Nghiên cứu đánh giá sức tải một số yếu tố môi trường (c, n, p) khu vực đầm phá tam giang cầu hai (tỉnh thừa thiên huế) (tt)

Nghiên cứu sức tải môi trường có một số hướng tiếp cận và được áp dụng trong một số lĩnh vực như trong NTTS, quản lý nguồn thải, quản lý hệ sinh thái.. Hướng tiếp cận của luận án tập tru

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai (thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế) là đầm phá lớn nhất ở ven bờ Việt Nam với gần 1000 loài động vật, thực vật thủy sinh có giá trị kinh tế [1] Các hoạt động kinh tế - xã hội vùng đầm phá đang diễn ra hết sức sôi động bao gồm nông nghiệp, nghề cá

và khai thác biển, giao thông - cảng, du lịch – dịch vụ v.v Hệ đầm phá

là nơi tiếp nhận các nguồn thải ven bờ không những của các huyện giáp ranh mà còn cả của các khu vực miền núi Khả năng suy thoái chất lượng môi trường, cạn kiệt nguồn giống sẽ xảy ra nếu không có những biện pháp quản lý hệ thống đầm phá Mỗi một hệ thống tự nhiên có một khả năng chịu tải nhất định Vượt quá ngưỡng đó, hệ thống sẽ bị thay đổi kéo theo sự thay đổi chức năng của hệ thống Trong khi đó, các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội ven bờ đã dẫn đến tải lượng hữu cơ

và dinh dưỡng đưa vào hệ đầm phá không ngừng gia tăng mà không có biện pháp bảo vệ hoặc cảnh báo Trước sức ép phát triển kinh tế của khu vực, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài “Nghiên cứu đánh giá sức tải một số yếu tố môi trường (C, N, P) khu vực đầm phá Tam Giang - Cầu Hai (tỉnh Thừa Thiên Huế)” làm luận án nghiên cứu của mình

Nghiên cứu sức tải môi trường có một số hướng tiếp cận và được áp dụng trong một số lĩnh vực như trong NTTS, quản lý nguồn thải, quản lý

hệ sinh thái Hướng tiếp cận của luận án tập trung vào nghiên cứu, quản lý nguồn thải, góp phần bảo vệ chất lượng môi trường nước và hệ sinh thái Hiểu và đánh giá đúng sức chịu tải môi trường có ý nghĩa quan trọng trong việc đưa ra các chính sách phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường

2 Mục tiêu của luận án

- ánh giá được sức chịu tải của một số yếu tố môi trường (C, N, P) trong hệ đầm phá TG - CH làm cơ sở cho quản lý, phát triển bền vững hệ đầm phá

3 Nội dung nghiên cứu

- Phân tích, đánh giá và dự báo tải lượng ô nhiễm từ các nguồn đưa vào hệ đầm phá

- Mô phỏng lan truyền các chất ô nhiễm trong hệ đầm phá TG -

CH theo các kịch bản cơ sở (năm 2011 – 2012) và kịch bản 2020, 2030, kịch bản đột xuất

- Nghiên cứu, tính toán sức tải hệ đầm phá TG - CH đối với các chất hữu cơ và chất dinh dưỡng theo các ngưỡng của quy chuẩn Việt Nam, ngưỡng sức tải tối đa và ngưỡng gây bất lợi đối với sinh vật thủy sinh

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- ối tượng nghiên cứu: các hợp chất C, N, P trong nước hệ đầm phá TG - CH; các nguồn thải đưa vào hệ thống đầm phá

- Phạm vi không gian: không gian nghiên cứu là hệ đầm phá

TG – CH và các vùng xung quanh đưa các chất ô nhiễm vào đầm phá

- Phạm vi thời gian: mùa mưa (tháng 11) và mùa khô (tháng 5) của các năm 2011, 2012, 2016; dự báo cho các năm 2020, 2030

5 Phương pháp nghiên cứu

- Tổng quan tài liệu về sức tải môi trường và hệ đầm phá TG-CH

- iều tra, khảo sát và thực nghiệm ngoài hiện trường

- Mô hình hóa chế độ thủy động lực và sự lan truyền chất ô nhiễm trong hệ đầm phá sử dụng phần mềm Delft – 3D

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Hệ thống hóa được phương pháp đánh giá sức chịu tải môi trường cho một thủy vực ven bờ Việt Nam

- Góp phần xác định sức tải môi trường các yếu tố BOD5, COD, NH4+, N-NO3- và P-PO43- cho hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai, có thể sử dụng làm nguồn tham khảo cho công tác quản lý môi trường

N-7 Những kết quả khoa học đạt được và đóng góp mới của luận án

- ã xác định nguồn thải và ước tính lượng thải các chất ô nhiễm C,

N, P từ các hoạt động kinh tế - xã hội đưa vào hệ đầm phá TG-CH

- ã hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước hệ đầm phá TG-CH và mô phỏng chất lượng nước theo các kịch bản phát triển đến năm 2020 và 2030

- ã tính được sức tải môi trường cho hệ đầm phá TG-CH theo các ngưỡng của QCVN và theo khả năng tự làm sạch (đồng hóa) của đầm phá

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ KHU VỰC

NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về sức tải môi trường

1.1.1 Các khái niệm

Sức tải môi trường (STMT) là một hướng nghiên cứu của khoa học môi trường Vấn đề là hiểu đúng bản chất của STMT và có phương pháp tính toán đúng đắn để có thể áp dụng vào trong thực tiễn quản lý nguồn thải và BVMT Mỗi một định nghĩa, khái niệm về STMT có cách tiếp cận riêng, nhưng vấn đề kiểm soát nguồn ô nhiễm từ lục địa là mối quan tâm lớn nhất trong các nghiên cứu về STMT

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Nghiên cứu STMT trên thế giới được tiếp cận theo các hướng sau: a) Áp dụng mô hình sinh địa hóa để tính toán mật độ nuôi thả tối đa của các loài nuôi trồng (cá, tôm, hai mảnh vỏ, v.v.)

b) Tính toán lượng thải tối đa hàng ngày được phép đưa vào thủy vực c) Xây dựng hệ thống chỉ số, chỉ thị để đánh giá STMT cho vùng ven biển d) Một số hướng tiếp cận khác liên quan đến sử dụng đất, sức tải xã hội

1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, STMT đã được nghiên cứu từ cuối những năm 1990 dưới dạng các nghiên cứu về tải lượng thải, năng suất sơ cấp, khả năng tự làm sạch của thủy vực, khả năng trao đổi nước, v.v STMT đã được đưa vào trong Luật BVMT từ năm 2005 và là nội dung bắt buộc phải thực hiện cho tất cả các sông, suối, kênh, rạch, hồ Tuy nhiên, các nghiên cứu tại Việt Nam mới chỉ dừng lại ở việc tính STMT qua khả năng trao đổi nước, chưa tính đến bản chất thực sự của sức tải môi trường là khả năng đồng hóa của thủy vực và các ngưỡng gây bất lợi đến sinh vật thủy sinh

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu môi trường trong hệ đầm phá

TG - CH

1.2.1 Khái quát về hệ đầm phá TG - CH và các hoạt động kinh tế xã hội

Hệ đầm phá TG - CH có chiều dài 68km, tổng diện tích mặt nước 216

km2 5 huyện liên quan là Phong iền, Phú Lộc, Phú Vang, Quảng iền và

Hương Trà với tổng số dân khoảng 615.946 người, diện tích 2648.76km Các hoạt động kinh tế - xã hội vùng đầm phá bao gồm nông nghiệp, nghề

cá và khai thác biển, giao thông - cảng, du lịch – dịch vụ Năm 2016, diện tích NTTS toàn khu vực là 7175 ha; số lượng đàn trâu của khu vực đạt 22,4 nghìn con, đàn bò đạt 33,6 nghìn con, đàn lợn đạt 205,6 nghìn con và đàn gia cầm đạt 2,7 triệu con; lượng khách du lịch là 1,7 triệu khách [66]

1.2.2 Các nghiên cứu về môi trường hệ đầm phá TG - CH

Các nghiên cứu về môi trường bao gồm: địa chất, địa mạo, vận chuyển trầm tích, hình thái động lực, xói lở bờ biển; chất lượng nước và các nguồn thải; chất lượng trầm tích; nguồn lợi, thủy sinh, đa dạng sinh học; các vấn đề kinh tế - xã hội và quản lý

1.2.3 Môi trường và chất lượng nước hệ đầm phá TG - CH

Nước hệ đầm phá có dấu hiệu ô nhiễm cục bộ chất hữu cơ , amoni và TSS Nồng độ các chất có xu hướng tăng theo thời gian

1.3 Sử dụng công cụ mô hình hóa trong nghiên cứu sức tải môi trường

Hiện nay có nhiều mô hình được sử dụng để mô phỏng chất lượng nước: Mô hình EFDC (Mỹ), WASP7, AQUATOX, SWAT, MIKE21, MIKE-3, Delft3D v.v Delft-3D là mô hình đã được thương mại hóa, có thể áp dụng cho cả khu vực sông và biển do có lưới cong trực giao giúp cho việc mô phỏng tại các khu vực đường bờ, cửa sông Mô hình Delft-3D

là mô hình có bản quyền, đã được kiểm nghiệm kỹ nên NCS đã chọn phần mềm này làm công cụ nghiên cứu

1.4 Tổng quan cuối chương và hướng nghiên cứu của luận án

Tiếp cận của luận án theo hướng kiểm soát nguồn thải, phòng ngừa ô nhiễm, thể hiện ở việc tính toán lượng chất tối đa mà đầm phá TG - CH có thể tiếp nhận sao cho không gây ảnh hưởng đến sự phát triển của sinh vật thủy sinh NCS đã tính toán STMT theo các ngưỡng an toàn cho sinh vật thủy sinh, ngưỡng theo QCVN và ngưỡng sức tải tối đa Ngưỡng an toàn cho sinh vật thủy sinh được chọn là nồng độ phosphat - 0,045 mg/l, nồng

độ khí NH3 - 0,05mg/l, và nồng độ DO - 5 mg/l Ngưỡng ”sức tải tối đa” – ngưỡng mà tại đó thủy vực không còn khả năng tự làm sạch với các giá trị được chọn là nồng độ DO = 2mg/l; N-NH4+

= 1mg/l và P-PO43- = 1mg/l

5

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Khu vực nghiên cứu

Hình 2.1 Phạm vi nghiên cứu: khu vực đầm phá TG - CH

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Hình 2.2 Sơ đồ nghiên cứu của luận án

hình chất lượng nước

Hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước

Triển khai các kịch bản mô phỏng chất lượng nước

Triển khai các kịch

bản tính sức tải

môi trường

Thẩm định mô hình chất lượng nước

Chuẩn bị dữ liệu

đầu vào

(Dữ liệu khí tượng, thủy văn,

dữ liệu chất lượng nước, dữ

liệu nguồn thải …)

Triển khai mô hình thủy động lực cho hệ đầm phá TG-CH

Hiệu chỉnh

mô hình thủy động lực

Hai chuyến khảo sát vào hai mùa: mùa mưa (tháng 11/2011) và mùa khô (tháng 5/2012) thực hiện tại đầm phá TG - CH Thời gian khảo sát là từ 17h ngày 25/11/2011 đến 17h ngày 26/11/2011 – đại diện cho mùa mưa; và từ 16h ngày 19/5/2012 đến 16h ngày 20/5/2012 – đại diện cho mùa khô, 4h/ốp Các khảo sát này gồm: (1) khảo sát đo đạc thủy văn tại 3 trạm liên tục trong 24h (hình 2.1) vào 2 mùa, các yếu tố

đo đạc là hướng và tốc độ dòng chảy; (2) Khảo sát chất lượng nước theo thời gian liên tục, 4h/op trong 24 h, các thông số chất lượng nước khảo sát là nhiệt độ, pH, DO, độ muối, độ đục, BOD5, COD, N-(NH4++NH3), N-NO2-, N-NO3- và P-PO43- Các phương pháp điều tra khảo sát tuân theo Hướng dẫn của Thông tư 34/2010/TT-BTNMT ngày 14/12/2010 Quy định kỹ thuật điều tra, khảo sát hải văn, hóa học và môi trường vùng ven bờ và hải đảo

2.2.2 Phương pháp tính tải lượng thải

2.2.2.1 Tính toán lượng thải phát sinh

Lượng thải phát sinh tại nguồn (dân cư và du lịch, NTTS, chăn nuôi gia súc, gia cầm, công nghiệp, rửa trôi đất) được tính toán theo hướng dẫn của WHO (1993) và một số nghiên cứu khác [126, 127, 128]

2.2.2.2 Ước tính tải lượng ô nhiễm đưa vào khu vực đầm phá TG - CH

Tải lượng ô nhiễm đưa vào khu vực đầm phá tính dựa trên tình hình thực tế giảm thiểu chất thải trong khu vực hoặc quá trình xử lý chất thải của từng loại nguồn ô nhiễm

2.2.2.3 Dự báo nguồn ô nhiễm

Nguồn ô nhiễm dự báo được tính trên cơ sở các định hướng phát triển kinh tế- xã hội của khu vực đến năm 2020, 2030 và các quy hoạch bảo vệ môi trường của tỉnh

2.2.3 Phương pháp mô hình hóa

2.2.3.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình Delft -3D

a Mô hình thủy động lực [113]

Cơ sở toán học của mô hình thuỷ động lực là giải phương trình Navier Stokes với chất lỏng không nén trong nước nông và phương pháp xấp xỉ Boussinesq

b Mô hình chất lượng nước

Cơ sở toán học của mô hình lan truyền ô nhiễm là phương trình lan truyền và khuyếch tán vật chất Các quá trình chính xảy ra được mô phỏng bởi Delft-3D-WAQ liên quan đến các hợp chất C, N, P là: sự thoáng khí, sản xuất sơ cấp, sự nitrat hóa và đề nitrat hóa, sự khoáng hóa của các chất hữu cơ, sự hấp phụ của phosphat, sự hòa tan của silicat

2.2.3.2 Triển khai mô hình Delft 3D mô phỏng chất lượng nước vùng đầm phá TG-CH và tính toán STMT

a Thiết lập các dữ liệu đầu vào của mô hình

- Địa hình: Số liệu độ sâu và đường bờ của khu vực được số hoá từ các bản

đồ địa hình UTM tỷ lệ 1: 50.000 do Cục o đạc Bản đồ xuất bản

- Số liệu khí tượng: Các số liệu về khí tượng với giá trị trung bình theo

mùa, theo tuần được thu thập từ trạm khí tượng Huế

- Số liệu thủy văn: ặc trưng về dòng chảy của các sông được sử dụng để

thiết lập mô hình thủy động lực Các hằng số điều hoà thuỷ triều được tính toán từ chuỗi số liệu quan trắc mực nước trong khoảng thời gian dài trong một số đề tài, dự án đã thực hiện tại khu vực

- Lựa chọn miền tính, lưới tính: Kích thước miền tính có phạm vi 70 km

theo hướng bắc nam và 1 - 10 km theo hướng đông tây Toàn bộ khu vực tính toán bao gồm 95 x 513 ô lưới

- Thời gian tính toán: theo hai mùa: mùa mưa (từ 0h00, ngày 01/10/2011

đến 23h00, ngày 30/11/2011) và mùa khô (từ 0h00, ngày 01/4/2012 đến 23h00, ngày 31/5/2012) Bước thời gian để chạy mô hình là 30 s

- Điều kiện ban đầu và điều kiện biên:

Với mô hình thủy động lực: tại thời điểm ban đầu giá, trị mực nước lấy bằng 0m, độ muối và nhiệt độ nước biển lấy trung bình thấp nhất Tại các biên mở phía biển (Thuận An, Tư Hiền): dùng các hằng số điều hoà thuỷ triều đã được tính toán và nội suy phù hợp với điều kiện địa phương; tại biên sông: sử dụng số liệu lưu lượng trung bình nhiều năm

Với mô hình chất lượng nước: tại thời điểm ban đầu, các giá trị được thiết lập bằng 0 Sau mỗi lần chạy, điều kiện ban đầu được lấy là giá trị cuối cùng của file chạy trước đó Lưu lượng của các biên sông và biên biển được chạy trên nền thủy động lực Dữ liệu nguồn thải của mô hình chất lượng nước được tính toán và phân bổ chi tiết cho toàn vùng (hình 2.5)

b Thiết lập các dữ liệu nguồn thải

Dựa trên đặc điểm lưu vực và kinh tế- xã hội, đã thiết kế 74 điểm nguồn thải đổ vào khu vực đầm phá TG - CH, hình 2.5

Hình 2.5 Vị trí các điểm thải khu vực TG - CH phục vụ chạy mô hình

c Hiệu chỉnh và đánh giá tính tương hợp của mô hình; thẩm định mô hình

Các giá trị quan trắc dòng chảy và chất lượng nước năm 2011 -2012 được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình Cơ sở để hiệu chỉnh dựa vào sai số giữa mô hình và quan trắc, giá trị này càng nhỏ thì kết quả mô phỏng càng gần với thực tế

Mô hình được thẩm định qua kết quả quan trắc chất lượng nước tháng

4 năm 2017 tại đầm Cầu Hai trên cơ sở tham khảo kết quả của đề án 47

“ iều tra tổng thể hiện trạng và biến động đa dạng sinh học trong các hệ sinh thái ven biển Việt Nam” [143]

d Thiết lập các kịch bản mô phỏng

Cơ sở để thiết lập các kịch bản là các kết quả tính toán tải lượng thải thời điểm năm 2011 – 2012 và thời điểm năm 2020, 2030 7 kịch bản được thiết lập, gồm: Kịch bản cơ cở (năm 2011-2012); Kịch bản dự báo năm

2020 – kịch bản thấp và cao; Kịch bản dự báo năm 2030 – kịch bản thấp

và cao; Kịch bản đột xuất năm 2020 và 2030

e Các kịch bản tính toán sức tải môi trường

Tính STMT dựa trên các ngưỡng: theo tiêu chuẩn chất lượng nước hiện tại của Việt Nam, ngưỡng sức tải tối đa và ngưỡng STMT đề xuất

CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1 Tính toán lượng chất thải đưa vào đầm phá Tam Giang - Cầu Hai

3.1.1 Tính toán lượng chất thải phát sinh từ các nguồn khu vực đầm phá Tam Giang – Cầu Hai thời điểm năm 2011 và dự báo năm 2020, 2030

Lượng thải phát sinh của toàn tỉnh được tính toán từ tất cả các nguồn sinh hoạt –du lịch, công nghiệp, chăn nuôi, NTTS và rửa trôi đất Bảng 3.1 trình bày kết quả tính toán tải lượng thải phát sinh vào các thời điểm 2011,

2020 và 2030 So với năm 2011, lượng chất thải phát sinh trong toàn tỉnh TTH năm 2020 và 2030 sẽ tăng khoảng trung bình 1,3 lần và 1,6 lần Lượng chất thải phát sinh từ khu vực TG-CH chiếm tỷ trọng trung bình 60% trong tải lượng thải của tỉnh

Bảng 3.1 Tải lượng ô nhiễm phát sinh năm 2011 và dự báo năm 2020,

2030 từ các nguồn của tỉnh TTH và khu vực TG – CH (tấn/năm)

Về quy họach bảo vệ môi trường: Tỉnh TTH không có quy họach bảo

vệ môi trường riêng mà được lồng ghép vào quy họach phát triển kinh tế -

xã hội đến năm 2020 của tỉnh Năm 2011, tỉnh chưa có nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt Hiện nay, tỉnh đang triển khai xây dựng Nhà máy xử

lý nước thải cho thành phố Huế, công suất 30.000 m3/ngày đêm, dự kiến hoàn thành trước năm 2020 Theo đề án xử lý chất thải rắn của tỉnh và định hướng bảo vệ môi trường trong quy họach tổng thể đến năm 2020, quy

họach phát triển KT-XH khu vực TG-CH, có thể đánh giá như sau: Nước thải sinh họat: 95% bùn bể phốt tại các trung tâm huyện lỵ và 70% các cụm dân cư tập trung được thu gom và xử lý đảm bảo môi trường; Nước thải công nghiệp tại các khu công nghiệp, làng nghề: phải thu gom xử lý trước khi thải ra môi trường; Nước thải nông nghiệp: gồm chăn nuôi và NTTS: chưa có kế họach thu gom, xử lý

Trên cơ sở năng lực xử lý chất thải từ các nguồn tại địa phương, đặc điểm địa hình lưu vực, đã tính được tải lượng thải đưa vào hệ đầm phá TG-

CH năm 2011 và dự báo năm 2020, 2030

Bảng 3.7 Tổng tải lượng ô nhiễm đưa vào hệ đầm phá TG - CH năm

2011 và dự báo cho năm 2020 và 2030 (tấn/năm)

3.2 Hiệu chỉnh mô hình

3.2.1 Mô hình thủy động lực

- Hiệu chỉnh hệ số nhám đáy Manning: Giá trị mặc định của mô hình đối với hệ số là 0,02 s/m1/3 Trên cơ sở giá trị MSE nhỏ nhất (MSE theo phương u = 0,5416; MSE theo phương v = 0,1443), giá trị của hệ

số Manning = 0,028 s/m đã được chọn cho mô hình thủy động lực của khu vực nghiên cứu

- Hiệu chỉnh các hệ số nhớt và khuếch tán theo phương ngang: Giá trị mặc định của các hệ số này là 10m2/s Kết quả chạy mô hình cho thấy, với giá trị của νH = m2/s và DH = 1m2/s thì sai số bình phương trung bình của vận tốc dòng chảy theo phương u và v là nhỏ nhất Do

đó đã chốt giá trị hiệu chỉnh của hệ số khuếch tán (DH) và độ nhớt theo phương ngang (νH) là 1m2

/s

- ánh giá tính tương hợp của mô hình

Hình 3.3 Tính tương hợp giữa mô hình và quan trắc của dòng chảy

theo phương U (R2

= 0,696)

Hình 3.4 Tính tương hợp giữa mô hình và quan trắc của dòng

chảy theo phương V (R2

= 0,690)

Hệ số tương quan giữa mô hình và quan trắc của dòng chảy tính theo các phương U, V, theo mùa mưa, mùa khô trung bình là 0,681 nên

mô hình có độ tương hợp khá, có thể sử dụng cho các mô phỏng tiếp theo

3.2.2 Mô hình chất lượng nước

3.2.2.1 Phân bổ lượng thải và số liệu quan trắc chất lượng nước

Dữ liệu nguồn thải của 74 điểm thải đưa vào khu vực TG-CH được tổng hợp trong bảng 3.13 Tính toán cho thấy sông Hương đóng góp một lượng chất thải khá lớn trong tổng lượng thải đưa vào đầm phá

Bảng 3.13 Tổng hợp lượng chất thải từ các vị trí điểm thải đổ vào hệ

2 Tốc độ sản xuất sơ cấp tối đa của tảo (1/ngày)

3 Hằng số tốc độ phản ứng đề nitrrat hóa bậc 0 (gN/m3/ngày)

4 Hằng sốtốc độ phản ứng nitrrat hóa bậc 0 (gN/m3/ngày)

5 Tốc độ phân hủy chất hữu cơ (1/ngày)

6 Hằng số bán bão hòa của Nitơ đối với tảo (gN/m3)

7 Hằng số bán bão hòa của P đối với tảo (gP/m3)

8 Hằng số bán bão hòa của Si đối với tảo (gSi/m3)

9 Hằng số tốc độ chuyển hóa phosphat hòa tan sang phosphat hấp thụ (1/ngày)