Phân tích độ nhạy cho phép quyết định những thông số độ nhạy cao nhất gây ra biến đổi lớn, để lựa chọn những thông số yêu cầu có sự đánh giá chính xác hơn và để giảm độ không đảm bảo đo trong mô hình. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã xác định những thông số có tác động lớn tới các nguồn bên dƣới:
+ Lƣợng N thải vào nƣớc mặt
+ Lƣợng N thải vào hệ thống thoát nƣớc
3.2.5.1 Dòng N chảy vào nước mặt
Vai trò quan trọng của các công trình vệ sinh, lƣợng phân bón của quá trình trồng trọt và quá trình chăn nuôi đối với sự ô nhiễm nƣớc mặt đƣợc minh họa trong phần này. Có ba nguồn N chính từ địa điểm nghiên cứu tới nƣớc mặt: Nƣớc thải từ hệ thống thoát nƣớc (A3-15), nƣớc thải từ nuôi trồng thủy sản (AN13-15) và nƣớc thải từ ruộng lúa (AN14-15). Mặt khác, nƣớc thải trong hệ thống thoát nƣớc chảy ra từ nƣớc thải của hộ gia đình (A1-3), nƣớc thải của công trình vệ sinh (A2-3) và nƣớc thải chăn nuôi gia súc (A12-3). Bên cạnh đó, nƣớc thải trong nuôi trồng thủy sản bắt nguồn từ thức ăn công nghiệp (AN6-13), phụ phẩm nông nghiệp và phân (AN12-13). Nhƣ vậy, phƣơng trình cho tổng N trong nƣớc thải của địa điểm nghiên cứu xả vào nƣớc mặt là:
AN (nƣớc mặt) = AN3-15 + AN13-15 + AN14-15
Tác động của các thông số về việc xả N vào nƣớc mặt đƣợc đánh giá bằng cách tăng 10% của các thông số tƣơng ứng trong khi vẫn giữ nguyên các thông số khác. Các kết quả đƣợc thể hiện trong hình. 3.18.
Hình 3.18: Ảnh hƣởng của việc tăng 10% của các thông số đối với dòng N chảy vào nƣớc mặt
Nhƣ minh họa trong hình 3.18, các thông số chính xác nhất là: hàm lƣợng N trong thức ăn chế biến sẵn cho cá (CN, fish_feed), tỷ lệ chuyển đổi thức ăn cho cá (r fer_fish) và sản lƣợng cá (cá y). Những thông số này cao hơn những thông số khác ít nhất 2,1 lần. Các thông số chính xác nhất là N bình quân trên đầu ngƣời trong nƣớc xám (aN_grey), tỷ lệ nƣớc đen xám vào bể tự hoại (rgrey_ST) và tỷ lệ nƣớc xám chảy vào hệ thống nuôi trồng thủy sản (rgrey_AC) với tỷ lệ phần trăm nhỏ hơn 0,01%. N trong phân lợn (rNlosses_man_pigs), kết quả của các thông số đối với dòng N vào nƣớc mặt chứng minh cho tỷ lệ âm (-0,22%). Ảnh hƣởng của vật nuôi đối với dòng N dòng nhỏ hơn 12 lần so với sản xuất nông nghiệp ( 0.48%) và nuôi trồng thủy sản ( 5.86%).
Theo hình 3.18, lƣợng thức ăn chế biến sẵn cho cá (CN, fish_feed), sản lƣợng cá (y fish), diện tích trồng lúa gạo (S_rice), cũng nhƣ lƣợng phân bón (aN_fer) có tác động lớn hơn những thông số khác. Kiểm soát diện tích trồng lúa gạo ( S_rice) và nuôi trồng thủy sản (CN, thức ăn cho cá và sản lƣợng cá) là một cách để kiểm soát lƣợng N thải vào nƣớc mặt.
3.2.5.2 Dòng N chảy vào hệ thống thoát nước
Nƣớc thải của hệ thống thoát nƣớc bao gồm nƣớc thải sinh hoạt của các hộ gia đình, nƣớc thải từ công trình vệ sinh và phân lợn đi vào hệ thống thoát nƣớc. Do đó, N chảy vào hệ thống thoát nƣớc có thể đƣợc tính toán theo công thức:
AN (thoát nƣớc) = AN1-3 + AN2-3 + AN12-3
Các thông số sau đây có ảnh hƣởng quan trọng đối với N chảy vào hệ thống thoát nƣớc: số lƣợng dân cƣ (n), N trong nƣớc thải (aN, màu đen), N bình quân trên đầu ngƣời trong chất thải (aN_excreta), tỷ lệ ngƣời dân đƣợc trang bị bể tự hoại (rST), nhà vệ sinh không có bể phốt (rPF), nhà vệ sinh có hệ thống bể biogas (rBG), yếu tố tần xuất của bể tự hoại và nhà vệ sinh đƣợc làm sạch phân bùn, hệ số chuyển đổi N trong bùn từ bể tự hoại và nhà vệ sinh (kN (ST), fs và kN (PF), fs), số lợn (n lợn), tỷ lệ nƣớc thải vào bể phốt (rgrey_ST), tỷ lệ nƣớc thải chảy vào hệ thống nuôi trồng thủy sản (rgrey_AC), tỷ lệ khí N mất đi: N trong phân lợn (rNlosses_man_pigs), tỷ lệ phân lợn đi vào hệ thống thoát nƣớc và khí sinh học (r man_drain, man_biogas r), N tải trong phân lợn (aN, man), và tỷ lệ nƣớc thải bể phốt xả vào hệ thống thoát nƣớc (rSTeffluent_drain)
Tác động của các thông số về việc xả N vào hệ thống thoát nƣớc đƣợc đánh giá bằng cách tăng 10% của các thông số tƣơng ứng trong khi vẫn giữ nguyên các thông số khác. Các kết quả đƣợc thể hiện trong hình 3.19.
Hình 3.19: Ảnh hƣởng của việc tăng 10% của các thông số đối với dòng N chảy vào hệ thống thoát nƣớc
Hình 3.19 cho thấy các thông số nhạy nhất là: số lƣợng dân cƣ (n), N tải trong chất thải (aN, chất thải), tỷ lệ hộ gia đình sử dụng bể tự hoại (rST) và tỷ lệ nƣớc thải bể phốt xả vào hệ thống thoát nƣớc (rSTeffluent_drain) với tỷ lệ phần trăm ít nhất là 4,13%. Mặt khác, các thông số bao gồm: tỷ lệ nƣớc thải vào bể phốt (rgrey_ST), tỷ lệ nƣớc thải vào nuôi trồng thủy sản (rgrey_AC), yếu tố tần số hút bùn thải của bể tự hoại và nhà vệ sinh (fFR), hệ số chuyển đổi N trong phân bùn từ bể tự hoại và nhà vệ sinh (kN (ST), fs và kN (PF), fs), N trong nƣớc xám (aN, màu xám) có ảnh hƣởng ít nhất đến dòng N chảy vào hệ thống thoát nƣớc với giá trị tuyệt đối nhỏ hơn 0,05%.
Bên cạnh đó, hệ số chuyển đổi N trong phân bùn từ bể tự hoại và nhà vệ sinh (kN (ST), fs và kN (PF), fs) và tỷ lệ N mất đi: N trong phân lợn (rNlosses_man_pigs) có tác động tiêu cực làm giảm lƣợng N chảy vào hệ thống thoát nƣớc. Trong nhóm này, N trong phân lợn (rNlosses_man_pigs) có tác động lớn nhất với tỷ lệ phần trăm là -1,43%.
Tăng tỷ lệ hộ gia đình đƣợc trang bị bể tự hoại và tỷ lệ nƣớc thải bể phốt xả vào hệ thống thoát nƣớc sẽ làm tăng lƣợng N chảy vào hệ thống thoát nƣớc. Kết
quả là, giảm tỷ lệ của nƣớc thải bể tự hoại là một cách hiệu quả để giảm N vào môi trƣờng.
3.2.6 Mô hình MFA với N cho Hải Dương
Từ các kết quả thu đƣợc ở trên, chúng tôi tiến hành xây dựng mô hình MFA xác định tải lƣợng N trong các quá trình chuyển hóa cho khu vực tỉnh Hải Dƣơng tại hình 3.20. Ở hình này, chúng tôi chỉ thể hiện các dòng chảy N có tải lƣợng ≥1000 tấn N/năm, các tải lƣợng nhỏ hơn chúng tôi lƣợc bỏ.
Hình 3.20: Mô hình MFA đối với N cho khu vực tỉnh Hải Dƣơng
Qua kết quả thu đƣợc từ mô hình MFA cho thấy nhƣ sau:
- Trong quá trình trồng trọt (cấy lúa) tổng lƣợng N thất thoát ra môi trƣờng (không khí, nƣớc mặt, đất/nƣớc ngầm) khoảng 55,4% (29.995 tấnN/năm) tổng lƣợng N cung cấp cho cây trồng, 44,6% lƣợng N là cây trông hấp thụ. Tuy nhiên lƣợng N thất thoát ra môi trƣờng không khí qua quá trình bay hơi là chủ yếu chiếm khoảng 73,4% (21.995 tấnN/năm) tổng lƣợng N thải ra môi trƣờng, thải ra môi trƣờng nƣớc mặt là 4.930 tấnN/năm (chiếm khoảng 16,5%), thấm vào đất/nƣớc ngầm 3034 tấnN/năm (chiếm 10,1%). Nhƣ vậy, việc sử dụng phân bón hóa học (Urê) sẽ ảnh hƣởng lớn đến môi trƣờng, đặc biệt là môi trƣờng không khí và làm gia
tăng các khí gây hiệu ứng nhà kính và cần khuyến khích ngƣời nông dân sử dụng các loại phân bón hóa học tan chậm nhƣ: NPK, DAP…
Hình 3.21: Tải lƣợng N từ các quá trình chuyển hóa thải ra môi trƣờng
Hình 3.22: Tải lƣợng N từ các nguồn thải vào môi trƣờng nƣớc mặt
- Trong môi trƣờng nƣớc mặt, tổng tải lƣợng N thải từ các quá trình chuyển hóa N là 8.855 tấnN/năm, trong đó nguồn thải N từ quá trình thoát nƣớc (nơi tiếp nhận nƣớc thải sinh hoạt, kinh doanh dịch vụ…) 2.096 tấnN/năm chiếm 23,67%, từ quá trình nuôi trồng thủy sản 1.829 tấnN/năm chiếm 20,65%, từ quá trình cấy lúa chiếm đến 55,67% (4.428 tấnN/năm) tổng lƣợng N thải vào môi trƣờng nƣớc mặt. oạt, dịch vụ là 23,67%.
Vậy, nguồn gây ô nhiễm N trong môi trƣờng nƣớc mặt trên các sông ngòi thuộc hệ thống sông Thái Bình, hệ thống sông Bắc Hƣng Hải khu vực tỉnh Hải Dƣơng từ quá trình cấy lúa. Cho nên cần có các biện pháp giảm thiểu nguồn thải này trong thời gian tới để bảo vệ chất lƣợng môi trƣờng nƣớc mặt phục vụ cấp nƣớc sinh cho ngƣời dân và các ngành: nuôi trồng thủy sản, nông nghiệp, công nghiệp…
3.3 Xây dựng mô hình tính tải lƣợng N dựa trên các tham số của mô hình phân phối GIS phối GIS
Theo kết quả các định nguồn ô nhiễm (ở phần 3.2), có tới 55,67% tổng lƣợng N trong môi trƣờng nƣớc thải từ hoạt động sản xuất trong nông nghiệp (cấy lúa) thải ra, trong đó chủ yếu do phân bón hóa học. Do vậy, nghiên cứu này chỉ tập trung phân tích hiện trạng sử dụng đất trên cơ sở áp dụng hệ thống thông tin địa lý GIS.
73.4% 16.5% 10.1% Không khí Nƣớc mặt Đất/nƣớc ngầm 20.65% 23.67% 55.67% Nuôi trồng thủy sản Thoát nước Trồng trọt
3.3.1 Các thông số của hệ thống thông tin địa lý GIS
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng các tham số của mô hình phân phối GIS nhƣ bản đồ hiện trạng sử dụng đất (hình 30) để xác định các loại đất, chất đất và xác định các nguồn ô nhiễm trong khu vực nghiên cứu.
Hình 3.23: Bản đồ khu vực nghiên cứu
3.3.2 Khu vực nghiên cứu
Dựa trên bản đồ hành chính, bản đồ hệ thống thủy lợi của tỉnh Hải Dƣơng và kết quả khảo sát thực địa, chúng tôi khoanh vùng khu vực nghiên cứu đó là: thành phố Hải Dƣơng và 3 huyện Cẩm Giàng, Bình Giang, Gia Lộc.
Hiện nay, khu vực này là vùng tƣơng đối bằng phẳng, không có đất đồi núi, diện tích đất nông nghiệp chiếm đến 49,57% tổng diện tích đất tự nhiên của khu vực, đất ở 10,08%, đất chuyên dụng (đất KCN, cụm công nghiệp tập trung,…) chiếm 24,06%. Hệ thống sông Bắc Hƣng Hải chảy qua khu vực này, nó vừa là hệ thống tƣới nƣớc phục vụ sản xuất, sinh hoạt của ngƣời dân vừa là hệ thống tiêu thoát nƣớc thải của nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt.
Về nông nghiệp (trồng trọt) khu vực này chủ yếu trồng lúa chiếm khoảng 90% còn lại các cây trồng ngắn ngày và cây ăn quả. Hàng năm, lúa đƣợc cấy 02 vụ/năm, vụ lúa chiêm (vụ đông xuân) bắt đầu từ tháng 01 đến tháng 05, vụ chiêm (vụ thu đông) bắt đầu từ tháng 6 đến tháng 10 dƣơng lịch.
Về chăn nuôi, tại 04 địa phƣơng trong khu vực nghiên cứu có các trang trại chăn nuôi gia cầm, lợn thƣờng kết hợp với nuôi thả cá, do vậy ngƣời dân có thể tận nguồn một phần phân gà, lợn và toàn bộ nƣớc thải cho cá.
Về công nghiệp các nhà máy sản xuất đƣợc đƣa vào các khu cụm công nghiệp tập trung nhƣ: KCN Phúc Điền, KCN Tân Trƣờng, KCN Đại An, … các khu công nghiệp này đều đã đầu tƣ vận hành hệ thống xử lý nƣớc thải cho toàn KCN đạt ở mức B của QCVN 40:2011/BTNMT. Các cơ sản xuất nằm ngoài khu vực công nghiệp chủ yếu là các đơn vị chế xuất, gia công hàng hóa, không có nhà máy sản xuất phát sinh nguồn thải N lớn (nhà máy sản xuất đạm). Nguồn N chủ yếu phát sinh từ nƣớc thải sinh hoạt của cán bộ, công nhân trong các doanh nghiệp sản xuất.
Áp dụng mô hình MFA đã xây dựng cho khu vực tỉnh Hải Dƣơng để tính tải lƣợng N của khu vực nghiên cứu (03 huyện và thành phố) vào nƣớc mặt cho kết quả nhƣ sau:
Từ kết quả này cho thấy tải lƣợng N từ nguồn cấy lúa có tỷ lệ cao, để thuận tiện tính về sau chúng tôi tiến hành lƣợc bỏ lƣợng N từ hệ thống thoát nƣớc và chăn thả cá.
Qua khảo thực tế tại thực địa cho thấy, hệ thống tƣới tiêu của khu vực này sử dụng các hệ thống kênh mƣơng và
Hình 3.25: Tỷ lệ tải lƣợng N thải vào nguồn nƣớc mặt
đƣợc dẫn vào hệ thống sông Bắc Hƣng Hải. Ngoài ra với tiêu chí chọn vị trí điểm quan trắc chất lƣợng nƣớc phải là điểm đầu ra của khu vực nghiên cứu, dọc trên tuyến kênh mƣơng là nơi thu gom toàn bộ nguồn nƣớc thải từ các hoạt động của con ngƣời đổ vào. Trên thực tế dòng sông chia làm nhiều nhánh thoát nƣớc nên rất khó lựa chọn những vị trí phù hợp, cho nên chúng tôi lựa chọn 02 vị trí quan trắc nhƣ trên bản đồ tại hình 3.26, trong đó:
+ Vị trí thứ nhất có tọa độ: 20°54'59.82"N và 106°16'27.41"E gần nơi tiếp nhận nƣớc thải của KCN Đại An
+ Vị trí thứ hai có tọa độ: 20°48'50.87"N và 106°16'50.57"E, phía thƣợng lƣu của điểm lấy mẫu là nơi xả thải của KCN Tân Trƣờng, KCN Phúc Điền, tại khu vực không có nhà máy sản xuất công nghiệp mà chỉ có sản xuất nông nghiệp.
Bảng 3.1: Hiện trạng sử dụng đất của 03 huyện, thành phố
TT Huyện/thành phố Tổng diện tích (ha) nghiệp (ha) Đất nông Đất chuyên dung (ha) Đất ở (ha) 1 Hải Dƣơng 7.176 2.063 2.661 1.326 2 Cẩm Giàng 10.899 4.925 3.153 754 3 Bình Giang 10.482 6.570 1.760 787 4 Gia Lộc 11.242 6.172 2.003 1.147 Tổng cộng 39.799 19.730 9.577 4.014
Nguồn: từ hệ thống thông tin địa lý GIS
8.40% 25.15% 66.44% Hệ thống thoát nước Chăn nuôi Trồng trọt
Hình 3.26: Bản đồ vị trí quan trắc, lấy mẫu của khu vực nghiên cứu
1
3.3.2 Số liệu về nguồn thải và số liệu quan trắc các năm
Qua khảo sát thực tế và số liệu thống kê cho thấy, nguồn thải N vào nƣớc mặt tại khu vực nghiên cứu bao gồm: Nƣớc thải công nghiệp, nông nghiệp (cấy lúa), nƣớc thải sinh hoạt, bệnh viện… Tuy nhiên, hiện nay hệ thống sông ngòi khu vực này vừa có chức năng cung cấp nƣớc cho các ngành sản xuất nhƣ: Nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt của ngƣời dân, và có chức năng thoát nƣớc thải của chúng thải ra, nên rất khó kiểm soát lƣu lƣợng nguồn thải, nồng độ tổng N.
Từ những lý do trên, chúng tôi tập trung vào 02 lĩnh vực chính đó là công nghiệp, nông nghiệp. Hiện nay, các cơ sở sản xuất trong vùng nghiên cứu đều nằm trong 03 khu công nghiệp tập trung (KCN Đại An, KCN Phúc Điền, KCN Tân Trƣờng), kết quả thống kê tại bảng 3.2.
Bảng 3.2: Tải lƣợng N trong nƣớc thải công nghiệp
TT Tên KCN Thời gian Nồng độ Ntổng (mg/l) Lƣu lƣợng nƣớc thải (m3/ngày) Tải lƣợng (kg/tháng) Phúc Điền Jun-12 25,7 1000 771 Sep-12 29,0 1000 870 Dec-12 7,0 1000 210 Mar-13 23,4 1000 702 Jun-13 17,0 1000 510 Sep-13 23,5 1000 705 Dec-13 34,6 1000 1038 Tân Trƣờng Jun-12 13,6 1100 448 Sep-12 22,5 1100 742 Dec-12 8,2 1100 270 Mar-13 17,2 1100 567 Jun-13 19,0 1100 627 Sep-13 13,8 1100 455 Dec-13 18,8 1100 620 Đại An Jun-12 26,3 1300 1025 Sep-12 21,7 1300 8463 Dec-12 12,0 1300 468 Mar-13 31,6 1300 1232 Jun-13 24,0 1300 936 Sep-13 18,3 1300 713 Dec-13 23,2 1300 904
Hiện nay, trên địa bàn tỉnh Hải Dƣơng cấy lúa vào 2 vụ, vụ đông xuân bắt đầu làm đất từ tháng 1 đến tháng 5 hàng năm và vụ thu đông bắt đầu từ tháng 6 đến tháng 10. Phân bón (Urê) thƣờng đƣợc chia ra làm các đợt: đợt 1 bón khi bắt đầu cấy lúa, lƣợng phân đạm Ure khoảng 3 kg/360m3; đợt 2 bón khi lúa ra dễ và phát triển xanh lá (bón thúc), lƣợng phân khoảng 4kg/360m2; đợt 3 khi lúa làm đòng và trỗ bông, lƣợng phân bó khoảng 2kg/360m2, tùy thuộc vào chất đất ngƣời dân có thể bón bổ sung hoặc tăng lƣợng phân bón.
Từ số liệu thống kê về diện tích đất trồng lúa (từ kết quả của các thông số của mô hình phân phối GIS) và kết quả nghiên cứu của Lê Văn Chính và các cộng sự tại lƣu vực sông Chikugo (Nhật Bản) cho thấy khoảng 60% lƣợng phân bón hóa học đƣợc cây trồng hấp thụ và gấm vào đất, 40% còn lại sẽ thải ra môi trƣờng. Cho nên, trong khuôn khổ nghiên cứu này, chúng tôi giả sử khoảng 40% lƣợng phân bón (Ure) chảy vào môi trƣờng cho các bảng tính toán số liệu.
Bảng 3.3: Lƣợng phát thải N từ hoạt động cấy lúa Thời gian Lƣợng phân
Ure (kg/360m2) Diện tích lúa (m2 ) Tổng lƣợng Nitơ (kg) Lƣợng Nitơ phát thải (kg) Tháng 1 - 197.300.000 - - Tháng 2 3 197.300.000 756.317 302.527 Tháng 3 4 197.300.000 1.008.422 403.369 Tháng 4 2 197.300.000 504.211 201.684 Tháng 5 - 197.300.000 - - Tháng 6 3 197.300.000 756.317 302.527 Tháng 7 4 197.300.000 1.008.422 403.369 Tháng 8 2 197.300.000 504.211 201.684 Tháng 9 - 197.300.000 - - Tháng 10 - 197.300.000 - - Tháng 11 - 197.300.000 - - Tháng 12 - 197.300.000 - -
Nguồn từ Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Hải Dương
Bảng 3.4: Tổng tải lƣợng N phát thải từ các nguồn công nghiệp,