Tổng quan nghiên cứu

Nền kinh tế tỉnh Bình Dương duy trì tốc độ tăng trưởng GRDP ấn tượng từ 8,51% năm 2018 lên 9,5% năm 2019 và đạt khoảng 8,9% trong năm 2020. Cơ cấu kinh tế chuyển dịch mạnh mẽ với khu vực công nghiệp và dịch vụ chiếm tới 89,31%, trong đó toàn tỉnh quy tụ 29 khu công nghiệp tập trung với diện tích 12.721 ha (tỷ lệ lấp đầy đạt 84,4%) cùng 12 cụm công nghiệp quy mô 789,91 ha. Tốc độ đô thị hóa nhanh chóng với quy mô dân số đạt gần 2,6 triệu người đã tạo ra áp lực xả thải khổng lồ lên hệ sinh thái nước mặt. Trong đó, lưu vực sông Thị Tính có chiều dài khoảng 100 km và diện tích lưu vực ước tính 840 km2, giữ vai trò huyết mạch cung cấp nước thô cho công nghiệp, sinh hoạt và tưới tiêu nông nghiệp cho các đô thị phát triển như thị xã Bến Cát, huyện Bàu Bàng và huyện Dầu Tiếng.

Nhằm cụ thể hóa Quyết định số 2566/QĐ-UBND của Ủy ban nhân dân tỉnh Bình Dương về việc chủ động phòng ngừa, xử lý ô nhiễm tại 7 vùng nước mặt có nguy cơ cao, đề tài nghiên cứu đã ứng dụng chuỗi mô hình tích hợp HEC-HMS và HEC-RAS để mô phỏng diễn biến chất lượng nước sông Thị Tính trong giai đoạn 2018 - 2020. Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc mô phỏng thủy lực dòng chảy, tính toán lan truyền hai thông số ô nhiễm chính là BOD5 và COD trên toàn tuyến sông qua 23 tiểu lưu vực, từ đó làm căn cứ khoa học đề xuất giải pháp quản lý bền vững. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc hỗ trợ các nhà quản lý môi trường kiểm soát tải lượng phát thải, bảo vệ an ninh nguồn nước và thúc đẩy phát triển kinh tế xanh tại khu vực kinh tế trọng điểm phía Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được thiết lập dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết thủy lực dòng chảy một chiều không ổn định theo phương trình Saint-Venant kết hợp với lý thuyết vận chuyển và khuếch tán chất ô nhiễm (Advection-Dispersion Equation). Mô hình số trị HEC-GeoHMS và HEC-HMS được ứng dụng để chuyển đổi lượng mưa thành dòng chảy mặt trên 23 tiểu lưu vực, làm cơ sở thiết lập điều kiện biên lưu lượng cho mô hình chất lượng nước 1D HEC-RAS.

Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào 4 khái niệm nền tảng: Tải lượng ô nhiễm nguồn điểm và nguồn diện, Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5), Nhu cầu oxy hóa học (COD), và Hệ số hiệu quả mô hình Nash-Sutcliffe (NSI). Động lực học quá trình phân hủy sinh hóa của chất hữu cơ trong dòng nước tự nhiên được lượng hóa thông qua hệ số phân hủy nhiệt độ chuẩn k dao động từ 0,15 đến 0,35 ngày^-1, kết hợp cùng hiệu ứng pha loãng và dao động triều từ hạ lưu sông Sài Gòn.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu đầu vào của nghiên cứu được thu thập đồng bộ từ Trạm khí tượng thủy văn Sở Sao và Trung tâm Quan trắc Kỹ thuật Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bình Dương trong giai đoạn 2018 - 2020. Cơ sở dữ liệu xả thải bao gồm kết quả điều tra thực tế tại hơn 120 nguồn thải lớn, trong đó có 29 khu công nghiệp tập trung (như KCN Mỹ Phước 1, 2, 3 với lưu lượng xả hàng chục nghìn m3/ngày) và hơn 50 trang trại chăn nuôi heo quy mô lớn tại huyện Bàu Bàng và Dầu Tiếng.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu lựa chọn 5 mặt cắt quan trắc thủy lực và chất lượng nước trọng điểm dọc tuyến sông (các mặt cắt số 1346, 438, 4157, 2867 và 6348) theo phương pháp chọn mẫu phân tầng không gian. Bộ dữ liệu kiểm chứng gồm 36 đợt đo đạc tương ứng với 36 tháng liên tục nhằm bao quát trọn vẹn chu kỳ mùa khô và mùa mưa. Lý do lựa chọn mô hình 1D HEC-RAS là nhờ khả năng xử lý bài toán thủy lực phụ lưu phức tạp, tái hiện chân thực hiện tượng truyền triều bán nhật triều từ sông Sài Gòn và tính toán lan truyền chất ô nhiễm với độ ổn định cao, tiết kiệm chi phí tính toán trên diện tích lưu vực rộng 840 km2.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích dữ liệu mô phỏng từ HEC-RAS giai đoạn 2018 - 2020 đã làm nổi bật 4 phát hiện quan trọng:

  • Sự phân hóa nồng độ ô nhiễm hữu cơ rõ rệt theo mùa: Nồng độ BOD5 và COD trong mùa khô tại các mặt cắt hạ lưu luôn cao hơn mùa mưa từ 35% đến 60%. Tại mặt cắt 1346, nồng độ COD mùa khô nhiều thời điểm vượt quá 60 mg/L, vượt giới hạn cho phép của nguồn nước cấp sinh hoạt.
  • Tâm điểm ô nhiễm tập trung tại thị xã Bến Cát: Đoạn sông chảy qua khu vực Bến Cát (mặt cắt 1346 và 438) tiếp nhận hơn 65% tổng tải lượng COD công nghiệp và sinh hoạt của toàn lưu vực, chịu tác động trực tiếp từ hoạt động sản xuất giấy, dệt nhuộm và chế biến mủ cao su.
  • Ô nhiễm nguồn diện từ chăn nuôi gia súc: Hoạt động chăn nuôi heo tập trung tại các xã Long Nguyên, Lai Uyên (huyện Bàu Bàng) đóng góp khoảng 28% tổng tải lượng BOD5 toàn lưu vực, làm gia tăng ô nhiễm hữu cơ cục bộ tại các phụ lưu như suối Bến Ván.
  • Độ tin cậy của mô hình mô phỏng: Chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe (NSI) tại 5 mặt cắt dao động từ 0,52 đến 0,68; hệ số xác định R2 đạt từ 0,5615 đến 0,7993, chứng minh mô hình HEC-RAS đạt mức độ chính xác trung bình khá và phù hợp để mô phỏng diễn biến chất lượng nước thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính khiến nồng độ ô nhiễm tăng vọt trong mùa khô bắt nguồn từ việc môđun dòng chảy kiệt suy giảm mạnh xuống dưới 0,5 m3/s.km2, làm giảm đáng kể khả năng tự làm sạch tự nhiên của dòng sông. Đồng thời, chế độ bán nhật triều không đều từ sông Sài Gòn đẩy ngược nước vào sâu trong lòng sông Thị Tính, làm chậm quá trình tiêu thoát và gây tích tụ chất hữu cơ. So với các công trình nghiên cứu trên lưu vực sông Đồng Nai, mức độ tích tụ ô nhiễm hữu cơ trên sông Thị Tính có tính chất cục bộ cao hơn do mật độ khu công nghiệp và trang trại chăn nuôi phân bố dày đặc ở trung và hạ lưu.

Dữ liệu mô phỏng được trực quan hóa sinh động qua các biểu đồ phân tán (Scatter Plot) thể hiện mức độ tương quan tuyến tính giữa chuỗi số liệu quan trắc thực tế và kết quả mô phỏng tại 5 mặt cắt chính qua 36 mốc thời gian. Kết hợp với bản đồ nhiệt GIS mô phỏng lan truyền ô nhiễm trên 23 tiểu lưu vực, kết quả cho thấy đường xu hướng nồng độ BOD5 và COD bám sát thực tế, khẳng định tính đúng đắn của việc ứng dụng mô hình số trị trong quản trị lưu vực sông.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm kiểm soát tải lượng xả thải và phục hồi chất lượng nước sông Thị Tính, nghiên cứu đưa ra 4 giải pháp hành động cụ thể:

  • Mở rộng hạ tầng thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt: Đầu tư nâng cấp hệ thống xử lý nước thải đô thị tập trung tại thị xã Bến Cát và huyện Bàu Bàng, nâng tỷ lệ nước thải sinh hoạt được xử lý đạt chuẩn từ mức 30% lên tối thiểu 70% trong lộ trình 2022 - 2025; đơn vị chủ trì là Ủy ban nhân dân tỉnh Bình Dương và Sở Xây dựng.
  • Kiểm soát nghiêm ngặt nước thải công nghiệp: Bắt buộc 100% cơ sở trong 29 khu công nghiệp và 12 cụm công nghiệp lắp đặt hệ thống quan trắc nước thải tự động liên tục truyền dữ liệu về cơ quan quản lý, đảm bảo nồng độ COD sau xử lý đạt cột A theo QCVN 40:2011/BTNMT trước quý IV năm 2023; giao Sở Tài nguyên và Môi trường chủ trì thanh tra, giám sát.
  • Chuẩn hóa quản lý nước thải chăn nuôi: Hỗ trợ kỹ thuật và kiểm tra việc lắp đặt hệ thống biogas kết hợp hồ sinh học xử lý đạt chuẩn đối với hơn 50 trang trại nuôi heo quy mô lớn tại Bàu Bàng và Dầu Tiếng, nhằm giảm 35% tải lượng BOD5 xả vào lưu vực trước năm 2024; chủ thể triển khai là Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.
  • Vận hành hệ thống mô hình hóa dự báo chất lượng nước: Tích hợp mô hình HEC-RAS và HEC-HMS vào quy trình quản lý tài nguyên nước lưu vực, điều tiết xả dòng chảy môi trường tối thiểu 5 m3/s từ các hồ chứa thượng lưu trong mùa khô giai đoạn 2023 - 2026; giao Trung tâm Quan trắc Kỹ thuật Tài nguyên và Môi trường vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn thạc sĩ là nguồn tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Cán bộ quản lý môi trường tại Sở Tài nguyên và Môi trường, Chi cục Bảo vệ Môi trường: Khai thác cơ sở dữ liệu về tải lượng phát thải và bản đồ phân vùng 23 tiểu lưu vực để cấp phép xả thải, quy hoạch vùng tiếp nhận nước thải và xây dựng phương án ứng phó sự cố môi trường nước.
  • Ban quản lý khu công nghiệp và kỹ sư công nghệ môi trường: Sử dụng các thông số tính toán tải lượng BOD5 và COD thực tế để thiết kế, vận hành tối ưu hệ thống xử lý nước thải tập trung tại các KCN Mỹ Phước 1, 2, 3 và KCN Bàu Bàng.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên chuyên ngành Môi trường, Thủy văn: Tham khảo phương pháp luận kết hợp mô hình HEC-HMS và HEC-RAS trong bài toán mô phỏng chất lượng nước chịu ảnh hưởng của chế độ thủy triều phức tạp trên sông tự nhiên.
  • Đơn vị tư vấn quy hoạch đô thị và hạ tầng cấp thoát nước: Vận dụng số liệu mô phỏng dòng chảy mùa kiệt để tính toán vị trí thu nước thô an toàn, phục vụ quy hoạch các nhà máy nước sạch cho đô thị ven sông Thị Tính.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình HEC-RAS có ưu điểm gì nổi bật khi mô phỏng chất lượng nước sông Thị Tính? Mô hình HEC-RAS kết hợp HEC-HMS cho phép mô phỏng chính xác chế độ dòng chảy không ổn định và ảnh hưởng của bán nhật triều từ sông Sài Gòn. Mô hình phân chia chi tiết 23 tiểu lưu vực, định lượng rõ ràng sự lan truyền chất ô nhiễm BOD5 và COD với hệ số tương quan R2 đạt tới 0,7993.

Vì sao chất lượng nước sông Thị Tính suy giảm nghiêm trọng nhất vào mùa khô? Vào mùa khô, lượng mưa giảm khiến môđun dòng chảy kiệt hạ xuống dưới 0,5 m3/s.km2 làm suy giảm khả năng pha loãng tự nhiên. Đồng thời, tải lượng xả thải từ 29 khu công nghiệp và các trại chăn nuôi vẫn liên tục đổ vào dòng sông khiến nồng độ COD mùa khô cao gấp 1,5 lần mùa mưa.

Độ chính xác của kết quả mô phỏng trong luận văn được đánh giá qua tiêu chí nào? Độ tin cậy của mô hình được kiểm chứng thông qua chỉ số hiệu quả mô hình Nash-Sutcliffe (NSI) đạt từ 0,52 đến 0,68 cùng hệ số xác định R2 dao động từ 0,5615 đến 0,7993 tại 5 mặt cắt thủy lực trong suốt chuỗi quan trắc 36 tháng liên tục giai đoạn 2018 - 2020.

Nguồn phát thải nào đóng góp tải lượng ô nhiễm hữu cơ lớn nhất trên lưu vực? Nước thải công nghiệp từ các khu công nghiệp tập trung tại thị xã Bến Cát đóng góp hơn 65% tổng tải lượng COD, trong khi nguồn thải chăn nuôi heo tại huyện Bàu Bàng và Dầu Tiếng chiếm khoảng 28% tổng tải lượng BOD5 toàn lưu vực, là hai nguồn phát sinh ô nhiễm chính.

Phương pháp nghiên cứu của luận văn có thể mở rộng cho các lưu vực sông khác không? Quy trình tích hợp HEC-GeoHMS, HEC-HMS và HEC-RAS hoàn toàn có thể chuyển giao, chuẩn hóa và áp dụng thành công cho các lưu vực sông có đặc tính thủy văn và áp lực công nghiệp tương đồng tại khu vực Đông Nam Bộ như sông Bé, sông Đồng Nai hoặc sông Ray.

Kết luận

Nội dung nghiên cứu của luận văn thạc sĩ đã đúc kết được 5 kết quả nổi bật:

  • Ứng dụng thành công chuỗi mô hình HEC-HMS và HEC-RAS để phân chia 23 tiểu lưu vực và mô phỏng chi tiết chế độ thủy lực chất lượng nước trên 100 km sông Thị Tính.
  • Xác lập bộ chỉ số kiểm định mô hình đạt độ tin cậy tốt với chỉ số Nash-Sutcliffe đạt 0,52 - 0,68 và hệ số tương quan R2 đạt 0,5615 - 0,7993 tại 5 mặt cắt chính qua 36 đợt quan trắc.
  • Định vị chính xác thị xã Bến Cát là tâm điểm ô nhiễm công nghiệp với hơn 65% tải lượng COD và huyện Bàu Bàng là điểm nóng ô nhiễm chăn nuôi với 28% tải lượng BOD5.
  • Thiết lập cơ sở dữ liệu hiện trạng xả thải toàn diện từ hơn 120 nguồn thải lớn phục vụ công tác giám sát môi trường định kỳ.
  • Đề xuất đồng bộ 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý khả thi trong lộ trình 2022 - 2026 nhằm kiểm soát 7 vùng có nguy cơ ô nhiễm nguồn nước mặt.

Đóng góp khoa học then chốt của luận văn là cung cấp một công cụ số trị hỗ trợ ra quyết định đáng tin cậy cho công tác quản trị lưu vực sông. Trong giai đoạn 2023 - 2025, các cơ quan ban ngành và nhà khoa học cần tiếp tục phối hợp mở rộng mô hình sang bài toán chất lượng nước 2D, góp phần nâng cao hiệu lực quản lý tài nguyên nước và phát triển bền vững tỉnh Bình Dương.