Bài giảng Khoa học môi trường đại cương - Nguyễn Xuân Cường

Khoa học môi trường đại cương Nguyễn Xuân Cường 0 ĐẠI HỌC HUẾ PHÂN HIỆU ĐHH TẠI QUẢNG TRỊ TH.S. NGUYỄN XUÂN CƯỜNG BÀI GIẢNG KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG ĐẠI CƯƠNG Bộ môn: Công nghệ kỹ thuật môi trường LƯU HÀNH NỘI BỘ ĐÔNG HÀ, 2012 Khoa học môi trường đại cương Nguyễn Xuân Cường 1 MỤC LỤC CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN ............................................................................4 1.1. Một số khái niệm .............................................................................................................4 1.2. Phân loại môi trường .......................................................................................................4 1.3. Các thành phần cơ bản của môi trường ...........................................................................5 1.4. Các chức năng của môi trường........................................................................................6 1.5. Khủng hoảng môi trường.................................................................................................9 1.6. Khoa học - Công nghệ - Quản lý môi trường................................................................11 CHƯƠNG 2 SINH THÁI HỌC MÔI TRƯỜNG.................................................................12 2.1. Các nhân tố và quy luật sinh thái...................................................................................12 2.2. Quần thể và các đặc trưng .............................................................................................14 2.3. Quần xã và các đặc trưng .............................................................................................16 2.4. Hệ sinh thái và các đặc trưng.........................................................................................20 CHƯƠNG 3 TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN ......................................................................24 3.1. Tài nguyên sinh vật .......................................................................................................24 3.2. Tài nguyên đất ...............................................................................................................29 3.3. Tài nguyên nước ............................................................................................................32 3.4. Tài nguyên rừng.............................................................................................................33 3.5. Tài nguyên biển .............................................................................................................35 3.7. Tài nguyên năng lượng..................................................................................................40 3.8. Tài nguyên khí hậu, cảnh quan......................................................................................42 CHƯƠNG 4 Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG .............................................................................43 4.1. Ô nhiễm nước ................................................................................................................43 4.2. Ô nhiễm không khí ........................................................................................................47 4.3. Ô nhiễm môi trường đất ................................................................................................51 CHƯƠNG 5 QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG ............................................................................53 5.1. Những khái niệm cơ bản về quản lý môi trường...........................................................53 5.2. Cơ sở khoa học của công tác quản lý môi trường .........................................................53 5.3. Các công cụ quản lý môi trường....................................................................................54 CHƯƠNG 6 CÁC VẤN ĐỀ NỀN TẢNG VỀ MÔI TRƯỜNG ..........................................58 VÀ PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG ..........................................................................................58 6.1. Vấn đề dân số ................................................................................................................58 6.2. Vấn đề lương thực và thực phẩm...................................................................................60 6.3. Vấn đề năng lượng.........................................................................................................61 6.4. Phát triển bền vững........................................................................................................65 Khoa học môi trường đại cương Nguyễn Xuân Cường 2 Khoa học môi trường đại cương Nguyễn Xuân Cường 3 CÁC TỪ VIẾT TẮT MT: Môi trường MTTN: MT tự nhiên TNTN: Tài nguyên thiên nhiên CTR: Chất thải rắn RT: Rác thải NT: Nước thải ÔN: Ô nhiễm CT: Chất thải HST: Hệ sinh thái SV: Sinh vật VSV: Vi sinh vật ST: Sinh thái KT - XH: Kinh tế - xã hội Khoa học môi trường đại cương Nguyễn Xuân Cường 4 CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Một số khái niệm - Môi trường Trước tiên cần phân biệt hai khái niệm, MT (nói chung) và MT sống: MT: được hiểu là MT của một sự vật hoặc hiện tượng nào đó, như MT kinh doanh, MT sư phạm, MT văn hóa... Như vậy MT là tập hợp các điều kiện bên ngoài có ảnh hưởng và tác động tới một vật thể hoặc sự kiện nào đó. MT sống: là tổng hợp các điều kiện bên ngoài có ảnh hưởng và tác động tới con người và sinh vật. Điều kiện bên ngoài bao gồm các nhân tố hóa lý, sinh học và xã hội như ánh sáng, âm thanh, nước, không khí, quan hệ cộng đồng... Như vậy, MT bao gồm các yếu tố tự nhiên và vật chất nhân tạo bao quanh con người, có ảnh hưởng đến đời sống, sản xuất, sự tồn tại, phát triển của con người và sinh vật (Luật BVMT 2005). - Ô nhiễm môi trường là sự biến đổi của các thành phần MT không phù hợp với tiêu chuẩn môi trường, gây ảnh hưởng xấu đến con người, sinh vật. - Suy thoái môi trường là sự suy giảm về chất lượng và số lượng của thành phần MT, gây ảnh hưởng xấu đối với con người và sinh vật. - Đánh giá tác động môi trường là việc phân tích, dự báo các tác động đến MT của dự án đầu tư cụ thể để đưa ra các biện pháp BVMT khi triển khai dự án đó. - Hoạt động bảo vệ môi trường là hoạt động giữ cho MT trong lành, sạch đẹp; phòng ngừa, hạn chế tác động xấu đối với MT, ứng phó sự cố MT; khắc phục ô nhiễm, suy thoái, phục hồi và cải thiện MT; khai thác, sử dụng hợp lý và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên; bảo vệ đa dạng sinh học. 1.2. Phân loại môi trường Thông thường MT được chia thành 03 loại: - MT tự nhiên: bao gồm các yếu tố tự nhiên như ánh sáng, nhiệt độ, PH... tồn tại khách quan ngoài ý muốn con người, nhưng vấn có mối liên quan và chịu sự tác động của con người, như MT nước, không khí... Khoa học môi trường đại cương Nguyễn Xuân Cường 5 - MT xã hội: là tổng thể các quan hệ giữa người với người hay giữa các cộng đồng người với nhau, như quan hệ gia đình, quan hệ đồng nghiệp, truyền thống văn hóa các dân tộc... - MT nhân tạo: là tập hợp các yếu tố tự nhiên và xã hội do con người tạo ra và chịu sự chi phối của con người, như ô tô, máy bay, công sở, khu đô thị... Tuy nhiên, trong thực tế khó phân biệt rạch ròi từng loại MT. MT tự nhiên luôn có nhân tố con người và ngược lại. Trong khi đó MT xã hội không phải là đối tượng nghiên cứu của khoa học MT. 1.3. Các thành phần cơ bản của môi trường MT được xem như là một hệ thống bao gồm 05 quyển, đó là địa quyển, khí quyển, sinh quyển và thủy quyển, dưới góc độ nghiên cứu MT các quyển được gọi là các quyển MT và được mô tả như sau: 1.3.1. Thuỷ quyển Thủy quyển được hiểu là lớp vỏ nước của trái đất, tồn tại ở ba dạng rắn, lỏng và khí trong lòng đất, 2 cực, trên bề mặt và trong không khí. Hầu hết lượng nước này (97%) là nước ở các đại dương. Trong số 3% còn lại, 2,7% là ở trạng thái rắn - khối băng, 0,3% là nước ngọt ở các lục địa (nước mặt và nước ngầm) và hơi nước trong khí quyển. - Nước lục địa phân bố không đều theo không gian và thời gian. - Lượng nước trên bề mặt trái đất là rất lớn, tuy nhiên nước ngọt có thể sử dụng được lại hạn chế. - CT sản xuất và sinh hoạt không qua xử lý, gây ÔN các thủy vực, đặc biệt ở hạ lưu các sông lớn. Ngoài ra, các sự cố tàu vận chuyển dầu, sự cố giàn khoan dầu ngoài biển cũng đang khiến nhiều vùng biển ÔN, suy thoái nghiêm trọng. - Hiện tượng “biển chết” đang xuất hiện nhiều hơn ở các khu vực duyên hải. 1.3.2. Khí quyển Khí quyển là cái vỏ khí bao bọc xung quanh bề mặt Trái đất. Độ cao của khí quyển ước lượng khoảng 2.000 - 3.000 km. - Thành phần chủ yếu là nitơ (78%), ôxy (21%), argon (0,9%), và dioxit cacbon (0,03%). - 9/10 trọng lượng khí quyển đều tập trung ở lớp khí quyển gần mặt đất trong khoảng 16km, càng xa mặt đất không khí càng loãng. Khoa học môi trường đại cương Nguyễn Xuân Cường 6 - Ô nhiễm không khí thường mang tính toàn cầu. 1.3.3. Sinh quyển Sinh quyển là toàn bộ các dạng đời sống tồn tại ở bên trong, bên trên và phía trên Trái đất. Bề dày tối đa của sinh quyển ước khoảng 27 – 28 km. Có khoảng 30 - 100 tỉ loài SV khác nhau tồn tại trên Trái đất (đã mô tả được 1,4 tỉ loài). - Sinh quyển được cấu tạo chủ yếu hydrô, ôxy, cacbon và nitơ, chiếm 90% trọng lượng của vật chất sống. - Sinh quyển có vai trò to lớn đến các quá trình TN cũng như MT trên trái đất: sản sinh O2, cân bằng CO2, nitơ, giảm nguy cơ phát sinh tai biến, điều hòa khí hậu - Sinh quyển đang bị suy giảm nghiêm trọng: suy giảm diện tích rừng, đặc biệt là rừng mưa nhiệt đới và suy giảm ĐDSH trên quy mô toàn cầu. 1.3.4. Thạch quyển và thổ quyển Thạch quyển và thổ quyển, là nơi mà con người hiện tại sinh sống và nơi mà con người khai thác thức ăn, nguyên liệu, nhiên liệu, vật liệu, năng lượng và các dạng tài nguyên khác phục vụ sự tồn tại và phát triển của mình. - Địa quyển dễ bị biến động và đe doạ bởi các hoạt động của con người. - Con người tương tác thường xuyên với địa quyển: xây dựng, khai thác khoáng sản, canh tác, phá hủy lớp phủ thực vật, chôn lấp CT nguy hại, nước thải ÔN, mưa axit - Một số tai biến TN phát sinh ở những quyển này có liên quan đến ÔNMT như tai biến trượt lở, đổ lở đất đá, cát chảy 1.4. Các chức năng của môi trường 1.4.1. Môi trường là không gian sống Con người và SV tồn tại và phát triển nhờ cơ chế vận động, sự vận động không tách khỏi MT sống của nó và đòi hỏi một không gian nhất định, đó là không gian để con người lao động sản xuất, nghĩ ngơi, vui chơi giải trí... Không gian sống thường được đo bằng các đơn vị diện tích, thể tích và chất lượng của các nhân tố MT. Chẳng hạn, mỗi người hằng ngày cần khoảng 4m3 không khí sạch để thở, 2,5l nước sạch để uống... Yêu cầu và khả năng đáp ứng về không gian sống của con người thay đổi theo thời gian, trình độ kĩ thuật và trình độ phát triển của loài người. Bảng 1.1: Sự suy giảm diện tích bình quân (đất liền) trên người của thế giới Khoa học môi trường đại cương Nguyễn Xuân Cường 7 Năm O (CN) 1650 1840 1930 1994 2010 Dân số (triệu người) 200 545 1.000 2.000 5.000 7.000 Diện tích(ha/người) 75 27,5 15 7,5 3,0 2,14 (Nguồn: Lê Thạc Cán 1996) Bảng 1.2: Diện tích đất canh tác trên đầu người ở Việt Nam Năm 1940 1960 1970 1992 2000 Bình quân/người (ha/ng) 0,2 0,16 0,13 0,11 0,10 Về cơ bản không gian MT sống của con người là một hằng số trong khi dân số không ngừng tăng. MT có khả năng cân bằng và tự điều chỉnh để thích nghi với không gian sống thay đổi. 1.4.2. Môi trường là nơi cung cấp tài nguyên cần thiết cho con người MT là nơi con người khai thác nguồn vật liệu và năng lượng cần thiết như đất, khoáng sản, nước và các dạng năng lượng như dầu mỏ, củi đun, gió, nắng, thủy triều Quá trình phát sinh tài nguyên là một quá trình tác động tổng hợp của nhiều thành phần MT. Tuy nhiên, từng quyển MT cung cấp mỗi dạng tài nguyên khác nhau. - Địa quyển: Cung cấp các loại khoáng sản, dầu khí, độ phì... - Khí quyển: Cung cấp tài nguyên sinh khí hậu, ngoài ra từ không khi còn tách chiết một số nguyên tố như Ni tơ, Ô xy - Thủy quyển: Cung cấp nước cho sinh hoạt và sản xuất, thủy lợi, du lịch - Sinh quyển: Cung cấp SV phục vụ chữa bệnh, giải trí Ngày nay, con người sử dụng quá nhiều các dạng tài nguyên không tái tạo (như khoáng sản, dầu mỏ) và sử dụng không hợp lý, dẫn đến hạn chế khả năng tái tạo của những tài nguyên có khả năng tái tạo như đất, nước, sinh vật. Khoa học môi trường đại cương Nguyễn Xuân Cường 8 Hình 1.1: Mối quan hệ con người – tài nguyên – MT 1.4.3. Môi trường là nơi chứa đựng và đồng hóa chất thải Đồng hóa CT là quá trình chuyển đổi một số hóa chất độc có trong CT thành những chất ít hoặc không độc cho MT. - Các quá trình đồng hóa cơ bản: quang hợp chuyển hóa CO2 thành C6H12O6 làm giảm khả năng gây hiệu ứng nhà kính và gây ngạt của CO2; VSV có khả năng đồng hóa các hợp chất hữu cơ có trong rác và NT; Các khoáng vật có khả năng hấp thụ một số độc tố (đất sét, mica, zeolit, oxit silic). - Khả năng đồng hóa CT của MT chỉ có tác dụng trong một giới hạn nhất định. - Có một số hoá chất nhất định MT không thể đồng hóa hoặc thời gian diễn ra rất lâu, như kim loại nặng; chất phóng xạ; chất độc hữu cơ (thuốc trừ sâu mirex, toxaphene, DDT, phenol...); nilon... 1.4.4. Môi trường góp phần giảm nhẹ các tác động có hại của thiên nhiên Lớp khi quyển bao quanh Trái đất có vai trò “bắt giữ” Ôzon và các tia tử ngoại có hại cho sức khỏe, tránh được các bức xạ quá cao, chênh lệch nhiệt độ lớn, ổn định nhiệt độ trong khả năng chịu đựng của con người. Các sao chổi và các thiên thạch ở dạng nhỏ thường bị bốc cháy trong tầng khí quyển trước khi tiếp cận Trái đất. 1.4.5. Môi trường là nơi lưu trữ và cung cấp thông tin cho con người - Cung cấp sự ghi chép lưu trữ lịch sử địa chất, lịch sử tiến hóa của vật chất và sinh vật, lịch sử xuất hiện và phát triển văn hóa của loài người; Con người Tài nguyên: - Vật liệu - Năng lượng - Thông tin Giá trị sử dụng mới Khai thác Chế biến sản xuất Môi trường Con người Tài nguyên tái tạo Chất thải Khoa học môi trường đại cương Nguyễn Xuân Cường 9 - Lưu trữ và cung cấp cho con người sự đa dạng các nguồn gen. Nhìn chung, các chức năng MT tạo ra điều kiện nhằm đảm bảo cho sự tồn tại và phát triển của con người và SV trong một mức độ tự cân bằng và điều chỉnh hợp lý. Các hoạt động sống và sản xuất của con người đang gây ra nguy cơ làm suy giảm chức năng MT - chức năng tạo ra sự sống và phát triển sự sống trên Trái đất. 1.5. Khủng hoảng môi trường Hiện nay, thế giới đang đứng trước 5 cuộc khủng hoảng lớn: dân số, lương thực, năng lượng, tài nguyên và ST. Năm cuộc khủng hoảng này đều liên quan chặt chẽ với MT và ảnh hưởng đến cuộc sống con người. Do đó, xuất hiện một khái niệm mới là khủng hoảng MT: Khủng hoảng MT là các suy thoái về chất lượng MT sống trên quy mô toàn cầu, đe doạ cuộc sống của loài người trên Trái đất. Nguyên nhân sâu xa gây nên các cuộc khủng hoảng là do sự bùng nổ dân số và các yếu tố phát sinh từ sự gia tăng dân số. Sau đây là những biểu hiện của khủng hoảng MT: 1.5.1.Biến đổi khí hậu Biến đổi khí hậu (BĐKH) là sự biến động trạng thái trung bình của khí quyển toàn cầu hay khu vực theo thời gian từ vài thập kỷ đến hàng triệu năm (IPCC,2007). Những biến đổi này được gây ra do quá trình động lực của trái đất, bức xạ mặt trời, và gần đây là hoạt động của con người. BĐKH trong thế kỷ 20 đến nay được gây ra chủ yếu do con người, do vậy thuật ngữ BĐKH (hoặc còn được gọi là sự ấm lên toàn cầu-global warming) được xem là BĐKH hiện đại. Nguyên nhân hàng đầu của BĐKH là việc phát xả khí nhà kính (chủ yếu là CO2 và CH4) vào bầu khí quyển gây nên hiện tượng hiệu ứng nhà kính khí quyển. Hiện tượng hiệu ứng nhà kính khí quyển là một hiện tượng tự nhiên nhằm đảm bảo bảo nhiệt độ trung bình bề mặt trái đất là +150C, đủ ấm cho các loài SV tồn tại và phát triển trên đó. Tuy nhiên, do sự gia tăng nhanh chóng các loại khí nhà kính (khí có khả năng hấp thụ sóng dài) trong thời gian gần đây như CO2, CH4, N2O, O3, các khí CFC... đã làm cho nhiệt độ trái đất tăng lên một cách đột biến . Những biểu hiện cụ thể của biến đổi khí hậu:
Nhiệt độ trung bình không khí gia tăng;
Mực nước biển dâng; Khoa học môi trường đại cương Nguyễn Xuân Cường 10
Gia tăng các điều kiện khí hậu cực đoan và thiên tai về tần suất, cường độ. Biến đổi khí hậu đang gây ra tình trạng suy thoái MT trên quy mô toàn cầu (Global Environment Outlook, 2007, GEO - 4) ảnh hưởng đến đời sống hàng tỉ người trên khắp hành tinh. Cụ thể: - Làm mất không gian cư trú của con người do nước biển dâng; - Mực nước biển tăng lên đe dọa các HST quan trọng - Làm thay đổi điều kiện sống, gia tăng nguy cơ tuyệt chủng của sinh vật; - Làm suy giảm sản lượng nông nghiệp, thủy hải sản; ảnh hưởng đến cơ sở hạ tầng; - Ảnh hưởng đến sức khỏe, chất lượng cuộc sống của của con người; - Ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến tài nguyên và MT. 1.5.2. Sự suy giảm tầng Ôzôn Tầng Ôzôn có khả năng hấp thụ tia cực tím trong bức xạ mặt trời, khi tầng này bị thủng, tia tử ngoại xuyên qua và chiếu xuống bề mặt trái đất, gây ung thư da, suy giảm miễn dịch ở người và giảm năng suất sinh học của động thực vật. Nguyên nhân gây suy giảm tầng Ôzon là phát thải khí như CFCs, Halon... từ hoạt động của con người (chủ yếu). 1.5.3. Gia tăng mưa axít Mưa axít là hiện tượng nước mưa có độ pH dưới 5,6. Mưa axít gây ÔNMT, phá hủy cây trồng, rừng, giảm sản lượng nông nghiệp, phá hủy các công trình kiến trúc, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Nguyên nhân của mưa axít là do các khí như SO2, NOx ... trong không khí kết hợp với nước, tạo thành các axít, như sulfuric, nitric... Mưa axít có thể tạo ra ÔN xuyên biên giới. 1.5.4. Ô nhiễm nguồn nước và nguy cơ thiếu nước sạch Quá trình đô thị hoá, hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp... tạo ra ngày càng nhiều CT không được xử lý (chủ yếu là NT) đang khiến cho các nguồn nước ngày càng bị ÔN nghiêm trọng. Vấn đề ÔN nguồn nước mặt hiện đang diễn ra ở hầu hết các con sông lớn ở các nước đang phát triển, điển hình như Trung Quốc, Ấn Độ, Indonexia, Việt Nam... Khoa học môi trường đại cương Nguyễn Xuân Cường 11 Nguồn nước bị ÔN là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến nguy cơ thiếu nước sạch quy mô toàn cầu, đặc biệt các quốc gia Châu phi, Trung Đông... Ngoài ra, việc sử dụng nước lãng phí, đặc biệt ở một số quốc gia phát triển cũng góp phần làm suy giảm nguồn nước. 1.5.5. Suy thoái tài nguyên và suy giảm đa dạng sinh học Nhu cầu ngày càng gia tăng nhanh chóng về nguyên liệu và năng lượng cho guồng máy công nghiệp thế giới đã dẫn đến sự khai thác quá mức, cạn kiệt và suy thoái tài nguyên. - Suy thoái tài nguyên rừng: giảm diện tích rừng tự nhiên, đặc biệt là rừng nhiệt đới có giá trị môi trường cao và rừng ngập mặn. Mất rừng hằng năm khoảng 7 – 8 triệu ha. Nguyên nhân chính là do mở rộng diện tích canh tác nông nghiệp, khai thác gỗ, xây dựng các công trình phục vụ con người. - Suy thoái đất: nghiêm trọng nhất là hoang mạc hoá, thường xảy ra ở các vùng khô hạn. Suy thoái đất gây tình trạng bất ổn định trong xã hội do nghèo đói gia tăng, tạo ra tị nạn MT, những người thường xuyên gây sức ép tới các vùng chưa bị suy thoái [19]. - Suy giảm đa dạng sinh học: Tốc độ tuyệt chủng của các loài gia tăng nhanh chóng: theo tính toán, trong suốt quá trình lịch sử, cứ 2 – 10 năm có 2 loài bị tiêu diệt và từ 1600 đến nay. Các vùng đất ngập nước suy giảm đa dạng rất nghiêm trọng. Các HST giàu có và nhạy cảm tiếp tục bị ảnh hưởng và đe dọa mất đi sự đa dạng vốn có. Nguyên nhân: do sự khai thác quá mức rừng, làm mất và chia cắt không gian sinh sống; MT sống bị ÔN và suy thoái làm giảm khả năng sinh tồn; BĐKH làm thay đổi điều kiện sống đột ngột; sự khai thác hủy diệt. 1.6. Khoa học - Công nghệ - Quản lý môi trường - Khoa học MT nghiên cứu mối quan hệ giữa con người với MT. Từ các