Tổng quan luận án
Công trình khoa học mang tên "Nghiên cứu phân vùng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng bằng chỉ số chất lượng nước" là luận án tiến sĩ chuyên ngành Quản lý tài nguyên và môi trường (mã số: 9850101), do nghiên cứu sinh Lê Văn Nam thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Lê Xuân Sinh và GS.TS. Đặng Thị Kim Chi, bảo vệ tại Học viện Khoa học và Công nghệ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào năm 2021.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Vùng biển ven bờ thành phố Hải Phòng giữ vị trí cửa ngõ ra biển trọng điểm của các tỉnh phía Bắc, sở hữu địa hình và cảnh quan chuyển tiếp giữa đới bờ châu thổ Sông Hồng và đới bờ Đông Bắc. Khu vực này quy tụ đa dạng các dạng hình thái thủy vực: vùng cửa sông châu thổ (Văn Úc, Thái Bình), cửa sông hình phễu (Bạch Đằng), vùng vịnh Lan Hạ, cùng hệ thống đảo và quần đảo đá vôi Cát Bà - Long Châu. Các hoạt động phát triển kinh tế biển mạnh mẽ như cảng biển, công nghiệp ven bờ, khai thác và nuôi trồng thủy sản, du lịch dịch vụ đã gia tăng sức ép xả thải, làm suy giảm chất lượng nước và thu hẹp bãi triều sinh thái.
Chỉ số chất lượng nước (Water Quality Index - WQI) là công cụ toán học giúp tích hợp nhiều thông số hóa lý, sinh học phức tạp thành một giá trị định lượng duy nhất trên thang điểm chuẩn hóa. Tại thời điểm nghiên cứu, Tổng cục Môi trường mới ban hành hướng dẫn tính toán VN_WQI cho môi trường nước mặt lục địa (Quyết định số 1460/QĐ-TCMT năm 2019), chưa có khung kỹ thuật riêng biệt cho môi trường nước biển ven bờ và vùng cửa sông lợ mặn. Các nghiên cứu chỉ số chất lượng nước biển trước đây tại Việt Nam còn bộc lộ nhiều hạn chế về hiện tượng che khuất thông số (eclipsing), hiện tượng ảo (ambiguity), tính không linh hoạt khi bổ sung thông số và việc xác định trọng số chưa phản ánh đúng đặc tính dữ liệu thực nghiệm. Đến nay, chưa có công trình chuyên sâu nào xây dựng công thức WQI chuyên biệt kết hợp mô hình hóa và GIS để phân vùng không gian chất lượng nước biển ven bờ Hải Phòng.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định 02 mục tiêu cụ thể:
- Xây dựng công thức tính chỉ số chất lượng nước phù hợp với đặc điểm môi trường nước biển ven bờ và hiện trạng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng.
- Phân vùng hiện trạng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng theo chỉ số chất lượng nước đã xây dựng.
Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu triển khai 06 nội dung chính:
- Nội dung 1: Tổng quan phương pháp luận về phân vùng và hệ thống chỉ số chất lượng nước của các quốc gia trên thế giới và Việt Nam.
- Nội dung 2: Phân tích, đánh giá chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng (hiện trạng, diễn biến chất lượng nước và quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong nước).
- Nội dung 3: Ứng dụng và cải tiến phương pháp tính chỉ số chất lượng nước phù hợp với đặc điểm môi trường nước vùng biển ven bờ Hải Phòng.
- Nội dung 4: Phân loại chất lượng nước từng điểm khảo sát theo chỉ số chất lượng nước.
- Nội dung 5: Lập các bản đồ phân vùng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng theo chỉ số chất lượng nước.
- Nội dung 6: Đề xuất giải pháp bảo vệ môi trường nước vùng biển ven bờ Hải Phòng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Các điều kiện tự nhiên của vùng biển ven bờ Hải Phòng (khí tượng, thuỷ - hải văn, địa hình, địa chất, đa dạng sinh học); các nguồn thải tác động đến chất lượng nước; chất lượng môi trường nước vùng biển ven bờ.
- Phạm vi địa lý: Toàn bộ vùng triều và vùng biển ven bờ thành phố Hải Phòng tính từ đường bờ đến phía ngoài quần đảo Cát Bà - Long Châu, bao gồm địa bàn 5 quận (Hồng Bàng, Ngô Quyền, Hải An, Dương Kinh, Đồ Sơn), 3 huyện ven biển (Thủy Nguyên, Kiến Thụy, Tiên Lãng) và 1 huyện đảo (Cát Hải). Không gian trọng điểm chia thành 04 khu vực: (1) Tây Nam bán đảo Đồ Sơn (cửa sông châu thổ); (2) Đông Bắc bán đảo Đồ Sơn, cửa Nam Triệu (cửa sông hình phễu); (3) Ven biển đảo Cát Bà (vùng vũng vịnh đảo đá vôi); (4) Khu vực vùng ngoài (chịu tác động tổng hợp của ba khu vực trên).
- Phạm vi dữ liệu và thời gian: Kế thừa chuỗi số liệu quan trắc môi trường giai đoạn 2008–2019 kết hợp các đợt khảo sát, đo đạc thực địa chuyên sâu trong năm 2019 đại diện cho hai mùa đặc trưng (mùa khô và mùa mưa), gắn với các pha triều (nước lớn và nước ròng).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu chỉ số chất lượng nước trên thế giới và tại Việt Nam
Về mặt lịch sử, khái niệm chỉ số môi trường bắt đầu được Hoa Kỳ nghiên cứu từ năm 1960 với 6 thành phần, và Horton (1965) là người khởi xướng việc lượng hóa chất lượng nước bằng thang số. Các tiêu chí lựa chọn thông số WQI đã được Ott (1978), Dunnette (1979), Tebbutt (2002) và Phạm Ngọc Hồ (2015) hệ thống hóa. Trên thế giới, các mô hình tính toán WQI phát triển theo nhiều nhánh hàm tổng hợp:
- Hoa Kỳ: Phương pháp WQI-NSF của Quỹ Vệ sinh Quốc gia Mỹ sử dụng hàm tổng hoặc hàm tích có/không trọng số, xác định trọng số theo phương pháp chuyên gia Delphi; chỉ số chất lượng nước bang Oregon (thập niên 1970) dùng hàm không trọng số; US EPA và NOAA (2012) áp dụng WQI biển dựa trên số lượng thông số vượt ngưỡng; Tim Carruthers và Catherine Wazniak (2004) tính WQI cho vịnh Maryland bằng phương pháp nhị phân trung bình cộng.
- Canada: Chỉ số CCME-WQI của Hội đồng Bộ trưởng Môi trường Canada (1995, 2001) đánh giá dựa trên ba yếu tố (phạm vi $F_1$, tần suất $F_2$, biên độ vượt chuẩn $F_3$), không giới hạn số lượng thông số nhưng không xét trọng số $w_i$.
- Ấn Độ, Đài Loan và châu Âu: Mô hình Bhargava (1983) tại Ấn Độ phân loại chất lượng nước theo từng mục đích sử dụng riêng biệt cho sông Ganga; Liou S. (2004) tại Đài Loan đề xuất công thức kết hợp dạng tổng và dạng tích theo nhóm thông số; Bỉ áp dụng thang điểm từ 1 đến 4; New Zealand dùng giá trị chỉ số phụ cực tiểu $I = \min(q_1, q_2, ..., q_n)$. Nhiều nghiên cứu quốc tế gần đây đưa vào phương pháp logic mờ và phương pháp trọng số Entropy để giảm tính chủ quan.
- Nghiên cứu phân vùng chất lượng nước biển quốc tế: Yongjin Xiao (2007) phân vùng biển Trung Quốc dựa trên sự suy giảm oxy hòa tan; Guzel Yucel-Gier (2013) phân vùng vịnh Gulluk (Thổ Nhĩ Kỳ) theo chỉ số dinh dưỡng phục vụ nuôi trồng thủy sản; các chương trình phân vùng tại rạn san hô Great Barrier (Úc).
Tại Việt Nam, các nghiên cứu WQI phần lớn tập trung cho môi trường nước mặt lục địa: Phạm Gia Hiền (2009) áp dụng WQI-NSF cho sông Sài Gòn; Nguyễn Văn Hợp (2010) dùng WQI-Bhargava cho sông Bồ; Phạm Thế Anh và Nguyễn Văn Huy (2013) áp dụng hướng dẫn của Tổng cục Môi trường cho suối hồ Đà Lạt; Nguyễn Lê Tú Quỳnh (2015), Lê Trình (2008, 2010, 2012) và Tôn Thất Lãng nghiên cứu lưu vực sông tại TP. Hồ Chí Minh, Hà Nội, Thái Nguyên; Phạm Ngọc Hồ (2012, 2015) đề xuất phương pháp đánh giá tổng hợp không hạn chế thông số dựa trên lý thuyết tỷ số vượt chuẩn.
Đối với môi trường đầm phá và biển ven bờ tại Việt Nam:
- Cục Kiểm soát ô nhiễm (2010) đề xuất chỉ số SWQI cho nước biển ven bờ gồm 6 thông số (TSS, COD, amoni, dầu mỡ, Pb, coliform) theo công thức trung bình cộng không trọng số.
- Hồ Công Hòa (2009) áp dụng CCME-WQI cho vùng ven bờ Đà Nẵng phục vụ nuôi trồng thủy sản.
- Phạm Ngọc Hồ (2011) xây dựng chỉ số TWQI có trọng số đánh giá nước biển ven bờ Thanh Hóa với 13 thông số.
- Nguyễn Thị Thế Nguyên (2014) xây dựng công thức $WQI_{HL}$ dạng tích có trọng số từ WQI-NSF để phân vùng chất lượng nước vịnh Hạ Long.
- Phạm Hữu Tâm (2016) áp dụng WQI-NSF dạng tổng (8 thông số) cho mạng quan trắc biển phía Nam; Trương Văn Đàn và cộng sự (2018) phát triển WQI-NSF dạng tổng (10 thông số) phân vùng đầm phá Tam Giang - Cầu Hai; Trần Thị Yên và Nguyễn Thị Thanh Thùy (2019) phát triển WQI-NSF dạng tổng và tích cho vùng biển Cửa Phú (Quảng Bình).
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Các công thức WQI nước biển hiện hành tại Việt Nam chủ yếu áp dụng dạng tổng hoặc dạng tích cố định của WQI-NSF. Dạng tổng dễ gây hiện tượng che khuất (thông số ô nhiễm nặng bị các thông số tốt che lấp), còn dạng tích dễ gây hiện tượng ảo khi trọng số quá nhỏ hoặc chỉ số phụ biến động mạnh. Đồng thời, trọng số gán cho các thông số thường mang tính định tính chuyên gia, chưa dựa trên phân tích thống kê đa biến gắn liền với đặc thù hiện trạng phát thải và quá trình thủy động lực biển ven bờ Hải Phòng. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách thiết lập một công thức WQI cải tiến kết hợp phân tích thành phần chính (PCA), xây dựng giản đồ chỉ số phụ theo quy chuẩn môi trường biển và ứng dụng mô hình số trị cùng GIS để phân vùng không gian đa kịch bản.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận nghiên cứu
- Tiếp cận hệ thống: Nhìn nhận chất lượng nước biển ven bờ là kết quả tương tác phức hợp giữa các yếu tố tự nhiên (khí tượng, hải văn, địa hình, các hệ sinh thái) và các nguồn thải nhân sinh từ lục địa đưa ra qua hệ thống sông.
- Tiếp cận liên ngành: Kết hợp kiến thức hóa học môi trường, hải dương học động lực, sinh thái học biển, thống kê toán học và hệ thông tin địa lý (GIS).
- Tiếp cận quản lý biển theo không gian (Marine Spatial Management): Vận dụng khung hướng dẫn của Ủy ban Hải dương học liên Chính phủ (IOC/UNESCO, 2009) để chuyển hóa kết quả phân vùng chất lượng nước thành công cụ quy hoạch và kiểm soát nguồn thải theo từng phân vùng chức năng.
Nguồn tư liệu và dữ liệu kế thừa
Luận án thu thập, kế thừa chuỗi dữ liệu môi trường và hải văn từ các đề tài, dự án cấp Nhà nước, cấp Bộ và địa phương:
- Đề tài KC.09 về đánh giá sức tải môi trường các thủy vực ven bờ Việt Nam.
- Đề tài nghiên cứu mô hình kinh tế xanh cho các xã đảo ven bờ (KC.09).
- Đề án điều tra, đánh giá và giải pháp tổng thể bảo vệ môi trường biển và hải đảo thành phố Hải Phòng giai đoạn 2017–2019.
- Dữ liệu mạng lưới quan trắc môi trường biển ven bờ miền Bắc tại trạm Đồ Sơn giai đoạn 2010–2019.
- Đề tài cơ sở ĐT.CS1 (2019) về hàm lượng cacbon (DIC, DOC, POC) và sự chuyển tải vật chất qua cửa sông Bạch Đằng.
Phương pháp nghiên cứu cụ thể
- Phương pháp phân tích thống kê đa biến (PCA): Sử dụng kỹ thuật Principal Components Analysis để giảm chiều dữ liệu, xác định các thông số đại diện đóng góp phương sai lớn nhất vào chất lượng nước biển phục vụ lựa chọn thông số và tính toán trọng số ($w_i$).
- Quy trình 6 bước xây dựng bộ chỉ số $WQI_{HP}$:
- Bước 1: Lựa chọn các thông số tính toán dựa trên PCA, mạng trạm quan trắc quốc gia và đặc trưng phát thải vùng bờ Hải Phòng.
- Bước 2: Phân nhóm thông số (hóa lý cơ bản, chất hữu cơ, muối dinh dưỡng, kim loại nặng, vi sinh) và thiết lập hàm chuyển đổi tính chỉ số phụ ($q_i$) tương ứng với nồng độ ($C_i$) dựa theo QCVN và tiêu chuẩn quốc tế.
- Bước 3: Xác định trọng số của từng thông số và nhóm thông số.
- Bước 4: Thiết lập công thức toán học tổng hợp $WQI_{HP}$ kết hợp khắc phục tính che khuất và tính ảo.
- Bước 5: Xây dựng thang 5 mức phân loại chất lượng nước theo thang điểm 100 và quy định bảng màu hiển thị.
- Bước 6: Kiểm nghiệm công thức qua các kịch bản số liệu thực nghiệm và tập dữ liệu giả định cực trị, so sánh đối chứng với công thức WQI-NSF, CCME-WQI.
- Phương pháp điều tra, khảo sát và phân tích phòng thí nghiệm:
- Thu mẫu tầng mặt và tầng đáy bằng thiết bị lấy mẫu chuyên dụng Niskin/Van Dorn Sampler.
- Bảo quản mẫu và đo đạc tại hiện trường theo quy định kỹ thuật quan trắc môi trường.
- Phân tích các thông số: pH, DO, TSS, COD, $BOD_5$, $NH_4^+$, $NO_3^-$, $NO_2^-$, $PO_4^{3-}$, Chlorophyll-a, tổng dầu mỡ khoáng, Coliform, Fe, PAHs, hóa chất bảo vệ thực vật.
- Phương pháp mô hình hóa thủy động lực và lan truyền chất ô nhiễm: Thiết lập lưới tính toán mô phỏng dòng chảy và sự lan truyền các chất ô nhiễm (COD, $BOD_5$, $PO_4^{3-}$, $NH_4^+$, TSS, Fe, Coliform) tại tầng mặt và tầng đáy theo các pha triều trong hai mùa khô và mưa.
- Phương pháp phân vùng và công nghệ GIS: Sử dụng các thuật toán nội suy không gian (Spatial Interpolation) trên phần mềm GIS, kết hợp số hóa bản đồ nền, chuẩn hóa hệ tọa độ và biên tập bản đồ phân vùng chất lượng nước.
- Phương pháp đánh giá rủi ro môi trường (RQ - Risk Quotient): Xác định hệ số rủi ro môi trường $RQ$ cho từng thông số ô nhiễm tại các điểm khảo sát.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về chỉ số chất lượng nước và khu vực nghiên cứu
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về WQI, phân tích 5 bước xây dựng chỉ số, các dạng hàm tổng hợp toán học, 21 tiêu chí đánh giá của Ott (1978) và 15 tiêu chí của Cục Bảo vệ môi trường Mỹ. Luận án phân tích chi tiết điều kiện tự nhiên, sinh thái và hiện trạng nguồn thải tại khu vực ven bờ Hải Phòng:
- Đặc điểm khí tượng, thuỷ - hải văn: Khí hậu chia làm hai mùa rõ rệt; mùa hè (tháng 5–9) nóng ẩm, nhiệt độ trung bình 26,9–29,2°C, lượng mưa chiếm 72–86% tổng lượng mưa năm (1.343,9–2.043,8 mm); mùa đông (tháng 11–4) lạnh, nhiệt độ trung bình 17,8–22,2°C. Chế độ nhật triều thuần nhất với khoảng 25 ngày/tháng có 1 lần nước lớn và 1 lần nước ròng. Tốc độ dòng chảy biến động 0,1–1,8 m/s, tại vùng cửa sông đạt 10–30 cm/s (cực đại 90 cm/s).
- Đặc điểm địa hình và hệ sinh thái: Đồng bằng bồi tụ chiếm 85% diện tích, đồi núi thấp chiếm 5%. Khu vực sở hữu 18 hệ sinh thái biển ven bờ tiêu biểu; hệ sinh thái bãi triều bùn cát và đáy mềm dưới triều đến độ sâu 6 m có tổng diện tích 52.981 ha (chiếm 81,5% diện tích vùng cửa sông ven bờ); quần đảo Cát Bà có 59 tùng áng và các rạn san hô phân bố tại Đông Nam Cát Bà, đảo Long Châu (độ phủ san hô sống đạt 80–90%). Khu vực ghi nhận 2.034 loài động thực vật biển ven bờ và 2.386 loài tại quần đảo Cát Bà, trong đó có 89 loài trong Sách Đỏ Việt Nam (như Voọc Cát Bà, Kim giao, Tu hài).
- Hiện trạng và dự báo tải lượng ô nhiễm đưa vào vùng cửa sông Bạch Đằng: Luận án tổng hợp bảng cân bằng tải lượng ô nhiễm từ các nguồn lục địa (Bảng 1).
Bảng 1. Tổng tải lượng ô nhiễm từ các nguồn đưa vào vùng cửa sông Bạch Đằng
| Thông số |
Thời điểm 2012 (tấn/năm) |
|
|
|
|
Tổng đưa vào (2012) |
Tổng phát sinh (2012) |
Tổng đưa vào dự báo 2025 (tấn/năm) |
|
Công nghiệp |
Chăn nuôi |
Thủy sản |
Rửa trôi đất |
Sinh hoạt |
|
|
|
| COD |
11.003,90 |
8.383,11 |
819,49 |
2.317,00 |
22.553,69 |
45.077,20 |
86.547,35 |
37.632,67 |
| $BOD_5$ |
3.175,80 |
1.469,15 |
232,41 |
452,20 |
2.757,28 |
8.086,80 |
47.443,25 |
4.006,00 |
| N-T |
2.204,90 |
6.023,06 |
149,62 |
1.846,20 |
3.523,67 |
13.747,40 |
19.012,25 |
18.065,00 |
| P-T |
209,10 |
733,77 |
134,44 |
856,20 |
1.186,66 |
3.120,20 |
3.648,31 |
4.843,71 |
| $NO_3^- + NO_2^-$ |
4,10 |
60,23 |
1,52 |
101,20 |
35,40 |
101,20 |
145,77 |
141,06 |
| $NH_4^+$ |
206,00 |
1.445,30 |
36,08 |
3.623,50 |
1.936,14 |
3.623,50 |
5.027,01 |
5.312,70 |
| $PO_4^{3-}$ |
43,80 |
330,26 |
60,54 |
1.078,90 |
644,37 |
1.078,90 |
1.252,37 |
1.793,73 |
| TSS |
8.227,90 |
8.580,48 |
0,00 |
52.424,10 |
36.568,96 |
105.801,40 |
248.779,50 |
57.512,81 |
Nguồn thải sinh hoạt chiếm tỷ trọng cao nhất trong tổng lượng ô nhiễm đưa vào thủy vực (41,31%), tiếp đến là chăn nuôi (30,27%), công nghiệp (13,50%) và nuôi trồng thủy sản (2,27%).
Chương 2: Phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Chương 2 trình bày chi tiết quy trình nghiên cứu thực nghiệm và phương pháp luận thiết lập chỉ số WQI:
- Thiết lập sơ đồ quy trình 7 bước thực hiện tổng thể và 6 bước phát triển mô hình $WQI_{HP}$.
- Ứng dụng kỹ thuật phân tích PCA trên tập dữ liệu quan trắc để xác định các thông số chất lượng nước có mức độ biến động và tương quan cao nhất.
- Phương pháp xây dựng các chỉ số phụ ($q_i$) qua giản đồ hàm số tương ứng với các khoảng nồng độ thực tế ($C_i$) đối chiếu theo QCVN 10-MT:2015/BTNMT (nước biển ven bờ) và các tiêu chuẩn khu vực.
- Thiết lập phương pháp xác định trọng số thành phần ($w_i$) và trọng số nhóm thông số dựa trên ma trận phương sai PCA kết hợp đánh giá mức độ độc hại và tính đại diện môi trường.
- Quy trình mô hình hóa lan truyền chất ô nhiễm trong thủy vực bằng mô hình số trị thủy động lực nhằm tính toán phân bố nồng độ các chất ô nhiễm theo không gian lưới tính, làm giàu dữ liệu cho các khu vực thiếu điểm đo tầng mặt và tầng đáy.
Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Chương 3 trình bày các kết quả phân tích định lượng và phân vùng không gian:
- Hiện trạng và diễn biến chất lượng nước: Phân tích các thông số hóa lý (pH, TSS, DO), các chất hữu cơ tiêu hao oxy (COD, $BOD_5$), các muối dinh dưỡng ($NH_4^+$, $NO_3^-$, $NO_2^-$, $PO_4^{3-}$), Chlorophyll-a, tổng dầu mỡ khoáng, Coliform, Fe, thuốc bảo vệ thực vật và PAHs giai đoạn 2009–2019 và năm khảo sát 2019. Đánh giá rủi ro ô nhiễm nước biển qua hệ số $RQ$ cho thấy nguy cơ tập trung cao tại vùng cửa sông Bạch Đằng, Lạch Tray và khu vực cảng biển ven bờ.
- Mô phỏng thủy động lực và lan truyền chất ô nhiễm: Phân tích trường dòng chảy và mô phỏng lan truyền nồng độ COD, $BOD_5$, $PO_4^{3-}$, $NH_4^+$, TSS, Fe, Coliform tại tầng mặt và tầng đáy theo 4 pha triều đặc trưng (mùa khô - nước ròng, mùa khô - nước lớn, mùa mưa - nước ròng, mùa mưa - nước lớn).
- Thiết lập và kiểm nghiệm công thức $WQI_{HP}$:
- Xác định tập thông số tính toán, trọng số của từng thông số và nhóm thông số qua phân tích PCA.
- Thiết lập công thức toán học $WQI_{HP}$ cải tiến. Kết quả kiểm nghiệm với các tập dữ liệu giả định cực trị (khi có một chỉ số phụ bằng 0 hoặc 1 trong khi các chỉ số khác bằng 100) chứng minh $WQI_{HP}$ phản ánh chính xác sự suy giảm chất lượng nước, khắc phục được hoàn toàn hiện tượng che khuất của WQI-NSF dạng tổng và hiện tượng tính ảo của WQI dạng tích.
- Xây dựng thang 5 mức phân loại chất lượng nước theo thang điểm WQI: Rất tốt (Mức I), Tốt (Mức II), Trung bình (Mức III), Kém (Mức IV), Ô nhiễm nặng (Mức V), kèm bảng mã màu quy chuẩn.
- Kết quả phân vùng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng:
- Xây dựng hệ thống bản đồ phân vùng chất lượng nước đa thời gian: Mùa khô (tầng mặt, tầng đáy, trung bình nước ròng, trung bình nước lớn, trung bình toàn mùa khô); Mùa mưa (tương tự 7 kịch bản của mùa mưa); Bản đồ tổng hợp trung bình năm.
- Tính toán diện tích không gian của từng phân vùng chất lượng nước, chỉ rõ các vùng nước suy giảm chất lượng tập trung cục bộ tại các cửa sông tiếp nhận nước thải sinh hoạt - công nghiệp và vùng cảng Hải Phòng, trong khi vùng biển phía ngoài Cát Bà duy trì chất lượng ở mức tốt và rất tốt.
- Hệ thống giải pháp bảo vệ môi trường nước: Luận án đề xuất giải pháp quản lý phân vùng không gian biển theo mục tiêu chất lượng nước, kiểm soát nguồn thải tại lưu vực sông Bạch Đằng, kiểm soát nước thải khu công nghiệp Đình Vũ, quản lý nước dằn tàu cảng biển và giải pháp kỹ thuật công nghệ xử lý nước thải đô thị, quan trắc tự động liên tục.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học
- Hoàn thiện phương pháp luận WQI cho môi trường biển ven bờ: Luận án đã phát triển phương pháp luận xây dựng bộ chỉ số chất lượng nước ($WQI_{HP}$) mang tính hệ thống, kết hợp phân tích thống kê đa biến PCA để lựa chọn thông số và xác định trọng số khách quan, loại bỏ tính chủ quan của phương pháp chuyên gia truyền thống.
- Cải tiến thuật toán hàm tổng hợp: Thiết lập công thức tính WQI tổng quát mới cho vùng biển ven bờ, triệt tiêu được hiện tượng che khuất (eclipsing) và tính ảo (ambiguity) khi xuất hiện các thông số ô nhiễm vượt ngưỡng cực trị, đảm bảo độ nhạy cao với biến động môi trường nước.
- Chuẩn hóa hệ thống chỉ số phụ và thang đánh giá: Xây dựng hệ thống giản đồ chỉ số phụ ($q_i$) và thang 5 cấp phân loại chất lượng nước chuẩn hóa theo các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường nước biển và hệ sinh thái ven bờ nhiệt đới.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn
- Bộ dữ liệu hiện trạng và bản đồ phân vùng không gian chi tiết: Cung cấp cơ sở dữ liệu toàn diện về hiện trạng, diễn biến chất lượng nước, tải lượng ô nhiễm và hệ số rủi ro ($RQ$) vùng biển ven bờ Hải Phòng. Bộ bản đồ phân vùng chất lượng nước theo tầng nước (mặt/đáy), pha triều (lớn/ròng) và hai mùa khí hậu cung cấp bức tranh phân bố không gian cụ thể.
- Cơ sở khoa học cho quy hoạch và quản lý biển: Kết quả phân vùng là công cụ hỗ trợ cơ quan quản lý nhà nước trong việc lập quy hoạch sử dụng không gian biển, phân vùng chức năng khai thác (bảo tồn Cát Bà, nuôi trồng thủy sản, du lịch Đồ Sơn, phát triển cảng biển và công nghiệp Đình Vũ) và kiểm soát nguồn thải từ đất liền đổ ra vịnh Bắc Bộ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu
- Do phạm vi vùng biển ven bờ Hải Phòng rộng lớn và động lực hải văn phức tạp, mạng lưới trạm quan trắc thực địa tại các vùng biển xa bờ và tầng đáy còn thưa về mật độ, việc làm mịn dữ liệu phân vùng không gian phải phụ thuộc vào kết quả mô phỏng số trị từ mô hình lan truyền chất ô nhiễm.
- Các khảo sát thực nghiệm chuyên sâu tập trung vào chuỗi dữ liệu các năm 2017–2019, chưa bao quát được toàn diện các biến động dị thường của khí hậu và các sự cố môi trường biển bất thường trên quy mô nhiều thập kỷ.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Tiếp tục tích hợp chuỗi dữ liệu từ các trạm quan trắc tự động liên tục và ảnh viễn thám độ phân giải cao để hiệu chỉnh, cập nhật bản đồ phân vùng chất lượng nước theo thời gian thực.
- Mở rộng ứng dụng và kiểm nghiệm công thức WQI cải tiến cho các vùng biển ven bờ lân cận tại vịnh Bắc Bộ (như Quảng Ninh, Thái Bình) và các vùng ven biển miền Trung, miền Nam có điều kiện sinh thái khác biệt.
- Nghiên cứu tích hợp chỉ số chất lượng nước ($WQI$) với chỉ số chất lượng trầm tích ($SQI$) và các chỉ số sinh thái học biển nhằm hình thành bộ công cụ đánh giá sức khỏe hệ sinh thái biển toàn diện.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho nhiều đối tượng:
- Cơ quan quản lý nhà nước: Sở Tài nguyên và Môi trường Hải Phòng, Chi cục Biển và Hải đảo, Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam, Ban quản lý Khu dự trữ sinh quyển quần đảo Cát Bà sử dụng kết quả phân vùng và tải lượng phát thải để phê duyệt báo cáo đánh giá tác động môi trường, cấp phép xả thải và lập quy hoạch không gian biển bền vững.
- Cơ sở đào tạo và nghiên cứu: Giảng viên, nghiên cứu sinh, học viên cao học thuộc các chuyên ngành Quản lý tài nguyên và môi trường, Khoa học môi trường biển, Kỹ thuật môi trường, Hải dương học và GIS ứng dụng có thể tham khảo phương pháp luận 6 bước xây dựng WQI, quy trình phân tích PCA, mô hình hóa lan truyền chất ô nhiễm và kỹ thuật xử lý thuật toán triệt tiêu tính che khuất.
- Phần nội dung có giá trị tham khảo nổi bật: Phương pháp luận thiết lập $WQI_{HP}$ trong Chương 2; Bảng số liệu tải lượng ô nhiễm vùng cửa sông Bạch Đằng trong Chương 1; Bộ bản đồ phân vùng chất lượng nước 5 cấp độ theo mùa và pha triều trong Chương 3.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao công thức chỉ số chất lượng nước mặt lục địa (VN_WQI) không áp dụng trực tiếp được cho vùng biển ven bờ Hải Phòng?
Môi trường nước biển ven bờ Hải Phòng chịu chi phối mạnh mẽ bởi chế độ thủy triều (nhật triều), quá trình hòa trộn nước sông - biển tại các cửa sông châu thổ và hình phễu, cùng sự tồn tại của các hệ sinh thái nhạy cảm (rạn san hô, tùng áng, rừng ngập mặn). Các thông số chỉ thị ô nhiễm, khoảng nồng độ nền, ngưỡng sinh thái và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN 10-MT:2015/BTNMT) dành cho nước biển hoàn toàn khác biệt so với quy chuẩn nước mặt lục địa (QCVN 08-MT:2015/BTNMT). Do đó, việc xây dựng công thức $WQI_{HP}$ chuyên biệt là yêu cầu khoa học bắt buộc.
2. Nguồn thải nào đóng vai trò chính đưa chất ô nhiễm vào vùng cửa sông Bạch Đằng theo tính toán của luận án?
Theo kết quả tính toán tải lượng năm 2012 của luận án, nguồn thải sinh hoạt đóng vai trò chính đưa chất ô nhiễm vào vùng cửa sông Bạch Đằng, chiếm 41,31% tổng tải lượng đưa vào (trong đó đưa vào 22.553,69 tấn COD/năm và 2.757,28 tấn $BOD_5$/năm). Tiếp theo là nguồn thải chăn nuôi (chiếm 30,27%), nguồn thải công nghiệp (chiếm 13,50%), nguồn rửa trôi đất (chiếm 12,65%) và thấp nhất là nguồn nuôi trồng thủy sản (chiếm 2,27%).
3. Luận án chia không gian trọng điểm nghiên cứu vùng biển ven bờ Hải Phòng thành những khu vực nào?
Luận án chia không gian trọng điểm thành 04 khu vực:
- Khu vực biển ven bờ phía Tây Nam bán đảo Đồ Sơn: Đặc trưng cho vùng biển ven bờ cửa sông châu thổ (sông Văn Úc, Thái Bình).
- Khu vực biển ven bờ phía Đông Bắc bán đảo Đồ Sơn, cửa Nam Triệu: Đặc trưng cho vùng biển ven bờ cửa sông hình phễu (sông Bạch Đằng).
- Khu vực ven biển đảo Cát Bà: Đặc trưng cho vùng biển vũng vịnh đảo đá vôi và quần thể tùng áng.
- Khu vực vùng ngoài: Vùng biển khơi chịu tác động tương tác tổng hòa của cả 3 khu vực ven bờ trên.
4. Công thức $WQI_{HP}$ cải tiến của luận án đã khắc phục nhược điểm cốt lõi nào của các mô hình WQI truyền thống?
Công thức $WQI_{HP}$ đã khắc phục triệt để hiện tượng "che khuất" (eclipsing) – tình trạng một thông số có chỉ số phụ rất xấu ($q_i = 0$ hoặc $1$) nhưng bị điểm số cao của các thông số khác làm lu mờ trong công thức dạng tổng, và hiện tượng "tính ảo" (ambiguity) trong công thức dạng tích. Khi kiểm nghiệm với dữ liệu cực trị, $WQI_{HP}$ phản ánh chính xác chất lượng nước suy giảm về mức kém hoặc ô nhiễm nặng, đồng thời cho phép bổ sung linh hoạt các thông số quan trắc mới mà không làm phá vỡ cấu trúc toán học của mô hình.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Lê Văn Nam đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu thông qua việc xây dựng thành công bộ chỉ số chất lượng nước chuyên biệt ($WQI_{HP}$) cho vùng biển ven bờ Hải Phòng dựa trên nền tảng thống kê đa biến PCA và các quy chuẩn môi trường biển hiện hành. Công trình đã khắc phục hiệu quả các hạn chế toán học về tính che khuất và tính ảo của các mô hình WQI truyền thống, đồng thời kết hợp mô hình số trị thủy động lực và công nghệ GIS để xây dựng bộ bản đồ phân vùng chất lượng nước 5 cấp độ theo không gian tầng nước, pha triều và mùa khí hậu. Các kết quả định lượng về tải lượng ô nhiễm và bản đồ phân vùng cung cấp luận cứ khoa học tin cậy phục vụ công tác quy hoạch không gian biển, kiểm soát nguồn thải lục địa và quản lý bền vững tài nguyên môi trường biển đảo thành phố Hải Phòng.
