Quan trắc môi trường là việc theo dõi thường xuyên chất lượng môi trường với các trọng tâm, trọng điểm hợp lý nhằm phục vụ các hoạt động bảo vệ môi trường và phát triển môi trường xanh, sạch, đẹp bền vững.

• Hiện trạng công tác quan trắc môi trường nước tại Việt Nam

Từ năm 2008, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã đầu tư lắp đặt các trạm quan trắc tự động nước. Các trạm nước tự động cố định được đưa vào vận hành đã và đang hỗ trợ đắc lực cho công tác quản lý môi trường thông qua chuỗi số liệu được cập nhật liên tục, tức thời. Tuy nhiên, hiện nay, kinh phí để duy trì cho trạm hàng năm còn hạn chế, ảnh hưởng đến sự hoạt động ổn định của các trạm.

Mạng lưới các trạm quan trắc nước mặt tự động không thuộc quy hoạch, tuy nhiên, theo nhu cầu thực tế về quản lý môi trường các lưu vực sông nên từ năm 2008, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã đầu tư xây mới 10 trạm quan trắc tự động chất lượng nước tại các lưu vực sông gồm 07 trạm trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy, sông Cầu, sông Hương, và sông Đồng Nai được lắp đặt tại các tỉnh: Hà Nội (02 Trạm), Bắc Ninh, Thái Nguyên, Bình Dương, Huế; Hà Nam, 01 trạm quan trắc nước xuyên biên giới tại Lào Cai (đầu nguồn sông Hồng tại Lào Cai) và 01 trạm tại tỉnh Đắk Lắk.

Kể từ năm 2007, Cục Bảo vệ môi trường (nay là Tổng cục Môi trường) đã xây dựng, phê duyệt và triển khai thực hiện 12 chương trình quan trắc môi trường nước mặt tại nhiều tỉnh/thành trên cả nước. Trong đó có 7 chương trình quan trắc môi trường nước lưu vực sông và 3 chương trình quan trắc vùng Kinh tế trọng điểm, 1 chương trình quan trắc đánh giá ảnh hưởng của hoạt động thủy điện và 1 chương trình quan trắc giám sát hoạt động khai thác, vận chuyển Bauxit.

Mạng lưới quan trắc, thu thập, xử lý và quản lý dữ liệu về trạng thái đối tượng nước làm thành một hệ thống kiểm soát quốc gia. Thuật ngữ kiểm soát được hiểu là hệ thống các quan trắc nhất quán cho phép ghi nhận sự biến đổi của trạng thái môi trường dưới ảnh hưởng của hoạt động con người.

Công tác kiểm soát về chất lượng và sự phân bố nước ngọt giữa các nhà sử dụng nước và các nhà tiêu thụ nước được giao cho nhiều bộ và ngành tương ứng.

Về trạng thái vệ sinh dịch tễ của các thủy vực trong phạm vi các thành phố, các điểm dân cư thuộc trách nhiệm của Bộ Y tế. Cơ quan vệ sinh dịch tễ của bộ này thực hiện công tác kiểm soát một cách hệ thống những đặc trưng sinh học - vệ sinh của nước ở những đối tượng nước dùng để cấp nước.

Hiện nay, nhận định về các đặc trưng chất lượng của nước chỉ có thể bằng cách so sánh các chỉ số quan trắc với những quy chuẩn đặc trưng cho nồng độ tới hạn cho phép của chất này hay chất khác trong đối tượng nước. Những ước lượng định lượng như vậy về mức ô nhiễm sông ngòi và thủy vực, kiểm tra tác nghiệp về mức ô nhiễm đòi hỏi các mạng lưới quan trắc thường xuyên, tự động, liên tục.

Những nhiệm vụ chính của kiểm soát chất lượng (hay ô nhiễm) nước lục địa là quan trắc, đánh giá và dự báo trạng thái của chúng. Đồng thời xác định và đánh giá những nhân tố và những nguồn tác động nhân sinh, cho phép tiến hành xác định mức độ ảnh hưởng nhân sinh tới các đối tượng nước.

• Một số công trình trong nước liên quan đến quan trắc môi trường tự động

+ Trạm quan trắc môi trường nước bằng năng lượng mặt trời” do Trung tâm vi mạch Đà Nẵng (CENTIC) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo có hình dáng phao nổi linh hoạt, dễ dàng di chuyển đến các vị trí quan trắc khác nhau khi cần. Các thông số đo khác nhau có thể được lựa chọn và thay đổi linh hoạt, tùy nhu cầu thực tế tại vị trí quan trắc, ví dụ: Oxy hòa tan, pH, ORP, độ dẫn điện, độ đục, clo, nhiệt độ, hàm lượng chất rắn lơ lửng...

Là trạm quan trắc mô hình phao nổi (được neo, thả nổi trên mặt nước), sản phẩm của CENTIC được nghiên cứu chế tạo còn có khả năng chịu tác động thời tiết khắc nghiệt (nắng, mưa, gió mạnh), chống chịu ăn mòn, hoạt động bền bỉ, và tự cung cấp năng lượng (phía trên phao nổi được gắn các tấm pin năng lượng mặt trời để cung cấp điện năng cho các thiết bị điện tử hoạt động..).

Phía dưới phao nổi có gắn các cảm biến. Bên trong phao nổi được đặt các bảng mạch điện tử để xử lý tín hiệu từ cảm biến truyền về, xử lý dữ liệu, truyền dữ liệu về Trung tâm giám sát và điều khiển bằng tin nhắn SMS hoặc đường truyền dữ liệu GPRS/3G. Qua việc theo dõi các chỉ số từ hệ thống quan trắc môi trường này, các cơ quan quản lý trong lĩnh vực môi trường sẽ nắm được những thay đổi bất thường của chất lượng nước nhằm bảo vệ môi trường nước, phòng ngừa sự cố ô nhiễm.

+ Tại Bách Khoa Hà Nội, mạng cảm biến không dây cũng đã được các nhóm nghiên cứu triển khai trong các dự án thu thập nồng độ khói, địa điểm xảy ra cháy rừng, độ ẩm, nhiệt độ, tiếng ồn, mức độ ô nhiễm không khí. Đặc biệt nhiều nhóm nghiên cứu đang tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ cao đặc biệt là mạng cảm biến không dây cho nông nghiệp, như ứng dụng trong thủy canh trồng rau sạch, trồng hoa của dự án VLIR cho năng suất chất lượng cao.

+ Hệ thống giám sát môi trường nông ngư nghiệp của công ty FarmTech, 2016 cho phép người sử dụng kiểm soát chất lượng môi trường nuôi trồng thủy sản qua mạng Internet, cùng với việc triển khai phần mềm phân tích giá trị số liệu môi trường. Chẳng hạn, thiết bị công nghệ tích hợp phần mềm của Farmtech sẽ giúp giám sát độ chua -pH, khả năng khử các chất oxy hóa -ORP, nhiệt độ, độ dẫn trong môi trường nước ao nuôi có đảm bảo cho cá tôm sống tốt hay chưa. Với công nghệ mới “Internet of things” (IoT), bất kỳ ai sử dụng hệ thống mạng cũng có thể trực tuyến theo dõi tức thời các số liệu về môi trường tại các ao, trại nuôi trồng thủy sản. Nên việc trao đổi thông tin, các ý kiến tư vấn của các kỹ sư, chuyên gia khoa học trong lĩnh vực nông nghiệp đến với nhà nông trong quá trình nuôi trồng rất nhanh chóng, kịp thời. Từ đó, giúp nhà nông kịp phòng tránh rủi ro, có giải pháp ứng phó với các tác động từ môi trường đến chất lượng đầu ra, tiết kiệm chi phí và nâng cao năng suất nuôi trồng thủy sản. Tuy nhiên hệ thống có giá cao với giá 150 triệu/1 bộ do chưa làm chủ hoàn toàn công nghệ. Ngoài ra, phương pháp đo bằng cách lấy mẫu không cho phép quan trắc liên tục và không phù hợp với việc quan trắc một số thông số biến đổi nhanh như DO, NH₄⁺, S^2-.

+ Trung tâm Phát triển Công nghệ và Thiết bị Công nghiệp Sài Gòn (CENINTEC) đã nghiên cứu và phát triển hệ thống giám sát, cảnh báo và điều khiển tự động chất lượng nước nuôi trồng thủy sản e-AQUA (Hình 1) với những đặc điểm sau:

• Tự động đo những chỉ tiêu biến đổi nhanh liên tục, suốt ngày đêm.
• Một hệ thống dùng được cho 4 ao nuôi, một ao đo 2 điểm (tổng cộng là 8 điểm đo/hệ thống) để giảm chi phí đầu tư.
• Lưu trữ kết quả đo trên trung tâm dữ liệu để phân tích, cải tiến cho vụ nuôi sau.
• Hệ thống cho phép kết nối để điều khiển các thiết bị (quạt, bơm oxy, …).

Trong ao nuôi thủy sản nồng độ ô xy hòa tan (DO) phân bố tăng dần từ trong ra ngoài theo đường kính, nên DO thấp nhất sẽ là giữa ao. Nên chọn điểm đo đầu tiên là điểm giữa ao (cách hố xi phông từ 1–2 m) nhằm mục đích xác định hàm lượng DO tại điểm thấp nhất lúc đó có thể ước tính được hàm lượng chất độc trong ao để lên phương án xử lý ao. Điểm thứ 2 là điểm cách góc ao 1/6 đường chéo ao (cách bờ từ 3–4 m) vì điểm này đại diện cho gần bờ nhất và cũng là khu vực tôm ăn và phát triển.

+ Kết qủa đề tài khoa học cấp thành phố Hà Nội do PGS.TS. Nguyễn Văn Đức làm chủ nhiệm. Hệ thống được thiết kế dựa trên công nghệ cảm biến siêu âm, công nghệ đo mức nước bằng cảm biến áp suất, công nghệ bản đồ số dựa trên nền tảng bản đồ số của Google map, và công nghệ truyền thông mạng 2G và 3G. Kết quả đề tài đã được kiểm nghiệm thực tế (03 trạm đo mức nước tự động tại các trạm đo An Cảnh Thường Tín, Yên Duyệt, Sông Bùi và Trạm đo Sơn Đà - Ba Vì) và đưa vào ứng dụng trên một số địa điểm quan trắc mức nước sông trong phạm vi địa bàn thành phố Hà Nội.

+ Công ty Phú Điền đã nghiên cứu và lắp đặt hệ thống quan trắc nước mặt cho hồ Hoàn Kiếm và hồ Tây từ tháng 12/2016. Các kết quả quan trắc hiển thị dữ liệu qua website và ứng dụng điện thoại (Android, IOS). Ngoài ra, hệ thống quan trắc này còn có chức năng giám sát các nguồn thải.

+ Công ty NK Engineering thực hiện thành công hệ thống giám sát môi trường nước trong nuôi trồng thủy sản bằng thiết bị của hãng Endress+Hauser. Giúp người nuôi có thể giám sát nước ao 24/24 qua điện thoại thông minh. Hệ thống được thiết kế dựa theo tiêu chuẩn QCVN 02 – 19 : 2014/BNNPTNT, với đầy đủ các thiết bị đo các chỉ số tiêu chuẩn môi trường nước cần thiết nhất cho việc nuôi thủy sản: Nhiệt độ nước; Độ pH, độ kiềm; Độ Oxy hóa khử ở tầng đáy (ORP); Độ đục, độ trong của nước; BOD, COD, TOC; Độ mặn, độ muối (EC/TDS); Oxy hòa Tan (DO); Amoniac (NH3), Nitrat (NO3-) trong nước; Nitrit (NO2), tổng Nitơ; Độ cứng tổng, khoáng chất (Mg, Ca, K).

+ Trường Đại học Bách khoa đã phát triển Hệ thống giám sát chất lượng nước qua GPRS và hệ thống được kết hợp với màn hình hiển thị các thông số chất lượng nước. Modem truyền thông GPRS kết nối với màn hình chất lượng nước thông qua Serial Port (RS232/RS485/RS442). Nó có thể truyền tín hiệu điều khiển từ hệ thống và nhận tín hiệu thu thập được từ màn hình hiện thị các thông số gửi về cho trung tâm giám sát. Hệ thống này có hiệu suất ổn định, thuận tiện để giảm chi phí vận hành, đã đạt được hiệu quả tốt trong ứng dụng thực tế.   

Gồm 2 thành phần chính là hệ thống thu thập dữ liệu (data acquisition system) và trung tâm giám sát (monitoring centre).

Hệ thống thu thập dữ liệu:

Trong hệ thống thu thập dữ liệu bao gồm khối giám sát các thông số chất lượng nước và khối truyền thông (Modem GPRS).

• Khối giám sát chất lượng nước (Multi-parameter water quality monitor)

Tùy từng nhu cầu cần giám sát và một số tiêu chuẩn trong công nghiệp, thì hệ thống này cần giám sát một số những thành phần như: nhiệt độ nước, độ pH, độ dẫn, độ đục, nitơ, heli, ORP, nitrat, tảo xanh, vv… Để có thể hiển thị toàn bộ điều kiện chất lượng nước và xu hướng thay đổi chất lượng của nước theo thời gian, một màn hình hiển thị các thông số có thể được sử dụng trong hệ thống. Các dữ liệu từ sensor được thu thập bởi màn hình và được xuất qua cổng Serial (RS232) được kết nối trực tiếp với modem GPRS.

• Khối truyền thông (Modem GPRS)

Modem truyền thông GPRS thường được sử dụng là F2103 GPRS IP Modem. Modem hỗ trợ Serial Port (RS232/485/442) và có thể kết nối trực tiếp với các thiết bị có hỗ trợ cổng nối tiếp. Mỗi điểm giám sát yêu cầu một thiết bị F2103 và được gắn lắp Simcard có chức năng GPRS. Sau khi lắp thẻ Sim, cần cấu hình một số thông số đường truyền như tốc độ truyền, bit dữ liệu, ID thiết bị, tính chẵn lẻ…

Trung tâm giám sát (Monitoring centre)

• Monitoring centre là máy chủ theo dõi thời gian thực bao gồm một máy tính được cài đặt với phần mềm điều khiển dữ liệu. PC có kết nối Internet IP cố định. Máy chủ theo dõi thời gian thực được sử dụng để kiểm soát hệ thống, lưu trữ dữ liệu, phân tích dữ liệu và truyền thông.