ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

PHẠM VĂN HOÀNG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH CỦA
HỒ THỦY ĐIỆN SƠN LA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI - 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

PHẠM VĂN HOÀNG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH CỦA
HỒ THỦY ĐIỆN SƠN LA

Chuyên ngành:

Khoa học Môi trường

Mã số:

60 44 03 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Nguyễn Thị Thế Nguyên
Trường Đại học Thủy lợi
PGS.TS. Nguyễn Mạnh Khải
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG HN

HÀ NỘI - 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi.
Các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc. Các số liệu sử
dụng, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách
trung thực, khách quan, phù hợp với thực tiễn của địa bàn nghiên cứu và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Học viên

Phạm Văn Hoàng


LỜI CẢM ƠN
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin chân thành gửi tới TS.
Nguyễn Thị Thế Nguyên và PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải đã tận tình hướng dẫn,
góp ý cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn, đồng thời tạo mọi điều kiện
thuận lợi nhất để tôi sớm hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Lời cảm ơn sâu sắc tôi xin gửi đến ban Lãnh đạo Liên hiệp Khoa học công
nghệ Môi trường và Phát triển bền vững đã giúp đỡ và mọi tạo điều kiện thuận lợi
nhất để tôi có thể hoàn thành chương trình học tập trong thời gian qua.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu nhà trường cùng toàn
thể các Thầy, Cô giáo trong nhóm Năng lượng môi trường và Khoa Môi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình giảng
dạy, trao đổi kiến thức và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu khoa
học đạt kết quả tốt nhất.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đối với gia đình,
nguồn động lực chính để tôi có sức mạnh vượt qua mọi khó khăn trong suốt quá
trình học tập và thực hiện luận văn này. Các anh, chị, em, bạn bè thân hữu đã luôn
động viên, khuyến khích và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.
Dù đã rất cố gắng hoàn thành luận văn bằng tất cả lòng nhiệt tình và tâm
huyết, song chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi mong nhận được sự
góp ý chân thành từ quý Thầy, Cô giáo.
Hà Nội, ngày 25 tháng 2 năm 2016
Học viên

Phạm Văn Hoàng


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1. Sự cần thiết nghiên cứu của đề tài luận văn ............................................................1
2. Mục tiêu tiêu của đề tài ...........................................................................................2
3. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................2
4. Ý nghĩa của đề tài ....................................................................................................2
4.1. Ý nghĩa khoa học .................................................................................................2
4.2. Ý nghĩa trong thực tiễn ........................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................4
1.1. Cơ sở khoa học .....................................................................................................4
1.1.1. Cơ sở lý luận .....................................................................................................4
1.1.2. Cơ sở thực tiễn ................................................................................................11
1.2. Quá trình hình thành khí nhà kính từ một lưu vực tự nhiên ..............................12

1.2.1. Chu trình Cacbon trong một lưu vực tự nhiên ................................................12
1.2.2. Chu trình Cacbon trong một hệ sinh thái thủy sinh ........................................13
1.2.3. Sự hình thành khí Mêtan trong môi trường thủy sinh yếm khí........................14
1.3. Chu trình carbon trong một hồ chứa ..................................................................17
1.4. Những yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phát thải khí nhà kính từ hồ thủy điện .19
1.4.1. Quá trình cacbon hữu cơ vào hồ chứa............................................................19
1.4.2. Các điều kiện dẫn đến sản sinh các loại khí nhà kính. ...................................20
1.4.3. Quy trình ảnh hưởng đến sự phân bố của khí nhà kính trong các hồ chứa: ..20
1.5. Lịch sử nghiên cứu khả năng phát thải khí nhà kính từ hồ thủy điện ................20
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................23
2.1. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ...................................................23
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu. ....................................................................................23
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu .........................................................................................23
2.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu ......................................................................23
2.2.1. Địa điểm nghiên cứu .......................................................................................23
2.2.2. Thời gian nghiên cứu ......................................................................................24


2.3. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................26
2.3.1. Phương pháp kế thừa ......................................................................................26
2.3.2. Phương pháp tổng hợp và phân tích số liệu ...................................................26
2.3.3. Phương pháp mô hình hồi quy ........................................................................26
2.3.4. Phương pháp lấy mẫu, bảo quản mẫu và phương pháp xác định ..................28
2.3.5. Phương pháp xử lý số liệu...............................................................................31
2.4. Thời gian lấy mẫu ..............................................................................................31
2.5. Cách tiếp cận giải quyết vấn đề nghiên cứu.......................................................32
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..............................33
3.1. Đặc điểm khu vực nghiên cứu ...........................................................................33
3.1.1. Đặc điểm hồ chứa thủy điện Sơn La ...............................................................33
3.1.2. Điều kiện địa hình ...........................................................................................35

3.1.3. Điều kiện địa chất ...........................................................................................36
3.1.4. Thổ nhưỡng .....................................................................................................36
3.1.5. Điều kiện khí hậu ............................................................................................39
3.1.6. Điều kiện thủy văn ...........................................................................................43
3.1.7. Tài nguyên sinh vật và đa dạng sinh học lưu vực sông Đà ............................46
3.2. Đánh giá chất lượng nước hồ thủy điện Sơn La trước và sau tích nước............48
3.3. Xác định lượng khí CO2 và CH4 phát thải trên mặt hồ ......................................56
3.3.1. Kết quả đo khí CO2 .........................................................................................56
3.3.2. Kết quả đo khí CH4 .........................................................................................57
3.4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành khí CO2, CH4 trong hồ thủy điện
Sơn La. ......................................................................................................................59
3.4.1. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 và nhiệt độ nước hồ ...........................................59
3.4.2. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với Oxy hòa tan (DO) .......................................61
3.4.3. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với COD ............................................................62
3.4.4. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với độ kiềm ........................................................64
3.4.5. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với tổng Nitơ .....................................................65
3.4.6. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với PO43-............................................................67


3.4.7. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với pH................................................................68
3.4.8. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với TDS ............................................................69
3.4.9. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với độ dẫn điện .................................................71
3.5. Xây dựng phương trình dự báo lượng phát thải khí CO2 và CH4 trên hồ thủy
điện Sơn La ...............................................................................................................72
3.5.1. Phương trình dự báo khả năng phát thải khí CO2 ..........................................72
3.5.2. Phương trình dự báo khả năng phát thải khí CH4 ..........................................74
3.6. Kiểm định phương trình .....................................................................................75
3.6.1. Kiểm định phương trình dự báo phát thải khí CO2 .........................................75
3.6.2. Kiểm định phương trình dự báo phát thải khí CH4 .........................................76
3.7. Một số biện pháp giảm thiểu phát thải khí nhà kính (CO2 và CH4) cho hồ thủy

điện Sơn La ...............................................................................................................77
3.7.1. Trồng và bảo vệ rừng đầu nguồn ....................................................................78
3.7.2. Quản lý, sử dụng hợp lý tài nguyên đất lưu vực hồ chứa Sơn La ...................81
3.7.3. Một số giải pháp khai thác hợp lý tài nguyên nước mặt khu vực hồ chứa Sơn
La...............................................................................................................................82
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................86
PHỤ LỤC .................................................................................................................91


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Tọa độ vị trí lấy mẫu.................................................................................23
Bảng 2.2. Đánh giá mối liên hệ từ hệ số tương quan ................................................27
Bảng 2.3. Dữ liệu đầu vào mô hình ..........................................................................27
Bảng 2.4. Các thông số nước mặt và phương pháp xác định ....................................28
Bảng 2.5. Thời gian lấy mẫu .....................................................................................31
Bảng 3.1. Diện tích các loại rừng vùng lưu vực Sông Đà ........................................48
Bảng 3.2. Tổng hợp kết quả chất lượng nước hồ TĐ Sơn La (2009-2014) ..............48
Bảng 3.3. Tổng lượng sinh khối bị ngập khi hồ tích nước .......................................51
Bảng 3.4. Kết quả phân tích chất lượng nước hồ TĐ Sơn La 2015 ..........................53
Bảng 3.5. Kết quả đo lượng khí CO2 trên mặt hồ .....................................................56
Bảng 3.6. Kết quả đo lượng khí CH4 trên mặt hồ .....................................................58
Bảng 3.7. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với nhiệt độ .................................................59
Bảng 3.8. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với DO ........................................................61
Bảng 3.9. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với COD......................................................62
Bảng 3.10. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với Độ kiềm ..............................................64
Bảng 3.11. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với tổng N .................................................65
Bảng 3.12. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với PO43- ...................................................67
Bảng 3.13. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với pH .......................................................68
Bảng 3.14. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với TDS ....................................................69

Bảng 3.15. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với độ dẫn điện .........................................71
Bảng 3.16. Mối tương quan giữa CO2 với một số chỉ tiêu trong nước .....................72
Bảng 3.17. Hệ số xác định giữa CO2 với một số chỉ tiêu trong nước .......................73
Bảng 3.18. Mối tương quan giữa CH4 với một số chỉ tiêu trong nước .....................74
Bảng 3.19. Hệ số xác định giữa CH4 với một số chỉ tiêu trong nước .......................75
Bảng 3.20. Tỷ lệ phát thải khí CO2 từ hồ thủy điện Sơn La .....................................76
Bảng 3.21. Tỷ lệ phát thải khí CH4 từ hồ thủy điện Sơn La .....................................77
Bảng 3.22. Tên một số loại cây trồng rừng phòng hộ đầu nguồn .............................79
Bảng 3.23. Một số loại cây bản địa ...........................................................................80
Bảng 3.24. Phát triển rừng phù hợp với địa hình, đất đai khu vực ...........................81
Bảng 3.25. Danh sách các điểm giám sát lấy mẫu chất lượng nước .........................83


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Mô hình hiệu ứng khí nhà kính ..................................................................5
Hình 1.2. Khí CO2 trong khí quyển tăng dần từn năm 1978.......................................7
Hình 1.3. Khí CH4 trong khí quyển tăng trong các năm .............................................8
Hình 1.4. Chu trình khí nhà kính từ một lưu vực tự nhiên .......................................13
Hình 1.5. Chu trình cacbon trong hệ sinh thái thủy sinh. .........................................14
Hình 1.6. Mặt cắt miêu tả quá trình sinh khí CH4, CO2, từ một hồ, trường hợp này là
hồ thủy điện Sơn La ..................................................................................................18
Hình 1.7. Sơ đồ lịch sử nghiên cứu về khí nhà kính và khả năng phát thải khí nhà
kính từ hồ thủy điện ..................................................................................................21
Hình 2.1. Sơ đồ vị trí lấy mẫu ...................................................................................25
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý lấy mẫu khí CO2 .............................................................29
Hình 2.3. Ảnh lấy mẫu nước, khí CO2, CH4 .............................................................31
Hình 2.4. Sơ đồ các bước thực hiện ..........................................................................32
Hình 3.1. Sơ đồ vị trí hồ thủy điện Sơn La ...............................................................34
Hình 3.2. Sơ đồ các loại đất lưu vực sông Đà...........................................................38
Hình 3.3. Lượng mưa trung bình nhiều năm lưu vực sông Đà .................................41

Hình 3.4. Dòng chảy trung bình nhiều năm lưu vực sông Đà ..................................45
Hình 3.5. Đồ thị giá trị trung bình một số chỉ tiêu chất lượng nước hồ ....................50
TĐ Sơn La .................................................................................................................50
Hình 3.6. Đồ thị giá trị trung bình giá trị N và P trong nước hồ TĐ Sơn La ............51
Hình 3.7. Biểu đồ chất lượng nước hồ TĐ Sơn La 2015 ..........................................54
Hình 3.8. Biểu đồ hàm lượng chất dinh dưỡng Nitơ và PO43- ..................................55
trong hồ TĐ Sơn La ..................................................................................................55
Hình 3.9. Đồ thị lượng khí CO2 sinh ra trên mặt hồ .................................................57
Hình 3.10. Đồ thị lượng khí CH4 sinh ra trên mặt hồ ...............................................58
Hình 3.11a. Mối tương quan giữa CO2 sinh ra và nhiệt độ của nước .......................60
Hình 3.11b. Mối tương quan CH4 và nhiệt độ của nước...........................................60
Hình 3.12a. Mối tương quan giữa CO2 và DO..........................................................62


Hình 3.12b. Mối tương quan CH4 và DO .................................................................62
Hình 3.13a. Mối tương quan giữa CO2 và COD .......................................................63
Hình 3.13b. Mối tương quan CH4 và COD ...............................................................63
Hình 3.14a. Mối tương quan giữa CO2 và độ kiềm ..................................................65
Hình 3.14b. Mối tương quan CH4 và độ kiềm ..........................................................65
Hình 3.15a. Mối tương quan giữa CO2 và tổng N ....................................................66
Hình 3.15b. Mối tương quan giữa CH4 và tổng N ....................................................66
Hình 3.16a. Mối tương quan giữa CO2 và PO43- .......................................................68
Hình 3.16b. Mối tương quan giữa CH4 và PO43-.......................................................68
Hình 3.17a. Mối tương quan giữa CO2 và pH ..........................................................69
Hình 3.17b. Mối tương quan giữa CH4 và pH ..........................................................69
Hình 3.18a. Mối tương quan giữa CO2 và TDS ........................................................70
Hình 3.18b. Mối tương quan giữa CH4 và TDS........................................................70
Hình 3.19a. Mối tương quan giữa CO2 và Cond .......................................................72
Hình 3.19b. Mối tương quan giữa CH4 và Cond ......................................................72
Hình 3.20. Biểu đồ thể hiện CO2 thực nghiệm và dự báo.........................................76

Hình 3.21. Biểu đồ thể hiện CH4 thực nghiệm và dự báo.........................................77


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BUR

Báo cáo cập nhật hai năm một lần của Việt Nam cho công ước
khung của Liên hợp Quốc về biến đổi khí hậu

EA

Cơ quan Năng lượng Quốc tế

IHA

Chương trình thủy văn Quốc tế

IPCC

Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu

KNK

Khí nhà kính

KT-XH

Kinh tế - xã hội

LULUCF


Sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp

MNC

Mực nước chết

MNDBT

Mực nước dâng bình thường

UNESCO -IHE

Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa của Liên hiệp quốc

UNFCCC

Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu

TĐ

Thủy điện

TV

Thủy văn

WCD

Ủy ban thế giới về đập


WMO

Tổ chức Khí tượng Thế giới


MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết nghiên cứu của đề tài luận văn
Biến đổi khí hậu là vấn đề toàn cầu, thách thức nghiêm trọng đối với toàn nhân
loại, gây ra những biến đổi mạnh mẽ thông qua các hiện tượng thời tiết cực đoan, dị
thường. Điển hình của kiểu thời tiết dị thường là nhiệt độ tăng, bão mạnh, mưa lớn, lũ
lụt, hạn hán và nước biển dâng cao... Trong đó Việt Nam đã và đang phải đương đầu
với những biểu hiện ngày càng gia tăng của những hiện tượng thời tiết này. Những
yếu tố từ tự nhiên và đặc biệt là sự tác động từ con người ảnh hưởng không nhỏ đến
quá trình biến đổi khí hậu trong đó có các hồ chứa thủy điện (TĐ). Thực hiện theo
Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu (UNFCCC), Việt Nam đã
xây dựng các Thông báo quốc gia và Báo cáo cập nhật 2 năm một lần (BUR) bao
gồm kết quả kiểm kê quốc gia khí nhà kính (KNK). Phát thải khí nhà kính tại Việt
Nam phân theo các lĩnh vực: Năng lượng, các quá trình công nghiệp, nông nghiệp, sử
dụng đất và thay đổi sử dụng đất nông nghiệp (LULUCF), chất thải. Quá trình tính
toán phát thải KNK tuân theo hướng dẫn của IPCC. Tuy nhiên đến nay vẫn chưa có
kết quả chính thức cho việc kiểm kê lượng phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực Thủy
điện ở Việt Nam. Vì vậy, việc nghiên cứu kiểm kê phát thải khí nhà kính sinh ra từ hồ
chứa Thủy điện Sơn La có vai trò quan trọng làm cơ sở để kiểm kê phát thải khí nhà
kính cho các hồ chứa thủy điện khác trong phạm vi ngành thủy điện, góp phần giảm
thiểu nhẹ khả năng phát thải khí nhà kính từ các hồ chứa thủy điện vào quá trình biến
đổi khí hậu.
Nhà máy TĐ Sơn La có vị trí tại xã Ít Ong, huyện Mường La, tỉnh Sơn La. Nhà
máy được khởi công xây dựng vào ngày 2 tháng 12 năm 2005. Sau 7 năm xây dựng,
Thủy điện Sơn La được khánh thành vào ngày 23 tháng 12 năm 2012. Quy mô công

trình: mực nước dâng bình thường (MNDBT) 215m, mực nước chết (MNC) 175m;
công suất lắp máy 2.400 MW; sản lượng điện trung bình hàng năm 9.429 triệu kWh.
Hồ chứa có diện tích 224 km2 ứng với MNDBT 215 m (thuộc phạm vi 3 tỉnh: Sơn
La, Lai Châu và Điện Biên). Tổng dung tích hồ chứa là 9.260 triệu m3, dung tích hữu
ích là 6.504 triệu m3. Đến nay, nhà máy TĐ Sơn La đã đi vào hoạt động được khoảng

1


5 năm, vì vậy việc đánh giá khả năng phát thải khí nhà kính nhằm đưa ra các giải
pháp giảm thiểu là rất cần thiết và là cơ sở bước đầu để ứng dụng nghiên cứu này cho
định hướng tính toán phát thải cho các Dự án Thủy điện lân cận khác.
Nhận thức rõ tầm quan trọng và tính cấp thiết của việc nghiên cứu này, tác giả
đã lựa chọn luận văn với đề tài: “Đánh giá khả năng phát thải khí nhà kính của hồ
Thủy điện Sơn La”.
2. Mục tiêu của đề tài
Đánh giá khả năng phát thải khí nhà kính và xây dựng phương trình dự báo
phát thải khí nhà kính CO2 và CH4 của hồ TĐ Sơn La.
3. Nội dung nghiên cứu
- Đặc điểm khu vực nghiên cứu;
- Đánh giá chất lượng nước hồ chứa thủy điện Sơn La trước và sau khi tích
nước;
- Xác định lượng khí CO2 và CH4 đo được từ mặt hồ TĐ Sơn La trong thời gian
nghiên cứu.
- Một số yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phát thải khí CO2 và CH4 từ hồ TĐ Sơn
La;
- Xây dựng phương trình dự báo khả năng phát thải khí CO2 và CH4 từ hồ TĐ
Sơn La;
- Một số biện pháp giảm thiểu phát thải khí nhà kính CO2 và CH4 cho hồ thủy
điện Sơn La.

4. Ý nghĩa của đề tài
4.1. Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ phương pháp tính toán dự báo phát thải khí
nhà kính từ hồ thủy điện Sơn La cũng như các hồ nằm trong khu vực nhiệt đới khác
từ các thông số chất lượng nước cơ bản.
4.2. Ý nghĩa trong thực tiễn
- Hiện tại, việc quan trắc chất lượng nước định kì được thực hiện thuận lợi hơn
nhiều so với quan trắc khí CO2 và CH4 sinh ra từ hồ thủy điện. Do vậy kết quả của
luận văn sẽ giúp tận dụng được kết quả đo chất lượng nước định kỳ thực hiện theo

2


Luật bảo vệ Môi trường số 55/2014/QH13 năm 2014 tại các hồ thủy điện để tính toán
dự báo lượng khí CO2 và CH4 phát thải từ hồ chứa mà không cần phải trực tiếp đo khí
này ở hồ.
- Luận văn đã đề xuất hướng giảm thiểu khí thải nhà kính, cũng như bảo vệ
nguồn nước của hồ chứa thủy điện Sơn La và làm cơ sở định hướng tính toán phát
thải khí nhà kính từ các hồ thủy điện khác.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Cơ sở khoa học
1.1.1. Cơ sở lý luận
1.1.1.1. Một số khái niệm
* Khí hậu:
Theo WMO, khí hậu là trạng thái trung bình của thời tiết tại một khu vực nào
đó, như một tỉnh, một nước, một châu lục hoặc toàn cầu trên cơ sở chuỗi số liệu dài

(thường từ nhiều tháng đến hàng triệu năm, trước đây thời gian dùng để đánh giá là
30 năm. Khí hậu bao gồm các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, áp suất khí quyển,
các hiện tượng xảy ra trong khí quyển và nhiều yếu tố khí tượng khác trong khoảng
thời gian dài ở một vùng, miền xác định [47].
* Biến đổi khí hậu:
Theo IPCC (2007), biến đổi khí hậu là sự biến đổi trạng thái của hệ thống khí
hậu, có thể được nhận biết qua sự biến đổi về trung bình và sự biến đổi về các thuộc
tính của nó, được duy trì trong một khoảng thời gia đủ dài, điển hình là hàng thập kỷ
hoặc dài hơn. Nói cách khác, nếu coi trạng thái cân bằng của hệ thống khí hậu là điều
kiện thời tiết trung bình và những biến động của nó trong vài thập kỷ hoặc dài hơn,
thì biến đổi khí hậu là sự biến đổi từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng
khác của hệ thống khí hậu [33].
* Hiệu ứng nhà kính:
Hiệu ứng nhà kính chỉ hiệu ứng giữ nhiệt ở tầng thấp của khí quyển bởi các khí
nhà kính hấp thụ bức xạ từ mặt đất phát ra và phát xạ trở lại mặt đất làm cho lớp khí
quyển tầng thấp và bề mặt Trái đất ấm lên tựa như vai trò của một nhà kính và được
gọi là hiệu ứng nhà kính.
Các tia bức xạ sóng ngắn của mặt trời xuyên qua bầu khí quyển đến mặt đất và
được phản xạ trở lại thành các bức xạ nhiệt sóng dài. Một số phân tử trong bầu khí
quyển, trong đó trước hết là điôxít cacbon và hơi nước, có thể hấp thụ những bức xạ
nhiệt này và thông qua đó giữ hơi ấm lại trong bầu khí quyển. Hàm lượng ngày nay
của khí đioxit cacbon vào khoảng 0,036% đã đủ để tăng nhiệt độ thêm khoảng 30°C.

4


Nếu không có hiệu ứng nhà kính tự nhiên này nhiệt độ Trái Đất của chúng ta chỉ vào
khoảng –15°C [47].

Hình 1.1. Mô hình hiệu ứng khí nhà kính [31]

* Khí nhà kính:
Khí nhà kính là những khí có khả năng hấp thụ các bức xạ sóng dài (hồng
ngoại) được phản xạ từ bề mặt Trái Đất khi được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời,
sau đó phân tán nhiệt lại cho Trái Đất, gây nên hiệu ứng nhà kính. Các khí nhà kính
chủ yếu bao gồm: hơi nước, CO2, CH4, N2O, O3, các khí CFC. Tỷ lệ phần trăm các
khí gây hiệu ứng nhà kính: Hơi nước (H2O): 36 đến 72%, CO2 khoảng 9 đến 26%,
CH4 khoảng 4 đến 9%, O3 khoảng 3 đến 7% [47].
1.1.1.2. Tính chất lý hóa của CO2 và CH4
a) Tính chất lý hóa học của CO2
CO2 là một khí không màu mà khi hít thở phải ở nồng độ cao (nguy hiểm do nó
gắn liền với rủi ro ngạt thở) tạo ra vị chua trong miệng và cảm giác nhói ở mũi và cổ
họng. Các hiệu ứng này là do khí hòa tan trong màng nhầy và nước bọt, tạo ra dung
dịch yếu của axít cacbonic.
Tỷ trọng riêng của nó ở 25°C là 1,98 kg/m3, khoảng 1,5 lần nặng hơn không
khí. Phân tử cacbonic (O=C=O) chứa hai liên kết đôi và có hình dạng tuyến tính. Nó

5


không có lưỡng cực điện. Do nó là hợp chất đã bị ôxi hóa hoàn toàn nên về mặt hóa
học nó không hoạt động lắm và cụ thể là không cháy.
Ở nhiệt độ dưới -78°C, CO2 ngưng tụ lại thành các tinh thể màu trắng gọi là
băng khô. Điôxít cacbon lỏng chỉ được tạo ra dưới áp suất trên 5,1 barơ; ở diều kiện
áp suất khí quyển, nó chuyển trực tiếp từ các pha khí sang rắn hay ngược lại theo một
quá trình gọi là thăng hoa.
Nước sẽ hấp thụ một lượng nhất định điôxít cacbon và nhiều hơn lượng này khi
khí bị nén. Khoảng 1% điôxít cacbon hòa tan chuyển hóa thành axít cacbonic. Axít
cacbonic phân ly một phần thành các ion bicacbonat (HCO3-) và cacbonat (CO32-).
Điôxít cacbon là sản phẩm cuối cùng trong cơ thể sinh vật có sự tích lũy năng
lượng từ việc phân hủy đường hay chất béo với ôxy như là một phần của sự trao đổi

chất của chúng, trong một quá trình được biết đến như là sự hô hấp của tế bào. Nó
bao gồm tất cả các loài thực vật, động vật, nhiều loại nấm và một số vi khuẩn. Trong
các động vật bậc cao, CO2 chuyển trong máu từ các mô của cơ thể tới phổi và ở đây
nó bị thải ra ngoài.
Hàm lượng điôxít cacbon trong không khí trong lành là khoảng 0,04%, và
trong không khí bị thải ra từ sự thở là khoảng 4,5%. Khi thở trong không khí với
nồng độ cao (khoảng 5% theo thể tích), nó là độc hại đối với con người và các động
vật khác [47].
b) Tính chất lý hóa học của CH4
Mêtan với công thức hóa học là CH4, là một hydrocacbon nằm trong dãy đồng
đẳng ankan. Mêtan là hydrocacbon đơn giản nhất. Ở điều kiện tiêu chuẩn, mêtan
là chất khí không màu, không vị. Nó hóa lỏng ở −162 °C, hóa rắn ở −183 °C và rất dễ
cháy. Một mét khối mêtan ở áp suất thường có khối lượng 717 g.
CH4 nguyên chất không mùi, nhưng khi được dùng trong công nghiệp, nó
thường được trộn với một lượng nhỏ các hợp chất chứa lưu huỳnh có mùi mạnh
như etyl mecaptan để dễ phát hiện trong trường hợp bị rò rỉ.
CH4 hoàn toàn không độc. Nguy hiểm đối với sức khỏe là nó có thể gây bỏng
nhiệt. Nó dễ cháy và có thể tác dụng với không khí tạo ra sản phẩm dễ cháy nổ.

6


Mêtan rất hoạt động đối với các chất ôxi hoá, halogen và một vài hợp chất của
halogen. Mêtan là một chất gây ngạt và có thể chiếm chỗ ôxy trong không khí ở điều
kiện bình thường. Ngạt hơi có thể xảy ra nếu mật độ oxy hạ xuống dưới 18 %.
Mêtan là thành phần chính của khí tự nhiên, khí dầu mỏ, khí bùn ao, đầm lầy.
Nó được tạo ra trong quá trình chế biến dầu mỏ, chưng cất khí than đá. Mêtan có
nhiều ứng dụng, chủ yếu dùng làm nhiên liệu. Đốt cháy 1 mol mêtan có mặt ôxy sinh
ra 1 mol CO2 và 2 mol H2O (nước) [47].
CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O

1.1.1.3. Diễn biến khí CO2 trong khí quyển nhiều năm
Nồng độ CO2 trong khí quyển ổn định hợp lý (thường là 278 ppm) trước khi
công nghiệp hóa. Kể từ đầu thế kỷ 20, nồng độ CO2 đã tăng khoảng 40 phần trăm, lên
đến 390 ppm (Hình 1.2). Tốc độ tăng trưởng của carbon dioxide trong khí quyển ở
mức trung bình khoảng 1,68 ppm mỗi năm. Trong vòng 31 năm qua (1979-2010),
trung bình khoảng 1,43 ppm/năm trước năm 1995, và 1,94 ppm mỗi năm sau đó.
Carbon dioxide sinh ra trong giai đoạn tiền công nghiệp đã làm tăng một lượng bức
xạ 1,66 (± 0,17) W.m2. Lượng khí thải trong quá khứ của các loại nhiên liệu hóa
thạch và sản xuất xi măng đã đóng góp khoảng ba phần tư của các bức xạ hiện tại,
phần còn lại do những thay đổi sử dụng đất [33].

Hình 1.2. Khí CO2 trong khí quyển tăng trong các năm [33]

7


1.1.1.4. Diễn biến khí CH4 trong khí quyển nhiều năm
Giống như CO2, nồng độ khí mêtan trong khí quyển ổn định hợp lý trước khi
công nghiệp hóa (thường là 700 ppb). Kể từ khi công nghiệp hóa, nồng độ mêtan
trong khí quyển đã tăng hơn 150 % (~ 1.790 ppb trong năm 2009) (Hình 1.3).

Hình 1.3. Khí CH4 trong khí quyển tăng trong các năm [33]
Tỷ lệ gia tăng của khí CH4 giảm từ năm 1983 tới năm 1999, đạt đến gần
ngưỡng ổn định nguyên nhân là do sự suy giảm nền kinh tế Liên Bang Xô Viết đã
giảm việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Từ năm 1999 đến 2006, nồng độ CH4 khí
quyển ổn định, gần như không thay đổi [33].
Tuy nhiên sự ổn định này tồn tại không dài, đến năm 2007 lượng khí CH4 trên
toàn cầu đã bắt đầu tăng trở lại. Nguyên nhân là do nhiệt độ ở phía Bắc Cực tăng làm
cho các khối băng dần tan và giải phóng khí CH4; nguyên nhân nữa là ở các vùng
nhiệt đới có lượng mưa tăng trong các năm 2007 và 2008 (Dlugokencky et al., 2009).

Lượng khí CH4 tăng đã gây ra một bức xạ khoảng 0,48 (± 0,05) W/m2.
1.1.1.5. Một số thông số thể hiện mức độ ô nhiễm môi trường nước.
Để đánh giá khả năng sinh khí nhà kính từ hồ chứa cũng như chất lượng nước
hồ có thể dựa vào một số chỉ tiêu cơ bản và giới hạn cho phép các chỉ tiêu. Có nhiều
thông số để đánh giá chất lượng nước tự nhiên như: Độ pH, độ cứng, nồng độ oxy

8


hòa tan, nồng độ sắt, man gan, kim loại nặng, độ đục, màu….Các thông số để đánh
giá chất lượng nước thải: độ pH, độ kiềm, độ axit, nồng độ nitơ, photpho, sunfat,
nồng độ các chất và kim loại nặng, dầu mỡ, nhu cầu oxy hóa học; nhu cầu oxy sinh
học… Sau đây tác giả chỉ giới thiệu một số chỉ tiêu cơ bản;
Về mặt hóa, lý:
+ Màu: Màu của nước là do các chất bẩn trong nước gây nên. Màu sắc của nước
ảnh hưởng đến chất lượng khi sử dụng, ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm. Khi
nước chứa nhiều chất lơ lửng, các loại tảo, các chất hữu cơ, các vi sinh vật sống ở các
tầng sâu và tầng đáy, nơi thiếu ảnh sáng mặt trời làm cho hoạt động kém.
+ Độ đục: Nước sạch tự nhiên không chứa các chất rắn lơ lửng nên trong suốt,
không màu. Khi chứa các hạt sét mùn, vi sinh vật, hạt bụi, các chất kết tủa thì nước
trở nên đục. Nước đục ngăn cản quá trình chiếu sáng mặt trời xuống đáy thủy vực.
+ Nhiệt độ: Nhiệt độ nước tự nhiên phụ thuộc vào điều kiện của khu vực hay
môi trường khu vực.
+ Tổng chất rắn hòa tan TDS: là tổng số các ion mang điện tích, bao gồm
khoáng chất, muối hoặc kim loại tồn tại trong một khối lượng nước nhất định, thường
được biểu thị bằng hàm số mg/l hoặc ppm . Người ta thường dùng chỉ số TDS để làm
cơ sở ban đầu xác định mức độ sạch của nguồn nước. Chất rắn hòa tan ảnh hưởng bởi
dòng chảy tự nhiên, lượng nước thải do hoạt động sinh hoạt sản xuất của con người
đổ vào nguồn nước.
+ Độ dẫn điện: Độ dẫn điện liên quan đến sự hiện diện của các muối kim loại

như NaCl, KCl, Na2SO4, KNO3 , trong nước. Khi nước có độ dẫn điện cao thường liên
quan đến tính độc hại của các ion tan trong nước
+ Độ pH: Độ pH của nước là một trong các chỉ tiêu cần kiểm tra đối với chất
lượng nước cấp và nước thải. Giá trị pH đối với nước tinh khiết pH = 7, nước có tính
axit pH < 7, nước có tính kiềm pH >7. Độ pH có ảnh hưởng lớn đến các điều kiện vi
sinh vật sống dưới nước, cá thường không sống được khi pH < 4 hoặc pH > 10, sự
thay đổi pH có liên quan đến sự hiện diện của hóa chất, axit, hoặc kiềm, có sự phân
hủy các chất hữu cơ, sự hòa tan của một số anion SO42- , hoặc NO3-.

9


+ Độ axit hoặc độ kiềm: Độ axit của nước trong tự nhiên là do CO2 hoặc các
axit vô cơ gây ra, CO2 có thể có trong nước do hấp thụ từ không khí hoặc do quá trình
sinh học chuyển hóa thành các chất hữu cơ trong nước tạo thành CO2 và nước, các
axit vô cơ thường có nhiều trong nước ngầm, khi chảy qua các vùng mỏ hoặc lớp
khoáng có chứa các hợp chất của lưu huỳnh như MeS, FeS2.
Độ kiềm cao trong nước có ảnh hưởng tới sự sống của các vi sinh vật trong
nước, là nguyên nhân gây nên độ cứng trong nước. Trong kiểm soát ô nhiễm nước thì
độ kiềm là chỉ tiêu cần biết để tính toán cho quá trình trung hòa hoặc làm mềm nước,
hoặc các dung dịch đệm trung hòa axit sinh ra trong quá trình đông tụ.
+ Nồng độ oxy hòa tan trong nước: Oxy hòa tan trong nước là lượng oxy từ
không khí có thể hòa tan vào trong nước sẽ tham gia vào quá trình trao đổi chất, duy
trì năng lượng cho quá trình phát triển, sinh sản và tái sản xuất cho các sinh vật sống
dưới nước. Khi nồng độ DO quá thấp hoặc quá cao, các loài sinh vật nước thiếu oxy
sẽ giảm hoạt động hoặc chết. Do vậy DO là chỉ số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm
nước của thủy vực. Khi chỉ số DO thấp có nghĩa là nước có nhiều chất hữu cơ, nhu
cầu oxy hóa tăng, nên tiêu thụ nhiều oxy trong nước. Khi chỉ số DO cao chứng tỏ
nước có nhiều rong tảo tham gia vào quá trình quang hợp, giải phóng oxy, chỉ số DO
rất quan trọng dể duy trì diều kiện hiếu khí và là có sở để xác định nhu cầu oxy hóa

học (BOD).
+ Nhu cầu oxy sinh hóa: Nhu cầu oxy hóa là lượng oxy cần thiết để sinh vật
tiêu thụ trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ hòa tan dễ phân hủy trong nước (đặc
biệt là nước thải)
Hợp chất hữu cơ + O2

vi khuẩn

CO2 + H2O

Oxy sử dụng trong quá trình này là oxy hòa tan trong nước: Chỉ số BOD là
thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước do các chất hữu cơ có thể
bị vi sinh vật phân hủy trong điều kiện hiếu khí, chỉ số BOD chỉ ra lượng oxy mà vi
khuẩn tiêu thụ trong phản ứng oxy hóa các chất hữu cơ trong nước ô nhiễm, chỉ số
BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học ô nhiễm
trong nước càng lớn.

10


+ Nhu cầu oxy hóa học: Là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa các chất
hữu hòa tan dễ phân hủy và khó phân hủy có trong nước thành CO2 và H2O. COD
biểu thị lượng chất hữu có thể oxy hóa bằng hóa học. Trong thực tế COD được đặc
trưng cho mức độ các chất hữu cơ trong nước ô nhiễm (kể cả chất hữu có dễ phân
hủy và khó phân hủy sinh học).
+ Tác nhân hóa học: Tác nhân hóa học gây ô nhiễm nước bao gồm các kim loại
nặng, các anion NO3-, PO43-, SO42- , thuốc bảo vệ thực vật. Các kim loại nặng trong
nước như Hg, Cd, Pb, As, Sb, Cr, Cu, Zn, Mn với nồng độ lớn làm cho nước bị ô
nhiễm, các kim loại nặng không tham gia hoặc ít tham gia vào quá trình sinh hóa,
thường tích lũy lại cơ thể sinh vật, vì vậy chúng là các chất độc đối với vi sinh vật,

kim loại nặng có mặt trong nước từ nhiều nguồn như nước thải công nghiệp, sinh
hoạt từ giao thông, y tế, công nghiệp, khai thác khoáng sản, một số nguyên tố rất độc
đối với sinh vật, kể cả nồng độ thấp như Hg, Cd, As. Các chất NO3-, PO43-, SO42-. Các
nguyên tố N, P, S ở nồng độ thấp là các chất dinh dưỡng đối với tảo và các vi sinh vật
sống dưới nước, nhưng ở nồng độ cao các chất này gây phú dưỡng hoặc biến đổi sinh
hóa trong cơ thể sinh vật và người.
1.1.2. Cơ sở thực tiễn
Nguồn năng lượng được tạo ra từ đốt nhiên liệu hóa thạch cung cấp điện cho
toàn cầu khoảng 68% vào năm 2007, và là nguyên nhân chính thải ra khí thải nhà
kính tới bầu khí quyển (ước tính 40% [33]). So với nhiên liệu hóa thạch thì năng
lượng thủy điện được xem như nguồn năng lượng tái tạo với ưu điểm là ít thải khí
nhà kính [31]. Hiện nay năng lượng thủy điện đáp ứng khoảng 16% nguồn cung cấp
điện của thế giới [31], mà với các nước phụ thuộc vào năng lượng thủy điện thì
nguồn cung cấp lên tới 90%. Trước đây, năng lượng thủy điện được xem là không
phát thải khí nhà kính, tuy nhiên những nghiên cứu gần đây cho thấy, những hồ thủy
điện có khả năng sản sinh khí cacbon vào khí quyển, đặc biệt là trong 20 năm đầu
tích nước [16]. Điều này chủ yếu do lượng sinh khối bị ngập lụt, lượng hữu cơ trong
đất bị xói mòn đất liên tục đổ vào hồ chứa tăng vượt mức do quá trình xây dựng hồ
tạo lên. Thời gian lưu nước trong hồ thường lâu hơn so với các sông, kết hợp với

11


lượng chất dinh dưỡng cao, thuận lợi cho sự phân hủy hữu cơ tạo ra KNK CO2 và
CH4. Hiện nay có ít nhất 45000 hồ chứa thủy điện lớn đang hoạt động trên thế giới
[45]. Diện tích mặt hồ trên thế giới được ước tính vào khoảng 350.000 km2 [16]. Các
hồ có dung tích chứa lớn, cần có sự nghiên cứu, xác định tác động tới khí hậu quy mô
không gian và thời gian.
1.2. Quá trình hình thành khí nhà kính từ một lưu vực tự nhiên
1.2.1. Chu trình Cacbon trong một lưu vực tự nhiên

Một lưu vực tự nhiên được mô tả trong hình 1.4, nguồn cacbon cung cấp cho sự
quang hợp là khí CO2 trong khí quyển. Trong quá trình quang hợp cây xanh hấp thụ
khí CO2 tổng hợp nên các hợp chất hữu cơ tạo lên sinh khối thực vật (các hidrat
cacbon, chất béo, chất đạm, axit nucleic…). Một phần của sinh khối hữu cơ trực tiếp
hình thành chất hữu cơ đất thông qua các chu trình xảy ra ở vùng quyển rễ hoặc lưu
trữ trong cơ thể sinh vật sống cho đến khi nó chết đi và bị phân hủy. Cacbon có thể
giải phóng từ đất dưới dạng CO2 thông qua quá trình hô hấp. Đất cũng là một nơi sinh
ra CH4 (gọi là quá trình Mêtan hóa trong điều kiện yếm khí). CH4 có thể bị oxy hóa
bởi các vi khuẩn Mêtan hóa và khuếch tán từ đất vào môi trường không khí. Đối với
những vùng đất ở vị trí cao thì quá trình hình thành CH4 ít xảy ra. Trong đất ngập
nước, điều kiện khử chiếm ưu thế và quá trình hình thành CH4 và giải phóng nhiều
hơn so với đất ở điều kiện thoáng khí.
Cacbon vô cơ và các bon hữu cơ được chuyển đổi trong hệ thống lưu vực (sông,
hồ và đất ngập nước) bề mặt và dưới bề mặt dòng chảy (Hình 1.4). CO2 và Cacbon vô
cơ hòa tan hoặc cung cấp cho quá trình hô hấp thực vật thủy sinh. CH4 bị oxy hóa
trong đất và nước hoặc giải phóng ra ngoài khí quyển. Phần không phát ra được lưu
lại trong lưu vực hoặc thoát ra khí quyển dưới hạ lưu [16].

12


Hình 1.4. Chu trình khí nhà kính từ một lưu vực tự nhiên
Nguồn: (UNESCO/IHA, 2008).

1.2.2. Chu trình Cacbon trong một hệ sinh thái thủy sinh
Chu trình Cacbon trong hệ sinh thái thủy sinh được mô tả trong hình 1.5. Khối
hữu cơ của hệ sinh thái thủy sinh bao gồm các sinh vật dị dưỡng, tự dưỡng còn sống
hay đã chết đi và tổng hợp từ các hệ sinh thái môi trường xung quanh. Lượng chất
hữu cơ phụ thuộc vào hàm lượng các chất dinh dưỡng có trong nước. Quá trình quang
hợp dưới nước phụ thuộc vào độ đục và hàm lượng các chất dinh dưỡng (nitơ, phốt

pho, silic) tạo sinh khối (trong đó khoảng 40 -45% là cacbon) và giải phóng O2.
Cacbon được đồng hóa từ CO2 trong hợp chất hữu cơ được gọi là cacbon hữu cơ.
Sinh vật tự dưỡng chủ yêu là tảo và thực vật phù du. Trong hệ sinh thái thủy sinh,
sinh vật tự dưỡng sử dụng CO2 hòa tan, đó là các hợp chất vô cơ của cacbon cụ thể
(HCO3-/CO32-). Nồng độ các hợp chất của cacbon trong lưu vực sông có thể tăng cao
do ảnh hưởng tác động nhân tạo.

13


Hình 1.5. Chu trình cacbon trong hệ sinh thái thủy sinh.
Các hợp chất hữu cơ một phần tồn tại trong sinh khối, sinh vật sống, môi trường
nước và một phần được tích tụ lại trong trầm tích. Trong quá trình phân hủy các hợp
chất hữ cơ (hay gọi là Oxy hóa hợp chất hữu cơ) giải phóng khí CO2 và CH4 và một
số loại khí khác [33].
1.2.3. Sự hình thành khí Mêtan trong môi trường thủy sinh yếm khí
Khí Mêtan được hình thành trong điều kiện yếm khí, nó là kết quả hoạt động
của nhóm vi sinh vật có tên là Achaea và được gọi là quá trình Mêtan hóa (Zinder,
1993). Quá trình Mêtan hóa hình thành khi các hợp chất hữu cơ trong trầm tích bị
phân hủy bởi các vi sinh vật kỵ khí trong điều kiện không có khí oxi. Sự mêtan hóa
diễn ra đa dạng trong các môi trường sống kỵ khí, ví dụ như nước biển, nước ngọt,
đầm lầy, đất ngập nước.
Quá trình Mêtan hóa có thể được phân làm 4 giai đoạn
Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân dưới tác dụng của các loại men khác nhau do
nhiều loại vi sinh vật tiết ra (vi khẩn Closdium, bipiclobacterium, bacillus gram âm

14