Tài liệu 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)

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi. Các số liệu về kết quả nghiên cứu nêu trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố bởi tác giả khác. Một số số liệu, tài liệu tham khảo từ đề tài “Đánh giá sức tải môi trường vùng đầm phá Tam Giang – Cầu Hai và đề xuất các giải pháp phát triển bền vững” và dự án “Điều tra tổng thể hiện trạng và biến động đa dạng sinh học trong các hệ sinh thái ven biển Việt Nam” thuộc nhiệm vụ số 8 (giai đoạn 2016-2020), đề án 47 đã được sự cho phép của các chủ nhiệm đề tài, dự án. Hà Nội, ngày 28 tháng 2 năm 2019 Thay mặt tập thể hướng dẫn Tác giả TS. Trịnh Thành Cao Thị Thu Trang i LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Viện Đào tạo sau Đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện công trình này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Trịnh Thành - Viện khoa học và Công nghệ Môi trường, GS.TS Trần Đức Thạnh– Viện Tài nguyên và Môi trường biển đã tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo điều kiện tốt cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và học tập. Xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Viện Tài nguyên và Môi trường Biển đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Trong thời gian qua tôi cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của đồng nghiệp, sự giúp đỡ về tinh thần vật chất của gia đình và người thân. Xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó. Tác giả Cao Thị Thu Trang ii MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................. vi DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. vii DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. ix 1 MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU ........................................................................................................... 4 1.1. Tổng quan về sức tải môi trường ......................................................................... 4 1.1.1. Các khái niệm ................................................................................................... 4 1.1.2.Tình hình nghiên cứu ngoài nước ...................................................................... 8 1.1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................... 20 1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu môi trường trong hệ đầm phá Tam Giang Cầu Hai ..................................................................................................................... 24 1.2.1. Khái quát về hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai và các hoạt động kinh tế xã hội ............................................................................................................................. 24 1.2.2. Các nghiên cứu về môi trường hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai ................ 30 1.2.3. Môi trường và chất lượng nước hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai............... 32 1.3. Sử dụng công cụ mô hình hóa trong nghiên cứu sức tải môi trường ................ 37 1.4. Tổng quan cuối chương và hướng nghiên cứu của luận án ............................... 41 CHƯƠNG II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................... 45 2.1.Khu vực nghiên cứu ........................................................................................... 45 2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 45 2.2.1. Phương pháp điều tra, khảo sát ...................................................................... 46 2.2.1.1. Kỹ thuật thu mẫu, bảo quản mẫu ................................................................. 47 2.2.1.2. Kỹ thuật đo đạc, phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm ............................ 47 2.2.2. Phương pháp tính tải lượng thải ..................................................................... 48 2.2.2.1 Tính toán lượng thải phát sinh ...................................................................... 48 2.2.2.2. Ước tính tải lượng ô nhiễm đưa vào khu vực đầm phá Tam Giang - Cầu Hai51 2.2.3. Phương pháp mô hình hóa .............................................................................. 52 iii 2.2.3.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình Delft -3D ....................................................... 52 2.2.3.2. Triển khai mô hình Delft 3D mô phỏng chất lượng nước hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai và tính toán sức tải môi trường ..................................................... 60 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................ 74 3.1. Tính toán lượng chất thải đưa vào đầm phá Tam Giang - Cầu Hai .................. 74 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 .......................... 74 3.1.2. Tải lượng thải C, N, P đưa vào vùng đầm phá: năm 2011 và dự báo năm 2020, 2030 ................................................................................................................ 81 3.2. Hiệu chỉnh mô hình ........................................................................................... 83 3.2.1. Mô hình thủy động lực ................................................................................... 83 3.2.2. Mô hình chất lượng nước ............................................................................... 88 3.4. Mô phỏng chất lượng nước theo các kịch bản ................................................ 104 3.4.1. Các kịch bản mô phỏng ................................................................................ 104 3.4.2. Mô phỏng chất lượng nước đầm phá Tam Giang – Cầu Hai thời điểm năm 2011 – 2012 ............................................................................................................ 105 3.4.2.1. Nồng độ oxy hòa tan.................................................................................. 105 3.4.2.2. Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5) ................................................................... 106 3.4.2.3. Nhu cầu oxy hóa học (COD) ..................................................................... 107 3.4.2.4. Nồng độ muối amoni (N-NH4++NH3) ....................................................... 108 3.4.2.5. Nồng độ muối nitrat (N-NO3-) ................................................................... 109 3.4.2.6. Nồng độ muối phosphat (P-PO43-) ............................................................. 110 3.4.3. Kịch bản thấp 2020 ....................................................................................... 111 3.4.4. Kịch bản cao 2020 ........................................................................................ 113 3.4.5. Kịch bản thấp 2030 ....................................................................................... 114 3.4.6. Kịch bản cao 2030 ........................................................................................ 116 3.4.7. Kịch bản đột xuất 2020................................................................................. 118 3.4.8. Kịch bản đột xuất 2030................................................................................. 121 3.5. Tính toán sức tải môi trường khu vực đầm phá Tam Giang – Cầu Hai đối với các hợp chất của C, N và P ..................................................................................... 124 iv 3.5.1. Sức chịu tải môi trường trên cơ sở quy chuẩn Việt Nam (QCVN 10MT:2015/BTNMT và QCVN 08-MT:2015/BTNMT) ........................................... 124 3.5.2. Sức chịu tải tối đa hay kịch bản nguy hiểm.................................................. 127 3.5.3.Đề xuất mức sức tải môi trường phù hợp ...................................................... 130 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 135 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AAP BOD BTNMT BVMT COD CSDL DO ĐDSH GHCP HCBVTV HST IMOLA Phosphat hấp thụ (Adsorbed phosphate) Nhu cầu oxy sinhhóa (Biochemical oxygen demand) Bộ Tài nguyên Môi trường Bảo vệ môi trường Nhu cầu oxy hóa học (Chemical oxygen demand) Cơ sở dữ liệu Oxy hoàn tan (Dissolved oxygen) Đa dạng sinh học Giới hạn cho phép Hóa chất bảo vệ thực vật Hệ sinh thái Quản lý tổng hợp các họat động của đầm phá (Integrated Management of Lagoon Activities) KCN Khu công nghiệp KLN Kim loại nặng KT-XH Kinh tế- xã hội NĐTHCP Nồng độ tới hạn cho phép NSSC Năng suất sơ cấp NTTS Nuôi trồng thủy sản NOAA Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia (National Oceanic and Atmospheric Administration) PAH Polycyclic aromatic hydrocarbons PCB Polychlorinated biphenyl QCVN Quy chuẩn Việt Nam SOD Nhu cầu oxy trầm tích (Sediment Oxygen Demand) STMT Sức tải môi trường TG-CH Tam Giang - Cầu Hai TSS Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solid) TTH Thừa Thiên Huế TMDL Tổng tải lượng tối đa hàng ngày (Total Maximum Daily Load ) TN Tổng nitơ TP Tổng phôt pho TVN Thực vật nổi TVPD Thực vật phù du WHO Tổ chức Y tế Thế giới (World Health Organization) vi DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Phạm vi nghiên cứu: khu vực đầm phá TG - CH ..................................... 45 Hình 2.2. Sơ đồ nghiên cứu của luận án ................................................................... 46 Hình 2.3.Trường độ sâu của mô hình thủy động lực ................................................ 60 Hình 2.4.Hình thái và phạm vi lưới tính của mô hình .............................................. 62 Hình 2.5. Vị trí các điểm thải khu vực TG - CH phục vụ chạy mô hình ................. 65 Hình 3.1. Sai số giữa mô hình và quan trắc về vận tốc dòng chảy theo phương ngang - U tại hệ đầm phá TG - CH - mùa mưa (RSE = 0,0046) .............................. 86 Hình 3.2. Sai số giữa mô hình và quan trắc về vận tốc dòng chảy theo phương thẳng đứng -V tại hệ đầm phá TG - CH -mùa khô (RSE =0,0042) ................................... 86 Hình 3.3.Tính tương hợp giữa mô hình và quan trắc của dòng chảy theo phương U – (R2= 0,696) ............................................................................................................... 87 Hình 3.4.Tính tương hợp giữa mô hình và quan trắc của dòng chảy theo phương V – (R2 = 0,690) .............................................................................................................. 87 Hình 3.5. Ảnh hưởng của các tham số đến các biến số trong hệ thống ................... 93 Hình 3.6. Sai số của DO giữa mô hình và quan trắc (g/m3) .................................... 95 Hình 3.7. Sai số của BOD giữa mô hình và quan trắc (g/m3) .................................. 95 Hình 3.8. Sai số của COD giữa mô hình và quan trắc (g/m3) .................................. 97 Hình 3.9. Sai số của N-NH4++NH3 giữa mô hình và quan trắc (g/m3)..................... 97 Hình 3.10. Sai số của N-NO3- giữa mô hình và quan trắc (g/m3)............................. 98 Hình 3.11. Sai số của P-PO43- giữa mô hình và quan trắc (g/m3)............................. 98 Hình 3.12.Trường tốc độ dòng chảy trong thời kỳ a) nước ròng-mùa mưa; b- nước lớn-mùa mưa; c) nước ròng-mùa khô; d- nước lớn-mùa khô ................................. 101 Hình 3.13.Mô phỏng nồng độ oxy hòa tan trong nước hệ đầm phá TG-CH năm 2011 -2012 (a – triều xuống, mùa mưa; b – triều lên, mùa mưa; c – triều xuống, mùa khô; d – triều lên mùa khô)..................................................................................... 106 Hình 3.14. Mô phỏng nhu cầu oxy sinh hóa trong nước hệ đầm phá TG-CH năm 2011 -2012 (a – triều xuống, mùa mưa; b – triều lên, mùa mưa; c – triều xuống, mùa khô; d – triều lên mùa khô)..................................................................................... 107 vii Hình 3.15.Mô phỏng nhu cầu oxy hóa học trong nước hệ đầm phá TG-CH năm 2011 -2012 (a – triều xuống, mùa mưa; b – triều lên, mùa mưa; c – triều xuống, mùa khô; d – triều lên mùa khô)..................................................................................... 108 Hình 3.16. Mô phỏng nồng độ muối amoni trong nước hệ đầm phá TG-CH năm 2011 -2012 (a – triều xuống, mùa mưa; b – triều lên, mùa mưa; c – triều xuống, mùa khô; d – triều lên mùa khô)..................................................................................... 109 Hình 3.17. Mô phỏng nồng độ muối nitrat trong nước hệ đầm phá TG-CH năm 2011 -2012 (a – triều xuống, mùa mưa; b – triều lên, mùa mưa; c – triều xuống, mùa khô; d – triều lên mùa khô)..................................................................................... 110 Hình 3.18. Mô phỏng nồng độ muối phosphat trong nước hệ đầm phá TG-CH năm 2011 -2012 (a – triều xuống, mùa mưa; b – triều lên, mùa mưa; c – triều xuống, mùa khô; d – triều lên mùa khô)..................................................................................... 111 Hình 3.19. Mô phỏng chất lượng nước hệ đầm phá TG-CH theo kịch bản thấp 2020 – thời điểm triều xuống, mùa mưa ......................................................................... 112 Hình 3.20. Mô phỏng chất lượng nước hệ đầm phá TG-CH theo kịch bản cao 2020 – thời điểm triều xuống, mùa mưa ......................................................................... 114 Hình 3.21. Mô phỏng chất lượng nước hệ đầm phá TG-CH theo kịch bản thấp 2030 – thời điểm triều xuống, mùa mưa ......................................................................... 116 Hình 3.22. Mô phỏng chất lượng nước hệ đầm phá TG-CH theo kịch bản cao 2030 – thời điểm triều xuống, mùa mưa ......................................................................... 118 Hình 3.23. Mô phỏng chất lượng nước hệ đầm phá TG-CH theo kịch bản đột xuất 2020 – thời điểm triều xuống, mùa mưa ................................................................ 120 Hình 3.24. Mô phỏng chất lượng nước hệ đầm phá TG-CH theo kịch bản đột xuất 2030 – thời điểm triều xuống, mùa mưa ................................................................ 123 Hình 3.25. Mô phỏng chất lượng nước hệ đầm phá TG-CH theo kịch bản đạt mức sức tải trên cơ sở quy chuẩn Việt Nam – thời điểm triều xuống, mùa khô ............ 126 Hình 3.26. Mô phỏng chất lượng nước đầm phá TG-CH theo kịch bản đạt mức sức tải tối đa – thời điểm triều xuống, mùa khô ........................................................... 128 Hình 3.27. Mô phỏng chất lượng nước hệ đầm phá TG-CH theo kịch bản đạt mức sức tải đề xuất – thời điểm triều xuống, mùa khô .................................................. 131 viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Những đặc trưng dòng chảy của các sông đổ vào hệ đầm phá TG – CH 27 Bảng 1.2.Tốc độ dòng chảy (cm/s) trung bình và cực đại ở tầng mặt ..................... 28 Bảng 1.3. Đặc điểm môi trường nước hệ đầm phá TG – CH giai đoạn 2004 -2012 32 Bảng 1.4. Nồng độ oxy hòa tan và nhu cầu tiêu thụ ô xy trong nước hệ đầm phá TG - CH giai đoạn 2004 - 2012 (mg/l) ........................................................................... 34 Bảng 1.5.Nồng độ một số chất dinh dưỡng khoáng (g/l) trong nước hệ đầm phá TG - CH giai đoạn 2004 - 2012 Bảng 2.1. Đơn vị tải lượng ô nhiễm hàng năm từ nước thải sinh hoạt .................... 48 Bảng 2.2.Thành phần nước thải một số ngành công nghiệp điển hình .................... 49 Bảng 2.3. Hệ số phát thải đối với sản xuất sợi tổng hợp .......................................... 49 Bảng 2.4. Hệ số phát thải do chăn nuôi (kg/con/năm) ............................................. 50 Bảng 2.5. Hệ số phát thải từ nuôi thuỷ sản ............................................................... 50 Bảng 2.6. Hệ số phát thải ô nhiễm do rửa trôi đất (kg/km2/ngày mưa) .................. 51 Bảng 2.7. Những đặc trưng dòng chảy của các sông đổ vào hệ đầm phá TG – CH 61 Bảng 2.8. Điều kiện biên của mô hình thủy động lực .............................................. 63 Bảng 2.9. Mối liên hệ giữa N-(NH4++NH3) và N-NH3 tại pH = 8, nhiệt độ 30oC 71 Bảng 2.10. Mối liên hệ giữa N-(NH4++NH3) và N-NH3 tại pH = 9, nhiệt độ 30oC 72 Bảng 3.1.Tải lượng ô nhiễm phát sinh năm 2011 và dự báo cho năm 2020, 2030 từ nguồn sinh hoạt của tỉnh Thừa Thiên - Huế (tấn/năm) ............................................ 75 Bảng 3.2.Tải lượng ô nhiễm phát sinh năm 2011 và dự báo cho năm 2020 và 2030 từ nguồn công nghiệp của tỉnh Thừa Thiên Huế (tấn/năm) ..................................... 77 Bảng 3.3.Tải lượng ô nhiễm phát sinh năm 2011 và dự báo cho năm 2020, 2030 từ nguồn chăn nuôi của tỉnh Thừa Thiên Huế (tấn/năm) .............................................. 78 Bảng 3.4.Tải lượng ô nhiễm phát sinh năm 2011 và dự báo cho năm 2020, 2030 từ nguồn nuôi trồng thủy sản của tỉnh Thừa Thiên Huế (tấn/năm) .............................. 79 ix Bảng 3.5.Tải lượng ô nhiễm phát sinh năm 2011 và dự báo cho năm 2020 từ rửa trôi đất của tỉnh Thừa Thiên Huế (tấn/năm) ................................................................... 80 Bảng 3.6. Tổng tải lượng ô nhiễm phát sinh năm 2011 và dự báo cho năm 2020, 2030 từ các nguồn của tỉnh Thừa Thiên Huế và khu vực TG - CH (tấn/năm) ......... 80 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) ...................................................................... 83 Bảng 3.8. Hiệu chỉnh thủy động lực: hế số nhám Manning (n) ............................... 84 Bảng 3.9. Các giá trị mặc định của hệ số nhớt và hệ số khuếch tán trong mô hình thủy động lực ................................................................................... 85 Bảng 3.10. Kết quả hiệu chỉnh hệ số khuếch tán (DH) và độ nhớt theo phương ngang (νH) ............................................................................................................................ 85 Bảng 3.11. Tóm tắt các thông tin thiết lập mô hình thủy động lực .......................... 88 Bảng 3.12. Điều kiện biên của mô hình chất lượng nước ........................................ 89 Bảng 3.13. Tổng hợp lượng chất thải từ các vị trí điểm thải đổ vào hệ đầm phá TGCH ............................................................................................................................. 90 Bảng 3.14. Kết quả quan trắc chất lượng nước hệ đầm phá TG - CH ngày 2526/11/2011 (mùa mưa) (g/m3) .................................................................................. 91 Bảng 3.15. Kết quả quan trắc chất lượng nước hệ đầm phá TG - CH ngày 1920/5/2012 (mùa khô) (g/m3) ..................................................................................... 91 Bảng 3.16. Mức độ ảnh hưởng của các biến số từ cao xuống thấp trong thủy vực . 92 Bảng 3.17. Sai số giữa mô hình và quan trắc hệ đầm phá TG-CH .......................... 96 Bảng 3.18. Các tham số chất lượng nước được hiệu chỉnh cho hệ đầm phá TG-CH99 Bảng 3.19. Sai số giữa mô hình và quan trắc qua kết quả so sánh chất lượng nước tháng 4/2017 tại đầm Cầu Hai (đơn vị: mg/l) ......................................................... 100 Bảng 3.20.Lượng nước và tỷ lệ trao đổi nước qua một ngày đêm tại ba khu vực Tam Giang - Thủy Tú - Cầu Hai..................................................................................... 103 Bảng 3.21. Tải lượng thải đưa vào hệ đầm phá TG-CH theo các kịch bản ........... 105 Bảng 3.22. Nồng độ một số thông số chất lượng nước hệ đầm phá TG – CH tại các điểm quan trắc – kịch bản đột xuất 2020 (mg/l) ..................................................... 119 x Bảng 3.23. Nồng độ một số thông số chất lượng nước hệ đầm phá TG – CH tại các điểm quan trắc – kịch bản đột xuất 2030 (mg/l) ..................................................... 122 Bảng 3.24. Giá trị giới hạn trong QCVN đối với một số thông số chất lượng nước để bảo vệ đời sống động vật thủy sinh ................................................................... 125 Bảng 3.25. Sức tải môi trường hệ đầm phá TG - CH đối với các hợp chất của C, N và P – trên cơ sở ngưỡng là các quy chuẩn Việt Nam ........................................... 126 Bảng 3.26. Nồng độ các thông số chất lượng nước tại các điểm quan trắc hệ đầm phá TG-CH - kịch bản sức tải theo QCVN (mg/l) ................................................. 127 Bảng 3.27. Giá trị ngưỡng của các chất ô nhiễm trong kịch bản sức tải tối đa ...... 127 Bảng 3.28. Nồng độ các thông số chất lượng nước tại các điểm quan trắc vùng TGCH - kịch bản sức tải tối đa (mg/l) ........................................................................ 129 Bảng 3. 29. Sức tải môi trường đầm phá Tam Giang – Cầu Hai đối với các hợp chất của C, N và P – kịch bản sức tải tối đa ................................................................... 129 Bảng 3. 30. Đề xuất giá trị giới hạn đối với một số thông số chất lượng nước để bảo vệ đời sống động vật thủy sinh ............................................................................... 130 Bảng 3. 31. Đề xuất sức tải môi trường hệ đầm phá TG - CH đối với các hợp chất của C, N và P .......................................................................................................... 131 xi 1 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. Do các nguồn thải đưa vào hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai (TG – CH) chủ yếu là các chất thải sinh hoạt từ dân cư, khách du lịch, chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản (NTTS) trong vùng nên các yếu tố môi trường được chọn để đánh giá sức chịu tải là các chất hữu cơ (BOD5, COD), các chất dinh dưỡng (amoni, phosphat, nitrat, nitrit, T-N, P-P). Đây là các hợp chất có mặt thường xuyên trong nước thải sinh hoạt, chăn nuôi và NTTS. Sức tải môi trường là một hướng tiếp cận có tính phòng ngừa trong đó khả năng chịu tải môi trường của mỗi hệ thống tự nhiên là hữu hạn. Khi các chất ô nhiễm đi vào các thủy vực ven bờ, chúng sẽ tham gia vào các quá trình tự làm sạch tự nhiên bao gồm hóa học, lý học và sinh học [2]. Nếu lượng chất ô nhiễm đi vào thủy vực lớn hơn khả năng tự làm sạch tự nhiên của nó, thủy vực sẽ bị thay đổi về cấu trúc và chức năng, thậm chí mất khả năng tự phục hồi. Nghiên cứu sức tải môi trường có một số hướng tiếp cận và được áp dụng trong một số lĩnh vực như trong NTTS, đánh giá sức 1 tải du lịch, 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 - Đánh 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 - Đối 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 - Nghiên cứu tổng quan, hồi cứu tài liệu: Thu thập các tài liệu đã công bố trên thế giới và trong nước về sức tải môi trường; các tài liệu về đặc điểm tự nhiên, kinh tế- xã hội, chất lượng môi trường hệ đầm phá TG – CH. - Điều tra, khảo sát và thực nghiệm ngoài hiện trường: đo đạc dòng chảy, thu và phân tích mẫu chất lượng nước tại hệ đầm phá TG – CH. - Mô hình hóa: mô phỏng 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 2 - 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, N-NH4+, NNO3- 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. 7. Những kết quả khoa học đạt được và đóng góp mới của luận án - Đã 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. - Đã 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. - Đã 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. 3 2 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, mới được phát triển trong hơn ba thập kỷ gần đây. Bắt đầu từ cuối những năm 1980, Nhóm các chuyên gia về khoa học ô nhiễm biển (GESAMP) [3] đã tìm hiểu về khái niệm, cách tiếp cận liên quan đến STMT. Sau này, với việc phát triển của các công cụ mô hình hóa, hướng nghiên cứu này đã được áp dụng tại một số lĩnh vực như trong nuôi trồng thủy sản, du lịch, kiểm soát nguồn thải v.v.. Đặc biệt, trong khoảng 15 năm trở lại đây, dưới sức ép của các quy hoạch phát triển và sự suy thoái của tài nguyên và môi trường, hướng nghiên cứu STMT được phát triển và áp dụng khá rộng rãi. Vấn đề đặt ra là cần làm rõ các khái niệm, 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 bảo vệ môi trường. Ngoài khái niệm về STMT, các khái niệm về khả năng tự làm sạch và cân bằng chất ô nhiễm trong thủy vực cũng có mối liên quan chặt chẽ với nhau, bổ sung cho nhau. Khả năng tự làm sạch của thủy vực: Các chất ô nhiễm khi đi vào các thủy vực tự nhiên như sông, hồ và biển sẽ bị biến mất dần dần theo thời gian. Việc loại bỏ các chất ô nhiễm từ các thủy vực mà không có bất kỳ can thiệp nào của con người được gọi là quá trình tự làm sạch, hoặc sự làm sạch tự nhiên [4]. Cơ chế của quá trình tự làm sạch tự nhiên có thể chia làm 3 nhóm: vật lý, hóa học và sinh học [2]. Quá trình vật lý đóng góp vào việc loại bỏ chất ô nhiễm từ thủy vực tự nhiên bao gồm pha loãng/trộn lẫn bằng các dòng chảy, khuyếch tán chất ô nhiễm trong nước và kết tủa/lắng đọng chất ô nhiễm xuống trầm tích đáy. Sự bay hơi của các chất ô nhiễm dễ bay hơi vào bầu khí quyển cũng làm giảm chất ô nhiễm trong nước. Quá trình hóa học liên quan đến việc loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi vực nước là sự oxi hóa bởi các chất ô xi hóa như ozon và oxy, sự oxi hóa bởi tia tử ngoại; quá trình khử và sự trung hòa. 4 Quá trình sinh học bao gồm sự thoái hóa/chuyển đổi các chất ô nhiễm hữu cơ bởi vi khuẩn dưới các điều kiện hiếu khí hoặc yếm khí, cũng như sự tham gia của các vi khuẩn trong quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa tương ứng. Quá trình sinh học giữ một vai trò quan trọng trong cơ chế làm sạch nước ở các thủy vực tự nhiên. Việc loại bỏ chất ô nhiễm khỏi thủy vực bằng phương pháp sinh học thường được gọi là “tự làm sạch đúng nghĩa” và sự tự làm sạch tổng số “lý, hóa, sinh” được gọi là “tự làm sạch biểu kiến”. Cân bằng chất ô nhiễm trong thủy vực: Nghiên cứu về cân bằng các chất ô nhiễm cung cấp cơ sở để dự báo động thái ô nhiễm của các vùng nước biển và đại dương theo những giá trị cho trước về phát thải các chất ô nhiễm, xây dựng những khuyến cáo về chế độ phát thải tối ưu và xác định các mức chịu tải cho phép tới hạn hay dung lượng dung hòa của biển với các chất ô nhiễm. Theo A.M. Vlađimirov trong cuốn “Bảo vệ Môi trường” [5], về định tính, cân bằng các chất ô nhiễm đối với biển nói chung có thể biểu diễn bằng sơ đồ sau: ∆C = C vào – C ra Ở đây ∆C là gia lượng nồng độ chất ô nhiễm sau thời gian t, C vào là phát thải chất ô nhiễm vào thủy vực (bao gồm phát thải từ bờ, phát thải do sông mang ra, phát thải trực tiếp từ biển như tàu, giàn khoan v.v; lượng chất tới trong quá trình trao đổi nước, lượng chất xâm nhập từ khí quyển vào nước) và C ra là lượng chất ô nhiễm ra khỏi thủy vực trong thời gian t (bao gồm lượng chất đi do trao đổi nước, lượng chất đi từ biển vào không khí, lượng chất bị phân hủy hóa học, sinh hóa và lượng chất lắng đọng vào bùn đáy). Sự bảo tồn trạng thái bình thường của môi trường biển đòi hỏi phải thỏa mãn những điều kiện hạn chế: 0< C ≤ NĐTHCP và ∆C < 0 trong đó NĐTHCP là nồng độ tới hạn cho phép của các chất ô nhiễm. Sức tải môi trường: Với quan điểm tiếp cận phòng ngừa ô nhiễm, năm 1986, UNESCO đã công bố báo cáo của Nhóm các chuyên gia về khoa học ô nhiễm biển (GESAMP), theo đó, sức tải môi trường (Environmental carrying capacity hay Environmental capacity) được định nghĩa "là một tài sản của môi trường và được xác định như khả năng chứa đựng các hoạt động hay là tốc độ các hoạt động (ví dụ thể tích chất thải trên một đơn vị 5 thời gian, số lượng chất thải nạo vét trên một đơn vị thời gian, số lượng các muối khoáng được chiết trên một đơn vị thời gian) mà không có các tác động bất lợi" [3]. STMT sẽ biến đổi theo đặc trưng khu vực, loại và lượng thải, các hoạt động hoặc các nguồn tài nguyên, các tiện ích bị ảnh hưởng. Theo định nghĩa này, cần phải làm rõ ngưỡng nào của môi trường thì có các tác động bất lợi. Trong cuộc hội thảo diễn ra từ ngày 12 -15/5/2002 tại Malaysia về “Xác định sức tải môi trường khu vực biển và ven bờ: tiến trình, sự bắt buộc và lựa chọn tương lai”, một loạt các khái niệm và cách hiểu về STMT được đưa ra. Đây là một sự tổng hợp toàn diện các kết quả nghiên cứu về STMT cho tới thời điểm đó. Về phía nuôi trồng loài hai mảnh vỏ, STMT được định nghĩa là ”trữ lượng tối đa của một hệ sinh thái cụ thể với mức sản xuất tối đa mà không có các ảnh hưởng bất lợi đến tốc độ tăng trưởng’’ [6]. Định nghĩa này khá hẹp do chỉ tập trung vào các loài hai mảnh vỏ trong NTTS. Mục đích là tối đa sức sản xuất và tối ưu sự kết hợp các loài và đóng góp vào việc giảm thiểu các tác động môi trường do việc nuôi trồng. Cũng liên quan đến nuôi trồng loài hai mảnh vỏ, khả năng tải đã được điều chỉnh thành bốn loại [7]: 1) Khả năng tải vật lý - "tổng diện tích các trang trại biển có thể được chứa đựng trong không gian vật lý sẵn có"; 2) Khả năng tải sản xuất - "mật độ thả của loài hai mảnh vỏ sao cho thu hoạch đạt tối đa "; 3) Khả năng tải sinh thái - "mật độ thả giống hoặc mật độ trang trại mà tại đó gây ra các tác động sinh thái không thể chấp nhận được"; 4) Khả năng tải xã hội - "mức phát triển nông trại mà tại đó gây ra các tác động xã hội không thể chấp nhận." Do hệ sinh thái có nhiều chức năng nên nhu cầu quản lý bền vững càng ngày càng gia tăng. Vì vậy, một định nghĩa chung về sức tải ở mức hệ sinh thái có thể là “một sự thay đổi mà một quá trình phải chịu trong một hệ sinh thái cụ thể mà không có sự thay đổi về cấu trúc và chức năng của nó quá các giới hạn cho phép” [8]. Tương tự như vậy, “khả năng tải” đề cập đến mức sản xuất (quy mô sản xuất hoặc mật độ nuôi trồng) mà không gây ra “tác động bất lợi đến môi trường rộng hơn” [9]. Ngắn gọn hơn, khả năng tải (CC – Carrying Capacity), tức là mật độ thả giống mà tại đó sức khỏe hệ sinh thái không bị tổn hại [10]. Ken Furuya (2003) [11], đề cập rằng STMT có thể được định nghĩa theo nhiều cách bởi vì các thủy vực ven bờ có các chức năng khác nhau. Hiểu biết về chu kỳ vật 6 chất trong tự nhiên và các HST sẽ cho ta những kiến thức quan trọng trọng việc định nghĩa STMT. Định nghĩa của Furuya về STMT khá đơn giản, là sức sản xuất tối đa hoặc trữ lượng tối đa với tác động môi trường ít nhất. Khái niệm STMT này cũng khá hẹp như các khái niệm của Pedro Duarte (2003) [6] chỉ tập trung vào 1 số loài trong HST, trong khi ngoài NTTS, thủy vực còn chịu tác động của nhiều hoạt động khác. Chang Hee- Lee, (2003) [12] tiếp cận STMT qua việc tính toán tổng lượng thải tối đa thải ra hồ Shihwa để điều chỉnh và xử lý nguồn phát thải sao cho chất lượng nước trong hồ đạt đến mức có thể sử dụng cho công nghiệp và tưới tiêu. Công trình này được thực hiện dựa vào ý tưởng tổng tải lượng ô nhiễm từ các lưu vực và các nguồn nội tại cần phải được kiểm soát trong năng lực đồng hóa của nguồn nước tiếp nhận. Hệ thống này đã được thực hiện ở Nhật Bản và Mỹ dưới dạng “Hệ thống kiểm soát tổng tải lượng ô nhiễm phạm vi rộng” và “tổng tải lượng tối đa hàng ngày” (TMDL), tương ứng. Trong vòng 10 năm trở lại đây, khái niệm “sức tải môi trường nước” (water environmental carrying capacity) được nghiên cứu khá nhiều, mang ý nghĩa rộng hơn và có nhiều cách hiểu. Trong một nghiên cứu ở thành phố Hoài An nằm ở lưu vực sông Huaihe, STMT nước được định nghĩa là “quy mô dân số và kinh tế lớn nhất mà môi trường nước có thể hỗ trợ ở một khu vực cụ thể trong một khoảng thời gian mà không ảnh hưởng xấu đến môi trường nước khu vực” [13]. Cũng mang ý nghĩa như vậy, STMT nước được hiểu là “tốc độ tiêu thụ tài nguyên và xả thải tối đa có thể được duy trì vô thời hạn trong một khu vực nhất định mà không làm giảm tính toàn vẹn chức năng và năng suất của HST có liên quan” [14]. Ở đây, STMT nước không chỉ đề cập đến chất thải, chất lượng môi trường mà còn mở rộng đến tài nguyên, mức tiêu thụ tài nguyên, tính dễ tổn thương của môi trường nước và cả các yếu tố kinh tế - xã hội khác như trình độ công nghệ, thể chế v.v. Trong số rất nhiều định nghĩa về STMT, Han Mei và cs (2010) đã tổng hợp và chia STMT nước thành 4 loại [15], theo đó STMT nước là: (1) tỷ lệ của tổng lượng phát thải cho phép của chất ô nhiễm và nồng độ tương ứng trong tiêu chuẩn môi trường; (2) khả năng đồng hóa, tự làm sạch môi trường, (3) khả năng tải chất ô nhiễm tối đa mà không gây ô nhiễm môi trường; (4) tổng năng lực môi trường nước cơ bản 7 được xác định dựa trên các giá trị tiêu chuẩn môi trường và giá trị nền;sự thay đổi STMT nước được xác định dựa trên khả năng tự làm sạch. Như vậy, khái niệm về STMT khá phong phú và có nhiều cách hiểu. Mỗi một định nghĩa, khái niệm về STMT có cách tiếp cận riêng, nhưng vấn đề kiểm soát nguồn thải, 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 Do có các khái niệm, định nghĩa khác nhau về STMT nên cách tiếp cận, phương pháp luận để tính toán STMT cũng khác nhau. Các cách tiếp cận chính được sử dụng trong đánh giá STMT bao gồm: 1.1.2.1. Áp dụng mô hình sinh địa hóa – dinh dưỡng để tính toán mật độ nuôi thả tối đa của các loài nuôi trồng (cá, tôm, hai mảnh vỏ, v.v.) Điển hình cho hướng nghiên cứu này là Duarte và cs (2003) [6], Brigolin và cs (2008) [16], Ramón và cs (2010) [17], Carrie Byron và cs (2011) [18], Lotta và cs (2016) [19] v.v. Trong hướng tiếp cận này, một mô hình sinh địa hóa – dinh dưỡng được xây dựng (hoặc áp dụng) cho từng khu vực cụ thể trong đó quan tâm đến các yếu tố đầu vào của mô hình như sinh khối loài, lượng thức ăn, sinh khối thực vật phù du, mật độ thả giống, tỷ lệ chuyển hóa thức ăn v.v. Mục đích là tối ưu hóa sức sản xuất của loài nuôi trồng ở quy mô trang trại. Trong một mô hình nghiên cứu tại vịnh Goseung, Hàn Quốc, mô hình thủy động lực – phú dưỡng 3 chiều (HEM-3D) đã được áp dụng trong việc đánh giá STMT cho việc nuôi ngao [20]. Mô hình được thiết kế đặc biệt để mô phỏng tương tác giữa sự tăng trưởng của ngao và mối liên hệ với môi trường bao gồm các quá trình vật lý và sinh hóa trong hệ thống loài có vỏ. Các kết quả mô phỏng đã đưa ra 16 cá thể/m3 là mật độ thả giống hợp lý để thu được kích cỡ thương mại trọng lượng 6 g thịt khi kết thúc 9 tháng nuôi. Dựa trên những kết quả này, sức chịu tải tối ưu của vịnh Goseung được ước tính là 1.500 MT trọng lượng thịt xem xét diện tích nước mặt cho nuôi ngao. Nghiên cứu kết luận rằng việc nuôi ngao hiện nay là trong khả năng tải của vịnh. Trong một nghiên cứu tương tự ở vịnh Goseung năm 2001, để xác định mối quan hệ giữa sự tăng trưởng của loài hai mảnh vỏ và môi trường của chúng thông qua việc tiêu thụ TVPD, bài tiết chất dinh dưỡng, và phân hủy sinh học, đã sử dụng mô 8 hình hệ sinh thái [21]. Ba mô hình đã được sử dụng gồm mô hình thủy động lực, mô hình sinh thái và mô hình tăng trưởng ngao trong việc mô phỏng các động lực của sự tăng trưởng ngao và các điều kiện môi trường trong hệ thống loài có vỏ. Mô hình thủy động lực được xây dựng bởi Nakata và cộng sự năm 1983. Mô hình mô phỏng trường vật lý 3 chiều trong vịnh biển và minh họa sự thay đổi theo thời gian của trường dòng chảy, muối và vận chuyển nhiệt. Mô hình sinh thái mô phỏng dòng các bon, nitơ và phospho cộng với sức sản xuất và tiêu thụ oxy hòa tan trong trong hệ thống biển khơi. Mô hình tăng trưởng ngao dựa trên quy mô tăng trưởng, trong đó được tính toán dưới dạng kết quả lưới năng lượng nhận được từ việc cho ăn, mất năng lượng, duy trì năng lượng (hô hấp và loại trừ) và sản xuất năng lượng. Mô hình HST mới được thiết kế để mô phỏng tương tác giữa họat động của ngao và môi trường của chúng bao gồm các quá trình vật lý và sinh hóa trong hệ thống loài có vỏ. Chuỗi thời gian của việc quan sát, đo đạc môi trường và sinh thái từ hệ thống loài có vỏ được sử dụng để hiệu chuẩn mô hình. Sự mô phỏng đã làm sáng tỏ rằng con ngao trong hệ thống loài có vỏ giữ một vai trò quan trọng trong việc loại bỏ TVPD và thải ra các chất dinh dưỡng cho việc tái tạo TVPD ở trong cột nước. Hơn nữa, việc phân tích cho rằng các thông số vật lý của TVPD và hiệu suất hấp phụ của ngao là nhân tố quan trọng nhất đối với sự tăng trưởng của ngao. Trong vịnh Hiroshima (Nhật Bản), sự biến đổi hàng năm trong hệ sinh thái có mức dinh dưỡng thấp bao gồm cả việc nuôi ngao đã được quan sát từ năm 1984 – 1996 sử dụng mô hình hệ sinh thái để kiểm tra các nguyên nhân làm suy giảm mùa vụ của ngao trong vịnh [22]. Kết quả cho thấy rằng, khi không nuôi ngao, nồng độ chlorophyll a, phôt pho hữu cơ hòa tan, và các mảnh vụn tăng ở lớp trên và nồng độ DO giảm ở lớp dưới. Điều đó có nghĩa là việc nuôi ngao giữ một vai trò quan trọng trong việc giữ gìn môi trường của vịnh. Sản lượng của ngao cao nhất khi nồng độ chlorophyll a ở lớp trên là 7g/l và tải lượng phôt pho tổng số từ sông Ohta là 0,5 tấn/ngày. Vì vậy cần thiết phải giữ cho tải lượng phôt pho tổng số từ sông Ohta là 0,5 tấn/ngày cho việc nuôi ngao bền vững trong vịnh Hiroshima. Paul Shin (2003) [23], khi xem xét đến việc nuôi cá biển đã cho rằng sức tải của một thủy vực phụ thuộc vào chế độ triều, dòng chảy, và khả năng đồng hóa chất ô nhiễm của thủy vực. Một ví dụ đơn giản đối với oxy hòa tan. Giả sử rằng lượng oxy 9