Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Nhuệ - Đáy có diện tích khoảng 7.665 km² với dân số gần 12 triệu người, đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội và quốc phòng an ninh của các tỉnh Hòa Bình, Hà Nội, Hà Nam, Nam Định và Ninh Bình. Trung bình mỗi ngày, lưu vực này tiếp nhận hơn 600.000 m³ nước thải, phần lớn chưa được xử lý, gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước. Mặc dù đã có nhiều chương trình và đề án bảo vệ môi trường được triển khai, chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy vẫn chưa được cải thiện đáng kể do thiếu các công trình thu gom và xử lý nước thải hiệu quả.

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế - xã hội, việc đánh giá diễn biến chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy là cấp thiết để cung cấp cơ sở khoa học cho quản lý và kiểm soát nguồn thải. Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng các mô hình thủy văn, thủy lực và chất lượng nước hiện đại (MIKE NAM, MIKE 11 HD, MIKE 11 Ecolab) để mô phỏng và đánh giá diễn biến chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy, từ đó đề xuất giải pháp giảm thiểu ô nhiễm, bảo vệ tài nguyên nước và môi trường. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vùng thượng lưu lưu vực sông Nhuệ - Đáy, bao gồm các trạm Ba Thá, Hưng Thi, Phủ Lý, Ninh Bình và Như Tân, trong giai đoạn từ năm 2012 đến 2015.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ các cơ quan quản lý tài nguyên nước và môi trường xây dựng chính sách, quy hoạch phát triển bền vững, đồng thời góp phần nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo vệ nguồn nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên ba mô hình toán hiện đại:

  • Mô hình MIKE NAM: Mô hình mưa - dòng chảy được phát triển tại Đan Mạch, mô phỏng quá trình mưa-dòng chảy liên tục dựa trên cấu trúc các bể chứa nước mặt, tầng dưới và nước ngầm. Mô hình này giúp tính toán lưu lượng nước tại cửa ra lưu vực từ số liệu mưa, phục vụ làm điều kiện biên cho mô hình thủy lực.

  • Mô hình MIKE 11 HD: Mô hình thủy lực một chiều giải hệ phương trình Saint Venant, mô phỏng dòng chảy không ổn định trong hệ thống sông phức tạp. Mô hình này cung cấp các thông số thủy lực như lưu lượng, mực nước, vận tốc dòng chảy phục vụ cho mô hình chất lượng nước.

  • Mô hình MIKE 11 Ecolab: Mô hình chất lượng nước tích hợp mô đun tải-khuếch tán (AD) và mô đun sinh thái (Ecolab), mô phỏng các quá trình sinh hóa trong nước như oxy hòa tan (DO), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), amoni (N-NH4+), phốt pho và coliform. Mô hình này cho phép đánh giá diễn biến chất lượng nước theo các kịch bản biến đổi khí hậu.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng chảy không ổn định, quá trình tự làm sạch nước, phản ứng sinh hóa trong môi trường nước, hệ số Nash-Sutcliffe đánh giá độ phù hợp mô hình, và các chỉ tiêu chất lượng nước như DO, BOD, N-NH4+.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sử dụng gồm số liệu khí tượng thủy văn (mưa, bốc hơi, lưu lượng, mực nước), số liệu địa hình, số liệu quan trắc chất lượng nước (DO, BOD, N-NH4+, tổng nitơ, tổng photpho, coliform) thu thập từ các trạm thủy văn và môi trường trong giai đoạn 2012-2015. Ngoài ra, dữ liệu biến đổi khí hậu được sử dụng để xây dựng các kịch bản mô phỏng.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE NAM dựa trên số liệu lưu lượng thực đo tại các trạm Ba Thá và Hưng Thi, sử dụng chỉ số Nash-Sutcliffe để đánh giá độ chính xác.

  • Thiết lập mô hình MIKE 11 HD mô phỏng thủy lực trên hệ thống sông Nhuệ - Đáy với 333 mặt cắt, hiệu chỉnh hệ số Manning và các thông số thủy lực dựa trên số liệu mực nước thực đo tại các trạm Hà Nội, Hưng Yên, Phủ Lý, Ninh Bình.

  • Thiết lập mô hình MIKE 11 Ecolab mô phỏng chất lượng nước, hiệu chỉnh dựa trên số liệu quan trắc DO, BOD, N-NH4+ tại các điểm quan trắc trên sông Nhuệ và sông Đáy.

  • Mô phỏng các kịch bản biến đổi khí hậu theo RCP4.5 và RCP8.5 để đánh giá ảnh hưởng đến dòng chảy và chất lượng nước.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2012 đến 2015, với các bước thu thập, xử lý số liệu, thiết lập mô hình, hiệu chỉnh, kiểm định và mô phỏng diễn biến chất lượng nước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình mưa - dòng chảy MIKE NAM: Chỉ số Nash-Sutcliffe đạt từ 0,68 đến 0,90 tại các trạm Ba Thá và Hưng Thi, cho thấy mô hình mô phỏng tốt diễn biến lưu lượng dòng chảy. Sai số giữa lưu lượng tính toán và thực đo trong mùa lũ và mùa kiệt nằm trong giới hạn cho phép, đảm bảo độ tin cậy cho các bước mô phỏng tiếp theo.

  2. Mô phỏng thủy lực bằng MIKE 11 HD: Kết quả mô phỏng mực nước tại các trạm Hà Nội, Hưng Yên, Phủ Lý và Ninh Bình trong các năm 2012-2014 có sự trùng khớp cao với số liệu thực đo, sai số nhỏ và hệ số tương quan cao. Điều này chứng tỏ mô hình thủy lực được hiệu chỉnh phù hợp, phản ánh chính xác điều kiện dòng chảy trong lưu vực.

  3. Đánh giá chất lượng nước bằng MIKE 11 Ecolab: Mô hình mô phỏng thành công diễn biến các chỉ tiêu DO, BOD và N-NH4+ tại các vị trí quan trắc trên sông Nhuệ và sông Đáy trong giai đoạn 2012-2015. Nồng độ BOD5 tại một số điểm vượt ngưỡng cho phép, đặc biệt trong mùa khô, phản ánh tình trạng ô nhiễm hữu cơ nghiêm trọng. Nồng độ DO giảm thấp vào mùa khô, ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của dòng sông.

  4. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu: Mô phỏng các kịch bản biến đổi khí hậu cho thấy lượng mưa trung bình lưu vực có xu hướng tăng khoảng 5-10% đến năm 2030 theo kịch bản RCP4.5, dẫn đến tăng lưu lượng dòng chảy mùa mưa. Tuy nhiên, mùa khô có thể kéo dài và lưu lượng giảm, làm gia tăng nguy cơ ô nhiễm do giảm khả năng pha loãng chất thải. Nồng độ các chất ô nhiễm như BOD và N-NH4+ có xu hướng tăng nhẹ trong mùa khô dưới tác động của biến đổi khí hậu.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô hình cho thấy sự phù hợp cao giữa số liệu mô phỏng và thực đo, minh chứng cho tính khả thi của việc ứng dụng mô hình toán hiện đại trong đánh giá diễn biến chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy. Việc sử dụng đồng thời ba mô hình MIKE NAM, MIKE 11 HD và MIKE 11 Ecolab giúp mô phỏng toàn diện các quá trình thủy văn, thủy lực và sinh hóa trong lưu vực.

So sánh với các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam và quốc tế, kết quả tương đồng về xu hướng biến đổi dòng chảy và chất lượng nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, điểm mới của nghiên cứu là đánh giá chi tiết diễn biến chất lượng nước theo từng đoạn sông và kịch bản khí hậu cụ thể, cung cấp cơ sở khoa học cho quản lý nguồn nước hiệu quả hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh lưu lượng thực đo và mô phỏng, biểu đồ diễn biến nồng độ DO, BOD, N-NH4+ theo thời gian và không gian, cũng như bản đồ phân bố chất lượng nước trên lưu vực. Bảng tổng hợp chỉ số Nash-Sutcliffe và hệ số tương quan cũng minh chứng độ chính xác mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường xây dựng và nâng cấp hệ thống xử lý nước thải: Đẩy nhanh tiến độ xây dựng các công trình thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt, công nghiệp trên lưu vực nhằm giảm thiểu lượng nước thải chưa xử lý đổ trực tiếp vào sông. Mục tiêu giảm 30% lượng nước thải chưa xử lý trong vòng 5 năm, do UBND các tỉnh phối hợp thực hiện.

  2. Xây dựng hệ thống giám sát chất lượng nước liên tục: Thiết lập mạng lưới quan trắc tự động tại các điểm trọng yếu trên sông Nhuệ - Đáy để theo dõi diễn biến chất lượng nước theo thời gian thực, phục vụ cảnh báo sớm và quản lý nguồn nước hiệu quả. Thời gian triển khai trong 3 năm, do Bộ Tài nguyên và Môi trường chủ trì.

  3. Quản lý và kiểm soát nguồn thải theo quy hoạch: Rà soát, cập nhật quy hoạch phát triển công nghiệp, làng nghề và đô thị trên lưu vực, kiểm soát chặt chẽ các nguồn thải công nghiệp, làng nghề, đặc biệt là các nguồn thải nguy hại. Áp dụng các biện pháp kiểm tra, xử lý vi phạm nhằm giảm thiểu ô nhiễm. Thực hiện liên tục, do các Sở Tài nguyên và Môi trường địa phương đảm nhiệm.

  4. Tăng cường hợp tác liên vùng, liên tỉnh: Thiết lập cơ chế phối hợp quản lý lưu vực sông Nhuệ - Đáy giữa các tỉnh, thành phố nhằm chia sẻ thông tin, phối hợp xử lý các vấn đề môi trường liên quan đến nguồn nước. Xây dựng kế hoạch hợp tác trong vòng 2 năm tới, do Ủy ban Bảo vệ môi trường lưu vực sông chủ trì.

  5. Nâng cao nhận thức cộng đồng và đào tạo chuyên môn: Tổ chức các chương trình tuyên truyền, đào tạo về bảo vệ môi trường nước, sử dụng tiết kiệm và hiệu quả tài nguyên nước cho người dân, doanh nghiệp và cán bộ quản lý. Thời gian thực hiện liên tục, do các tổ chức xã hội và cơ quan quản lý phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và môi trường: Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh, Bộ Tài nguyên và Môi trường có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy hoạch và kế hoạch quản lý chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy.

  2. Các nhà nghiên cứu và học thuật trong lĩnh vực thủy văn, môi trường: Luận văn cung cấp phương pháp mô hình hóa hiện đại, dữ liệu thực tế và phân tích sâu sắc về diễn biến chất lượng nước, hỗ trợ nghiên cứu tiếp theo và đào tạo chuyên môn.

  3. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực công nghiệp, xử lý nước thải: Thông tin về hiện trạng ô nhiễm và dự báo diễn biến chất lượng nước giúp doanh nghiệp đánh giá tác động môi trường, thiết kế hệ thống xử lý phù hợp và tuân thủ quy định pháp luật.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức xã hội: Nâng cao nhận thức về tình trạng ô nhiễm nguồn nước, tác động của biến đổi khí hậu và vai trò của cộng đồng trong bảo vệ môi trường nước, từ đó thúc đẩy hành động bảo vệ nguồn nước bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình MIKE NAM có ưu điểm gì trong mô phỏng lưu lượng dòng chảy?
    Mô hình MIKE NAM mô phỏng quá trình mưa-dòng chảy liên tục dựa trên cấu trúc các bể chứa nước mặt và ngầm, phù hợp với nhiều vùng khí hậu khác nhau. Ưu điểm là khả năng hiệu chỉnh chính xác lưu lượng tại cửa ra lưu vực, làm cơ sở cho các mô hình thủy lực và chất lượng nước tiếp theo.

  2. Chỉ số Nash-Sutcliffe thể hiện điều gì trong hiệu chỉnh mô hình?
    Chỉ số Nash-Sutcliffe đánh giá độ phù hợp giữa kết quả mô phỏng và số liệu thực đo, giá trị gần 1 cho thấy mô hình mô phỏng chính xác. Trong nghiên cứu này, chỉ số đạt từ 0,68 đến 0,90, chứng tỏ mô hình có độ tin cậy cao.

  3. Biến đổi khí hậu ảnh hưởng thế nào đến chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy?
    Biến đổi khí hậu làm tăng lượng mưa mùa mưa và kéo dài mùa khô, dẫn đến lưu lượng dòng chảy biến động, ảnh hưởng đến khả năng pha loãng chất thải. Kết quả mô phỏng cho thấy nồng độ các chất ô nhiễm như BOD và N-NH4+ có xu hướng tăng trong mùa khô, làm gia tăng nguy cơ ô nhiễm.

  4. Tại sao cần kết hợp nhiều mô hình trong nghiên cứu này?
    Việc kết hợp mô hình mưa - dòng chảy, thủy lực và chất lượng nước giúp mô phỏng toàn diện các quá trình thủy văn, thủy lực và sinh hóa trong lưu vực, từ đó đánh giá chính xác diễn biến chất lượng nước và tác động của biến đổi khí hậu.

  5. Giải pháp nào ưu tiên để cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy?
    Ưu tiên là xây dựng và nâng cấp hệ thống xử lý nước thải, tăng cường giám sát chất lượng nước, kiểm soát nguồn thải theo quy hoạch, hợp tác liên vùng và nâng cao nhận thức cộng đồng. Các giải pháp này cần được thực hiện đồng bộ và liên tục để đạt hiệu quả bền vững.

Kết luận

  • Lưu vực sông Nhuệ - Đáy là khu vực có mật độ dân số cao và lượng nước thải lớn, đang chịu áp lực ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

  • Ứng dụng thành công các mô hình MIKE NAM, MIKE 11 HD và MIKE 11 Ecolab đã mô phỏng chính xác diễn biến dòng chảy và chất lượng nước trong lưu vực, cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho quản lý tài nguyên nước.

  • Kết quả mô phỏng cho thấy biến đổi khí hậu ảnh hưởng rõ rệt đến lưu lượng dòng chảy và chất lượng nước, làm gia tăng nguy cơ ô nhiễm trong mùa khô.

  • Đề xuất các giải pháp đồng bộ về xử lý nước thải, giám sát, quản lý nguồn thải và hợp tác liên vùng nhằm giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ nguồn nước.

  • Các bước tiếp theo cần tập trung vào triển khai các giải pháp đề xuất, mở rộng nghiên cứu mô hình cho các lưu vực khác và nâng cao năng lực quản lý tài nguyên nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ nguồn nước sông Nhuệ - Đáy cho thế hệ tương lai!