Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu sức chịu tải môi trường của sông Trường Giang, tỉnh Quảng Nam làm cơ sở khoa học cho việc sử dụng hợp lý" do nghiên cứu sinh Mai Trọng Hoàng thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Văn Thụy và TS. Nguyễn Đăng Giáp, thuộc chuyên ngành Khoa học môi trường (Mã số: 9440301.01), bảo vệ tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2021.

Sông Trường Giang có chiều dài 67 km, chảy dọc bờ biển tỉnh Quảng Nam, phía Bắc thông với hạ lưu hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn qua Cửa Đại, phía Nam thông với hạ lưu sông Tam Kỳ qua Cửa Lở và Cửa An Hòa. Đây là tuyến thủy vực giữ vai trò thiết yếu trong việc tiêu thoát lũ, giao thông thủy, cung cấp nguồn nước cho nuôi trồng thủy sản (NTTS) và duy trì hệ sinh thái đất ngập nước ven bờ. Tuy nhiên, hoạt động phát triển kinh tế - xã hội gia tăng nhanh chóng cùng sự phát triển nuôi tôm tự phát, tình trạng đắp đập, quầng bao, đặt ngư cụ (sáo, nò) và xây dựng công trình vượt sông không đúng quy hoạch đã làm thu hẹp lòng dẫn, gây bồi lắng nghiêm trọng. Nguồn nước thải từ sinh hoạt, sản xuất công nghiệp, chăn nuôi và NTTS xả trực tiếp vào sông không qua xử lý đạt chuẩn gây sức ép lớn lên môi trường nước. Trước thời điểm nghiên cứu, các công trình khoa học tại khu vực chủ yếu tiếp cận riêng lẻ về địa mạo, khoáng sản, lũ lụt hoặc xâm nhập mặn; hoàn toàn thiếu vắng các nghiên cứu hệ thống, tích hợp về đặc điểm thủy động lực hai đầu triều, chất lượng nước, sinh vật chỉ thị và sức chịu tải môi trường. Do đó, việc nghiên cứu sức chịu tải môi trường nước sông Trường Giang là yêu cầu cấp thiết nhằm cung cấp luận cứ khoa học phục vụ quản lý và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể:

  1. Mục tiêu tổng quát: Đánh giá được sức chịu tải môi trường của sông Trường Giang, tỉnh Quảng Nam và trên cơ sở đó đề xuất được định hướng, giải pháp khai thác và sử dụng hợp lý sông Trường Giang.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Phân tích được đặc điểm thủy động lực, môi trường nước, thủy sinh vật, xác định tải lượng ô nhiễm từ các nguồn thải vào sông Trường Giang trong thời gian cơ sở (năm 2017) và dự báo đến năm 2030;
    • Mô phỏng được sự phân bố thành phần ô nhiễm, phân tích mối quan hệ giữa chất lượng nước và đời sống thủy sinh vật; làm cơ sở đánh giá sức chịu tải (đối với các thông số BOD, $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_3^-$ và TSS) theo các kịch bản, khả năng phục hồi môi trường và đa dạng sinh học (ĐDSH) của sông Trường Giang; từ đó đề xuất định hướng, giải pháp khai thác và sử dụng hợp lý sông Trường Giang.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các nguồn thải ô nhiễm, yếu tố thủy động lực, môi trường nước mặt và thủy sinh vật của sông Trường Giang, tỉnh Quảng Nam.
  • Phạm vi không gian: Toàn bộ dòng sông Trường Giang dài 67 km từ ngã ba An Lạc (xã Duy Nghĩa, huyện Duy Xuyên) đến Cửa An Hòa (xã Tam Giang, huyện Núi Thành), chảy qua địa bàn 18 xã thuộc 4 huyện, thành phố: Duy Xuyên, Thăng Bình, Tam Kỳ và Núi Thành.
  • Phạm vi thời gian: Mùa khô (tháng 4 đến tháng 6) và mùa mưa (tháng 10 đến tháng 12) giai đoạn 2016-2018, trong đó lấy năm 2017 làm năm cơ sở tính toán và dự báo xu thế đến năm 2030.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án được phân tích trên bốn hướng nghiên cứu chính:

  1. Đánh giá chất lượng nước sông và ứng dụng mô hình toán: Trên thế giới, các bộ chỉ số chất lượng nước được xây dựng từ sớm như NSFWQI của Hoa Kỳ (Brown và cộng sự, 1970), CCMEWQI của Canada (Khan và cộng sự, 2003), hay các chỉ số chất lượng nước tổng hợp WQI (Horton, 1965; Debels và cộng sự, 2005; Tsegaye và cộng sự, 2006; Saeedi và cộng sự, 2009). Cùng với đó là các mô hình số trị như Aquatox mô phỏng độc tính hóa chất tại Thái Hồ - Trung Quốc (Lei và cộng sự, 2010), BLTM mô phỏng chuyển tải 1 chiều trên sông Mississippi và Catawba (Lizarraga, 1996; Feaster và Conrads, 1999; Broshears và cộng sự, 2001; Feaster và cộng sự, 2003), QUAL2K trên sông Wenatchee, Umpqua, Bagmati, sông Vị (Cristea và Pelletier, 2005; Turner và cộng sự, 2006; Kannel và cộng sự, 2007; Yali Zhang, 2016), WASP7 tại cửa sông Neuse và Delaware (Craig A. Stow và cộng sự, 2003; US EPA), Delft-3D (David Taylor và cộng sự, 2005; Roy Van Weerdenburg, 2017) và bộ mô hình MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch (Kamel, 2008; Ahmed, 2010). Tại Việt Nam, phương pháp đánh giá theo quy chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT được áp dụng trên sông Hương (Nguyễn Văn Cư, 2009), lưu vực Vu Gia - Thu Bồn (Nguyễn Thị Thảo Hương), sông Trà Khúc (Phạm Thị Ngọc Lan). Các đánh giá WQI được thực hiện tại ven biển Thanh Hóa (Phạm Ngọc Hồ và cộng sự, 2009), sông Hương (Lê Văn Thăng và cộng sự, 2003-2012), sông Cầu (Nguyễn Văn Thùy và cộng sự, 2012-2013). Các nghiên cứu mô hình hóa nổi bật gồm áp dụng QUAL2K trên sông Hương (Nguyễn Bắc Giang, 2011), MIKE 11 trên hệ thống Vu Gia - Thu Bồn (Nguyễn Văn Tỉnh, 2015), và Delft-3D tại phá Tam Giang - Cầu Hai (Cao Thị Thu Trang, 2019).

  2. Quản lý tổng hợp lưu vực sông: Nghiên cứu quốc tế ghi nhận các chương trình quản lý lưu vực sông Thames - Anh (1940), quy hoạch lưu vực theo Luật Tài nguyên nước Pháp (1964), dự án sông Tennessee - Hoa Kỳ (1954), quản lý sông Murray - Darling - Australia, chỉ tiêu phát triển bền vững sông Fraser - Canada (Kent R. Gustavsona và cộng sự, 1999), phục hồi lưu vực sông Tarim - Trung Quốc (Feng và cộng sự, 2001) và hoạt động của Ủy ban sông Mê Kông (MRC, 2011). Tại Việt Nam, định hướng quản lý lưu vực dựa trên Luật Tài nguyên nước 2012 và Nghị định 120/2008/NĐ-CP được triển khai tại vùng Thanh - Nghệ - Tĩnh (Nguyễn Đình Kỳ và cộng sự, 2012), lưu vực miền Trung (Dương Quốc Huy và cộng sự, 2015), lưu vực sông Nhuệ - Đáy (Nguyễn Văn Cư, 2004), sông Cả (Nguyễn Đăng Túc và cộng sự, 2007), sông Mã (Hoàng Ngọc Quang, 2008) và thỏa thuận phối hợp lưu vực Vu Gia - Thu Bồn giữa Quảng Nam và Đà Nẵng (Lê Thị Hường, 2017).

  3. Nghiên cứu sức chịu tải môi trường nước và sinh vật chỉ thị: Khái niệm sức tải môi trường phát triển từ nghiên cứu chăn thả của Edwards và cộng sự (1955), báo cáo GESAMP (1986), hướng dẫn xác định TMDL của EPA (2012), công thức tính sức tải sông Paranapanema (Roberto và cộng sự, 2016), sông Tuohe (Shu Ling Huang và cộng sự, 2011), sông Weihe (Lei Zhu và cộng sự, 2017) và phương pháp dấu chân sinh thái nước WEF tại lưu vực Tuhai (Changshuai Whang và cộng sự, 2017). Ở Việt Nam, cơ sở phương pháp luận được quy định trong Thông tư số 76/2017/TT-BTNMT và Quyết định số 154/QĐ-TCMT, ứng dụng trên vịnh Hạ Long - Bái Tử Long (Trần Đức Thạnh và cộng sự, 2012), sông Nhuệ (Trần Đình Hợi và cộng sự, 2010), sông Vàm Cỏ Đông (Nguyễn Minh Lâm, 2013), thủy vực ven bờ (Lưu Văn Diệu và cộng sự, 2013), sông Vu Gia - Thu Bồn (Nguyễn Văn Tỉnh và cộng sự, 2015), sông Nhuệ - Đáy (Nguyễn Toàn Thắng, 2018) và đầm phá Tam Giang - Cầu Hai (Cao Thị Thu Trang, 2019). Về sinh vật chỉ thị, các chỉ số đa dạng Shannon - Weiner ($H'$), chỉ số ưu thế Berger - Parker ($d$), chỉ số Margalef và Simpson phản ánh sự biến đổi của thực vật nổi, động vật nổi và động vật đáy dưới tác động của ô nhiễm hữu cơ và phú dưỡng.

  4. Các nghiên cứu chuyên biệt về sông Trường Giang: Đã có các công trình về biến động bờ sông và bãi biển Cửa Đại (Lê Phước Trình, 2003; Lê Đình Mầu, 2006, 2018; Đỗ Quang Thiên, 2012; Trần Văn Bình, 2016); khai thác sa khoáng titan (Trịnh Thế Hiếu, 2006); tài nguyên nước mặt (Lê Văn Thăng và cộng sự, 2012); rủi ro ngập lụt, khô hạn (Vũ Thị Thu Lan và cộng sự, 2010, 2013); xâm nhập mặn (Hoàng Ngô Tự Do và cộng sự, 2011; Nguyễn Tùng Phong và cộng sự, 2013); bảo vệ rừng ngập mặn và đề xuất nạo vét luồng lạch (Phạm Viết Tích và cộng sự, 2009; Đỗ Quang Thiên và cộng sự, 2010; Đỗ Quý Mạnh và cộng sự, 2018-2020; Bộ Khoa học và Công nghệ, 2019).

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết: Chưa có công trình nào đánh giá tổng thể mối quan hệ giữa chế độ thủy động lực đặc thù (sông hở hai đầu chịu tác động tương hỗ của hai chế độ triều), quá trình lan truyền các chất ô nhiễm từ 5 nhóm nguồn thải chính với cấu trúc quần xã thủy sinh vật chỉ thị, nhằm lượng hóa sức chịu tải môi trường nước và khả năng tự làm sạch, phục hồi sinh thái trên toàn tuyến sông Trường Giang.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên khung lý thuyết về sức chịu tải môi trường nước (Điều 3 Luật Bảo vệ môi trường 2014, Nghị định số 38/2015/NĐ-CP, Thông tư số 76/2017/TT-BTNMT và Quyết định số 154/QĐ-TCMT), quá trình tự làm sạch thủy vực thông qua chuyển dịch xuôi dòng, pha loãng, lắng đọng, phản ứng hóa học, phân hủy sinh hóa và lọc sinh học.

Cơ sở toán học và phương pháp mô hình hóa:

  • Phương trình thủy động lực Saint-Venant một chiều (1D):
    • Phương trình liên tục: $$\frac{\partial Q}{\partial s} + B \frac{\partial z}{\partial t} - q = 0$$
    • Phương trình động lượng: $$\frac{\partial Q}{\partial t} + \frac{\partial}{\partial s}\left(\alpha \frac{Q^2}{A}\right) + g A \frac{\partial z}{\partial s} + g \frac{Q|Q|}{K^2} - U_x q = 0$$ Trong đó $Q$ là lưu lượng, $z$ là mực nước, $A$ là diện tích mặt cắt ướt, $B$ là bề rộng mặt thoáng, $K = A C R^{1/2}$ là mô đun lưu lượng, $q$ là lưu lượng nhập lưu bên, $U_x$ là thành phần vận tốc dọc trục, $g = 9{,}81 \text{ m/s}^2$.
  • Phương trình chuyển tải - khuếch tán chất ô nhiễm (Advection - Dispersion): $$\frac{\partial C}{\partial t} + u_i \frac{\partial C}{\partial x_i} = \frac{\partial}{\partial x_i}\left(E_i \frac{\partial C}{\partial x_i}\right) \pm R$$ Trong đó $C$ là nồng độ chất ô nhiễm, $u_i$ là vận tốc trung bình dòng chảy theo hướng $i$, $E_i$ là hệ số khuếch tán, $R$ là tốc độ phản ứng suy biến hóa - sinh.
  • Các chỉ số đa dạng sinh học:
    • Chỉ số Shannon - Weiner: $H' = - \sum_{i=1}^S P_i \ln P_i$
    • Chỉ số ưu thế Berger - Parker: $d = \frac{N_{\max}}{N}$
    • Chỉ số Margalef ($D_{Mg}$) và Simpson ($D$).
  • Phương pháp tính toán tải lượng ô nhiễm từ các nguồn thải:
    • Nguồn sinh hoạt: $Q_{sh} = P \times q_i \times 10^{-3}$ (tấn/năm)
    • Nguồn công nghiệp: Đo thực tế qua lưu lượng và nồng độ $Q_i = \sum V_j \times C_{ij} \times 10^{-6}$ hoặc theo hệ số phát thải $Q_i = \sum M_j \times q_{ij} \times 10^{-3} \times H_s$
    • Nguồn NTTS và chăn nuôi: $Q_{tt} = q_i \times DT \times H_s$
    • Nguồn rửa trôi đất: $Q_{rt} = n \times A \times q_i \times 10^{-3}$
  • Công thức tính sức chịu tải môi trường nước ($L_{tn}$):
    • Đánh giá trực tiếp: $L_{tn} = (L_{tđ} - L_{nn}) \times F_s$
    • Đánh giá gián tiếp: $L_{tn} = (L_{tđ} - L_{nn} - L_t) \times F_s$ Với $F_s$ là hệ số an toàn ($0{,}3 - 0{,}7$), $L_{tđ}$ là tải lượng tối đa cho phép theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT, $L_{nn}$ là tải lượng nền hiện có, $L_t$ là tải lượng nước thải đưa vào.

Công cụ nghiên cứu và phần mềm:

  • Bộ mô hình MIKE 11 của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) gồm module thủy lực MIKE 11 HD, module truyền tải khuếch tán MIKE 11 AD và module chất lượng nước MIKE 11 ECOlab.
  • Khung phân tích DPSIR (Động lực - Sức ép - Hiện trạng - Tác động - Đáp ứng) và Ma trận SWOT (Điểm mạnh - Điểm yếu - Cơ hội - Thách thức) phục vụ đề xuất định hướng quản lý.

Nguồn tư liệu và dữ liệu sử dụng:

  • Số liệu đo đạc, quan trắc thực địa thuộc đề tài KH&CN cấp Nhà nước mã số ĐTĐL.CN-15/16 gồm 6 đợt khảo sát thực địa từ năm 2016 đến năm 2018 (Đợt 1: tháng 11-12/2016; Đợt 2: tháng 4-5/2017; Đợt 3: tháng 8/2017; Đợt 4: tháng 11/2017; Đợt 5: tháng 4-5/2018; Đợt 6: tháng 8/2018).
  • Chuỗi số liệu khí tượng thủy văn trạm Tam Kỳ và trạm trên các sông Vu Gia - Thu Bồn, Tam Kỳ (2001-2017).
  • Niên giám thống kê tỉnh Quảng Nam và các huyện Duy Xuyên, Thăng Bình, Núi Thành, TP. Tam Kỳ năm 2017.
  • Báo cáo hiện trạng môi trường 3 KCN tập trung (Bắc Chu Lai, Tam Hiệp, Chu Lai - Trường Hải) năm 2017.
  • Quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội, công nghiệp, thủy sản, sử dụng đất tỉnh Quảng Nam đến năm 2030 (Quyết định số 113/QĐ-UBND, Quyết định số 553/QĐ-TTg, Quyết định số 58/QĐ-UBND, Nghị quyết số 19/2016/NQ-HĐND).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tình hình nghiên cứu về chất lượng nước sông và quản lý lưu vực sông trên thế giới và ở Việt Nam

Chương 1 hệ thống hóa các vấn đề lý luận về chất lượng nước, quản lý lưu vực sông, sức chịu tải môi trường nước và tổng quan các nghiên cứu liên quan đến sông Trường Giang. Đồng thời, chương này trình bày chi tiết về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu:

  • Đặc điểm tự nhiên: Sông Trường Giang dài 67 km (15 km sông cấp V, 51 km sông cấp VI), bề rộng lòng sông dao động từ 20 m đến 50 m, cao độ đáy sông phổ biến từ (-2,20) m đến (-3,00) m. Sông có nhiều bãi cạn kéo dài 2-3 km với độ sâu mực nước mùa kiệt chỉ đạt 0,4-0,6 m. Khí hậu có lượng mưa trung bình nhiều năm đạt trên 2.000 mm (tổng lượng mưa quan trắc giai đoạn 2001-2017 tại trạm Tam Kỳ là 44.214 mm, số ngày mưa trung bình 161 ngày/năm), tập trung chủ yếu từ tháng 9 đến tháng 12 (chiếm 62,6 - 68,2% lượng dòng chảy cả năm). Mùa kiệt kéo dài từ tháng 1 đến tháng 8, tháng kiệt nhất là tháng 4 chỉ chiếm 2,1 - 2,6% lượng dòng chảy năm.
  • Thủy lực và độ mặn: Sông không có nguồn sinh thủy độc lập mà tiếp nhận nước từ hai đầu sông và chịu ảnh hưởng trực tiếp của chế độ thủy triều từ Cửa Đại (phía Bắc) và Cửa An Hòa (phía Nam). Tại khoảng Km27 xuất hiện điểm "0" lưu tốc dòng chảy mùa cạn, làm cho dòng chảy bị triệt tiêu vận tốc, tạo điều kiện bồi lắng nghiêm trọng. Độ mặn giảm dần từ hai cửa biển về phía giữa sông (phía Bắc tại Duy Nghĩa đạt 1,3‰ giảm về Bình Đào còn 0,8‰; phía Nam tại Tam Tiến đạt 6,7‰ giảm về Bình Sa còn 2,0‰).
  • Hiện trạng kinh tế - xã hội: Dân số lưu vực năm 2017 là 153,3 nghìn người, mật độ dân số 540 người/$\text{km}^2$ (gấp 3,2 lần mức trung bình tỉnh Quảng Nam). Toàn lưu vực có 99,627 $\text{km}^2$ đất nông nghiệp, 46,695 $\text{km}^2$ đất dân cư, 44,639 $\text{km}^2$ đất rừng và 19,324 $\text{km}^2$ đất trống. Có 3 KCN lớn: Bắc Chu Lai (diện tích giai đoạn 1 là 176,9 ha, tỷ lệ lấp đầy 96,1%), Tam Hiệp (709 ha, lấp đầy 60%), Cơ khí ô tô Chu Lai - Trường Hải (325 ha, lấp đầy trên 80%). Hoạt động NTTS nước lợ năm 2017 đạt 1.125,05 ha (huyện Núi Thành: 462,8 ha; Thăng Bình: 404,1 ha; Tam Kỳ: 196,4 ha; Duy Xuyên: 61,7 ha), trong đó nuôi thâm canh là 239 ha, bán thâm canh là 356 ha và quảng canh cải tiến là 530 ha. Tổng đàn gia súc gia cầm gồm 17.739 con trâu bò, 57.356 con lợn và 568.100 con gia cầm.
Huyện / Thành phố Thâm canh (ha) Bán thâm canh (ha) Quảng canh & Quảng canh cải tiến (ha) Đối tượng nuôi: Tôm (ha) Đối tượng nuôi: Cá (ha) Đối tượng nuôi: Khác (ha)
Huyện Duy Xuyên 0 20 41,7 57,45 1,5 2,75
Huyện Thăng Bình 65 147 192,1 386,5 14,2 3,4
Thành phố Tam Kỳ 57 48 91,4 189 4 3,4
Huyện Núi Thành 117 141 204,8 404,75 38,7 19,35
Tổng cộng 239 356 530 1.037,7 58,4 28,9

Chương 2. Phạm vi thời gian, địa điểm và phương pháp nghiên cứu, dữ liệu sử dụng

Chương 2 trình bày chi tiết về mạng lưới trạm khảo sát, phương pháp luận và quy trình tính toán:

  • Phạm vi khảo sát: Thiết lập hệ thống trạm đo đạc địa hình mặt cắt sông, trạm đo lưu lượng thủy văn (MC1, MC2), các điểm thu mẫu chất lượng nước mặt và mẫu thủy sinh vật (thực vật nổi - TVN, động vật nổi - DVN, động vật đáy - DVD) trên 6 đoạn sông nghiên cứu trong 6 đợt khảo sát (2016-2018).
  • Phương pháp xác định tải lượng: Luận án áp dụng hệ số phát thải và dữ liệu đo thực tế cho 5 nguồn ô nhiễm chính: nước thải sinh hoạt (dựa trên dân số 18 xã), nước thải công nghiệp (từ 3 KCN tập trung), nước thải NTTS (theo diện tích nuôi thâm canh, bán thâm canh, quảng canh), nước thải chăn nuôi (đàn trâu bò, lợn, gia cầm) và tải lượng rửa trôi đất (theo 4 loại hình sử dụng đất và số ngày mưa trong năm).
  • Phương pháp mô hình hóa: Thiết lập mạng lưới sông trong mô hình MIKE 11. Biên thủy lực thượng lưu lấy theo lưu lượng từ sông Thu Bồn và sông Tam Kỳ; biên hạ lưu lấy theo mực nước dao động triều tại Cửa Đại và Cửa An Hòa. Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực (MIKE 11 HD) và mô hình chất lượng nước (MIKE 11 AD và ECOlab) được thực hiện với chuỗi số liệu thực đo mùa khô và mùa mưa, kiểm tra tương quan mực nước, lưu lượng và các thông số chất lượng nước (BOD, $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_3^-$, TSS).
  • Phương pháp sinh thái học và phân tích chính sách: Xác định cấu trúc thành phần loài và tính toán các chỉ số đa dạng $H'$ (Shannon-Weiner), chỉ số ưu thế $d$ (Berger-Parker) cho 3 nhóm thủy sinh vật để làm chỉ thị mức độ ô nhiễm. Sử dụng ma trận SWOT và khung DPSIR tích hợp các yếu tố phát triển để xây dựng giải pháp quản lý.

Chương 3. Kết quả nghiên cứu và bàn luận

Chương 3 là nội dung cốt lõi của luận án, tập trung vào 5 nhóm kết quả chính:

  1. Tải lượng ô nhiễm phát sinh trong lưu vực và đi vào sông:

    • Tổng hợp tải lượng ô nhiễm phát sinh trong lưu vực sông Trường Giang năm cơ sở 2017 và dự báo năm 2030 cho thấy nguồn thải từ NTTS và sinh hoạt chiếm tỷ trọng chi phối đối với các chất hữu cơ (BOD) và dinh dưỡng (Nito), trong khi nguồn rửa trôi đất đóng góp lượng lớn chất rắn lơ lửng (TSS).
    • Tải lượng các chất ô nhiễm chính trực tiếp đi vào sông năm cơ sở 2017 và xu thế biến đổi đến năm 2030 được lượng hóa chi tiết theo từng đoạn sông phục vụ bài toán cân bằng vật chất.
  2. Đặc điểm thủy động lực học dòng sông:

    • Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE 11 HD cho thấy sự phù hợp cao giữa mực nước tính toán và mực nước thực đo tại các trạm quan trắc thủy văn trên sông Tam Kỳ và các mặt cắt đại diện trên sông Trường Giang.
    • Trường dòng chảy trên sông chịu tác động mạnh của thủy triều hai đầu. Vận tốc dòng chảy trên sông rất nhỏ, hầu hết dưới $1 \text{ m/s}$. Tại khu vực giữa sông xuất hiện hiện tượng triệt tiêu lưu tốc (điểm "0"), thời gian lưu nước kéo dài, làm giảm khả năng xáo trộn và cản trở quá trình thoát lũ tự nhiên.
  3. Diễn biến phân bố chất lượng nước và mối quan hệ với thủy sinh vật:

    • Nồng độ các thông số BOD, $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_3^-$ và TSS có sự phân hóa rõ rệt theo mùa và theo đoạn sông. Mùa khô nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ và amoni tăng cao tại các đoạn sông qua huyện Thăng Bình và Núi Thành do mật độ ao nuôi tôm dày đặc và nước thải dân cư.
    • Về thủy sinh vật: Cấu trúc thành phần loài TVN, DVN, DVD có sự thay đổi theo mức độ ô nhiễm nước. Tại các đoạn sông bị ô nhiễm hữu cơ cao, chỉ số đa dạng Shannon-Weiner ($H'$) giảm thấp, trong khi chỉ số ưu thế Berger-Parker ($d$) tăng cao do sự chiếm ưu thế của một vài loài chịu đựng ô nhiễm. Mối tương quan nghịch giữa $H'$ và nồng độ BOD, $\text{NH}_4^+$ khẳng định giá trị chỉ thị sinh học của quần xã thủy sinh đối với chất lượng nước sông Trường Giang.
  4. Sức chịu tải môi trường nước và khả năng tự làm sạch, phục hồi sinh thái:

    • Kết quả tính toán sức chịu tải môi trường nước của sông Trường Giang đối với 4 thông số (BOD, $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_3^-$, TSS) theo các kịch bản hiện trạng (năm 2017) và kịch bản phát triển tương lai (năm 2030: kịch bản A2, B1, B2) cho thấy sức chịu tải của sông có sự chênh lệch lớn giữa các đoạn sông.
    • Một số đoạn sông qua khu vực tập trung NTTS và gần các KCN đã rơi vào tình trạng hết khả năng tiếp nhận đối với thông số BOD và $\text{NH}_4^+$ trong mùa cạn. Khả năng tự làm sạch của sông bị hạn chế bởi lưu tốc dòng chảy thấp và bồi lắng lòng dẫn. Việc duy trì và phục hồi hệ sinh thái rừng ngập mặn cùng thảm thực vật ven bờ đóng vai trò then chốt trong việc cải thiện sức tải sinh thái.
  5. Định hướng khai thác và giải pháp sử dụng hợp lý nguồn nước:

    • Phân tích khung DPSIR và ma trận SWOT chỉ rõ các động lực phát triển công nghiệp - đô thị và sức ép từ NTTS đối với hiện trạng chất lượng nước.
    • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý cụ thể: (1) Nạo vét chỉnh trị luồng sông nhằm khơi thông dòng chảy, xóa bỏ các điểm nghẽn thủy lực tại các đập cản (đập Cổ Linh); (2) Quy hoạch lại diện tích NTTS theo hướng giảm nuôi thâm canh tự phát, chuyển sang công nghệ nuôi an toàn sinh học; (3) Kiểm soát nghiêm ngặt nước thải từ 3 KCN tập trung và xây dựng hệ thống thu gom nước thải sinh hoạt nông thôn; (4) Bảo vệ, phục hồi rừng ngập mặn khu vực Cửa Lở và Cửa An Hòa.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:

  • Luận án đã hệ thống hóa và áp dụng quy trình đánh giá sức chịu tải môi trường nước cho loại hình sông ven biển hở hai đầu thông với biển, chịu tác động tương hỗ phức tạp của hai chế độ triều riêng biệt từ hai cửa sông (Cửa Đại và Cửa An Hòa/Cửa Lở).
  • Đã thiết lập được mối quan hệ định lượng giữa diễn biến chất lượng nước (thông qua nồng độ các chất ô nhiễm BOD, $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_3^-$, TSS) với cấu trúc và các chỉ số đa dạng sinh học ($H', d$) của ba nhóm quần xã thủy sinh vật chỉ thị (thực vật nổi, động vật nổi, động vật đáy).

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn:

  • Cung cấp bộ dữ liệu toàn diện về tải lượng ô nhiễm phát sinh từ 5 nguồn thải chính (sinh hoạt, công nghiệp, NTTS, chăn nuôi, rửa trôi đất) tại 18 xã thuộc 4 huyện, thành phố lưu vực sông Trường Giang cho năm cơ sở 2017 và dự báo đến năm 2030.
  • Lượng hóa chính xác sức chịu tải môi trường nước của từng phân đoạn sông Trường Giang đối với 4 thông số ô nhiễm chính theo các kịch bản phát triển khác nhau.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp và định hướng sử dụng hợp lý sông Trường Giang dựa trên cơ sở khoa học về sức chịu tải môi trường, phục vụ trực tiếp cho công tác quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội bền vững và bảo vệ môi trường tỉnh Quảng Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Do trên sông Trường Giang không có trạm quan trắc thủy văn quốc gia cố định nên chuỗi số liệu quan trắc dòng chảy trực tiếp trên sông phụ thuộc chủ yếu vào các đợt đo đạc khảo sát thực địa ngắn ngày.
  • Việc tính toán tải lượng ô nhiễm từ một số nguồn thải phân tán (nước chảy tràn, chăn nuôi quy mô hộ gia đình) còn phải dựa trên hệ số phát thải lý thuyết do hạn chế về số liệu đo đạc thực tế tại tất cả các điểm xả.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Cần tiếp tục mở rộng mô phỏng thủy động lực học và chất lượng nước ở không gian 2 chiều (2D) hoặc 3 chiều (3D) tại các khu vực ngã ba sông giao thoa phức tạp giữa sông Trường Giang với sông Thu Bồn và sông Tam Kỳ.
  • Nghiên cứu sâu hơn về động học tích tụ và giải phóng chất ô nhiễm từ trầm tích đáy sông trong điều kiện xáo trộn thủy lực do nạo vét luồng tàu.
  • Mở rộng quan trắc sinh thái dài hạn để theo dõi sự phục hồi của các loài sinh vật chỉ thị sau khi triển khai các biện pháp chỉnh trị dòng chảy.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên và giảng viên các chuyên ngành Khoa học môi trường, Quản lý tài nguyên nước, Kỹ thuật môi trường và Thủy văn học: Tham khảo phương pháp luận tích hợp mô hình số trị MIKE 11 với đánh giá chỉ thị sinh học trong bài toán sức chịu tải môi trường nước.
  • Cơ quan quản lý nhà nước (Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Nam, Chi cục Bảo vệ môi trường, Ban Quản lý Khu kinh tế Mở Chu Lai, UBND các huyện Duy Xuyên, Thăng Bình, Núi Thành và TP. Tam Kỳ): Ứng dụng trực tiếp số liệu tính toán tải lượng ô nhiễm và sức chịu tải từng đoạn sông để phân bổ hạn ngạch xả thải, cấp phép xả nước thải vào nguồn nước, lập quy hoạch không gian nuôi trồng thủy sản và triển khai dự án nạo vét thoát lũ sông Trường Giang.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đặc điểm chế độ thủy văn của sông Trường Giang có gì đặc thù so với các dòng sông nội địa thông thường? Sông Trường Giang dài 67 km không có nguồn sinh thủy độc lập trên lưu vực mà nhận nước từ hạ lưu hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn ở phía Bắc và sông Tam Kỳ ở phía Nam, chịu tác động của hai chế độ triều qua Cửa Đại và Cửa An Hòa. Dòng chảy trong sông đổi chiều theo triều và xuất hiện điểm "0" lưu tốc (vận tốc triệt tiêu) ở đoạn giữa sông (khoảng Km27) trong mùa kiệt, gây cản trở thoát nước và bồi lắng nghiêm trọng.

  2. Luận án đã tính toán tải lượng ô nhiễm từ những nguồn phát sinh nào trong lưu vực sông Trường Giang? Luận án đã tính toán tải lượng ô nhiễm phát sinh và thải vào sông từ 5 nguồn thải chính: (1) Nước thải sinh hoạt từ 153,3 nghìn dân cư thuộc 18 xã; (2) Nước thải công nghiệp từ 3 KCN (Bắc Chu Lai, Tam Hiệp, Cơ khí ô tô Chu Lai - Trường Hải); (3) Nước thải NTTS từ 1.125,05 ha ao nuôi tôm, cá; (4) Nước thải chăn nuôi gia súc, gia cầm; (5) Ô nhiễm do nước mưa rửa trôi trên 4 loại đất (nông nghiệp, lâm nghiệp, đất trống, đất dân cư).

  3. Những chỉ số sinh học nào được sử dụng để đánh giá mối quan hệ giữa chất lượng nước và thủy sinh vật trên sông Trường Giang? Luận án sử dụng chỉ số đa dạng loài Shannon - Weiner ($H'$) và chỉ số ưu thế Berger - Parker ($d$) đối với ba nhóm thủy sinh vật: thực vật nổi (TVN), động vật nổi (DVN) và động vật đáy (DVD). Kết quả cho thấy khi nồng độ chất ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng tăng cao, chỉ số $H'$ giảm và chỉ số $d$ tăng, thể hiện sự suy giảm tính bền vững của quần xã sinh vật.

  4. Mô hình toán nào được lựa chọn để mô phỏng thủy lực và tính toán sức chịu tải môi trường nước sông Trường Giang? Luận án sử dụng bộ phần mềm mô hình MIKE do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) phát triển, tích hợp module thủy lực 1 chiều MIKE 11 HD (dựa trên hệ phương trình Saint-Venant), module truyền tải - khuếch tán MIKE 11 AD và module chất lượng nước MIKE 11 ECOlab để tính toán cho 4 thông số chính gồm BOD, $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_3^-$ và TSS.

  5. Giải pháp cốt lõi nào được đề xuất để khai thác và sử dụng hợp lý sông Trường Giang? Các giải pháp trọng tâm gồm: nạo vét chỉnh trị khơi thông các điểm nghẽn dòng chảy (đặc biệt đoạn đập Cổ Linh); chuyển đổi phương thức NTTS từ thâm canh tự phát sang công nghệ cao giảm xả thải; nâng cao tỷ lệ thu gom và xử lý nước thải tập trung tại 3 KCN và khu dân cư; bảo vệ, phục hồi diện tích rừng ngập mặn tại Cửa Lở và Cửa An Hòa.

Kết luận

Luận án của tác giả Mai Trọng Hoàng là công trình nghiên cứu toàn diện, giải quyết trọn vẹn bài toán xác định sức chịu tải môi trường nước của sông Trường Giang, tỉnh Quảng Nam dựa trên cơ sở khoa học tích hợp giữa mô hình hóa thủy động lực - chất lượng nước MIKE 11 và đánh giá sinh vật chỉ thị. Công trình đã lượng hóa chính xác tải lượng ô nhiễm từ 5 nguồn phát sinh năm 2017 và dự báo đến năm 2030, đồng thời xác định sức chịu tải đối với các thông số BOD, $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_3^-$, TSS trên từng đoạn sông. Những kết quả đạt được cung cấp luận cứ khoa học tin cậy phục vụ công tác quy hoạch, chỉnh trị luồng dẫn và quản lý bền vững tài nguyên - môi trường vùng ven biển tỉnh Quảng Nam.