Đánh giá biến động chất lượng môi trường nước mặt bằng phân tích đa biến: Trường hợp nghiên cứu sông Sài Gòn và sông Đồng Nai thuộc địa bàn tỉnh Bình Dương
Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Định Tường - Trường Đại học Thủ Dầu Một đã ứng dụng các kỹ thuật phân tích đa biến và thống kê phi tham số để đánh giá toàn diện về chất lượng nước mặt sông Sài Gòn và sông Đồng Nai, đoạn qua tỉnh Bình Dương. Kết quả cung cấp những thông tin khoa học quan trọng, làm cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp quản lý hiệu quả và bền vững nguồn tài nguyên nước trong bối cảnh gia tăng áp lực từ phát triển kinh tế - xã hội và biến đổi khí hậu.
Tóm tắt kết quả đạt được
Nghiên cứu "Đánh giá biến động chất lượng môi trường nước mặt bằng phân tích đa biến: Trường hợp nghiên cứu sông Sài Gòn và sông Đồng Nai thuộc địa bàn tỉnh Bình Dương" được thực hiện nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quản lý hiệu quả nguồn tài nguyên nước mặt tại tỉnh Bình Dương. Đề tài này có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nước ngày càng gia tăng do áp lực từ phát triển công nghiệp và đô thị hóa nhanh chóng tại khu vực. Sông Sài Gòn và sông Đồng Nai là nguồn cung cấp nước chính cho vùng Đông Nam Bộ, bao gồm cả Thành phố Hồ Chí Minh, do đó việc quản lý chất lượng nước của hai con sông này là vấn đề cấp thiết.
Khu vực nghiên cứu bao gồm sông Sài Gòn và sông Đồng Nai thuộc địa phận tỉnh Bình Dương. Tổng cộng có 25 vị trí quan trắc được bố trí trên dòng chính và các phụ lưu của hai sông này. Cụ thể, 3 vị trí trên dòng chính sông Sài Gòn (SG1-SG3) và 10 vị trí trên các phụ lưu (RSG1-RSG10); 4 vị trí trên dòng chính sông Đồng Nai (ĐN1-ĐN4) và 8 vị trí trên các phụ lưu (RĐN1-RĐN8). Dữ liệu môi trường nước mặt từ năm 2016 đến 2021 được thu thập từ Trung tâm quan trắc kỹ thuật Tài nguyên Môi trường thuộc Sở Tài nguyên và Môi trường Bình Dương. Các thông số được đánh giá bao gồm nhiệt độ, pH, DO, TDS, NO3−, NO2−, NH4+, PO43−, TSS, COD, BOD5 và Coliform.
Dữ liệu được tiền xử lý bằng cách loại bỏ giá trị Null, thay thế bằng giá trị nội suy tuyến tính và kiểm tra, thay thế các giá trị ngoại lai. Để phân tích xu hướng biến động chất lượng nước giai đoạn 2016-2021, phương pháp thống kê phi tham số Mann-Kendall được sử dụng. Phương pháp này kiểm tra xu hướng và tính ổn định của dữ liệu theo thời gian, với các chỉ số thống kê S, VAR(S) và Z được tính toán để xác định sự tồn tại và chiều hướng của xu hướng (tăng, giảm hoặc không có xu hướng) ở mức ý nghĩa α=0.05. Phân tích Mann-Kendall được thực hiện bằng package "pymannkendall" trong Python.
Đối với dữ liệu năm 2021, các phương pháp phân tích đa biến bao gồm Phân tích cụm (Cluster Analysis - CA) và Phân tích thành phần chính (Principal Component Analysis - PCA) được áp dụng để đánh giá các thông số nước mặt. Dữ liệu được chuẩn hóa theo thang Z trước khi phân tích. Chỉ số Chất lượng nước (WQI) được sử dụng để phân loại chất lượng nước tổng thể, so sánh với tiêu chuẩn A2 của QCVN. Phương pháp Shapiro-Wilk và Bartlett được dùng để kiểm tra phân phối chuẩn và tính đồng nhất của phương sai, sau đó áp dụng ANOVA một nhân tố hoặc kiểm định Kruskal-Wallis để kiểm tra sự khác biệt thống kê giữa các cụm. Các phân tích này được thực hiện bằng phần mềm STATISTICA 7.0.
Kết quả và thảo luận
Phân tích chất lượng môi trường sông Sài Gòn và Đồng Nai từ 2016 đến 2021
Phân tích Mann-Kendall cho thấy trên sông Sài Gòn, các thông số pH và DO có xu hướng giảm, trong khi TDS và NO3− có xu hướng tăng trong giai đoạn 2016-2021. Cụ thể, NO3− ở vị trí SG1 có xu hướng tăng nhưng không có ý nghĩa thống kê. DO ở SG3 cũng giảm, còn pH giảm không đáng kể. Các thông số NO2−, NH4+, PO43− và TSS chưa xác định rõ xu hướng, dù nhìn chung có xu hướng giảm, ngoại trừ NO2− ở SG1 và SG2 tăng không ý nghĩa. COD và BOD5 ở SG1 giảm không ý nghĩa, trong khi ở SG2 và SG3 giảm có ý nghĩa. Đáng chú ý, Coliform ở cả ba vị trí trên sông Sài Gòn đều có xu hướng tăng đáng kể, với mức tăng mạnh nhất tại SG1.
Trên sông Đồng Nai, pH tại DN1 và DN2 có xu hướng giảm đáng kể, trong khi tại DN3 và DN4 cũng giảm nhưng không có ý nghĩa thống kê. Ngược lại, DO có xu hướng tăng rõ rệt. Các thông số TDS, NO3− và NO2− cũng có xu hướng tăng; tuy nhiên, sự tăng của NO3− ở DN4 và NO2− ở DN1 là không đáng kể. Các thông số NH4+, PO43−, TSS, COD và BOD5 nhìn chung ổn định, không thể hiện xu hướng rõ ràng, ngoại trừ COD ở DN1, DN3 và DN4 có xu hướng giảm. Tương tự như sông Sài Gòn, Coliform trên sông Đồng Nai có xu hướng tăng từ năm 2016 đến 2021, và mức độ tăng càng mạnh hơn ở các vị trí về phía hạ nguồn. Do đó, các thông số cần được quan tâm trên sông Đồng Nai là pH, TDS, NO3−, NO2− và Coliform.
Phân tích chất lượng môi trường sông Sài Gòn và Đồng Nai năm 2021
Phân tích cụm (CA) dựa trên dữ liệu chất lượng nước năm 2021 đã phân loại 25 vị trí quan trắc thành ba nhóm chính và ba nhóm ngoại lai (RSG8, RSG10, và RDN7). Nhóm DN bao gồm các vị trí trên dòng chính sông Đồng Nai (DN1, DN2, DN3, DN4). Nhóm SGDN1 gồm các trạm trên phụ lưu của cả hai sông (RSG4, RSG7, RSG9, RDN2, RDN5). Nhóm SGDN2 bao gồm 13 trạm còn lại.
Phân tích thành phần chính (PCA) đã trích xuất hai thành phần chính (PC1 và PC2) giải thích được 65,3% tổng phương sai của bộ dữ liệu. PC1 (chiếm 44,5% phương sai) có tương quan thuận với DO và độ đục, nhưng tương quan nghịch với hầu hết các thông số khác, đặc biệt là NH4+, COD, BOD5, Coliform và PO43−. Do đó, PC1 chủ yếu đại diện cho ô nhiễm hữu cơ và sinh học. PC2 (chiếm 20,7% phương sai) có tương quan thuận với nhiệt độ, độ đục, NH4+, TSS, COD và BOD5, và tương quan nghịch mạnh với NO3− và NO2−. Vì vậy, PC2 chủ yếu đại diện cho ô nhiễm nitrat và nitrit.
Dựa trên kết quả PCA, chất lượng nước của các nhóm RDN7, DN, và SGDN2 được đánh giá là tốt, với mức DO cao và nồng độ thấp của các chất ô nhiễm. Nhóm RSG8 có chất lượng nước ở mức trung bình do nồng độ NO3− và NO2− tăng, mặc dù DO tương đối cao và các chỉ số ô nhiễm hữu cơ thấp. Ngược lại, các nhóm RSG10 và SGDN1 có chất lượng nước kém đến trung bình, đặc trưng bởi DO thấp và nồng độ cao của các chất ô nhiễm như NO3−, NO2−, NH4+, COD, BOD5, Coliform, và PO43−.
Đề xuất giải pháp quản lý nguồn nước mặt sông Sài Gòn và Đồng Nai
Hệ thống nước mặt trong khu vực nghiên cứu đang chịu tác động từ ba nguồn ô nhiễm chính: vật chất hữu cơ, dinh dưỡng và coliform. Tỉnh Bình Dương, với đặc điểm dân số đông và nhiều khu công nghiệp, đối mặt với ô nhiễm nước chủ yếu từ hoạt động công nghiệp và dân sinh, chiếm khoảng 65,3% phương sai trong chỉ số chất lượng nước. Tuy nhiên, việc định lượng chính xác tỷ lệ đóng góp từ mỗi nguồn vẫn còn là một thách thức.
Chiến lược quản lý chất lượng nước hiện tại của tỉnh Bình Dương đang ưu tiên các khu vực công nghiệp. Nước thải công nghiệp và dân sinh chưa qua xử lý là nguyên nhân chính làm gia tăng nồng độ NO2−, NO3−, PO43−, và NH4+ trong nước mặt. Do đó, giải quyết ô nhiễm dinh dưỡng cần tập trung vào việc cải thiện hệ thống xử lý nước thải từ các khu đô thị, khu dân cư và các cơ sở sản xuất. Bên cạnh đó, hoạt động nông nghiệp cũng có thể đóng góp vào tình trạng chất lượng nước mặt kém. Vì vậy, bên cạnh việc quản lý hiệu quả các nguồn thải điểm, cần có những nỗ lực cải thiện các phương pháp quản lý dinh dưỡng để giảm thiểu các nguồn phát thải không điểm như từ nông nghiệp.
Kết luận
Nghiên cứu đã cho thấy chất lượng nước mặt của sông Sài Gòn và sông Đồng Nai, đoạn chảy qua tỉnh Bình Dương, chịu ảnh hưởng chính từ ba nguồn ô nhiễm là chất hữu cơ, dinh dưỡng và vi sinh vật. Nhìn chung, chất lượng nước chỉ đủ để sử dụng cho mục đích giao thông thủy và sinh hoạt sau khi được xử lý phù hợp. Phân tích thành phần chính (PCA) chỉ ra rằng các hoạt động công nghiệp và đô thị đóng góp tới 65,3% vào sự biến động của chất lượng nước. Các thông số như NO3−, NO2−, NH4+, PO43−, COD, BOD5, và coliform là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng nước trong khu vực. Phân tích cụm (CA) đã phân loại 25 điểm lấy mẫu thành ba nhóm chính (DN, SGDN1, SGDN2) và ba nhóm ngoại lai (RSG8, RSG10, và RDN7), trong đó các nhóm SGDN1, RSG10, và RSG8 cần được quan tâm đặc biệt do chất lượng nước ở mức xấu. Kết quả nghiên cứu này là cơ sở quan trọng để các nhà quản lý môi trường địa phương xem xét và điều chỉnh các chương trình giám sát chất lượng nước trong tương lai, hướng tới việc bảo vệ và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên nước mặt quý giá này.
Nguồn KQNC: " Đánh giá biến động chất lượng môi trường nước mặt bằng phân tích đa biến: Trường hợp nghiên cứu sông Sài Gòn và sông Đồng Nai thuộc địa bàn tỉnh Bình Dương". Xem toàn văn tại Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ tỉnh Bình Dương
Ánh Nguyệt