Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Tác động của các nguồn xả thải đến chất lượng nước mặt tại bán đảo Cà Mau

Luận án tiến sĩ kỹ thuật phân tích tác động của nguồn xả thải đến chất lượng nước mặt tại bán đảo Cà Mau, đề xuất giải pháp bảo vệ môi trường hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Đức Phong
• Người hướng dẫn: GS.TS Tăng Đức Thắng
• Trường học: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
• Chuyên ngành: Môi trường đất và nước
• Đề tài: Nghiên cứu tác động của các loại nguồn xả thải đến chất lượng nước vùng bán đảo Cà Mau
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.5. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 1.6. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
• 1.7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
• 2. 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
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT TRÊN THẾ GIỚI VÀ VÙNG BÁN ĐẢO CÀ MAU
• 2.1.1. Một số quốc gia trên thế giới
• 2.1.2. Ở Việt Nam và Vùng Bán đảo Cà Mau
• 2.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI NGUỒN XẢ THẢI
• 2.2.1. Các loại nguồn nước thải vùng Bán đảo Cà Mau
• 2.2.2. Tác động của nguồn thải đến chất lượng nước mặt vùng Bán đảo Cà Mau
• 2.3. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN NGUỒN XẢ THẢI VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT VÙNG BÁN ĐẢO CÀ MAU
• 2.3.1. Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến tác động của các loại nguồn xả thải đến chất lượng nước mặt
• 2.3.2. Tổng quan về công cụ nghiên cứu
• 2.4. XÁC ĐỊNH VÀ GIỚI HẠN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
• 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 3.1.1. Đối tượng nghiên cứu
• 3.1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
• 3.2.1. Phương pháp đo đạc hiện trường, lấy mẫu phân tích
• 3.2.2. Phương pháp đánh giá nguồn xả thải
• 3.2.3. Tính toán tải lượng ô nhiễm
• 3.2.4. Phương pháp tính toán chỉ số chất lượng nước mặt (WQI)
• 3.2.5. Phương pháp mô hình toán
• 3.2.6. Phương pháp Bayes
• 3.2.7. Phương pháp học máy
• 3.2.8. Sơ đồ phương pháp nghiên cứu của Luận án
• 4. 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
• 4.1. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH NGUỒN XẢ THẢI VÙNG BÁN ĐẢO CÀ MAU
• 4.1.1. Xác định các nguồn thải chính vùng nghiên cứu
• 4.1.2. Tính toán lưu lượng nước thải
• 4.1.3. Tính toán tải lượng ô nhiễm
• 4.2. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT THEO CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT (WQI) VÙNG BÁN ĐẢO CÀ MAU
• 4.2.1. Khảo cứu số liệu quan trắc nước mặt
• 4.2.2. Kết quả nghiên cứu chỉ số chất lượng nước mặt (WQI)
• 4.2.3. Dự báo chỉ số chất lượng nước mặt
• 4.3. NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN CÁC NGUỒN NƯỚC VÙNG BÁN ĐẢO CÀ MAU
• 4.3.1. Nghiên cứu lan truyền các nguồn biên vùng BĐCM
• 4.3.2. Nghiên cứu lan truyền các nguồn nước thải chính thường xuyên nội vùng BĐCM
• 4.3.3. Nghiên cứu lan truyền nguồn nước thải không thường xuyên
• 4.4. MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÙNG BĐCM
• 4.4.1. Kết quả mô phỏng thông số DO
• 4.4.2. Kết quả mô phỏng thông số BOD5
• 4.4.3. Kết quả mô phỏng thông số NH4+
• 4.5. ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA NGUỒN XẢ THẢI ĐẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC
• 4.5.1. Đánh giá tác động của nguồn nước thải sinh hoạt đến chất lượng nước
• 4.5.2. Đánh giá tác động của nguồn nước thải công nghiệp đến chất lượng nước
• 4.5.3. Đánh giá tác động của nguồn nước thải nông nghiệp đến chất lượng nước
• 4.6. ĐỊNH HƯỚNG CÁC BIỆN PHÁP KỸ THUẬT KIỂM SOÁT NGUỒN NƯỚC THẢI
• 4.6.1. Cơ sở khoa học định hướng các biện pháp kỹ thuật kiểm soát nguồn thải
• 4.6.2. Đề xuất định hướng các biện pháp kỹ thuật kiểm soát nguồn thải
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tác động môi trường từ nguồn xả thải

Nghiên cứu tập trung vào tác động môi trường của các nguồn xả thải đến chất lượng nước mặt tại bán đảo Cà Mau. Các nguồn thải chính bao gồm nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản. Kết quả cho thấy, các nguồn thải này gây ô nhiễm hữu cơ và vi sinh, với các chỉ số như DO, BOD5, COD, NH4+ vượt quá tiêu chuẩn cho phép từ 2 đến 12 lần. Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng.

1.1. Nguồn xả thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt từ các khu dân cư đông đúc là một trong những nguồn thải chính gây ô nhiễm nước mặt. Nghiên cứu chỉ ra rằng, lượng nước thải sinh hoạt tăng đáng kể từ năm 2016 đến 2030, góp phần làm suy giảm chất lượng nước tại các khu vực đô thị và lân cận.

1.2. Nguồn xả thải công nghiệp

Các khu công nghiệp và nhà máy xả thải trực tiếp vào hệ thống sông, kênh, gây ô nhiễm nặng nề. Tác động của xả thải công nghiệp không chỉ làm giảm chất lượng nước mà còn ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản.

II. Chất lượng nước mặt và ô nhiễm nước

Nghiên cứu đánh giá chất lượng nước mặt thông qua chỉ số WQI (Water Quality Index). Kết quả cho thấy, nước mặt tại bán đảo Cà Mau bị ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt là ở các khu vực có mật độ dân cư cao và hoạt động công nghiệp mạnh. Các thông số như DO, BOD5, và NH4+ vượt quá tiêu chuẩn, gây ra nhiều vấn đề về môi trường và sức khỏe.

2.1. Phân tích chất lượng nước

Phương pháp phân tích chất lượng nước được sử dụng để đo lường các chỉ tiêu ô nhiễm. Kết quả cho thấy, ô nhiễm nước chủ yếu do các nguồn thải hữu cơ và vi sinh, với mức độ ô nhiễm cao nhất vào mùa khô.

2.2. Đánh giá tác động môi trường

Nghiên cứu sử dụng mô hình toán để đánh giá tác động môi trường của các nguồn thải. Kết quả mô phỏng cho thấy, các nguồn thải lan truyền nhanh chóng trong hệ thống sông, kênh, gây ô nhiễm diện rộng.

III. Biện pháp cải thiện chất lượng nước

Nghiên cứu đề xuất các biện pháp cải thiện chất lượng nước thông qua việc kiểm soát nguồn thải và áp dụng công nghệ xử lý nước thải. Các giải pháp bao gồm nâng cấp hệ thống xử lý nước thải, tăng cường giám sát và quản lý các nguồn thải, đồng thời thực hiện các chính sách bảo vệ môi trường nghiêm ngặt.

3.1. Kiểm soát nguồn thải

Việc quản lý nguồn nước thải cần được thực hiện chặt chẽ, đặc biệt là từ các khu công nghiệp và khu dân cư. Nghiên cứu đề xuất áp dụng các công nghệ xử lý nước thải tiên tiến để giảm thiểu tác động của xả thải đến nước mặt.

3.2. Chính sách bảo vệ nước

Các chính sách bảo vệ nước cần được xây dựng và thực thi nghiêm ngặt để đảm bảo bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Nghiên cứu nhấn mạnh vai trò của cộng đồng và chính quyền trong việc thực hiện các biện pháp này.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vùng Bán đảo Cà Mau (BĐCM) thuộc lưu vực sông Mê Công, chịu tác động mạnh mẽ của chế độ bán nhật triều Biển Đông và nhật triều Biển Tây. Từ giai đoạn 1999–2000 đến nay, vùng BĐCM diễn ra quá trình chuyển đổi mô hình sản xuất nhanh chóng từ hệ sinh thái ngọt sang hệ sinh thái mặn (chuyển đổi từ canh tác lúa sang nuôi tôm nước lợ), cùng với tốc độ đô thị hóa và gia tăng dân số. Hệ thống hạ tầng thủy lợi hiện hữu vốn được thiết kế chủ yếu phục vụ sản xuất nông nghiệp ngọt hóa, chưa đáp ứng kịp thời yêu cầu điều tiết nước cho mô hình đa canh và nuôi trồng thủy sản, dẫn đến suy giảm chất lượng nước mặt trên diện rộng.

Kết quả giám sát của Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh trong vùng cho thấy nguồn nước mặt tại các sông, kênh bị ô nhiễm hữu cơ và vi sinh nghiêm trọng, các thông số đặc trưng như DO, BOD5, COD, NH4+ và tổng Coliforms vượt tiêu chuẩn cho phép từ 2 đến 12 lần. Nguồn phát sinh ô nhiễm chính đến từ nước thải sinh hoạt đô thị, nước thải công nghiệp chế biến thủy sản và các nguồn thải phân tán từ canh tác nông nghiệp, nuôi tôm nước lợ. Tình trạng ô nhiễm nguồn nước mặt đã dẫn đến suy giảm chất lượng nước cấp sinh hoạt, làm bùng phát dịch bệnh trên tôm nuôi và gia tăng xung đột môi trường giữa các đối tượng sử dụng nước.

Mặc dù đã có các công trình nghiên cứu về thủy lực và chất lượng nước tại Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), công tác quản lý chất lượng nước tại BĐCM vẫn gặp nhiều hạn chế do các khoảng trống khoa học sau:

• Chưa có nghiên cứu đánh giá tổng thể và định lượng toàn diện các loại nguồn xả thải chính (cả về lưu lượng và tải lượng ô nhiễm).
• Chưa xem xét bức tranh chất lượng nước mặt đồng bộ trên toàn bộ phạm vi Bán đảo dưới tác động tổng hợp của các nguồn xả nội vùng và các điều kiện biên.
• Chưa làm rõ cơ chế, xu thế và phạm vi lan truyền của từng loại nguồn xả thải riêng biệt đến các tiểu vùng khác nhau trong mạng lưới sông kênh có chế độ thủy lực phức tạp.

Do đó, việc thực hiện đề tài "Nghiên cứu tác động của các loại nguồn xả thải đến chất lượng nước vùng Bán đảo Cà Mau" là yêu cầu cấp thiết nhằm cung cấp luận cứ khoa học cho công tác quản lý tài nguyên nước và định hướng các giải pháp kiểm soát ô nhiễm nước mặt.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác lập 03 mục tiêu cụ thể:

1. 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;
2. 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;
3. Xác định được sự lan truyền và phạm vi tác động của các nguồn nước thải trong vùng nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Nguồn nước mặt (nguồn nước ngọt từ sông Hậu, nguồn nước mặn từ Biển Đông và Biển Tây); các nguồn nước thải chính gây ô nhiễm (nước thải 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; diễn biến chất lượng nước mặt vùng BĐCM.
• Phạm vi không gian: Toàn bộ vùng Bán đảo Cà Mau nằm ở phía Nam kênh Cái Sắn và hữu ngạn sông Hậu, bao gồm 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 và các xã phía Nam thuộc huyện Châu Thành, Tân Hiệp). Một số nội dung biên thủy văn được mở rộng kết nối trên toàn ĐBSCL.
• Phạm vi thời gian: Nghiên cứu chuỗi số liệu quá khứ gần, lựa chọn năm 2016 làm năm điển hình để mô phỏng và đánh giá (năm 2016 là năm có điều kiện thủy văn bất lợi, lưu lượng nước ngọt thượng nguồn đổ về thấp hơn trung bình nhiều năm khoảng 30%, xâm nhập mặn lấn sâu vào nội đồng tới 60–65 km trên sông Cái Lớn).
• Giới hạn nghiên cứu: Luận án không đi sâu nghiên cứu khả năng tự làm sạch của nguồn nước trong các kênh rạch nội vùng và tác động cuốn trôi của nước mưa chảy tràn bề mặt.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả đã tổng thuật các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến xả thải, động lực học chất lượng nước và công cụ mô hình toán:

1. Nghiên cứu quốc tế về nguồn thải và chất lượng nước:

   • Tích hợp nguồn thải điểm và nguồn thải phân tán để đánh giá rủi ro môi trường lưu vực theo tiếp cận chi phí tối thiểu, quản lý dinh dưỡng Nitơ và Phốt pho (tài liệu [108]).
   • Ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt đô thị và quá trình phân hủy sinh hóa làm suy giảm nồng độ oxy hòa tan trong thủy vực ven biển (tài liệu [97], [95], [137], [125], [135]).
   • Thách thức trong kiểm soát nước thải công nghiệp tại các quốc gia đang phát triển, đặc biệt là công nghiệp dệt may và chế biến (tài liệu [124], [139], [96], [112], [105]).
   • Đánh giá việc tái sử dụng nước thải nông nghiệp, rủi ro tích lũy mầm bệnh và suy thoái nguồn nước (tài liệu [114], [98], [103], [106], [100], [94]).
   • Ứng dụng mô hình toán dự báo dài hạn và định lượng tải lượng ô nhiễm từ nguồn phân tán phục vụ quản lý lưu vực (tài liệu [134], [133]).
   • Khảo sát thực trạng ô nhiễm tại một số quốc gia: Trung Quốc (lạm dụng phân bón hóa học xả 10 triệu tấn/năm khiến 41,7% độ dài sông bị ô nhiễm [22, 132]); Ấn Độ (sông Hằng tiếp nhận 80% rác thải đô thị [132]); Indonesia (sông Citarum tiếp nhận thải từ 2.000 nhà máy [132]); Philippines (sông Marilao nhiễm kim loại nặng đồng, thạch tín [132]).

2. Nghiên cứu về thủy lực và chất lượng nước vùng BĐCM:

   • Ủy hội sông Mê Công (MRC) nghiên cứu chế độ dòng chảy, xâm nhập mặn và chất lượng nước phục vụ sản xuất (tài liệu [120–123], [130], [118]).
   • Chu Thái Hoành ([107], [110]) ứng dụng mô hình thủy lực và GIS giải quyết mâu thuẫn giữa sử dụng nước nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản.
   • Timothy ([117]) phân tích các tác động tiêu cực của suy thoái môi trường nước đến nghề nuôi tôm tại ĐBSCL.
   • Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản 2 ([2]) nghiên cứu phân vùng ưu tiên phát triển thủy sản và xác định vùng đệm sinh thái.
   • Ngô Đăng Phong ([104]) sử dụng mô hình VRSAP mô phỏng quá trình lan truyền độ chua phèn từ đất phèn trong hệ thống kênh rạch tỉnh Bạc Liêu.
   • Đoàn Quang Trí ([131]) mô phỏng các thông số DO, NH4+ và BOD5 tại các cửa sông ven biển vùng BĐCM.
   • Báo cáo ĐTM Dự án Hệ thống thủy lợi Cái Lớn – Cái Bé của Viện Kỹ thuật Biển và Nguyễn Tất Đắc ([82]) ứng dụng MIKE 11-Ecolab đánh giá chất lượng nước khi vận hành đóng mở cống.
   • Các công trình của Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam ([66], [67], [69], [71], [77], [83], [84], [87]) nghiên cứu quy hoạch thủy lợi, kiểm soát mặn và lan truyền ô nhiễm phục vụ sản xuất.

3. Tổng quan về công cụ mô hình toán và Lý thuyết thành phần nguồn nước:

   • Tổng quan các mô hình 1D, 2D, 3D quốc tế: AQUATOX, QUAL2E, WASP, CE-QUAL-RIV1, MIKE 11, SWAT, SIMCAT.
   • Các mô hình thủy lực và chất lượng nước xây dựng tại Việt Nam: DELTA (Nguyễn Tất Đắc), KOD-WQPS (Nguyễn Ân Niên), VRSAP (Nguyễn Như Khuê), HYDROGIS (Nguyễn Hữu Nhân), F28 (Lê Song Giang).
   • "Lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước": Khởi nguồn từ "Bài toán định xuất xứ khối nước tác động" do Nguyễn Ân Niên đề xuất cuối thập niên 1990 ([31]) và được Tăng Đức Thắng hoàn thiện trong luận án tiến sĩ (2002, [63]), sau đó tiếp tục phát triển ([27, 29], [32], [8], [33–36]). Lý thuyết này đã được ứng dụng trong các nghiên cứu của Huỳnh Chức ([7]), Hoàng Quang Huy ([111]), Nguyễn Đình Vượng ([93]).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết việc định lượng đồng thời lưu lượng và tải lượng của 4 nhóm nguồn xả thải chính (sinh hoạt, công nghiệp, trồng trọt, nuôi trồng thủy sản) cho giai đoạn hiện trạng (2016), cập nhật (2020) và dự báo (2030). Luận án tích hợp mô hình MIKE 11 (HD, AD, Ecolab) với Lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước, kết hợp phương pháp Bayes (BMA) và các thuật toán học máy (Decision Tree, Boosting) để xác định tỷ lệ đóng góp, phạm vi ảnh hưởng và thời gian lưu chuyển của các nguồn nước ô nhiễm trong mạng lưới kênh rạch BĐCM.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

• Lý thuyết thủy lực và chuyển chất 1 chiều: Dựa trên hệ phương trình Saint-Venant giải bài toán dòng chảy không ổn định và phương trình đối lưu - khuếch tán (Advection - Dispersion) một chiều mô tả sự vận chuyển chất hòa tan trong kênh hở.
• Lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước: Dựa trên nguyên lý bảo toàn khối lượng của từng nguồn nước thành phần có xuất xứ phân biệt. Trong đó:
  • $P_i$ (%): Tỷ lệ nồng độ thể tích của nguồn nước thành phần $i$ so với toàn dòng.
  • $Q$ ($\text{m}^3/\text{s}$): Lưu lượng toàn dòng chảy qua mặt cắt ngang.
  • $Q_i$ ($\text{m}^3/\text{s}$): Lưu lượng dòng nước thành phần $i$ ($Q_i = P_i \cdot Q$).
  • $q$, $q_i$ ($\text{m}^3/\text{s}$): Lưu lượng dòng nhập bên tổng cộng và của nguồn thành phần $i$.
  • $C$ ($\text{mg/l}$): Nồng độ chất ô nhiễm thực tế.
  • $C^*$ ($\text{mg/l}$): Nồng độ chất chuẩn quy ước khi tính toán lan truyền các nguồn nước có nồng độ ban đầu khác nhau.
  • $D$: Hệ số khuếch tán.
  • $S$ ($\text{g/l}$): Nồng độ mặn hoặc hàm lượng phù sa.
• Phương pháp Bayes Trung bình Mô hình (Bayesian Model Averaging - BMA): Sử dụng hệ số Bayes Factor (BF) và tiêu chuẩn thông tin Bayes (Bayesian Information Criterion - BIC) để cân bằng giữa độ phức tạp và khả năng tiên lượng, lựa chọn các biến chất lượng nước đặc trưng nhất, loại bỏ hiện tượng thừa biến trong mô hình hồi quy.
• Phương pháp Học máy (Machine Learning): Sử dụng 2 nhóm thuật toán chính gồm thuật toán tăng cường (Boosting) và thuật toán cây quyết định (Decision Tree) để thiết lập mô hình dự báo Chỉ số chất lượng nước mặt (WQI).

                            SƠ ĐỒ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                           THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU                                |
|  - Số liệu quan trắc CLN (DO, BOD5, COD, NH4+, Coliform...)                       |
|  - Số liệu nguồn thải (Sinh hoạt, Công nghiệp, Nông nghiệp, NTTS >= 50 m3/ngày)    |
|  - Số liệu khí tượng thủy văn, xâm nhập mặn năm 2016                              |
+------------------------------------------+----------------------------------------+
                                           |
        +----------------------------------+----------------------------------+
        |                                                                     |
        v                                                                     v
+-----------------------------------+               +-----------------------------------+
|  ĐÁNH GIÁ NGUỒN XẢ THẢI & WQI     |               |    MÔ HÌNH TOÁN CHẤT LƯỢNG NƯỚC   |
|  - Tính lưu lượng & tải lượng     |               |  - MIKE 11-HD (Thủy lực)          |
|  - Tính toán WQI hiện trạng       |               |  - MIKE 11-AD (Chuyển chất)       |
|  - Lựa chọn biến bằng BMA         |               |  - MIKE 11-Ecolab (Sinh hóa)      |
|  - Dự báo WQI bằng Học máy        |               |  - Lan truyền thành phần nguồn    |
+-----------------------------------+               +-----------------------------------+
        |                                                                     |
        +----------------------------------+----------------------------------+
                                           |
                                           v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                             KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN                                  |
|  - Động thái lan truyền nguồn nước biên (Sông Hậu, Biển Đông, Biển Tây)          |
|  - Lan truyền nguồn thải thường xuyên (Sinh hoạt, Công nghiệp, Trồng trọt)        |
|  - Lan truyền nguồn thải không thường xuyên (NTTS tại 4 tiểu vùng theo thời gian)  |
|  - Đánh giá tác động và đề xuất giải pháp kỹ thuật kiểm soát nguồn thải           |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Phương pháp nghiên cứu thực tế

• Phương pháp khảo sát, đo đạc và lấy mẫu hiện trường: Thực hiện đo đạc và lấy mẫu phân tích các thông số chất lượng nước mặt và nước thải theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.
• Phương pháp tính toán tải lượng ô nhiễm: Áp dụng công thức tính toán lưu lượng và tải lượng cho các nguồn thải sinh hoạt đô thị, cơ sở dịch vụ, cụm/khu công nghiệp, chăn nuôi, trồng lúa và nuôi trồng thủy sản dựa trên định mức xả thải, hệ số phát thải và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN).
• Phương pháp mô hình toán: Thiết lập mô hình MIKE 11 cho toàn bộ mạng lưới sông kênh BĐCM; thực hiện hiệu chỉnh và kiểm định thông số thủy lực (HD), chuyển chất (AD), các quá trình sinh hóa (Ecolab) và bài toán lan truyền các thành phần nguồn nước.
• Ứng dụng GIS: Xây dựng bản đồ phân bố tải lượng, bản đồ WQI và biểu diễn trực quan phạm vi ảnh hưởng của các chất ô nhiễm.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

• Chuỗi số liệu quan trắc chất lượng nước mặt định kỳ từ Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh, thành phố: Cần Thơ, Hậu Giang, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang.
• Dữ liệu từ các đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước và cấp Bộ do Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam thực hiện ([66], [67], [69], [71]).
• Dữ liệu thống kê kinh tế - xã hội, hiện trạng sử dụng đất, cơ cấu cây trồng, quy mô chăn nuôi, diện tích nuôi tôm và số liệu các khu/cụm công nghiệp tại vùng BĐCM năm 2016, cập nhật 2020 và quy hoạch 2030.

---

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 ô nhiễm nước mặt và các nguồn xả thải. Tác giả chỉ ra các dạng nguồn thải chính tại BĐCM gồm: nước thải sinh hoạt (chiếm khoảng 30% tổng lượng thải trực tiếp, tỷ lệ xử lý tại đô thị chỉ đạt khoảng 10%), nước thải công nghiệp (49 nguồn thải tập trung lớn gồm 34 KCN và 15 cụm công nghiệp, cùng 5 nhà máy đường có lưu lượng khoảng 340 $\text{m}^3/\text{ngày đêm}$ hoạt động từ tháng 9 đến tháng 3 năm sau), nước thải nông nghiệp (suất sử dụng phân bón vô cơ cao hơn 35,3%, thuốc BVTV cao hơn 71,9% so với bình quân cả nước; số lần phun thuốc trừ sâu lúa đạt 5 lần/vụ) và nước thải nuôi tôm nước lợ xả trực tiếp ra hệ thống kênh cấp thoát dùng chung.

Chương này cũng phân tích tổng quan các công cụ mô hình tính toán chất lượng nước trên thế giới và trong nước theo bảng tổng hợp:

Tên mô hình	Số chiều (Dimension)	Nguồn nước tiếp nhận	Cơ chế tiếp cận tính toán	Các thông số chất lượng nước chính
AQUATOX	1-D	Sông, hồ, hồ chứa	Phương trình vi phân bậc 4 và 5, Runge-Kutta	DO, CBOD, NH3, NO3, OP, PO4, Nhiệt độ, chất độc
QUAL2E	1-D	Sông	Phương trình phản ứng tải khuếch tán	DO, BOD, NH3, NO3, NO2, OP, PO4, Nhiệt độ, Coliform
WASP	1, 2, 3-D	Sông, hồ, cửa sông	Phương trình phản ứng tải khuếch tán	DO, CBOD, NH3, NO3, PO4, Nhiệt độ, bùn cát, kim loại, vi khuẩn
CE-QUAL-RIV1	1-D	Sông, hồ chứa	Phương trình liên tục, động lực và vận chuyển Saint-Venant	DO, BOD, NH3, NO3, NO2, OP, PO4, Nhiệt độ, bùn cát
MIKE 11	1-D	Sông, hồ, kênh dẫn	Sai phân ẩn giải Saint-Venant kết hợp AD/Ecolab	Nhiệt độ, DO, BOD, NH3, NO3, NO2, OP, PO4, Nhiệt độ, Coliform
SWAT	1-D	Sông, hồ chứa	Phương trình cân bằng khối lượng liên tục	DO, BOD, NH3, NO3, NO2, OP, PO4, Nhiệt độ, Bùn cát, Thuốc trừ sâu
SIMCAT	1-D	Sông	Phản ứng trong bể khuấy nối tiếp	DO, CBOD, NH3, PO4
DELTA	1-D	Mạng lưới sông, kênh	Sai phân 1 chiều kết nối 2D ven biển	Thủy lực, mặn, DO, BOD5, N, P
VRSAP	1-D	Sông và ô ruộng	Mô hình mạng sông kết hợp trao đổi ô ruộng	Thủy lực, xâm nhập mặn, lan truyền chua phèn

Chương 2: Đối tượng và cơ sở lý thuyết các phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết cơ sở toán học và quy trình thực hiện của các phương pháp nghiên cứu. Tác giả thiết lập hệ thống phương pháp phân tích phòng thí nghiệm, công thức tính toán tải lượng ô nhiễm cho từng loại hình nguồn thải điểm ($\ge 50\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$) và nguồn phân tán. Trình bày phương pháp tính WQI theo thang điểm từ 0 đến 100 với các mức đánh giá chất lượng nước.

Đặc biệt, chương này xây dựng cơ sở toán học của Lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước để theo dõi tỷ lệ thể tích $P_i$ của từng nguồn nước xuất xứ từ biên (sông Hậu, biển) hoặc nguồn thải nội vùng xả vào kênh. Đồng thời, chương 2 thiết lập khung ứng dụng phương pháp Bayes (BMA) để chọn lọc các thông số ô nhiễm đầu vào tối ưu và 4 mô hình học máy (thuộc nhóm Cây quyết định và Tăng cường) phục vụ tính toán, dự báo chỉ số WQI.

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, mô phỏng và thảo luận:

1. Xác định lượng và tải lượng nguồn xả thải: Tính toán tổng lượng nước thải phát sinh từ các nguồn chính (sinh hoạt, công nghiệp, chăn nuôi, trồng trọt, NTTS) cho các năm 2016, 2020 và dự báo năm 2030 trên địa bàn các tỉnh vùng BĐCM. Tính toán tải lượng các chất ô nhiễm đặc trưng (BOD5, COD, TSS, Tổng N, Tổng P, Coliform) từ các nguồn thải điểm.
2. Đánh giá và dự báo WQI: Phân tích dữ liệu quan trắc mùa khô và mùa mưa năm 2016, tính toán WQI cho thấy chất lượng nước suy giảm mạnh trong mùa khô, nhiều khu vực nội đồng có WQI dưới 25–50 (chỉ dùng cho giao thông thủy hoặc ô nhiễm nặng). Phương pháp BMA xác định các thông số có tương quan chi phối mạnh nhất đến WQI. Thống kê kết quả 4 mô hình học máy cho thấy độ tin cậy cao trong dự báo WQI khi đối chiếu với số liệu thực đo.
3. Mô phỏng lan truyền các nguồn nước biên: Đánh giá tỷ lệ thành phần nước ngọt từ sông Hậu và nước mặn từ các cửa biển (Biển Đông: Gành Hào, Bạc Liêu; Biển Tây: Rạch Giá, Tiểu Dừa, Sông Đốc) thâm nhập vào bán đảo trong điều kiện vận hành công trình kiểm soát nguồn nước.
4. Mô phỏng lan truyền các nguồn nước thải thường xuyên: Xác định đường đi và tỷ lệ phân bố của nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và nước thải trồng trọt trên các trục kênh chính (sông Hậu, kênh Quản Lộ – Phụng Hiệp, kênh Xà No, sông Gành Hào, sông Ông Đốc).
5. Mô phỏng lan truyền nước thải NTTS không thường xuyên: Tính toán quá trình phát tán nước thải ao tôm xả vào kênh tại 4 tiểu vùng trọng điểm theo các mốc thời gian:
   • Tiểu vùng Mỹ Xuyên (Sóc Trăng): Mô phỏng tỷ lệ nước thải tại thời điểm bắt đầu xả, sau 3 ngày, sau 7 ngày và sau 30 ngày.
   • Tiểu vùng Bắc QL1A (Bạc Liêu): Mô phỏng lúc bắt đầu xả, sau 3 ngày, sau 14 ngày và sau 30 ngày.
   • Tiểu vùng Nam Cà Mau: Mô phỏng lúc bắt đầu xả, sau 3 ngày, sau 7 ngày và sau 30 ngày.
   • Tiểu vùng An Minh – An Biên (Kiên Giang): Mô phỏng lúc bắt đầu xả, sau 3 ngày, sau 7 ngày và sau 15 ngày. Kết quả cho thấy do nằm sâu trong nội đồng và địa hình bằng phẳng, nước thải NTTS lưu chuyển chậm và tồn lưu kéo dài nhiều tuần trong mạng lưới kênh rạch.
6. Mô phỏng nồng độ các thông số chất lượng nước: Phân bố nồng độ DO, BOD5, NH4+ trên mạng sông kênh vùng BĐCM trong tháng 1/2016, chỉ rõ các vùng ô nhiễm cục bộ và diện rộng.
7. Định hướng giải pháp kỹ thuật kiểm soát nguồn thải: Đề xuất giải pháp kiểm soát tại nguồn phát sinh, tách riêng kênh cấp và thoát nước trong vùng nuôi tôm, và vận hành tối ưu hệ thống công trình thủy lợi để tăng cường trao đổi nước.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới của luận án

Luận án công bố 03 đóng góp mới cụ thể:

1. Làm rõ các loại nguồn xả thải (lượng và chất): Định lượng toàn diện lưu lượng xả thải và tải lượng các thành phần gây ô nhiễm chính trong nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản vào hệ thống sông kênh vùng BĐCM.
2. Làm rõ xu thế lan truyền nguồn nước biên và nội vùng: Xác định xu thế lan truyền các nguồn nước từ biên (sông Hậu, Biển Đông, Biển Tây) vào nội đồng và sự lan truyền các dòng nước thải nội vùng; đánh giá định lượng xu thế, phạm vi và tỷ lệ gây ảnh hưởng ô nhiễm theo không gian và thời gian.
3. Xác định các vùng ô nhiễm theo đặc tính thủy lực và đề xuất giải pháp: Phân vùng ô nhiễm dựa trên mối quan hệ giữa chế độ dòng chảy (hướng nhận nước, hướng tiêu thoát) và chất lượng nước; xác định các vấn đề trọng tâm đối với môi trường nước mặt và định hướng các biện pháp kỹ thuật cải thiện môi trường nước vùng Bán đảo.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Giải pháp quản lý và kỹ thuật tại nguồn: Yêu cầu các khu/cụm công nghiệp, cơ sở chế biến thủy sản, nhà máy đường và khu đô thị xây dựng hệ thống xử lý nước thải đạt QCVN trước khi xả ra sông kênh; kiểm soát việc sử dụng phân bón và thuốc BVTV trong canh tác lúa.
• Giải pháp thủy lợi cho nuôi trồng thủy sản: Xây dựng quy hoạch và hoàn thiện hệ thống thủy lợi phân định rõ kênh cấp nước sạch và kênh thoát nước thải riêng biệt tại các vùng nuôi tôm chuyên canh (Mỹ Xuyên, Bắc QL1A, Nam Cà Mau, An Minh – An Biên); xử lý nước thải và bùn đáy ao tôm trước khi xả thải.
• Vận hành công trình: Điều chỉnh quy trình đóng/mở các hệ thống cống ngăn mặn, cống kiểm soát triều (như cống Quản Lộ – Phụng Hiệp, hệ thống Cái Lớn – Cái Bé, Long Phú – Trần Đề) để vừa kiểm soát mặn, vừa tăng cường khả năng thau rửa, tiêu thoát nước ô nhiễm ra biển.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

• Luận án chưa đi sâu nghiên cứu và lượng hóa khả năng tự làm sạch (quá trình tái tạo oxy tự nhiên, phân hủy sinh học hiếu khí/kỵ khí đáy) trên từng đoạn sông kênh cụ thể tại vùng BĐCM.
• Chưa tính toán định lượng tác động của dòng chảy tràn do nước mưa cuốn theo các chất ô nhiễm từ bề mặt đô thị và đồng ruộng vào mùa mưa.
• Phạm vi thống kê và mô phỏng nguồn thải tập trung vào các đối tượng có quy mô lưu lượng $\ge 50\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, chưa thống kê chi tiết toàn bộ các nguồn thải nhỏ lẻ, phân tán dưới ngưỡng này.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Nghiên cứu cơ chế và hệ số tự làm sạch của mạng lưới kênh rạch chịu ảnh hưởng triều mạnh tại BĐCM.
• Tích hợp mô hình dòng chảy tràn bề mặt để đánh giá tải lượng ô nhiễm phân tán trong các trận mưa lớn đầu mùa.
• Mở rộng ứng dụng công cụ mô hình tính toán lan truyền chất với chuỗi số liệu quan trắc tự động liên tục theo thời gian thực để nâng cao độ chính xác trong công tác cảnh báo ô nhiễm.

---

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Môi trường đất và nước, Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy văn và tài nguyên nước, Kỹ thuật môi trường.
• Cơ quan quản lý nhà nước: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Bộ Tài nguyên và Môi trường, Ủy ban nhân dân và Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh/thành vùng BĐCM (Cần Thơ, Hậu Giang, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang).
• Cơ quan tư vấn, quy hoạch: Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, các đơn vị tư vấn thiết kế công trình thủy lợi và môi trường.

Nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu

• Khung phương pháp kết hợp mô hình MIKE 11 với Lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước để truy xuất nguồn gốc và tỷ lệ ô nhiễm trong mạng lưới sông kênh phức tạp.
• Phương pháp ứng dụng Bayes (BMA) để lựa chọn biến đặc trưng và các thuật toán học máy (Decision Tree, Boosting) trong dự báo chỉ số WQI.
• Bộ số liệu tính toán lưu lượng, tải lượng ô nhiễm từ 4 nhóm nguồn thải chính của các tỉnh vùng BĐCM các năm 2016, 2020 và 2030.
• Các kết quả mô phỏng động thái lan truyền nước thải ao nuôi tôm tại các tiểu vùng Mỹ Xuyên, Bắc QL1A, Nam Cà Mau, An Minh – An Biên.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao luận án lựa chọn năm 2016 làm năm điển hình để tính toán mô phỏng chất lượng nước?

Năm 2016 là năm có điều kiện khí tượng và thủy văn bất lợi điển hình đối với vùng BĐCM: nguồn nước ngọt từ thượng nguồn sông Mê Công đổ về sông Hậu xuống rất thấp (thấp hơn trung bình nhiều năm khoảng 30%), hạn hán gay gắt và xâm nhập mặn từ Biển Tây lấn sâu vào sông Cái Lớn tới 60–65 km. Đây là kịch bản bất lợi nhất cho khả năng pha loãng và tiêu thoát ô nhiễm của nguồn nước mặt.

2. Tiêu chí lựa chọn quy mô các nguồn xả thải đưa vào tính toán trong luận án là gì?

Luận án tập trung đánh giá các đối tượng xả nước thải có lưu lượng phát sinh $\ge 50\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$. Đây là ngưỡng xả thải phổ biến đối với các nguồn thải điểm có tác động liên tỉnh theo quy định tại Thông tư 37/2017/TT-BTNMT, bao gồm các đô thị, cụm/khu công nghiệp, nhà máy chế biến và vùng nuôi trồng thủy sản tập trung.

3. Lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước đóng vai trò gì trong việc giải quyết mục tiêu của luận án?

Lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước (do GS.TS Nguyễn Ân Niên khởi xướng và GS.TS Tăng Đức Thắng phát triển) cho phép tính toán định lượng tỷ lệ thể tích ($P_i$) và lưu lượng ($Q_i$) của từng dòng nước có xuất xứ khác nhau (từ biên sông Hậu, biên biển, hay từng nguồn nước thải nội vùng) tại mọi vị trí mặt cắt sông kênh theo thời gian. Công cụ này giúp xác định chính xác cơ chế lan truyền, phạm vi ảnh hưởng và mức độ đóng góp ô nhiễm của từng nguồn thải riêng biệt.

4. Quá trình lan truyền nước thải nuôi trồng thủy sản không thường xuyên được mô phỏng tại những tiểu vùng nào và thời gian lưu chuyển ra sao?

Nước thải NTTS được 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) qua các mốc thời gian sau khi xả (3 ngày, 7 ngày, 14/15 ngày và 30 ngày). Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng do các vùng nuôi nằm sâu trong nội đồng, dòng chảy tiêu thoát yếu nên nước thải ao nuôi tồn lưu và lan truyền chậm trong kênh rạch, sau 15 đến 30 ngày tỷ lệ nước thải vẫn còn hiện diện đáng kể trong hệ thống.

5. Phương pháp Bayes (BMA) được sử dụng nhằm mục đích gì trong bài toán dự báo chất lượng nước?

Phương pháp Bayes Trung bình Mô hình (BMA) khai thác nhân tố Bayes Factor (BF) và tiêu chuẩn thông tin BIC nhằm lựa chọn tập hợp các thông số chất lượng nước đặc trưng nhất có mối tương quan thực tế với chỉ số WQI. Phương pháp này khắc phục nhược điểm thừa biến (đưa vào các biến không có tác động thực tế) vốn thường gặp trong mô hình hồi quy tuyến tính đa biến truyền thống.

---

Kết luận

Luận án đã định lượng toàn diện lưu lượng và tải lượng của các nguồn xả thải chính (sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản) gây ô nhiễm nước mặt vùng Bán đảo Cà Mau qua các mốc thời gian 2016, 2020 và 2030. Bằng việc ứng dụng mô hình MIKE 11 kết hợp Lý thuyết lan truyền các thành phần nguồn nước, phương pháp Bayes BMA và các thuật toán học máy, công trình đã làm sáng tỏ cơ chế, phạm vi và mức độ lan truyền ô nhiễm từ các nguồn biên và nguồn thải nội vùng. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công cụ định lượng phục vụ công tác quy hoạch thủy lợi, quản lý nguồn nước và đề xuất các giải pháp kỹ thuật kiểm soát ô nhiễm môi trường nước mặt tại vùng Bán đảo Cà Mau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.