CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NƯỚC MƯA CHẢY TRÀN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC MƯA CHẢY TRÀN ĐẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG 1.1 Nước mưa chảy tràn qua các bề mặt đệm Vấn đề nguồn nước và mức độ đô thị hoá có mối quan hệ đối lập từ rất lâu. Gần đây, mật độ dân số tăng nhanh ở đô thị dẫn đến nhu cầu sử dụng nước sạch và phát sinh nguồn nước thải rất lớn. Nguồn ô nhiễm từ các nguồn thải do các hoạt động kinh tế xã hội ở các đô thị (nước thải đô thị không qua xử lý, nước thải công nghiệp) đã tác động tiêu cực đến chất lượng nước của các con sông ở hạ nguồn. Ngoài ra, nguồn ô nhiễm phân tán trên khu vực thượng nguồn cũng ảnh hưởng đến chất lượng nước ở phần hạ lưu [56], [63].
Trong những thập niên gần đây, hệ thống cống thoát nước đô thị của các thành phố, cùng với lưu lượng nước thải chưa qua xử lý và dòng chảy mặt do mưa không ngừng tăng. Để quản lý và xử lý nước mưa chảy tràn, điển hình như chính quyền thành phố Poznan, Ba Lan triển khai chương trình tính thuế nước mưa chảy tràn từ cống rãnh ra sông, cách tính thuế được xác định từ diện tích mái hứng của ngôi nhà (khoảng 0,03 USD/m3 mái hứng) [50]. Các nghiên cứu nguồn nước mưa chảy tràn, đều tập trung nghiên cứu đặc điểm nguồn nước mưa chảy tràn chảy qua các loại hình sử dụng đất khác nhau (khu vực dân cư, khu thương mại, khu công nghiệp, đường cao tốc, bãi đậu xe, đường giao thông, mái nhà hay mái hứng nước mưa…) [31], [33], [34], [35], [59]. Tại Malaysia đã nghiên cứu đặc điểm nước mưa chảy tràn trên các bề mặt đệm khác nhau từ nhiều trận mưa [37].
Các nghiên cứu chủ yếu tập trung nghiên cứu đặc điểm nguồn nước mưa chảy tràn thuần tuý không lẫn các nguồn thải khác như nguồn nước thải sinh hoạt hay nước thải công nghiệp. Các phương pháp lấy mẫu và phân tích dựa vào tiêu chuẩn quan trắc nước mưa của Mỹ [76]. Các thí nghiệm nhằm nghiên cứu ảnh hưởng nguồn ô nhiễm từ nước mưa chảy tràn trên bề mặt đệm dựa trên cơ sở đánh giá các thông số: tổng lượng mưa, thời gian mưa, cường độ mưa, tổng diện tích bề mặt hứng, diện tích đất không thấm, chất lượng nước mưa chảy tràn trên bề mặt đệm. Các nghiên cứu này đã chứng minh rằng thông số ô nhiễm trung bình của chất rắn lơ lửng (TSS) và nhu cầu oxy hóa học (COD) của các trận mưa từ các tuyến đường giao thông đô thị cao hơn nhiều so với 7 đường giao thông nông thôn và cao hơn khu vực dân cư, khu vực thương mại, các mái hứng có kết cấu là bê tông, mái tôn, và các khu vực khuôn viên trường học.
Ví dụ cụ thể như kết quả nghiên cứu tại thành phố Poznan (Poland), Hình 1-1 thể hiện thông số ô nhiễm BOD5 và TSS có mối quan hệ mật thiết với nhau và có trong nước mưa chảy tràn ở khu vực công nghiệp. Nguyên nhân do phần lớn diện tích bề mặt đệm của khu công nghiệp là bề mặt không thấm, dẫn đến một lượng lớn các chất rắn lơ lửng, chất ô nhiễm hữu cơ cuốn theo dòng chảy mặt khi mưa ra kênh, sông. Cả hai thông số ô nhiễm BOD5 và chất rắn lơ lửng phụ thuộc rất nhiều vào cường độ mưa của trận mưa, đặc biệt là các trận mưa vừa mà dòng chảy mặt khi mưa cuốn theo các chất rắn hữu cơ ra kênh, sông. Trong khi đó, nhiệt độ và nồng độ oxy hoà tan trong nước mưa chảy tràn có mối quan hệ đối ngược nhau, khi nồng độ oxy trong nước mưa chảy tràn giảm thì nhiệt độ của nước mưa chảy tràn tăng [38], [60].
Hình 1-1: Quan hệ giữa thông số ô nhiễm, cường độ mưa và sử dụng đất [38], tr.6799 Tại Trung Quốc, cũng có nhiều nghiên cứu đặc điểm nước mưa chảy tràn chảy trên các bề mặt đệm với những mục đích sử dụng đất khác nhau (đường giao 8 thông đô thị, đường giao thông nông thôn, khu đô thị, mái hứng bằng xi-măng, mái hứng bằng tôn, sân trường học). Những nghiên cứu này được thực hiện tại các trung tâm thương mại hay các thành phố lớn như Trùng Khánh, Thẩm Quyến, Ma-cau và đã bước đầu có những kết quả nhất định [48], [51], [72]. Cụ thể như, kết quả đánh giá chất lượng nước mưa chảy tràn tại thành phố Trùng Khánh cho thấy thông số ô nhiễm trung bình của T-P và N-NH4+ từ các tuyến đường giao thông đô thị và khu vực thương mại có giá trị dao động từ 2,35 mg/l đến 5 mg/l và cao gấp 3 lần so với tiêu chuẩn đối với chất lượng nước mặt của Trung Quốc (tiêu chuẩn GB 3838- 2002). Nồng độ trung bình của các kim loại nặng như Fe, Pb và Cd cũng cao hơn nhiều so với giá trị tiêu chuẩn nước mặt.
Các kết quả này cũng đã chứng minh thông số ô nhiễm từ các chất hữu cơ, kim loại nặng có trong nước mưa chảy tràn ở khu vực đô thị cao hơn ở khu vực nông thôn [62], [65]. Tại Mỹ, các kết quả nghiên cứu chất lượng nước mưa chảy tràn từ đường cao tốc ở tiểu bang California (2000-2003), cũng cho kết quả tương tự. Thông số ô nhiễm trung bình các chất hữu cơ như (TSS, TDS, TOC, DOC), các kim loại nặng (As, Cd, Cr, Cu , Ni, Pb, và Zn) và chất dinh dưỡng (N-NO3-, T-N, T-P, và ortho-P) có trong nước mưa chảy tràn ở đường cao tốc cao hơn so đường ngoại ô. Thông số ô nhiễm trung bình Pb có trong nước mưa chảy tràn ở đường cao tốc trong những năm 1990 cao hơn nhiều so với hiện nay.
Nghiên cứu đã chứng minh rằng thông số ô nhiễm Pb trong nước mưa chảy tràn giảm là do chính quyền bang California đã loại bỏ xăng pha chì được sử dụng trong giao thông [55]. Tại New Zealand, nồng độ các kim loại nặng trong nước mưa chảy tràn cũng được quan tâm quan trắc, giám sát khi nước mưa đã qua mái hứng hay mái tôn mà các mái hứng này có cấu tạo thường bằng hợp kim tráng kẽm. Các kim loại nặng độc hại đối với hệ sinh thái như Zn, Cu, Pb có trong nước mưa chảy tràn, đặc biệt khi nó ở dạng hoà tan trong nước (Brown and Peake, 2006). Nồng độ Cu trong nước mưa chảy tràn có nguồn gốc từ hệ thống phanh hãm của các phương tiện vận tải, trong khi đó Zn có nguồn gốc từ lốp xe và mái tôn cũ (Davie, 2001; Shedden, 2007).
Hình 1-2 thể hiện thông số ô nhiễm kim loại nặng Cu và Zn có trong nước mưa chảy tràn tại khu vực của con sông Okeover, Newzealand (12/2009). Nồng độ thông số ô 9 nhiễm của Cu vào khoảng 9.500 µg/l (thời gian bắt đầu mưa) và giảm xuống 950 µg/l (sau 3 giờ mưa), cao gấp 530 lần đến 5300 lần so với tiêu chuẩn đối với chất lượng nước mặt cho thuỷ sinh. Hình 1-2: Các chất trong dòng chảy mặt với thời gian mưa 3h [61], tr.907 Tại Hàn Quốc, các nghiên cứu tương tự của thành phố Tacjon và Chongju cũng đã chứng minh rằng tải lượng ô nhiễm của nước mưa chảy tràn tại các khu vực khác nhau thì có mức độ ô nhiễm khác nhau. Mức độ ô nhiễm được sắp xếp theo thứ tự theo khu vực như sau: khu vực tập trung có mật độ dân cư cao có tải lượng ô nhiễm lớn hơn so với khu vực có mật độ tập trung dân cư thấp; lớn hơn so với khu vực công nghiệp, và lớn hơn so với các khu vực nông thôn [50], [52], [69].
Các kết quả trên cho thấy có sự tương quan giữa thông số ô nhiễm trung bình các chất ô nhiễm trong nước mưa chảy tràn và bề mặt đệm sử dụng đất ở các trận mưa. Nhìn chung, các kết quả nghiên cứu trên chỉ mang tính đánh giá so sánh các thông số ô nhiễm trung bình của nước mưa chảy tràn giữa các khu vực với các mục đích sử dụng đất khác nhau. Các nghiên cứu chủ yếu sử dụng phương pháp khảo sát, lấy mẫu và phân tích mẫu nước mưa chảy tràn để đánh giá các chất ô nhiễm có trong nước mưa chảy tràn trên các bề mặt đệm khác nhau. Tuy nhiên, các nghiên cứu tập trung đánh giá hiện trạng chất lượng nước mưa chảy tràn nhưng chưa mô tả 10 đặc tính và tính chất động biến đổi liên tục theo thời gian của các yếu tố mưa, nguồn thải cũng như tính liên kết của các nguồn ô nhiễm khác (nguồn thải dân cư, nông nghiệp, công nghiệp…) ảnh hưởng đến chất lượng nước mặt.
Dựa vào các nghiên cứu về nước mưa chảy tràn, tác giả kế thừa phương pháp điều tra khảo sát, quan trắc tại hiện trường, phân tích mẫu tại phòng thí nghiệm để đánh giá chất lượng nguồn nước mưa chảy tràn qua các mặt đệm khác nhau.2 Đánh giá chất lượng nước sông Chất lượng nước sông bị tác động và ảnh hưởng bởi nhiều nguồn ô nhiễm khác nhau. Trong đó, việc nghiên cứu chất lượng nước sông bị ảnh hưởng bởi nguồn nước mưa chảy tràn được nhiều nhà khoa học quan tâm. Trong những năm qua đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến các nguồn thải ô nhiễm trong đó có nước mưa chảy tràn tại các lưu vực sông. Trên thế giới từ những năm 1960, các tổ chức thế giới, các nhà khoa học đã bắt đầu nhận ra nguồn nước mưa chảy tràn ở khu vực đô thị là một trong những nguồn ô nhiễm chủ yếu ảnh hưởng đến chất lượng nước sông.
Nguồn ô nhiễm từ các chất thải rắn trên đường phố hay các vật chất lắng đọng trên bề mặt đệm là một trong những nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm nguồn nước mưa chảy tràn. Do đó, tại các nước phát triển như Mỹ, Châu Âu và một số nước phát triển ở Châu Á như Nhật, Singapore rất quan tâm đến nguồn nước mưa chảy tràn, các đô thị lớn đã xây dựng tách biệt hệ thống thu gom nước mưa và các nguồn nước thải đô thị nhằm quản lý chất lượng nguồn thải trước khi đổ ra sông [64], [66]. Nguồn nước mưa chảy tràn tại các đô thị, những nơi chưa có nhà máy xử lý nước thải tập trung, chưa có hệ thống thu gom tách biệt giữa nước mưa chảy tràn và các nguồn nước thải khác luôn là thách thức đối với các nhà quản lý môi trường. Nước thải sinh hoạt và nước mưa chảy tràn cùng chảy vào hệ thống cống thu gom chung tạo thành dòng chảy mặt và đưa ra ao, hồ sau đó chảy ra các kênh, rạch, sông [42], [44], [46].