Luận án Nghiên cứu phân vùng chất lượng nước vịnh Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh và đề xuất giải pháp quản lý và sử dụng

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu phân vùng chất lượng nước vịnh Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh và đề xuất giải pháp quản lý và sử dụng

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Nguyễn Thị Thế Nguyên NGHIÊN CỨU PHÂN VÙNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC VỊNH HẠ LONG, TỈNH QUẢNG NINH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP QUẢN LÝ VÀ SỬ DỤNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2014 i
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Nguyễn Thị Thế Nguyên NGHIÊN CỨU PHÂN VÙNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC VỊNH HẠ LONG, TỈNH QUẢNG NINH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP QUẢN LÝ VÀ SỬ DỤNG Chuyên ngành: Môi trường đất và nước Mã số: 62440303 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Nguyễn Chu Hồi 2. PGS. TS. Đồng Kim Loan Hà Nội - 2014 ii
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nguyễn Thị Thế Nguyên iii
4. LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS. TS. Nguyễn Chu Hồi và PGS.TS. Đồng Kim Loan về những giúp đỡ quý báu về khoa học cũng như sự động viên, khích lệ để tôi hoàn thành luận án này. Bên cạnh đó, tôi xin cảm ơn tập thể thày cô giáo khoa Môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội và khoa Kỹ thuật biển, trường Đại học Thủy Lợi, Ban giám hiệu trường Đại học Thủy Lợi về những ý kiến đóng góp cho luận án và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành công việc nghiên cứu của mình. Tôi xin cảm ơn Ban Quản lý vịnh Hạ Long, Sở Tài nguyên và Môi trường Quảng Ninh, Viện Tài nguyên và Môi trường Biển đã cung cấp số liệu và tài liệu cho luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã luôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn! Nguyễn Thị Thế Nguyên iv
5. MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................... i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................... 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................... 6 MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 8 Chương 1. TỔNG QUAN .......................................................................................... 13 1.1. Giới thiệu chung về khu vực nghiên cứu ............................................................................ 13 1.1.1. Vị trí địa lý ............................................................................................... 13 1.1.2. Đặc điểm khí tượng, thuỷ - hải văn ........................................................... 13 1.1.3. Đặc điểm địa hình, địa chất ...................................................................... 14 1.1.4. Hiện trạng đa dạng sinh học vịnh Hạ Long ............................................... 14 1.1.5. Vai trò của nước biển vịnh Hạ Long ......................................................... 17 1.2. Tình hình nghiên cứu chất lượng nước và quản lý môi trường vịnh Hạ Long ................ 19 1.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng chỉ số chất lượng nước .............................................. 23 1.3.1. Phương pháp tính toán .............................................................................. 23 1.3.2. Các thông số tính toán .............................................................................. 27 1.3.3. Trọng số của các thông số ........................................................................ 29 1.3.4. Thang phân loại chất lượng nước ............................................................. 29 1.3.5. Nhận xét về các nghiên cứu chỉ số chất lượng nước ................................. 30 1.4. Tình hình nghiên cứu và áp dụng mô hình toán phục vụ quản lý chất lượng nước biển 38 1.4.1. Tình hình nghiên cứu và áp dụng mô hình toán phục vụ quản lý chất lượng nước biển ........................................................................................................... 38 1.4.2. Giới thiệu về mô hình Delft3D ................................................................. 39 1.5. Tình hình nghiên cứu, áp dụng phân vùng chất lượng nước biển, quy hoạch và quản lý không gian biển ........................................................................................................................... 41 Chương 2. PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 44 2.1. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................................................. 44 2.1.1. Phạm vi địa lý .......................................................................................... 44 2.1.2. Phạm vi vấn đề nghiên cứu ....................................................................... 45 2.2. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................................................... 45 2.3. Phương pháp tiếp cận ........................................................................................................... 46 2.4. Các phương pháp nghiên cứu .............................................................................................. 48 2.4.1. Phương pháp mô hình toán ....................................................................... 48 2.4.2. Phương pháp xây dựng chỉ số chất lượng nước ........................................ 48 2.4.3. Phương pháp nội suy không gian .............................................................. 50 2.4.4. Phương pháp phân vùng chất lượng nước theo WQI ................................ 51 2.4.5. Phương pháp điều tra, khảo sát chất lượng nước và phân tích trong phòng thí nghiệm .......................................................................................................... 51 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ......................................... 55 3.1. Một số vấn đề về chất lượng nước vịnh Hạ Long .............................................................. 55 3.1.1. Các nguồn tác động đến chất lượng nước vịnh Hạ Long ........................... 55 3.1.2. Đánh giá và dự báo diễn biến các nguồn tác động đến chất lượng nước .... 63 3.1.3. Hiện trạng và diễn biến chất lượng nước vịnh Hạ Long ............................ 67 3.1.4. Đánh giá và dự báo diễn biến chất lượng nước vịnh Hạ Long ................... 76 3.2. Nghiên cứu sự lan truyền chất trong nước vịnh Hạ Long ................................................ 78 1
6. 3.2.1. Thiết lập và hiệu chỉnh mô hình thủy động lực ......................................... 78 3.2.2. Thiết lập mô hình lan truyền chất ............................................................. 86 3.2.3. Kết quả mô phỏng sơ bộ chế độ thủy động lực ......................................... 88 3.2.4. Kết quả mô phỏng lan truyền chất ............................................................ 91 3.2.5. Đánh giá chung mức độ tác động của từng khu vực nguồn thải ................ 97 3.3. Thiết lập chỉ số chất lượng nước cho vịnh Hạ Long .......................................................... 99 3.3.1. Mục đích xây dựng chỉ số chất lượng cho vịnh Hạ Long .......................... 99 3.3.2. Phân tích và lựa chọn thông số tính toán WQI ........................................ 100 3.3.3. Xác định trọng số của thông số tính WQI ............................................... 106 3.3.4. Xây dựng các chỉ số phụ và giản đồ chỉ số phụ....................................... 110 3.3.5. Phân tích và lựa chọn phương pháp tổng hợp các chỉ số phụ .................. 117 3.3.6. Đề xuất hiệu chỉnh dạng tích có trọng số và WQI cho vịnh Hạ Long ...... 123 3.3.7. Xây dựng thang phân loại WQI cho vịnh Hạ Long ................................. 125 3.3.8. Kiểm nghiệm công thức tính WQI cho vịnh Hạ Long ............................. 126 3.3.9. So sánh công thức tính WQI đã xây dựng với một số công thức khác ..... 127 3.3.10. Đánh giá chung công thức tính WQI cho vịnh Hạ Long ...................... 130 3.4. Phân vùng chất lượng nước vịnh Hạ Long....................................................................... 132 3.4.1. Mục đích phân vùng chất lượng nước vịnh Hạ Long .............................. 132 3.4.2. Cơ sở phân vùng chất lượng nước vịnh Hạ Long .................................... 133 3.4.3. Kết quả phân vùng chất lượng nước vịnh Hạ Long ................................. 139 3.5. Đề xuất giải pháp quản lý và sử dụng nước vịnh Hạ Long ............................................. 142 3.5.1. Cơ sở đề xuất giải pháp quản lý và sử dụng nước vịnh Hạ Long ............. 142 3.5.2. Đề xuất mục tiêu bảo vệ chất lượng nước vịnh Hạ Long ........................ 145 3.5.3. Đề xuất định hướng quản lý và các hoạt động sử dụng các vùng chất lượng nước vịnh Hạ Long .......................................................................................... 146 3.5.4. Đề xuất một số giải pháp quản lý chất lượng nước vịnh Hạ Long ........... 154 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 162 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................................................... 165 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 166 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 174 Phụ lục 1: Một số quy chuẩn/tiêu chuẩn chất lượng nước biển ven bờ sử dụng trong luận án ..................................................................................................................... 174 Phụ lục 2: Biểu đồ diễn biến chất lượng nước vịnh Hạ Long từ 2002 đến 2013 ....... 177 Phụ lục 3: Vị trí và đặc điểm các vị trí đo đạc chất lượng nước tháng 4/2013 và tháng 8/2013...................................................................................................................... 181 Phụ lục 4: Tính toán kiểm nghiệm WQI cho vịnh Hạ Long với các số liệu giả định . 184 Phụ lục 5: Cơ sở toán học của mô hình Delft3d-Flow .............................................. 191 2
7. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ADB : Ngân hàng phát triển châu Á BQL : Ban quản lý BOD : Nhu cầu ôxy sinh hóa BP : Bình phương BTNMT : Bộ Tài nguyên và Môi trường BTTS : Bảo tồn thủy sinh CLN : Chất lượng nước Chl-a : Chlorophyll-a COD : Nhu cầu ôxy hóa học CP : Cổ phần DO : Hàm lượng ôxy hòa tan %DOBH : Phần trăm ôxy bão hòa EoH : Phát huy giá trị di sản (Enhancing our Heritage) F. Coli : Feacal coliform GHCP : Giới hạn cho phép HST : Hệ sinh thái Ii : Chỉ số phụ của thông số i IDRC : Trung tâm nghiên cứu phát triển quốc tế của Canada IUCN : Tổ chức bảo tồn thiên nhiên quốc tế JICA : Cơ quan hợp tác quốc tế Nhật Bản KCN : Khu công nghiệp NCS : Nghiên cứu sinh NOAA : Cơ quan quản lý khí quyển và đại dương Mỹ NN-PTNT : Nông nghiệp và phát triển nông thôn NTTS : Nuôi trồng thủy sản SAREC : Cơ quan hợp tác nghiên cứu Thụy Điển SIDA : Tổ chức hợp tác phát triển quốc tế Thụy Điển SWOT : Điểm mạnh – Điểm yếu – Cơ hội – Thách thức (Strenghs- Weaknesses - Opportunities - Threats) QCVN : Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước biển ven bờ 10:2008/BTNMT qi : Chỉ số phụ của thông số i QHKGB : Quy hoạch không gian biển T. Coli : Tổng coliform TOC : Tổng các bon hữu cơ TN : Tổng nitơ TNMT : Tài nguyên và môi trường TP : Tổng phốt pho 3
8. TS : Thông số TSS : Tổng chất rắn lơ lửng UBND : Uỷ ban nhân dân UNESCO : Tổ chức giáo dục, khoa học và văn hóa của Liên hiệp quốc WB : Ngân hàng thế giới WQI : Chỉ số chất lượng nước (Water quality index) 4
9. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Độ phủ san hô sống tại các điểm khảo sát vịnh Hạ Long ............................ 17 Bảng 1.2. Tổng hợp tình hình nghiên cứu và ứng dụng chỉ số chất lượng nước .......... 31 Bảng 3.1. Dự báo tình hình du lịch Quảng Ninh và vịnh Hạ Long ............................. 58 Bảng 3.2. Khối lượng nước thải và công suất xử lý tại KCN Cái Lân và Việt Hưng .. 60 Bảng 3.3. Tổng hợp các nguồn tác động đến chất lượng nước vịnh Hạ Long ............. 64 Bảng 3.4. Dự báo diễn biến nguồn tác động đến chất lượng nước vịnh Hạ Long........ 66 Bảng 3.5. Nồng độ sắt và kẽm trong nước biển vịnh Hạ Long năm 2012 ................... 75 Bảng 3.6. Tóm tắt các tham số đầu vào của mô hình thủy động lực ........................... 83 Bảng 3.7. Biến thiên giá trị TN trong vịnh Hạ Long sau 15 ngày mô phỏng (µg/L) ... 98 Bảng 3.8. Tải lượng ô nhiễm đưa vào vịnh Hạ Long-Bái Tử Long từ 2008-2010 ....... 98 Bảng 3.9. Tầm quan trọng và trọng số của các thông số tính WQI cho vịnh Hạ Long 109 Bảng 3.10. Giá trị DObão hòa theo nhiệt độ, độ mặn và tại áp suất 1atm ..................... 112 Bảng 3.11. Bảng quy định các giá trị chỉ số phụ qi tương ứng với nồng độ Ci .......... 114 Bảng 3.12. Kết quả tổng hợp chỉ số phụ với các phương pháp tính khác nhau ............. 119 Bảng 3.13. Đánh giá chung các phương pháp tổng hợp chỉ số phụ ........................... 122 Bảng 3.14. Kết quả tính WQI với hai dạng tích có trọng số trong trường hợp đủ số liệu và thiếu số liệu ......................................................................................................... 124 Bảng 3.15. Phân tích thiết lập ngưỡng phân loại chất lượng nước ............................ 125 Bảng 3.16. Kết quả tính toán ngưỡng phân loại chất lượng nước ............................. 126 Bảng 3.17. Thang phân loại chất lượng nước và khả năng sử dụng nguồn nước ....... 126 Bảng 3.18. Kết quả so sánh WQI cho vịnh Hạ Long với một số chỉ số khác ............ 128 Bảng 3.19. Một số ví dụ tính toán phân loại chất lượng nước vịnh Hạ Long theo công thức WQI đã xây dựng và WQI của Canada ............................................................ 129 Bảng 3.20. Kết quả đánh giá quá trình xây dựng WQI cho vịnh Hạ Long ................ 131 Bảng 3.21. Kết quả đo đạc và tính toán chỉ số chất lượng nước tháng 8/2013 .......... 134 Bảng 3.22. Kết quả đo đạc và tính toán chỉ số chất lượng nước tháng 4/2013 .......... 137 Bảng 3.23. Bảng phân loại chất lượng nước vịnh theo WQI ..................................... 139 Bảng 3.24. Tóm tắt phân tích SWOT về công tác quản lý CLN vịnh Hạ Long ......... 144 Bảng 3.25. Đặc điểm CLN hiện tại và mục tiêu quản lý CLN vịnh Hạ Long ............ 146 Bảng 3.26. Đề xuất các hoạt động trong vùng nước có chất lượng tốt đến rất tốt ..... 147 Bảng 3.27. Đề xuất các hoạt động trong vùng nước có chất lượng xấu đến trung bình 149 Bảng 3.28. Đề xuất các hoạt động trong vùng nước có chất lượng rất xấu................ 150 Bảng 3.29. Tổng hợp đề xuất định hướng quản lý và sử dụng các vùng nước vịnh Hạ Long ........................................................................................................................ 151 5
10. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 2.1. Hình ảnh khu vực nghiên cứu ..................................................................... 44 Hình 2.2. Sơ đồ giải quyết nội dung nghiên cứu ......................................................... 46 Hình 2.3. Sơ đồ tổng quát xây dựng chỉ số chất lượng nước....................................... 49 Hình 2.4. Các vị trí đo đạc chất lượng nước tháng 4/2013 và tháng 8/2013 ................ 53 Hình 3.1. Lượng nước thải và công suất xử lý ở thành phố Hạ Long .......................... 56 Hình 3.2. Phân bố hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng (kg/m3) tại vị trí nạo vét thi công cảng Công ten nơ quốc tế Cái Lân và vị trí đổ thải khi triều xuống ............................ 62 Hình 3.3. Hàm lượng TSS tại một số điểm trong vịnh Hạ Long tháng 8/2013 ............ 68 Hình 3.4. Giá trị COD tại một số khu vực vịnh Hạ Long tháng 4/2013 và 8/2013 ...... 69 Hình 3.5. Giá trị COD tại Cửa Lục năm 2011 và 2012 ............................................... 70 Hình 3.6. Giá trị TOC tại một số khu vực vịnh Hạ Long tháng 4 và tháng 8/2013...... 71 Hình 3.7. Diễn biến hàm lượng dầu mỡ trong nước vịnh Hạ Long vào mùa khô ........ 71 Hình 3.8. Diễn biến hàm lượng dầu mỡ trong nước vịnh Hạ Long vào mùa mưa ....... 71 Hình 3.9. Nồng độ amoni trong nước vịnh Hạ Long tháng 8/2013 ............................. 72 Hình 3.10. Nồng độ phốt phát trong nước vịnh Hạ Long tháng 8/2013 ...................... 73 Hình 3.11. Diễn biến hàm lượng chlorophyll-a tại Cửa Lục ....................................... 74 Hình 3.12. Diễn biến giá trị coliform trong nước vịnh Hạ Long vào mùa khô ............ 75 Hình 3.13. Diễn biến giá trị coliform trong nước vịnh Hạ Long vào mùa mưa ........... 76 Hình 3.14. Điều kiện địa hình vùng lõi vịnh Hạ Long ................................................ 79 Hình 3.15. Mô hình Delft-Almighty tạo biên phía biển cho khu vực nghiên cứu ........ 79 Hình 3.16. Điều kiện biên phía sông - mực nước của ba trạm Do Nghi, Cửa Cấm và trạm Quang Phục ....................................................................................................... 80 Hình 3.17. Vị trí nghiên cứu và lưới tính toán ............................................................ 82 Hình 3.18. Vị trí các biên thủy lực và điều kiện địa hình toàn miền tính .................... 82 Hình 3.19. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Hòn Dấu tháng 9-10 năm 2006 ..... 84 Hình 3.20. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Cát Bà tháng 9-10 năm 2006......... 84 Hình 3.21. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Hồng Gai tháng 9-10 năm 2006 .... 84 6