Đặt vấn đề Đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) nói chung và Bán đảo Cà Mau (BĐCM) nói riêng là một phần của Lưu vực Mê Công [25], chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các điều kiện tự nhiên và phát triển trên lưu vực [69], [73], [26]. Do chịu tác động của triều ở các biên Biển Đông và Biển Tây nên gần như toàn bộ vùng BĐCM chịu ảnh hưởng của triều [66]. Vùng BĐCM chịu tác động mạnh mẽ của các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội, quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh chóng, dân số tăng nhanh. Hơn nữa, các hoạt động kinh tế đã làm phát sinh các nguồn thải gây ô nhiễm môi trường trong nhiều khu vực.
Các vùng chịu sự suy thoái nguồn nước mặt là các vùng chuyển đổi mô hình sản xuất từ trồng trọt sang nuôi tôm, hay các khu/cụm công nghiệp, dịch vụ và các khu dân cư đông đúc (thành phố, thị xã. Từ 1999-2000 đến nay, vùng Bán đảo Cà Mau đã có sự chuyển đổi sản xuất nhanh, nhất là từ sinh thái ngọt sang sinh thái mặn (trồng lúa sang nuôi tôm) dẫn đến hạ tầng phục vụ không theo kịp, đặc biệt là hạ tầng thủy lợi. Việc kiểm soát nguồn nước trước đây chủ yếu nhằm sử dụng cho nông nghiệp, nay thêm cả nuôi trồng thủy sản nên đã bộc lộ nhiều hạn chế, bất cập nhất là về chất lượng nước bị suy giảm [66], [44]. Theo kết quả giám sát chất lượng nước mặt trên hệ thống sông kênh trong vùng BĐCM của các Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh trong vùng nghiên cứu cho thấy nguồn nước mặt trong vùng bị ô nhiễm phổ biến là hữu cơ và vi sinh với các thông số DO, BOD5, COD, NH4+, tổng Coliform,… vượt từ 2 đến 12 lần tiêu chuẩn cho phép [50], [55], [58], [47] , [59].
Có thể thấy rằng, ô nhiễm môi trường nước mặt vùng Bán đảo Cà Mau xuất phát từ nhiều nguyên nhân (hoạt động của con người và tự nhiên), trong đó nguyên nhân chính là do sự tiếp nhận nước thải từ các nguồn xả thải vào nguồn nước mặt. Một số nguồn nước thải chính trong vùng nghiên cứu là nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nông 2 nghiệp, nuôi trồng thủy sản. Mặt khác, nước thải từ hoạt động canh tác nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản được xem là nguồn thải phân tán và rất khó kiểm soát được trong quá trình canh tác và nuôi trồng [14], [28]. Ô nhiễm môi trường nước mặt đã ảnh hưởng đến nhiều đối tượng, như cấp nước cho các nhà máy nước sinh hoạt (nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe người dân, gia tăng chi phí,.) và ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản (dịch bệnh).
Hơn nữa, xung đột môi trường giữa đối tượng gây ô nhiễm môi trường và người dân chịu tác động bởi ô nhiễm đang khá phổ biến [28]. Mặt khác, việc quản lý chất lượng nước, môi trường vùng Bán đảo đang thiếu thuận lợi, gặp nhiều khó khăn, do các thông tin liên quan đến chế độ nước (chất và lượng) còn rất hạn chế, chẳng hạn: - Chưa có đánh giá tổng thể loại nguồn xả thải (cả lượng và chất); - Chưa đi sâu xem xét tổng thể chất lượng nước cả vùng; - Các nghiên cứu chưa làm rõ tác động của từng loại nguồn xả thải đến các vùng khác nhau trong bán đảo; Do vậy, việc Nghiên cứu tác động của các loại nguồn xả thải đến chất lượng nước mặt vùng BĐCM là quan trọng và cần thiết. Nghiên cứu sẽ góp phần cung cấp thêm thông tin khoa học về thực trạng chất lượng nước và tác động của các nguồn nước thải đến chất lượng nước mặt vùng Bán đảo Cà Mau từ đó đưa ra định hướng các biện pháp kỹ thuật kiểm soát nguồn nước thải phục vụ thiết thực cho công tác bảo vệ tài nguyên nước mặt, từng bước đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững về kinh tế xã hội của vùng nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm: - 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 Với mục tiêu nghiên cứu như trên, nội dung nghiên cứu chính của luận án bao gồm: - Nghiên cứu tổng quan về tác động các loại nguồn xả thải và chất lượng nước mặt trên thế giới và vùng nghiên cứu; - Nghiên cứu, đánh giá tác động của các loại nguồn xả thải đến chất lượng nước mặt vùng BĐCM; - Đánh giá tác động của nguồn xả thải đến chất lượng nước và vai trò của các yếu tố khác (triều, dòng chảy) đến quá trình này; - Định hướng các giải pháp kỹ thuật kiểm soát nguồn nước thải trong vùng nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu Trong luận án này, một số phương pháp nghiên cứu chính đã được sử dụng như sau: a) Phương pháp thực nghiệm: điều tra, khảo sát thu thập số liệu, phương pháp đo đạc hiện trường - Phương pháp khảo sát thực địa: khảo sát thực tế phục vụ việc đánh giá hiện trạng ô nhiễm nước, hiện trạng các nguồn thải trong khu vực Bán đảo Cà Mau; - Phương pháp đo đạc hiện trường, lấy mẫu phân tích: Khảo sát đo đạc, lấy mẫu phân tích các chỉ tiêu đánh giá ô nhiễm nước và chất lượng nước mặt, nước thải. b) Phương pháp kế thừa, phân tích tổng hợp, mô hình toán, hệ thống thông tin địa lý (GIS) và Phương pháp Bayes (BMA) - Phương pháp kế thừa: luận án kế thừa các kết quả nghiên cứu liên quan đến ô nhiễm nước trong vùng BĐCM. NCS đã tham gia các đề tài do Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam thực hiện về vùng nghiên cứu như sau: các đề tài cấp Bộ [67]; Các đề tài cấp Nhà nước [66], [71].
Trong đó, NCS đã tham gia thực hiện phần mô hình toán (mô phỏng, dự báo mặn, chất lượng nước, mô phỏng lan truyền ô nhiễm theo dòng chảy…) cho vùng nghiên cứu; 4 - Phương pháp phân tích và tổng hợp: phân tích các số liệu, tài liệu, kịch bản tính toán. Từ đó hệ thống hóa, tổng hợp đánh giá các số liệu, kết quả mô phỏng, tính toán các kịch bản khác nhau; - Phương pháp mô hình toán: o Sử dụng các mô hình toán thủy lực, chất lượng nước (với phần mềm Mike11-HD, Mike11-AD và Mike11-Ecolab); o Sử dụng mô hình toán lan truyền các nguồn nước để tính toán lan truyền các nguồn nước ô nhiễm nội vùng và các nguồn nước lan truyền từ biên vùng nghiên cứu vào các hệ thống, làm cơ sở để đánh giá phạm vi và mức độ tác động của từng nguồn ô nhiễm và các nguồn nước từ biên. - Ứng dụng hệ thống thông tin địa lý GIS: để biểu diễn các thông số quan trắc chất lượng nước, kết quả mô phỏng chất lượng nước; - Phương pháp Bayes (BMA) khai thác nhân tố Bayes (BF) và chỉ số đo lường mức độ quân bình “compromise” giữa độ phức tạp và khả năng tiên lượng của mô hình (BIC) để chọn mô hình tối ưu. Đây là phương pháp mới khắc phục được vấn đề thừa biến (biến không có tác động thực tế) trong mô hình hồi quy tuyến tính đa biến.
- Phương pháp học máy: Nghiên cứu sử dụng các mô hình học máy để tính toán (dự báo) WQI với 2 nhóm chính: thuật toán tăng cường, thuật toán cây quyết định vì đây là 2 thuật toán cho kết quả tính toán có độ chính xác cao, các thuật toán dễ hiểu và dễ triển khai. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi vùng nghiên cứu là toàn bộ BĐCM, nằm ở phía Nam kênh Cái Sắn và hữu ngạn sông Hậu, có tổng diện tích tự nhiên khoảng 1.000 ha; bao gồm 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 và các xã phía Nam các huyện Châu Thành, Tân Hiệp). Tuy vậy, do vùng nghiên cứu có liên quan với các vùng khác trên ĐBSCL, do đó một số vấn đề nghiên cứu thì vùng nghiên cứu được mở rộng toàn ĐBSCL. 5 Phạm vi về thời gian: thời gian nghiên cứu là quá khứ gần và chọn năm 2016 làm năm điển hình vì đây là năm có điều kiện khí tượng và thủy văn bất lợi cho chất lượng nước mặt, ô nhiễm nước mặt gia tăng do nguồn nước ngọt từ thượng nguồn về thấp (thấp hơn so với trung bình nhiều năm khoảng 30%) và xâm nhập mặn vào vùng nghiên cứu gia tăng.
Trong luận án này không nghiên về khả năng tự làm sạch của nguồn nước trên các sông, kênh trong vùng nghiên cứu; tác động của nước mưa chảy tràn. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là nguồn nước mặt và nguồn nước thải vùng Bán đảo Cà Mau bao gồm: - Nguồn nước mặt: nguồn nước ngọt từ sông Hậu và nước mặn từ biển Đông và biển Tây; - Các nguồn nước thải chính gây ô nhiễm bao gồm: sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, nuôi trồng thuỷ sản. Các đối tượng xả nước thải có lưu lượng ≥ 50 m3/ngày đêm; - Chất lượng nước mặt vùng BĐCM. Đóng góp mới của luận án (1) Làm rõ các loại nguồn xả thải (lượng và chất) vào sông kênh vùng Bán đảo Cà Mau, đánh giá lan truyền các nguồn xả thải và thành phần gây ô nhiễm chính có trong nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản; (2) Làm rõ được xu thế lan truyền các nguồn nước từ biên (Sông Hậu, biên Biển) vào Bán đảo và sự lan truyền các nguồn nước xả thải trong nội Bán đảo, từ đó đánh giá được xu thế, phạm vi lan truyền, gây ảnh hưởng, ô nhiễm của các nguồn nước trong vùng Bán đảo; (3) Xác định được các vùng ô nhiễm dựa vào đặc tính thủy lực (dòng chảy, hướng nhận nước, hướng tiêu thoát…) và chất lượng nước từ đó xác định được các vấn đề chính đối với môi trường nước mặt và định hướng giải pháp cải thiện môi trường vùng Bán đảo.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ cung cấp cơ sở khoa học và công cụ để phân tích, đánh giá định lượng được mức độ xả thải (của các nguồn thải chính), sự lan truyền của từng loại nguồn, nhóm nguồn gây ô nhiễm nước mặt trên các sông, kênh dưới tác động của các nguồn ở biên vùng nghiên cứu.