Nghiên cứu tiếp cận đánh giá sức chịu tải ô nhiễm môi trường nước một lưu vực sông

Ở nhiều nơi nguồn tài nguyên nước của các dòng sông đã được phát triển một cách quá mức và “không gian sinh thái” bị chiếm giữ mà không tính đến sức chịu tải của dòng sông.. Đối với lưu

Lương Thị Phương Dung

NGHIÊN CỨU TIẾP CẬN ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI Ô NHIỄM MÔI

TRƯỜNG NƯỚC MỘT LƯU VỰC SÔNG

Chuyên ngành : Quản lý Môi trường

M ỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 9

1.1 Tổng quan các lưu vực sông ở Việt Nam 9

1.1.1 Định nghĩa lưu vực sông 9

1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm ở các lưu vực sông 9

1.1.3 Hiện trạng lưu vực sông Cầu 12

1.1.2.1 Vị trí địa lý và các đặc trưng lưu vực 13

1.1.2.2 Mạng lưới sông ngòi 13

1.1.2.3 Đặc điểm khí tượng - thủy văn 14

1.1.2.4 Đặc điểm Tài nguyên thiên nhiên và Môi trường 15

1.1.2.5 Đặc điểm kinh tế - xã hội 16

1.1.2.6 Hiện trạng khai thác và sử dụng nước 16

1.1.2.7 Chất lượng nước 18

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu về sức chịu tải các lưu vực sông 20

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ DỮ LIỆU ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG 24

2.1 Khái niệm sức chịu tải 24

2.1.1 Cơ sở sinh học 24

2.1.2 Sức chịu tải của trái đất đối với con người 25

2.2 Phương pháp đánh giá sức chịu tải ô nhiễm môi trường nước lưu vực sông 28

2.2.1 Công thức tổng quát 28

2.2.2 Các thông số mô phỏng 30

2.2.2.1 Nồng độ oxy hòa tan – DO 30

2.2.2.2 Nhu cầu oxy sinh hóa – BOD 32

2.2.2.3 Amoni và Nitrat 33

2.2.3 Xác định nồng độ tiêu chuẩn (Ctiêu chuẩn) 35

2.2.3.1 Nồng độ tiêu chuẩn ở ngưỡng tự làm sạch 35

2.2.3.2 Nồng độ tiêu chuẩn theo mục đích tưới tiêu thủy lợi 37

2.2.3.3 Nồng độ tiêu chuẩn theo mục đích duy trì thủy sản 38

2.2.4 Công cụ tính toán sức tải – Mô hình Qual2k 41

2.2.4.1 Nguyên tắc phân đoạn sông 41

2.2.4.2 Cân bằng dòng chảy 42

2.2.4.3 Đặc trưng thủy lực 43

2.2.4.4 Thời gian chảy truyền 45

2.2.4.5 Sự phân tán theo chiều dọc 45

2.2.4.6 Cân bằng nhiệt 46

2.2.4.7 Cân bằng nồng độ 47

2.2.4.8 Các thành phần mô hình 48

2.2.4.9 Các phản ứng cơ bản 49

2.2.4.10 Mối quan hệ giữa các biến của mô hình với dữ liệu 50

2.3 Cơ sở dữ liệu 56

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 64

3.1 Mô hình chất lượng nước 64

3.1.1 Quá trình tính toán 64

3.1.2 Kết quả tính toán 64

3.1.2.1 Hiệu chỉnh mô hình 64

3.1.2.2 Kết quả mô hình 67

3.1.2.3 Đánh giá chất lượng nước 71

3.2 Xác định sức tải ở giới hạn tự làm sạch 71

3.3 Xác định sức chịu tải ở đích đảm bảo chất lượng nước cho tưới tiêu 73

3.4 Xác định sức chịu tải ở mức ngưỡng duy trì thủy sản 75

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

4.1 Kết luận 77

4.2 Kiến nghị 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 1 86

PHỤ LỤC 2 87

PHỤ LỤC 3 89

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

TCXD Tiêu chuẩn xây dựng

BTNMT Bộ tài nguyên môi trường

Xo Lượng mưa trung bình nhiều năm

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các mức ô nhiễm BOD5 đối với chất lượng nước sông 32

Bảng 2.2 Tỷ lệ Amonia NH3 trong tổng Amonia Nitrogen ở pH và nhiệt độ khác nhau 34

Bảng 2.3 Giá trị giới hạn các thông số tính toán theo QCVN 08:2008 38

Bảng 2.4 Mối liên hệ giữa các thông số chất lượng nước với sự sinh trưởng của cá 39

Bảng 2.5: Hệ số nhám Manning với các kênh sông thiên nhiên (Chow et al, 1988) 45 Bảng 2.6: Các biến trong mô hình Q2K 48

Bảng 2.7 Vị trí các điểm quan trắc chất lượng nước dọc sông Cầu 57

Bảng 2.8: Hiện trạng các nguồn ô nhiễm đồ vào sông Cầu 58

Bảng 2.9 Một số làng nghề điển hình 58

Bảng 2.10 Dự báo dân số các tỉnh LVS Cầu 59

Bảng 2.11 Ước tính tải lượng nước thải sinh hoạt cho các tỉnh LVS Cầu năm 2020 60

Bảng 2.12: Hệ số Kq ứng với lưu lượng dòng chảy của nguồn tiếp nhận nước thải 61 Bảng 2.13: Hệ số lưu lượng nguồn thải Kf 61

Bảng 3.1 Sai số của giá trị BOD khi kdc trong khoảng từ 0,05 đến 0,25 67

Bảng 3.2 So sánh sai số các giá trị kna 67

Bảng 3.3 Tổng lượng thải các chất ô nhiễm mô phỏng tại ngưỡng giới hạn tự làm sạch 73

Bảng 3.4.Tổng lượng thải các chất ô nhiễm tại đích tưới tiêu thủy lợi 74

Bảng 3.5.Tổng lượng thải các chất ô nhiễm được mô phỏng tại đích duy trì thủy sản 76

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Bản đồ lưu vực sông Cầu 19

Hình 2.1 Các kịch bản sức tải 25

Hình 2.2 Đường cong sức chịu tải nhân loại 28

Hình 2.3 Nguồn cung cấp và tiêu thụ oxy trong thủy vực 31

Hình 2.4 Chu trình Nitơ trong tự nhiên 33

Hình 2.5 Đường cong diễn biến oxy trong nước 36

Hình 2.6 Biểu đồ tỷ trọng dùng nước của các ngành trong lưu vực 2007 37

Hình 2.7 Ảnh hưởng của hàm lượng oxy hòa tan lên sức khỏe cá 40

Hình 2.8 Cách phân đoạn Qual2k cho sông nhánh 42

Hình 2.9 Cân bằng dòng chảy 42

Hình 2.10 Mặt cắt hình thang cân 43

Hình 2.11 : Cân bằng nhiệt của một phần tử 47

Hình 2.12 Cân bằng khối lượng 47

Hình 2.13 : Các quá trình động học và chuyển tải của các biến trong mô hình 49

Hình 2.14 Tương tác giữa các thành phần chất lượng nước 51

Hình 2.15 Cơ cấu các nguồn thải vào lưu vực sông Cầu 2010 62

Hình 3.1 Kết quả mô phỏng DO với các mô hình tính toán hệ số hấp thụ 65

Hình 3.2 Mô hình Thackson – Dawson có tính đến tác động của gió 66

Hình 3.3 Kết quả mô phỏng các thông số DO, BOD5, NH4, NO3 68

Hình 3.4 Đồ thị so sánh kết quả DO 69

Hình 3.5 Đồ thị so sánh kết quả BOD5 69

Hình 3.6 Đồ thị so sánh kết quả NH4 70

Hình 3.7 Đồ thị so sánh kết quả NO3 70

Hình 3.8 Kết quả chạy mô hình cho mức ngưỡng DO = 2 72

Hình 3.9 Kết quả chạy mô hình ở đích tưới tiêu thủy lợi 74

Hình 3.10 Kết quả chạy mô hình ở đích duy trì thủy sản 75

MỞ ĐẦU

Nước không chỉ là yêu cầu cơ bản cho sự tồn tại của con người, nó cũng là một nguồn tài nguyên chiến lược đối với kinh tế và xã hội, nó tạo ra và duy trì nền văn minh vật chất của loài người, cũng như xây dựng các hệ sinh thái tự nhiên như rừng, đồng cỏ, đầm lầy, sông hồ và các hệ sinh thái nhân tạo khác thông qua vòng tuần hoàn của nước Trong một thời gian dài, sự cân nhắc gần như được tập trung vào lợi ích kinh tế việc sử dụng nước Ở nhiều nơi nguồn tài nguyên nước của các dòng sông đã được phát triển một cách quá mức và “không gian sinh thái” bị chiếm giữ mà không tính đến sức chịu tải của dòng sông Bởi sự thờ ơ này, dẫn đến những hậu quả tai hại mà có nhiều ví dụ cho một chuỗi thiệt hại đối với môi trường nước

và hệ sinh thái thủy sinh như một kết quả của sự phát triển và sử dụng vượt ngưỡng

của nguồn tài nguyên nước

Do vai trò của nó, việc quản lý tổng hợp và bền vững các lưu vực sông là vấn

đề được quan tâm hàng đầu đối với tất cả các quốc gia phát triển cũng như đang phát triển trên thế giới Đối với các nước đang phát triển như Việt Nam hiện nay, nhu cầu lớn về nguyên liệu và năng lượng cho công nghiệp hóa, đô thị hóa dẫn đến các nguồn tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt dần Mặt khác, sự phát triển gây ra suy thoái môi trường trên tất cả các lĩnh vực Câu hỏi đặt ra là chúng ta đang khai thác

tự nhiên đến mức nào, và tự nhiên có thể cung cấp cho chúng ta đến mức nào Do

đó, vấn đề sức chịu tải đã được đặt ra và nghiên cứu trên thế giới từ những năm 60 của thế kỷ 20 khi các lưu vực sông lớn đều bị ô nhiễm nghiêm trọng Hầu hết các quốc gia, kể cả Việt Nam đều thấy sự cần thiết và ra các văn bản pháp lý về quản lý tổng hợp và bền vững các lưu vực sông Việc đánh giá sức chịu tải của nguồn nước

là một công cụ hết sức hữu hiệu trong quản lý và quy hoạch môi trường nước lưu vực Đối với những khía cạnh liên quan đến con người, sức chịu tải không chỉ phụ thuộc vào hạn chế của tự nhiên, mà còn phụ thuộc chủ yếu vào sự lựa chọn của con người như vấn đề kinh tế, xã hội ( bao gồm cả tài chính và chính sách), môi trường

và dân số

• Mục đích nghiên cứu của luận văn

- Xác định khái niệm sức chịu tải

- Tiếp cận phương pháp xác định sức chịu tải

- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Qual2k làm công cụ tính toán

• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tương nghiên cứu : LVS Cầu đoạn từ đập Thác Huống – thành phố Thái Nguyên đến đoạn nhập lưu với sông Thái Bình tại Phả Lại

- Phạm vi nghiên cứu : Sử dụng phần mềm Qual2k mô phỏng các thông số

DO, BOD5, NH4+, NO3-

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập tài liệu: thu thập các tài liệu về địa hình, địa chất, thủy văn, kinh tế xã hội và hiện trạng ô nhiễm khu vực nghiên cứu Thu thập các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước về khái niệm sức tải và giới hạn các thông số ô nhiễm trong nước mặt đối với từng mục đích sử dụng

- Phương pháp xử lý số liệu: các số liệu thu thập được tiền hành xử lý bằng phần mềm Mapinfo và phương pháp thống kê toán học để cho các dữ liệu biên của

Chương 3 Kết quả nghiên cứu

Chương 4 Kết luận và kiến nghị

Luận văn đã tiến hành đánh giá sức tải của lưu vực sông Cầu theo ba mục tiêu chất lượng nước : tưới tiêu nông nghiệp, duy trì thủy sản và ngưỡng giới hạn khả năng tự làm sạch Đây là ba mức đích tương đối có ý nghĩa trong điều kiện phát triển kinh tế - xã hội hiện nay ở các địa phương thuộc lưu vực sông Cầu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 T ổng quan các lưu vực sông ở Việt Nam

1.1.1 Định nghĩa lưu vực sông

Nước trên bề mặt đất tuân theo quy luật chung đều chảy từ nơi cao xuống nơi thấp, lâu ngày các đường chảy tạo thành sông suối Mỗi một dòng sông đều có phần diện tích hứng và tập trung nước gọi là lưu vực sông (LVS)

- Lưu vực sông được định nghĩa như một vùng cung cấp nước ( bao gồm cả nước mặt và nước ngầm) bắt đầu từ nhánh suối đầu tiên cho đến khi ra đổ ra đại dương hoặc đổ vào một hồ cuối cùng hoặc một biển nội địa [17]

- Lưu vực sông mà một vùng lãnh thổ mà từ đó các dòng chảy bề mặt chảy qua một hệ thống nối tiếp các dòng suối, sông, có thể cả hồ và đổ ra biển qua cửa sông [18]

Phần thu nước mặt là phần diện tích bề mặt trái đất mà từ đó tất cả lượng nước sinh ra gia nhập vào hệ thống sông hoặc một con sông riêng biệt Phần thu nước ngầm được tạo nên bởi phần đất đá mà từ đó nước ngầm chảy vào lưới sông

Lưu vực sông được giới hạn bởi các đường chia nước Lưu vực sông được gọi là lưu vực kín khi có đường chia nước mặt và đường chia nước ngầm trùng nhau; nếu không trùng nhau thì được gọi là lưu vực hở Trong thực tế, rất khó có thể xác định chính xác đường phân nước ngầm nên thường coi là trùng với đường phân nước mặt

Lưu vực sông là một hệ thống mở và luôn tương tác với tầng khí quyển bên trên thông qua hoạt động của hoàn lưu khí quyển và chu trình thủy văn

1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm ở các lưu vực sông

Việt Nam có hệ thống sông ngòi dày đặc, trong đó có 13 hệ thống sông lớn

có diện tích trên 10.000 km2 Tài nguyên nước mặt tương đối phong phú, chiếm khoảng 2% tổng lượng dòng chảy của các sông trên thế giới Đây là nguồn tài nguyên quý giá, góp phần quan trọng vào sự phát triển kinh tế - xã hội đất nước

Tuy nhiên, nước mặt ở Việt Nam hiện đang đối mặt với nhiều thách thức, trong đó đáng kể nhất là tình trạng suy kiệt và ô nhiễm trên diện rộng [4]

Tình trạng nhiều khu công nghiệp (KCN), nhà máy, khu đô thị… xả nước thải chưa qua xử lý xuống hệ thống sông, hồ đã gây ô nhiễm nguồn nước trên diện rộng dẫn đến nhiều vùng có nước nhưng không sử dụng được vì bị ô nhiễm Tại mỗi lưu vực sông , theo tình hình phát triển kinh tế-xã hội trong khu vực, tỷ lệ đóng góp lượng thải ô nhiễm nước của các ngành có khác nhau Tuy nhiên áp lực nước thải chủ yếu từ các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt

Đối với các LVS, ô nhiễm chất hữu cơ đã và đang xảy ra ở nhiều đoạn sông, tập trung ở vùng trung lưu và hạ lưu Có nơi, ô nhiễm đã ở mức nghiêm trọng, điển hình như vấn đề ô nhiễm môi trường nước tại khu vực hạ lưu các sông và hệ thống

hồ ao, kênh mương và các sông nhỏ trong khu vực nội thành, nội thị Nhiều dòng sông trước kia là nơi giặt giũ tắm rửa sinh hoạt của người dân, thì ngày nay đã không còn có thể sử dụng nữa Những lưu vực sông được đề cập đến bao gồm:

- Lưu vực sông Cầu và các phụ lưu qua các tỉnh Bắc Kạn, Thái Nguyên, Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Bắc Giang và Hải Dương

- Lưu vực sông Nhuệ, sông Đáy chảy qua các tỉnh Hòa Bình, TP.Hà Nội, Hà Tây, Hà Nam, Nam Định và Ninh Bình

- Lưu vực sông Đồng Nai, sông Sài Gòn gồm các tỉnh Lâm Đồng, Đắc Lắc, Đắc Nông, Bình Phước, Bình Dương, Tây Ninh, Đồng Nai, TP Hồ Chí Minh, Bà Rịa – Vũng Tàu, Ninh Thuận và Bình Thuận

Theo báo cáo Hiện trạng môi trường Quốc gia 2010 [4], hiện trạng môi trường nước ở ba lưu vực sông Cầu, Nhuệ - Đáy và hệ thống sông Đồng Nai, chất lượng nước tại các vùng trung lưu và hạ lưu tại 3 lưu vực sông này đã bị ô nhiễm,

có nhiều nơi ở mức nghiêm trọng Nguyên nhân là do nước thải của các hoạt động

sản xuất công nghiệp, sinh hoạt không được xử lý đã và đang thải trực tiếp vào các dòng sông Nhiều nơi, chất lượng nước suy giảm mạnh, nhiều chỉ tiêu như BOD5, COD, NH4, SS cùng các chất dinh dưỡng chứa nitơ, phốt pho, coliform… đo được trong nước đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép nhiều lần

Lưu vực sông Cầu, nước mặt tại vùng trung lưu và hạ lưu của lưu vực sông Cầu nhiều nơi đang ở mức độ ô nhiễm báo động, đặc biệt ở các đoạn sông chảy qua địa phận tỉnh Bắc Giang, Bắc Ninh và Thái Nguyên nơi tập trung nhiều khu công nghiệp, khu chế biến và làng nghề Đối với lưu vực sông Nhuệ - Đáy, tình trạng ô nhiễm nguồn nước càng phổ biến hơn khi môi trường nước mặt đang chịu tác động mạnh của nước thải sinh hoạt và các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và thủy sản trong toàn khu vực Báo cáo hiện trạng môi trường cũng cho thấy, hiện nay, chất lượng nước của nhiều đoạn lưu vực sông Nhuệ - Đáy đã bị ô nhiễm tới mức báo động và gia tăng vào mùa khô Trên địa phận Hà Nội các chỉ tiêu về chất lượng nước cho phép loại B đối với nước mặt, thậm chí còn vượt tiêu chuẩn cho phép đối với nước thải sinh hoạt Tổng cục Môi trường khẳng định, sông Nhuệ đã bị ô nhiễm nghiêm trọng sau khi nhận nước thải từ sông Tô Lịch Mặc dù tại đầu nguồn sau khi nhận nước từ sông Hồng không ô nhiễm nhưng từ đoạn chảy qua khu vực Phúc La -

Hà Đông cho tới trước khi nhận nước sông Tô Lịch, nước đã bắt đầu bị ô nhiễm, các giá trị COD, BOD5 vượt tiêu chuẩn 3-4 lần Nước đã có màu đen, váng, cặn lắng và mùi hôi tanh Sau khi tiếp nhận nước thải của sông Tô Lịch, nước sông Nhuệ đã bị ô nhiễm nghiêm trọng hơn đặc biệt là vào mùa khô Mặc dù mấy năm gần đây, Hà Nội đã áp dụng giải pháp đưa nước sông Tô Lịch qua hệ thống hồ điều hoà Yên Sở bơm ra sông Hồng nhưng xu hướng ô nhiễm sông Nhuệ vẫn ngày một tăng Cùng với sông Nhuệ, sông Đáy đang bị ô nhiễm cục bộ với mức độ cũng ngày càng tăng do ảnh hưởng ô nhiễm của sông Nhuệ Trong cả 3 hệ thống sông trên, hệ thống sông Đồng Nai có mức độ ô nhiễm nghiêm trọng hơn, nhiều đoạn sông chảy qua địa phận Bình Dương đã trở thành sông chết Trải rộng trên địa bàn, lưu vực hệ thống sông này chịu ảnh hưởng mạnh nhất của nhiều nguồn tác động trên toàn bộ lưu vực Đặc biệt phần hạ lưu của nhiều sông trong lưu vực đã ô nhiễm nghiêm trọng trong đó có đoạn đã trở thành sông chết hoàn toàn Nước sông Đồng Nai từ nhà máy nước Thiện Tân đến Long Đại - Đồng Nai đã bắt đầu ô nhiễm hữu cơ, chất rắn lơ lửng và phát hiện hàm lượng chì vượt tiêu chuẩn Lượng chất rắn lơ lửng trong nước đã vượt tiêu chuẩn từ 3-9 lần, giá trị COD vượt gần 2-3 lần tiêu

chuẩn…Ô nhiễm nhất trong lưu vực có lẽ là sông Thị Vải với một đoạn 10 km đã

"chết" bắt đầu từ sau hợp lưu Suối Cả- sông Thị Vải đến KCN Mỹ Xuân Nước khu vực này có màu nâu đen, bốc mùi hôi thối cả khi triều lên và triều xuống Các giá trị

DO thường xuyên thấp dưới 0,5 mg/l nên các loài sinh vật đã không còn khả năng sinh sống Chỉ số NH4+ đã vượt quá TCVN từ 3-15 lần, giá trị Coliform vượt từ vài chục đến hàng trăm lần Đặc biệt hàm lượng thủy ngân tại khu vực cảng Vedan, Mỹ Xuân vượt 1,5 - 4 lần; lượng kẽm vượt 3-5 lần tiêu chuẩn[1]

Như vậy, mức độ ô nhiễm nước các dòng sông mà đặc biệt là 3 lưu vực sông Cầu, Nhuệ - Đáy và hệ thống sông Đồng Nai là khá nghiêm trọng và đang có xu hướng diễn biến phức tạp và ngày càng xấu đi Chất lượng nước sông vẫn đang tiếp tục suy thoái ở nhiều nơi mà đặc biệt là các đoạn chảy qua khu đô thị, khu công nghiệp và làng nghề Trước bất cập này, việc ngăn chặn mức độ gia tăng ô nhiễm ở các lưu vực sông và trả lại sự trong lành cho các dòng sông là một nhiệm vụ cấp bách hiện nay Nó không chỉ có ý nghĩa bảo vệ môi trường Việt Nam mà hơn hết là bảo vệ cuộc sống sinh hoạt, sản xuất của chính người dân sống trong lưu vực

1.1.3 Hiện trạng lưu vực sông Cầu

Sông Cầu bắt nguồn từ phía Nam đỉnh Phia Biooc của dãy Văn Ôn trong địa phận xã Phương Viên huyện chợ Đồn tỉnh Bắc Kạn, dòng chính chảy qua các tỉnh Bắc Kạn, Thái Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh rồi đổ vào hệ thống sông Thái Bình ở Phả Lại Các sông Cầu, sông Thương, sông Lục Nam, Sông Đuống, sông Kinh Thầy và nhánh chính sông Thái Bình hợp nhau tại thị trấn Phả Lại huyện Chí Linh thành sông Thái Bình, dòng chính của hệ thống sông này chảy qua tỉnh Hải Dương

và đổ ra biển Đông tại Thái Bình và Hải Phỏng

Do hệ thống sông Cầu được xác định kết thúc ở điểm hợp lưu, chưa ra đến biển, nên theo định nghĩa lưu vực sông ở trên, có thể coi nó là một tiểu lưu vực Trong nghiên cứu của luận văn, vẫn sử dụng thuật ngữ “lưu vực sông Cầu” để chỉ

hệ thống sông nghiên cứu từ nơi bắt nguồn là tỉnh Bắc Kạn cho đến khi hợp lưu với sông Thái Bình tại Phả Lại

1.1.2.1 Vị trí địa lý và các đặc trưng lưu vực[8]

Lưu vực Sông Cầu nằm trong phạm vi tọa độ địa lý: 21o07' - 22o18' vĩ bắc,

105o28' - 106o08' kinh đông, có diện tích lưu vực 6030 km2 Lưu vực chiếm khoảng 47% diện tích toàn vùng, bao gồm toàn bộ hay một phần lãnh thổ của các tỉnh Bác Kạn, Thái Nguyên, Bắc Ninh, Bắc Giang, Vĩnh Phúc và Hà Nội Mạng lưới sông suối trong lưu vực sông Cầu tương đối phát triển Mật độ lưới sông (độ dài sông trên một đơn vị diện tích) trong lưu vực biến đổi trong phạm vi 0,7 - 1,2 km/km2

Hệ số tập trung nước của lưu vực đạt 2,1 thuộc loại lớn trên miền Bắc

1.1.2.2 Mạng lưới sông ngòi[8]

Trên lưu vực sông Cầu, các nhánh sông chính phân bố tương đối đều dọc theo dòng chính, nhưng các sông nhánh tương đối lớn đều nằm ở phía hữu ngạn lưu vực, như các sông: Chợ Chu, Đu, Công, Cà Lồ

Trong toàn lưu vực có 68 sông suối có độ dài từ 19 km trở lên với tổng chiều dài 1600 km, trong đó có 13 sông suối có độ dài từ 15 km trở lên và 20 sông suối có diện tích lưu vực lớn hơn 100 km2

* Sông Cầu là dòng chính của hệ thống sông Thái Bình, bắt nguồn từ vùng núi Phia Đeng (1527m) ở sườn đông nam của dãy Phia Biooc Dòng chính Sông Cầu chảy qua các tỉnh Bắc Cạn, Thái Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh rồi đổ vào sông Thái Bình tại Phả Lại

* Sông Chu bắt nguồn từ xã Bảo Linh huyện Định Hoá, chảy theo hướng tây bắc - đông nam đến xã Định Thông lại chuyển hướng tây nam - đông bắc chảy qua thị trấn Chợ Chu, sau đó, từ Tân Dương lại chuyển hướng tây bắc - đông nam

để chảy vào sông Cầu tại Chợ Mới ở hạ lưu thị trấn Chợ Chu có sông nhánh tương đối lớn là sông Khương (F = 108 km2) chảy vào sông Chu ở phía bờ tả

Sông Chu có diện tích lưu vực (F = 437 km2), từ nguồn đến cửa sông Đu dài 36,5 km, độ cao trung bình lưu vực 206 m, độ dốc 16,2 %, mật độ lưới sông 1,30 km/km2

* Sông Nghinh Tường bắt nguồn từ độ cao 550 m tại xã Vân Cư huyện Phú Bình, chảy theo hướng tây bắc - đông nam đến xã Cúc Đường huyện Võ Nhai rồi chuyển hướng đông nam - tây bắc và đổ vào bờ trái sông Cầu tại thượng lưu Lang Hinh Sông Nghinh Tường dài 46 km, độ cao trung bình lưu vực 290 m, độ dốc 12,9

%, mật độ lưới sông 1,05 km/km2, diện tích lưu vực 465 km2

* Sông Đu bắt nguồn từ độ cao 275 m ở xã Yên Trạch huyện Phú Lương, chảy theo hướng gần bắc - nam hoặc tây bắc - đông nam chảy vào sông Cầu tại Sơn Cẩm Sông Đu có chiều dài 44,5 km độ cao trung bình lưu vực 129 m, độ dốc 13,3

%, mật độ lưới sông 0,94 km/km2 và diện tích lưu vực 361 km2

* Sông Công bắt nguồn từ độ cao 275 m ở xã Thanh Tịnh huyện Định Hoá, chảy theo hướng bắc nam đến xã Phú Cường huyện Đại Từ thì chuyển hướng tây bắc - đông nam đổ vào sông Cầu ở phía bờ phải tại Hương Ninh xã Hợp Thịnh huyện Hiệp Hòa Sông Công dài 96 km, độ cao trung bình lưu vực 224 m, độ dốc 27,3 %, mật độ lưới sông 1,20 km/km2, diện tích lưu vực 957 km2

Hồ chứa Núi Cốc trên sông Công chính thức hoạt động từ năm 1978 Hồ Núi Cốc có dung tích 175.106 m3 Nước Hồ Núi Cốc được dùng để cấp nước tưới cho vùng hạ lưu sông Cầu và bổ sung nguồn nước cho sông Cầu, cấp nước cho sản xuất

và sinh hoạt của thành phố Thái Nguyên, thị xã sông Công Do đập chắn ngang sông, nên từ 1978 trở đi, hạ lưu sông Cầu (từ hạ lưu Hồ Núi Cốc) đã hoàn toàn mất nguồn nước từ trung và thượng lưu, dòng sông bị cạn kiệt và do đó ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sinh thái ở hạ lưu sông Công

* Sông Cà Lồ bắt nguồn từ sườn tây bắc dãy núi Tam Đảo, chảy qua vùng đồng bằng Vĩnh Phúc rồi đổ vào sông Cầu ở phía phải tại Lương Phú Sông Cà Lồ dài 89 km, độ cao trung bình lưu vực 87 m, độc dốc 4,7%, mật độ lưới sông 0,73 km/km2, diện tích lưu vực 88 km2 Trong lưu vực sông Cà Lồ có hồ Đại Lải có diện tích mặt nước là 550 ha với dung tích 25,0 × 106 m3, hồ Xạ Hương có diện tích mặt nước là 46,2 ha với dung tích 12,7 ×106 m3, Đầm Vạc diện tích mặt nước 255 ha

1.1.2.3 Đặc điểm khí tượng - thủy văn[8]

Khí hậu của lưu vực sông Cầu, mang đặc điểm cơ bản của khí hậu nhiệt đới gió mùa của khí hậu miền bắc Việt Nam Nhiệt đới được coi là đặc tính chủ đạo quy định về cơ bản hướng phát triển của hệ sinh thái lưu vực Mặt khác, mùa đông lạnh là một dị thường đã phá vỡ tính điển hình của khí hậu nhiệt đới đưa đến những hạn chế trong phát triển của hệ sinh thái nhiệt đới thuần chủng Tuy nhiên ở mặt khác nó lại góp phần tạo ra tính đa dạng của khí hậu là tiền đề cho

sự phát triển một hệ sinh thái phong phú mà những vùng nhiệt đới hay ôn đới điển hình thường không có được

Trên lưu vực Sông Cầu, lượng mưa hàng năm khá lớn 1500-2700mm Có thể

lớn của miền Bắc, đó là trung tâm mưa Tam Đảo Trên mặt hướng phía đông nam của dãy Tam Đảo nhất là phần gần đỉnh, lượng mưa năm có thể vượt 3000mm Vùng mưa lớn này kéo dài về phía đông sang qua thành phố Thái Nguyên, với lượng mưa năm vượt 2000mm Xa hơn lên phía bắc, nằm khuất sau cánh cung Ngân Sơn thuộc vùng thung lũng thấp Bắc Cạn, là một khu vực ít mưa với lượng mưa năm chỉ khoảng 1400-1500mm Gần đó trên vùng cao của cánh cung này, lượng mưa lại tăng lên khá lớn đạt 1800-2000mm

Mô đun dòng chảy năm trung bình phân bố không đều trong lưu vực, từ dưới 15l/s.km2 ở trung lưu sông Cà Lồ đến hơn 40l/s.km2 Ở một số nhánh sông phía tả ngạn sông Cà Lồ và một số nhánh sông phía hữu nhạn sông Công nẳm ở sườn núi Tam Đảo, nơi có lượng mưa năm trung bình nhiều năm (Xo) trên 2400

mm Ở trung lưu sông Cà Lồ, lượng mưa năm trung bình dưới 1500 mm, hơn nữa lượng bốc hơi tương đối lớn nên lượng dòng chảy năm nhỏ Khu vực thượng nguồn sông Cầu và thượng nguồn sông Chợ Chu có Xo = 1800-2000 mm và µo

= 30 - 40 l/s.km2 Phần trung lưu và hạ lưu sông Cầu có Xo = 1400-1800 mm và

µo = 20 - 30 l/s.km2 Cũng như các nơi khác ở Bắc Bộ, mùa mưa ở lưu vực sông Cầu thường bắt đầu từ tháng V và kết thúc vào tháng IX ở thượng lưu hay tháng X

ở trung lưu và hạ lưu Lượng mưa trong các tháng mùa mưa chiếm khoảng 65 - 85% tổng lượng mưa năm

Dòng chảy sông suối cũng phân phối không đều trong năm và biến đổi theo mùa rõ rệt: mùa lũ và mùa cạn Mùa lũ thường bắt đầu từ tháng V, VI đến tháng X Lượng dòng chảy mùa lũ chiếm khoảng 80 - 85% tổng lượng dòng chảy toàn năm Tháng VII là tháng có lượng dòng chảy trung bình tháng lớn nhất Mùa cạn kéo dài

từ tháng X đến tháng IV, V năm sau Lượng dòng chảy trong mùa này chỉ chiếm khoảng 15 - 20% tổng lượng dòng chảy năm, tháng II là tháng có lượng dòng chảy trung bình tháng nhỏ nhất

1.1.2.4 Đặc điểm Tài nguyên thiên nhiên và Môi trường[8]

Lưu vực sông Cầu khá giầu các tài nguyên thiên nhiên bao gồm tài nguyên rừng, tài nguyên nước, tài nguyên khoáng sản…Độ che phủ của rừng đạt mức trung bình khoảng 45% Tuy nhiên trong thời gian gần đây do những hoạt động phát triển kinh tế xã hội đã dẫn đến rừng bị phá hủy, tài nguyên nước bị suy giảm về cả chất lượng lẫn số lượng

Trong khu vực có các khu bảo tồn, khu văn hóa với giá trị sinh thái cao như Vườn quốc gia Ba Bể, Tam Đảo, Khu Bảo tồn thiên nhiên Kim Hỷ…Hệ động thực vật trong lưu vực rất phong phú, đa dạng bao gồm nhiều chủng loại cây gỗ quý, các loài động vật hoang dã…Tuy nhiên, nếu không biết cách khai thác một các hợp lý

và phát triển một cách bền vững thì chắc chắn các nguồn tài nguyên này sẽ sớm bị cạn kiệt, môi trường sinh thái sẽ bị hủy hoại ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và cản trở sự phát triển chung trong lưu vực

1.1.2.5 Đặc điểm kinh tế - xã hội[1]

Lưu vực sông cầu, nếu tính theo diện tích tất cả các huyện thuộc 6 tỉnh nói trên, có tổng diện tích là 13783.45 km2 Dân số của các tỉnh này năm 2004 là 6.8 triệu người trong đó số dân nông thôn khoảng 5.8 triệu người, dân thành thị khoảng 0.9 triệu người So với nhiều địa phương trên toàn quốc, môt số tỉnh, thành phố thuộc lưu vực sông Cầu có nền kinh tế phát triển khá năng động, với nhiều ngành nghề đa dạng thuộc hầu hết mọi lĩnh vực sản xuất hiện nay trong nước Đây cũng là vùng có nhiều làng nghề thủ công truyền thống và không truyền thống, có nhiều tổ chức lãnh thổ công nghiệp hoạt động ở các quy mô khác nhau Vì thế, cùng với xu thế phát triển kinh tế - xã hội cả nước, các tỉnh thuộc lưu vực sông Cầu trong quá trình phát triển nhằm tiến tới một cơ cấu kinh tế năng động hiệu quả, đã đẩy nhanh tốc độ phát triển của các ngành kinh tế được coi là thế mạnh, mũi nhọn của các tỉnh

và đã hình thành nên các đặc trưng kinh tế có những nét khác biệt ở từng tỉnh Điển hình cho sự khác biệt ấy là cơ cấu kinh tế lưu vực

Cơ cấu kinh tế lưu vực sông Cầu có sự khác biệt giữa các tỉnh vùng núi, trung du và đồng bằng trong lưu vực Hoạt động nông nghiệp vẫn là ngành kinh tế chủ yếu ở các tỉnh vùng núi (vùng cao) (Bắc Kạn và Bắc Giang) Tỷ trọng ngành nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy sản năm 2000 ở Bắc Kạn là 58.24%, Bắc Giang là 44.6% Ngành công nghiệp có tỷ trọng thấp trong cơ cấu và tương ứng là 10.99% và 13.10% Trong khi đó, cơ cấu kinh tế tỉnh Thái Nguyên, Bắc Ninh, Vĩnh Phúc, Hà Nội lại thể hiện xu thế phát triển khác với hai tỉnh Bắc Kạn và Bắc Giang có tỷ trọng công nghiệp, xây dựng và dịch vụ cao, thậm chí rất cao trong cơ cấu kinh tế

1.1.2.6 H iện trạng khai thác và sử dụng nước[8]

Tài nguyên nước trong lưu vực được khai thác và sử dụng dưới nhiều hình thức và phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau trong đó lượng nước dùng để tưới

trong nông nghiệp chiếm tỷ lệ lớn nhất khoảng 80%, sinh hoạt 2% Tuy nhiên, trong những năm gần đây vai trò của nông nghiệp đang giảm dần bởi sự gia tăng của của các hoạt động công nghiệp và đô thị hóa Lượng nước dùng trong sinh hoạt dự báo cũng sẽ tăng nhanh trong tương lai

Sự phát triển của hoạt động kinh tế xã hội mà đi cùng với nó là sự đa dạng về các ngành nghề, các loại hình công nghiệp đang dần gây áp lực đối với tài nguyên nước trên lưu vực sông Cầu Theo thống kê chưa đầy đủ, hiện có khoảng 800 cơ sở

có nguồn thải đổ ra lưu vực sông Cầu với lượng nước thải khoảng 109.000 m3/ngày Các nguồn ô nhiễm chính gây ô nhiễm cho lưu vực sông Cầu có thể kể đến như sau:

- Nước thải sinh hoạt: chiếm tỷ lệ lớn trong tổng lượng nước thải đổ vào lưu vực sông Cầu Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất dinh dưỡng, hàm lượng BOD5

và các hợp chất chưa Nitơ rất cao

- Do nước thải từ các khu công nghiệp, các cơ sở sản xuất lớn nhỏ nhu khu công nghiệp Gang thép Thái Nguyên, công ty cổ phần giấy Hoàng Văn Thụ, …Các

cơ sở này đã hoạt động từ lâu và hầu như không có hệ thống xử lý nước thải hoặc

xử lý nước thải không đạt tiêu chuẩn thải ra môi trường Các nguồn thải này đưa vào môi trường một khối lượng lớn các kim loại nặng, dầu mỡ và các tác nhân khác…

- Nước thải từ 35 bệnh viện lớn như Bệnh viện đa khoa tỉnh Bắc Kạn, Thái Nguyên, Vĩnh Yên…Nước thải từ các bệnh viện này không qua xử lý, chứa các chất thải độc hại đổ trực tiếp ra môi trường làm ảnh hưởng đến nguồn nước

- Do các hoạt động canh tác nông nghiệp hai bên bờ sông Với các mục tiêu tăng năng suất, các hóa chất và chất bảo vệ thực vật và phân bón hóa học được sử dụng ngày càng nhiều, đặc biệt ở Thái Nguyên, Bắc Ninh…dẫn đến hàm lượng

NO2, NO3 trong đất đặc biệt cao ở vùng chuyên canh lúa, trồng rau, hoa màu ở Bắc Ninh, Vĩnh Phúc và một số vùng hạ lưu sông Cầu

- Hoạt động khai thác, chế biến khoáng sản cũng có những tác động tiêu cực đối với môi trường nước sông Cầu Sự khai thác, chế biến khoáng sản là không thể thiếu đối với sự phát triển kinh tế xã hội, tuy nhiên một bộ phân các cơ sở khai thác trái phép và thậm chí cả những cơ sở của nhà nước cũng không có biện pháp tuần hoàn nước thải hay xử lý nước thải mà chỉ đơn thuần là thải vào các nhánh sông suối hoặc thải trực tiếp ra sông Cầu

- Hoạt động của các làng nghề cũng là một trong các nguồn gây ô nhiễm chính đối với lưu vực sông Cầu Trên lưu vực sông Cầu có khoảng 200 làng nghề như: sản xuất giấy, nấu rượu, mạ kim loại, tái chế phế thải…tập trung chủ yếu ở Bắc Ninh, một số làng nghề rải rác ở Thái Nguyên, Vĩnh Phúc, Bắc Giang…Lưu lượng nước thải làng nghề lớn, mức độ ô nhiễm cao, không được xử lý và thải trực tiếp xuống kênh mương, ao, hồ, sông

1.1.2.7 Chất lượng nước[4]

* Đoạn thượng lưu : Đoạn từ Thác Bưởi đến thượng nguồn sông là vùng chất lượng nước còn giữ được tính tự nhiên do dòng chảy chảy qua vùng dân cư ít và các ngành công nghiệp chưa phát triển mạnh, tập quán canh tác ít sử dụng phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, cho nên dòng chảy ít tiếp nhận nguồn thải dân sinh cũng như công nghiệp

* Đoạn trung lưu : Sông Cầu đoạn từ ngã ba sông Đu gặp sông Cầu đến Phù Lôi (Sóc Sơn) là đoạn sông ở đó có mức độ phát triển kinh tế tương đối cao, độ tập trung dân lớn Do tác động của các nguồn thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ đoạn sông này phải tiếp nhận một lượng lớn nước thải từ các hoạt động nêu trên Chất lượng nước sông ở đoạn này đã suy giảm đáng kể Các tác nhân làm giảm chất lượng nước chủ yếu là: chất hữu cơ, chất dinh dưỡng (từ chất thải của con người, gia súc và công nghiệp thực phẩm), dầu mỡ, vi sinh vật

* Đoạn hạ lưu : Đoạn bến đò thôn Đoài và cửa cống thoát lũ Vọng Nguyệt, xã Tam Giang, Yên Phong Nơi đây được gọi là ngã ba sông vì nơi giao lưu giữa sông Cầu và sông Cà Lồ, chia thành 3 khu vực: Một bên là địa phận thuộc Yên Phong, Bắc Ninh, Một bên là địa phận thuộc Hiệp Hòa, Bắc Giang và một bên là địa phận thuộc Sóc Sơn, Hà Nội Đây chính là vị trí đầu mút của sông Cầu tại tỉnh Bắc Ninh Mực nước sông tại nơi này không cao, vào mùa cạn tại nơi này nước sông xuống chỉ còn 1

- 2 m có khi xuống còn 0,3 m, mùa lũ nước sông dâng cao khoảng 6 m Vùng đất hai bên sông rất trũng nên vào mùa lũ có khi nước dâng vào ngập hết cả vùng trồng lúa

và hoa mầu Chất lượng nước sông Cầu ở đoạn hạ lưu bị ô nhiễm nghiêm trọng nhất,

đặc biệt là sau khi hợp lưu với sông Ngũ Huyện Khê, chỉ số ô nhiễm BOD5, COD,

NO3-, SS đều ở mức cao

Hình 1.1 Bản đồ lưu vực sông Cầu[1]

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu về sức chịu tải các lưu vực sông

Việc nghiên cứu sức chịu tải thủy vực trên thế giới đã có một lịch sử khá dài, trên 50 năm, khi áp lực của sự phát triển kinh tế bắt đầu gây những tác động tiêu cực đến các nguồn nước Từ nửa sau thế kỷ 20 cho đến những năm gần đây, các khái niệm, lý thuyết và phương pháp nghiên cứu về sức tải của các lưu vực sông vẫn trong giai đoạn phát triển, chưa có sự thống nhất, có nhiều học giả nghiên cứu

và thực hiện trên những quan điểm riêng, sử dụng nhiều công cụ đánh giá, như sử dụng chỉ số chất lượng nước, sử dụng tối ưu hóa hệ thống, các mô hình mô phỏng,

hệ thống thông tin địa lý, phỏng vấn mức độ chấp nhận của cộng đồng Nghiên cứu sức chịu tải của các lưu vực sông xuất hiện khá sớm trong đánh giá lũ lụt, hạn hán, sử dụng và phân phối nguồn nước Ở các nước phát triển, các phương pháp

luận về đánh giá sức tải được xây dựng chủ yếu để đánh giá sức tải về phương tiện tàu bè, sức chịu tải du lịch, hoặc cho một mục đích riêng như đánh giá sức tải của loài cá hồi nhằm mục đích bảo tồn hoặc phát triển Đối tượng là con người, sức chịu tải được đánh giá trên khả năng cung cấp của lưu vực đáp ứng được một tiêu chuẩn sống nhất định của cộng đồng khu vực đó Đối với các nước đang phát triển, sức chịu tải của sông thường được đánh giá theo khả năng tự làm sạch, vì các nước này

có sự ưu tiên về phát triển kinh tế nên các nhu cầu cao hơn về chất lượng nước thường ít được đáp ứng

Năm 1968, người Nhật đã đưa ra đề xuất đầu tiên về khái niệm năng lực môi trường ( environment capacity) Năm 1974 một học giả người Nhật, Shibasaki Tatsuo đã đưa ra khái niệm sức tải môi trường đối với nước ngầm, từ đó đã mở rộng

ý nghĩa của thuật ngữ sức tải môi trường Nhờ đó, sức tải môi trường đã phát triển

từ một khái niệm định tính năm 1968 đến sự định lượng vào năm 1975 Sau đó, chính phủ Nhật Bản đã ban hành một dự luật đặc biệt, áp dụng sức tải môi trường trong quản lý các con sông và đại dương Để ngăn chặn sự suy giảm chất lượng nước biển ở vịnh Tokyo và biển Setouchi, việc kiểm soát tổng lượng thải được đề xuất Điều này đã thay đổi cách thức quản lý tải lượng xả thải và cải thiện đáng kể chất lượng nước, theo “Báo cáo Điều tra và Nghiên cứu định lượng môi trường năm

1975” của Cơ quan môi trường Nhật Bản, tiếp cận sức tải môi trường đã được sử dụng rộng rãi sau đó Năm 2002, Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ đã tiến hành một nghiên cứu về sức chịu tải môi trường cho bốn thị trấn, đặc biệt đánh giá sức chịu tải môi trường cho bốn hồ và cung cấp các kiến nghị để bảo vệ và cải thiện chất lượng nước Furuya đã thực hiện một nghiên cứu tương tự nhưng trên sức tải nuôi trồng thủy sản ở miền Bắc Nhật Bản vào năm 2003 Các nghiên cứu về sức chịu tải của môi trường nước ở Trung Quốc bắt đầu vào những năm 1980, và từ đó các nghiên cứu trên lĩnh vực này đã được mở rộng và sâu Giai đoạn đầu, các nhà khoa học môi trường của Trung Quốc đã thảo luận và áp dụng các phương pháp tiếp cận toán học khác nhau như mô hình chất lượng nước và các quá trình tự làm sạch để xây dựng các tiêu chuẩn chất lượng nước thải Các dự án tại thời điểm này bao gồm đánh giá chất lượng môi trường của các vùng ngoại ô phía đông Nam Bắc Kinh, cũng như sông Hoàng Hà ở Quảng Châu, sông Đồ Môn, sông Tùng Hoa, sông Lệ Giang Các mô hình được sử dụng trong giai đoạn này tương đối đơn giản, như mô hình Streeter-Phelps, mô hình Thomas, mô hình Camp-bobbins Kể từ “kế hoạch năm năm lần thứ bảy” của chính phủ Trung Quốc, các nghiên cứu về sức chịu tải của môi trường nước đã được tiến hành ở quy mô lớn hơn Trong giai đoạn này, nghiên cứu lý thuyết của sức chịu tải môi trường nước cũng phát triển đa mục tiêu, với các mô hình đánh giá chất lượng nước toàn diện cho mạng lưới sông Cùng với

đó, các khái niệm về sức chịu tải cũng được mở rộng từ phản ánh đơn giản sự pha loãng và khả năng tự làm sạch của một thủy vực, đến sự hiểu biết rộng hơn về kiểm soát tổng khối lượng và tối ưu hóa các hệ thống phân phối tải lượng Các nghiên cứu sức chịu tải của sông Dương Tử, Hoàng Hà, sông Châu Giang, cùng các hệ thống sông lớn khác và các vịnh, hồ, bể chứa và 32 thành phố Các ứng dụng và nghiên cứu về sức tải đã đạt được những tiến bộ đáng kể, trở thành cơ sở khoa học cho việc quản lý để đạt được các mục tiêu chất lượng nước ở Trung Quốc [20]

Ở Việt Nam, những lưu vực sông lớn đều là những vùng kinh tế trọng điểm, điều này không những thể hiện được vai trò và chức năng quan trọng của các dòng sông, mà còn làm cho các lưu vực sông đều bị ô nhiễm ở nhiều mức độ, nhiều khu

vực dòng sông đã không còn đủ khả năng cung cấp các dịch vụ cho cộng đồng địa phương, gây ảnh hưởng thẩm mỹ và sức khỏe Mặt khác, các lưu vực sông ở nước

ta từ trước đều được quản lý theo địa giới hành chính, mỗi địa phương, mỗi tỉnh có lưu vực chảy qua đều có những quy hoạch của riêng mình Việc sử dụng nước ở đoạn thượng nguồn lại có tác động rất lớn đến đoạn trung và hạ lưu, ví dụ việc xả thải ở đầu nguồn có thể chưa gây ô nhiễm nghiêm trọng cho nguồn nước, nhưng khi chảy vào địa phận tỉnh tiếp theo, với mức ô nhiễm sẵn có kết hợp với những nguồn thải ở khu vực này, dòng sông đã bị ô nhiễm nghiêm trọng Bên cạnh đó, việc sử dụng nước quá mức ở các địa phương phía thượng nguồn có thể gây thiếu nước cho các địa phương phía sau, và làm cho quá trình pha loãng và đồng hóa các chất ô nhiễm càng khó khăn hơn Do đó, nhà nước ta đã thấy được sự cần thiết phải quản

lý các dòng sông trên quy mô lưu vực Năm 2008, chính phủ đã ban hành nghị định

số 120/2008/NĐ-CP về quản lý lưu vực sông Theo đó, tài nguyên nước trong lưu vực sông phải được quản lý thống nhất, không bị chia cắt giữa các cấp hành chính, giữa thượng nguồn và hạ nguồn, kết hợp chặt chẽ giữa khai thác, sử dụng, phát triển tài nguyên nước với việc bảo vệ môi trường, khai thác bền vừng các nguồn tài nguyên thiên nhiên khác trong lưu vực sông

Ở Việt Nam trong những năm cuối thế kỷ 20, vấn đề đánh giá sức chịu tải của các lưu vực sông chưa được quan tâm, bước sang những năm đầu của thế kỷ 21,

do sự ô nhiễm nghiêm trọng ở hầu hết các lưu vực sông lớn và nhiều dòng sông trở thành sông “chết”, các tiếp cận về đánh giá sức chịu tải của sông mới bắt đầu được xem xét và thực hiện

Thông tư số 02/2009/TT-BTNMT đã nêu lên các nguyên tắc chung, trình

tự, phương pháp đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước tại những đoạn sông có nguồn xả thải Thông tư xác định khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước là khả năng nguồn nước có thể tiếp nhận được thêm một tải lượng ô nhiễm nhất định và vẫn đảm bảo nồng độ các chất ô nhiễm trong nguồn nước không vượt quá giá trị giới hạn được quy định trong các tiêu chuẩn, quy chuẩn chất lượng nước cho mục đích sử dụng của nguồn nước tiếp nhận

Dựa theo hướng dẫn của thông tư này, các cách tiếp cận đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải cũng đang được tiến hành ở nhiều con sông trên cả nước

Nguyễn Chí Công và đồng nghiệp [15] khi thực hiện đề tài “Nghiên cứu cơ

sở khoa học đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước, phục vụ công tác cấp phép xả thải” đã quan tâm tới việc rà soát, tổng hợp lý thuyết và các phương pháp tính toán lan truyền, khuếch tán vật chất ô nhiễm , rà soát các mô hình toán áp dụng đối với trường hợp cụ thể tại một đoạn sông thuộc phần hạ lưu sông Thương

Đề tài đã thu được những kết quả đáng chú ý về phân bố hàm lượng các chất gây ô nhiễm sau khi ra khỏi nguồn thải và đề xuất một số phương án xả thải phù hợp Trong một số nghiên cứu khác về sức tải môi trường, các tác giả Lê Trình và Nguyễn Tất Đắc [16] đã sử dụng mô hình toán nghiên cứu khả năng tiếp nhận chất thải, khả năng tự làm sạch của lưu vực sông Đồng Nai – Sài Gòn, lưu vực sông Mê Kông thông qua đánh giá đặc điểm môi trường nước, thủy văn, thống kê các nguồn thải, dự báo hiện trạng và các phương án phát triển kinh tế, xã hội đến năm 2010,

2020 cũng cho những kết quả tham khảo quý giá

Để quản lý các dòng sông theo quy mô lưu vực, việc xác định sức chịu tải là một công cụ hết sức hữu dụng, nó cho các nhà quản lý có một cái nhìn tổng quát về mức nước có thể sử dụng và lượng ô nhiễm có thể xả thải vào sông mà không làm vượt quá các mục tiêu chất lượng nước yêu cầu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ DỮ LIỆU ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI

2.1 Khái ni ệm sức chịu tải

2.1.1 Cơ sở sinh học

Khái niệm sức chịu tải bắt nguồn từ sinh vật học, vì thế giới tự nhiên luôn tồn tại các quy luật căn bản nhằm đảm bảo sự cân bằng giữa các loài Khi số lượng một loài tăng mạnh, lập tức sẽ xuất hiện các điều kiện khắc nghiệt nhằm hạn chế sự gia tăng này Nếu sự gia tăng không được kiểm soát, sẽ dẫn đến sự sụp đổ Điều đó chứng tỏ rằng luôn có một giới hạn cho sự phát triển, dù là của một loài, một quần thể, một quần xã hay lớn hơn là một hệ sinh thái Sự phát triển luôn luôn có một ngưỡng giới hạn để đảm bảo rằng tất cả các loài sinh vật trên trái đất đều tồn tại trong phạm vi bền vững

Khái niệm sức chịu tải được hình thành đầu tiên trong mối quan hệ đơn giản

số lượng cá thể - môi trường Ví dụ như số lượng cừu hoặc bò tối đa có thể chăn thả trong đồng cỏ mà không làm phá hủy vùng đất đó đến mức nó không thể tiếp tục cung cấp cho chúng nữa Nghiên cứu trên cơ sở sinh học trên nhiều loài sinh vật, từ mức độ khởi thủy với mật độ cá thể thấp, có 2 mô hình khá khác biệt mô tả các loài khác nhau đạt tới sức chịu tải, là mô hình xichma và mô hình đỉnh [43]

Ở mô hình xichma, giai đoạn đầu thì thức ăn và điều kiện sống còn dư dả, số lượng cá thể tăng nhanh , đến một mức nào đó,các biến điều khiển như tốc độ sinh thấp hơn và nguồn thức ăn suy giảm tham gia vào quá trình phát triển Khi tốc độ tăng trưởng số lượng cá thể giảm dần đến 0, số lượng cá thể đạt tới cấp độ khá bền vững Mô hình này được gọi là K-selection, là mô hình đạt ngưỡng bền vững mà bất

kỳ một quá trình phát triển nào cũng mong muốn đạt được

Ngược lại, ở mô hình đỉnh, giai đoạn đầu cũng tương tự mô hình xichma khi

số lượng cá thể còn thấp Tuy nhiên ở giai đoạn này, những nhân tố điều khiển như trên không tham gia, do đó dân số tăng mạnh mẽ đến một điểm mà tại đó làm cạn kiệt các nguồn tài nguyên mà nó phụ thuộc Tại điểm tới hạn này, số lượng tử vong

trở thành nhân tố điều khiển cơ bản làm cho số lượng cá thể rơi xuống mức độ thấp Khi các nguồn tài nguyên được phục hồi, số lượng bắt đầu tăng trở lại, quá trình được lặp đi lặp lại trong một vòng tròn bùng nổ dân số - sụp đổ Mô hình này được gọi là mô hình r-selected

Hình 2.1 Các kịch bản sức tải [43]

Quá trình phát triển của xã hội loài người cũng không làm ngoài quy luật trên, con người đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ phát triển bùng nổ ở thời kỳ sớm khi các nguồn tài nguyên còn dồi dào, và dần dần chững lại khi các nguồn tài nguyên dần cạn kiệt và sự suy thoái của môi trường Hiện nay, trên toàn cầu, người

ta đang nỗ lực để đưa sự phát triển của xã hội về mô hình K, tức là đạt được một ngưỡng bền vững

2.1.2 Sức chịu tải của trái đất đối với con người

Nghiên cứu sức chịu tải trong sinh vật học có một lịch sử tương đối dài và đạt được nhiều thành tựu, tuy nhiên việc áp dụng chúng đối với vấn đề con người gặp rất nhiều khó khăn do con người có tập quán tiêu thụ khác hẳn với các loài động vật khác, cùng với đó, sự phát triển của khoa học công nghệ đã làm gia tăng

các giới hạn của tự nhiên Khi kinh tế phát triển đến một mức nào đó, con người có những nguyên tắc thẩm mỹ của mình, điều này không được xem xét rõ ràng ở các loài khác Trái đất có thể nuôi sống nhiều hơn số lượng 6 tỷ người, nhưng tại thời điểm một số người sẽ không thể chấp nhận được nếu phải sống quá đông đúc và vấn

đề ô nhiễm môi trường gia tăng tỷ lệ thuận với số lượng dân cư Do đó, đối với con người, có một khái niệm cần được đáp ứng mà không có ở bất kỳ loài nào khác, đó

là chất lượng cuộc sống Nó không chỉ bao hàm tính thẩm mỹ của môi trường xung quanh, mức độ ồn, sự ô nhiễm không khí và nước, nó còn liên quan đến mức tiêu thụ Chất lượng cuộc sống khác nhau tùy thuộc vào mức độ phát triển của kinh tế và

xã hội

Từ khi khái niệm sức chịu tải ra đời, có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề này, một trong những cách tiếp cận gần đây về vấn đề sức chịu tải là khái niệm “bước chân sinh thái” – Ecological Footprint Bước chân sinh thái bắt nguồn từ thực tế rằng tất cả các nguồn tài nguyên tái tạo đều đến từ trái đất Nó giải thích các dòng chảy năng lượng và vật chất đến hoặc từ bất kỳ một nền kinh tế xác định nào và chuyển đổi chúng thành những diện tích đất/nước tương ứng cần thiết cho tự nhiên

để cung cấp cho các dòng chảy đó

Dấu chân sinh thái được định nghĩa là diện tích đất và nước cho năng suất sinh học cần thiết để sản xuất các nguồn tài nguyên mà dân số tiêu thụ và đồng hóa các chất thải mà dân số tạo ra, bất cứ nơi nào trên trái đất mà đất và nước được định

vị [35]

Để tồn tại và phát triển, con người tiêu thụ những gì mà tự nhiên cung cấp, như vậy mọi hoạt động tiêu thụ đều ảnh hưởng đến các hệ sinh thái hành tinh, tất nhiên sẽ là không sao nếu việc sử dụng này không vượt quá khả năng cung cấp và

tự tái tạo của Trái Đất Tuy nhiên, bắt đầu từ đầu những năm 80 của thế kỷ 20, mức tiêu thụ của loài người đã vượt quá so với khả năng này, và theo số liệu năm 2003 thì đã vượt quá 25%, có nghĩa là phải mất 1 năm 3 tháng để Trái Đất có thể tái tạo những gì mà con người sử dụng trong 1 năm Bên cạnh việc các nguồn tài nguyên không tái tạo như khoáng sản, dầu mỏ, khí đốt,… đang dần cạn kiệt thì các nguồn

tài nguyên có khả năng tái tạo (đất, nước, ) và các dịch vụ sinh thái cũng đang ở trong tình trạng báo động, ví dụ như : việc biến mất các ngư trường, thay đổi khí hậu do CO2, tuyệt chủng các loài sinh vật, mất rừng và suy thoái nước ngầm,…

Năm 2003, Thế giới có 11,2 tỷ ha đất và nước có khả năng cho năng suất sinh học, và tính ra, sức tải sinh học theo đầu người là 1,8 gha (với dân số toàn cầu

là 6,3 tỷ người) Có thể khoa học kỹ thuật công nghệ mở rộng giới hạn sức chịu tải của trái đất đối với con người, nhưng dân số không thể tiếp tục tăng một cách vô hạn

Trên cơ sở đánh giá sự phụ thuộc của con người vào tự nhiên, sức tải nhân loại được tổng quát trong một công thức toán:

Sức tải nhân loại ( Human carrying Capacity) = Sức tải hữu cơ ( Organic Carrying Capacity) + Sức tải tài nguyên đặc biệt ( Specious Carrying Capacity) (2.1) [44]

Thuật ngữ “sức tải nhân loại” được hiểu là sức chịu tải của trái đất đối với các hoạt động của con người

Sức tải hữu cơ là một hàm số của :

Sức tải tài nguyên đặc biệt là một hàm của năng lượng không tái tạo như:

- Nhiên liệu hóa thạch

rộng và đáp ứng những nhu cầu sống đa dạng khác Do đó con người khai thác nhiên liệu, tài nguyên, nước ngầm Điều này gây ra một áp lực khác lên môi trường, tạo ra một sức tải đặc biệt không có ở những loài sinh vật khác, đó là sức tải tài nguyên đặc biệt

Bùng nổ dân số bắt đầu cùng với cách mạng công nghiệp được tạo ra bởi một đòn bẩy công nghệ lớn sử dụng các nguồn tài nguyên không tái tạo khiến cho sức tải tài nguyên đặc biệt tăng rất lớn Trong khi đó, những thành tựu này lại khiến cho môi trường bị suy thoái nghiêm trọng, dẫn đến sự suy giảm của sức chịu tải hữu cơ Kết quả, sức chịu tải của con người dựa trên một cấu thành không bền vững, và con người dựa quá nhiều vào sức tải tài nguyên đặc biệt hay sức tải vay mượn mà dựa quá ít vào sức tải hữu cơ

Hình 2.2 Đường cong sức chịu tải nhân loại[44]

2.2 Phương pháp đánh giá sức chịu tải ô nhiễm môi trường nước lưu vực sông

2.2.1 Công thức tổng quát

Sức chịu tải của sông là phần sức tải hữu cơ theo công thức (2.1), nó là sức

để cung cấp cho những nhu cầu sống của mình, đồng thời chính các hoạt động ấy lại làm cho nó bị ô nhiễm và suy thoái Khi lượng thải vượt quá khả năng tiếp nhận của thủy vực, sức chịu tải vượt ngưỡng và dòng sông trở thành sông chết

Do đó, sức chịu tải ô nhiễm được hiểu là thải lượng tối đa các chất ô nhiễm đưa vào nguồn nước mà không làm chất lượng nước vượt quá các giới hạn cho phép [42]

Sức tải của thủy vực đối với một số chất ô nhiễm được tính theo IMO/FAO (1986) và Bộ thủy sản – DANIDA/FSPS/SUMA (2005) như sau:

Cp = (Ctiêu chuẩn - Chiện tại)V (1+R) [42] (2.2)

Trong đó:

Cp: khả năng tải của thủy vực với chất nhiễm bẩn i (kg)

R : tỷ lệ trao đổi nước của thủy vực

V : Thể tích trung bình của thủy vực (m3)

Như vậy, sức tải được đánh giá là hiệu số của tổng lượng chất ô nhiễm ở mức tiêu chuẩn – tổng lượng chất ô nhiễm hiện tại trong nguồn nước

Các thông số được lựa chọn mô phỏng trong luận văn (i) bao gồm hàm lượng oxy hòa tan DO, nhu cầu oxy sinh hóa BOD5, nitơ Amoni NH4+ và nitrat NO3-

Ctiêu chuẩn được xác định theo các tiêu chuẩn nước mặt đáp ứng các mục đích quản lý khác nhau

Chiện tại :do các số liệu quan trắc là rời rạc, nên cần một công cụ mô phỏng diễn biến các thông số chất lượng nước dọc theo dòng chảy Công cụ được sử dụng trong luận văn là mô hình Qual2k

Từ kết quả mô phỏng Chiện tại so sánh với Ctiêu chuẩn :

Chiện tại < Ctiêu chuẩn ( đối với thông số DO thì ngược lại) : nguồn nước vẫn còn khả năng tiếp nhận các chất ô nhiễm

Chiện tại > Ctiêu chuẩn ( đối với thông số DO thì ngược lại) : nguồn nước hiện đã vượt mức chịu tải

Chiện tại = Ctiêu chuẩn : nguồn nước đạt ngưỡng sức chịu tải

Xác định sức chịu tải dựa vào công cụ mô hình hóa được tiến hành như sau:

- Mô phỏng chất lượng nước hiện tại dựa vào các điều kiện biên yêu cầu của

mô hình và các dữ liệu thu thập về nguồn thải, tiến hành hiệu chỉnh các thông số để kết quả mô phỏng chính xác nhất Từ kết quả mô phỏng của mô hình thu được:

+ Nồng độ ô nhiễm Chiện tại để so sánh với Ctiêu chuẩn

+ Tổng lượng chất ô nhiễm tại Chiện tại

- Từ mức Chiện tại, tăng dần tải lượng thải đầu vào cho đến khi đạt mức Ctiêu chuẩn

Tổng lượng chất ô nhiễm thêm vào chính là hiệu số giữa lượng chất ô nhiễm

ở mức tiêu chuẩn với lượng chất ô nhiễm hiện tại, là sức chịu tải của lưu vực tại mức tiêu chuẩn cần xác định

Các phần tiếp theo sẽ tiến hành làm rõ các thông số mô phỏng trong luận văn, xác định Ctiêu chuẩn và cơ sở lý thuyết mô hình Qual2k để phục cho quá trình tính toán

2.2.2 Các thông số mô phỏng

2.2.2.1 Nồng độ oxy hòa tan – DO

DO ( Dissolve Oxygen) là lượng oxy hòa tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp của các thủy sinh, thường được tạo ra do sự hòa tan của khí quyển hoặc do quang hợp của tảo Đơn vị mg/l

Hình 2.3 Nguồn cung cấp và tiêu thụ oxy trong thủy vực [14]

Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxy hòa tan trong nước:

* Các yếu tố do con người:

- Sự gia nhập chất thải hữu cơ từ cống thải, chất thải động vật, sợi hữu cơ từ các quá trình sản xuất giấy, dệt, công nghệ thực phẩm Những vật chất hữu cơ này được phân hủy bởi các vi sinh vật sử dụng oxy

- Sự gia nhập các chất dinh dưỡng từ phân bón nông nghiệp cũng như các cống thải làm cho các thực vật và tảo phát triển mạnh rồi chết Vi khuẩn phân hủy các thực vật này tiêu thụ oxy trong suốt quá trình phân hủy

- Sự thay đổi dòng chảy của nước bởi các đập và sự rút nước ra ( cho tưới tiêu, cung cấp nước, cho hệ thống làm mát các nhà máy điện hạt nhân…)

- Các bể chứa nước tạo ra bởi các đập làm răng nhiệt độ nước và do đó làm giảm nồng độ oxy hòa tan

- Sự loại bỏ thực vật ở bờ sông làm tăng nhiệt độ nước và do đó làm giảm nồng độ oxy hòa tan

* Các yếu tố tự nhiên:

- Nhiệt độ và áp suất : ở nhiệt độ cao hơn và áp suất thấp hơn, DO giảm

- Nhân tố khí tượng như nhiệt độ, gió, nhiệt độ ảnh hưởng đến DO và tốc đô phân hủy sinh học, gió lớn làm tăng sự xáo trộn trên bề mặt nước, tạo điều kiện cho oxy không khí khuếch tán vào nước, từ đó tăng khả năng tự làm sạch của nước sông

- Điều kiện dòng chảy như lưu lượng nước, tốc độ dòng chảy : lưu lượng lớn tăng khả năng pha loãng, tốc độ dòng chảy lớn sẽ tăng sự khuếch tán oxy từ không khí vào nước, từ đó khiến cho nước sông dễ làm sạch hơn

- Điều kiện mặt cắt sông : sông rộng và nông sẽ tạo điều kiện cho oxy thâm nhập nhiều hơn từ không khí vào nước, tăng khả năng tự làm sạch của sông

- Nồng độ DO thấp nhất vào buổi sáng, vì quá trình quang hợp dừng lại vào ban đêm trong khi các quá trình hô hấp và phân hủy vẫn diễn ra

- Nước có nhiều loài thực vật thủy sinh có nồng độ oxy hòa tan cao hơn do các thực vật này sản xuất oxy từ quá trình quang hợp Tuy nhiên, nếu quá nhiều thực vật cuối cùng sẽ dẫn đến sự suy giảm nồng độ oxy hòa tan bởi ban đêm, oxy sẽ

bị tiêu thụ bởi cả quá trình hô hấp lẫn phân hủy

Các yếu tố ảnh hưởng trên đều được tính toán trong mô hình Qual2k

2.2.2.2 Nhu cầu oxy sinh hóa – BOD

Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) được định nghĩa là lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ với sự tham gia của vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí (có mặt oxy) Đơn vị đo của BOD là mgO2/l (thường viết tắt là mg/l) Chỉ tiêu BOD phản ánh mức độ ô nhiễm hữu cơ của nước thải BOD càng lớn thì nước thải (hoặc nước nguồn) bị ô nhiễm càng cao và ngược lại

BOD là một trong những chỉ tiêu được dùng để đánh giá mức độ gây ô nhiễm của các chất thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và khả năng tự làm sạch của nguồn nước

Phản ứng tổng quát quá trình phân hủy BOD nhờ vi sinh vật:

CH2O + O2 CO2 + H2O (2.3) Trong đánh giá chất lượng nước, thường dùng chỉ tiêu BOD5, là nhu cầu oxy hóa sinh học được đo trong 5 ngày ở 20oC

Phần lớn các con sông còn nguyên sơ sẽ có BOD < 1mg/l Các con sông bị ô nhiễm mức độ nhẹ có BOD trong khoảng 2 -8 mg/l

Bảng 2.1 Các mức ô nhiễm BOD5 đối với chất lượng nước sông [46]

Mức BOD5 (mg/l) Chất lượng nước

1-2 Rất tốt – không có nhiều chất hữu cơ

Bacteria

2.2.2.3 Amoni và Nitrat

Trong nước thải, các hợp chất Nitơ tồn tại dưới 3 dạng : các hợp chất hữu cơ, amoni và các hợp chất dạng oxy hóa ( nitrit và nitrat) Các hợp chất nitơ là các chất dinh dưỡng, chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ yếu nhờ các quá trình sinh hóa

Hình 2.4 Chu trình Nitơ trong tự nhiên [13]

Nitrogen là thành phần cấu thành protein, nitơ là một trong những nguyên tố quan trọng đối với đời sống sinh vật Nó được thực vật xanh hấp thụ trước hết là dạng ammonium (NH4+) và dạng nitrate (NO3-), nhưng các hợp chất này thường có rất ít trong các thủy vực Do đó, trong các thủy vực nitơ thường là nhân tố giới hạn cho đời sống của thực vật Sự tạo thành các hợp chất hữu cơ trong thủy vực phụ thuộc đáng kể vào hàm lượng NH4+ và NO3- trong thủy vực Trong các thủy vực hầu như toàn bộ nitơ được liên kết trong các protein của cơ thể sống Tuy nhiên, các hoạt động của động vật thủy sinh ammonia (NH3) luôn được bài tiết ra hoặc sau khi chúng chết đi bị các vi sinh vật phân hủy giải phóng NH3, trả lại nitơ cho thủy vực Đây

chính là nguồn cung cấp dinh dưỡng trực tiếp cho thực vật hay gián tiếp sau khi NH3

bị oxy hóa thành nitrate

NH3 trong các thủy vực được cung cấp từ quá trình phân hủy bình thường các

protein, xác bã động thực vật phù du, sản phẩm bài tiết của động vật hay từ phân bón

vô cơ, hữu cơ

(NH2)2CO + 2H2O (NH4)2CO3 (2.4) (NH4)2CO3 → 2 NH3 + CO2 + H2O (2.5)

NH3 là loại khí độc đối với cá, khi được tạo thành sẽ phản ứng với

nước sinh ra ion NH4+ cho đến khi cân bằng được thiết lập Tổng hàm

lượng của NH3 và NH4+ được gọi là Tổng amoni (Total Ammonia Nitrogen

- TAN)

NH3 + H2O ⇔ NH4+ + OH- (2.6)

Tỉ lệ của NH3/TAN trong nước còn phụ thuộc vào nhiệt độ và pH

Bảng 2.2 Tỷ lệ Amonia NH3 trong tổng Amonia Nitrogen ở pH và nhiệt độ khác

Ammonia ( NH3) nằm ở trạng thái cân bằng với Ammonium ion ( NH4+)

trong nước tự nhiên Ammonium là một acid yếu với hằng số cân bằng pKa khoảng

9,2 ở 25oC Vì vậy trong dãy pH của nước tự nhiên từ 6,0-9,0, ammonium chiếm ưu

thế

Ammonium bị oxy hóa thành nitrate NO3- nhờ một nhóm vi khuẩn đặc biệt,

được gọi là quá trình nitrat hóa ( nitrification) Phản ứng tổng quát của quá trình oxy

hóa của ammonia như sau:

NH4 + 2O2 NO3 + H2O + 2H+ (2.7)

Nitrate là dạng hợp chất vô cơ của nitơ có hóa trị cao nhất, có nguồn gốc từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành công nghiệp thực phẩm, hóa chất.Nitrat hóa là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ chứa nitơ

2.2.3 Xác định nồng độ tiêu chuẩn (C tiêu chuẩn )

Nồng độ tiêu chuẩn Ctiêu chuẩn được xác định dựa vào những yêu cầu chất lượng nước khác nhau tùy thuộc vào từng mục đích quản lý

Luận văn tiến hành xác định sức chịu tải dựa trên ba mục tiêu chất lượng nước:

- Xác định ngưỡng chịu tải hữu cơ hay giới hạn khả năng tự làm sạch Đây là mức ngưỡng có ý nghĩa hết sức quan trọng Vì vượt qua mức ngưỡng ngày dòng sông sẽ trở thành sông chết, không còn khả năng tiếp nhận và xử lý các dòng thải, đồng thời gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và ảnh hưởng đến thẩm mỹ cảnh quan, gây nhiều vấn đề y tế và xã hội

- Xác định sức chịu tải ở yêu cầu đảm bảo chất lượng nước cho tưới tiêu nông nghiệp

- Xác định sức chịu tải ở yêu cầu đảm bảo chất lượng nước cho duy trì thủy sản

2.2.3.1 Nồng độ tiêu chuẩn ở ngưỡng tự làm sạch

Ngưỡng tự làm sạch hay ngưỡng chịu tải hữu cơ là nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ tối đa đưa vào nguồn nước mà thủy vực vẫn có khả năng tiếp nhận và đồng hóa nó Vượt qua mức ngưỡng này, thủy vực không còn khả năng tự làm sạch và trở thành thủy vực “chết”

Khả năng “tự làm sạch” ( self-purification) của nguồn nước là khả năng khử được các chất ô nhiễm của nguồn nước Khả năng đó được thể hiện qua 2 quá trình:

- Quá trình xáo trộn ( pha loãng ) thuần túy lý học giữa nước thải với nguồn nước

- Quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nguồn nước

Do hai quá trình trên, nồng độ các chất ô nhiễm đưa vào nguồn nước sau một thời gian sẽ giảm đến một mức nào đó Các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của nước mặt:

- Nồng độ oxy hòa tan trong nước Nồng độ oxy càng cao thì nước sông càng

dễ tự làm sạch

- Loại và lượng các chất ô nhiễm trong nước, phải là các chất ô nhiễm hữu

cơ để phân hủy sinh học

- Loại và số lượng của các vi khuẩn và vi sinh vật trong nước sông nếu phong phú thì sẽ tăng nhanh tốc độ phân hủy sinh học các chất ô nhiễm và tăng khả năng tự làm sạch của nước sông

Nồng độ oxy hòa tan là một chỉ thị quan trọng trong đánh giá chất lượng nước mặt Khi DO trong nước ở mức độ cao và tương đối ổn định, nó chỉ thị một hệ sinh thái khỏe mạnh, có khả năng cung cấp rất nhiều loại sinh vật thủy sinh khác nhau Các sinh vật phải thích nghi với sự thay đổi của DO, và nếu DO xuống thấp, chúng sẽ rơi vào hoàn cảnh nguy hiểm

Hình 2.5 Đường cong diễn biến oxy trong nước [14]

Diễn biến này được gọi là đường cong lõm DO vì nồng độ DO lúc đầu bị giảm xuống nhanh cùng lúc với các vật chất có nhu cầu về oxy trong dòng thải bị oxy hóa và sau đó từ từ tăng lên dọc theo đường chuyển nước cùng lúc với sự nạp lại dần oxy từ khí quyển cho dòng chảy Như vậy điểm tới hạn trong đường cong

diễn biến ở trên cho thấy mức độ nguy hiểm đối với các sinh vật trong thủy vực Nếu tại điểm này, DO vẫn có giá trị an toàn thì chứng tỏ chất lượng nước tương đối tốt, nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ thấp Ngược lại, nếu nồng độ các chất ô nhiễm đưa vào quá cao, khiến cho điểm tới hạn xuống thấp, sẽ gây nguy hiểm cho các các động thực vật thủy sinh Ở mức DO không đủ cung cấp cho sự hoạt động của các vi sinh vật, quá trình tự làm sạch sẽ bị gián đoạn, các chất hữu cơ tiếp tục được đưa vào mà không được xử lý sẽ khiến cho nồng độ DO tiếp tục giảm, khu vực sông đó trở thành sông “chết” Do đó, điểm tới hạn của DO ở mức ngưỡng hoạt động của vi sinh vật chính là mức giới hạn mà sông vẫn còn khả năng tự làm sạch, hay mức ô nhiễm hữu cơ tối đa của dòng sông

Ở mục đích xác định giới hạn sức chịu tải hữu cơ hay khả năng tự làm sạch,

2.2.3.2 Nồng độ tiêu chuẩn theo mục đích tưới tiêu thủy lợi

Phân tích nhu cầu dùng nguồn nước mặt ở LVS Cầu thì nhu cầu nước cho tưới tiêu nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản chiếm tỷ trọng lớn nhất (81%)

Hình 2.6 Biểu đồ tỷ trọng dùng nước của các ngành trong lưu vực 2007 [8]

Như vậy, chất lượng nước đáp ứng cho tưới tiêu thủy lợi là một đích quan trọng trong giai đoạn hiện nay

Giá trị giới hạn của các thông số đảm bảo cho tưới tiêu được xác định dựa theo QCVN 08:2008 cột B1

Bảng 2.3 Giá trị giới hạn các thông số tính toán theo QCVN 08:2008

TT Thông số Đơn vị Giá trị giới hạn

B1: dùng cho mục đích tưới tiêu thủy lợi hoặc các mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước tương tự hoặc các mục đích sử dụng như loại B2

B2: Giao thông thủy và các mục đích khác với yêu cầu chất lượng nước thấp

2.2.3.3 Nồng độ tiêu chuẩn theo mục đích duy trì thủy sản

Đây cũng là một mức đích có ý nghĩa trong những năm tới, khi kinh tế đã phát triển đến một mức nào đó, các yêu cầu cao hơn về chất lượng nước sông cần được đáp ứng Đó là đảm bảo cho sự duy trì hệ sinh thái trong sông phát triển theo hướng bền vững Luận văn tiến hành xác định nồng độ tiêu chuẩn đối với sự sinh trưởng và phát triển của cá (thủy sản) vì bên cạnh khía cạnh môi trường, nó còn có

ý nghĩa kinh tế

Nghiên cứu về ảnh hưởng các chất ô nhiễm lên sự sinh trưởng của các loài thủy sinh cho thấy, các loài này có độ nhạy cảm cao với hai thông số DO và NH4+

Theo nghiên cứu của Đại học Auburn, Hoa Kỳ [38] về ảnh hưởng của các thông số ô nhiễm đối với cá, trong đó có 2 thông số được mô phỏng trong luận văn

là DO và NH4+, cho thấy mối liên hệ giữa giá trị các thông số này đối với sự phát triển của cá

Bảng 2.4 Mối liên hệ giữa các thông số chất lượng nước với sự sinh trưởng của cá [38]

Thông số Liên hệ Khoảng đề

nghị Dưới khoảng đề nghị Trên khoảng đề nghị

cá con Khi cá trưởng thành,

cơ quan hô hấp cho phép

nó nổi lên bề mặt để hớp không khí

Tuy nhiên, cá trưởng thành phát triển tốt hơn nếu có đầy đủ oxy

0 – 1,5 mg/l làm chết cá nếu nó diễn ra

đủ lâu 1,4 – 5mg/l cá phát triển chậm, bị căng thẳng và gia tăng sự nhạy

cảm với bệnh tật Các chất độc trong nước gia tăng do không đủ oxy

để phân hủy

Khi nước ở mức quá bão hòa oxy, cá bị bệnh bọt khí trong máu (gas bubble trauna)

Tổng

Amonia

Nitrogen

Amonia được sản

xuất bởi sự phân

hủy protein, nó bao

Nếu trong nước không tồn tại ammonia thì

cá sẽ phát triển tốt nhất

- Cá không chống đỡ được

sự tấn công của sán lá và

ký sinh trùng khác

- Cá không thể loại bỏ

ammonia trong máu của chúng bởi có quá nhiều ammonia tồn tại trong nước