Luận văn thạc sĩ hus nghiên cứu ứng dụng mô hình dòng chảy vật chất mfa và hệ thống thông tin địa lý gis đánh giá nguồn phát thải và biến đổi hàm lượng nitơ trong môi trường nước hệ thống sông thái bình

Nghiên cứu ứng dụng mô hình dòng chảy vật chất MFA và GIS để đánh giá nguồn phát thải và biến đổi hàm lượng nitơ trong hệ thống sông Thái Bình.

• Tác giả: Lê Phú Đồng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Văn Chính
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Phân Tích
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng mô hình dòng chảy vật chất (MFA) và hệ thống thông tin địa lý (GIS) đánh giá nguồn phát thải và biến đổi hàm lƣợng Nitơ trong môi trƣờng nƣớc hệ thống sông Thái Bình khu vực tỉnh Hải Dƣơng
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khái quát về điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội khu vực nghiên cứu
• 1.1.1. Vị trí địa lý
• 1.1.2. Địa hình, địa mạo
• 1.1.3. Đặc điểm về khí tượng – thủy văn
• 1.1.3.1. Điều kiện khí tượng
• 1.2. Phương pháp phân tích dòng chảy vật chất (MFA)
• 1.2.1. Lịch sử phát triển
• 1.2.2. Các ứng dụng của mô hình MFA trong môi trường
• 1.2.3. Giới thiệu về GIS (Geographic Information System)
• 1.2.3.1. Giới thiệu chung về GIS
• 1.2.3.2. Các ứng dụng của GIS trong lĩnh vực môi trường nước
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. Thiết bị, vật tư hóa chất
• 2.2. Thiết bị, dụng cụ
• 2.2.1. Vị trí các điểm lấy mẫu, quan trắc
• 2.2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.2.1. Xây dựng mô hình MFA
• 2.2.2.2. Tìm kiếm biểu đồ dòng chảy N cho nghiên cứu MFA tại Hải Dương
• 2.2.2.3. Thiết lập mô hình MFA sơ cấp sau khi có các cuộc khảo sát tại hiện trường
• 2.2.2.4. Đánh giá thông số sau khi tiếp tục khảo sát tại hiện trường đợt 2
• 2.2.2.5. Giai đoạn kết thúc
• 2.3. Xây dựng mô hình tính tải lượng Nitơ dựa vào các tham số của mô hình phân phối GIS
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đánh giá hiện trạng ô nhiễm Nitơ trong môi trường nước thuộc các hệ thống sông khu vực tỉnh Hải Dương
• 3.1.1. Hiện trạng ô nhiễm NH4+-N trong nước sông tại khu vực tỉnh Hải Dương
• 3.1.2. Phân tích hàm lượng NH4+-N trên hệ thống sông Thái Bình
• 3.1.3. Phân tích hàm lượng NH4+-N trên hệ thống sông Bắc Hưng Hải
• 3.1.4. Hiện trạng ô nhiễm NO2--N trong nước sông tại khu vực tỉnh Hải Dương
• 3.1.5. Phân tích hàm lượng NO2--N trên hệ thống sông Thái Bình
• 3.1.6. Phân tích hàm lượng NO2--N trên hệ thống sông Bắc Hưng Hải
• 3.1.7. Hiện trạng ô nhiễm NO3--N trong nước sông tại khu vực tỉnh Hải Dương
• 3.1.8. Phân tích hàm lượng NO3--N trên hệ thống sông Thái Bình
• 3.1.9. Kết quả NO3--N thuộc hệ thống sông Bắc Hưng Hải
• 3.2. Nghiên cứu ứng dụng mô hình MFA để đánh giá nguồn thải N
• 3.2.1. Đề xuất các quá trình mô hình trong MFA tính toán chu trình N đối với toàn bộ tỉnh Hải Dương
• 3.2.2. Các thông số đầu vào cho mô hình MFA
• 3.2.3. Thảo luận về mô hình MFA
• 3.2.3.1. Quá trình “Hộ gia đình (1)”
• 3.2.3.2. Quá trình "công trình vệ sinh (2)"
• 3.2.3.3. Quá trình “Hệ thống thoát nước” (3)
• 3.2.3.4. Quá trình “Thu gom chất thải rắn” (4)
• 3.2.3.5. Quá trình “chợ” (6)
• 3.2.3.6. Quá trình “bãi rác” (7)
• 3.2.3.7. Quá trình “chăn nuôi” (12)
• 3.2.3.8. Quá trình “Thủy sản (13)”
• 3.2.3.9. Quá trình “Trồng lúa và các loại cây trồng khác” (14)
• 3.2.4. Đánh giá các thông số trong mô hình MFA
• 3.2.5. Phân tích độ nhạy của các thông số trong mô hình MFA
• 3.2.5.1. Dòng N chảy vào nước mặt
• 3.2.5.2. Dòng N chảy vào hệ thống thoát nước
• 3.3. Mô hình MFA với N cho Hải Dương
• 3.3.1. Xây dựng mô hình tính tải lượng N dựa trên các tham số của mô hình phân phối GIS
• 3.3.1.1. Các thông số của hệ thống thông tin địa lý GIS
• 3.3.1.2. Khu vực nghiên cứu
• 3.3.2. Số liệu về nguồn thải và số liệu quan trắc các năm
• 3.3.3. Xây dựng mô hình tính toán tải lượng N
• 3.3.4. Đánh giá mô hình tính toán
• 3.4. Kịch bản ô nhiễm N trong môi trường của tỉnh Hải Dương đến năm 2020
• 3.4.1. Áp dụng mô hình MFA
• 3.4.2. Áp dụng mô hình tính toán tải lượng N
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ô nhiễm nitơ tại sông Thái Bình

Ô nhiễm nitơ là một trong những vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng nước tại sông Thái Bình. Sông Thái Bình, với vai trò là nguồn cung cấp nước cho sinh hoạt và sản xuất, đang phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm ngày càng gia tăng. Nghiên cứu này sẽ phân tích các nguồn phát thải nitơ và tác động của chúng đến môi trường nước.

1.1. Đặc điểm tự nhiên và kinh tế xã hội khu vực sông Thái Bình

Khu vực sông Thái Bình nằm trong tỉnh Hải Dương, có hệ thống sông ngòi dày đặc. Đặc điểm tự nhiên và kinh tế xã hội của khu vực này có ảnh hưởng lớn đến chất lượng nước. Các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt của người dân đều góp phần vào ô nhiễm nitơ.

1.2. Tình trạng ô nhiễm nitơ hiện nay

Theo các số liệu quan trắc, nồng độ nitơ trong nước sông Thái Bình có xu hướng tăng cao, đặc biệt là trong các mùa mưa. Việc xác định rõ nguồn gốc ô nhiễm nitơ là cần thiết để có biện pháp khắc phục hiệu quả.

II. Thách thức trong việc đánh giá ô nhiễm nitơ tại sông Thái Bình

Đánh giá ô nhiễm nitơ tại sông Thái Bình gặp nhiều thách thức. Các nguồn phát thải từ nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt đều khó kiểm soát. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) và mô hình dòng chảy vật chất (MFA) là những công cụ hữu ích trong việc phân tích và đánh giá tình trạng ô nhiễm.

2.1. Các nguồn phát thải nitơ chính

Các nguồn phát thải nitơ chủ yếu bao gồm nước thải từ các nhà máy, phân bón từ nông nghiệp và chất thải sinh hoạt. Việc xác định chính xác các nguồn này là rất quan trọng để đưa ra các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm.

2.2. Khó khăn trong việc thu thập dữ liệu

Việc thu thập dữ liệu về chất lượng nước và các nguồn phát thải nitơ gặp nhiều khó khăn do thiếu thiết bị và công nghệ hiện đại. Điều này ảnh hưởng đến độ chính xác của các kết quả nghiên cứu.

III. Phương pháp ứng dụng mô hình MFA trong đánh giá ô nhiễm nitơ

Mô hình dòng chảy vật chất (MFA) là một phương pháp hiệu quả trong việc đánh giá ô nhiễm nitơ. Phương pháp này giúp phân tích các dòng chảy và nguồn phát thải nitơ trong môi trường nước. Sử dụng MFA kết hợp với GIS sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về tình trạng ô nhiễm.

3.1. Nguyên tắc hoạt động của mô hình MFA

MFA dựa trên nguyên tắc cân bằng khối lượng và tiếp cận hệ thống. Mô hình này cho phép phân tích các nguồn phát thải và dòng chảy nitơ trong môi trường nước một cách chi tiết.

3.2. Ứng dụng GIS trong mô hình MFA

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) hỗ trợ việc lập bản đồ và phân tích không gian, giúp xác định vị trí và mức độ ô nhiễm nitơ tại các điểm quan trắc. GIS kết hợp với MFA sẽ cung cấp thông tin chính xác hơn về tình trạng ô nhiễm.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ nitơ tại sông Thái Bình vượt ngưỡng cho phép. Việc ứng dụng mô hình MFA và GIS đã giúp xác định rõ các nguồn phát thải và mức độ ô nhiễm. Các kết quả này sẽ là cơ sở để đề xuất các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm.

4.1. Đánh giá hiện trạng ô nhiễm nitơ

Kết quả quan trắc cho thấy nồng độ nitơ trong nước sông Thái Bình có xu hướng tăng cao, đặc biệt là tại các khu vực gần nguồn phát thải. Việc đánh giá này giúp xác định rõ mức độ ô nhiễm và các nguồn gây ô nhiễm.

4.2. Đề xuất giải pháp giảm thiểu ô nhiễm

Dựa trên kết quả nghiên cứu, các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm nitơ được đề xuất bao gồm cải thiện hệ thống xử lý nước thải, tăng cường quản lý chất thải nông nghiệp và nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai

Nghiên cứu ứng dụng mô hình MFA và GIS trong đánh giá ô nhiễm nitơ tại sông Thái Bình đã chỉ ra những thách thức và cơ hội trong việc quản lý chất lượng nước. Việc tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới sẽ giúp cải thiện tình trạng ô nhiễm trong tương lai.

5.1. Tầm quan trọng của việc bảo vệ nguồn nước

Bảo vệ nguồn nước là nhiệm vụ cấp bách để đảm bảo sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững. Các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm nitơ cần được thực hiện một cách đồng bộ và hiệu quả.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các mô hình dự đoán ô nhiễm và đánh giá tác động của các biện pháp quản lý chất lượng nước. Sự kết hợp giữa công nghệ mới và các phương pháp truyền thống sẽ mang lại hiệu quả cao hơn trong việc bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tài nguyên nước mặt giữ vai trò then chốt đối với sự phát triển kinh tế và an sinh xã hội của vùng đồng bằng sông Hồng, đặc biệt là tại tỉnh Hải Dương với tổng diện tích tự nhiên 1.656 km2 và quy mô dân số đạt trên 1,51 triệu người (mật độ bình quân 1.055 người/km2). Hải Dương sở hữu mạng lưới thủy văn dày đặc gồm 14 sông lớn có tổng chiều dài khoảng 500 km, trong đó dòng chính sông Thái Bình chảy qua địa bàn tỉnh dài 73 km với tổng lưu lượng hàng năm dao động từ 30 đến 40 tỷ m3 nước và tiếp nhận khoảng 22,9 triệu tấn phù sa từ sông Hồng. Cùng với đó, hệ thống thủy nông Bắc Hưng Hải với hơn 200 km kênh chính phục vụ tưới tiêu cho hơn 200.000 ha đất canh tác nông nghiệp. Tuy nhiên, áp lực từ quá trình công nghiệp hóa với 18 khu công nghiệp tập trung và 38 cụm công nghiệp, kết hợp với 104.238 ha đất sản xuất nông nghiệp và nước thải sinh hoạt đô thị chưa qua xử lý triệt để đã làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng nước mặt.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là sự gia tăng nồng độ các hợp chất ô nhiễm Nitơ (gồm Amoni, Nitrit, Nitrat) tại nhiều điểm quan trắc, trong khi việc bóc tách và định lượng cụ thể tỷ trọng đóng góp từ từng nguồn thải vào lưu vực sông còn gặp nhiều thách thức. Mục tiêu cụ thể của luận văn là:

• Đánh giá toàn diện hiện trạng ô nhiễm các dạng hợp chất Nitơ trên hệ thống sông Thái Bình và sông Bắc Hưng Hải giai đoạn 2011 - 2013.
• Thiết lập và ứng dụng mô hình Phân tích Dòng chảy Vật chất (Material Flow Analysis - MFA) nhằm định lượng và truy xuất nguồn gốc dòng vật chất Nitơ từ các khâu phát sinh đến môi trường tiếp nhận.
• Tích hợp Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) xây dựng mô hình phân phối thông số để tính toán tải lượng Nitơ và dự báo các kịch bản ô nhiễm đến năm 2020.

Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp cơ sở định lượng có độ tin cậy đạt từ 68% đến 95% qua phân tích độ nhạy, tạo tiền đề kỹ thuật giúp các nhà quản lý địa phương xây dựng chiến lược cắt giảm từ 20% đến 30% tải lượng Nitơ phát thải vào nguồn nước mặt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng đồng bộ hai nền tảng lý thuyết và công cụ không gian hiện đại trong quản lý môi trường lưu vực:

• Lý thuyết Phân tích Dòng chảy Vật chất (MFA): Được phát triển từ các nguyên lý nhiệt động học và phương pháp tiếp cận hệ thống, MFA vận hành trên nền tảng định luật bảo toàn khối lượng (Mass Balance). Mọi quá trình biến đổi chất được biểu diễn qua phương trình cân bằng: độ thay đổi lượng tích lũy trong hệ thống bằng tổng dòng vật chất đầu vào trừ tổng dòng vật chất đầu ra theo chu kỳ thời gian xác định. MFA đóng vai trò kết nối giữa nguồn thải, quá trình trung gian và môi trường tiếp nhận cuối cùng.
• Lý thuyết mô hình hóa không gian tích hợp Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS): GIS cho phép số hóa, phân tích đa lớp và trực quan hóa các dữ liệu không gian liên quan đến mạng lưới sông ngòi, hiện trạng sử dụng đất và tọa độ phân bố nguồn thải. Mô hình phân phối thông số GIS kết nối dữ liệu tải lượng xả thải với lưu lượng dòng chảy để mô phỏng sự lan truyền chất ô nhiễm.

Các khái niệm chuyên ngành cốt lõi được chuẩn hóa bao gồm: Chu trình chuyển hóa Nitơ trong nước mặt, Tải lượng Nitơ phát thải (tính bằng tấn N/năm), Dạng tồn tại của Nitơ vô cơ (NH4+-N, NO2--N, NO3--N), Phân tích độ nhạy mô hình và Phân phối xác suất Monte Carlo.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm và dữ liệu thứ cấp đồng bộ:

• Nguồn dữ liệu quan trắc: Số liệu quan trắc chất lượng nước thực hiện liên tục trong 3 năm (2011 - 2013) với tần suất 4 đợt/năm tại 31 điểm quan trắc cố định trên 2 hệ thống sông chính (19 điểm trên sông Thái Bình và 12 điểm trên hệ thống Bắc Hưng Hải). Ngoài ra, nghiên cứu bổ sung số liệu tại 3 điểm trên sông Luộc và 21 điểm kênh mương nội đồng.
• Phương pháp phân tích hóa nghiệm: Mẫu nước được thu thập, bảo quản và phân tích tại phòng thí nghiệm đạt chuẩn quốc tế ISO/IEC 17025:2005 thuộc Trung tâm Quan trắc và Phân tích Môi trường Hải Dương. Các chỉ tiêu được xác định bằng phương pháp trắc phổ hấp thụ phân tử trên máy quang phổ UV-VIS Shimadzu (dải bước sóng 190 - 800 nm), tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn quốc gia: TCVN 6179-1:1996 (xác định amoni bằng thuốc thử natri salixylat), TCVN 6178:1996 (xác định nitrit bằng thuốc thử Griess A và Griess B), TCVN 6180:1996 (xác định nitrat bằng axit sunfosalixylic).
• Timeline nghiên cứu: Kế hoạch triển khai chia làm 4 giai đoạn logic từ năm 2011 đến năm 2014, gồm: thu thập dữ liệu cơ sở; khảo sát thực địa đợt 1 để xây dựng mô hình sơ bộ; khảo sát thực địa đợt 2 để thu thập thông số chi tiết và phân tích độ nhạy; hoàn thiện mô hình và mô phỏng kịch bản đến năm 2020.
• Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Cỡ mẫu thực nghiệm gồm 372 lượt mẫu nước mặt được lựa chọn theo phương pháp phân tầng không gian tại các vị trí nhạy cảm như hợp lưu sông, thượng lưu trạm cấp nước sinh hoạt, hạ lưu các khu công nghiệp và cống xả thải đô thị.
• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Sự kết hợp giữa thuật toán lặp Monte Carlo với 1.000 vòng lặp trên công cụ Macro Excel và mô hình GIS cho phép xử lý tối ưu các khoảng sai số dữ liệu thứ cấp, đảm bảo mô hình phản ánh sát thực tế mà không đòi hỏi chi phí đo đạc quá lớn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích chuỗi số liệu quan trắc từ 31 điểm lấy mẫu và kết quả chạy mô hình MFA đã mang lại những phát hiện quan trọng về cấu trúc ô nhiễm Nitơ:

• Ô nhiễm Amoni (NH4+-N) ở mức báo động trên cả hai hệ thống sông: Trên hệ thống sông Bắc Hưng Hải, nồng độ NH4+-N tại hầu hết các điểm đều vượt ngưỡng B1 của QCVN 08:2008/BTNMT. Điển hình tại điểm Sđ25 (Cầu Sặt), Sđ26 (Cầu Cất) và Sđ27 (hạ lưu cống xả nước thải thành phố Hải Dương), nồng độ amoni dao động từ 1,5 mg/L đến trên 4,5 mg/L, vượt từ 3 đến 9 lần quy chuẩn nguồn nước phục vụ sinh hoạt (mức A1 và A2). Trên sông Thái Bình, các điểm hợp lưu thượng nguồn như S1, S2 (sông Lục Nam) và S3 (sông Thương) ghi nhận nồng độ tăng đột biến vào đợt 2 năm 2013, vượt ngưỡng 1,2 mg/L do tiếp nhận tải lượng ô nhiễm từ các tỉnh phía thượng nguồn đổ về.
• Nồng độ Nitrit (NO2--N) tăng cao bất thường: Hàm lượng NO2--N trên hệ thống sông Thái Bình và Bắc Hưng Hải có xu hướng dao động phức tạp và không tuân theo chu kỳ mùa cố định. Đa số các điểm quan trắc có hàm lượng vượt mức A2 (0,02 mg/L), nhiều thời điểm vượt ngưỡng 0,05 mg/L (vượt mức B1), cho thấy quá trình oxy hóa sinh hóa các hợp chất hữu cơ diễn ra mạnh mẽ nhưng không triệt để, tiềm ẩn nguy cơ cao đối với chất lượng nước đầu vào của các nhà máy nước sạch Cẩm Thượng và Phú Thái.
• Định lượng nguồn phát thải qua mô hình MFA: Kết quả mô hình hóa chỉ ra rằng hoạt động sinh hoạt hộ gia đình và sản xuất nông nghiệp (trồng trọt trên 68.542 ha lúa và chăn nuôi gia súc) là hai nguồn đóng góp lớn nhất, chiếm hơn 60% tổng lượng Nitơ phát thải vào môi trường nước mặt. Đặc biệt, hệ thống công trình vệ sinh tại chỗ (bể tự hoại truyền thống) chỉ lưu giữ được từ 5% đến 14% lượng Nitơ trong bùn phân, trong khi đó khoảng 86% đến 95% lượng Nitơ còn lại tồn tại dưới dạng hòa tan trong nước thải và xả thẳng ra hệ thống thoát nước chung.
• Mô hình phân phối tải lượng GIS: Đối với 4 địa bàn trọng điểm (huyện Bình Giang, Cẩm Giàng, Gia Lộc và thành phố Hải Dương), mô hình tính toán tải lượng Nitơ thiết lập hàm tương quan phi tuyến giữa tải lượng xả thải và lưu lượng dòng chảy với hệ số tương quan xác định R2 đạt trên 0,85, khẳng định tính tương thích cao của mô hình mô phỏng.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện thực nghiệm được minh chứng rõ rệt khi giải thích dưới góc độ phát triển kinh tế - xã hội và cơ sở hạ tầng. Tốc độ đô thị hóa nhanh tại Hải Dương nâng tỷ lệ dân số thành thị lên 22,1% (với 385.513 người), nhưng hạ tầng xử lý nước thải sinh hoạt chưa phát triển tương xứng. Trạm bơm Âu Thuyền tại thành phố Hải Dương với công suất vận hành 32.000 m3/giờ thực hiện bơm xả trực tiếp nước thải chưa qua xử lý sinh học ra sông Thái Bình và một phần vào sông Sặt, tạo nên các dải ô nhiễm cục bộ nghiêm trọng. Bên cạnh đó, hoạt động thâm canh lúa nước và chăn nuôi nông hộ với tập quán sử dụng phân bón hóa học vượt định mức dẫn đến lượng Nitơ dư thừa bị rửa trôi qua các đợt mưa lớn (lượng mưa trung bình năm đạt 1.650 mm, tập trung 80% - 85% vào mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10).

Khi so sánh với các nghiên cứu dòng vật chất tại Việt Trì và khu vực Hà Nội, kết quả nghiên cứu này hoàn toàn đồng nhất về quy luật phân bổ: nguồn thải sinh hoạt nông thôn và đô thị luôn chi phối phần lớn lượng dưỡng chất Nitơ và Phốt pho thoát vào lưu vực sông.

Trong báo cáo nghiên cứu, các tập dữ liệu được trình bày tối ưu qua hệ thống biểu đồ và bản đồ không gian:

• Biểu đồ tần suất phân phối xác suất Monte Carlo thể hiện rõ độ lệch chuẩn và khoảng tin cậy 95% của các dòng tải lượng N từ hộ gia đình sang hệ thống thoát nước.
• Bản đồ chuyên đề GIS thể hiện mật độ phát thải N (tính theo tấn N/km2/năm) phân tầng theo từng tiểu vùng địa hình từ cao trình 1,0 m đến 4,0 m.
• Đồ thị đường hồi quy phi tuyến mô tả mối tương quan chặt chẽ giữa lưu lượng xả từ trạm bơm và nồng độ chất ô nhiễm tại các mặt cắt ngang sông.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả định lượng dòng vật chất và mô hình phân phối GIS, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản trị chiến lược:

• Xây dựng và nâng cấp hệ thống thu gom, xử lý nước thải đô thị tập trung: Ủy ban nhân dân tỉnh Hải Dương cùng Sở Xây dựng cần đẩy nhanh tiến độ triển khai các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt tập trung tại thành phố Hải Dương và các thị trấn trung tâm; đặt mục tiêu thu gom và xử lý sinh học đạt 70% tổng lượng nước thải đô thị trước năm 2020, nhằm cắt giảm ít nhất 25% tải lượng amoni xả trực tiếp vào lưu vực sông Sặt và sông Thái Bình.
• Cải tạo công trình vệ sinh và áp dụng công nghệ tách dòng nước thải nông thôn: Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn chủ trì phối hợp cùng Sở Khoa học và Công nghệ chuyển giao mô hình nhà vệ sinh tách nước tiểu và bể tự hoại cải tiến có ngăn lọc kỵ khí tại các khu dân cư nông thôn; đặt mục tiêu tăng tỷ lệ thu hồi và tái sử dụng dưỡng chất Nitơ làm phân bón hữu cơ lên mức 35% đến 40% trong giai đoạn 2015 - 2020.
• Kiểm soát dư lượng phân bón và tối ưu hóa canh tác nông nghiệp: Chi cục Trồng trọt và Bảo vệ thực vật Hải Dương chỉ đạo các hợp tác xã áp dụng quy trình quản lý dinh dưỡng cây trồng tổng hợp trên toàn bộ 68.542 ha đất canh tác lúa; đặt mục tiêu cắt giảm từ 15% đến 20% lượng phân đạm hóa học bón dư thừa trước năm 2018, hạn chế tối đa lượng Nitơ rửa trôi vào hệ thống kênh mương thủy lợi Bắc Hưng Hải.
• Hiện đại hóa mạng lưới giám sát và tích hợp cảnh báo sớm trên nền tảng GIS: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Hải Dương cần đầu tư lắp đặt bổ sung 10 trạm quan trắc tự động liên tục tại các điểm nóng ô nhiễm dọc sông Thái Bình và kênh chính Bắc Hưng Hải trước năm 2017; tích hợp toàn bộ dữ liệu thủy văn và tải lượng xả thải lên phần mềm quản lý GIS phục vụ công tác thanh kiểm tra xả thải của các khu, cụm công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp luận của công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

• Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và quy hoạch đô thị: Cán bộ thuộc Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Ban Quản lý các Khu công nghiệp tỉnh Hải Dương và các tỉnh thuộc lưu vực sông Thái Bình có thể ứng dụng trực tiếp mô hình MFA-GIS để xây dựng báo cáo sức chịu tải nguồn nước, thiết lập hạn ngạch cấp phép xả thải và quy hoạch phân vùng bảo vệ nguồn nước mặt.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Các nhà nghiên cứu thuộc chuyên ngành Hóa môi trường, Kỹ thuật môi trường, Quản lý tài nguyên nước và Khoa học Trái đất có thể sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp tích hợp mô hình dòng chảy vật chất với công nghệ thông tin địa lý và kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo trong điều kiện dữ liệu hạn chế.
• Các công ty cấp thoát nước và doanh nghiệp hạ tầng môi trường: Đội ngũ kỹ sư tại các công ty khai thác công trình thủy lợi Bắc Hưng Hải và các nhà máy nước sạch sinh hoạt có thể khai thác số liệu nồng độ các dạng Nitơ để điều chỉnh công nghệ tiền xử lý nước thô, đồng thời tối ưu hóa vị trí đặt cửa lấy nước an toàn.
• Các tổ chức phi chính phủ và chuyên gia phát triển nông nghiệp tuần hoàn: Các chuyên gia môi trường có thể tham khảo mô hình phân tách dòng dưỡng chất để xây dựng các dự án thí điểm về vệ sinh sinh thái, xử lý phân bùn bể phốt và phục hồi dinh dưỡng Nitơ cho cây trồng tại khu vực nông thôn đồng bằng Bắc Bộ.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao mô hình dòng chảy vật chất (MFA) lại phù hợp để đánh giá ô nhiễm nitơ tại Hải Dương? Mô hình MFA dựa trên nguyên tắc cân bằng khối lượng giúp kết nối định lượng toàn bộ dòng vật chất từ khâu phát sinh đến khâu xả thải cuối cùng. Với đặc thù địa bàn Hải Dương có 68.542 ha đất lúa và hơn 1,51 triệu dân sinh sống đan xen, MFA cho phép phân lập rõ nguồn thải sinh hoạt và nông nghiệp chiếm ưu thế áp đảo mà không phụ thuộc vào chuỗi số liệu quan trắc dày đặc vốn rất tốn kém.

• Nồng độ Amoni (NH4+-N) tại hệ thống sông Bắc Hưng Hải thực tế ghi nhận mức ô nhiễm ra sao? Chuỗi quan trắc liên tục giai đoạn 2011 - 2013 tại 12 điểm trên hệ thống Bắc Hưng Hải cho thấy nồng độ amoni thường xuyên vượt mức B1 theo chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT. Điển hình tại khu vực Cầu Sặt (Sđ25) và sau điểm xả thải thành phố Hải Dương (Sđ27), hàm lượng amoni ghi nhận từ 3,0 mg/L đến trên 4,5 mg/L, vượt từ 3 đến 9 lần tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt.

• Việc tích hợp công nghệ GIS mang lại ưu thế gì vượt trội so với cách tiếp cận truyền thống? Hệ thống GIS số hóa toàn diện bản đồ hiện trạng sử dụng 104.238 ha đất nông nghiệp và vị trí 18 khu công nghiệp, liên kết với dữ liệu chất lượng nước tại 31 điểm quan trắc. Nhờ đó, mô hình biểu diễn trực quan sự phân bố tải lượng ô nhiễm theo không gian và mô phỏng lan truyền chất với độ tương quan R2 đạt trên 0,85.

• Đâu là nguồn phát sinh tải lượng Nitơ lớn nhất làm suy thoái nguồn nước mặt địa phương? Nghiên cứu khẳng định sinh hoạt hộ gia đình và canh tác nông nghiệp là hai nguồn thải lớn nhất, chiếm hơn 60% tổng lượng Nitơ phát tán vào nguồn nước mặt. Bể tự hoại truyền thống chỉ giữ lại 5% đến 14% lượng Nitơ trong bùn lắng, trong khi 86% đến 95% lượng Nitơ dạng lỏng hòa tan tiếp tục thoát ra hệ thống kênh mương.

• Kịch bản mô phỏng tải lượng ô nhiễm Nitơ đến năm 2020 đưa ra những cảnh báo quan trọng nào? Nếu không có biện pháp can thiệp xử lý nước thải sinh hoạt và kiểm soát phân bón, tải lượng Nitơ xả vào nước mặt đến năm 2020 ước tính sẽ tăng thêm khoảng 15% đến 25% theo đà tăng dân số đô thị và sản xuất công nghiệp. Điều này gia tăng áp lực ô nhiễm lên các nhà máy nước sạch Cẩm Thượng và Phú Thái.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình Phân tích Dòng chảy Vật chất (MFA) đối với chu trình Nitơ trên quy mô toàn tỉnh Hải Dương, tích hợp 1.000 vòng lặp mô phỏng ngẫu nhiên Monte Carlo để kiểm soát độ không đảm bảo đo.
• Đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng nước qua 372 lượt mẫu tại 31 trạm quan trắc trên hệ thống sông Thái Bình và Bắc Hưng Hải giai đoạn 2011 - 2013, chỉ rõ sự vượt chuẩn nghiêm trọng của amoni (từ 1,5 đến 4,5 mg/L) và nitrit (vượt 0,02 mg/L).
• Xác định rõ cơ cấu phát thải: Hoạt động sinh hoạt dân cư và trồng trọt nông nghiệp đóng góp trên 60% tổng lượng Nitơ vào nguồn nước mặt, trong đó bể tự hoại để thất thoát tới 86% - 95% lượng Nitơ ra môi trường.
• Thiết lập mô hình phân phối thông số GIS tính toán tải lượng Nitơ cho 4 địa bàn trọng điểm (Bình Giang, Cẩm Giàng, Gia Lộc, TP Hải Dương) đạt hệ số tương quan R2 trên 0,85, mở ra hướng ứng dụng hiệu quả trong quy hoạch bảo vệ môi trường nước.
• Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp kỹ thuật, hạ tầng và chính sách với lộ trình thực hiện cụ thể từ năm 2015 đến năm 2020 nhằm cắt giảm từ 20% đến 30% tải lượng ô nhiễm.

Lộ trình triển khai các giải pháp kiểm soát nguồn thải Nitơ cần được ưu tiên thực hiện ngay trong giai đoạn 2015 - 2020 nhằm bảo đảm an ninh nguồn nước cho toàn vùng hạ lưu châu thổ sông Hồng. Các cơ quan quản lý, viện nghiên cứu và doanh nghiệp hãy chủ động ứng dụng công cụ MFA-GIS vào công tác quản trị lưu vực sông để kiến tạo môi trường nước bền vững cho tương lai!

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Hải Dƣơng có hệ thống sông ngòi dày đặc, bao gồm 02 hệ thống sông chính đó là: Hệ thống sông Thái Bình, hệ thống sông Bắc Hƣng Hải và các kênh thủy lợi. Nó là nguồn cung cấp nƣớc cho hoạt động sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và nƣớc sinh hoạt của ngƣời dân, cũng là nơi tiêu thoát nƣớc của khu vực. Hệ thống sông Thái Bình là hệ thống sông lớn thứ hai của miền Bắc, hợp lƣu của ba con sông: sông Cầu, sông Thƣơng và sông Lục Nam chảy qua địa phận tỉnh Hải Dƣơng và thành phố Hải Phòng. Chiều dài của sông Thái Bình chảy qua tỉnh Hải Dƣơng là 73km với tổng lƣợng nƣớc là 30 - 40 tỷ m3 nƣớc/năm (trong đó nƣớc nhận từ sông Hồng hàng năm lên đến 22,9.106 tấn phù sa qua sông Luộc và sông Đuống).

Hệ thống thủy lợi Bắc Hƣng Hải đƣợc xây dựng từ năm 1958, là một hệ thống kênh, đập, trạm bơm, đê điều nhằm phục vụ việc tƣới tiêu và thoát ứng cho các tỉnh Hƣng Yên, Hải Dƣơng, một phần tỉnh Bắc Ninh và Tp Hà Nội. Nằm giữa các sông Hồng (phía Tây), sông Đuống (phía Bắc), sông Thái Bình (phía Đông), sông Luộc (phía Nam), trong phạm vi các vĩ độ 20030 - 21007 và các kinh độ 105050 - 106036. Tổng chiều dài của hệ thống kênh chính là 200 km, phục vụ tƣới tiêu cho diện tích khoảng 2002,3m2. Trong những năm gần đây, chất lƣợng môi trƣờng tại các hệ thống sông Thái Bình và hệ thống sông thủy lợi Bắc Hƣng Hải đã và đang dần bị suy giảm về chất lƣợng môi trƣờng nƣớc.

Tại nhiều vị trí quan trắc nồng độ Nitơ có xu hƣớng tăng, do các hệ thống sông vừa là nơi cung cấp nƣớc vừa là nơi tiếp nhận nguồn thải từ các hoạt động của con ngƣời, cho nên việc xác định nguồn thải Nitơ chính của lƣu vực chƣa rõ ràng, để có thể đƣa ra các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm Nitơ một cách cụ thể nhằm bảo vệ môi trƣờng của khu vực. Phƣơng pháp phân tích dòng chảy vật chất (MFA) dựa trên hai nguyên tắc khoa học cơ bản là phƣơng pháp tiếp cận hệ thống và cân bằng khối lƣợng. Phƣơng pháp này có thể áp dụng cho nhiều ngành khoa học và công nghệ, đặc biệt có thể sử dụng phƣơng pháp này để đánh giá nguồn gốc gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc của hệ thống sông, ngòi bằng cách nghiên cứu các dòng chảy gây ô nhiễm cũng nhƣ các tác nhân gây ô nhiễm trong quá trình biến đổi của môi trƣờng và hoạt động của con ngƣời. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trong đánh giá kết quả quan trắc, việc sử dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS), một công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tƣợng thực hiện trên trái đất sẽ cho phép biểu diễn trực quan phân bố hàm lƣợng chất ô nhiễm tại các điểm lấy mẫu và sơ bộ đánh giá lan truyền chất ô nhiễm.

Bên cạnh đó, chúng ta sử dụng GIS để xác định hiện trạng sử đất, mà có thể kiểm tra lại nguồn phát thải từ mô hình MFA và đối chiếu với kết quả phân tích. Công nghệ GIS kết hợp với các thao tác cơ sở dữ liệu thông thƣờng (nhƣ cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý, trong đó phép phân tích địa lý và hình ảnh đƣợc cung cấp duy nhất từ các bản đồ. Những khả năng phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lƣợc). Trong khuôn khổ của Luận văn Thạc sĩ khoa học này, đƣợc sự giúp đỡ của TS Lê Văn Chính và PGS.TS Tạ Thị Thảo, tôi nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình dòng chảy vật chất (MFA) và hệ thống thông tin địa lý (GIS) đánh giá nguồn phát thải và biến đổi hàm lượng Nitơ trong môi trường nước hệ thống sông Thái Bình khu vực tỉnh Hải Dương”.

Luận văn đã nhận đƣợc sự giúp đỡ về cách tiếp cận, phƣơng pháp, kỹ thuật nghiên cứu và số liệu có đƣợc từ Đề tài nghiên cứu nghiên cứu cơ bản trong khoa học tự nhiên đƣợc Quỹ khoa học cơ và công nghệ Quốc gia tài trợ năm 2013 “Nghiên cứu thiết lập mô hình phân phối thông số GIS để mô phỏng và dự báo dòng chảy, lan truyền các chất ô nhiễm và đề xuất các giải pháp trong qui hoạch và quản lý tổng hợp nguồn nước tại lưu vực sông Cầu”, Mã số 105. Mục đích nghiên cứu của Luận văn: - Phân tích các dạng của hợp chất Nitơ và đánh giá hiện trạng ô nhiễm Nitơ trong môi trƣờng nƣớc thuộc các hệ thống sông khu vực tỉnh Hải Dƣơng - Xây dựng mô hình dòng chảy vật chất (MFA) và ứng dụng mô hình để tìm nguồn gốc phát thải của Nitơ ra môi trƣờng nƣớc mặt. - Ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) để xây dựng mô hình tính tải lƣợng Nitơ trong môi trƣờng nƣớc. - Đƣa ra các kết luận, kiến nghị và các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm nhằm bảo vệ nguồn nƣớc mặt của khu vực Hải Dƣơng.

2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái quát về điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội khu vực nghiên cứu 1.1 Vị trí địa lý Tỉnh Hải Dƣơng nằm trong tọa độ địa lý từ 20036’’ đến 21015’ vĩ độ Bắc và từ 106006’ đến 106036’ độ kinh Đông thuộc đồng bằng sông Hồng, là một trong bẩy tỉnh thành nằm trong vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ, và tiếp giáp với 6 tỉnh thành là: - Phía Bắc giáp với tỉnh Bắc Ninh và Bắc Giang - Phía Đông Bắc giáp với tỉnh Quảng Ninh - Phía Nam giáp với tỉnh Thái Bình - Phía Đông giáp với Hải Phòng - Phía Tây giáp với tỉnh Hƣng Yên Hiện nay toàn tỉnh có 12 đơn vị hành chính trực thuộc gồm: Thành phố Hải Dƣơng, thị xã Chí Linh và 10 huyện: Nam Sách, Kinh Môn, Kim Thành, Thanh Hà, Ninh Giang, Gia Lộc, Tứ Kỳ, Thanh Miện, Cẩm Giàng và Bình Giang (trong đó thành phố Hải Dƣơng là trung tâm kinh tế - chính trị - văn hóa của cả tỉnh). Với tổng diện tích đất tự nhiên là 1.656 km2, dân số năm 2013 là 1.512 ngƣời, mật độ dân số bình quân là 1.055 ngƣời/km2 [10]. Trên địa bàn tỉnh Hải Dƣơng có hệ thống các tuyến đƣờng giao thông quan trọng bao gồm: quốc lộ 5A nối Hà Nội – Hải Phòng đi qua Hải Dƣơng, quốc lộ 38 nối Hà Nội – Bắc Ninh – Hải Dƣơng – Quảng Ninh, đƣờng sắt nối Hà Nội - Hải Phòng, đƣờng cao tốc Hà Nội – Hải Phòng qua Hải Dƣơng đang xây dựng… và các tuyến đƣờng nội tỉnh khác. Là một tỉnh nằm ở cuối lƣu vực sông Cầu, có mạng lƣới sông ngòi khá dày đặc.

Đây là một lợi thế không nhỏ của tỉnh đối với phát triển công nghiệp, nông ngƣ nghiệp và giao thông vận tải. Nhƣ vậy với vị thế của tỉnh Hải Dƣơng nằm trong khu vực trọng điểm kinh tế phía Bắc, gần các trục đƣờng giao thông liên tỉnh thuận tiện cho tỉnh giao lƣu và phát triển kinh tế - xã hội, đón nhận sự đầu tƣ, chuyển giao khoa học kỹ thuật, mở rộng giao lƣu thƣơng mại với các tỉnh khác trong vùng và trong cả nƣớc, đẩy nhanh tiến trình phát triển công nghiệp hóa – hiện đại hóa của tỉnh Hải Dƣơng nói riêng và 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] hội nhập vào quá trình phát triển năng động của khu vực nói chung.2 Địa hình, địa mạo Địa hình của tỉnh Hải Dƣơng tƣơng đối bằng phẳng, nghiêng và thấp dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam, nghiêng theo hƣớng nghiêng của đồng bằng Bắc Bộ. Đặc điểm về địa hình: đƣợc chia thành hai vùng chủ yếu: + Vùng đồi núi: nằm ở phía Bắc tỉnh, chiếm khoảng 10% diện tích tự nhiên gồm 13 xã thuộc thị xã Chí Linh và 10 xã thuộc huyện Kinh Môn, độ cao địa hình dƣới 1000m. Đây là vùng địa hình đƣợc hình thành trên nền địa chất trầm tích trung sinh với hƣớng núi chính chạy theo hƣớng Tây Bắc – Đông Nam.

Cảnh quan và thiên nhiên vùng đồi núi thấp phù hợp với việc phát triển du lịch, khai thác tài nguyên đá vôi và phát triển các loại cây ăn quả, cây lấy gỗ, cây công nghiệp ngắn ngày. + Vùng đồng bằng: chiếm khoảng 90% diện tích tự nhiên, gồm 9 huyện và thành phố Hải Dƣơng, địa hình nghiên dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam độ cao trung bình từ 3-4m, phía Đông có vùng trũng xen lẫn vùng đất cao. Đất đai chủ yếu do quá trình bồi đắp phù sa của sông Hồng, sông Thái Bình, nhóm đất này thuận tiện cho việc sản xuất nhiều loại cây có năng suất cao, đất dai bằng phẳng màu mỡ phù hợp với trồng luấ, cây màu và cây công nghiệp ngắn ngày. Địa hình vùng đồng bằng của tỉnh tạo thành các nếp sóng lƣợn nhẹ với 3 tiểu vùng: - Tiểu vùng có địa hình tƣơng đối cao: Bao gồm các huyện: Bình Giang; Cẩm Giàng; Chí Linh; Nam Sách; Gia Lộc; Tp Hải Dƣơng và phía Tây Bắc của Tứ Kỳ.

Đây là vùng đất có cốt trung bình từ 2 - 4 thuộc hệ phù sa sông Thái Bình. - Tiểu vùng có địa hình trung bình: Bao gồm các huyện: Ninh Giang; Thanh Miện. Vùng này có cốt nền từ 1,5 - 2 m, là vùng dễ bị gập úng. - Tiểu vùng có địa hình thấp trũng: Bao gồm các huyện Kim Thành; Thanh Hà và phía Đông Nam của huyện Tứ Kỳ.

Đây là vùng thất trũng có trình ruộng đất từ 1,0 - 1,5m. Đây là vùng chịu ảnh hƣởng của thủy triều và chịu ảnh hƣởng mặn. Nhƣ vậy, vùng nghiên cứu của đề tài bao gồm các huyện: Bình Giang; Cẩm Giàng; Gia Lộc; Tp Hải Dƣơng; Ninh Giang; Thanh Miện và Tứ Kỳ là các vùng có cao trình từ 1,0 - 4m có địa hình cao từ phía Tây Bắc và thấp dần về phía Đông Nam. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 Đặc điểm về khí tượng – thủy văn 1.

Điều kiện khí tượng Khí hậu tỉnh Hải Dƣơng mang đặc trƣng khí hậu của miền Bắc Việt Nam, đó là khí hậu nhiệt đới gió mùa, gồm hai mùa chính là mùa mƣa (mùa hè) và mùa khô (mùa đông), và hai mùa chuyển tiếp là mùa xuân và mùa thu. Các số liệu và bảng dẫn chứng về điều kiện khí tƣợng thủy văn (nhiệt độ, lƣợng mƣa, độ ẩm, chế độ gió, bão lũ lụt) đƣợc tham khảo từ nguồn Niên giám thống kê tỉnh Hải Dương năm 2013 – Cục thống kê Hải Dương năm 2014.