Nghiên Cứu Ứng Dụng Mô Hình BASINS Phục Vụ Quản Lý Chất Lượng Nước Lưu Vực Sông Nhuệ

Nghiên cứu ứng dụng mô hình basins trong quản lý chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ Đáy, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

• Tác giả: Nguyễn Thị Bích Ngọc
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Lê Tuấn
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học Môi Trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Mô Hình BASINS Trong Quản Lý Chất Lượng Nước Lưu Vực Sông Nhuệ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội LVS Nhuệ - Đáy
• 1.1.1. Điều kiện tự nhiên
• 1.1.1.1. Vị trí địa lý LVS Nhuệ - Đáy là một trong những lưu vực sông lớn của nước ta, có vị trí địa lí đặc biệt: đa dạng và phong phú về các hệ sinh thái và tài nguyên; đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong nền kinh tế của cả nước nói chung, của vùng đồng bằng sông Hồng nói riêng
• 1.1.2. Địa hình, địa chất khoáng sản
• 1.1.3. Đặc điểm khí hậu, thủy văn
• 1.1.3.1. Đặc điểm khí hậu
• 1.1.3.2. Đặc điểm thủy văn
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phương pháp mô hình toán thủy văn
• 2.2.2. Phương pháp kế thừa, phân tích các tài liệu từ các nguồn hiện có
• 2.2.3. Phương pháp xây dựng bản đồ kết hợp hệ thống thông tin địa lý (GIS)
• 2.2.4. Phương pháp khảo sát thực địa
• 2.2.5. Phương pháp lấy mẫu hiện trường
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH BASINS PHỤC VỤ QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG NƯỚC LVS NHUỆ ĐÁY
• 3.1. Thiết lập cơ sở dữ liệu
• 3.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình BASINS
• 3.3. Mô phỏng chất lượng nước trên LVS Nhuệ - Đáy ứng với các kịch bản
• 3.3.1. Mô phỏng chất lượng nước trên LVS Nhuệ - Đáy ứng với kịch bản 1
• 3.3.2. Mô phỏng chất lượng nước trên LVS Nhuệ - Đáy ứng với kịch bản 2
• 3.3.3. Mô phỏng chất lượng nước trên LVS Nhuệ - Đáy ứng với kịch bản 3
• 3.4. Nhận xét chung về kết quả tính toán đạt được
• 3.5. Đề xuất các giải pháp bảo vệ chất lượng nước LVS Nhuệ - Đáy
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Ứng Dụng Mô Hình BASINS Sông Nhuệ

Lưu vực sông Nhuệ - Đáy đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội vùng đồng bằng sông Hồng. Với diện tích 7.388 km2 và dân số khoảng 11,3 triệu người, lưu vực này đối mặt với nhiều thách thức về quản lý chất lượng nước. Tình trạng ô nhiễm nguồn nước trên sông Nhuệ và sông Đáy đang gây ảnh hưởng tiêu cực đến kinh tế, xã hội và môi trường. Nghiên cứu ứng dụng mô hình BASINS được thực hiện nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong việc xây dựng chiến lược phát triển bền vững và đảm bảo an ninh xã hội. Luận văn tập trung vào việc đánh giá hiện trạng, xây dựng mô hình và đề xuất giải pháp quản lý chất lượng nước hiệu quả cho lưu vực này.

1.1. Điều Kiện Tự Nhiên và Kinh Tế Xã Hội Lưu Vực Sông Nhuệ

Lưu vực sông Nhuệ - Đáy có vị trí địa lý đặc biệt, trải dài qua 5 tỉnh thành: Hà Nội, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hòa Bình. Địa hình đa dạng từ vùng núi đến đồng bằng và ven biển. Khí hậu nhiệt đới gió mùa với mùa đông lạnh và mùa hè nóng ẩm. Mạng lưới sông ngòi dày đặc, bao gồm sông Nhuệ, sông Đáy, sông Tô Lịch, sông Tích, sông Hoàng Long... Kinh tế chủ yếu là nông nghiệp, công nghiệp và dịch vụ. Dân cư tập trung đông đúc, gây áp lực lớn lên tài nguyên nước và môi trường. Theo [17], lưu vực nằm từ 200 - 21020’ vĩ độ Bắc và 105 0 - 106 030’ kinh độ Đông.

1.2. Hiện Trạng Chất Lượng Nước Sông Nhuệ Đáy Báo Động

Chất lượng nước trên sông Nhuệ và sông Đáy đang suy giảm nghiêm trọng do ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp. Các chỉ số như COD, BOD5, NH4+-N vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Tình trạng ô nhiễm gây ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng, sản xuất nông nghiệp và các hoạt động kinh tế khác. Theo [10], hàm lượng COD, BOD5, NH4+-N trên sông Nhuệ năm 2014 đều vượt ngưỡng cho phép.

II. Thách Thức Quản Lý Chất Lượng Nước Lưu Vực Sông Nhuệ

Lưu vực sông Nhuệ - Đáy đối mặt với nhiều thách thức trong quản lý chất lượng nước. Các áp lực chính bao gồm: gia tăng dân số, phát triển công nghiệp và đô thị hóa nhanh chóng, sử dụng phân bón và thuốc trừ sâu trong nông nghiệp, hệ thống xử lý nước thải chưa đáp ứng yêu cầu. Biến đổi khí hậu cũng gây ảnh hưởng đến nguồn nước và chất lượng nước. Việc thiếu sự phối hợp giữa các địa phương và các ngành chức năng cũng là một trở ngại lớn trong quản lý chất lượng nước hiệu quả.

2.1. Các Áp Lực Chính Gây Ô Nhiễm Nguồn Nước Sông Nhuệ

Các áp lực chính dẫn đến suy thoái chất lượng nước tại lưu vực sông Nhuệ - Đáy bao gồm: xả thải trực tiếp từ các khu công nghiệp, khu dân cư và bệnh viện; sử dụng quá mức phân bón và thuốc trừ sâu trong nông nghiệp; hệ thống thoát nước và xử lý nước thải chưa hoàn thiện; ý thức bảo vệ môi trường của người dân còn hạn chế. Chất thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt là những nguồn ô nhiễm chính.

2.2. Tác Động Của Biến Đổi Khí Hậu Đến Chất Lượng Nước Sông

Biến đổi khí hậu gây ra những tác động tiêu cực đến nguồn nước và chất lượng nước trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy. Tình trạng hạn hán kéo dài làm giảm lưu lượng dòng chảy, tăng độ mặn và nồng độ các chất ô nhiễm. Các trận mưa lớn gây ra lũ lụt, cuốn trôi chất thải và làm ô nhiễm nguồn nước. Sự thay đổi nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến các quá trình sinh hóa trong nước.

III. Phương Pháp Ứng Dụng Mô Hình BASINS Quản Lý Nước Sông Nhuệ

Mô hình BASINS (Better Assessment Science Integrating Point and Nonpoint Sources) là một công cụ hữu hiệu để mô phỏng chất lượng nước và đánh giá tác động của các nguồn ô nhiễm. Mô hình này tích hợp các dữ liệu về địa hình, khí hậu, thủy văn, sử dụng đất và các nguồn thải để xây dựng kịch bản và dự báo chất lượng nước. Việc ứng dụng mô hình BASINS giúp các nhà quản lý đưa ra các quyết định quản lý nước dựa trên cơ sở khoa học và thực tiễn.

3.1. Tổng Quan Về Mô Hình BASINS và Các Mô Hình Thành Phần

Mô hình BASINS là một hệ thống tích hợp các mô hình toán để mô phỏng các quá trình thủy văn, chất lượng nước và sinh thái trong lưu vực sông. Các mô hình thành phần bao gồm: SWAT (Soil and Water Assessment Tool) để mô phỏng dòng chảy và tải lượng chất ô nhiễm từ đất; HSPF (Hydrological Simulation Program - FORTRAN) để mô phỏng các quá trình thủy văn và chất lượng nước trong sông; QUAL2K để mô phỏng chất lượng nước trong sông.

3.2. Quy Trình Sử Dụng Mô Hình BASINS Đánh Giá Chất Lượng Nước

Quy trình sử dụng mô hình BASINS bao gồm các bước sau: thu thập và xử lý dữ liệu; xây dựng mô hình; hiệu chỉnh và kiểm định mô hình; xây dựng kịch bản; mô phỏng và đánh giá kết quả; đề xuất giải pháp quản lý chất lượng nước. Việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của kết quả mô phỏng.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Ứng Dụng BASINS Cho Lưu Vực Sông Nhuệ

Nghiên cứu đã ứng dụng mô hình BASINS để mô phỏng chất lượng nước trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy. Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình có khả năng tái hiện khá tốt diễn biến chất lượng nước trên sông. Các kịch bản mô phỏng được xây dựng để đánh giá tác động của các giải pháp quản lý chất lượng nước, như: kiểm soát nguồn thải, cải tạo hệ thống thoát nước, áp dụng các biện pháp canh tác bền vững.

4.1. Thiết Lập Cơ Sở Dữ Liệu Cho Mô Hình BASINS Chi Tiết

Việc thiết lập cơ sở dữ liệu cho mô hình BASINS bao gồm: thu thập dữ liệu về địa hình, khí hậu, thủy văn, sử dụng đất, các nguồn thải và chất lượng nước. Dữ liệu được thu thập từ các nguồn khác nhau, như: Cục Thống kê, Tổng cục Môi trường, các trạm quan trắc và các nghiên cứu trước đây. Dữ liệu được xử lý và chuẩn hóa để phù hợp với định dạng của mô hình BASINS.

4.2. Hiệu Chỉnh và Kiểm Định Mô Hình BASINS Độ Tin Cậy

Việc hiệu chỉnh mô hình BASINS được thực hiện bằng cách điều chỉnh các thông số của mô hình để kết quả mô phỏng phù hợp với dữ liệu quan trắc. Việc kiểm định mô hình được thực hiện bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu quan trắc độc lập. Các chỉ số thống kê như NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency) và R2 (Coefficient of Determination) được sử dụng để đánh giá độ tin cậy của mô hình.

4.3. Mô Phỏng Chất Lượng Nước Với Các Kịch Bản Quản Lý Khác Nhau

Các kịch bản mô phỏng được xây dựng để đánh giá tác động của các giải pháp quản lý chất lượng nước. Ví dụ, kịch bản 1: giữ nguyên hiện trạng; kịch bản 2: kiểm soát nguồn thải; kịch bản 3: áp dụng các biện pháp canh tác bền vững. Kết quả mô phỏng cho thấy việc kiểm soát nguồn thải và áp dụng các biện pháp canh tác bền vững có thể cải thiện đáng kể chất lượng nước trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy.

V. Giải Pháp Quản Lý Chất Lượng Nước Lưu Vực Sông Nhuệ

Dựa trên kết quả nghiên cứu, một số giải pháp quản lý chất lượng nước được đề xuất cho lưu vực sông Nhuệ - Đáy: tăng cường kiểm soát nguồn thải, xây dựng và nâng cấp hệ thống xử lý nước thải, áp dụng các biện pháp canh tác bền vững, nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo vệ môi trường, tăng cường sự phối hợp giữa các địa phương và các ngành chức năng.

5.1. Đề Xuất Các Giải Pháp Bảo Vệ Chất Lượng Nước Sông Nhuệ

Các giải pháp bảo vệ chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy bao gồm: kiểm soát chặt chẽ các nguồn thải công nghiệp và sinh hoạt; xây dựng và vận hành hiệu quả các hệ thống xử lý nước thải tập trung; khuyến khích sử dụng phân bón hữu cơ và thuốc trừ sâu sinh học trong nông nghiệp; phục hồi các vùng đất ngập nước để tăng khả năng tự làm sạch của nguồn nước; tăng cường quan trắc chất lượng nước và công khai thông tin cho cộng đồng.

5.2. Chính Sách Quản Lý Nước Hiệu Quả Cho Lưu Vực Sông Nhuệ

Các chính sách quản lý nước hiệu quả cho lưu vực sông Nhuệ - Đáy bao gồm: xây dựng và thực thi các quy định về xả thải; áp dụng các công cụ kinh tế như phí xả thải và thuế môi trường; khuyến khích sự tham gia của cộng đồng vào quản lý nước; tăng cường hợp tác quốc tế trong chia sẻ kinh nghiệm và công nghệ quản lý nước.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Mô Hình BASINS

Nghiên cứu đã thành công trong việc ứng dụng mô hình BASINS để mô phỏng chất lượng nước trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng các giải pháp quản lý chất lượng nước hiệu quả. Hướng nghiên cứu tiếp theo là hoàn thiện mô hình BASINS bằng cách tích hợp thêm các yếu tố về kinh tế - xã hội và biến đổi khí hậu.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đóng Góp Khoa Học

Nghiên cứu đã đánh giá được hiện trạng chất lượng nước trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy, xây dựng và hiệu chỉnh mô hình BASINS, mô phỏng các kịch bản quản lý chất lượng nước và đề xuất các giải pháp bảo vệ nguồn nước. Đóng góp khoa học của nghiên cứu là cung cấp một công cụ hữu hiệu để hỗ trợ ra quyết định trong quản lý chất lượng nước.

6.2. Hướng Phát Triển và Ứng Dụng Mô Hình BASINS Trong Tương Lai

Hướng phát triển và ứng dụng mô hình BASINS trong tương lai là: tích hợp thêm các yếu tố về kinh tế - xã hội và biến đổi khí hậu; xây dựng giao diện thân thiện với người dùng; phát triển các công cụ trực quan hóa kết quả mô phỏng; mở rộng phạm vi ứng dụng cho các lưu vực sông khác ở Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Nhuệ - Đáy giữ vị trí chiến lược đặc biệt quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội của vùng đồng bằng sông Hồng, bao phủ diện tích tự nhiên 7.388 km2 với mạng lưới sông ngòi trải dài qua 5 tỉnh, thành phố gồm Hà Nội, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình và Hòa Bình. Với quy mô dân số năm 2013 đạt 11.306,3 nghìn người cùng mật độ dân số trung bình 956,2 người/km2, lưu vực đang phải đối mặt với áp lực gia tăng ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng. Nguồn nước hàng năm của lưu vực đạt khoảng 28,8 tỷ m3 nhưng chất lượng nước mặt bị suy thoái mạnh mẽ do tiếp nhận hơn 1.942 nguồn thải lỏng chưa qua xử lý đạt chuẩn, trong đó có 1.639 cơ sở sản xuất công nghiệp, 143 làng nghề và 132 cơ sở y tế.

Mục tiêu cụ thể của đề tài là ứng dụng hệ thống công cụ mô hình hóa BASINS (Better Assessment Science Integrating Point and Nonpoint Sources) phiên bản 4.1 nhằm mô phỏng biến động lưu lượng dòng chảy và tải lượng các chất ô nhiễm chính như oxy hòa tan (DO), nhu cầu oxy sinh học (BOD5), amoni (NH4+) và photphat (PO4 3-). Phạm vi không gian nghiên cứu tập trung trên toàn bộ trục chính hệ thống sông Nhuệ và sông Đáy thuộc địa bàn Hà Nội, Hà Nam, Ninh Bình trong giai đoạn dữ liệu từ năm 2008 đến 2014. Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng phục vụ công tác quy hoạch phân bổ tải lượng ô nhiễm, hỗ trợ các nhà quản lý nâng cao hiệu quả kiểm soát chất lượng nước lưu vực sông liên tỉnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống mô hình môi trường đa mục tiêu BASINS do Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) phát triển, tích hợp trên nền tảng hệ thống thông tin địa lý mã nguồn mở MapWindowGIS. Khung mô hình vận hành dựa trên sự kết hợp giữa mô-đun thủy văn HSPF (Hydrological Simulation Program - FORTRAN) và công cụ đánh giá thực hành quản lý tốt nhất BMP (Best Management Practice). Mô hình SWMM cũng được tham chiếu để mô tả dòng chảy tràn đô thị, trong khi SWAT hỗ trợ nhận diện các quá trình xói mòn và lan truyền dinh dưỡng từ đất nông nghiệp.

Về mặt lý thuyết, cơ chế dòng chảy lưu vực được xác định thông qua phương trình cân bằng nước tổng quát: R = P - ET - IG - delta S (trong đó R là tổng dòng chảy mặt, P là lượng mưa, ET là lượng bốc thoát hơi nước, IG là lượng thấm vào tầng ngậm nước ngầm và delta S là độ biến thiên lượng trữ). Động học chất lượng nước trong lòng dẫn được mô phỏng dựa trên các phương trình truyền dẫn - phân hủy vi phân bậc nhất biểu diễn sự tương tác phức tạp giữa quá trình tái tạo oxy khí quyển, nhu cầu oxy của trầm tích đáy, quá trình nitrat hóa oxy hóa hợp chất amoni và chu trình chuyển hóa photpho vô cơ hòa tan.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp mô hình toán kết hợp GIS được lựa chọn làm công cụ cốt lõi nhờ khả năng tích hợp linh hoạt dữ liệu không gian và phân tích đồng thời cả nguồn thải điểm tập trung lẫn nguồn diện phân tán trên phạm vi diện tích rộng lớn 7.388 km2. Cỡ mẫu dữ liệu địa lý bao gồm mô hình độ cao số hóa DEM và bản đồ phân loại thảm phủ đất vệ tinh USGS độ phân giải 500m, được bóc tách thành 16 loại hình sử dụng đất khác nhau (trong đó đất trồng trọt chiếm 57,25% với 4.204,82 km2 và đất đô thị chiếm 4,09% với 300,05 km2).

Nguồn dữ liệu chuỗi thời gian khí tượng được thu thập đầy đủ theo bước thời gian ngày tại 2 trạm khí tượng đại diện là trạm Láng và trạm Phủ Lý cho hai mốc năm 2008 và 2012. Số liệu thủy văn lưu lượng thực đo tại trạm Lâm Sơn trên sông Bùi được sử dụng làm căn cứ hiệu chỉnh và kiểm nghiệm các thông số dòng chảy. Dữ liệu chất lượng nước mặt được thu thập thông qua phương pháp lấy mẫu hiện trường và kế thừa kết quả quan trắc định kỳ năm 2014 của Tổng cục Môi trường với cỡ mẫu 10 trạm đo trên sông Nhuệ và 19 trạm đo trên sông Đáy qua 4 đợt khảo sát, đảm bảo tính đại diện cao cho cả mùa kiệt lẫn mùa lũ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HSPF trong hệ thống BASINS tại trạm thủy văn Lâm Sơn cho thấy mức độ tương thích rất cao giữa đường quá trình lưu lượng tính toán và lưu lượng thực tế đo đạc trong cả hai chuỗi số liệu năm 2008 và năm 2012, với hệ số tương quan đạt trên 0,85. Điều này khẳng định bộ thông số dòng chảy của mô hình hoàn toàn tin cậy để phục vụ bài toán mô phỏng tải lượng ô nhiễm.

Kết quả đánh giá hiện trạng cho thấy môi trường nước mặt sông Nhuệ bị ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng nghiêm trọng. 10 trên 10 trạm quan trắc dọc sông Nhuệ có nồng độ amoni (NH4+-N) vượt ngưỡng quy chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT cột B1 nhiều lần, với điểm nóng ô nhiễm cao nhất ghi nhận tại trạm Phúc La và Cầu Tó. Đối với sông Đáy, hiện tượng ô nhiễm mang tính cục bộ rõ rệt: 18 trên 19 điểm quan trắc đạt chuẩn BOD5 loại B1 (ngoại trừ trạm Cầu Mai Lĩnh), nhưng có đến 14 trên 19 vị trí quan trắc có hàm lượng NH4+-N vượt quy chuẩn loại A2.

Kết quả mô phỏng theo 3 kịch bản quản lý cho thấy: Kịch bản 1 phản ánh đúng hiện trạng suy giảm chất lượng nước nghiêm trọng vào mùa cạn; Kịch bản 2 (áp dụng dải lọc sinh học BMP trên đất nông nghiệp) giúp cắt giảm từ 15% đến 25% tải lượng đạm và lân phân tán; Kịch bản 3 (kiểm soát điểm thải tập trung tại 3 tiểu lưu vực trọng điểm 2, 11 và 13) mang lại hiệu quả vượt trội khi nâng hàm lượng oxy hòa tan DO từ dưới 2,0 mg/L lên trên 4,5 mg/L, đồng thời giảm nồng độ BOD5 và NH4+ từ 30% đến 45%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn tới tình trạng suy thoái chất lượng nước sông Nhuệ là do tiếp nhận trực tiếp nguồn nước thải sinh hoạt khổng lồ từ nội thành Hà Nội qua sông Tô Lịch và đập Thanh Liệt với lưu lượng xả trung bình từ 11 đến 17 m3/s, cực đại lên tới 30 m3/s. Mỗi ngày, thành phố Hà Nội thải vào lưu vực khoảng 370.000 m3 nước thải sinh hoạt. Ngoài ra, trên toàn lưu vực có 1.639 cơ sở công nghiệp xả thải ước tính 549.000 m3/ngày và 143 làng nghề với hơn 100 ngàn hộ sản xuất xả thải khoảng 203.000 m3/ngày mà 100% chưa qua hệ thống xử lý tập trung.

Diễn biến chất lượng nước được minh chứng rõ qua các biểu đồ phân tích tương quan và biểu đồ đường quá trình diễn toán nồng độ các chất ô nhiễm dọc theo chiều dài dòng chảy. Bảng ma trận so sánh giữa các kịch bản cho thấy sự kết hợp giữa giải pháp phi công trình (quản lý dải lọc nông nghiệp) và công trình (trạm xử lý nước thải đô thị) là chìa khóa then chốt để khôi phục hệ sinh thái thủy vực sông Nhuệ - Đáy đạt mục tiêu bảo vệ nguồn nước theo quy định hiện hành.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Đẩy nhanh tiến độ xây dựng và vận hành thương mại hệ sinh thái 24 nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt tập trung tại các đô thị thuộc lưu vực, ưu tiên vận hành trạm xử lý nước thải Yên Xá công suất 270.000 m3/ngày đêm, trạm Phú Đô công suất 84.000 m3/ngày đêm và Phú Diễn công suất 58.000 m3/ngày đêm nhằm giảm tối thiểu 70% tải lượng hữu cơ đô thị trước năm 2020. Chủ thể thực hiện là Ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội phối hợp với Sở Xây dựng.

2. Triển khai mô hình dải đệm thực vật lọc sinh học BMP trên diện tích 4.204,82 km2 đất sản xuất nông nghiệp và vùng trồng cây xen kẽ ven bờ sông Nhuệ, sông Đáy, hướng tới mục tiêu giữ lại từ 20% đến 30% dư lượng phân bón hóa học và thuốc bảo vệ thực vật trước khi chảy vào lòng dẫn trong giai đoạn 2016 - 2022. Trách nhiệm triển khai thuộc về Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn các tỉnh Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình.

3. Rà soát, thanh tra và bắt buộc 1.639 cơ sở công nghiệp cùng 143 làng nghề trên toàn lưu vực đầu tư hệ thống xử lý nước thải cục bộ đạt chuẩn kỹ thuật môi trường, kiên quyết đình chỉ hoạt động các cơ sở không có hệ thống xử lý đạt chuẩn nhằm cắt giảm 549.000 m3 nước thải công nghiệp chưa qua xử lý mỗi ngày. Giao Sở Tài nguyên và Môi trường 5 tỉnh thành chủ trì thực hiện từ năm 2016.

4. Nâng cấp hệ thống quan trắc tự động liên tục chất lượng nước mặt tại các điểm phân lưu, hợp lưu trọng yếu và tăng cường điều tiết lưu lượng dòng chảy bổ cập từ sông Hồng qua cống Liên Mạc đạt lưu lượng tối thiểu 250 m3/s trong mùa khô để thau rửa dòng chảy. Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng Ủy ban Quản lý Lưu vực sông Nhuệ - Đáy giữ vai trò điều phối chính.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Các nhà quản lý môi trường và cơ quan hoạch định chính sách tại Tổng cục Môi trường, Ủy ban nhân dân và Sở Tài nguyên và Môi trường 5 tỉnh trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy, sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo xây dựng đề án bảo vệ môi trường lưu vực và hạn ngạch xả nước thải.
• Các kỹ sư môi trường, chuyên gia quy hoạch hạ tầng tài nguyên nước tại các viện nghiên cứu và công ty tư vấn, ứng dụng mô hình BASINS và WinHSPF để tính toán cân bằng nước và thiết kế mạng lưới trạm xử lý nước thải lưu vực.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Tài nguyên nước, Thủy văn học tại các trường đại học, khai thác khung phương pháp luận mô hình hóa kết hợp GIS cho các đề tài nghiên cứu tương tự.
• Ban quản lý các khu công nghiệp, cụm công nghiệp và đại diện hiệp hội làng nghề, tham khảo số liệu đánh giá phát thải để xây dựng phương án giảm thiểu tác động môi trường và tuân thủ các quy chuẩn xả thải quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình BASINS có ưu điểm nổi bật gì so với các mô hình thủy văn truyền thống?
Mô hình BASINS tích hợp môi trường dữ liệu không gian GIS với các mô-đun thủy văn mạnh như HSPF, SWMM và SWAT, cho phép mô phỏng đồng thời nguồn điểm và nguồn diện trên lưu vực rộng 7.388 km2. Hệ thống giúp giảm thiểu thời gian tính toán và trích xuất kết quả trực quan dưới dạng bản đồ, biểu đồ phân tích chi tiết.

Tình trạng ô nhiễm trên sông Nhuệ nghiêm trọng nhất ở những thông số nào?
Kết quả quan trắc chỉ ra rằng thông số oxy hóa học COD, oxy sinh học BOD5 và cation amoni NH4+-N trên sông Nhuệ đều vượt quy chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT loại B1 nhiều lần. Đặc biệt, 10 trên 10 trạm quan trắc dọc tuyến sông đều ghi nhận nồng độ amoni vượt chuẩn cho phép, điển hình tại khu vực trạm Phúc La và Cầu Tó.

Nguyên nhân chính gây ô nhiễm nguồn nước sông Đáy bắt nguồn từ đâu?
Nước sông Đáy bị ô nhiễm cục bộ chủ yếu do tiếp nhận nước thải sinh hoạt từ quận Hà Đông qua khu vực Cầu Mai Lĩnh, tiếp nhận nước từ sông Bùi tại Ba Thá và hợp lưu nước ô nhiễm từ sông Nhuệ tại Phủ Lý. Ngoài ra, dòng chảy sông Đáy bị suy giảm nghiêm trọng từ khi đập Đáy không mở thường xuyên.

Mô-đun BMP trong hệ thống BASINS mang lại lợi ích gì trong quản lý lưu vực?
Mô-đun BMP cho phép thiết lập và mô phỏng hiệu quả của các giải pháp phi công trình như dải đệm thực vật lọc dòng chảy tràn. Trên 4.204,82 km2 đất nông nghiệp của lưu vực, việc áp dụng BMP giúp làm chậm tốc độ dòng chảy bề mặt và hấp thụ từ 15% đến 25% lượng dinh dưỡng nitơ, photpho phát tán.

Tại sao việc vận hành trạm xử lý nước thải Yên Xá lại có ý nghĩa quyết định với sông Nhuệ?
Trạm xử lý Yên Xá có công suất thiết kế lên tới 270.000 m3/ngày đêm, chiếm phần lớn lượng nước thải sinh hoạt 370.000 m3/ngày xả ra từ Hà Nội. Việc đưa trạm vào vận hành sẽ ngăn chặn trực tiếp nguồn ô nhiễm hữu cơ chính đổ vào sông Tô Lịch và chuyển sang sông Nhuệ qua đập Thanh Liệt.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công bộ cơ sở dữ liệu không gian và thuộc tính đồng bộ cho toàn bộ lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên hệ thống phần mềm BASINS 4.1.
• Hiệu chỉnh và kiểm định thành công mô hình thủy văn HSPF với hệ số tương quan cao dựa trên dữ liệu khí tượng và lưu lượng thực đo tại trạm Lâm Sơn qua các năm 2008 và 2012.
• Đánh giá định lượng hiện trạng ô nhiễm hữu cơ và amoni nghiêm trọng trên hệ thống sông, chỉ rõ 1.942 nguồn thải lỏng là nguyên nhân cốt lõi gây suy thoái chất lượng nước mặt.
• Xây dựng và mô phỏng chính xác 3 kịch bản quản lý môi trường nước, chứng minh giải pháp kết hợp dải lọc BMP nông nghiệp và kiểm soát nguồn thải tập trung giúp nâng cao đáng kể nồng độ DO và giảm hơn 30% hàm lượng BOD5.
• Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp quy hoạch, kỹ thuật công trình và chính sách quản lý khả thi, đóng góp luận cứ khoa học thực tiễn vững chắc cho công tác quản trị môi trường lưu vực sông liên tỉnh giai đoạn tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan các vấn để nghiên cứu Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả nghiên cứu ứng dụng mô hình BASINS phục vụ quản lý chất lượng nước LVS Nhuệ - Đáy Kết luận và kiến nghị. 1 z CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội LVS Nhuệ - Đáy 1. Điều kiện tự nhiên 1.

Vị trí địa lý LVS Nhuệ - Đáy là một trong những lưu vực sông lớn của nước ta, có vị trí địa lí đặc biệt: đa dạng và phong phú về các hệ sinh thái và tài nguyên; đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong nền kinh tế của cả nước nói chung, của vùng đồng bằng sông Hồng nói riêng. Lưu vực nằm ở hữu ngạn sông Hồng với diện tích tự nhiên 7.388 km2 (riêng phần LVS Đáy là 6.965 km2 ), nằm từ 200 - 21020’ vĩ độ Bắc và 105 0 - 106 030’ kinh độ Đông [17]. Phạm vi LVS Nhuệ - Đáy hiện nay bao gồm các thành phố, quận huyện, thị xã thuộc 5 tỉnh, thành phố gồm: Hà Nội, Hà Nam, Nam Định, Hòa Bình. - Thành phố Hà Nội: bao gồm các quận: Ba Đình, Bắc Từ Liệm, Cầu Giấy, Đống Đa, Hà Đông, Hai Bà Trưng, Hoàn Kiếm, Hoàng Mai, Nam Từ Liêm, Tây Hồ, Thanh Xuân; Các huyện: Ba Vì, Chương Mỹ, Đan Phượng, Hoài Đức, Mỹ Đức, Phú Xuyên, Phúc Thọ, Quốc Oai, Sóc Sơn, Thanh Oai, Thanh Trì, Thạch Thất, Thường Tín, Ứng Hòa; Thị xã Sơn Tây.

- Tỉnh Hà Nam: bao gồm thành phố Phủ Lý và các huyện: Kim Bảng, Lý Nhân, Thanh Liêm, Bình Lục, Duy Tiên. - Tỉnh Ninh Bình: gồm thành phố Ninh Bình, thị xã Tam Điệp, các huyện: Nho Quan, Gia Viễn, Hoa Lư, Kim Sơn, Yên Khánh, Yên Mô. - Tỉnh Nam Định: gồm thành phố Nam Định và các huyện: Vụ Bản, Ý Yên, Mỹ Lộc, Nam Trực, Trực Ninh, Xuân Trường, Giao Thủy, Hải Hậu, Nghĩa Hưng. - Tỉnh Hòa Bình gồm các huyện: Kỳ Sơn, Lương Sơn, Kim Bôi, Yên Thủy và Lạc Thủy.

Bản đồ lưu vực hệ thống sông Nhuệ - Đáy 3 z Lưu vực được giới hạn như sau: - Phía Bắc và phía Đông được bao bởi đê sông Hồng kể từ ngã ba Trung Hà tới cửa Ba Lạt với chiều dài khoảng 242 km; - Phía Tây Bắc giáp sông Đà từ Ngòi Lát tới Trung Hà với chiều dài khoảng 33 km; - Phía Tây và Tây Nam là đường phân lưu giữa LVS Hồng và LVS Mã bởi dãy núi Ba Vì, Cúc Phương - Tam Điệp, kết thúc tại núi Mai An Tiêm (nơi có sông Tống gặp sông Cầu Hội) và tiếp theo là sông Càn dài 10 km rồi đổ ra biển tại cửa Càn; Phía Đông và Đông Nam là biển Đông có chiều dài khoảng 95 km từ cửa Ba Lạt tới cửa Càn. Địa hình, địa chất khoáng sản Nằm trải dài theo phương vĩ tuyến từ Hà Tây cũ đến Nam Định lại chịu ảnh hưởng của nhiều đới cấu trúc địa chất khác nhau khiến cho địa hình khu vực nghiên cứu có sự phân hóa tương phản thể hiện rõ nét theo hướng Tây - Đông và hướng Bắc - Nam. Xét về mặt cấu trúc ngang đi từ Tây sang Đông có thể chia địa hình khu vực nghiên cứu thành các vùng chính như sau: vùng núi, vùng đồng bằng và cửa sông ven biển. Địa hình trong phạm vi LVS Nhuệ - Đáy khá đa dạng về nguồn gốc cũng như về hình thái.

Tổng hợp kết quả nghiên cứu trên lưu vực đã xác định được 39 dạng địa hình thuộc 5 nhóm nguồn gốc có tuổi khác nhau. Các khoáng sản trong khu vực được thành tạo trong quá trình mácma, pecmatit, nhiệt dịch, trầm tích, biến chất, phong hóa và sa khoáng hiện đại; trong đó nhóm nguồn gốc ngoại sinh (trầm tích, phong hóa) đóng vai trò chủ yếu. Kết quả thống kê theo các tài liệu nghiên cứu đã thu thập được cho thấy: trong trên toàn bộ lưu vực có 98 mỏ và điểm mỏ khoáng sản các loại với 4 nhóm khoáng sản chính là : - Nhóm khoáng sản nhiên liệu (than đá, than bùn): gồm 10 mỏ và điểm quặng, chiếm 9,8%. - Nhóm khoáng sản kim loại (sắt, vàng): gồm 7 điểm quặng, chiếm 6,86%.

4 z - Nhóm khoáng sản không kim lo ại: gồm 80 mỏ và điểm quặng, chiếm số lượng lớn (78,4%) và có giá trị sử dụng cao trong vùng nghiên cứu. Chúng bao gồm các lợi nguyên liệu công nghiệp, xi măng và vật liệu xây dựng. - Nhóm nước khoáng - nước nóng: trong khu vực nghiên cứu mới chỉ phát hiện và đang kí được 01 điểm mỏ nước khoáng Kim Bôi chiếm 0,98%. Mỏ đã được Sở Địa chất Đông Dương phát hiện từ những năm đầu của thế kỷ 20.

Đặc điểm khí hậu, thủy văn a, Đặc điểm khí hậu LVS Nhuệ - Đáy có nền khí hậu mang đầy đủ những thuộc tính cơ bản của khí hậu miền Bắc Việt Nam đó là nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, mùa đông khá lạnh và ít mưa, mùa hè nắng nóng nhiều mưa tạo nên bởi tác động qua lại của các yếu tố: bức xạ mặt trời, địa hình, các khối không khí luân phiên khống chế. - Chế độ nắng: Khu vực nghiên cứu nằm trong miền khí hậu nhiệt đới gió mùa, với lượng bức xạ tổng cộng trung bình năm khoảng 105 - 120 kcal/cm2 và có số giờ nắng thuộc loại trung bình, đạt khoảng 1600 - 1750 giờ/năm, trong đó tháng VII có số giờ nắng nhiều nhất đạt 200 - 230 giờ/tháng và tháng II, III có số giờ nắng ít nhất khoảng 25 - 45 giờ/tháng. Chế độ nắng cũng giống như chế độ nhiệt, nó ảnh hưởng đến tốc độ và dạng phân hủy các hợp chất hữu cơ và nồng độ oxy hòa tan trong nước. - Chế độ nhiệt: Chế độ nhiệt phân hóa rõ rệt theo đai cao trong khu vực nghiên cứu.

Nhiệt độ trung bình năm ở vùng thấp đạt từ 25 - 270 C, ở vùng đồi núi phía Tây và Tây Bắc nhiệt độ trung bình năm xấp xỉ 24 0C. Mùa đông nhiệt độ trung bình ở vùng cao giảm xuống còn 16 - 19 0C, mùa hè trung bình khoảng 22 0C; còn ở vùng thấp mùa đông nhiệt độ trung bình 18 - 20 0C, mùa hè từ 27 - 300C. Trong trường hợp cực đoan, nhiệt độ tối cao có thể lên tới 40 0 C, và nhiệt độ tối thấp có thể xuống tới dưới 00 C.Chế độ nhiệt của nước phụ thuộc vào chế độ nhiệt của không khí đã ảnh hưởng 5 z đến các quá trình hóa lý xảy ra trong nước, nó ảnh hưởng đến đời sống các vi sinh vật và vi khuẩn sống trong nước. [11] - Chế độ gió: Mùa đông gió có hướng thịnh hành là Đông Bắc, tần suất đạt 60 - 70%.

Một số nơi do ảnh hưởng của địa hình, hướng gió đổi thành Tây Bắc và Bắc, tần suất đạt 25 - 40%. Mùa hè các tháng V, VI, VII hướng gió ổn định, thịnh hành là Đông và Đông Nam, tần suất đạt 60 - 70%. Tháng VIII hướng gió phân tán, hướng thịnh hành nhất cũng chỉ đạt tần suất 20 - 25%. Các tháng chuyển tiếp hướng gió không ổn định, tần suất mỗi hướng thay đổi trung bình từ 10 - 15%.

[11] - Chế độ mưa ẩm: Do địa hình khu vực nghiên cứu đa dạng và phức tạp nên lượng mưa cũng biến đổi không đều theo không gian. Phần hữu ngạn của lưu vực có mưa khá lớn (X > 1800 mm), nhất là vùng đồi núi phía Tây (X > 2000 mm). Trung tâm mưa lớn nhất ở thượng nguồn sông Tích thuộc núi Ba Vì (X = 2200 - 2400 mm). Phần tả ngạn lưu vực, lượng mưa tương đối nhỏ (X = 1500 - 1800 mm), nhỏ nhất ở thượng nguồn sông Đáy, sông Nhuệ (X = 1500 mm), và lại tăng dần ra phía biển (X = 1800 - 2000 mm).

Mùa mưa trùng với thời lỳ mùa hè, từ tháng V - X, lượng mưa chiếm 80 - 85% tổng lượng mưa năm, đạt từ 1.800 mm với số ngày mưa vào khoảng 60 - 70 ngày. Lượng mưa các tháng mùa khô đều dưới 100 mm/tháng, trong đó tháng XII, I, II, III dưới 50 mm/tháng. Trong thời kỳ này, dòng chảy nhỏ, chủ yếu phụ thuộc vào thời gian mở cống Liên Mạc. [11] b, Đặc điểm thủy văn  Mạng lưới thủy văn trong LVS Nhuệ - Đáy - Sông Đáy Sông Đáy nguyên là một phân lưu lớn đầu tiên ở hữu ngạn sông Hồng, dài 237 km, bắt đầu từ cửa Hát Môn chảy theo hướng Đông Bắc - Tây Nam và đổ ra biển tại cửa Đáy.

Nhưng đến năm 1937, sau khi xây dựng xong đập Đáy nước sông Hồng 6 z không thường xuyên vào sông Đáy qua cửa đập Đáy trừ những năm phân lũ, vì vậy phần đầu nguồn sông (từ 0 km đến Ba Thá dài 71 km) sông Đáy coi như đoạn sông chết. Hiện tượng bồi lắng và nhân dân lấn đất canh tác cản trở việc thoát lũ mùa mưa. Lượng nước để nuôi sông Đáy chủ yếu là do các sông nhánh, quan trọng nhất là sông Tích, sông Bôi, sông Đào Nam Định, sông Nhuệ. Sông chảy theo hướng Tây Bắc – Đông Nam Hiện nay, sông Đáy đã bị xâm nhập mặn ở vùng hạ du.

Phần thượng và trung lưu cũng đã bị ô nhiễm do nguồn thải ở vùng dân cư tập trung, khu công nghiệp của các tỉnh Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình và Hà Nội, đặc biệt là úng, lụt ở vùng trũng Nam Định, Ninh Bình gây ô nhiễm môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng. [11] - Sông Nhuệ: Sông Nhuệ dài 74 km, lấy nước từ sông Hồng qua cống Liên Mạc để tưới cho hệ thống thủy nông Đan Hoài. Sông Nhuệ còn tiêu nước cho thành phố Hà Nội, quận Hà Đông và chảy vào sông Đáy tại thị xã Phủ Lý. Sông Nhuệ có diện tích lưu vực 1.070 km2, chiếm 13,95% trong tổng diện tích lưu vực.

Nước sông Tô Lịch thường xuyên xả vào sông Nhuệ với lưu lượng trung bình từ 11 - 17 m3/s, lưu lượng cực đại đạt 30 m3 /s. [11] - Những con sông thoát nước chính của Hà Nội: + Sông Tô Lịch: dài 14,6 km, rộng trung bình 40 - 45 m, sâu 3 - 4 m, bắt đầu từ cống Bưởi chảy qua địa phận Từ Liêm, Thanh Trì qua đập Thanh Liệt và đổ vào sông Nhuệ. Đoạn cuối sông Tô Lịch tiếp nhận nước của sông Lừ, sông Kim Ngưu và đảm nhận tiêu thoát toàn bộ nước thải của thành phố. + Sông Sét: dài 5,9 km, sộng 10 - 30 m, sâu 3 - 4 m, bắt nguồn từ cống Bà Triệu, hồ Bảy Mẫu rồi đổ ra sông Kim Ngưu ở Giáp Nhị.