Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu phân vùng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng bằng chỉ số chất lượng nước" 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 tại Học viện Khoa học và Công nghệ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (năm 2021). Luận án thuộc chuyên ngành Khoa học và Công nghệ biển / Quản lý môi trường biển, kết hợp phương pháp nghiên cứu định lượng, thống kê đa biến, mô hình hóa số trị và công cụ hệ thông tin địa lý (GIS).
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Vùng bờ biển thành phố Hải Phòng nằm ở vị trí chuyển tiếp giữa đới bờ châu thổ sông Hồng và đới bờ Đông Bắc, sở hữu địa hình cảnh quan phong phú cùng hệ sinh thái đa dạng. Đây là khu vực phát triển kinh tế biển sôi động với các hoạt động cảng biển, đánh bắt, nuôi trồng thủy sản, công nghiệp và du lịch dịch vụ. Tuy nhiên, các hoạt động kinh tế - xã hội này đã tạo ra áp lực ô nhiễm môi trường và thu hẹp không gian các bãi triều tự nhiên.
Chỉ số chất lượng nước (Water Quality Index - WQI) là công cụ tổng hợp cho phép định lượng và đơn giản hóa các dữ liệu quan trắc phức tạp thành các thang bậc rõ ràng, phục vụ công tác quản lý và truyền thông môi trường. Tại Việt Nam, Tổng cục Môi trường đã ban hành hướng dẫn tính WQI cho môi trường nước mặt lục địa (Quyết định số 1460/QĐ-TCMT năm 2019), nhưng chưa có hướng dẫn chính thức áp dụng cho vùng cửa sông ven biển. Các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam chủ yếu tập trung vào sông, hồ nội địa hoặc áp dụng các công thức WQI sẵn có với hệ số trọng số cố định, chưa gắn liền với số liệu thực tế và chưa khắc phục được hiện tượng che khuất (eclipsing) hay tính ảo (ambiguous) khi áp dụng vào môi trường biển ven bờ có chế độ thủy động lực phức tạp. Do đó, việc xây dựng một bộ chỉ số WQI đặc thù và phân vùng chất lượng nước cho vùng biển ven bờ Hải Phòng là yêu cầu cấp thiết.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu 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.
Để hoàn thành hai mục tiêu trên, luận án triển khai 6 nội dung nghiên cứu:
- 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: 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 Hải Phòng.
- Phạm vi không gian: Toàn bộ vùng triều và vùng biển ven bờ của thành phố Hải Phòng tính từ bờ đến phía ngoài quần đảo Cát Bà - Long Châu (bao gồm 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 nghiên cứu trọng điểm chia làm 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 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 Bạch Đằng).
- Khu vực ven biển đảo Cát Bà (đặc trưng cho vùng biển vũng vịnh của đảo).
- Khu vực vùng ngoài (chịu tác động tổng hợp của 3 khu vực trên).
- Phạm vi thời gian và tư liệu: Dữ liệu điều tra khảo sát, quan trắc môi trường biển ven bờ giai đoạn 2009 - 2019 và các đợt khảo sát chi tiết năm 2019 theo các mùa (mùa mưa, mùa khô), theo pha triều (nước lớn, nước ròng) và theo tầng nước (tầng mặt, tầng đáy).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu về chỉ số chất lượng nước (WQI)
Khái niệm chỉ số chất lượng môi trường bắt đầu từ Mỹ vào năm 1960 với 6 thành phần. Đến năm 1965, Horton là người khởi đầu việc đánh giá chất lượng nước bằng việc chuyển đổi các thông số về thang số định lượng. Quy trình xây dựng WQI chuẩn gồm 5 bước: lựa chọn thông số, tính toán chỉ số phụ, xác định trọng số, tính toán chỉ số cuối cùng và xây dựng thang phân loại.
Trên thế giới, các mô hình WQI tiêu biểu được tác giả tổng hợp gồm:
- Mô hình WQI-NSF của Quỹ Vệ sinh Quốc gia Mỹ (National Sanitation Foundation): Sử dụng dạng tổng hoặc tích có trọng số hoặc không trọng số, trọng số xác định dựa trên ý kiến chuyên gia (Delphi).
- Chỉ số chất lượng nước bang Oregon (Mỹ) thiết lập vào thập niên 1970: Phương pháp không sử dụng trọng số, tính toán chỉ số phụ theo từng ngưỡng riêng biệt.
- Chỉ số CCME-WQI của Hội đồng Bộ trưởng Môi trường Canada (2001): So sánh trực tiếp giá trị đo đạc với tiêu chuẩn theo 3 yếu tố (phạm vi, tần suất, biên độ vượt chuẩn), không giới hạn số lượng thông số và không dùng trọng số.
- Chỉ số WQI của Bhargava (Ấn Độ, 1983): Đánh giá chất lượng nước cho các mục đích sử dụng riêng biệt (nước cấp sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp) và đa mục tiêu trên sông Ganga.
- Mô hình WQI của Liou S. (Đài Loan, 2004): Kết hợp dạng tổng và dạng tích theo từng nhóm thông số.
- Về WQI cho môi trường biển ven bờ: Tim Carruthers và Catherine Wazniak (2004) tại vịnh Maryland (Mỹ); mô hình WQI vùng biển của US EPA và NOAA (2012); Sangeeta Pati và cộng sự; 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 hải sản.
- Tiêu chí đánh giá sự phù hợp của WQI: Ott W.R (1978) đưa ra 21 tiêu chí đánh giá; Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ (US EPA) đưa ra 15 tiêu chí đánh giá nhằm kiểm soát tính che khuất (eclipsing) và tính ảo (ambiguous).
Tại Việt Nam, các nghiên cứu WQI chủ yếu tập trung cho môi trường nước mặt nội địa:
- Nghiên cứu ứng dụng và cải tiến WQI-NSF hoặc WQI-Bhargava của Phạm Gia Hiền (2009) cho sông Sài Gòn; Nguyễn Văn Hợp (2010) cho sông Bồ (Thừa Thiên Huế); Phạm Thế Anh và Nguyễn Văn Huy (2013) cho suối, hồ Đà Lạt; Nguyễn Lê Tú Quỳnh (2015) cho sông ngòi tỉnh Thái Nguyên; các công trình của Lê Trình (2008, 2010, 2012) tại TP. Hồ Chí Minh, Hà Nội; Tôn Thất Lãng (2010, 2014) tại lưu vực sông Đồng Nai.
- Phạm Ngọc Hồ (2011, 2015) đề xuất phương pháp đánh giá tổng hợp TWQI có trọng số quy chuẩn về một thông số, ứng dụng cho vùng ven biển Thanh Hóa (n=13 thông số) và đưa ra thang phân loại lý thuyết dựa trên tỷ số giữa số thông số vượt chuẩn và tổng số thông số.
- Nghiên cứu WQI cho vùng biển ven bờ và đầm phá: Cục Kiểm soát ô nhiễm (2010) đề xuất chỉ số SWQI gồm 6 thông số (TSS, COD, amoni, dầu mỡ, Pb, coliform) theo dạng trung bình cộng không trọng số; Hồ Công Hòa (2009) áp dụng CCME-WQI cho biển Đà Nẵng; Nguyễn Thị Thế Nguyên (2014) xây dựng WQIHL dạng tích có trọng số cho vịnh Hạ Long (n=9 thông số); Phạm Hữu Tâm (2016) áp dụng WQI-NSF cho các trạm quan trắc biển phía Nam (n=8 thông số); Trương Văn Đàn và cộng sự (2018) phát triển WQI-NSF cho đầm phá Tam Giang - Cầu Hai (n=10 thông số); Trần Thị Yên và Nguyễn Thị Thanh Thùy (2019) nghiên cứu WQI cho biển Cửa Phú, Quảng Bình (n=9 thông số).
Khoảng trống luận án giải quyết
Phần lớn các nghiên cứu WQI tại Việt Nam áp dụng công thức cho nước ngọt hoặc chuyển giao nguyên bản mô hình nước ngoài. Những nghiên cứu áp dụng cho môi trường biển ven bờ còn tồn tại nhược điểm:
- Chưa thiết lập hệ thống trọng số dựa trên đặc trưng thống kê và mức độ tương quan thực tế của dữ liệu quan trắc địa phương.
- Công thức dạng tổng có trọng số truyền thống thường mắc lỗi che khuất khi một thông số bị ô nhiễm nặng nhưng bị các thông số khác bù trừ, hoặc công thức dạng tích gây ra tính ảo khi trọng số quá nhỏ.
- Chưa có nghiên cứu tích hợp phương pháp phân tích thành phần chính (PCA), mô hình mô phỏng thủy động lực - lan truyền chất ô nhiễm 2 chiều/3 chiều và công cụ GIS để phân vùng chi tiết chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng theo các kịch bản mùa và chu kỳ thủy triều.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung tiếp cận lý thuyết
Luận án vận dụng ba phương pháp tiếp cận khoa học:
- Tiếp cận hệ thống: Xem xét môi trường nước biển ven bờ Hải Phòng như một hệ thống mở hoàn chỉnh, nơi các hợp phần vật lý, hóa học, sinh học và thủy động lực có mối quan hệ tương hỗ chặt chẽ với các nguồn xả thải từ lục địa và hoạt động kinh tế biển.
- Tiếp cận liên ngành: Kết hợp tri thức từ các lĩnh vực hóa học môi trường, hải văn học, sinh thái học biển, thống kê toán học, mô hình hóa và kinh tế - xã hội.
- Tiếp cận quản lý biển theo không gian (Marine Spatial Management): Dựa trên khung hướng dẫn của Ủy ban Hải dương học liên Chính phủ (IOC/UNESCO, 2009) để lượng hóa hiện trạng chất lượng nước, phân định ranh giới không gian và đề xuất giải pháp quản lý phù hợp cho từng phân vùng.
Phương pháp nghiên cứu cụ thể
- Phương pháp thu thập, kế thừa và tổng hợp dữ liệu: Thu thập dữ liệu khí tượng, hải văn, địa hình, các đề tài nghiên cứu giai đoạn 2008 - 2019, chuỗi số liệu quan trắc định kỳ từ Trạm Quan trắc Phân tích Môi trường biển Miền Bắc (trạm Đồ Sơn) với 14 thông số chuẩn (Nhiệt độ, độ muối, pH, DO, TSS, N-NH4+, P-PO43-, F-, CN-, kim loại nặng As, Cd, Pb, Cr, Cu, Zn, Mn, Fe, Hg, tổng phenol, OCPs, dầu mỡ khoáng, coliform).
- Phương pháp khảo sát hiện trường và phân tích phòng thí nghiệm: Sử dụng thiết bị lấy mẫu nước chuyên dụng Niskin Van Dorn Sampler để thu thập mẫu nước biển tầng mặt và tầng đáy; quy trình bảo quản mẫu, đo đạc thông số hiện trường và phân tích trong phòng thí nghiệm tuân thủ nghiêm ngặt các Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia (QCVN) và Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN).
- Phương pháp phân tích thống kê đa biến (PCA - Principal Components Analysis): Sử dụng kỹ thuật PCA nhằm giảm chiều dữ liệu từ tập hợp nhiều biến số môi trường về các thành phần chính (Principal Components - PC), tính toán các hệ số tải (loading factors $b_{ij}$), giá trị riêng (eigenvalues $A_j$), vector riêng ($e_{ij}$) và ma trận hiệp phương sai/ma trận tương quan để lựa chọn các thông số đặc trưng nhất và xác định trọng số khách quan ($w_i$).
- Phương pháp đánh giá rủi ro môi trường (RQ - Risk Quotient): Tính toán chỉ số thương số rủi ro ($RQ = C / PNEC$ hoặc tỷ lệ so với giới hạn cho phép) để nhận diện các chất ô nhiễm ưu tiên và khoanh vùng nguy cơ ô nhiễm trong mùa khô và mùa mưa.
- Phương pháp mô hình hóa thủy động lực và lan truyền chất ô nhiễm: Thiết lập lưới tính toán, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình số trị dòng chảy tầng mặt và lan truyền các chất ô nhiễm chính (COD, BOD5, PO43-, NH4+, TSS, Fe, Coliform) dưới tác động của lưu lượng sông và dao động nhật triều.
- Phương pháp xây dựng chỉ số chất lượng nước (WQIHP): Quy trình gồm 6 bước: (1) Lựa chọn thông số tính toán; (2) Xây dựng giản đồ và hàm tính chỉ số phụ ($q_i$); (3) Xác định trọng số ($w_i$) của các thông số và nhóm thông số qua PCA; (4) Đánh giá, lựa chọn hàm tổng hợp WQI tổng quát tối ưu; (5) Xây dựng thang phân loại chất lượng nước 5 cấp; (6) Kiểm nghiệm công thức với số liệu thực tế và số liệu giả định.
- Phương pháp nội suy không gian và GIS: Số hóa bản đồ nền, thiết lập hệ tọa độ, tỷ lệ bản đồ, biên tập kỹ thuật và nội suy không gian các giá trị WQIHP tính toán để thành lập hệ thống bản đồ phân vùng chất lượng nước biển theo các kịch bản mùa mưa, mùa khô, pha nước lớn, pha nước ròng, tầng mặt và tầng đáy.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về chỉ số chất lượng nước
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về WQI, tổng kết các công thức toán học và tiến trình nghiên cứu trong và ngoài nước, đồng thời phân tích chi tiết điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội, đa dạng sinh học và các nguồn thải tại khu vực ven bờ Hải Phòng.
Điều kiện tự nhiên và sinh thái khu vực nghiên cứu
- Khí hậu và thủy - hải văn: Vùng ven biển Hải Phòng có 2 mùa rõ rệt. Mùa hè (tháng 5 - 9) nóng ẩm, nhiệt độ trung bình 26,9 - 29,2°C (cực đại 35 - 36°C), gió thịnh hành hướng Đông, Đông Nam và Nam (vận tốc trung bình 3,5 - 4,0 m/s); mùa đông (tháng 11 - 4) lạnh, nhiệt độ trung bình 17,8 - 22,2°C (cực tiểu dưới 10°C), gió mùa Đông Bắc chiếm ưu thế (vận tốc trung bình 3,2 - 3,7 m/s, cực đại 25 - 30 m/s). Lượng mưa trung bình năm dao động từ 1343,9 đến 2043,8 mm, trong đó mùa mưa chiếm 72 - 86% tổng lượng mưa cả năm. Chế độ thủy triều là nhật triều thuần nhất (khoảng 25 ngày/tháng có 1 lần nước lớn và 1 lần nước ròng). Mạng lưới sông ngòi gồm 9 sông chính đổ ra 5 cửa sông lớn: Bạch Đằng, Lạch Huyện, Lạch Tray, Văn Úc và Thái Bình.
- Địa hình, địa chất: Gồm 5 dạng địa hình chính: đồi núi (chiếm 5%), đồng bằng châu thổ (chiếm 85%), vùng triều - cửa sông (vùng cửa sông Bạch Đằng hình phễu và cửa sông Văn Úc - Thái Bình châu thổ), vùng biển nông ven bờ (độ sâu 5 - 30m) và hệ thống đảo, bán đảo (Đồ Sơn, Hòn Dáu, Cát Hải, Cát Bà - Long Châu).
- Đa dạng sinh học: Gồm 4 nhóm với 18 hệ sinh thái tiêu biểu. Đã thống kê 2.034 loài động thực vật biển ven bờ; riêng quần đảo Cát Bà ghi nhận 2.386 loài (với 89 loài trong Sách Đỏ Việt Nam như Voọc Cát Bà Trachypithecus polyocephalus, Voọc quần đùi trắng Presbytis francoisis delacauri, Kim giao Najeia fleuryi, Tu hài Lutraria rhincheana). Diện tích rừng ngập mặn có 36 loài; thảm cỏ biển có 4 loài; hệ sinh thái bãi triều và đáy mềm đến độ sâu 6m chiếm diện tích 52.981 ha; khu vực Cát Bà có 59 tùng, áng đặc thù. Nguồn lợi hải sản ghi nhận 515 loài thuộc 10 nhóm sinh thái lớn.
Hiện trạng tải lượng ô nhiễm từ lục địa
Dữ liệu tính toán tải lượng ô nhiễm phát sinh và đưa vào vùng cửa sông Bạch Đằng (nguồn chính tác động đến vùng biển nghiên cứu) năm 2012 và dự báo năm 2025 được tổng hợp chi tiết trong các bảng sau:
| Thông số |
Tải lượng phát sinh từ Sinh hoạt (tấn/năm) |
Công nghiệp (tấn/năm) |
Chăn nuôi (tấn/năm) |
Thủy sản (tấn/năm) |
Rửa trôi đất (tấn/năm) |
Tổng tải lượng phát sinh (tấn/năm) |
| Năm 2012 |
|
|
|
|
|
|
| COD |
45.343,16 |
18.098,60 |
18.424,41 |
819,50 |
3.861,70 |
86.547,35 |
| BOD5 |
25.708,94 |
6.964,40 |
11.522,75 |
232,41 |
3.014,70 |
47.443,25 |
| N-T |
4.678,88 |
2.392,70 |
9.153,59 |
149,62 |
2.637,40 |
19.012,25 |
| P-T |
1.324,62 |
292,00 |
889,96 |
134,44 |
1.007,30 |
3.648,31 |
| NH4+ |
2.570,89 |
223,50 |
2.196,51 |
36,07 |
- |
5.027,01 |
| PO43- |
719,28 |
72,00 |
400,56 |
60,53 |
- |
1.252,37 |
| TSS |
101.411,44 |
11.487,40 |
31.032,46 |
0 |
104.848,20 |
248.779,50 |
| Dự báo 2025 |
|
|
|
|
|
|
| COD |
63.608,90 |
81.842,80 |
24.801,70 |
1.519,00 |
3.909,70 |
175.682,06 |
| BOD5 |
33.505,30 |
31.478,00 |
15.511,20 |
430,60 |
3.083,60 |
84.008,70 |
| N-T |
7.449,40 |
15.739,00 |
12.344,60 |
277,30 |
2.580,90 |
38.391,17 |
| P-T |
2.789,30 |
1.340,40 |
1.198,70 |
249,00 |
1.020,90 |
6.598,32 |
| NH4+ |
4.098,90 |
2.277,70 |
2.962,20 |
66,87 |
- |
9.405,71 |
| PO43- |
1.513,70 |
437,10 |
539,50 |
112,10 |
- |
2.602,46 |
| TSS |
136.572,00 |
17.295,60 |
51.907,20 |
0 |
96.797,00 |
302.571,80 |
| Thông số |
Tải lượng đưa vào từ Sinh hoạt (tấn/năm) |
Công nghiệp (tấn/năm) |
Chăn nuôi (tấn/năm) |
Thủy sản (tấn/năm) |
Rửa trôi đất (tấn/năm) |
Tổng đưa vào (tấn/năm) |
Tỷ lệ Đưa vào / Phát sinh (%) |
| Năm 2012 |
|
|
|
|
|
|
|
| COD |
22.553,69 |
11.003,90 |
8.383,11 |
819,49 |
2.317,00 |
45.077,20 |
52,08% |
| BOD5 |
2.757,28 |
3.175,80 |
1.469,15 |
232,41 |
452,20 |
8.086,80 |
17,04% |
| N-T |
3.523,67 |
2.204,90 |
6.023,06 |
149,62 |
1.846,20 |
13.747,40 |
72,31% |
| P-T |
1.186,66 |
209,10 |
733,77 |
134,44 |
856,20 |
3.120,20 |
85,52% |
| NH4+ |
1.936,14 |
206,00 |
1.445,30 |
36,08 |
- |
3.623,50 |
72,08% |
| PO43- |
644,37 |
43,80 |
330,26 |
60,54 |
- |
1.078,90 |
86,15% |
| TSS |
36.568,96 |
8.227,90 |
8.580,48 |
0 |
52.424,10 |
105.801,40 |
42,53% |
| Dự báo 2025 |
|
|
|
|
|
|
|
| COD |
15.266,14 |
9.821,10 |
8.680,60 |
1.519,00 |
2.345,80 |
37.632,67 |
21,42% |
| BOD5 |
1.005,16 |
944,30 |
1.163,30 |
430,63 |
462,50 |
4.006,00 |
4,77% |
| N-T |
3.166,00 |
5.902,10 |
6.913,00 |
277,28 |
1.806,60 |
18.065,00 |
47,05% |
| P-T |
1.854,88 |
955,00 |
917,00 |
249,04 |
867,80 |
4.843,71 |
73,41% |
| NH4+ |
1.742,03 |
1.845,00 |
1.658,80 |
66,87 |
- |
5.312,70 |
56,48% |
| PO43- |
1.006,61 |
262,30 |
412,70 |
112,13 |
- |
1.793,73 |
68,92% |
| TSS |
4.097,16 |
1.383,60 |
3.633,50 |
0 |
48.398,50 |
57.512,81 |
19,01% |
Trong tổng tải lượng đưa vào vùng cửa sông Bạch Đằng năm 2012, nguồn sinh hoạt chiếm tỷ lệ cao nhất (41,31%), tiếp đến là nguồn chăn nuôi (30,27%), nguồn công nghiệp (13,50%), nguồn rửa trôi đất và thấp nhất là 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 thực hiện gồm 7 bước logic:
- Tổng quan tài liệu nghiên cứu liên quan.
- Chạy mô hình lan truyền chất ô nhiễm đánh giá tác động của các nguồn thải.
- Xác định vị trí mạng lưới trạm quan trắc và phân tích mẫu phòng thí nghiệm.
- Phân tích hiện trạng, diễn biến và cơ chế lan truyền chất ô nhiễm.
- Thiết lập công thức tính chỉ số WQIHP cho vùng biển ven bờ Hải Phòng.
- Ứng dụng WQIHP và công cụ GIS để thành lập bản đồ phân vùng chất lượng nước.
- Đề xuất các nhóm giải pháp bảo vệ môi trường nước.
Chương này mô tả chi tiết phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) với các công thức xác định hệ số tải $b_{ij}$, chuẩn hóa dữ liệu $x_1 = (x_{i1} - \bar{x}1)/S{x1}$, xây dựng ma trận hiệp phương sai ($cov_{ij}$) và ma trận tương quan ($r_{xy}$). Đồng thời, quy định rõ quy trình kỹ thuật thu mẫu nước biển bằng thiết bị Niskin Van Dorn Sampler, kỹ thuật cố định mẫu tại hiện trường và phân tích các chỉ tiêu theo QCVN 10-MT:2015/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước biển).
Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Đánh giá hiện trạng và mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm
- Hiện trạng các thông số chất lượng nước (2009 - 2019 và năm 2019): Phân tích số liệu quan trắc cho thấy nồng độ TSS, COD, muối dinh dưỡng ($NO_3^-$, $NH_4^+$, $PO_4^{3-}$), chlorophyll-a, tổng dầu mỡ khoáng, coliform và sắt (Fe) có sự phân hóa mạnh mẽ theo không gian và thời gian. Khu vực cửa sông Bạch Đằng, cửa Nam Triệu và ven bờ Đồ Sơn chịu ảnh hưởng lớn từ lục địa, có hàm lượng chất lơ lửng và chất hữu cơ cao hơn rõ rệt so với vùng biển ngoài khơi quần đảo Cát Bà.
- Mô phỏng thủy động lực và lan truyền: Kết quả mô phỏng số 2D/3D phản ánh quy luật trường dòng chảy tầng mặt chi phối hướng phát tán chất ô nhiễm. Vào pha triều rút (nước ròng), vệt nước ngọt mang tải lượng ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng từ các cửa sông Nam Triệu, Lạch Tray, Văn Úc lan tỏa mạnh ra phía biển theo hướng Đông Nam; vào pha triều dâng (nước lớn), dòng triều đẩy khối nước biển có độ muối cao ép sát vào bờ, làm giảm nồng độ chất ô nhiễm tại vùng ven bờ nhưng làm chậm quá trình trao đổi nước trong các vịnh nửa kín ở Cát Bà.
Thiết lập chỉ số chất lượng nước cho vùng biển ven bờ Hải Phòng (WQIHP)
- Lựa chọn thông số và phân nhóm: Dựa trên kết quả phân tích PCA từ chuỗi số liệu quan trắc thực tế kết hợp với các tiêu chí của Ott (1978) và bộ chỉ thị môi trường biển quốc gia, luận án đã lựa chọn các thông số đại diện và phân chia thành các nhóm thông số chính:
- Nhóm thông số hóa lý và chất rắn: pH, TSS, DO.
- Nhóm thông số chất hữu cơ và oxy sinh hóa: COD, BOD5.
- Nhóm thông số muối dinh dưỡng và sinh học: Amoni ($NH_4^+$), Nitrate ($NO_3^-$), Phosphate ($PO_4^{3-}$), Chlorophyll-a.
- Nhóm thông số vi sinh và chất độc hại/kim loại: Coliform, Dầu mỡ khoáng, Fe, kim loại nặng.
- Xác định trọng số ($w_i$) và xây dựng chỉ số phụ ($q_i$): Trọng số của từng thông số và từng nhóm thông số được xác định dựa trên tỷ lệ phương sai giải thích từ kết quả PCA và giá trị giới hạn cho phép trong QCVN. Các hàm chỉ số phụ ($q_i$) và giản đồ chuyển đổi nồng độ thực tế $C_i$ về thang điểm 0 - 100 được xây dựng chi tiết cho từng thông số.
- Lựa chọn hàm tổng hợp WQIHP: Luận án so sánh các dạng hàm toán học (tổng có trọng số, tích có trọng số, trung bình điều hòa, Solway) và đề xuất hàm tổng hợp WQIHP kết hợp dạng tổ hợp thích hợp nhằm tránh tính che khuất khi có một chỉ số phụ cực tiểu và loại bỏ tính ảo khi các trọng số nhỏ.
- Xây dựng thang phân loại chất lượng nước theo WQIHP: Thang đánh giá chia thành 5 cấp bậc tương ứng với các khoảng giá trị WQIHP và quy định màu sắc hiển thị trên bản đồ:
- Mức I (85 - 100 điểm): Chất lượng nước rất tốt (Màu xanh nước biển).
- Mức II (70 - 84 điểm): Chất lượng nước tốt (Màu xanh lá cây).
- Mức III (50 - 69 điểm): Chất lượng nước trung bình (Màu vàng).
- Mức IV (25 - 49 điểm): Chất lượng nước kém (Màu da cam).
- Mức V (0 - 24 điểm): Chất lượng nước rất kém / ô nhiễm nặng (Màu đỏ).
- Kiểm nghiệm công thức: Công thức WQIHP được kiểm nghiệm với bộ dữ liệu giả định và số liệu thực tế tại các điểm khảo sát vùng biển Hải Phòng năm 2019, đồng thời so sánh đối chứng với các mô hình WQI-CCME (Canada), WQIHL (Hạ Long) và WQI-NSF, cho thấy độ nhạy và tính phù hợp cao với điều kiện thủy vực ven bờ Hải Phòng.
Kết quả phân vùng chất lượng nước
Luận án đã thành lập 12 bản đồ phân vùng chất lượng nước chi tiết theo các điều kiện:
- Mùa khô: Nước ròng tầng mặt, nước ròng tầng đáy, nước lớn tầng mặt, nước lớn tầng đáy, trung bình nước ròng, trung bình nước lớn và trung bình mùa khô.
- Mùa mưa: Nước ròng tầng mặt, nước ròng tầng đáy, nước lớn tầng mặt, nước lớn tầng đáy, trung bình nước ròng, trung bình nước lớn và trung bình mùa mưa.
- Tổng hợp diện tích phân vùng: Xác định chính xác tỷ lệ diện tích các vùng nước đạt chất lượng rất tốt, tốt, trung bình, kém và rất kém theo từng mùa, chỉ rõ các vùng nước cửa sông Bạch Đằng và Lạch Tray thuộc diện chất lượng kém đến rất kém trong mùa mưa vào thời điểm triều ròng.
Đề xuất giải pháp bảo vệ môi trường nước vùng biển Hải Phòng
- Mục tiêu: Kiểm soát nguồn thải, duy trì và cải thiện chỉ số WQIHP tại các vùng nuôi trồng thủy sản, bảo tồn thiên nhiên và du lịch biển đạt từ mức II trở lên.
- Giải pháp quản lý không gian: Quy định ranh giới và phân bổ chức năng sử dụng nước biển theo phân vùng chất lượng nước; áp dụng hạn ngạch xả thải cho từng lưu vực cửa sông.
- Kiểm soát nguồn phát thải từ lục địa: Tăng cường xử lý nước thải sinh hoạt đô thị, nước thải công nghiệp tại các khu công nghiệp Đình Vũ, Nomura và kiểm soát chất thải từ hoạt động chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản.
- Giải pháp kỹ thuật: Nâng cấp mạng lưới quan trắc tự động liên tục, áp dụng công nghệ mô hình hóa số để cảnh báo sớm sự cố ô nhiễm nước và tràn dầu.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp về mặt lý luận khoa học
- Làm sáng tỏ phương pháp luận xây dựng chỉ số chất lượng nước đặc thù cho vùng biển ven bờ chịu ảnh hưởng mạnh của chế độ thủy động lực cửa sông và hoạt động nhân sinh.
- Hoàn thiện quy trình tích hợp phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) để xác định khách quan trọng số và lựa chọn thông số tính WQI, kết hợp mô phỏng số trị lan truyền chất ô nhiễm nhằm tăng độ phân giải không gian cho việc phân vùng môi trường nước.
Đóng góp về mặt thực tiễn
- Xây dựng thành công công thức WQIHP và thang phân loại 5 cấp dành riêng cho vùng biển ven bờ Hải Phòng, khắc phục được các nhược điểm che khuất và tính ảo của các mô hình truyền thống.
- Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu định lượng và hệ thống bản đồ phân vùng chất lượng nước biển ven bờ Hải Phòng theo mùa, pha triều và tầng nước.
- Cung cấp luận cứ khoa học trực tiếp cho công tác quy hoạch không gian biển, quản lý tổng hợp vùng bờ và xây dựng kế hoạch kiểm soát ô nhiễm môi trường nước tại thành phố Hải Phòng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu
- Mạng lưới điểm quan trắc thực tế ngoài khơi xa và xung quanh quần đảo Long Châu còn hạn chế về mật độ do chi phí khảo sát biển cao; việc phân vùng không gian tại các khu vực này phụ thuộc vào kết quả nội suy từ mô hình số trị.
- Các chỉ tiêu chất độc hại hữu cơ vết như hóa chất bảo vệ thực vật (OCPs) và hydrocacbon thơm đa vòng (PAHs) chưa thể tích hợp vào công thức tính toán WQIHP thường nhật do thiếu chuỗi số liệu quan trắc liên tục với tần suất dày.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Tiếp tục cập nhật số liệu quan trắc tự động thời gian thực vào mô hình để nâng cao độ chính xác phân vùng động lực.
- Nghiên cứu mở rộng và chuẩn hóa công thức WQI cho các vùng biển ven bờ lân cận thuộc dải duyên hải vịnh Bắc Bộ (Quảng Ninh, Thái Bình, Nam Định).
Giá trị tham khảo
- Cơ quan quản lý nhà nước: Sở Tài nguyên và Môi trường Hải Phòng, Chi cục Biển và Hải đảo, Ban Quản lý Vườn Quốc gia Cát Bà, Tổng cục Môi trường và Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam có thể sử dụng trực tiếp công thức WQIHP và các bản đồ phân vùng để phê duyệt báo cáo đánh giá tác động môi trường, cấp phép xả nước thải và quy hoạch các phân khu nuôi trồng thủy sản, du lịch.
- Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Là tài liệu tham khảo có giá trị cao về phương pháp luận kết hợp thống kê đa biến (PCA), công thức toán học WQI, mô hình mô phỏng thủy động lực và công cụ GIS trong nghiên cứu khoa học biển và quản lý môi trường.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án giải quyết vấn đề khoa học cốt lõi nào?
Luận án xây dựng công thức tính chỉ số chất lượng nước (WQIHP) phù hợp với đặc thù vùng biển ven bờ chịu chi phối của cửa sông châu thổ và cửa sông hình phễu tại Hải Phòng, từ đó phân vùng chất lượng nước chi tiết theo mùa và chu kỳ thủy triều phục vụ quản lý không gian biển.
2. Phương pháp toán học nào được dùng để chọn thông số và tính trọng số cho WQIHP?
Phương pháp phân tích thành phần chính (PCA - Principal Components Analysis) được áp dụng trên tập dữ liệu quan trắc giai đoạn 2009 - 2019 để xác định các thành phần chính mang phương sai lớn nhất, tính hệ số tải và xác định trọng số ($w_i$) một cách khách quan cho từng thông số và nhóm thông số.
3. 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 năm 2012, nguồn thải sinh hoạt đóng vai trò chủ đạo khi chiếm 41,31% tổng tải lượng ô nhiễm đưa vào vùng cửa sông Bạch Đằng, tiếp theo là nguồn chăn nuôi (30,27%), nguồn công nghiệp (13,50%), nguồn rửa trôi đất và thấp nhất là nguồn từ nuôi trồng thủy sản (2,27%).
4. Kết quả phân vùng chất lượng nước vùng biển Hải Phòng được thể hiện qua các kịch bản nào?
Chất lượng nước được phân thành 5 cấp (Rất tốt, Tốt, Trung bình, Kém, Rất kém) và thể hiện qua 12 bản đồ phân vùng chi tiết tương ứng với mùa khô và mùa mưa, phân tách theo pha triều (nước lớn, nước ròng) và tầng nước (tầng mặt, tầng đáy).
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Lê Văn Nam đã giải quyết thành công bài toán đánh giá và phân vùng chất lượng nước vùng biển ven bờ Hải Phòng thông qua việc xây dựng bộ chỉ số WQIHP đặc thù. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa tiếp cận hệ thống, phân tích thống kê đa biến PCA, mô hình hóa số trị và hệ thông tin địa lý GIS, công trình đã làm sáng tỏ hiện trạng ô nhiễm và cơ chế lan truyền chất ô nhiễm từ các cửa sông chính ra biển. Các bản đồ phân vùng và giải pháp quản lý không gian biển do luận án đề xuất là nguồn tư liệu khoa học chuẩn xác, phục vụ hiệu quả cho mục tiêu phát triển bền vững kinh tế biển tại thành phố Hải Phòng.
