I. Toàn cảnh nghiên cứu ô nhiễm từ nghĩa trang đến nước dưới đất
Luận án tiến sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất áp dụng cho đảo Côn Sơn tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu” của tác giả Nguyễn Thị Minh Trang (2019) là một công trình khoa học chuyên sâu, giải quyết một vấn đề môi trường cấp thiết. Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng tại các khu vực hải đảo như Côn Sơn, nơi tài nguyên nước ngọt phụ thuộc chủ yếu vào nước dưới đất. Luận án tập trung vào việc đánh giá và dự báo khả năng lan truyền chất ô nhiễm trong đất từ nghĩa trang Côn Đảo, một nghĩa trang có lịch sử lâu đời. Công trình này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mang giá trị thực tiễn cao, cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho các nhà quản lý trong việc bảo vệ tài nguyên nước dưới đất. Nghiên cứu đã thành công trong việc mô phỏng hóa quá trình lan truyền của các chất ô nhiễm, đặc biệt là amoni, từ nước rỉ từ nghĩa địa xuống tầng chứa nước. Điểm đột phá của luận án là việc đề xuất một phương pháp luận kết hợp chặt chẽ giữa thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và mô hình hóa số. Cụ thể, nghiên cứu đã sử dụng các cột đất lấy trực tiếp tại hiện trường để tiến hành thí nghiệm, sau đó dùng mô hình Hydrus 1D để tối ưu hóa và xác định các thông số lan truyền quan trọng. Cách tiếp cận này giúp khắc phục những hạn chế khi không thể thực hiện thí nghiệm hiện trường quy mô lớn. Kết quả từ luận án cung cấp một cái nhìn toàn diện về tác động môi trường của khu mai táng, từ đó đề xuất các quy trình và giải pháp xử lý ô nhiễm nước ngầm hiệu quả, góp phần vào sự phát triển bền vững của huyện Côn Đảo và có thể áp dụng cho các khu vực có điều kiện tương tự.
1.1. Giới thiệu luận án tiến sĩ kỹ thuật và ý nghĩa thực tiễn
Công trình nghiên cứu khoa học kỹ thuật môi trường này giải quyết bài toán ô nhiễm nước ngầm từ nghĩa trang, một chủ đề ít được quan tâm sâu tại Việt Nam nhưng lại có tác động lớn đến an ninh nguồn nước, đặc biệt ở các vùng hải đảo. Ý nghĩa thực tiễn của luận án nằm ở việc cung cấp một bộ công cụ khoa học, bao gồm cả quy trình thực nghiệm và mô hình toán, để đánh giá rủi ro môi trường. Các kết quả dự báo về mức độ lan truyền amoni là thông tin hữu ích cho các nhà quản lý tại Bà Rịa Vũng Tàu trong việc khoanh định vùng cấm, vùng hạn chế khai thác nước dưới đất và xây dựng kế hoạch quan trắc chất lượng nước hiệu quả. Đây là một tài liệu tham khảo giá trị, tương tự như các báo cáo khoa học về Côn Đảo và có thể so sánh với các luận văn thạc sĩ ô nhiễm nước nhưng ở cấp độ chuyên sâu hơn.
1.2. Mục tiêu chính của nghiên cứu chất lượng nước ngầm Bà Rịa Vũng Tàu
Luận án đặt ra hai mục tiêu nghiên cứu chính và đã hoàn thành xuất sắc. Mục tiêu thứ nhất là xác định các thông số lan truyền chất ô nhiễm trong dung dịch đất tại nghĩa trang Côn Đảo. Để đạt được điều này, tác giả đã kết hợp phương pháp thực nghiệm trên cột đất và phương pháp ước tính ngược thông số bằng mô hình Hydrus 1D. Mục tiêu thứ hai là đánh giá và dự báo mức độ lan truyền chất ô nhiễm từ nghĩa trang đến tầng chứa nước dưới đất. Nhiệm vụ này được thực hiện thông qua việc ứng dụng phần mềm GMS 10.0 với các module mô hình MODFLOW và RT3D. Việc đạt được các mục tiêu này đã đóng góp những dữ liệu mới và một quy trình chuẩn hóa cho việc nghiên cứu các nguồn gây ô nhiễm nước dưới đất từ hoạt động mai táng.
II. Rủi ro ô nhiễm nước ngầm từ nghĩa trang Vấn đề tại Côn Sơn
Nghĩa trang Côn Đảo, với lịch sử tồn tại lâu đời, được xác định là một nguồn gây ô nhiễm tiềm tàng đối với chất lượng nước ngầm Bà Rịa Vũng Tàu, đặc biệt tại khu vực thung lũng Côn Sơn. Vấn đề cốt lõi xuất phát từ nước rỉ từ nghĩa địa, là sản phẩm của quá trình phân hủy sinh học các thi thể. Dịch rỉ này chứa nồng độ cao các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ, điển hình là amoni (N-NH4+), nitrat, phosphat, các vi sinh vật gây bệnh và kim loại nặng. Tại Côn Sơn, nguy cơ này càng trở nên nghiêm trọng do các yếu tố đặc thù về địa chất thủy văn Côn Đảo. Khu vực nghĩa trang nằm trên nền đất cát bở rời, có tính thấm cao và không có lớp sét cách nước đủ dày để bảo vệ tầng chứa nước Pleistocen bên dưới. Cấu trúc địa chất này tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong đất diễn ra nhanh chóng, đặc biệt khi có sự tác động của nước mưa thẩm thấu. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, tác động môi trường của khu mai táng không chỉ giới hạn trong phạm vi nghĩa trang mà có thể lan rộng theo dòng chảy nước ngầm, ảnh hưởng đến các giếng khai thác nước sinh hoạt của người dân trên đảo. Việc không kiểm soát được nguồn ô nhiễm này sẽ dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng về sức khỏe cộng đồng và gây khó khăn cho việc quản lý, bảo vệ tài nguyên nước dưới đất vốn đã khan hiếm của hòn đảo.
2.1. Nguồn gốc nước rỉ từ nghĩa địa và các chất ô nhiễm chính
Nguồn gây ô nhiễm nước ngầm từ nghĩa trang chủ yếu là nước rỉ hình thành từ quá trình phân hủy xác người. Luận án trích dẫn các nghiên cứu cho thấy thành phần của dịch rỉ này rất phức tạp, bao gồm các hợp chất nitơ như amoni, nitrit, nitrat; các hợp chất phốt pho; các ion vô cơ như Cl-, Na+, K+; và đặc biệt là ô nhiễm nitrat và vi sinh vật. Quá trình phân hủy một cơ thể người có thể giải phóng một lượng lớn các chất này vào môi trường đất xung quanh trong nhiều năm. Tại nghĩa trang Côn Đảo, do hoạt động mai táng đã diễn ra trong thời gian dài, lượng chất ô nhiễm tích tụ trong đất là rất lớn, tạo ra một nguồn phát thải ô nhiễm liên tục và kéo dài, đe dọa trực tiếp đến đặc điểm tầng chứa nước Côn Sơn.
2.2. Phân tích đặc điểm địa chất thủy văn và nguy cơ tại Côn Đảo
Một trong những yếu tố quyết định tốc độ lan truyền ô nhiễm là đặc điểm địa chất. Khu vực nghiên cứu tại Côn Sơn có cấu tạo địa tầng chủ yếu là các lớp cát, cát pha có độ rỗng và hệ số thấm cao. Luận án chỉ rõ: “Do nghĩa trang nằm trong khu vực bao gồm các loại đất cát bở rời, ngay trên tầng chứa nước mà không có lớp sét ngăn cách nên nước rỉ xác từ nghĩa trang lan truyền ô nhiễm đến tầng chứa nước nằm bên dưới là có thể xảy ra”. Điều này cho thấy tầng chứa nước dưới đất ở đây rất dễ bị tổn thương. Mực nước ngầm tương đối nông cùng với lượng mưa lớn càng làm gia tăng tốc độ thẩm thấu và vận chuyển các chất ô nhiễm từ bề mặt xuống tầng chứa nước, đặt ra thách thức lớn cho công tác quản lý và bảo vệ nguồn nước.
III. Phương pháp thực nghiệm xác định thông số lan truyền ô nhiễm
Một trong những đóng góp khoa học mới và quan trọng nhất của luận án là việc xây dựng thành công một quy trình xác định thông số lan truyền chất ô nhiễm bằng phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm. Cách tiếp cận này đặc biệt hữu ích cho những khu vực như Côn Sơn, nơi không có điều kiện triển khai các thí nghiệm hiện trường tốn kém. Quy trình bắt đầu bằng việc lấy các mẫu đất không bị xáo trộn tại nghĩa trang Côn Đảo. Các mẫu đất này sau đó được sử dụng để tạo ra các cột đất trong phòng thí nghiệm, mô phỏng lại một phần của mặt cắt địa chất thực tế. Thí nghiệm được tiến hành bằng cách cho dung dịch chứa chất chỉ thị (Cl-) và chất ô nhiễm điển hình (amoni) chảy qua các cột đất với các lưu lượng và nồng độ khác nhau. Trong suốt quá trình thí nghiệm, nồng độ chất ô nhiễm ở đầu ra của cột đất được thu thập và phân tích theo thời gian để xây dựng đường cong nồng độ (breakthrough curve). Dữ liệu thực nghiệm này là đầu vào quan trọng cho bước tiếp theo: sử dụng mô hình Hydrus 1D. Phần mềm này giúp ước tính ngược và tối ưu hóa các thông số lan truyền quan trọng như độ phân tán (λ), hệ số phân vùng hấp phụ (Kd) và hệ số chuyển đổi chất (α). Sự kết hợp giữa thực nghiệm và mô hình hóa đã mang lại kết quả có độ tin cậy cao, làm cơ sở vững chắc cho việc mô hình hóa nước dưới đất và dự báo lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang.
3.1. Quy trình thí nghiệm lan truyền chất trên các cột đất thực địa
Luận án mô tả chi tiết quy trình thí nghiệm, từ khâu chuẩn bị mẫu đất đến thiết lập hệ thống cột và thu thập dữ liệu. Các cột đất được bão hòa bằng nước và sau đó được cung cấp một dòng chảy ổn định chứa chất ô nhiễm. Việc sử dụng chất chỉ thị Cl-, một chất trơ không bị hấp phụ, giúp xác định các thông số thủy động lực học của môi trường đất như hệ số phân tán. Sau đó, thí nghiệm với amoni (N-NH4+) được tiến hành để nghiên cứu các quá trình phản ứng như hấp phụ. Theo tác giả, “Kết quả thực nghiệm là cơ sở quan trọng nhằm ước tính các hệ số lan truyền cũng như đánh giá được năng lực hoạt động của dung dịch đất nghĩa trang.” Đây là bước nền tảng để hiểu rõ cơ chế lan truyền chất ô nhiễm trong đất.
3.2. Vai trò của mô hình Hydrus 1D trong tối ưu hóa các thông số
Sau khi có dữ liệu từ thí nghiệm, mô hình Hydrus 1D được vận dụng để giải bài toán ngược. Thay vì phải đoán mò, mô hình sử dụng thuật toán tối ưu Marquardt-Levenberg để tìm ra bộ thông số lan truyền phù hợp nhất, sao cho đường cong nồng độ mô phỏng trùng khớp nhất với dữ liệu thực nghiệm. Luận án nêu rõ: “Vận dụng mô hình Hydrus 1D để tối ưu hóa việc tìm nghiệm bài toán phi tuyến do phụ thuộc nhiều yếu tố (tham số).” Cách làm này không chỉ tăng độ chính xác mà còn cho phép khám phá các cơ chế phức tạp hơn như hấp phụ không cân bằng, cung cấp một bộ thông số đáng tin cậy cho các mô hình mô phỏng quy mô lớn hơn như mô hình MT3DMS hoặc RT3D.
IV. Cách mô hình hóa lan truyền ô nhiễm nước ngầm bằng GMS 10
Để đánh giá và dự báo lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang trên quy mô toàn thung lũng Côn Sơn, luận án đã ứng dụng bộ phần mềm GMS 10.0, một công cụ mạnh mẽ trong lĩnh vực mô hình hóa nước dưới đất. Quy trình mô phỏng được chia thành hai giai đoạn chính, tương ứng với hai module cốt lõi: mô hình MODFLOW và mô hình RT3D. Giai đoạn đầu tiên là xây dựng mô hình dòng chảy. MODFLOW được sử dụng để mô phỏng sự vận động của nước dưới đất trong tầng chứa nước Pleistocen, dựa trên các dữ liệu về địa hình, cấu trúc địa chất, đặc tính thủy lực của các lớp đất đá, lượng bổ cập từ nước mưa, và hoạt động khai thác. Kết quả của mô hình này là trường vận tốc và hướng dòng chảy nước ngầm, là yếu tố quyết định con đường di chuyển của chất ô nhiễm. Giai đoạn thứ hai là mô hình lan truyền chất. Module RT3D được tích hợp với kết quả từ MODFLOW để mô phỏng quá trình vận chuyển và biến đổi của amoni trong tầng chứa nước. Các thông số lan truyền quan trọng như hệ số phân tán và hệ số hấp phụ, vốn được xác định chính xác từ phương pháp thực nghiệm và Hydrus 1D, được đưa vào làm dữ liệu đầu vào. Cách tiếp cận tuần tự và liên kết chặt chẽ này đảm bảo tính nhất quán và độ tin cậy của kết quả mô phỏng, cho phép đánh giá mức độ và phạm vi ảnh hưởng của ô nhiễm theo không gian và thời gian một cách khoa học.
4.1. Ứng dụng mô hình MODFLOW cho dòng chảy nước dưới đất Côn Sơn
Việc xây dựng mô hình MODFLOW đòi hỏi một lượng lớn dữ liệu đầu vào. Luận án đã tổng hợp và xử lý các thông tin về địa chất thủy văn Côn Đảo, bao gồm bản đồ địa chất, vị trí các lỗ khoan, kết quả bơm hút thí nghiệm để xác định hệ số thấm, hệ số nhả nước. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định dựa trên chuỗi số liệu quan trắc mực nước tại các giếng trong giai đoạn 2005-2015. Kết quả hiệu chỉnh cho thấy sự phù hợp cao giữa mực nước tính toán và quan trắc, khẳng định mô hình dòng chảy đã phản ánh đúng thực trạng thủy văn của khu vực nghiên cứu, tạo tiền đề vững chắc cho mô hình lan truyền chất.
4.2. Mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm với mô hình RT3D
Sau khi có trường dòng chảy từ MODFLOW, mô hình RT3D được thiết lập để mô phỏng sự di chuyển của amoni từ nghĩa trang Côn Đảo. RT3D có khả năng mô tả các quá trình vật lý và hóa học phức tạp như đối lưu, phân tán, hấp phụ và phản ứng hóa học. Một ưu điểm của RT3D được nhấn mạnh là khả năng xử lý các phản ứng đa chất. Nguồn ô nhiễm được xác định tại vị trí nghĩa trang với nồng độ ban đầu được ước tính dựa trên các tài liệu tham khảo và số liệu quan trắc. Các thông số lan truyền (Kd, λ, α) được xác định từ chương 3 là dữ liệu đầu vào cốt lõi, giúp mô hình dự báo chính xác hơn về lan truyền chất ô nhiễm trong đất và nước.
4.3. Xây dựng và hiệu chỉnh bộ dữ liệu cho mô hình hóa Côn Sơn
Quá trình xây dựng và hiệu chỉnh mô hình là một bước tối quan trọng. Tác giả đã sơ đồ hóa vùng nghiên cứu, chia lưới tính toán, và gán các thuộc tính vật lý, điều kiện biên (biên sông, biên không dòng chảy) một cách cẩn thận. Dữ liệu đầu vào bao gồm cả điều kiện tự nhiên và nhân tạo (lượng mưa, bốc hơi, lượng nước khai thác từ các giếng). Việc hiệu chỉnh mô hình lan truyền được thực hiện bằng cách so sánh nồng độ amoni tính toán với dữ liệu quan trắc chất lượng nước tại các giếng giai đoạn 2005-2015. Quá trình này đảm bảo mô hình không chỉ là một công cụ lý thuyết mà còn phản ánh sát với thực tế diễn biến ô nhiễm tại Côn Sơn.
V. Kết quả dự báo lan truyền ô nhiễm amoni tại nghĩa trang Côn Đảo
Kết quả mô phỏng từ luận án đã cung cấp những bằng chứng khoa học rõ ràng về mức độ và phạm vi lan truyền ô nhiễm từ nghĩa trang Côn Đảo. Mô hình đã tái hiện thành công diễn biến phân bố nồng độ amoni trong tầng chứa nước Pleistocen giai đoạn 2005-2015, cho thấy một vùng ô nhiễm (plume) lan truyền từ khu vực nghĩa trang theo hướng dòng chảy chính của nước dưới đất. Nồng độ amoni cao nhất tập trung tại khu vực gần nguồn thải và giảm dần khi di chuyển ra xa do các quá trình pha loãng, phân tán và hấp phụ. Dựa trên mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm định, luận án tiếp tục xây dựng kịch bản dự báo đến năm 2050. Kết quả dự báo cho thấy, ngay cả khi giả định không có thêm nguồn thải mới, vùng ô nhiễm vẫn sẽ tiếp tục mở rộng trong những năm tiếp theo do lượng chất ô nhiễm đã tích tụ trong đất sẽ tiếp tục được giải phóng từ từ vào nước ngầm. Những dự báo này là một lời cảnh báo quan trọng về nguy cơ lâu dài đối với nguồn nước sinh hoạt trên đảo. Thêm vào đó, nghiên cứu còn tiến hành đánh giá độ nhạy của các thông số lan truyền, chỉ ra rằng hệ số phân vùng hấp phụ (Kd) và độ phân tán (λ) có ảnh hưởng lớn nhất đến kết quả mô phỏng. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xác định chính xác các thông số này để có được dự báo đáng tin cậy, hỗ trợ công tác bảo vệ tài nguyên nước dưới đất.
5.1. Kịch bản mô phỏng ô nhiễm nước ngầm giai đoạn 2005 2015
Giai đoạn này được dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố nồng độ amoni phù hợp với số liệu quan trắc tại các giếng CS9 và CS11. Cụ thể, mô hình chỉ ra rằng vùng ô nhiễm có xu hướng lan truyền theo hướng Tây Bắc, trùng với hướng dòng chảy chính. Luận án đã trực quan hóa kết quả bằng các bản đồ phân bố nồng độ theo từng năm, cho thấy rõ tâm ô nhiễm và phạm vi ảnh hưởng. Ví dụ, vào năm 2015, “mô phỏng lan truyền và phân bố nồng độ amoni theo mặt cắt Đông Tây và Nam Bắc” đã cho thấy vệt ô nhiễm đã vượt ra khỏi ranh giới nghĩa trang, đe dọa đến chất lượng nước ngầm Bà Rịa Vũng Tàu trong khu vực.
5.2. Dự báo phạm vi lan truyền ô nhiễm và suy giảm tự nhiên đến 2050
Kịch bản dự báo được xây dựng dựa trên giả định rằng nghĩa trang ngừng tiếp nhận mai táng mới và quá trình suy giảm tự nhiên diễn ra. Tuy nhiên, kết quả cho thấy nồng độ amoni tại nguồn giảm rất chậm. Vùng ô nhiễm tiếp tục di chuyển và mở rộng, mặc dù với tốc độ chậm hơn so với giai đoạn trước. Dự báo này cung cấp một cơ sở quan trọng để các nhà quy hoạch xem xét các giải pháp xử lý ô nhiễm nước ngầm chủ động, thay vì chỉ trông chờ vào khả năng tự làm sạch của môi trường, vốn rất hạn chế trong trường hợp này. Đây là một bước quan trọng trong việc đánh giá rủi ro môi trường dài hạn.
VI. Hướng đi mới bảo vệ tài nguyên nước dưới đất từ luận án này
Từ những kết quả nghiên cứu sâu sắc, luận án không chỉ dừng lại ở việc mô tả thực trạng mà còn mở ra những hướng đi mới và đề xuất các giải pháp cụ thể nhằm bảo vệ tài nguyên nước dưới đất tại Côn Sơn và các khu vực tương tự. Đóng góp quan trọng nhất là việc đề xuất một “quy trình tổng quát xác định sự lan truyền ô nhiễm trong tầng chứa nước dưới đất”. Quy trình này, kết hợp giữa thực nghiệm trong phòng, mô hình Hydrus 1D, và các mô hình quy mô lớn như MODFLOW-RT3D, có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các địa điểm khác nhau, với các loại đất và chất ô nhiễm khác nhau. Đây là một đóng góp có giá trị cho cộng đồng nghiên cứu khoa học kỹ thuật môi trường tại Việt Nam. Dựa trên kết quả dự báo, luận án đưa ra các kiến nghị thiết thực cho cơ quan quản lý. Các kiến nghị bao gồm việc khoanh vùng bảo vệ vệ sinh nghiêm ngặt xung quanh nghĩa trang, thiết lập mạng lưới quan trắc chất lượng nước thường xuyên hơn, và nghiên cứu áp dụng các giải pháp xử lý ô nhiễm nước ngầm tại chỗ. Hơn nữa, kết quả nghiên cứu nhấn mạnh sự cần thiết phải xem xét kỹ lưỡng yếu tố địa chất thủy văn trong công tác quy hoạch các khu mai táng mới, tránh lặp lại những sai lầm trong quá khứ. Đây là một báo cáo khoa học về Côn Đảo mang tính ứng dụng cao, góp phần đảm bảo an ninh nguồn nước cho sự phát triển bền vững của hòn đảo.
6.1. Đề xuất quy trình tổng quát để đánh giá rủi ro môi trường
Luận án đã hệ thống hóa phương pháp nghiên cứu thành một quy trình chuẩn, có thể áp dụng rộng rãi. Quy trình này bao gồm các bước: (1) Khảo sát, thu thập dữ liệu ban đầu về địa chất, thủy văn và hiện trạng ô nhiễm; (2) Thực hiện thí nghiệm cột đất trong phòng để xác định các thông số lan truyền đặc trưng cho khu vực; (3) Sử dụng Hydrus 1D để tối ưu hóa bộ thông số; (4) Xây dựng mô hình dòng chảy và lan truyền chất quy mô lớn (GMS); (5) Hiệu chỉnh, kiểm định và chạy các kịch bản dự báo. Quy trình này giúp việc đánh giá rủi ro môi trường từ các nguồn thải tương tự trở nên khoa học và có hệ thống hơn.
6.2. Các giải pháp xử lý ô nhiễm nước ngầm và quy hoạch nghĩa trang
Trên cơ sở kết quả mô phỏng, luận án gợi ý các giải pháp tiềm năng. Về mặt quản lý, cần thiết phải có quy hoạch lại và xem xét khả năng di dời các khu vực chôn cất mới ra xa nguồn nước quan trọng. Về mặt kỹ thuật, có thể nghiên cứu các giải pháp can thiệp như tạo các hàng rào phản ứng thấm (permeable reactive barriers) để ngăn chặn và xử lý vệt ô nhiễm. Đồng thời, việc tăng cường mạng lưới quan trắc sẽ giúp phát hiện sớm các dấu hiệu ô nhiễm lan rộng, cho phép đưa ra các biện pháp ứng phó kịp thời, bảo vệ chất lượng nước ngầm Bà Rịa Vũng Tàu.
