Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ với tựa đề “Xây dựng cơ sở phương pháp luận để đánh giá và định hướng công tác quản lý tài nguyên nước mặt khu vực Đồng bằng sông Cửu Long: trường hợp nghiên cứu sông Cần Thơ” do nghiên cứu sinh Võ Thị Ngọc Giàu thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Nguyễn Hiếu Trung tại Trường Đại học Cần Thơ, Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên, thuộc chuyên ngành Môi trường Đất và Nước (khóa đào tạo NCS 2013). Công trình được Hội đồng chấm luận án thông qua ngày 01 tháng 02 năm 2021 với Chủ tịch Hội đồng là GS. TS. Lê Quang Trí và Thư ký Hội đồng là TS. Trần Văn Tỷ.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Tài nguyên nước mặt giữ vai trò huyết mạch trong việc duy trì các hệ sinh thái và phát triển kinh tế - xã hội. Tuy nhiên, nguồn tài nguyên này đang chịu sức ép nghiêm trọng do ô nhiễm, khai thác quá mức và tác động của biến đổi khí hậu. Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) nói chung và thành phố Cần Thơ nói riêng đối mặt với nhiều nguy cơ: từ sau năm 2040 lượng mưa mùa khô dự báo suy giảm trong khi mùa mưa gia tăng cực đoan, cùng với tình trạng hạn mặn và suy giảm dòng chảy (World Bank, 2019). Để chủ động thích ứng, Chính phủ đã ban hành Nghị quyết số 120/NQ-CP ngày 17/11/2017 về phát triển bền vững ĐBSCL. Sông Cần Thơ là một phân lưu chính của sông Hậu, chảy qua các khu vực đô thị trung tâm gồm quận Ninh Kiều, quận Cái Răng và huyện Phong Điền; số liệu giám sát môi trường chỉ ra rằng nhiều tuyến kênh rạch tại đây đang bị ô nhiễm hữu cơ và vi sinh. Thực tế quản lý tại địa phương còn thiếu một khung phương pháp luận tích hợp thống nhất giữa đánh giá chất lượng nước, mô phỏng thủy lực dòng chảy và cân bằng cung - cầu nước theo các kịch bản phát triển tương lai.
Mục tiêu nghiên cứu
- Mục tiêu tổng quát: Xây dựng quy trình cơ sở phương pháp luận làm căn cứ khoa học để đánh giá chất lượng và trữ lượng nước, từ đó định hướng công tác quản lý tài nguyên nước mặt tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long.
- Mục tiêu cụ thể:
- Đánh giá diễn biến chất lượng nước lưu vực sông Cần Thơ giai đoạn 2010–2019 thông qua hệ thống thông số quan trắc và chỉ số chất lượng nước VN-WQI.
- Đánh giá tải lượng ô nhiễm và khả năng chịu tải của lưu vực sông Cần Thơ trong kịch bản hiện tại (năm cơ sở 2012) và các kịch bản phát triển tương lai (năm 2030 và 2050).
- Đánh giá cân bằng nước, bao gồm dự báo nhu cầu sử dụng và trữ lượng nguồn nước lưu vực sông Cần Thơ cho kịch bản nền và kịch bản tương lai (2030, 2050).
- Đề xuất quy trình cơ sở phương pháp luận đánh giá trữ lượng và chất lượng nước nhằm phục vụ công tác quy hoạch, quản lý tài nguyên nước mặt vùng ĐBSCL.
Giả thuyết và câu hỏi nghiên cứu
- Giả thuyết nghiên cứu:
- Nhu cầu sử dụng nước trong tương lai có sự biến động lớn so với hiện tại dưới áp lực gia tăng dân số và phát triển kinh tế - xã hội.
- Về trữ lượng, sông Cần Thơ vẫn có khả năng đáp ứng nhu cầu dùng nước trong tương lai, nhưng về chất lượng nước sẽ không đáp ứng được do nguy cơ gia tăng ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng.
- Các giải pháp quản lý tài nguyên nước mặt thích ứng với biến đổi khí hậu cần tập trung kiểm soát và xử lý nguồn thải tập trung tại thời điểm hiện tại để tạo nền tảng cho tương lai.
- Câu hỏi nghiên cứu:
- Chất lượng nước khu vực nghiên cứu đang diễn biến ra sao, đã vượt ngưỡng ô nhiễm hay chưa và chịu tác động từ những nguồn thải chính nào?
- Các công cụ kinh tế và phi kinh tế có khả năng cải thiện chất lượng nước sông Cần Thơ ở mức độ nào?
- Sự gia tăng dân số kết hợp với biến đổi khí hậu sẽ làm thay đổi bài toán cân bằng nước của lưu vực sông ra sao?
- Quy trình quản lý tài nguyên nước nào có tính khả thi và phù hợp để định hướng quản lý bền vững lưu vực sông Cần Thơ và ĐBSCL?
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Trữ lượng nước, chất lượng nước, tải lượng ô nhiễm, khả năng tiếp nhận nước thải/sức chịu tải của sông Cần Thơ và nhu cầu sử dụng nước của các ngành, hộ dân trong hiện tại và kịch bản tương lai (2030, 2050).
- Phạm vi không gian: Đoạn sông Cần Thơ chảy qua 3 quận/huyện trực thuộc TP. Cần Thơ gồm Ninh Kiều, Cái Răng và Phong Điền.
- Giới hạn loại trừ: Luận án chưa đánh giá chuyên sâu mức độ tác động xuyên biên giới từ thượng nguồn sông Mekong, sông Hậu và tải lượng phát sinh do nước mưa chảy tràn trên bề mặt lưu vực.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu quốc tế
Các nghiên cứu quản lý tài nguyên nước và mô hình hóa lưu vực trên thế giới đã đạt được nhiều bước tiến:
- Ứng dụng mô hình WEAP: David R. Purkey (2000) áp dụng WEAP đánh giá nguồn nước Bắc Mỹ dưới kịch bản nhiệt độ tăng 10°C và mưa giảm 50%. Brian A. Joyce et al. (2011) mô phỏng thủy văn và nhu cầu nước nông nghiệp thung lũng California theo kịch bản BĐKH A2 và B1. Mong Marith, Oeurng Chantha, Ly Sarann (2014) tích hợp SWAT và WEAP tại lưu vực Chrey Bak (Campuchia), xác định nguy cơ thiếu hụt nước tưới mùa khô. Tena, Phenny Mwaanga và Alick Nguvulu (2019) mô phỏng cân bằng nước lưu vực sông Chongwe (Zambia) đạt hệ số $R^2 = 0{,}97$ và $NSE = 0{,}64$.
- Đánh giá chất lượng nước bằng WQI: Mô hình WQI hình thành từ nghiên cứu của Horton (1965), tiếp tục phát triển thành WQI-NSF (Hoa Kỳ), OWQI tại bang Oregon, mô hình của bang Florida, WQI-TME tại Canada. Arief Dhany Sutadian và Nitin Muttil (2017) xây dựng chỉ số WJWQI tại Tây Java (Indonesia) giai đoạn 2001–2010. Surjeet Singh et al. (2015) thiết lập chỉ số OWQI cho tài nguyên nước mặt tại Ấn Độ.
- Mô hình thủy lực HEC-RAS: Gary W. Brunner (2014) công bố khả năng tính toán dòng chảy hai chiều (2D) và liên kết 1D/2D không ổn định dựa trên hệ phương trình Saint-Venant và khuếch tán sóng.
Các hướng nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, các phương pháp đánh giá tài nguyên nước mặt và sức chịu tải được triển khai đa dạng:
- Khả năng chịu tải và chất lượng nước: Lê Trình và ctv (2005) tính toán khả năng tự làm sạch của sông Hậu, sông Cần Thơ, rạch Cái Khế và rạch Tham Tướng; Trần Hồng Thái và ctv (2006, 2007) ứng dụng MIKE 11 cho sông Nhuệ - Đáy và sông Sài Gòn - Đồng Nai; Nguyễn Kỳ Phùng (2009) dùng mô hình SHADM đánh giá tải lượng BOD5, COD, TSS, TN, TP tại sông rạch huyện Bến Lức, Long An; Phạm Đức Nghĩa và ctv (2009) ứng dụng MIKE 21 ECOLab trên sông Hậu đoạn Long Xuyên - Cần Thơ ($R^2$ lưu lượng đạt 0,85–0,97); Nguyễn Minh Lâm (2012) đánh giá khả năng chịu tải sông Vàm Cỏ Đông; Cục Kiểm soát ô nhiễm (2012) khảo sát sức chịu tải hạ lưu sông Mekong; Chi cục BVMT Tiền Giang (2014) nghiên cứu sông Bảo Định theo QCVN 08:2008/BTNMT; Dương Thị Trúc và ctv (2019) khảo sát chất lượng nước sông Tiền qua Tân Châu; Lê Văn Dũ và ctv (2019) dùng phân tích đa biến PCA/CA tại Vườn Quốc gia U Minh Hạ.
- Ứng dụng mô hình WEAP và HEC-RAS: Bùi Thị Ninh (2008) tính toán cân bằng nước huyện Lạc Dương (Lâm Đồng); Nguyễn Ngọc Hà (2012) nghiên cứu lưu vực sông Vệ (Quảng Ngãi); Vũ Thanh Tâm và ctv (2012) phân tích hệ thống tài nguyên nước giai đoạn 2011–2020; Trương Thị Yến Nhi và ctv (2013) dùng HEC-RAS trên kênh Xáng (Sóc Trăng); Nguyễn Thành Tựu và ctv (2013) mô phỏng dòng chảy lũ vùng Tứ Giác Long Xuyên ($n = 0{,}029$); Trần Thị Lệ Hằng (2014) mô phỏng thủy lực hạ lưu sông Tiền dưới tác động cống đập Ba Lai; Đoàn Tranh và ctv (2015) dùng WEAP đánh giá lưu vực Vu Gia - Thu Bồn; Phạm Quốc Bảo (2016) ứng dụng WEAP tại lưu vực Phước Long; Nguyễn Hiền Thân và ctv (2017), Nguyễn Thị Thanh Thúy và Nguyễn Hiền Thân (2019) ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo và GRNN dự đoán chất lượng nước sông Đồng Nai.
- Phương pháp tiếp cận tổng hợp: Nguyễn Ngọc Ngân và ctv (2017), Hồng Minh Hoàng và ctv (2019) sử dụng khung Đánh giá Môi trường Tổng hợp DPSIR tại Sóc Trăng và Đồng Tháp; Nguyễn Thanh Ngân và ctv (2019) xây dựng cơ sở dữ liệu GIS cấp nước nội ô Cần Thơ. Về chỉ số WQI, từ các nghiên cứu ban đầu của Tôn Thất Lãng và Phạm Thị Minh Hạnh, Tổng cục Môi trường đã ban hành Quyết định 879/QĐ-TCMT (2011) và Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành Quyết định 1460/QĐ-BTNMT (2019).
Vị trí và khoảng trống nghiên cứu của luận án
Mặc dù TP. Cần Thơ đã triển khai các đề án quy hoạch tài nguyên nước, sự thiếu đồng bộ về phương pháp luận và cơ sở dữ liệu liên ngành khiến các đề án trước đó chưa đạt tính khả thi cao. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách xây dựng một quy trình phương pháp luận hoàn chỉnh, kết hợp đồng thời đánh giá diễn biến chất lượng nước 10 năm (2010–2019), mô phỏng thủy động lực học dòng chảy (HEC-RAS 1D/2D) và tính toán cân bằng cung - cầu cũng như sức chịu tải môi trường (WEAP) cho các mốc thời gian 2030 và 2050.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và quan niệm quản lý
- Quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM): Luận án kế thừa định nghĩa của Tổ chức Đối tác Nước Toàn cầu (GWP), nhấn mạnh sự cân bằng giữa hệ tự nhiên (số lượng, chất lượng, nước mặt, nước dưới đất) và hệ con người (liên ngành, sự tham gia của các bên liên quan, chính sách kinh tế - xã hội).
- Nguyên lý "3 chữ P" của Bruce Mitchell: Quản lý lưu vực sông được tiếp cận dưới 3 khía cạnh: Triết lý (Philosophy - xem lưu vực là một hệ thống mở thống nhất), Quá trình (Process - thích ứng linh hoạt theo thời gian) và Sản phẩm (Product - kết tinh thành các kế hoạch hành động cụ thể).
Mô hình toán và phương trình thủy lực
- Hệ thống phân tích sông HEC-RAS: Ứng dụng mô phỏng dòng chảy không ổn định một chiều và hai chiều trong kênh hở qua các phương trình cơ bản:
- Phương trình liên tục:
$$\frac{\partial A}{\partial t} + \frac{\partial S}{\partial t} + \frac{\partial Q}{\partial x} - q_l = 0$$
- Phương trình động lượng:
$$\frac{\partial Q}{\partial t} + \frac{\partial (VQ)}{\partial x} + g A \left( \frac{\partial z}{\partial x} + S_f \right) = 0$$
- Công thức Manning xác định dòng chảy:
$$Q = \frac{1}{n} A R^{2/3} S_f^{1/2}$$
(Trong đó: $A$ là diện tích mặt cắt ướt; $S$ là lượng trữ mặt cắt; $Q$ là lưu lượng; $q_l$ là lưu lượng bổ sung đơn vị; $V$ là vận tốc; $z$ là mực nước; $S_f$ là độ dốc đáy sông; $n$ là hệ số nhám Manning; $R$ là bán kính thủy lực).
- Hệ thống đánh giá và quy hoạch nước WEAP: Thiết lập bài toán cân bằng nước dựa trên cấu trúc các nút nhu cầu (demand sites), nguồn cấp nước mặt, khả năng pha loãng và truyền tải chất ô nhiễm.
Đánh giá lựa chọn mô hình toán
Tác giả đã tiến hành so sánh, phân tích ưu nhược điểm của 4 mô hình thủy lực và quản lý nước: HEC-RAS, WEAP, MIKE và VRSAP thông qua hệ thống ma trận đa tiêu chí:
| Tên mô hình |
Ưu điểm chính |
Hạn chế chính |
| HEC-RAS |
Giao diện đồ họa thuận tiện; mô phỏng dòng chảy ổn định và không ổn định 1D/2D; đã chứng minh hiệu quả tại ĐBSCL; phần mềm miễn phí. |
Tốc độ chạy chậm khi dữ liệu lớn; việc trích xuất dữ liệu chi tiết còn giới hạn. |
| WEAP |
Cân bằng nước tổng thể tốt; tích hợp phân tích kinh tế - môi trường; khả năng lập kịch bản dự báo tương lai linh hoạt; giao diện thân thiện. |
Số liệu lưu lượng chủ yếu dựa trên mô phỏng/thu thập; cần khối lượng dữ liệu đầu vào chi tiết. |
| MIKE |
Nối kết công cụ GIS mạnh; tiện ích tính toán đa dạng cho bài toán vừa và nhỏ; mô phỏng lan truyền chất chi tiết. |
Phần mềm thương mại chi phí bản quyền rất cao; thời gian chạy tính toán cho lưu vực lớn như ĐBSCL rất dài; mã nguồn đóng. |
| VRSAP |
Đáp ứng tốt các bài toán mạng lưới sông lớn tại ĐBSCL; hiểu rõ thuật toán mã nguồn mở. |
Giao diện đơn giản; liên kết GIS và cơ sở dữ liệu hạn chế; tính toán chất lượng nước (chủ yếu là mặn) còn khó khăn; tốc độ tính lặp chậm. |
Kết quả tính toán ma trận đánh giá (kết hợp ma trận điểm, ma trận ưu tiên và ma trận gia trọng cho các chỉ tiêu: lưu lượng/mực nước $Q, h$ [trọng số 12], chất lượng nước [trọng số 6], cân bằng nước [trọng số 5], số liệu [trọng số 12]) cho thấy: HEC-RAS đạt 35 điểm, WEAP đạt 35 điểm, MIKE đạt 11 điểm và VRSAP đạt -11 điểm. Từ đó, HEC-RAS và WEAP được lựa chọn là hai công cụ chính của luận án (kết hợp dữ liệu từ mô hình ISIS để kiểm định WEAP).
Quy trình nghiên cứu 11 bước
- Đánh giá hiện trạng diễn biến chất lượng nước mặt bằng chỉ số VN-WQI (theo Quyết định số 1460/QĐ-BTNMT và 879/QĐ-TCMT).
- Xác định trữ lượng và chất lượng nước theo kịch bản nền (năm cơ sở 2012).
- Xác định nhu cầu sử dụng nước theo kịch bản nền (năm 2012).
- Tính tải lượng ô nhiễm phát sinh và khả năng chịu tải của sông theo kịch bản nền.
- Tính toán cân bằng nước cho kịch bản nền.
- Đánh giá trữ lượng nước theo các kịch bản tương lai (2030, 2050).
- Xác định nhu cầu sử dụng nước theo các kịch bản tương lai (2030, 2050).
- Tính tải lượng ô nhiễm và khả năng chịu tải theo kịch bản tương lai.
- Đánh giá cân bằng nước tương lai theo các kịch bản khác nhau.
- Đề xuất kế hoạch khai thác, bảo vệ và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên nước mặt.
- Xây dựng sơ đồ quy trình cơ sở phương pháp luận tổng quát để đánh giá và định hướng công tác quản lý tài nguyên nước mặt lưu vực sông.
Nguồn tư liệu và phương pháp thu thập dữ liệu
- Dữ liệu quan trắc chất lượng nước: Chuỗi số liệu 10 năm (2010–2019) thu thập từ Trung tâm Quan trắc Tài nguyên và Môi trường TP. Cần Thơ đối với các thông số: pH, TSS, DO, $\text{BOD}_5$, COD, $\text{N-NH}_4^+$, $\text{N-NO}_3^-$, Coliform và kim loại nặng.
- Dữ liệu thủy văn, địa hình: Số liệu mực nước, lưu lượng dòng chảy, hệ thống mặt cắt hình học lòng dẫn sông Cần Thơ (đoạn thẳng như MC18, đoạn cong như MC16, MC21).
- Dữ liệu kinh tế - xã hội: Thống kê dân số, hiện trạng và quy hoạch cấp nước của các nhà máy nước, hoạt động sản xuất nông nghiệp, chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản tại quận Ninh Kiều, Cái Răng và huyện Phong Điền.
- Phương pháp điều tra xã hội học: Phỏng vấn trực tiếp hộ dân sinh sống ven sông về cơ cấu sử dụng nước và nhận định về biến động chất lượng nước trong 10 năm.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu
Chương này thiết lập cơ sở khoa học và bối cảnh nghiên cứu. Tác giả phân tích tính cấp bách của việc quản lý nguồn nước sông Cần Thơ trong bối cảnh chịu tác động kép từ quá trình đô thị hóa nhanh và biến đổi khí hậu. Chương 1 xác định rõ mục tiêu tổng quát, 4 mục tiêu cụ thể, 4 giả thuyết khoa học, 3 câu hỏi nghiên cứu, đối tượng, phạm vi không gian - thời gian, ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn và 5 điểm mới cốt lõi của đề tài.
Chương 2: Lược khảo tài liệu
Nội dung chương 2 tập trung tổng hợp, phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến quản lý tổng hợp tài nguyên nước, các mô hình toán thủy lực (HEC-RAS, MIKE, VRSAP, ISIS), mô hình cân bằng nước (WEAP), và các bộ chỉ số chất lượng nước (WQI, VN-WQI theo Quyết định 879/QĐ-TCMT và Quyết định 1460/QĐ-BTNMT). Chương này thực hiện so sánh đa tiêu chí giữa 4 mô hình toán để luận chứng việc lựa chọn HEC-RAS và WEAP, đồng thời cung cấp tổng quan về điều kiện tự nhiên, khí tượng thủy văn, hiện trạng kinh tế - xã hội và các dự án bảo vệ môi trường trên địa bàn TP. Cần Thơ.
Chương 3: Phương pháp nghiên cứu
Chương 3 trình bày chi tiết cách tiếp cận hệ thống và quy trình thực hiện gồm 11 bước. Tác giả mô tả chi tiết:
- Các phương pháp phân tích mẫu nước và quy định tính toán giá trị $q_i, BP_i$, trọng số nhóm thông số theo hướng dẫn kỹ thuật VN-WQI mới (QĐ 1460/QĐ-BTNMT).
- Thiết lập mô hình HEC-RAS 1D và 2D: cấu trúc mạng lưới sông, nhập dữ liệu mặt cắt thực đo và nội suy, thiết lập điều kiện biên, hiệu chỉnh hệ số nhám Manning $n$.
- Thiết lập mô hình WEAP: sơ đồ hóa các nút nhu cầu (sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, thủy sản), nguồn cấp nước, cấu trúc kịch bản nền năm 2012 và các kịch bản phát triển tương lai năm 2030, 2050 kết hợp kiểm định với số liệu mô hình ISIS.
- Phương pháp tính toán tải lượng ô nhiễm phát sinh từ 4 nguồn chính: sinh hoạt, nuôi trồng thủy sản, chăn nuôi và rửa trôi đất bề mặt, cùng công thức tính khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước sông.
Chương 4: Kết quả và thảo luận
Chương 4 là phần trọng tâm của luận án, trình bày các kết quả định lượng cụ thể:
- Diễn biến chất lượng nước (2010–2019): Phân tích biến thiên theo không gian và thời gian của các chỉ tiêu pH, TSS, DO, $\text{BOD}_5$, COD, $\text{N-NH}_4^+$, $\text{N-NO}_3^-$, Coliform tại Ninh Kiều, Cái Răng và Phong Điền. So sánh kết quả tính VN-WQI giữa hai Quyết định 879 và 1460; đánh giá mức độ ô nhiễm cục bộ tại các kênh rạch nhánh đổ vào sông Cần Thơ.
- Mô phỏng thủy lực dòng chảy: Kết quả HEC-RAS 1D và 2D thể hiện chi tiết trường vận tốc và độ sâu dòng chảy tại các đoạn sông thẳng và đoạn cong (khoanh vùng các đoạn cong từ mô hình 2D), chỉ ra mối tương quan rõ nét giữa vận tốc dòng chảy với sự tích tụ/pha loãng chất ô nhiễm.
- Nhu cầu và cân bằng nước: Tính toán chi tiết lượng nước đến bình quân và cơ cấu dùng nước của các nút nhu cầu (nhà máy nước, nông nghiệp, sinh hoạt hộ dân) trong năm cơ sở 2012; dự báo nhu cầu dùng nước theo các kịch bản năm 2030 và 2050. Kết quả chạy mô hình WEAP cho thấy trữ lượng dòng chảy sông Cần Thơ vẫn đảm bảo đáp ứng tổng nhu cầu dùng nước trong cả hai mốc 2030 và 2050.
- Tải lượng ô nhiễm và sức chịu tải:
- Thống kê chi tiết tải lượng phát sinh ($L_t$) từ sinh hoạt, thủy sản, chăn nuôi và rửa trôi đất trong năm cơ sở 2012 và dự báo cho năm 2030, 2050.
- Kết quả tính toán sức chịu tải chỉ ra rằng vào các năm 2030 và 2050, sông Cần Thơ hoàn toàn không còn khả năng tiếp nhận thêm nước thải/không còn sức chịu tải đối với các thông số ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng chính gồm $\text{BOD}_5$, COD và $\text{NH}_4^+$.
- Quy trình phương pháp luận: Tổng hợp toàn bộ các kết quả để đề xuất sơ đồ quy trình cơ sở phương pháp luận hoàn chỉnh phục vụ đánh giá và định hướng công tác quản lý tài nguyên nước mặt cho lưu vực sông Cần Thơ và vùng ĐBSCL.
Chương 5: Kết luận và đề xuất
Chương cuối cùng tổng kết các phát hiện chính của luận án, khẳng định việc hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu đề ra; đồng thời đề xuất hệ thống giải pháp công trình (hạ tầng thu gom, xử lý nước thải tập trung) và phi công trình (công cụ kinh tế, phí xả thải, xử phạt vi phạm, thay đổi thói quen xả thải trực tiếp ven sông) nhằm quản lý và bảo vệ tài nguyên nước mặt một cách bền vững.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học
- Xây dựng thành công khung quy trình cơ sở phương pháp luận gồm 11 bước có tính logic cao, tích hợp đồng bộ giữa quan trắc chất lượng nước, mô hình thủy lực hai chiều và mô hình quy hoạch - cân bằng tài nguyên nước để quản lý lưu vực sông tại ĐBSCL.
- Ứng dụng và kiểm chứng thực tế công thức tính chỉ số chất lượng nước VN-WQI mới theo Quyết định 1460/QĐ-BTNMT, làm rõ ưu điểm khi tích hợp nhóm thông số hữu cơ, nhóm kim loại nặng và bộ trọng số thành phần trong điều kiện nguồn nước mặt ĐBSCL.
- Thiết lập mô hình tích hợp kỹ thuật giữa HEC-RAS (1D/2D) và WEAP, tạo công cụ mô phỏng động thái dòng chảy gắn liền với tính toán cân bằng cung - cầu nước và khả năng lan truyền ô nhiễm.
Đóng góp thực tiễn và các phát hiện cụ thể
- Cung cấp bức tranh toàn diện về diễn biến chất lượng nước sông Cần Thơ trong 10 năm liên tục (2010–2019) và đánh giá chi tiết cơ cấu sử dụng nước của các ngành kinh tế.
- Chứng minh bằng số liệu mô hình hóa rằng trong giai đoạn 2030–2050, sông Cần Thơ vẫn đảm bảo cân bằng về trữ lượng nước cung cấp cho sinh hoạt và sản xuất.
- Đưa ra cảnh báo khoa học quan trọng: Sông Cần Thơ mất hoàn toàn khả năng chịu tải đối với các chỉ tiêu $\text{BOD}_5$, COD và $\text{NH}_4^+$ vào các năm 2030 và 2050 nếu không có các biện pháp can thiệp nguồn thải hiệu quả.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
- Giải pháp công trình: Đầu tư hoàn thiện hệ thống thu gom và các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt tập trung tại các quận nội thành (Ninh Kiều, Cái Răng); xây dựng hệ thống xử lý nước thải đạt chuẩn tại các cơ sở chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản ven sông.
- Giải pháp kinh tế và pháp lý: Tăng cường áp dụng các công cụ kinh tế môi trường như tăng phí xả thải, xử phạt vi phạm hành chính đối với các nguồn thải vượt quy chuẩn; kiểm soát chặt chẽ cấp phép khai thác và xả thải vào nguồn nước.
- Giải pháp phi công trình: Tuyên truyền, nâng cao nhận thức cộng đồng nhằm thay đổi tập quán sinh sống và xả rác, xả nước thải trực tiếp xuống lòng sông; di dời và sắp xếp lại các khu dân cư tạm bợ trên và ven kênh rạch.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế về nguồn số liệu kiểm định: Trong quá trình thực hiện mô hình cân bằng nước WEAP, do nguồn số liệu quan trắc thực đo còn hạn chế, tác giả đã phải sử dụng chuỗi số liệu mô phỏng từ mô hình thủy lực khác (mô hình ISIS) để phục vụ công tác kiểm định mô hình.
- Hạn chế về phạm vi không gian và nguồn thải: Luận án mới tập trung vào đoạn dòng chính sông Cần Thơ chảy qua 3 quận/huyện (Ninh Kiều, Cái Răng, Phong Điền); chưa mô hình hóa chi tiết sự tương tác động lực học và trao đổi chất ô nhiễm với sông Hậu, nguồn nước từ thượng nguồn sông Mekong đổ về, cũng như chưa tính toán định lượng tải lượng ô nhiễm phân tán do nước mưa chảy tràn trên toàn lưu vực.
- Hướng nghiên cứu tiếp theo: Cần mở rộng thu thập chuỗi số liệu thực đo đồng bộ để nâng cao độ chính xác kiểm định mô hình; tích hợp mô hình chất lượng nước 2D/3D cho toàn bộ mạng lưới kênh rạch nội đô liên kết với sông Hậu; nghiên cứu bổ sung tải lượng ô nhiễm từ nước mưa chảy tràn và tác động xuyên biên giới trong bối cảnh các đập thủy điện thượng nguồn vận hành.
Giá trị tham khảo
- Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Luận án là tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp tích hợp mô hình HEC-RAS (1D/2D) và WEAP trong nghiên cứu thủy văn - môi trường nước; cung cấp tài liệu giảng dạy về đánh giá sức chịu tải sông ngòi và ứng dụng chỉ số VN-WQI theo quy định mới của Bộ Tài nguyên và Môi trường.
- Đối với các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học trực tiếp cho Sở Tài nguyên và Môi trường TP. Cần Thơ, Chi cục Bảo vệ Môi trường và UBND các cấp trong việc thẩm định cấp phép xả nước thải vào nguồn nước, lập quy hoạch tài nguyên nước mặt đến năm 2030, tầm nhìn 2050 và định hướng phát triển không gian đô thị thích ứng với biến đổi khí hậu.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án sử dụng những mô hình toán nào để mô phỏng và quản lý tài nguyên nước?
Luận án đã phân tích và so sánh 4 mô hình (HEC-RAS, WEAP, MIKE, VRSAP) qua ma trận đánh giá đa tiêu chí. Kết quả lựa chọn hai công cụ chính là HEC-RAS (bao gồm HEC-RAS 1D và 2D để mô phỏng thủy lực dòng chảy, trường vận tốc và mực nước) và WEAP (để mô phỏng cân bằng cung - cầu nước, tải lượng ô nhiễm và sức chịu tải của sông). Đồng thời, tác giả sử dụng số liệu từ mô hình ISIS để hỗ trợ kiểm định.
2. Chất lượng nước sông Cần Thơ giai đoạn 2010–2019 được đánh giá qua những chỉ tiêu nào và bằng phương pháp gì?
Chất lượng nước được phân tích qua chuỗi số liệu 10 năm với các thông số vật lý, hóa học và vi sinh: pH, TSS, DO, $\text{BOD}_5$, COD, $\text{N-NH}_4^+$, $\text{N-NO}_3^-$, Coliform và kim loại nặng. Phương pháp đánh giá kết hợp giữa định lượng và định tính (phỏng vấn người dân), đồng thời áp dụng tính toán chỉ số chất lượng nước VN-WQI theo hướng dẫn kỹ thuật mới tại Quyết định số 1460/QĐ-BTNMT (so sánh với Quyết định 879/QĐ-TCMT).
3. Kết quả dự báo cân bằng nước cho các năm 2030 và 2050 cho thấy điều gì về trữ lượng nước sông Cần Thơ?
Kết quả mô phỏng cân bằng nước bằng mô hình WEAP cho thấy trữ lượng nước đến của sông Cần Thơ trong các kịch bản tương lai năm 2030 và năm 2050 vẫn đáp ứng được tổng nhu cầu khai thác, sử dụng nước phục vụ cho sinh hoạt đô thị, nông nghiệp và các ngành kinh tế khác trên địa bàn.
4. Khả năng tiếp nhận nước thải (sức chịu tải) của sông Cần Thơ trong tương lai diễn biến ra sao?
Trái ngược với trữ lượng, về mặt chất lượng nước và môi trường, kết quả tính toán tải lượng ô nhiễm từ sinh hoạt, thủy sản, chăn nuôi và rửa trôi đất cho thấy vào năm 2030 và năm 2050, sông Cần Thơ hoàn toàn không còn khả năng chịu tải đối với các thông số $\text{BOD}_5$, COD và $\text{NH}_4^+$.
5. Luận án đã đề xuất những giải pháp trọng tâm nào để bảo vệ tài nguyên nước mặt sông Cần Thơ?
Tác giả đề xuất kết hợp cả giải pháp công trình và phi công trình: đầu tư xây dựng các hệ thống thu gom và nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt tập trung cho các quận nội ô; kiểm soát và xử lý nước thải chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản; tăng phí xả thải và xử phạt vi phạm hành chính; tuyên truyền vận động nhân dân xóa bỏ tập quán xả rác và xả nước thải trực tiếp xuống lòng sông.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Võ Thị Ngọc Giàu đã giải quyết bài toán cấp thiết về quản lý tài nguyên nước mặt tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long thông qua trường hợp nghiên cứu cụ thể trên sông Cần Thơ. Bằng việc tích hợp các mô hình toán HEC-RAS (1D/2D) và WEAP cùng chỉ số VN-WQI, nghiên cứu đã đánh giá toàn diện diễn biến chất lượng nước 10 năm (2010–2019) và dự báo cân bằng nước cũng như sức chịu tải đến các mốc năm 2030 và 2050. Kết quả chỉ ra rằng dù nguồn nước sông Cần Thơ vẫn đảm bảo về trữ lượng nhưng sẽ mất hoàn toàn khả năng chịu tải đối với $\text{BOD}_5$, COD và $\text{NH}_4^+$. Khung phương pháp luận 11 bước do luận án xây dựng là tài liệu khoa học có giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho công tác quy hoạch và quản lý bền vững tài nguyên nước mặt tại TP. Cần Thơ và các lưu vực sông tương tự ở ĐBSCL.
