Xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước dựa vào động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy cho hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai

Trên thế giới, động vật khôngxương sống cỡ lớn ở đáy ĐVKXSCL được ứng dụng phổ biến nhấttrong các chương trình sinh quan trắc do những ưu điểm nổi bật củachúng trong thủy vực như 1 thành

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Tiềm năng kinh tế phần hạ lưu của lưu vực sông Đồng Nai được đánh giá

là rất lớn, quyết định đến sự phát triển của nhiều ngành nghề, lĩnh vực –Khu vực có tốc độ phát triển kinh tế - xã hội mạnh nhất nước Tuy nhiên,với nhu cầu phát triển hiện nay, chất lượng nước phần hạ lưu hệ thốngsông Đồng Nai (HTSĐN) đang chịu áp lực ngày càng gia tăng do tiếpnhận một lượng rất lớn nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất côngnghiệp, sản xuất nông nghiệp, chất thải đô thị,… với hàm lượng các chất

ô nhiễm cao làm giảm đáng kể khả năng tự làm sạch và đe dọa nghiêmtrọng chất lượng nước Ngoài ra, các ghi nhận cho thấy tài nguyên nướcđang bị khai thác với tốc độ nhanh

Nhằm góp phần quản lý nguồn tài nguyên nước và hoàn thiện các phươngpháp quan trắc chất lượng môi trường, bên cạnh các phương pháp dựavào yếu tố hóa-lý, việc sử dụng sinh vật trong đánh giá chất lượng nước,phục vụ giám sát sức khoẻ sinh thái thủy vực đang ngày càng được coi làphương pháp ứng dụng có nhiều ưu điểm Trên thế giới, động vật khôngxương sống cỡ lớn ở đáy (ĐVKXSCL) được ứng dụng phổ biến nhấttrong các chương trình sinh quan trắc do những ưu điểm nổi bật củachúng trong thủy vực như (1) thành phần loài phong phú và phân bố rộngkhắp hệ thống sông; (2) tương đối dễ thu mẫu; (3) tương đối dễ địnhdanh; (4) thường sống cố định ở đáy, do đó chỉ thị tốt cho sự thay đổichất lượng nước; (5) có đời sống đủ dài (> 6 tháng) nên không cần thumẫu thường xuyên; (6) đa dạng khoảng nhạy cảm với ô nhiễm; (7) tổnghợp các ảnh hưởng của ô nhiễm trong thủy vực; (8) số lượng loài trongmột lần thu mẫu khá cao, do đó có ít nhất vài loài sẽ bị tác động do sựthay đổi chất lượng nước; và, (9) tài liệu nghiên cứu phong phú Cho đếnnay, các kết quả ứng dụng ĐVKXSCL cho việc đánh giá chất lượng vàphân vùng môi trường nước các dạng thủy vực với các điều kiện sinh tháikhác nhau ở Việt Nam còn rất hạn chế và chưa được kiểm chứng nhiềuqua thời gian Trong khi đó, với điều kiện sinh thái đặc trưng của ViệtNam, việc áp dụng hệ thống điểm số đang được phổ biến ở Châu Âu, Bắc

Mỹ và các quốc gia khác trên thế giới, được coi là thiếu chính xác, nên

việc nghiên cứu ứng dụng ĐVKXSCL là rất cần thiết trong tình hình diễnbiến ô nhiễm nguồn nước ngày một phức tạp hơn

Theo cách tiếp cận mới này, việc thực hiện đề tài “Xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước dựa vào động vật không xương sống

cỡ lớn ở đáy cho hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai” sẽ giúp các nhà

nghiên cứu và quản lý trong lĩnh vực sinh thái, tài nguyên – môi trườngnước có thêm công cụ quan trắc sinh học để giám sát sức khỏe sinh tháilưu vực sông Đồng Nai nói riêng và các lưu vực sông trên cả nước nóichung

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu luận án là xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước dựavào động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy cho hạ lưu hệ thống sôngĐồng Nai

3 PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Khu vực nghiên cứu: Hạ lưu HTSĐN bao gồm sông Sài Gòn – Khu vực

từ thị trấn Dầu Tiếng đến ngã 3 Cát Lái (Đèn Đỏ), sông Đồng Nai – Khuvực từ Tân Uyên đến các cửa sông Từ các thông tin và dữ liệu, các điểm,tuyến khảo sát trong khu vực nghiên cứu được chọn dựa trên những mụcđích như khu vực ít hoặc không bị ảnh hưởng trực tiếp của các nguồn ônhiễm; khu vực bị tác động của các hoạt động phát triển KT-XH; khu vực

có các nhu cầu nước riêng biệt (cấp nước cho các nhà máy nước, nướcthủy lợi, nuôi thủy sản, nước sử dụng đa mục đích,…)

Thời gian nghiên cứu: Thu mẫu ĐVKXSCL 4 đợt/năm (mùa khô, chuyểnmùa khô sang mùa mưa, mùa mưa, chuyển mùa mưa sang mùa khô) kéodài từ tháng 03/2007 đến 09/2009 phục vụ xây dựng phương pháp, và thumẫu 2 đợt vào tháng 03 và tháng 09 năm 2010 để kiểm định phươngpháp

Đối tượng nghiên cứu: Các nhóm loài ĐVKXSCL

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Để đạt những mục tiêu đặt ra, những nội dung dưới đây cần được thựchiện:

1 Thu mẫu và phân tích chất lượng mẫu nước;

2 Thu mẫu và phân tích ĐVKXCL;

3 Đánh giá hiện trạng chất lượng mẫu nước và mối quan hệ ĐVKXSCL

6 Kiểm định phương pháp đã xây dựng;

7 Phát triển bộ chỉ báo ĐVKXSCL cho mục tiêu đánh giá nhanh chấtlượng nước cho hạ lưu HTSĐN;

8 Đề xuất hoàn thiện mạng lưới quan trắc sinh học cho hạ lưu HTSĐN.Nội dung nghiên cứu của luận án gồm 3 chuyên đề sau:

Chuyên đề 1: Tổng quan tài liệu về ĐVKXSCL và khả năng sử dụng

quan trắc chất lượng nước cho hạ lưu HTSĐN

Chuyên đề 2: Xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước hạ lưu

HTSĐN dựa vào các chỉ tiêu sinh học trên cơ sở ĐVKXSCL

Chuyên đề 3: Đánh giá chất lượng hạ lưu HTSĐN dựa vào các chỉ tiêu

sinh học của ĐVKXSCL

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Ý nghĩa khoa học: Dựa trên cơ sở số liệu có hệ thống, đầy đủ của nhómĐVKXSCL thuộc vùng khảo sát, thông tin đa dạng sinh học củaĐVKXSCL, tương quan giữa ĐVKXSCL với các điều kiện sinh thái vàmôi trường, luận án đã xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nướcdựa vào ĐVKXSCL cho hạ lưu HTSĐN

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu đóng góp một công cụ quan trắcsinh học có độ tin cậy cao trong điều kiện sinh thái của Việt Nam Gópphần hoàn thiện các công cụ quan trắc chất lượng nước ở hạ lưu HTSĐN

vì hiện nay trong nhiều chương trình quan trắc chất lượng môi trườngthường sử dụng các thông số hóa-lý để đánh giá chất lượng nước

6 NHỮNG LUẬN ĐIỂM KHOA HỌC MỚI CẦN GIẢI QUYẾT

Luận án xây dựng cơ sở khoa học, phương pháp luận đánh giá chất lượngnước dựa vào ĐVKXSCL phù hợp với điều kiện sinh thái và môi trường

của khu vực nghiên cứu nhằm hoàn thiện các phương pháp đánh giá chấtlượng nước hạ lưu HTSĐN cũng như những hệ thống sông tương tự Dựa trên phương pháp xây dựng Điểm số ô nhiễm (Tolerance Score –TS) của Ủy hội Quốc tế Sông Mekong, luận án đã cải tiến những điểmhạn chế của phương pháp này để xây dựng TS cho từng loài ĐVKXSCL

ở hạ lưu HTSĐN trên cơ sở tương quan giữa sinh học và hóa học từ đótính toán điểm số ô nhiễm trung bình theo cá thể từng loài (averagetolerance score per individuals – ATSPI) tại mỗi vị trí quan trắc Có thểứng dụng kết quả nghiên cứu này để đánh giá chất lượng nước dựa vàoĐVKXSCL mà không cần thiết thu mẫu và phân tích các thông số hóa-lý.Hơn nữa, ngoài thang điểm đánh giá ATSPI, luận án xây dựng thêm cácchỉ số sinh học sử dụng phổ biến để đánh giá chất lượng nước ở HTSĐN(có thể mở rộng phạm vi sử dụng như một số vùng khác của Việt Nam).Đây là cũng là một trong những điểm mới của luận án vì trước đây hầunhư chưa có tác giả nào ở Việt Nam xây dựng thang điểm đánh giá chocác chỉ số sinh học này

Chương 1

TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ QUAN TRẮC SINH HỌC DỰA VÀO ĐVKXSCL TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

Lịch sử hiện đại của quan trắc sinh học bắt đầu ở châu Âu và Bắc Mỹ từđầu thế kỷ 20 và phát triển mạnh vào nửa sau của thế kỷ này Họ đã thiếtlập các tiêu chuẩn về quan trắc sinh học, hầu hết các quốc gia sử dụngĐVKXSCL để đánh giá chất lượng nước trong hệ thống quan trắc quốcgia Tuy vẫn chưa còn nhiều tranh luận xung quanh các phương phápđánh giá dựa vào cấu trúc quần xã và loài chỉ thị nhưng đã cho thấy nhiềulợi ích và tính hiệu quả khi sử dụng ĐVKXSCL để đánh giá những phảnứng của hệ sinh thái Ở các quốc gia châu Á như Nhật Bản, Trung Quốc,

Ấn Độ, Hàn Quốc, Malaysia,… chủ yếu ứng dụng những nghiên cứu đãthực hiện ở châu Âu và Bắc Mỹ, nhưng có những thay đổi phù hợp với

điều kiện tự nhiên của từng quốc gia Hiện nay, họ đang phát triển cácchương trình quan trắc sinh học dựa vào cộng đồng.

Ở Việt Nam, quan trắc sinh học đã được phát triển trong những năm 90của thể kỷ 20 Tuy nhiên, các nghiên cứu hay chương trình quan trắc sinhhọc gần như áp dụng các chỉ số được nghiên cứu và sử dụng đánh giá cácthủy vực ở châu Âu và Bắc Mỹ, nơi mà có điều kiện sinh thái khác biệthoàn toàn so với Việt Nam Một số khác đưa ra các kết quả đánh giá dựavào kinh nghiệm cá nhân mà không quan tâm nhiều đến cơ sở khoa học.Cho đến nay, quan trắc sinh học chưa được thống nhất thực hiện trongcác chương trình quan trắc môi trường của các tỉnh, thành Thậm chínhiều Tỉnh/Thành lớn (bao gồm Tp.HCM) cũng không đưa quan trắc sinhhọc vào trong chương trình quan trắc môi trường của địa phương

Tóm lại, dựa trên những dữ liệu tổng quan về tình hình nghiên cứu trong

và ngoài nước, điểm mới của luận án tiến sỹ này hướng tới cải tiến cácphương pháp: (1) xây dựng TS để đánh giá chất lượng nước cho vùng hạlưu HTSĐN; (2) thiết lập thang điểm đánh giá cho các chỉ số sinh học đã

và đang được sử dụng phổ biến ở khu vực này; và, (3) phát triển bộ chỉbáo ĐVKXSCL cho mục tiêu đánh giá nhanh chất lượng nước cho hạ lưuHTSĐN Đây là những khía cạnh hầu như chưa có nghiên cứu nào thựchiện

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ QUAN TRẮC SINH HỌC DỰA VÀO ĐVKXSCL KHU VỰC HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG ĐỒNG NAI

Đề tài xem xét cơ sở khoa học sử dụng ĐVKXSCL đánh giá chất lượngnước trên cơ sở khảo cứu những nghiên cứu về ĐVKXSCL khu vựcHTSĐN, và nghiên cứu các đặc điểm sinh lý và sinh thái các nhómĐVKXSCL chính phục vụ đánh giá chất lượng nước khu vực hạ lưuHTSĐN Từ đó, định hướng xây dựng phương pháp đánh giá chất lượngnước hạ lưu HTSĐN dựa vào ĐVKXSCL

1.3 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, PHÁT TRIỂN KINH TẾ - XÃ HỘI

VÀ CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG TÁC ĐỘNG Ở KHU VỰC NGHIÊN CỨU

Đề tài đã tổng quan điều kiện tự nhiên, phát triển KT-XH và các vấn đề ônhiễm chính ở hạ lưu HTSĐN, và đưa ra các vấn đề môi trường chính tácđộng đến khu vực nghiên cứu Những thông tin này đã cung cấp cơ sở và

hỗ trợ cho việc xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước hạ lưuHTSĐN dựa vào các chỉ tiêu sinh học ĐVKXSCL

Chương 2.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 VẬT LIỆU

Các vật liệu và thiết bị phục vụ nghiên cứu ĐVKXSCL được chuẩn bịtheo MRC, 2010

2-Tần suất thu mẫu

Trong 3 năm (2007 – 2009), ĐVKXSCL được thu mẫu vào 4 thời điểm:(1) Tháng 3 (mùa khô kiệt nhất), (2) Tháng 6 (chuyển mùa khô sangmưa), (3) Tháng 9 (mùa mưa lớn nhất), và (4) Tháng 12 (chuyển mùamưa sang khô)

Công tác thu mẫu thực địa, phân tích phòng thí nghiệm, xử lý số liệu vàphân tích thống kê được thực hiện theo phương pháp của MRC , 2008 và

2010

Hình 2-2 Khu vực thu mẫu

HL12 HL11

HL10 HL1

HL2 HL3

HL4 HL5

HL6

HL7

HL9 HL8

DN1

DN2

DN3 DN4

DN5

DN6 DN7 DN8

SG12 SG13 SG14

SG15

SG16 SG10

Phương pháp xây dựng điểm số ô nhiễm

Việc xây dựng điểm số ô nhiễm (TS) cho các loài ĐVKXSCL để đánhgiá chất lượng nước hạ lưu HTSĐN được thực hiện trên cơ sở bộ số liệuquan trắc trong 3 năm Cụ thể:

- Điểm số chất lượng nước (Water Quality Score – WQS);

- Điểm số tác động (Impact Score – IS);

- Điểm số ô nhiễm của từng loài (Tolerance Score – TS);

- Điểm số ô nhiễm trung bình theo cá thể từng loài (AverageTolerance Score Per Individuals – ATSPI)

Mặc dù phương pháp này đã được ứng dụng nhiều ở Châu Âu, Bắc Mỹ,sông Mekong và các chi lưu, sông Sài Gòn và các chi lưu (Việt Nam), tuynhiên khi thực hiện đề tài nghiên cứu sinh này, nhóm tác giả nhận thấy cónhững nhược điểm cần cải tiến Điển hình phương pháp đánh giá xâydựng cho lưu vực sông Mekong dựa trên số lượng cá thể của từng mẫu(cá thể/mẫu, tương đương 0,1 m2) và điểm số VAS Nếu sử dụng sốlượng cá thể của từng mẫu (0,1 m2), đôi khi giá trị thu được của từng mẫurất thấp, điều này thường cho kết quả phân tích sai lệch lớn giữa các vị tríkhảo sát và có thể cho điểm số ô nhiễm tính toán được của từng loài quáthấp hay quá cao Hơn nữa, điểm số VAS đánh giá mang tính cảm quan,chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của nhóm nghiên cứu, mặc dù điểm số nàyđánh giá khá bao quát về đặc điểm điều kiều tự nhiên và phát triển KT-

XH của khu vực khảo sát

Chính vì lý do đó, nhóm nghiên cứu đã cải tiến phương pháp xây dựngcho hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai, cụ thể: (1) Phương pháp dựa trên sốlượng cá thể của từng vị trí khảo sát (cá thể/m2), giá trị mẫu gấp 10 lần sovới cá thể trong mẫu 0,1 m2, sẽ tăng thêm tính đại diện của ĐVKXSCL;(2) Còn điểm số VAS được thay bằng điểm số IS, điểm số này có sự kếthợp giữa sự quan sát ngoài thực địa (VAS) và phân tích trong phòng thí

nghiệm (WQS) Những cải tiến này sẽ cho kết quả đánh giá chất lượngnước khách quan hơn so với cách tính toán có phần chủ quan của phươngpháp xây dựng cho lưu vực sông Mekong.

Việc xác định sự hiện diện của các loài này trong quần xã theo giá trị TS

sẽ là cơ sở đánh giá tính chất cũng như sự biến đổi của chất lượng môitrường nước một cách chính xác và hiệu quả nhất Tính toán TS theo

Ni là số lượng cá thể của loài ĐVKXSCL tại vị trí thu mẫu thứ i

ISi là điểm số tác động tại vị trí thu mẫu thứ i

NS là tổng số cá thể của loài ĐVKXSCL tại các vị trí thu mẫu Sau khi tính toán TS cho từng loài ĐVKXSCL Cuối cùng là tính ATSPI.Điểm số này chính là TS trung bình cho từng vị trí quan trắc Tính toánATSPI theo công thức: ATSPI = ∑

j=1

n

( Nj+ ISj)/ NT

Trong đó:

Nj là số lượng cá thể của loài ĐVKXSCL thứ j tại vị trí thu mẫu

TSj là điểm số ô nhiễm của loài ĐVKXCSL thứ j tại vị trí thumẫu

NT là tổng số cá thể của các loài ĐVKXSCL tại vị trí thu mẫu

Xây dựng thang điểm cho ATSPI và các chỉ số sinh học phổ biến

Việc xây dựng thang điểm đánh giá chất lượng nước theo chủ yếu theomức độ ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng (pH, độ mặn, TSS, DO, BOD,

T_N, T_P, coliform, E coli…) Các nguyên tắc xây dựng gồm:

- Dựa vào kết quả phân tích ĐVKXSCL và thông số môi trường;

- Xác định các chỉ số sinh học ĐVKXSCL tương quan chặt nhấtvới những thông số môi trường nào;

- Tính toán giá trị trung bình các chỉ số sinh học theo phân nhómcủa các thông số môi trường tương quan chặt nhất;

- Tổng hợp tính toán giá trị trung bình các chỉ số sinh học theo đợtkhảo sát;

- Đề xuất thang điểm đánh giá

Chương 3.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Dựa trên cơ sở các bộ số liệu nghiên cứu trong 3 năm, luận án đã phântích và đánh giá chất lượng nước bằng phương pháp sử dụng thông số

hóa lý (3.1); mô tả cấu trúc quần xã ĐVKXSCL; tính toán các chỉ số sinh học và vùng phân bố của ĐVKXXSCL (3.2); phân tích mối tương quan giữa ĐVKXCL và thông số hóa lý nước (3.3) Từ những số liệu phân tích

và đánh giá này, luận án xây dựng điểm số ô nhiễm (TS) và thang điểmđánh giá cho các chỉ số sinh học để đánh giá chất lượng nước hạ lưuHTSĐN

3.4 XÂY DỰNG ĐIỂM SỐ Ô NHIỄM

Kết quả tính toán TS của từng loài ĐVKXSCL ở hạ lưu HTSĐN trong 3

năm (2007 – 2009) được trình bày trong Bảng 3-11.

Bảng 3-11 Giá trị TS của từng loài ĐVKXSCL ở hạ lưu HTSĐN (2007– 2009)

24 Owenia fusiformis 43 70 Mesopodopsis slabberi 34

Từ kết quả tính toán các giá trị TS này, các chương trình quan trắc sinhhọc dựa vào ĐVKXSCL cho hạ lưu HTSĐN sau này không cần thiết thumẫu và phân tích các thông số hóa-lý để tính TS, nhưng vẫn đảm bảo cảtính khoa học và kinh phí cho đánh giá chất lượng nước Việc kiểm địnhphương pháp được thực hiện dựa vào số liệu ĐVKXSCL thu thập trongnăm 2010 Dựa trên kết quả tính toán TS cho từng loài ĐVKXSCL, tínhATSPI phục vụ đánh giá chất lượng nước cho từng vị trí

3.5 XÂY DỰNG THANG ĐIỂM ĐÁNH GIÁ CHO CÁC CHỈ SỐ SINH HỌC

Từ kết quả phân tích mối tương quan giữa quần xã ĐVKXSCL và các

thông số chất lượng nước được trình bày ở Mục 3-3 (xem Hình 3-12).

Các thông số chất lượng nước tương quan chặt nhất với quần xãĐVKXCL là DO, BOD5, Tot_N, Tot_P và độ mặn Ngoài ra, phân tíchmối tương quan giữa các chỉ số sinh học của ĐVKXSCL với nhữngthông số chất lượng nước tại 36 vị trí quan trắc ở hạ lưu HTSĐN từ năm

2007 – 2009 cũng thể hiện các chỉ số sinh học có sự tương quan chặt nhất

với DO, BOD5, Tot_ N và Tot_P (R2 = 0.6076 – 0.8300; P < 0.05) (Hình 3-13) Từ đó có thể xây dựng thang điểm đánh giá cho các chỉ số sinh học

dựa trên những thông số chất lượng nước này

1 2 3 4

1 2 3 4

và sống còn các quần xã sinh vật; khi nồng độ DO biến thiên từ 3 – 4 mg/

l sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình sinh lý của cá; và nếu nồng độ

DO < 2 mg/l gây chết hầu hết các loài cá Trong thực tế, không có vị trí

quan trắc nào đo được nồng độ DO > 7 mg/l ở vùng hạ lưu HTSĐN vànhững kênh rạch nội thành bị ô nhiễm nặng thường có nồng độ DO < 0,5mg/l Hơn nữa, các chỉ số BOD5, Tot_N và Tot_P là những thông số rấtquan trọng và phổ biến để đánh giá mức độ ô nhiễm hữu cơ và dinhdưỡng của thủy vực cũng được sử dụng Đây là cơ sở khoa học phân loạichất lượng nước dựa vào DO, BOD5, Tot_N và Tot_P cho vùng hạ lưu

HTSĐN (Bảng 3-12)

Bảng 3-13 Phân loại chất lượng nước ở hạ lưu HTSĐN dựa vào thông

số DO, BOD5, Tot_N và Tot_P năm 2007 – 2009

Ô nhiễm

tr bình

Ô nhiễmvừa

Ô nhiễmnặng

Ô nhiễmrất nặng

Từ đó có thể xây dựng thang điểm đánh giá cho các chỉ số sinh học dựatrên những thông số môi trường này Kết quả xây dựng thang điểm cho

các chỉ số sinh học được trình bày trong Bảng 6.2.

Bảng 3-18 Thang điểm đề xuất đánh giá chất lượng nước dựa vào ATSPI và các chỉ số sinh học phổ biến cho vùng hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai

0,31 –0,50

0,41 –0,65

0,41 –0,75

1,51 –2,00