượng nước sông Cái Lớn và Cái Bé trong giai đoạn 12 năm từ năm 2011 đến năm 2022, đồng thời xác định các nguồn áp lực chính gây ô nhiễm và đánh giá hiệu quả công tác quản lý môi trường tại địa phương. Về mặt không gian, nghiên cứu bao phủ toàn bộ trục dòng chính qua các địa bàn trọng điểm gồm huyện Giồng Riềng, Châu Thành, Gò Quao, An Biên và U Minh Thượng. Về mặt thời gian, bộ dữ liệu quan trắc được thu thập liên tục qua 24 đợt quan trắc định kỳ trong hai mùa mưa và mùa khô.

Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng chuẩn xác, giúp địa phương tối ưu hóa mạng lưới quan trắc và nâng cao năng lực kiểm soát nguồn thải. Nghiên cứu xác lập các chỉ số định lượng phục vụ mục tiêu đưa chất lượng nước đạt tối thiểu mức trung bình đến tốt theo chỉ số chất lượng nước, giảm thiểu hơn 30% tải lượng ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng trước năm 2030, hướng đến phát triển bền vững tài nguyên nước đồng bằng sông Cửu Long.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng kết hợp giữa các lý thuyết môi trường hiện đại và công cụ phân tích dữ liệu đa biến.

Thứ nhất, lý thuyết về ô nhiễm môi trường nước mặt và khả năng tự làm sạch của thủy vực được áp dụng để giải thích các quá trình biến đổi lý - hóa - sinh tự nhiên. Nguồn tiếp nhận xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ thông qua các cơ chế cơ học như pha loãng, lắng đọng trầm tích và các phản ứng oxy hóa sinh hóa nhờ vi sinh vật hiếu khí khi có đủ hàm lượng oxy hòa tan.

Thứ hai, mô hình tính toán chỉ số chất lượng nước theo hướng dẫn kỹ thuật của Tổng cục Môi trường tại Quyết định số 1460/QĐ-TCMT ngày 12 tháng 11 năm 2019 được sử dụng để chuyển đổi các thông số lý hóa phức tạp thành thang điểm định lượng từ 10 đến 100, phản ánh trực quan mức độ phù hợp của nguồn nước cho từng mục đích sử dụng.

Thứ ba, phương pháp phân tích thành phần chính được tích hợp để tinh gọn các chiều dữ liệu quan trắc, gom nhóm các biến số có tính tương quan cao thành các thành phần đặc trưng có giá trị hệ số riêng lớn hơn 1, qua đó nhận diện chính xác các nguồn thải nhân tạo và tự nhiên chi phối dòng chảy.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thứ cấp được kế thừa từ Trung tâm Quan trắc tài nguyên và môi trường thuộc Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Kiên Giang trong giai đoạn 2011-2022, với tần suất quan trắc 2 lần/năm vào tháng 3 (mùa khô) và tháng 9 (mùa mưa). Cỡ mẫu quan trắc bao gồm 7 vị trí đại diện trên dòng chính, ký hiệu từ NM1 đến NM7. Cụ thể, sông Cái Bé gồm 4 điểm: NM1 (xã Long Thạnh, huyện Giồng Riềng), NM2 (xã Bình An, huyện Châu Thành), NM3 (khu Cảng cá Tắc Cậu, huyện Châu Thành), NM4 (xã Vĩnh Hòa Phú, huyện Châu Thành). Sông Cái Lớn gồm 3 điểm: NM5 (phà Cái Tư, huyện Gò Quao), NM6 (xã Vĩnh Phước B, huyện Gò Quao) và NM7 (xã Hưng Yên, huyện An Biên).

Mẫu nước được phân tích với 12 thông số hóa lý và vi sinh chuẩn: pH, nhiệt độ, độ mặn, DO, TSS, COD, BOD5, N-NH4+, N-NO3-, N-NO2-, P-PO43- và Coliform. Toàn bộ kết quả quan trắc được đối chiếu với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột A2.

Về phương pháp xử lý số liệu, nghiên cứu áp dụng phần mềm SPSS 20.0 để thực hiện kiểm định One-Way ANOVA, phép thử Duncan và kiểm định Independent Samples T-test ở mức ý nghĩa 5% nhằm đánh giá sự khác biệt theo không gian và thời gian. Công cụ QGIS phiên bản 3.22 được sử dụng để xây dựng bản đồ chuyên đề chất lượng nước bằng phương pháp nội suy không gian. Đồng thời, nghiên cứu thực hiện phương pháp điều tra xã hội học thông qua bảng hỏi tham vấn 30 chuyên gia và cán bộ quản lý thuộc Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Kiên Giang (17 người), Phòng Tài nguyên và Môi trường 5 huyện (10 người), Chi cục Thủy lợi (2 người) và Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh (1 người) trong giai đoạn từ tháng 10/2022 đến tháng 5/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số liệu quan trắc năm 2022 và chuỗi số liệu 2011-2022 cho thấy chất lượng nước mặt sông Cái Lớn và Cái Bé có dấu hiệu ô nhiễm hữu cơ, dinh dưỡng và chất rắn lơ lửng cục bộ:

  • Hàm lượng oxy hòa tan duy trì ở mức thấp, dao động từ 3,16 đến 5,34 mg/L. Đa số các điểm quan trắc không đạt ngưỡng tối thiểu quy định tại cột A2 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT (yêu cầu DO lớn hơn hoặc bằng 5 mg/L). Điểm NM3 tại khu vực Cảng cá Tắc Cậu ghi nhận mức DO thấp nhất vào mùa khô đạt 3,16 mg/L, phản ánh tình trạng thiếu hụt oxy nghiêm trọng cho thủy sinh vật.
  • Ô nhiễm chất hữu cơ và dinh dưỡng vượt quy chuẩn nhiều lần tại hạ lưu. Hàm lượng COD dao động trong khoảng 12 đến 29 mg/L, vượt 1,93 lần quy chuẩn cột A2 (ngưỡng 15 mg/L) tại vị trí NM3. Chỉ số BOD5 ghi nhận mức từ 4,0 đến 12,0 mg/L, cao hơn mức cho phép 6 mg/L. Nồng độ Amoni (N-NH4+) ghi nhận từ 0,38 đến 2,25 mg/L, trong đó điểm NM3 vượt tới 7,5 lần ngưỡng giới hạn 0,3 mg/L.
  • Tổng chất rắn lơ lửng có sự phân hóa sâu sắc theo mùa. Hàm lượng TSS dao động từ 20 đến 158 mg/L. Vào mùa mưa, giá trị TSS trung bình đạt 59,6 mg/L, cao hơn 2,25 lần so với mùa khô (trung bình 26,4 mg/L). Điểm NM4 ghi nhận nồng độ TSS đỉnh điểm 158 mg/L trong mùa mưa, vượt 5,27 lần mức cho phép (30 mg/L).
  • Chỉ số chất lượng nước VN_WQI biến động phức tạp trong khoảng từ 26 đến 75 điểm, tương ứng với mức chất lượng kém đến trung bình. Về mặt thống kê, kiểm định Independent Samples T-test cho thấy không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa mùa khô và mùa mưa đối với chỉ số WQI ở mức ý nghĩa 5% (p > 0,05).

Thảo luận kết quả

Thực trạng suy giảm chất lượng nước bắt nguồn từ sự cộng hưởng của nhiều yếu tố nhân sinh và tự nhiên dọc theo lưu vực. Nguồn thải công nghiệp từ Cảng cá Tắc Cậu và các nhà máy chế biến thủy sản lân cận là tác nhân hàng đầu gây bùng phát ô nhiễm hữu cơ và amoni tại các điểm NM2, NM3, NM4 trên sông Cái Bé. Nước thải chế biến thủy sản chứa hàm lượng protein, mỡ động vật và chất rắn hòa tan cao chưa qua xử lý triệt để đã tiêu hao lượng lớn oxy tự nhiên trong nước.

Bên cạnh đó, hoạt động canh tác nông nghiệp tại các huyện vùng ven như Giồng Riềng và Gò Quao đưa vào nguồn nước lượng lớn phân bón hóa học dư thừa chứa các hợp chất nitơ và photpho qua dòng chảy tràn bề mặt. Nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý từ các khu dân cư tập trung ven sông cùng mật độ giao thông thủy dày đặc làm gia tăng nồng độ Coliform và chất lơ lửng. Về yếu tố tự nhiên, sông Cái Lớn và Cái Bé chịu tác động mạnh từ chế độ bán nhật triều không đều của biển Tây. Vào mùa khô, độ mặn trung bình đo được đạt 2,14‰ (cao nhất 9,8‰ tại cửa sông NM7), trong khi mùa mưa độ mặn chỉ đạt 0,04‰. Hiện tượng xâm nhập mặn kết hợp dòng chảy kiệt làm giảm khả năng pha loãng chất ô nhiễm.

Các dữ liệu này có thể được trình bày một cách trực quan qua biểu đồ đường thể hiện xu hướng biến thiên của DO và COD qua 12 năm, kết hợp cùng bảng ma trận hệ số tải lượng ô nhiễm từ phân tích thành phần chính PCA. Trên bản đồ phân vùng chất lượng nước xây dựng từ phần mềm QGIS 3.22, các dải màu cam (chất lượng kém, WQI từ 26-50) phân bố chủ yếu tại khu vực hạ lưu và cảng cá, trong khi các đoạn sông thượng lưu duy trì dải màu vàng (chất lượng trung bình, WQI từ 51-75).

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm cải thiện bền vững chất lượng nguồn nước mặt sông Cái Lớn và Cái Bé, nghiên cứu đề xuất hệ thống 4 giải pháp trọng tâm:

  1. Hoàn thiện cơ chế và quy chế phối hợp liên ngành: Ban hành quy chế phối hợp quản lý tài nguyên nước liên huyện giữa Châu Thành, Giồng Riềng, Gò Quao, An Biên và U Minh Thượng do Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Kiên Giang chủ trì. Mục tiêu hoàn thiện khung pháp lý giám sát lưu vực và xác lập hành lang bảo vệ nguồn nước trong giai đoạn 2024-2025.
  2. Áp dụng công cụ kinh tế và giám sát xả thải: Triển khai thu phí bảo vệ môi trường đối với nước thải công nghiệp và áp dụng nguyên tắc người gây ô nhiễm phải trả tiền đối với 100% doanh nghiệp chế biến thủy sản và cơ sở kinh doanh tại khu vực Cảng cá Tắc Cậu. Cục Thuế và Sở Tài nguyên và Môi trường phối hợp thực hiện, mục tiêu tăng nguồn thu tái đầu tư hạ tầng môi trường thêm 20% mỗi năm, thực hiện ngay từ năm 2024.
  3. Đầu tư hạ tầng kỹ thuật và kiểm soát nguồn ô nhiễm điểm: Nâng cấp và xây dựng mới hệ thống xử lý nước thải tập trung tại Cảng cá Tắc Cậu và các cụm công nghiệp dọc tuyến sông với công suất thiết kế đáp ứng tối thiểu 5.000 m³/ngày đêm, đảm bảo nước thải sau xử lý đạt QCVN 11-MT:2015/BTNMT và QCVN 40:2011/BTNMT trước khi xả ra sông. Ban Quản lý các Khu kinh tế và Ủy ban nhân dân tỉnh Kiên Giang chỉ đạo hoàn thành trước quý IV năm 2026.
  4. Thiết lập hệ thống quan trắc tự động kết hợp công nghệ GIS: Lắp đặt 4 trạm quan trắc nước mặt tự động, truyền dữ liệu liên tục tại các điểm nút xung yếu (NM3, NM4, NM6, NM7). Ứng dụng phần mềm QGIS và hệ thống cảnh báo sớm nhằm kiểm soát các chỉ số DO, COD, TSS theo thời gian thực, do Trung tâm Quan trắc tài nguyên và môi trường Kiên Giang vận hành trong giai đoạn 2025-2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao, là tài liệu tham khảo thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Cán bộ quản lý môi trường tại các cơ quan nhà nước: Các chuyên viên thuộc Sở Tài nguyên và Môi trường, Chi cục Bảo vệ Môi trường, Phòng Tài nguyên và Môi trường các huyện ven sông Cái Lớn - Cái Bé sử dụng luận văn làm căn cứ khoa học để hoạch định chính sách, quy hoạch mạng lưới quan trắc định kỳ và thanh tra xả thải.
  • Nhà khoa học, giảng viên và nghiên cứu sinh: Các chuyên gia nghiên cứu về thủy văn, mô hình hóa chất lượng nước và biến đổi khí hậu tại đồng bằng sông Cửu Long có thể kế thừa bộ số liệu chuỗi thời gian 12 năm và phương pháp tích hợp chỉ số WQI, phân tích PCA và bản đồ GIS.
  • Ban quản lý cảng cá và các doanh nghiệp chế biến thủy sản: Các nhà quản lý vận hành cơ sở sản xuất tại Cảng cá Tắc Cậu và các khu công nghiệp phụ cận tham khảo để nắm rõ tác động từ nguồn thải của đơn vị, từ đó chủ động cải tiến công nghệ xử lý nước thải nội bộ đạt chuẩn môi trường.
  • Học viên cao học và sinh viên chuyên ngành môi trường: Sinh viên các ngành Quản lý Tài nguyên và Môi trường, Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường sử dụng làm tài liệu học tập mẫu mực về phương pháp xử lý dữ liệu thống kê sinh thái và phân tích hiện trạng tài nguyên nước mặt.

Câu hỏi thường gặp

Chất lượng nước sông Cái Lớn và Cái Bé hiện tại có dùng cho sinh hoạt trực tiếp được không? Nguồn nước mặt sông Cái Lớn và Cái Bé không thể sử dụng trực tiếp cho mục đích sinh hoạt. Với chỉ số WQI dao động từ 26 đến 75 (mức kém đến trung bình) và nhiều chỉ tiêu như COD (12-29 mg/L), BOD5 (4-12 mg/L), Amoni vượt chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột A2, nguồn nước chỉ phù hợp cho giao thông thủy, tưới tiêu nông nghiệp hoặc phải qua các công nghệ xử lý chuyên sâu trước khi cấp sinh hoạt.

Vị trí nào trên hai con sông bị ô nhiễm nặng nề nhất và nguyên nhân do đâu? Điểm quan trắc NM3 tại khu vực Cảng cá Tắc Cậu (xã Bình An, huyện Châu Thành) bị ô nhiễm nặng nhất. Nồng độ Amoni tại đây đạt mức kỷ lục 2,25 mg/L (vượt 7,5 lần chuẩn A2), COD vượt 1,93 lần và DO giảm xuống mức 3,16 mg/L. Nguyên nhân trực tiếp là do lượng lớn nước thải chế biến thủy sản, hoạt động neo đậu tàu thuyền và chất thải sinh hoạt chưa qua xử lý xả thẳng ra sông.

Chỉ số chất lượng nước WQI giữa mùa mưa và mùa khô có sự khác biệt rõ rệt không? Kiểm định thống kê Independent Samples T-test trên phần mềm SPSS 20.0 ở mức ý nghĩa 5% cho thấy không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê về giá trị WQI tổng hợp giữa mùa mưa và mùa khô. Mặc dù mùa mưa có nồng độ TSS cao hơn (trung bình 59,6 mg/L so với 26,4 mg/L mùa khô) do xói mòn rửa trôi, nhưng mùa khô lại gia tăng mức độ cô đặc chất hữu cơ và nhiễm mặn.

Phân tích PCA mang lại lợi ích gì trong việc quản lý chất lượng nước tại Kiên Giang? Phương pháp phân tích thành phần chính PCA giúp rút gọn 12 thông số hóa lý phức tạp thành các nhóm thành phần chính yếu có hệ số riêng lớn hơn 1. Điều này giúp cơ quan quản lý xác định chính xác đâu là nguồn ô nhiễm chủ đạo (công nghiệp thủy sản, dư lượng nông nghiệp hay sinh hoạt đô thị) để phân bổ ngân sách kiểm soát hiệu quả mà không lãng phí nguồn lực.

Tại sao nồng độ tổng chất rắn lơ lửng TSS lại tăng đột biến vào mùa mưa? Vào mùa mưa, lượng mưa trung bình tại Kiên Giang đạt trên 2.600 mm/năm (chiếm 90% lượng mưa cả năm), tạo ra dòng chảy tràn bề mặt với lưu lượng lớn. Quá trình này cuốn trôi bùn đất từ đồng ruộng, gây xói lở bờ sông nghiêm trọng, dẫn đến nồng độ TSS tại điểm NM4 tăng vọt lên 158 mg/L, cao gấp 5,27 lần so với quy chuẩn.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã đánh giá toàn diện chuỗi dữ liệu 12 năm (2011-2022) của 12 thông số chất lượng nước mặt tại 7 điểm quan trắc trên sông Cái Lớn và Cái Bé, chỉ ra tình trạng ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng cục bộ tại khu vực hạ lưu.
  • Chỉ số chất lượng nước VN_WQI dao động từ 26 đến 75 điểm (mức kém đến trung bình), với hầu hết các chỉ tiêu DO, COD, BOD5, TSS, N-NH4+ vượt giới hạn cho phép của QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột A2.
  • Nguồn phát sinh ô nhiễm chính được xác định là nước thải chế biến thủy sản từ Cảng cá Tắc Cậu, hoạt động nông nghiệp sử dụng phân bón hóa học, nước thải sinh hoạt đô thị và tác động thủy triều xâm nhập mặn mùa khô.
  • Đã đề xuất đồng bộ 3 nhóm giải pháp gồm cơ chế chính sách, công cụ kinh tế và biện pháp kỹ thuật công nghệ kết hợp bản đồ hóa QGIS nhằm nâng cao năng lực quản lý nguồn nước.
  • Kế hoạch hành động giai đoạn 2024-2027 đặt trọng tâm vào việc xây dựng trạm xử lý nước thải tập trung tại các khu công nghiệp và thiết lập 4 trạm quan trắc tự động liên tục trên sông.

Quý cơ quan, viện nghiên cứu và các nhà khoa học quan tâm đến toàn văn công trình nghiên cứu cùng bộ số liệu chi tiết vui lòng liên hệ Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên - Trường Đại học Cần Thơ hoặc tác giả để cùng hợp tác ứng dụng kết quả vào thực tiễn quản lý lưu vực sông.