Luận văn thạc sĩ khoa học nghiên cứu ứng dụng mô hình dòng chảy vật chất mfa và hệ thống thông tin địa lý gis đánh giá nguồn phát thải và biến đổi hàm lượng nitơ trong môi trường nước hệ thống sông thái bình khu vực tỉnh hải dương

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng mô hình MFA và GIS đánh giá nguồn phát thải, biến đổi hàm lượng nitơ trong hệ thống sông Thái Bình.

• Tác giả: Lê Phú Đồng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Văn Chính
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa Phân tích
• Đề tài: Nghiên Cứu Mô Hình Dòng Chảy Và GIS Đánh Giá Nguồn Phát Thải Nitơ Tại Sông Thái Bình, Hải Dương
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khái quát về điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội khu vực nghiên cứu
• 1.1.1. Vị trí địa lý
• 1.1.2. Địa hình, địa mạo
• 1.1.3. Đặc điểm về khí tượng – thủy văn
• 1.1.3.1. Điều kiện khí tượng
• 1.1.3.2. Điều kiện thuỷ văn
• 1.1.4. Hiện trạng sử dụng đất
• 1.1.5. Phát triển kinh tế - xã hội, môi trường
• 1.1.5.1. Về sản xuất công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp
• 1.1.5.2. Về khu, cụm công nghiệp
• 1.1.5.3. Dân số và phát triển đô thị
• 1.1.5.4. Hiện trạng môi trường khu vực nghiên cứu
• 1.2. Phương pháp phân tích dòng chảy vật chất (MFA)
• 1.2.1. Lịch sử phát triển
• 1.2.2. Các ứng dụng của mô hình MFA trong môi trường
• 1.3. Giới thiệu về GIS (Geographic Information System)
• 1.3.1. Giới thiệu chung về GIS
• 1.3.2. Các ứng dụng của GIS trong lĩnh vực môi trường nước
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. Thiết bị, vật tư hóa chất
• 2.1.1. Thiết bị, dụng cụ
• 2.2. Vị trí các điểm lấy mẫu, quan trắc
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Xây dựng mô hình MFA
• 2.3.1.1. Tìm kiếm biểu đồ dòng chảy N cho nghiên cứu MFA tại Hải Dương
• 2.3.1.2. Thiết lập mô hình MFA sơ cấp sau khi có các cuộc khảo sát tại hiện trường
• 2.3.1.3. Đánh giá thông số sau khi tiếp tục khảo sát tại hiện trường đợt 2
• 2.3.1.4. Giai đoạn kết thúc
• 2.3.2. Xây dựng mô hình tính tải lượng Nitơ dựa vào các tham số của mô hình phân phối GIS
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đánh giá hiện trạng ô nhiễm Nitơ trong môi trường nước thuộc các hệ thống sông khu vực tỉnh Hải Dương
• 3.1.1. Hiện trạng ô nhiễm NH4+-N trong nước sông tại khu vực tỉnh Hải Dương
• 3.1.1.1. Phân tích hàm lượng NH4+-N trên hệ thống sông Thái Bình
• 3.1.1.2. Phân tích hàm lượng NH4+-N trên hệ thống sông Bắc Hưng Hải
• 3.1.2. Hiện trạng ô nhiễm NO2--N trong nước sông tại khu vực tỉnh Hải Dương
• 3.1.2.1. Phân tích hàm lượng NO2--N trên hệ thống sông Thái Bình
• 3.1.2.2. Phân tích hàm lượng NO2--N trên hệ thống sông Bắc Hưng Hải
• 3.1.3. Hiện trạng ô nhiễm NO3--N trong nước sông tại khu vực tỉnh Hải Dương
• 3.1.3.1. Phân tích hàm lượng NO3--N trên hệ thống sông Thái Bình
• 3.1.3.2. Kết quả NO3--N thuộc hệ thống sông Bắc Hưng Hải
• 3.2. Nghiên cứu ứng dụng mô hình MFA để đánh giá nguồn thải N
• 3.2.1. Đề xuất các quá trình mô hình trong MFA tính toán chu trình N đối với toàn bộ tỉnh Hải Dương
• 3.2.2. Các thông số đầu vào cho mô hình MFA
• 3.2.3. Thảo luận về mô hình MFA
• 3.2.3.1. Quá trình “Hộ gia đình (1)”
• 3.2.3.2. Quá trình "công trình vệ sinh (2)"
• 3.2.3.3. Quá trình “ Hệ thống thoát nước” (3)
• 3.2.3.4. Quá trình “Thu gom chất thải rắn” (4)
• 3.2.3.5. Quá trình “ chợ” (6)
• 3.2.3.6. Quá trình “bãi rác” (7)
• 3.2.3.7. Quá trình “chăn nuôi” (12)
• 3.2.3.8. Quá trình “ Thủy sản (13)”
• 3.2.3.9. Quá trình “Trồng lúa và các loại cây trồng khác” (14)
• 3.2.4. Đánh giá các thông số trong mô hình MFA
• 3.2.5. Phân tích độ nhạy của các thông số trong mô hình MFA
• 3.2.5.1. Dòng N chảy vào nước mặt
• 3.2.5.2. Dòng N chảy vào hệ thống thoát nước
• 3.2.6. Mô hình MFA với N cho Hải Dương
• 3.3. Xây dựng mô hình tính tải lượng N dựa trên các tham số của mô hình phân phối GIS
• 3.3.1. Các thông số của hệ thống thông tin địa lý GIS
• 3.3.2. Khu vực nghiên cứu
• 3.3.3. Số liệu về nguồn thải và số liệu quan trắc các năm
• 3.3.4. Xây dựng mô hình tính toán tải lượng N
• 3.3.5. Đánh giá mô hình tính toán
• 3.4. Kịch bản ô nhiễm N trong môi trường của tỉnh Hải Dương đến năm 2020
• 3.4.1. Áp dụng mô hình MFA
• 3.4.2. Áp dụng mô hình tính toán tải lượng N
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình dòng chảy và GIS

Mô hình dòng chảy vật chất (MFA) và hệ thống thông tin địa lý (GIS) là hai công cụ quan trọng trong việc đánh giá và quản lý nguồn nước. MFA giúp phân tích các dòng chảy và nguồn phát thải, trong khi GIS cung cấp khả năng lập bản đồ và phân tích không gian. Việc kết hợp hai phương pháp này cho phép đánh giá chính xác hơn về tình trạng ô nhiễm, đặc biệt là ô nhiễm Nitơ trong môi trường nước. Theo nghiên cứu, GIS có thể giúp xác định vị trí và mức độ ô nhiễm, từ đó đưa ra các biện pháp quản lý hiệu quả hơn. Sự kết hợp này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về nguồn phát thải mà còn hỗ trợ trong việc quy hoạch tài nguyên nước và bảo vệ môi trường.

1.1. Ứng dụng của mô hình MFA trong đánh giá ô nhiễm

Mô hình MFA được áp dụng để phân tích các nguồn phát thải Nitơ từ các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt. Nghiên cứu cho thấy rằng các nguồn thải này có sự tương tác phức tạp, ảnh hưởng đến chất lượng nước sông Thái Bình. Việc sử dụng MFA cho phép xác định rõ ràng các quá trình phát thải và lượng Nitơ thải ra môi trường. Kết quả cho thấy, các hoạt động nông nghiệp, đặc biệt là việc sử dụng phân bón, là nguồn phát thải chính. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc quản lý và điều chỉnh các hoạt động nông nghiệp để giảm thiểu ô nhiễm Nitơ.

II. Đánh giá hiện trạng ô nhiễm Nitơ tại sông Thái Bình

Hiện trạng ô nhiễm Nitơ tại sông Thái Bình đã được đánh giá thông qua các chỉ tiêu như NH4+-N, NO2--N và NO3--N. Kết quả cho thấy nồng độ Nitơ tại nhiều điểm quan trắc vượt quá giới hạn cho phép, đặc biệt là ở các khu vực gần nguồn phát thải. Sự gia tăng nồng độ Nitơ có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng về môi trường, như hiện tượng tảo nở hoa và suy giảm chất lượng nước. Việc phân tích dữ liệu từ GIS cho phép xác định các khu vực ô nhiễm nặng, từ đó đề xuất các biện pháp can thiệp kịp thời. Điều này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

2.1. Nguồn phát thải Nitơ từ hoạt động nông nghiệp

Hoạt động nông nghiệp là một trong những nguồn phát thải Nitơ chính vào sông Thái Bình. Việc sử dụng phân bón hóa học không hợp lý đã dẫn đến sự gia tăng nồng độ Nitơ trong nước. Nghiên cứu cho thấy rằng, trong mùa vụ, lượng Nitơ thải ra từ các cánh đồng lúa và cây trồng khác chiếm tỷ lệ lớn trong tổng lượng phát thải. Điều này cho thấy cần có các biện pháp quản lý bền vững trong nông nghiệp, như áp dụng các phương pháp canh tác hữu cơ và giảm thiểu sử dụng phân bón hóa học để bảo vệ nguồn nước.

III. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng mô hình MFA và GIS trong đánh giá nguồn phát thải Nitơ tại sông Thái Bình là rất cần thiết. Kết quả nghiên cứu không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về tình trạng ô nhiễm mà còn giúp đề xuất các giải pháp quản lý hiệu quả. Để giảm thiểu ô nhiễm Nitơ, cần có sự phối hợp giữa các cơ quan chức năng, cộng đồng và người dân trong việc thực hiện các biện pháp bảo vệ môi trường. Việc nâng cao nhận thức về ô nhiễm nước và khuyến khích các phương pháp canh tác bền vững sẽ góp phần quan trọng trong việc cải thiện chất lượng nước sông Thái Bình.

3.1. Đề xuất các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm

Để giảm thiểu ô nhiễm Nitơ, cần thực hiện các biện pháp như: 1) Tăng cường quản lý và giám sát việc sử dụng phân bón trong nông nghiệp; 2) Khuyến khích áp dụng các phương pháp canh tác hữu cơ; 3) Tăng cường giáo dục cộng đồng về bảo vệ môi trường nước; 4) Phát triển các công nghệ xử lý nước thải hiệu quả. Những biện pháp này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống sông Thái Bình là mạng lưới thủy văn lớn thứ hai tại miền Bắc Việt Nam, giữ vai trò huyết mạch trong việc cung cấp nước phục vụ sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt của hàng triệu người dân Đồng bằng sông Hồng. Đoạn sông Thái Bình chảy qua địa phận tỉnh Hải Dương có chiều dài 73 km với tổng lượng nước trung bình dao động từ 30 đến 40 tỷ m³/năm, tiếp nhận khoảng 22,9 triệu tấn phù sa mỗi năm từ sông Hồng qua sông Luộc và sông Đuống. Song song với đó, hệ thống thủy nông Bắc Hưng Hải với hơn 200 km kênh chính đảm nhiệm vai trò tưới tiêu cho diện tích canh tác khoảng 200.230 ha. Tuy nhiên, trước áp lực từ quá trình đô thị hóa nhanh chóng với quy mô dân số hơn 1,512 triệu người (mật độ 1.055 người/km²) cùng sự mở rộng của 18 khu công nghiệp tập trung và 38 cụm công nghiệp, chất lượng môi trường nước mặt tại Hải Dương đang đối mặt với nguy cơ suy thoái nghiêm trọng do ô nhiễm các hợp chất nitơ.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự gia tăng mất kiểm soát của các dạng nitơ vô cơ như amoni, nitrit và nitrat trong nguồn nước, đe dọa trực tiếp đến hệ sinh thái thủy sinh và nguồn nước cấp sinh hoạt. Nghiên cứu của tác giả Lê Phú Đồng tập trung lượng hóa toàn diện các dòng vật chất nitơ, xác định chính xác nguồn phát thải then chốt từ các hoạt động sinh hoạt, chăn nuôi, trồng trọt và công nghiệp trên địa bàn tỉnh Hải Dương trong giai đoạn 2011 - 2013, đồng thời xây dựng kịch bản dự báo tải lượng ô nhiễm đến năm 2020. Bằng việc tích hợp đồng thời mô hình Phân tích Dòng chảy Vật chất (MFA) và Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS), công trình mang lại giá trị thực tiễn cao khi giải quyết triệt để bài toán thiếu hụt dữ liệu quan trắc phân tán. Kết quả nghiên cứu đạt độ hội tụ thống kê cao với 1.000 vòng lặp mô phỏng xác suất, cung cấp luận cứ khoa học chuẩn xác để các cơ quan quản lý ban hành chính sách kiểm soát ô nhiễm nước mặt theo lưu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp giữa hai nền tảng lý thuyết và công cụ phân tích hiện đại trong quản lý môi trường lưu vực:

• Lý thuyết Phân tích Dòng chảy Vật chất (Material Flow Analysis - MFA): Dựa trên nguyên lý bảo toàn khối lượng và phương pháp tiếp cận hệ thống do Baccini, Brunner và Steurer phát triển từ năm 1992, kết hợp các cải tiến ứng dụng của Montangero và Belevi. Mô hình MFA xem xét toàn bộ vòng tuần hoàn của nguyên tố nitơ thông qua phương trình cân bằng biến thiên tích lũy vật chất: hiệu số giữa tổng dòng vật chất đầu vào và tổng dòng vật chất đầu ra tại từng quá trình chuyển hóa xác định trong một không gian và thời gian cụ thể.
• Lý thuyết Mô hình hóa Thủy lực và Phân phối Không gian GIS: Ứng dụng mô hình phân phối thông số dòng chảy của Lê Văn Chính và cộng sự trên cơ sở liên kết dữ liệu địa lý không gian với nồng độ quan trắc thực địa. Mô hình thiết lập hàm quan hệ phi tuyến giữa tỷ lưu tải lượng nitơ tiếp nhận với lưu lượng dòng chảy và tỷ lệ diện tích các loại hình sử dụng đất.
• Các khái niệm chuyên ngành cốt lõi: Quá trình amoni hóa và nitrat hóa hợp chất hữu cơ; Tải lượng phát thải nguồn phân tán từ 68.542 ha đất canh tác nông nghiệp; Tải lượng phát thải nguồn điểm từ hệ thống trạm bơm thoát nước đô thị và khu công nghiệp; Độ không đảm bảo đo và phân bố xác suất tham số dòng vật chất.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu và mạng lưới thu thập: Dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu quan trắc thực nghiệm tại 31 vị trí trọng điểm trên các hệ thống sông thuộc địa bàn Hải Dương (19 điểm trên hệ thống sông Thái Bình và 12 điểm trên hệ thống kênh Bắc Hưng Hải) với tần suất đo đạc 4 đợt/năm liên tục trong giai đoạn 2011 - 2013. Bên cạnh đó, các số liệu thứ cấp về hiện trạng sử dụng đất, dân số, công nghiệp và chăn nuôi được thu thập từ Niên giám Thống kê tỉnh Hải Dương năm 2013 và các báo cáo hiện trạng môi trường của Sở Tài nguyên và Môi trường.
• Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: 31 điểm quan trắc được lựa chọn theo phương pháp phân tầng không gian dọc theo trục thủy văn chính, bao gồm các điểm hợp lưu nhạy cảm (ngã ba sông Lục Nam, sông Thương, sông Đuống), các mặt cắt tiếp nhận nước thải sinh hoạt đô thị (sông Sặt tại Cầu Cất, Cầu Ghẽ), khu vực xả thải công nghiệp (KCN Lai Vu, KCN Đại An) và vùng hạ lưu tưới tiêu nông nghiệp. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản tuân thủ quy chuẩn quốc gia về chất lượng nước mặt.
• Phương pháp phân tích hóa học và lý do lựa chọn: Các chỉ tiêu nitơ được phân tích bằng phương pháp trắc phổ hấp thụ phân tử UV-VIS trên máy Shimadzu (vùng bước sóng 190 - 800 nm). Cụ thể:
  • Chỉ tiêu nitrit (NO2--N) xác định theo TCVN 6178:1996 bằng phản ứng tạo màu điazô hóa với thuốc thử Griess A (axit sulfanilic) và Griess B (naphthylamin).
  • Chỉ tiêu nitrat (NO3--N) xác định theo TCVN 6180:1996 bằng phản ứng tạo màu với axit sunfosalixylic trong môi trường kiềm.
  • Chỉ tiêu amoni (NH4+-N) xác định theo TCVN 6179-1:1996 bằng phương pháp tạo phức màu xanh indophenol với natri salixylat và natri diclorosoxyanurat. Lý do lựa chọn nhóm phương pháp này là nhờ độ nhạy quang học cao, giới hạn phát hiện thấp, độ lặp lại ổn định và đã được kiểm định đạt chuẩn ISO/IEC 17025:2005 tại phòng thí nghiệm chuyên môn.
• Kỹ thuật xử lý số liệu: Ứng dụng kỹ thuật Macro trên Microsoft Excel kết hợp thuật toán mô phỏng Monte Carlo với 1.000 vòng lặp ngẫu nhiên để đánh giá độ nhạy tham số, kiểm soát sai số và xác định các luồng phân phối nitơ có độ tin cậy vượt trên 68%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Ô nhiễm Amoni (NH4+-N) ở mức báo động trên diện rộng: Nồng độ NH4+-N tại hầu hết các trạm quan trắc trên sông Thái Bình và sông Bắc Hưng Hải đều vượt ngưỡng quy định cho mục đích cấp nước sinh hoạt loại A1 và A2 theo QCVN 08:2008/BTNMT. Đặc biệt trên hệ thống kênh Bắc Hưng Hải, nồng độ amoni tại trạm Sđ25 (Cầu Sặt, huyện Bình Giang), Sđ26 (Cầu Cất) và Sđ27 (hạ lưu điểm xả TP. Hải Dương) thường xuyên vượt ngưỡng B1 gấp 2 đến 4 lần. Vào đợt quan trắc mùa khô năm 2013, các điểm hợp lưu phía thượng nguồn sông Thương và sông Lục Nam (S1, S2, S3) ghi nhận nồng độ amoni tăng đột biến, vượt qua cả giới hạn cho phép đối với giao thông thủy (mức B2).
• Biến động phức tạp của Nitrit (NO2--N) và Nitrat (NO3--N): Hàm lượng nitrit tại nhiều vị trí lấy mẫu dao động từ 0,02 mg/l đến trên 0,05 mg/l, vượt ngưỡng tiêu chuẩn nước mặt loại A2 và chạm ngưỡng B1. Sự xuất hiện đồng thời của nồng độ amoni và nitrit cao cho thấy quá trình oxy hóa tự nhiên các hợp chất nitơ trong nước sông diễn ra chưa triệt để do điều kiện thiếu hụt oxy hòa tan cục bộ.
• Lượng hóa nguồn thải qua mô hình MFA: Kết quả cân bằng vật chất chỉ ra rằng trên 60% tổng lượng nitơ tiêu thụ từ nguồn thực phẩm của các hộ gia đình bị đào thải trực tiếp ra môi trường nước mặt qua hệ thống vệ sinh và cống rãnh. Đáng chú ý, các bể tự hoại tại khu vực dân cư chỉ giữ lại được khoảng 5% đến 14% lượng nitơ dưới dạng bùn phân tích lũy, phần lớn lượng nitơ hòa tan còn lại bị xả thẳng ra kênh mương nội đồng.
• Tác động từ hoạt động nông nghiệp và chăn nuôi: Hoạt động canh tác trên 68.542 ha đất trồng lúa kết hợp với nước thải từ hàng triệu gia súc, gia cầm chưa qua xử lý là nguồn phát sinh nitơ phân tán lớn nhất, chiếm trên 55% tổng tải lượng nitơ thất thoát vào các lưu vực sông nội tỉnh vào mùa mưa lũ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm amoni nghiêm trọng tại hạ lưu sông Sặt là do tiếp nhận toàn bộ nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý của khu vực nội thành Hải Dương thông qua trạm bơm Âu Thuyền với công suất xả thải lên tới 32.000 m³/giờ. Tại các huyện ngoại thành như Bình Giang, Cẩm Giàng và Gia Lộc, sự kết hợp giữa nước thải làng nghề sản xuất thực phẩm (chế biến nông sản, giết mổ gia súc) và dòng chảy tràn bề mặt mang theo phân bón hóa học dư thừa từ đồng ruộng đã làm trầm trọng thêm mức độ phú dưỡng hóa nguồn nước.

Dữ liệu quan trắc 12 đợt đo đạc từ năm 2011 đến năm 2013 có thể được minh họa trực quan thông qua các biểu đồ chuỗi thời gian phân bố nồng độ chất ô nhiễm và bảng tổng hợp tải lượng phát thải từng nguồn. Khi biểu diễn dòng chuyển hóa nitơ bằng sơ đồ dòng chảy vật chất Sankey, sự tương quan giữa dòng dinh dưỡng đầu vào từ phân bón, thức ăn chăn nuôi và dòng thất thoát ra nguồn nước mặt được thể hiện rõ ràng với độ chính xác cao. So sánh với các nghiên cứu của Montangero tại khu vực Việt Trì (Phú Thọ) và Hasan Belevi tại Kumasi (Ghana), cấu trúc thất thoát nitơ tại Hải Dương phản ánh quy luật điển hình của các vùng đô thị - nông nghiệp chuyển dịch tại các quốc gia đang phát triển: tỷ lệ xử lý nước thải tại chỗ thấp và cơ sở hạ tầng thoát nước chưa hoàn thiện là nguyên nhân cốt lõi gây ô nhiễm nước mặt.

Đề xuất và khuyến nghị

• Quy hoạch và xây dựng hệ thống xử lý nước thải đô thị tập trung: Xây dựng mới và nâng cấp đồng bộ mạng lưới thu gom nước thải sinh hoạt tại thành phố Hải Dương và các thị trấn trung tâm huyện, đưa vào vận hành các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt áp dụng công nghệ bùn hoạt tính hiếu khí kết hợp khử nitrat hóa sinh học. Mục tiêu giảm thiểu từ 40% đến 50% tải lượng nitơ hòa tan phát thải trực tiếp vào sông Sặt và sông Thái Bình trong giai đoạn 2015 - 2020. Chủ thể thực hiện: Ủy ban nhân dân tỉnh Hải Dương phối hợp cùng Sở Xây dựng và Sở Tài nguyên và Môi trường.
• Kiểm soát và chuyển giao công nghệ phân bón trong sản xuất nông nghiệp: Triển khai quy trình canh tác lúa tiên tiến (nông nghiệp thông minh thích ứng biến đổi khí hậu), hướng dẫn nông dân cân đối tỷ lệ bón phân đạm urê trên 68.542 ha đất nông nghiệp, áp dụng các chế phẩm sinh học giữ đạm trong đất nhằm hạn chế thất thoát do dòng chảy bề mặt. Đặt mục tiêu cắt giảm từ 20% đến 25% lượng nitơ rửa trôi vào hệ thống kênh mương thủy nông đến năm 2018. Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cùng hệ thống Hợp tác xã Nông nghiệp địa phương.
• Giám sát nghiêm ngặt nước thải công nghiệp và cụm công nghiệp: Yêu cầu 100% trong số 18 khu công nghiệp và 38 cụm công nghiệp trên địa bàn tỉnh phải hoàn thiện trạm xử lý nước thải tập trung đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN 40:2011/BTNMT trước khi xả ra lưu vực sông. Lắp đặt trạm quan trắc tự động liên tục đối với các thông số lưu lượng, pH, COD và amoni tại các cửa xả lớn. Hoàn thành kiểm tra và xử phạt vi phạm trước năm 2017. Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý các Khu công nghiệp tỉnh Hải Dương và Cảnh sát Môi trường.
• Ứng dụng hệ thống số hóa GIS trong quản lý cấp phép xả thải: Tích hợp mô hình tính toán tải lượng MFA-GIS vào phần mềm quản lý môi trường lưu vực cấp tỉnh, số hóa dữ liệu xả thải của 31 trạm quan trắc nhằm phục vụ công tác cấp phép xả nước thải vào nguồn nước dựa trên sức chịu tải thực tế của từng đoạn sông. Lộ trình triển khai định kỳ cập nhật dữ liệu hàng quý từ năm 2015 đến năm 2020. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Quan trắc và Phân tích Môi trường tỉnh Hải Dương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường: Sở Tài nguyên và Môi trường, Chi cục Bảo vệ Môi trường và Phòng Tài nguyên Môi trường các huyện trên địa bàn tỉnh Hải Dương có thể ứng dụng kết quả mô hình MFA-GIS để thiết lập bản đồ nhạy cảm môi trường, xác định hạn ngạch xả thải nitơ cho từng tiểu lưu vực và xây dựng đề án bảo vệ chất lượng nước sông Thái Bình.
• Kỹ sư và nhà quy hoạch hạ tầng đô thị - nông thôn: Các đơn vị tư vấn thiết kế hạ tầng cấp thoát nước có thể khai thác số liệu dòng thải của luận văn để tính toán dung tích hợp lý cho các trạm bơm, lựa chọn công nghệ xử lý nước thải vệ sinh phân tán phù hợp với đặc thù mật độ dân số 1.055 người/km² tại các thị tứ nông thôn.
• Nhà nghiên cứu, giảng viên và sinh viên ngành Môi trường/Hóa học: Cung cấp tài liệu tham khảo giá trị về quy trình phân tích trắc phổ xác định các hợp chất của nitơ chuẩn ISO/IEC 17025:2005, đồng thời đóng vai trò là case-study mẫu mực trong việc áp dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để lượng hóa sai số dữ liệu môi trường trong điều kiện cơ sở dữ liệu hạn chế.
• Ban quản lý hạ tầng các Khu công nghiệp và doanh nghiệp xử lý nước thải: Sử dụng mô hình chuyển hóa vật chất để tính toán chính xác tải lượng amoni đầu vào, từ đó tối ưu hóa tỷ lệ tuần hoàn bùn và bổ sung nguồn cơ chất carbon trong các bể xử lý sinh học Anoxic-Oxic, giúp tiết kiệm từ 15% đến 20% chi phí vận hành hóa chất.

Câu hỏi thường gặp

• Sự kết hợp giữa mô hình MFA và GIS mang lại ưu thế vượt trội gì so với phương pháp quan trắc truyền thống? Phương pháp quan trắc truyền thống chỉ phản ánh nồng độ tức thời tại 31 điểm đo riêng lẻ mà không chỉ ra được nguồn gốc xuất phát của chất ô nhiễm. Việc tích hợp mô hình MFA giúp định lượng chính xác dòng vật chất nitơ từ khâu tiêu dùng đến các điểm xả, trong khi công cụ GIS trực quan hóa sự phân bố tải lượng ô nhiễm theo không gian lưu vực sông.
• Tại sao nồng độ Amoni tại hệ thống kênh Bắc Hưng Hải thường xuyên cao hơn dòng chính sông Thái Bình? Hệ thống sông Bắc Hưng Hải chủ yếu là các kênh tiêu nông nghiệp có vận tốc dòng chảy chậm, độ dốc thủy lực nhỏ và tiếp nhận lượng lớn nước thải sinh hoạt đô thị chưa qua xử lý (như trạm bơm Âu Thuyền công suất 32.000 m³/giờ). Khả năng tự làm sạch và hòa loãng của hệ thống này thấp hơn rất nhiều so với lưu lượng 30 - 40 tỷ m³/năm của dòng chính sông Thái Bình.
• Các phương pháp phân tích quang phổ UV-VIS trong luận văn có đảm bảo độ tin cậy khoa học không? Toàn bộ quy trình phân tích mẫu nước được thực hiện trên máy trắc phổ UV-VIS Shimadzu theo đúng các tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6178:1996, TCVN 6180:1996 và TCVN 6179-1:1996. Phòng thí nghiệm thực hiện đã được Văn phòng Công nhận Chất lượng chứng nhận đạt tiêu chuẩn quốc tế ISO/IEC 17025:2005, bảo đảm độ nhạy và tính lặp lại của số liệu.
• Thuật toán mô phỏng Monte Carlo đóng vai trò gì trong việc xử lý số liệu của luận văn? Do dữ liệu nguồn thải tại các nước đang phát triển thường phân tán và thiếu đồng bộ, thuật toán Monte Carlo với 1.000 vòng lặp ngẫu nhiên giúp xác định phân bố xác suất của các tham số đầu vào. Kỹ thuật này giúp loại bỏ độ không đảm bảo đo và đảm bảo trên 68% giá trị dự báo tải lượng nitơ nằm trong khoảng tin cậy chấp nhận được.
• Mô hình tính toán tải lượng nitơ trong nghiên cứu có thể nhân rộng cho các địa phương khác không? Phương pháp luận tích hợp MFA và GIS phân phối thông số hoàn toàn có thể chuyển giao áp dụng cho các lưu vực sông khác tại Đồng bằng Bắc Bộ như lưu vực sông Cầu, sông Đáy hoặc sông Nhuệ. Các địa phương chỉ cần hiệu chỉnh các tham số đầu vào về diện tích đất canh tác, mật độ dân số và hệ số phát thải đặc thù.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích toàn diện hiện trạng ô nhiễm các hợp chất nitơ tại 31 vị trí quan trắc trên sông Thái Bình và kênh Bắc Hưng Hải trong giai đoạn 2011 - 2013, xác định nồng độ amoni và nitrit tại nhiều khu vực đã vượt quy chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT.
• Ứng dụng thành công mô hình Phân tích Dòng chảy Vật chất (MFA) để lượng hóa các nguồn thải nitơ trên địa bàn tỉnh Hải Dương, chỉ ra rằng nước thải sinh hoạt đô thị và hoạt động nông nghiệp là hai nguồn gây ô nhiễm nitơ lớn nhất.
• Tích hợp hiệu quả công nghệ GIS với mô hình cân bằng thủy lực nhằm mô phỏng quy luật phân bố tải lượng chất ô nhiễm theo không gian và thời gian với 1.000 lần lặp kiểm định Monte Carlo.
• Đóng góp luận cứ khoa học thực tiễn giúp địa phương xây dựng kịch bản kiểm soát môi trường nước mặt đến năm 2020 và tối ưu hóa quy hoạch hệ thống trạm xử lý nước thải tập trung.
• Đề xuất lộ trình kiểm soát ô nhiễm giai đoạn 2015 - 2020 với các mục tiêu định lượng cụ thể nhằm giảm thiểu tải lượng nitơ xả thải vào lưu vực sông.

Các nhà quản lý môi trường, nhà khoa học và đơn vị phát triển hạ tầng cần đẩy mạnh khai thác cơ sở dữ liệu và phương pháp luận của nghiên cứu này để xây dựng các giải pháp kiểm soát ô nhiễm nguồn nước mặt bền vững cho toàn bộ lưu vực sông Thái Bình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Hải Dƣơng có hệ thống sông ngòi dày đặc, bao gồm 02 hệ thống sông chính đó là: Hệ thống sông Thái Bình, hệ thống sông Bắc Hƣng Hải và các kênh thủy lợi. Nó là nguồn cung cấp nƣớc cho hoạt động sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và nƣớc sinh hoạt của ngƣời dân, cũng là nơi tiêu thoát nƣớc của khu vực. Hệ thống sông Thái Bình là hệ thống sông lớn thứ hai của miền Bắc, hợp lƣu của ba con sông: sông Cầu, sông Thƣơng và sông Lục Nam chảy qua địa phận tỉnh Hải Dƣơng và thành phố Hải Phòng. Chiều dài của sông Thái Bình chảy qua tỉnh Hải Dƣơng là 73km với tổng lƣợng nƣớc là 30 - 40 tỷ m3 nƣớc/năm (trong đó nƣớc nhận từ sông Hồng hàng năm lên đến 22,9.106 tấn phù sa qua sông Luộc và sông Đuống).

Hệ thống thủy lợi Bắc Hƣng Hải đƣợc xây dựng từ năm 1958, là một hệ thống kênh, đập, trạm bơm, đê điều nhằm phục vụ việc tƣới tiêu và thoát ứng cho các tỉnh Hƣng Yên, Hải Dƣơng, một phần tỉnh Bắc Ninh và Tp Hà Nội. Nằm giữa các sông Hồng (phía Tây), sông Đuống (phía Bắc), sông Thái Bình (phía Đông), sông Luộc (phía Nam), trong phạm vi các vĩ độ 20030 - 21007 và các kinh độ 105050 - 106036. Tổng chiều dài của hệ thống kênh chính là 200 km, phục vụ tƣới tiêu cho diện tích khoảng 2002,3m2. Trong những năm gần đây, chất lƣợng môi trƣờng tại các hệ thống sông Thái Bình và hệ thống sông thủy lợi Bắc Hƣng Hải đã và đang dần bị suy giảm về chất lƣợng môi trƣờng nƣớc.

Tại nhiều vị trí quan trắc nồng độ Nitơ có xu hƣớng tăng, do các hệ thống sông vừa là nơi cung cấp nƣớc vừa là nơi tiếp nhận nguồn thải từ các hoạt động của con ngƣời, cho nên việc xác định nguồn thải Nitơ chính của lƣu vực chƣa rõ ràng, để có thể đƣa ra các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm Nitơ một cách cụ thể nhằm bảo vệ môi trƣờng của khu vực. Phƣơng pháp phân tích dòng chảy vật chất (MFA) dựa trên hai nguyên tắc khoa học cơ bản là phƣơng pháp tiếp cận hệ thống và cân bằng khối lƣợng. Phƣơng pháp này có thể áp dụng cho nhiều ngành khoa học và công nghệ, đặc biệt có thể sử dụng phƣơng pháp này để đánh giá nguồn gốc gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc của hệ thống sông, ngòi bằng cách nghiên cứu các dòng chảy gây ô nhiễm cũng nhƣ các tác nhân gây ô nhiễm trong quá trình biến đổi của môi trƣờng và hoạt động của con ngƣời. 1 Trong đánh giá kết quả quan trắc, việc sử dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS), một công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tƣợng thực hiện trên trái đất sẽ cho phép biểu diễn trực quan phân bố hàm lƣợng chất ô nhiễm tại các điểm lấy mẫu và sơ bộ đánh giá lan truyền chất ô nhiễm.

Bên cạnh đó, chúng ta sử dụng GIS để xác định hiện trạng sử đất, mà có thể kiểm tra lại nguồn phát thải từ mô hình MFA và đối chiếu với kết quả phân tích. Công nghệ GIS kết hợp với các thao tác cơ sở dữ liệu thông thƣờng (nhƣ cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý, trong đó phép phân tích địa lý và hình ảnh đƣợc cung cấp duy nhất từ các bản đồ. Những khả năng phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lƣợc). Trong khuôn khổ của Luận văn Thạc sĩ khoa học này, đƣợc sự giúp đỡ của TS Lê Văn Chính và PGS.