Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Môi trường đất và nước (mã số: 9 44 03 03), thực hiện tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam (năm 2023), tập trung giải quyết bài toán suy thoái môi trường nước mặt tại vùng Bán đảo Cà Mau (BĐCM). Bán đảo Cà Mau là khu vực hạ lưu châu thổ Mê Công, chịu tác động đan xen của chế độ bán nhật triều Biển Đông và nhật triều Biển Tây. Từ giai đoạn 1999–2000 đến nay, vùng nghiên cứu diễn ra quá trình chuyển đổi sản xuất quy mô lớn từ hệ sinh thái ngọt sang mặn (trồng lúa sang nuôi tôm), trong khi cơ sở hạ tầng thủy lợi kiểm soát nguồn nước vốn được thiết kế cho nông nghiệp chưa kịp thích ứng. Đồng thời, tốc độ đô thị hóa và phát triển công nghiệp chế biến làm gia tăng lượng nước thải chưa qua xử lý xả trực tiếp vào hệ thống kênh rạch. Số liệu giám sát môi trường của các Sở Tài nguyên và Môi trường ghi nhận tình trạng ô nhiễm hữu cơ và vi sinh vật nghiêm trọng; các thông số DO, BOD5, COD, NH4+, tổng Coliform vượt quy chuẩn cho phép từ 2 đến 12 lần. Khoảng trống nghiên cứu được chỉ rõ: vùng BĐCM còn thiếu các đánh giá tổng thể về cả lưu lượng và chất lượng của từng loại nguồn xả thải; chưa làm rõ được cơ chế và mức độ tác động riêng biệt của từng nguồn thải đến các tiểu vùng khác nhau dưới sự chi phối của dòng chảy từ biên sông Hậu và hai vùng biển.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm ba nội dung:
- Đánh giá được các nguồn nước thải chính (công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt) xả vào hệ thống sông, kênh vùng Bán đảo Cà Mau;
- Xây dựng được cơ sở khoa học đánh giá lan truyền các nguồn thải chính gây ô nhiễm môi trường nước vùng Bán đảo Cà Mau;
- Xác định được sự lan truyền và phạm vi tác động của các nguồn nước thải trong vùng nghiên cứu.
Nội dung nghiên cứu không đặt ra giả thuyết thực nghiệm riêng biệt mà tiếp cận theo hệ thống câu hỏi kỹ thuật về: lưu lượng và tải lượng các nguồn ô nhiễm; quy luật biến đổi chỉ số chất lượng nước (WQI); cơ chế lan truyền các nguồn nước thành phần và mức độ chi phối chất lượng nước của từng nguồn thải nội vùng kết hợp với nguồn biên.
Đối tượng nghiên cứu là nguồn nước mặt (nguồn nước ngọt từ sông Hậu, nước mặn từ Biển Đông và Biển Tây) và các nguồn nước thải chính (sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản) có lưu lượng xả thải $\ge 50\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ theo Thông tư 37/2017/TT-BTNMT, cùng chất lượng nước mặt vùng BĐCM.
Phạm vi không gian bao trùm toàn bộ BĐCM nằm ở phía Nam kênh Cái Sắn và hữu ngạn sông Hậu, diện tích tự nhiên khoảng 1.000 nghìn ha, thuộc địa giới hành chính của thành phố Cần Thơ, các tỉnh Hậu Giang, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau và phần phía Nam tỉnh Kiên Giang (gồm các huyện Giồng Riềng, An Biên, An Minh, Vĩnh Thuận, Gò Quao, phía Nam huyện Châu Thành và Tân Hiệp). Khi giải bài toán thủy lực mở rộng, phạm vi tính toán kết nối toàn bộ hệ thống ĐBSCL. Phạm vi thời gian nghiên cứu chọn năm 2016 làm năm điển hình phục vụ tính toán, mô phỏng. Đây là năm xảy ra hạn mặn lịch sử, nguồn nước ngọt từ thượng nguồn sông Hậu đổ về thấp hơn trung bình nhiều năm khoảng 30%, ranh mặn $4\text{ g/l}$ xâm nhập sâu $15\text{--}45\text{ km}$ ven biển và $60\text{--}65\text{ km}$ trên sông Cái Lớn, tạo bối cảnh bất lợi nhất đối với chất lượng nước mặt. Luận án giới hạn không nghiên cứu khả năng tự làm sạch của sông kênh và không tính toán tác động của nước mưa chảy tràn.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án tổng quan tình hình ô nhiễm nước mặt và kiểm soát nguồn thải trên thế giới, trích dẫn thực trạng tại Trung Quốc (năm 2007, phân bón hóa học dùng dư 40%, khoảng 10 triệu tấn xả thải mỗi năm, 41,7% trong số 140.000 km sông bị ô nhiễm), Ấn Độ (năm 2017, sông Hằng tiếp nhận 80% rác thải đô thị, ô nhiễm làm giảm 4% GDP), Indonesia (sông Citarum chịu nước thải từ 2.000 nhà máy và phân bón nông nghiệp), Philippines (sông Marilao chịu kim loại nặng từ thuộc da, đúc chì). Về nghiên cứu tác động nguồn thải, các công trình quốc tế được phân tích tập trung vào: đánh giá rủi ro kết hợp nguồn điểm và nguồn diện theo chi phí tối thiểu [108]; cơ chế phân hủy sinh hóa của chất hữu cơ từ nước thải sinh hoạt làm suy giảm dưỡng khí [95], [97], [125], [137]; thách thức quản lý nước thải dệt nhuộm và công nghiệp tại các nước đang phát triển [105], [112], [124], [139]; rủi ro sức khỏe khi tái sử dụng nước thải tưới tiêu nông nghiệp [94], [100], [103], [106], [114]; ứng dụng mô hình toán định lượng tải lượng phân tán và cảnh báo ô nhiễm [133], [134].
Tại BĐCM, các nghiên cứu của Ủy hội sông Mê Công (MRC) và các tác giả quốc tế tập trung vào chế độ thủy lực và mâu thuẫn nông nghiệp - thủy sản: Chu Thái Hoành sử dụng mô hình thủy lực và GIS giải quyết xung đột mặn - ngọt [107], [110]; Viện Nghiên cứu Nước Quốc tế mô phỏng xâm nhập mặn ven biển [109]; Timothy phân tích ô nhiễm ảnh hưởng nuôi tôm [117]; Ngô Đăng Phong dùng mô hình VRSAP mô phỏng lan truyền chua phèn cho tỉnh Bạc Liêu [104]; Đoàn Quang Trí mô phỏng các thông số DO, NH4+, BOD5 tại các cửa sông BĐCM [131]. Ở cấp độ quy hoạch và quản lý nguồn nước, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam đã đề xuất quy hoạch khai thác bền vững và giải pháp giảm thiểu ô nhiễm theo dòng chảy [66], [67], [69]; Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản 2 phân vùng đệm sinh thái thủy sản [2]; Viện Kỹ thuật Biển đánh giá tác động môi trường hệ thống thủy lợi Cái Lớn - Cái Bé dựa trên kết quả mô phỏng Mike11-Ecolab của Nguyễn Tất Đắc [82].
Về công cụ mô phỏng, luận án so sánh đặc tính các mô hình quốc tế và trong nước:
| Mô hình |
Loại mô hình |
Phạm vi nguồn tiếp nhận |
Tiếp cận động lực học |
Khả năng mô phỏng chất lượng nước |
| AQUATOX |
1-D |
Sông, hồ, hồ chứa |
Phương trình sai phân bậc 4 và 5, Runge-Kutta |
DO, CBOD, NH3, NO3, OP, PO4, nhiệt độ, chất độc, tảo đáy, phiêu sinh |
| QUAL2E |
1-D |
Sông |
Phương trình phản ứng tải khuếch tán |
DO, BOD, NH3, NO3, NO2, OP, PO4, nhiệt độ, coliform, tảo |
| WASP |
1, 2, 3-D |
Sông, hồ, hồ chứa, cửa sông |
Phương trình phản ứng tải khuếch tán |
DO, CBOD, NH3, NO3, NO2, OP, PO4, nhiệt độ, bùn cát, kim loại, vi khuẩn |
| CEQUALRIV |
1-D |
Sông |
Phương trình liên tục, động lực và vận chuyển Saint-Venant |
DO, BOD, NH3, NO3, NO2, OP, PO4, nhiệt độ, kim loại, coliform |
| MIKE 11 |
1-D |
Sông, hồ, hồ chứa |
Phương pháp sai phân ẩn giải phương trình Saint-Venant |
DO, BOD, NH3, NO3, OP, PO4, nhiệt độ, bùn cát, coliform, vi khuẩn, tảo |
| SWAT |
1-D |
Sông, hồ, hồ chứa |
Phương trình cân bằng khối lượng liên tục |
DO, BOD, NH3, NO3, NO2, OP, PO4, nhiệt độ, bùn cát, chất trừ sâu, vi khuẩn |
| SIMCAT |
1-D |
Sông |
Phản ứng trong bể khuấy nối tiếp |
DO, CBOD, NH3, PO4 |
| DELTA (Nguyễn Tất Đắc) |
1-D |
Sông, kênh, nối 2-D biển |
Thủy lực 1 chiều đa dụng, tốc độ tính nhanh |
Mặn, DO, BOD5, N, P |
| KOD-WQPS (Nguyễn Ân Niên) |
1-D / 2-D |
Sông, kênh |
Thủy lực 1 chiều và 2 chiều ngang |
Mặn, phù sa, chất lượng nước |
| VRSAP (Nguyễn Như Khuê) |
1-D |
Sông kênh và ô ruộng |
Thủy lực mạng lưới kết hợp ô chứa |
Thủy lực, độ mặn |
| HYDROGIS (Nguyễn Hữu Nhân) |
1-D |
Sông, kênh |
Thủy lực 1 chiều kết hợp GIS |
Thủy lực, mặn |
| F28 (Lê Song Giang) |
1-D |
Sông, kênh |
Thủy lực 1 chiều |
Thủy lực, mặn |
Đặc biệt, luận án kế thừa "Lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước" khởi xướng bởi Nguyễn Ân Niên từ cuối thập niên 1990 với tên gọi ban đầu "Bài toán định xuất xứ khối nước tác động" [31], được phát triển trong luận án tiến sĩ của Tăng Đức Thắng (năm 2002) [63], và hoàn thiện sau năm 2002 [8], [27], [29], [32], [33-36]. Lý thuyết này từng được áp dụng quản lý nguồn cấp nước sông Sài Gòn (Huỳnh Chức) [7], hệ thống Ba Lai (Hoàng Quang Huy) [111], kênh mương nuôi thủy sản ven biển (Nguyễn Đình Vượng) [93], quy hoạch thủy lợi An Biên - An Minh, Nam Cà Mau và Cái Cùng - Chùa Phật [83], [84], [87].
Khoảng trống mà luận án tập trung giải quyết là: Các nghiên cứu trước đây chỉ khảo sát cục bộ từng tiểu vùng hoặc từng thông số riêng lẻ. Chưa có công trình nào đánh giá toàn diện tổng thể các loại nguồn thải (lưu lượng, tải lượng), kết hợp lý thuyết thành phần nguồn nước với bộ mô hình MIKE 11 (HD, AD, Ecolab), phương pháp Bayes (BMA) và các thuật toán học máy nhằm xác định tường minh mức độ chi phối, phạm vi lan truyền và thời gian lưu của từng nguồn thải nội vùng trên toàn bộ hệ thống kênh rạch BĐCM.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án triển khai hướng tiếp cận hỗn hợp thiên về định lượng kỹ thuật, kết hợp giữa điều tra đo đạc thực nghiệm, xử lý thống kê nâng cao và mô hình toán thủy lực - chất lượng nước:
-
Khung lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước:
Xem xét dòng chảy trong sông kênh được hợp thành từ nhiều nguồn nước thành phần có xuất xứ khác nhau (nguồn nước sông Hậu, nguồn biển Đông, nguồn biển Tây, nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, NTTS). Mỗi nguồn thành phần $i$ được đặc trưng bởi tỷ lệ thể tích $P_i$ (%), thỏa mãn điều kiện cân bằng $\sum P_i = 100%$. Các đại lượng thủy lực được xác định gồm: lưu lượng toàn dòng $Q$ ($\text{m}^3/\text{s}$), lưu lượng dòng thành phần $Q_i = P_i \cdot Q$, lưu lượng gia nhập bên toàn phần $q$, lưu lượng gia nhập bên của nguồn thành phần $q_i$, nồng độ chất chuẩn quy ước $C^*$ ($\text{mg/l}$), hệ số khuếch tán $D$, vận tốc trung bình mặt cắt $v$ ($\text{m/s}$), vận tốc điểm $u$, diện tích mặt cắt ngang $\Omega$ ($\text{m}^2$), mực nước $Z$, nồng độ mặn và phù sa $S$ ($\text{g/l}$), thời gian $t$ và bước thời gian $\Delta t$. Phương pháp này cho phép theo dõi đường đi, mức độ pha loãng và tỷ lệ đóng góp của từng nguồn nước thải riêng biệt mà không bị hòa lẫn cơ học như các phương pháp mô phỏng nồng độ đơn thuần.
-
Phương pháp điều tra hiện trường và lấy mẫu phân tích:
Thu thập số liệu đo đạc tại các trạm quan trắc trên địa bàn các tỉnh/thành vùng BĐCM. Phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước mặt gồm: DO, BOD5, COD, NH4+, NO2-, tổng Coliform, TSS theo Bảng phương pháp phân tích quy chuẩn.
-
Phương pháp đánh giá nguồn thải và tính toán tải lượng ô nhiễm:
- Xác định nguồn thải điểm: Rà soát các cơ sở công nghiệp, cụm công nghiệp, khu công nghiệp và nhà máy đường có lưu lượng $\ge 50\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$. Tính toán nồng độ tối đa cho phép theo QCVN thông qua hệ số lưu lượng nguồn tiếp nhận $K_q$ (Bảng 2.7) và hệ số lưu lượng nguồn thải $K_f$ (Bảng 2.8). Nước thải sinh hoạt được xác định qua hệ số $K$ tương ứng với loại hình cơ sở dịch vụ, công cộng và chung cư (Bảng 2.5) cùng nồng độ giới hạn cho phép (Bảng 2.4).
- Nguồn thải diện: Tính toán lượng nước thải và tải lượng phát sinh từ canh tác lúa (dựa trên diện tích, chế độ tháo nước, mức dư lượng phân bón NPK và 5 lần phun thuốc BVTV/vụ), nước thải chăn nuôi (gia súc, gia cầm) và nước thải NTTS (nuôi tôm nước lợ, xả thải theo chu kỳ con nước hoặc bơm cưỡng bức).
-
Phương pháp tính toán chỉ số chất lượng nước mặt (WQI):
Tính toán chỉ số WQI theo thang điểm từ 0 đến 100 quy định bởi cơ quan quản lý môi trường (Bảng 2.9), phân loại thành các mức chất lượng nước: $\le 25$ (ô nhiễm rất nặng, cần xử lý), 26–50 (ô nhiễm nặng, chỉ dùng cho giao thông thủy), 51–75 (trung bình, dùng cho tưới tiêu), 76–90 (khá, cấp nước sinh hoạt nhưng cần xử lý), và 91–100 (tốt).
-
Phương pháp Bayes (Bayesian Model Averaging - BMA):
Sử dụng nhân tố Bayes (Bayes Factor - BF) và tiêu chuẩn thông tin Bayes (Bayesian Information Criterion - BIC) nhằm đánh giá mức độ quân bình giữa độ phức tạp và khả năng dự báo của mô hình. Phương pháp BMA cho phép chọn lọc các thông số chất lượng nước đặc trưng nhất chi phối giá trị WQI, khắc phục triệt để hiện tượng đa cộng tuyến và thừa biến (loại bỏ các biến không có tác động thực tế) trong mô hình hồi quy đa biến truyền thống.
-
Phương pháp học máy (Machine Learning):
Ứng dụng hai nhóm thuật toán: thuật toán cây quyết định (Decision Tree) và thuật toán tăng cường (Boosting) để xây dựng 4 mô hình học máy khác nhau nhằm dự báo chỉ số WQI từ các thông số quan trắc đầu vào, đánh giá độ chính xác thông qua kiểm định tương quan giữa giá trị thực đo và giá trị dự báo trên tập dữ liệu kiểm nghiệm.
-
Bộ công cụ mô hình toán MIKE 11 và GIS:
Mike11-HD: Giải hệ phương trình Saint-Venant 1 chiều mô tả dòng chảy không ổn định trên mạng lưới sông kênh dày đặc vùng BĐCM, tích hợp các công trình cống, đập ngăn mặn.Mike11-AD: Giải phương trình vận chuyển - khuếch tán để mô phỏng sự lan truyền mặn và tỷ lệ các nguồn nước thành phần.Mike11-Ecolab: Mô phỏng các quá trình chuyển hóa sinh hóa các chất ô nhiễm trong nước (động thái DO, suy giảm BOD5, quá trình nitrate hóa sinh ra NH4+).GIS: Tích hợp biểu diễn không gian mạng lưới kênh rạch, vị trí nguồn thải, bản đồ phân vùng ô nhiễm và kết quả phân bố lan truyền chất lượng nước.
- Nguồn dữ liệu sử dụng:
Kế thừa số liệu quan trắc của Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh Cần Thơ, Hậu Giang, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau; chuỗi số liệu thủy văn, xâm nhập mặn năm 2016; các đề tài nghiên cứu cấp Bộ [67] và cấp Nhà nước [66], [71] do Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam chủ trì; số liệu thống kê từ Cục Trồng trọt và Cục Bảo vệ thực vật.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan tác động của các nguồn xả thải đến chất lượng nước mặt trên thế giới và vùng Bán đảo Cà Mau
Chương 1 hệ thống hóa các vấn đề lý luận và thực tiễn về chất lượng nước mặt và nguồn thải:
- Đánh giá hiện trạng ô nhiễm nước tại các quốc gia đang phát triển và chỉ ra nguyên nhân do xả thải chưa xử lý từ đô thị, công nghiệp, hóa chất nông nghiệp.
- Khảo cứu thực trạng chất lượng nước sông Hậu và mạng lưới kênh rạch nội vùng BĐCM:
- Cần Thơ: Năm 2020, trong 19 kênh rạch quan trắc, có 14 tuyến có WQI từ 51–75; chỉ 04 tuyến đạt WQI 76–90 (rạch Cái Sơn - Hàng Bàng, rạch Cam, rạch Ba Láng, rạch Bò Ót).
- Sóc Trăng: Năm 2020, trong 19 sông kênh, có 10 tuyến có WQI từ 25–75; 02 vị trí ô nhiễm rất nặng (WQI $\le 25$) tại kênh Thạnh Lợi và kênh thị trấn Long Phú; các vị trí như sông Đinh, kênh Châu Thành, Lịch Hội Thượng, Ngã Năm, Phú Lộc, Vĩnh Châu, 30/4 có WQI từ 26–50.
- Bạc Liêu: Năm 2020, 6/8 sông kênh có WQI từ 25–75; 02 điểm ô nhiễm rất nặng (WQI $\le 25$) tại cống Cái Cùng và cống Đầu Bằng; các điểm Cửa Gành Hào, Ngã tư Chủ Chí, Cửa Nhà Mát, Cống Hưng Thành, Vĩnh Lộc - Ba Đình có WQI từ 49–70.
- Cà Mau: 10/20 vị trí quan trắc có WQI từ 25–50 hoặc dưới 25; duy nhất Cửa Lớn đạt mức 76–90. Nước mặt suy thoái mạnh tại các trục Quản Lộ - Phụng Hiệp, Xà No, sông Ông Đốc, Gành Hào.
- Phân tích áp lực từ các nguồn thải chính:
- Nước thải sinh hoạt: Chiếm khoảng 30% tổng lượng thải xả trực tiếp, tỷ lệ qua xử lý tập trung chỉ đạt khoảng 10%; 100% khu dân cư nông thôn và ven kênh xả thải tự do.
- Nước thải công nghiệp: Tốc độ tăng trưởng 7–10%/năm; toàn vùng có 49 nguồn thải công nghiệp quy mô lớn (34 nguồn thuộc khu công nghiệp, 15 nguồn thuộc cụm công nghiệp); 5 nhà máy đường có lưu lượng xả thải khoảng $340\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$/nhà máy, hoạt động theo mùa vụ từ tháng 9 đến tháng 3 năm sau; hệ thống xử lý tập trung trong KCN mới đáp ứng khoảng 60%.
- Nước thải nông nghiệp và NTTS: Suất bón phân vô cơ cao hơn 35,3% so với trung bình cả nước, thuốc BVTV cao hơn 71,9% (bơm xịt 5 lần/vụ lúa); lượng NPK dư thừa 50–70% rửa trôi vào sông kênh; lượng thuốc BVTV ước tính 70 nghìn kg và hơn 40 nghìn lít/năm. Nuôi tôm nước lợ thiếu kênh cấp - thoát riêng biệt làm dịch bệnh lan truyền chéo.
- Tác động và sự cố môi trường: Ghi nhận sự cố xả thải của Nhà máy đường cồn Long Mỹ Phát (tháng 5/2019) gây ô nhiễm sông Cái Nước Đục khiến nhà máy cấp nước sinh hoạt TX Long Mỹ phải ngừng hoạt động; xung đột môi trường tại KCN An Nghiệp và cơ sở Tân Huê Viên (Sóc Trăng); năm 2018 có 12.410 ha tôm sú bị thiệt hại (Kiên Giang thiệt hại nặng nhất với hơn 7.000 ha).
Chương 2: Đối tượng và cơ sở lý thuyết các phương pháp nghiên cứu
Chương 2 thiết lập cơ sở toán học và quy trình thực hiện:
- Trình bày chi tiết phạm vi không gian BĐCM với các trục kênh chuyển nước chính từ sông Hậu (Cái Sắn, Thốt Nốt, KH1 đến KH9, Ô Môn - Xà No, Cái Côn, Rạch Vọp, Đại Ngãi, Quản Lộ - Phụng Hiệp, Lái Hiếu...) và mạng lưới sông tiêu ra hai biển (Cái Lớn, Cái Bé, Ông Đốc, Gành Hào, Bảy Hạp). Dân số toàn vùng năm 2016 là 6.174 nghìn người, mật độ 408 người/$\text{km}^2$.
- Thiết lập hệ phương trình lan truyền các nguồn nước thành phần dựa trên nguyên lý bảo toàn thể tích và tải lượng.
- Xây dựng sơ đồ phân vùng thủy lợi gồm 51 ô thủy lợi (từ khu thủy lợi 16 đến khu thủy lợi 66).
- Xây dựng khung phân tích lựa chọn biến tối ưu bằng BMA và cấu trúc thuật toán học máy phân loại/dự báo chỉ số WQI.
- Thiết lập điều kiện biên cho mô hình MIKE 11 (HD, AD, Ecolab) trên mạng lưới sông kênh BĐCM (Bảng 2.10: Số liệu biên mô hình chất lượng nước; Bảng 2.11: Đặc tính các nguồn nước).
Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận về tác động của các loại nguồn xả thải đến chất lượng nước mặt vùng Bán đảo Cà Mau
Chương 3 trình bày các kết quả tính toán định lượng:
- Xác định lưu lượng và tải lượng nguồn thải (3.1):
- Tính toán lưu lượng nước thải sinh hoạt, công nghiệp, chăn nuôi, trồng trọt và NTTS cho các mốc thời gian 2016, 2020 và dự báo đến 2030 (Bảng 3.1 đến Bảng 3.7).
- Đánh giá tải lượng ô nhiễm các nguồn thải điểm (BOD5, COD, TSS, Nitơ, Phốt pho) và nguồn diện (Bảng 3.8, Hình 3.9). Kết quả cho thấy nước thải sinh hoạt và NTTS chiếm tỷ trọng lưu lượng lớn nhất, trong khi tải lượng ô nhiễm hữu cơ tập trung cao tại các đô thị lớn và vùng nuôi tôm thâm canh.
- Đánh giá và dự báo WQI (3.2):
- Đánh giá diễn biến chất lượng nước thực tế năm 2016: Phân tích các thông số DO, BOD5, NH4+, tổng Coliform, TSS mùa khô và mùa mưa (Hình 3.10 đến Hình 3.14). Mùa khô chất lượng nước suy giảm nghiêm trọng hơn mùa mưa do lưu lượng dòng chảy ngọt thấp và xâm nhập mặn sâu.
- Tính toán chỉ số WQI và lập bản đồ biến thiên chất lượng nước giữa hai mùa (Hình 3.15, Hình 3.16).
- Ứng dụng BMA xác định các thông số có tương quan mật thiết nhất chi phối WQI vùng BĐCM (Hình 3.17, Hình 3.18).
- Đánh giá 4 mô hình học máy dự báo WQI (Bảng 3.10, Hình 3.19). Cả hai nhóm mô hình cây quyết định và tăng cường đều cho kết quả khớp cao với số liệu thực đo trên tập thử nghiệm.
- Mô phỏng lan truyền các nguồn nước thành phần (3.3):
- Nguồn biên (Hình 3.20 đến Hình 3.25; Bảng 3.11, 3.12): Tỷ lệ nguồn nước ngọt sông Hậu chi phối mạnh tại Cần Thơ, Hậu Giang và Bắc Sóc Trăng, nhưng suy giảm nhanh khi đi sâu vào trung tâm bán đảo; nguồn nước biển Đông và biển Tây chiếm ưu thế tại các khu vực duyên hải Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang.
- Nguồn nước thải thường xuyên (Hình 3.26 đến Hình 3.28): Mô phỏng lan truyền nước thải sinh hoạt, công nghiệp và trồng trọt trong tháng 1/2016; xác định phạm vi tích tụ chất ô nhiễm tại các trục kênh giao thoa triều có vận tốc dòng chảy triệt tiêu (vùng nước đứng).
- Nguồn nước thải không thường xuyên từ NTTS (Hình 3.29 đến Hình 3.40; Bảng 3.13): Mô phỏng quá trình xả thải ao nuôi tôm tại 4 tiểu vùng trọng điểm: Mỹ Xuyên (Sóc Trăng), Bắc QL1A (Bạc Liêu), Nam Cà Mau (Cà Mau) và An Minh - An Biên (Kiên Giang) tại các thời điểm bắt đầu xả, sau 3 ngày, 7 ngày, 14–15 ngày và 30 ngày. Kết quả cho thấy do hệ thống kênh rạch sâu nội đồng và dòng chảy triều dao động lắc lư qua lại, nước thải NTTS lan truyền chậm, thời gian lưu ô nhiễm trong kênh dẫn kéo dài trên 15 đến 30 ngày mới pha loãng hoàn toàn, gây nguy cơ tái nhiễm mầm bệnh cho các hộ lấy nước nuôi lân cận.
- Mô phỏng và đánh giá tác động chất lượng nước bằng Mike11-Ecolab (3.4 & 3.5):
- Mô phỏng trường nồng độ DO, BOD5, NH4+ tháng 1/2016 trên toàn mạng lưới (Hình 3.41 đến 3.43).
- Phân tích định lượng mức độ suy thoái dưỡng khí DO và gia tăng BOD5, NH4+ do từng nhóm nguồn nước thải gây ra: sinh hoạt (mục 3.5.1), công nghiệp (mục 3.5.2) và nông nghiệp (mục 3.5.3).
- Khoanh vùng các khu vực bị ảnh hưởng ô nhiễm nước mặt nghiêm trọng nhất (Hình 3.44).
- Định hướng biện pháp kỹ thuật kiểm soát (3.6):
- Xác lập cơ sở khoa học từ đặc tính thủy lực triều và kết quả lan truyền thành phần nguồn nước.
- Đề xuất giải pháp vận hành công trình kiểm soát nguồn nước, xây dựng hệ thống kênh cấp - thoát nước độc lập tại các vùng NTTS tập trung, kiểm soát xả thải tại nguồn đối với các cơ sở công nghiệp và khu dân cư tập trung.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án công bố ba đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn:
- Làm rõ bản chất và định lượng các nguồn thải: Đã định lượng chi tiết lưu lượng và tải lượng ô nhiễm của các nguồn xả thải chính (sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp trồng trọt, nuôi trồng thủy sản) xả vào hệ thống sông kênh vùng BĐCM cho năm hiện trạng 2016, 2020 và xu thế 2030; xác định thành phần ô nhiễm chính đặc trưng cho từng loại hình phát thải.
- Làm rõ quy luật lan truyền các nguồn nước thành phần: Luận án là công trình nghiên cứu hệ thống đầu tiên ứng dụng Lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước trên quy mô toàn BĐCM để xác định tỷ lệ phân bố, hướng lan truyền và phạm vi ảnh hưởng của các nguồn nước biên (sông Hậu, Biển Đông, Biển Tây) tương tác với các nguồn nước thải nội vùng. Luận án đã xác định được thời gian lưu giữ chất ô nhiễm không thường xuyên từ nước thải ao tôm tại các tiểu vùng NTTS trọng điểm kéo dài từ 15 đến 30 ngày.
- Phân vùng ô nhiễm dựa trên động lực thủy lực: Xác định được các vùng ô nhiễm nước mặt điển hình dựa trên đặc tính thủy lực (hướng nhận nước, hướng tiêu thoát, vùng nước đứng do giao thoa triều giữa hai biển) và diễn biến nồng độ chất lượng nước (DO, BOD5, NH4+).
Về giải pháp và kiến nghị thực tiễn, luận án đề xuất:
- Nhóm giải pháp công trình: Hoàn thiện quy hoạch phân ranh mặn - ngọt; tách biệt hệ thống kênh cấp nước sạch và kênh thoát nước thải tại các vùng nuôi tôm trọng điểm (Mỹ Xuyên, Bắc QL1A, Nam Cà Mau, An Minh - An Biên) để triệt tiêu hiện tượng lây nhiễm chéo dịch bệnh.
- Nhóm giải pháp phi công trình và quản lý: Vận hành linh hoạt các hệ thống cống đầu mối (Quản Lộ - Phụng Hiệp, Long Phú - Tiếp Nhật, Cái Lớn - Cái Bé) theo thời gian thực dựa trên diễn biến chất lượng nước và độ mặn; bắt buộc kiểm soát tại nguồn, lắp đặt hệ thống quan trắc tự động đối với 49 cơ sở công nghiệp lớn và 5 nhà máy đường; áp dụng quy chuẩn xả thải nghiêm ngặt đối với các đối tượng có lưu lượng $\ge 50\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Các hạn chế được chỉ ra trực tiếp từ văn bản luận án gồm:
- Luận án chưa xem xét và lượng hóa khả năng tự làm sạch của nguồn nước trên hệ thống sông kênh BĐCM;
- Chưa tính toán thành phần ô nhiễm do nước mưa chảy tràn bề mặt mang theo từ các đô thị và đồng ruộng;
- Nghiên cứu tập trung phân tích sâu trên chuỗi số liệu của năm điển hình 2016, chưa bao quát đầy đủ các kịch bản khí tượng thủy văn bất thường khác trong dài hạn;
- Trong mô phỏng thủy lực và chất lượng nước bằng Mike11, mô hình còn gặp hiện tượng khuếch tán số khi số Courant lớn ở các sơ đồ tính phức tạp, đòi hỏi phải giảm bước thời gian tính toán làm tăng khối lượng xử lý;
- Khảo sát nguồn thải điểm mới giới hạn ở các đối tượng có lưu lượng xả $\ge 50\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$.
Hướng nghiên cứu tiếp theo: Mở rộng tính toán mô hình chất lượng nước có xét đến quá trình tự làm sạch sinh - hóa - lý; định lượng tác động của dòng chảy tràn do mưa; phát triển công cụ kết hợp mô hình 1 chiều và 2 chiều tại các cửa sông ven biển; tích hợp dự báo khí hậu và quy trình vận hành liên hồ chứa thượng nguồn Mê Công.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên: Thuộc các ngành Môi trường đất và nước, Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy văn học, Quản lý môi trường. Phần cơ sở lý thuyết về "Lan truyền các thành phần nguồn nước" (Chương 2, Phụ lục 3) và quy trình ứng dụng Bayes (BMA) kết hợp học máy dự báo WQI là tài liệu tham khảo có giá trị cao về mặt phương pháp luận.
- Cơ quan quản lý nhà nước (Sở TN&MT, Sở NN&PTNT Cần Thơ, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang, Hậu Giang): Sử dụng số liệu kiểm kê tải lượng nguồn thải (Bảng 3.1 đến 3.8) và bản đồ phân vùng ô nhiễm (Hình 3.44) phục vụ lập quy hoạch bảo vệ môi trường nước mặt, cấp phép xả thải và kiểm soát xung đột tài nguyên nước giữa trồng trọt và nuôi thủy sản.
- Các viện quy hoạch, tư vấn thiết kế thủy lợi: Tham khảo kết quả mô phỏng lan truyền nước thải NTTS (3.3.3) để thiết kế mạng lưới kênh cấp - thoát riêng biệt và xây dựng quy trình vận hành đóng/mở hệ thống cống ngăn mặn, giữ ngọt.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án lựa chọn mốc thời gian nào làm năm tính toán điển hình và vì sao?
Luận án chọn năm 2016 làm năm điển hình vì đây là năm xảy ra hạn hán và xâm nhập mặn lịch sử ở ĐBSCL. Lưu lượng dòng chảy ngọt từ thượng nguồn sông Hậu thấp hơn trung bình nhiều năm khoảng 30%, ranh mặn $4\text{ g/l}$ lấn sâu $15\text{--}45\text{ km}$ ven biển và tới $60\text{--}65\text{ km}$ trên sông Cái Lớn. Đây là bối cảnh thủy văn bất lợi nhất, làm suy giảm khả năng pha loãng và đẩy tải lượng ô nhiễm trong nội đồng lên mức nghiêm trọng nhất.
2. Luận án khảo sát những loại nguồn xả thải chính nào và áp dụng ngưỡng xả thải ra sao?
Luận án khảo sát 4 loại nguồn nước thải chính: nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp (rà soát 49 nguồn lớn gồm 34 KCN, 15 cụm công nghiệp và 5 nhà máy đường), nước thải nông nghiệp (trồng trọt và chăn nuôi), và nước thải nuôi trồng thủy sản. Luận án tập trung vào các đối tượng xả nước thải có lưu lượng $\ge 50\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ theo Thông tư 37/2017/TT-BTNMT.
3. Phương pháp Bayes (BMA) và Học máy (Machine Learning) được sử dụng nhằm mục đích gì?
Phương pháp Bayes (BMA) sử dụng nhân tố Bayes (BF) và tiêu chuẩn BIC để giải quyết hiện tượng thừa biến trong mô hình hồi quy đa biến, từ đó chọn ra các thông số chất lượng nước đặc trưng nhất tác động đến WQI. Các thuật toán học máy (thuộc nhóm cây quyết định và nhóm tăng cường - boosting) được dùng để huấn luyện và xây dựng mô hình dự báo chỉ số WQI với độ chính xác cao.
4. Kết quả nghiên cứu lan truyền nước thải nuôi trồng thủy sản (NTTS) cho thấy điều gì tại các tiểu vùng?
Kết quả mô phỏng tại 4 tiểu vùng: Mỹ Xuyên (Sóc Trăng), Bắc QL1A (Bạc Liêu), Nam Cà Mau (Cà Mau) và An Minh - An Biên (Kiên Giang) cho thấy nước thải ao tôm xả ra kênh tiêu thoát rất chậm do chế độ bán nhật triều/nhật triều dao động qua lại. Thời gian để khối nước thải pha loãng và dịch chuyển khỏi khu vực xả kéo dài từ 15 đến 30 ngày, chứng minh rằng việc dùng chung một kênh dẫn cho cả cấp nước và thoát nước thải là nguyên nhân trực tiếp gây lan truyền mầm bệnh diện rộng.
5. Luận án sử dụng những công cụ mô hình toán nào để mô phỏng thủy lực và chất lượng nước?
Luận án sử dụng bộ mô hình MIKE 11 của DHI gồm các module: Mike11-HD (mô phỏng thủy lực dòng chảy 1 chiều giải hệ Saint-Venant), Mike11-AD (mô phỏng vận chuyển - khuếch tán chất và lan truyền tỷ lệ các nguồn nước thành phần) và Mike11-Ecolab (mô phỏng các quá trình động học sinh hóa của DO, BOD5, NH4+), kết hợp với công cụ GIS để xử lý không gian.
Kết luận
Luận án đã giải quyết bài toán đánh giá tác động của các nguồn xả thải đến chất lượng nước mặt vùng Bán đảo Cà Mau thông qua tích hợp bộ mô hình MIKE 11 (HD, AD, Ecolab), Lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước, phương pháp Bayes và học máy. Công trình đã lượng hóa thành công lưu lượng, tải lượng ô nhiễm từ sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp và thủy sản cho các mốc 2016, 2020 và 2030, đồng thời làm rõ cơ chế lan truyền, thời gian lưu ô nhiễm trong điều kiện tương tác phức tạp giữa dòng chảy thượng nguồn sông Hậu và hai hệ thống triều Biển Đông, Biển Tây. Các kết quả mô phỏng và phân vùng ô nhiễm là cơ sở khoa học trực tiếp phục vụ công tác quy hoạch thủy lợi, điều chỉnh quy trình vận hành cống kiểm soát nguồn nước và hoàn thiện chính sách bảo vệ môi trường nước mặt tại Đồng bằng sông Cửu Long.
