Tóm tắt: Đông Nam Á là khu vực phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm nhựa biển trầm trọng nhất trên thế giới; trong đó, sông Mekong là một trong những con sông lớn nhất trong khu vực, được xếp hạng là nguồn thải nhựa đại dương lớn đứng thứ 8-11 trên phạm vi toàn cầu. Trong nghiên cứu này, chúng tôi điều tra cách thức các hạt vi nhựa trôi giạt từ sông Mekong ra khu vực biển Đông Nam Á và xác định vùng ven biển trong khu vực có mức độ phơi nhiễm cao nhất. Nhóm nghiên cứu đã xác định các yếu tố tiềm ẩn (độ lệch do gió, sông ngòi, khuếch tán dọc và tốc độ chìm theo chiều dọc) ảnh hưởng đến hoạt động trôi nổi chất thải nhựa trong khu vực thông qua ứng dụng mô hình OpenDrift, sử dụng các dữ liệu về gió và hải lưu thực tế để mô phỏng quá trình quá trình này trong giai đoạn từ 3 tháng (mùa hè và mùa đông) đến 15 tháng. Chúng tôi phát hiện ra rằng sự trôi giạt rác nhựa bị ảnh hưởng bởi hệ thống gió mùa và phần lớn chất thải nhựa sẽ trôi giạt đến vùng biển Philippin và Indonesia. Kết quả nghiên cứu cho thấy vùng ven biển Philippin và Indonesia là hai khu vực có mức độ phơi nhiễm cao nhất về ô nhiễm rác thải nhựa từ sông Mekong. Nghiên cứu này cho thấy các mô phỏng về trôi dạt nhựa trên biển rất khác nhau, tùy thuộc vào nhiều yếu tố và giả định. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu cung cấp thông tin chi tiết hơn về ô nhiễm nhựa biển ở Đông Nam Á và hy vọng sẽ giúp các cơ quan chức năng có những hành động thiết thực hơn.
Dung M. Nguyen1,2 , Lars R. Hole1,*, ThuyB. Nguyen3, và Ngoc Kh. Pham3
1 Cơ quan khí tượng Na-uy, 5007 Bergen, Na Uy
2 Viện địa vật lý, Đại học Bergen, 5007 Bergen, Na Uy
3 Trung tâm Dự báo khí tượng thuỷ văn quốc gia
* Tác giả liên hệ: lrh@met.no
Các kết quả chính
Quỹ đạo trôi giạt nhựa biển
Ứng dụng mô hình OpenDrift, nhóm nghiên cứu đã giải phóng các hạt nhựa trong khoảng hơn 05 tháng từ tháng VI đến tháng X năm 2020, và để chúng trôi giạt trên biển trong khoảng thời gian 10 tháng; hạt nhựa sẽ bị vô hiệu hóa (mắc cạn) khi chúng giạt vào bờ.
| |
 |
| Hình 1: Quỹ đạo trôi nổi chất nhựa trong 15 tháng |
Hình 1 cho thấy sau 15 tháng, khoảng 96% hạt nhựa bị mắc cạn, và 4% còn lại vẫn tiếp tục trôi giạt trên vùng biển của các nước ven Biển Đông, biển Sulu (Philippin) và hai đại dương lân cận. Nhựa chủ yếu mắc kẹt dọc theo vùng ven biển phía Đông và Nam biển Đông, như Philippin và Indonesia.
| |
 |
| Hình 2: Tỉ lệ nhựa mắc cạn tại các quốc gia |
Philippin là quốc gia có tỉ lệ nhựa mắc cạn cao nhất (47%), theo sau là Indonesia (24%), Việt Nam (14%), và Malaysia (8%) (Hình 2). Hầu hết các hạt nhựa sẽ bị mắc cạn sau vài tháng với thời gian trôi giạt trung bình là 4 tháng.
Đặc điểm trôi giạt theo mùa và ảnh hưởng của độ lệch do gió
Đặc điểm trôi giạt theo mùa và ảnh hưởng của độ lệch do gió đối với quỹ đạo nhựa biển vào mùa hè và mùa đông cùng với hướng gió được thể hiện ở hình 3 và 4. Vào mùa hè, nhựa trôi nổi về hướng đông và đông bắc, số lượng lớn hạt nhựa giạt về vùng duyên hải phía Tây của miền Bắc Malaysia và Phillipin. Vào mùa đông, các hạt nhựa di chuyển chủ yếu theo hướng Tây Nam, giạt về vùng duyên hải Thái Lan và Tây Malaysia.
Ảnh hưởng của độ lệch do gió thể hiện rõ nét hơn vào mùa Đông. Vào mùa hè, gió không ảnh hưởng đáng kể đến hướng trôi giạt của nhựa, trong khi đó vào mùa đông, độ lệch do gió chuyển hướng hạt nhựa về phía tây.
| | |
| |  | | Hình 3: Ảnh hưởng của độ lệch do gió vào mùa hè |
| | |  | | Hình 4: Ảnh hưởng của độ lệch do gió vào mùa đông |
|
Ảnh hưởng của sông Mekong
Nghiên cứu này ứng dụng mô hình ROMS để kiểm tra mức độ ảnh hưởng của dòng chảy sông Mekong đến quỹ đạo trôi giạt của nhựa.
| | |
| |  | | Hình 5: Ảnh hưởng dòng chảy của sông đến hoạt động trôi giạt nhựa vào mùa hè |
| | |  | | Hình 6: Ảnh hưởng dòng chảy của sông đến hoạt động trôi giạt nhựa vào mùa đông |
|
Từ hình 5 và 6, có thể thấy rằng các hạt nhựa màu đen (khi có ảnh hưởng của dòng chảy sông) trôi giạt ở khu vực rộng lớn hơn so với hạt nhựa xanh vào cả mùa hè và mùa đông. Điều này có nghĩa rằng dòng chảy sông Mekong giữ vai trò quan trọng trong phân tán nhựa đại dương, hay dòng chảy sông thúc đẩy quá trình phân tán hạt nhựa.
Khuếch tán dọc
| |
 |
| Hình 7: Nhựa trôi giạt khi có và không có khuếch tán dọc |
Nhóm nghiên cứu sử dụng mô hình OpenDrift để thử nghiệm ảnh hưởng của khuếch tán dọc lên quỹ đạo trôi giạt nhựa biển. Kết quả cho thấy khuếch tán dọc có ảnh hưởng rất lớn đến chuyển động trôi của nhựa. Mô phỏng cho thấy các hạt nhựa (màu xanh - khi không có khuếch tán dọc) tiến sâu về phía bắc trong khi chúng (màu đen - khi bị ảnh hưởng bởi khuếch tán dọc) tập trung ở khu vực giữa biển. Cụ thể là vĩ độ của các hạt nhựa màu xanh và đen lần lượt là 8.5 độ Bắc và 11.8 độ Bắc (Hình 7). Như vậy, nếu không có khuếch tán dọc, các hạt nhựa có thể di chuyển đến 360km về phía Bắc.
    |  | | Hình 8: Mật độ hạt nhựa theo chiều sâu mực nước biển |
| Sự phân phối theo chiều dọc của các hạt nhựa diễn ra theo hai kịch bản sau. Trong trường hợp có ảnh hưởng của khuếch tán dọc, mật độ của các hạt nhựa giảm theo cấp số nhân theo độ sâu và hầu hết các hạt được tìm thấy ở độ sâu từ 0 đến 5 m. Và ngược lại, khi không có khuếch tán dọc, chúng sẽ nổi trên bề mặt biển. |
|
Ảnh hưởng của tốc độ chìm
Trong mô hình OpenDrift, nhóm nghiên cứu đã áp dụng tốc độ đầu cuối lần lượt là 2 và 5m/ngày, và giải phỏng hạt nhựa từ từ trong khoảng thời gian từ tháng 6 đến tháng 10, 2020, và tiếp tục để hạt nhựa trôi giạt trong 10 tháng tiếp theo để kiểm tra ảnh hưởng của tốc độ chìm đối với chuyển động trôi giạt của hạt nhựa. Khi hạt nhựa chạm tới đáy biển, chúng sẽ bị vô hiệu hóa.
Với tốc độ đầu cuối là 2m/ngày, các hạt nhựa sẽ phân tán ra hầu hết các vùng biển. Ngoài ra, ở những khu vực có sự chênh lệch lớn về độ sâu như quần đảo Hoàng Sa (phía Tây Bắc) và quần đảo Trường Sa (phía Đông), có thể quan sát được hạt nhựa cả trên bề mặt (hạt đen) và dưới đáy biển (hạt đỏ). Và với tốc độ là 5m/ngày, hầu hết các hạt nhựa chìm xuống ở khu vực sông Mekong.
[Xem thêm mô phỏng các chuyển động này tại Youtube; nhựa trôi giạt tốc độ 2m/ngày: https://youtube.com/shorts/Jdb8PaFL4iE; phân phối nhựa theo chiều dọc với tốc độ 2m/ngày https://youtu.be/3HMkh5RGUzE; nhựa trôi giạt tốc độ 5m/ngày năm2023, https://youtube.com/shorts/Yew3WEBeME4; phân phối nhựa theo chiều dọc với tốc độ 5m/ngày https://youtu.be/DhUd_5QyWms].
Thảo luận
Philippin là quốc gia có mức độ phơi nhiễm với ô nhiễm nhựa từ sông Mekong cao nhất trong khu vực. Thời gian giải phỏng các hạt nhựa có thể là yếu tố quan trọng nhất dẫn đến kết quả này. Các hạt nhựa được giải phóng trong khoảng thời gian từ tháng 6 đến tháng 10, tương ứng với thời gian nhựa trôi giạt theo dòng lũ và ra biển. Vùng biển Đông có cấu trúc nửa kín và hoàn lưu ở các tầng phía trên chịu ảnh hưởng của hệ thống gió mùa; vào mùa hè và đầu mùa thu, gió mùa Tây Nam chiếm ưu thế ở Biển Đông. Vì vậy, gió Tây Nam đẩy các hạt từ sông Mekong về phía Tây Philippin theo lý thuyết Ekman. Kết quả này cũng tương tự với các quan sát về dòng chảy bề mặt do gió gây ra, cho thấy có nhiều góc lệch giữa dòng hải lưu và gió, dao động trong khoảng từ 0 đến 90 độ.
Indonesia cũng là quốc gia có tỉ lệ cao về phơi nhiễm ô nhiễm nhựa từ sông Mekong.
Chúng tôi giả định rằng khi hạt nhựa trôi giạt về bờ, nó sẽ bị mắc cạn ở đó, vì vậy chúng sẽ bị vô hóa. Tuy nhiên, trong thực tế, việc các hạt nhựa mắc cạn có thể diễn ra phức tạp hơn, phụ thuộc vào đặc điểm hạt nhựa và đặc tính vùng bờ. Tuy nhiên, những yếu tố này không được tính đến trong mô hình OpenDrift, đó có thể là một trong những lý do lượng nhựa bị chìm xuống biển được ước tính lớn hơn nhiều so với thực tế.
Kết quả hoạt động trôi giạt nhựa theo mùa cũng gợi ý rằng điểm đến của nhựa đại dương có nguồn gốc từ sông Mekong phụ thuộc vào khoảng thời gian chúng bị rò rỉ ra biển. Vào mùa hè, nhựa trôi giạt về Philippin và Đông Malaysia. Vào mùa hè, chúng sẽ di chuyển về hướng Tây Malaysia và Thái Lan. Hiện tượng này diễn ra do hoàn lưu ở các tầng trên của Biển Đông chịu ảnh hưởng chủ yếu của hệ thống gió mùa. Cần lưu ý rằng do nhựa chủ yếu được thải ra biển trong thời gian lũ lụt và mùa hè nên kịch bản mùa đông ít thực tế hơn. Tuy nhiên, điều này cho thấy hiện tượng nhựa trôi từ sông Mekong mang tính chất mùa vụ rõ rệt, theo hướng Đông Bắc và Tây Nam.
Việc so sánh mô phỏng khi có độ lệch do gió (2%) và không có độ lệch do dó (0%) cho thấy ảnh hưởng của yếu tố này đến quỹ đạo của nhựa là không đáng kể trong mùa hè và rõ rệt hơn vào mùa đông. Hầu hết các hạt nhựa được tìm thấy ở dưới bề mặt đại dương, ở độ sâu từ 0-5m, do đó chúng ít bị ảnh hưởng bởi các cơn gió có tốc độ khoảng vài chục cm/s. Điều này có nghĩa là các dòng hải lưu đóng vai trò quyết định trong hiện tượng trôi giạt nhựa. Bên cạnh đó, gió vào mùa đông thường mạnh hơn với tốc độ 8–10 m/s, trong khi gió vào mùa hè yếu hơn với tốc độ phổ biến là 4–5 m/s. Độ lệch do gió được cố định ở mức 2%, nghĩa là độ lệch vào mùa đông mạnh gấp đôi so với mùa hè. Một nghiên cứu gần đây cho thấy, sau 15 tháng, sự ảnh hưởng của độ lệch do gió sẽ suy giảm đáng kể.
Rõ ràng rằng sông Mekong ảnh hưởng lớn đến việc phân tán các hạt nhựa khi tạo ra sự xáo trộn và các xoáy nước, đồng thời làm thay đổi động lực xung quanh cửa sông và có thể các khu vực xa hơn tùy thuộc vào lượng nước. Một mô hình tương tự về ảnh hưởng của sông Mississippi trong sự cố tràn dầu Deepwater Horizon cũng cho thấy dòng sông có vai trò quan trọng trong phân tán dầu (Hole và cộng sự). Bên cạnh đó, theo một nghiên cứu gần đây, ảnh hưởng của dòng sông đối với việc phân tán sẽ suy giảm theo thời gian (Nguyen Manh). Cũng cần lưu ý rằng cả Mississippi và Mekong đều là các con sông lớn, do đó, đối với các con sông nhỏ hơn, mức độ ảnh hưởng có thể thấp hơn nhiều.
Khuếch tán dọc đóng vai trò đặc biệt quan trọng đối với chuyển động trôi giạt nhựa. Trong trường hợp không có khuếch tán dọc trên bề măt, các hạt nhựa sẽ dễ bị tác động trôi về phía Bắc nhiều hơn. Và ngược lại, khuếch tán dọc sẽ khiến cho các hạt nhựa di chuyển lên xuống, chủ yếu ở độ sâu 0-5m. Do vậy, các hạt nhựa sẽ ít bị tác động bởi độ lệch do gió. Kết quả chỉ ra rằng nồng độ hạt vi nhựa giảm theo cấp số nhân theo độ sâu, trạng thái biển và đặc tính hạt và chủ yếu nằm trong phạm vi độ sâu từ 0-5 m.
Liên quan đến tốc độ chìm, với tốc độ đầu cuối 2m/s, các hạt nhựa sẽ chìm chậm hơn và lan ra các khu vực rộng lớn hơn. Và ngược lại, với tốc độ 5m/s, do tốc độ chìm lớn và mức nước nông ở gần khu vực sông Mekong, gần nơi hạt nhựa được giải phóng ra, chúng sẽ nhanh chóng bị chìm xuống ngay sau khi đi ra khỏi cửa sông, theo đó, rất ít hạt nhựa sẽ trôi giạt ra xa. Ngoài ra, ở những khu vực có sự chênh lệch lớn về độ sâu như quần đảo Hoàng Sa và quần đảo Trường Sa, với tốc độ 2m/s, số lượng các hạt nhựa trên bề mặt và bị chìm xuống đáy ở trạng thái cân bằng.
Trong những mô phỏng này, tất cả hạt nhựa được giả định là có cùng vận tốc đầu cuối ổn định. Tuy nhiên, trong thực tế, tốc độ chìm thường thay đổi, các hạt nhựa chìm nhanh hơn khi ở trên bề mặt và giảm dần tốc độ ở vùng nước sâu hơn do nhiệt độ thấp hơn.
Nghiên cứu cũng giả định rằng khi các hạt nhựa chạm tới đáy biển, chúng sẽ được giữ lại ở vị trí đó. Tuy nhiên điều này không phải lúc nào cũng xảy ra trong thực tế, bởi sau đó chúng có thể bị mắc kẹt lại hoặc đẩy ra xa hơn. Như vậy kết quả nghiên cứu rằng các hạt nhựa thường chìm xuống ở vùng nước nông và bằng phẳng hoặc thềm lục địa phía nam của biển Đông là ngược lại với kết quả của nhóm nghiên cứu Harris và cộng sự khi xem xét các nghiên cứu về nhựa và phát hiện rằng một lượng lớn các hạt vi nhựa được tích tụ tại các vùng hẻm núi ngập nước, rạn san hô, và rừng ngập mặn.
Kết luận
Trong nghiên cứu này, chúng tôi mô phòng nhựa trôi giạt từ sông Mekong ra biển Đông bằng mô hình OpenDrift, trong đó dữ liệu đầu vào của gió được thu thập từ ECMWF, và hải lưu từ mô hình ROMS 3D và CMEMS. Mục đích nhằm điều tra sự phân bố theo địa lý của ô nhiễm nhựa, đặc thù trôi giạt theo mùa, và ảnh hưởng của độ lệch do gió, dòng chảy của sông, khuếch tán dọc, và tốc độ chìm trong giai đoạn từ 3 tháng (mùa hè và mùa đông) đến 15 tháng. Kết quả nghiên cứu có thể được tóm tắt như sau:
- Chuyển động trôi giạt nhựa mang tính mùa vụ do vùng biển Đông chịu ảnh hưởng của hệ thống gió mùa mạnh mẽ.
- Dòng chảy của sông ảnh hưởng đến quá trình phân tán chất thải nhựa.
- Ảnh hưởng của độ lệch do gió đối với việc trôi giạt nhựa phụ thuộc vào tốc độ và hướng gió; theo đó, yếu tố này thể hiện rõ ràng nhất vào mùa đông khi gió thổi mạnh hơn. Đồng thời, sự kết hợp của độ lệch do gió và khuếch tán dọc có thể tạo ra tác động lớn đến quỹ đạo của nhựa biển.
- Tốc độ chìm ảnh hưởng lớn đến vị trí kết thúc của quá trình trôi giạt. Với tốc độ 2m/ngày, nhựa sẽ trôi giạt đến hầu hết các vùng trong khu vực biển Đông và có thể di chuyển xa hơn, trong khi, với vận tốc 5m/ngày, hầu hết các hạt nhựa sẽ chìm xuống ở ngay khu vực sông Mekong.
- Philippines là quốc gia dễ bị tổn thương nhất trước tình trạng ô nhiễm nhựa biển từ sông Mekong vì rác thải nhựa chủ yếu trôi ra biển vào mùa hè, sau lũ lụt và gió mùa Tây Nam, về phía Philippines. Indonesia cũng là điểm đến chính của nhựa biển từ sông Mekong do có diện tích rất rộng lớn với nhiều vùng biển và eo biển.
Kết quả mô phỏng hiện tượng trôi giạt nhựa trên biển rất khác nhau, phụ thuộc vào nhiều yếu tố và giả định như thời gian nhựa thải ra biển, thời gian trôi giạt, tốc độ và hướng gió, nước sông, sự khuấy trộn theo phương thẳng đứng (khuếch tán xoáy dọc), tốc độ đầu cuối (lực nổi: mật độ, hình dạng, kích thước) và tốc độ chìm (tốc độ đầu cuối + vận tốc dọc + khuếch tán dọc). Ngoài kết quả trên, các yếu tố khác như nhiệt độ nước biển, độ mặn, ánh sáng mặt trời, vi sinh vật cũng ảnh hưởng đến hiện tượng tắc nghẽn (biofouling), làm tăng mật độ hạt nhựa theo thời gian và lắng đọng nhựa dưới đáy biển. Ngoài ra, các đặc điểm của bãi biển và đáy biển như rạn san hô, rừng ngập mặn, đá, độ gồ ghề và độ dốc của đáy biển và đặc điểm của chất thải nhựa như chai nhựa hoặc túi nhựa và hạt vi nhựa cũng ảnh hưởng đến việc mắc cạn và trôi giạt trở lại đại dương. Vì vậy, cần có những nghiên cứu sâu hơn trong tương lai.
Cần tiến hành nghiên cứu mô hình mô nhiễm nhựa đại dương tại khu vực Đông Nam Á, đặc biệt là ô nhiễm từ sông Mekong. Ước tính, sông Mekong là nơi cung cấp sinh kế cho tới 1.3 tỉ người, là nguồn thức ăn và thu nhập cho nhiều cộng đồng khác nhau.
Các nhà nghiên cứu có thể hiểu rõ hơn về nguồn gốc cũng như con đường ô nhiễm nhựa trong khu vực dựa trên mô hình mô nhiễm nhựa đại dương này, kết quả nghiên cứu đóng góp cho việc xây dựng các chiến lược giảm chất thải nhựa và hạn chế ảnh hưởng của chúng đối với sức khỏe và môi trường một cách hiệu quả.
Nghiên cứu về ô nhiệm nhựa ở khu vực sông Mekong cũng mang ý nghĩa quan trọng cho nỗ lực giải quyết ô nhiễm nhựa toàn cầu bởi đây là một trong những nguồn thải nhựa ra đại dương lớn trên thế giới.
Tóm lại, nghiên cứu mô hình ô nhiễm nhựa biển tại Đông Nam Á, đặc biệt là nhựa từ sông Mekong vô cùng thiết thực để có thể hiểu và giảm thiểu tác động của ô nhiễm nhựa đại dương đối với môi trường, kinh tế, và sức khỏe cộng đồng trong khu vực, và đóng góp cho nỗ lực giải quyết vấn đề nhựa toàn cầu.