Giáo trình khoa học môi trường đại cương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ---- — * – ----- PGS.TS. LÊ VĂN THĂNG GIÁO TRÌNH    KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG ĐẠI CƯƠNG LỜI NÓI ĐẦU                 Thực hiện chủ trương đổi mới chương trình, giáo trình đào tạo đại học. Năm 2004, Bộ Giáo dục và Đào tạo đã thống nhất chương trình đào tạo giữa các trường đại học Việt Nam có đào tạo Cử nhân Khoa học Môi trường. Theo đó, ngoài các Học phần thống nhất trong cả nước, tùy thuộc vào đặc điểm vùng miền mà các trường thiết kế một số Học phần mang tính chất đặc thù.             Học phần Khoa học môi trường đại cương là một trong những Học phần thống nhất trong cả nước đối với các trường đào tạo Cử nhân khoa học môi trường. Tại Đại học Huế, dưới sự hổ trợ kinh phí của Dự án Giáo dục đại học pha 1, mức C, cùng với nhiều giáo trình được biên soạn, giáo trình Khoa học môi trường đại cương được biên soạn nhằm phục vụ cho nhiệm vụ đào tạo Cử nhân Khoa học môi trường tại Đại học Huế, ngoài ra còn là tài liệu tham khảo cho nhiều đối tượng khác có chuyên môn gần với Khoa học môi trường.             Tác giả xin chân thành cảm ơn Dự án  Giáo dục đại học mức C tại Đại học Huế đã tạo điều kiện cho tác giả biên soạn giáo trình này.             Do điều kiện hạn chế về nhiều mặt, chác chắn giáo trình sẽ còn nhiều thiếu sót, tác giả rất mong được nhận sự góp ý của đồng nghiệp và sinh viên để giáo trình được hoàn thiện tốt hơn.             Xin trân trọng cám ơn!                                                                                                                     Tác giả Chương 1.  CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Khái niệm môi trường 1.1.1. Định nghĩa môi trường. Thuật ngữ môi trường(MT) - Environment (Tiếng Anh), tiếng Hoa: Hoàn cảnh. MT bao gồm các yếu tố tự nhiên và vật chất nhân tạo bao quanh con người, có ảnh hưởng tới đời sống, sản xuất, sự tồn tại, phát triển của con người và sinh vật (Điều 3, Luật BVMT của VN, 2005). ·         Định nghĩa 1: Theo nghĩa rộng nhất thì MT là tập hợp các điều kiện và hiện tượng bên ngoài có ảnh hưởng tới một vật thể hoặc sự kiện.Bất cứ một vật thể, một sự kiện nào cũng tồn tại và diễn biến trong một MT. Theo Lê Văn Khoa,1995: Đối với cơ thể sống thì “Môi trường sống” là tổng hợp những điều kiện bên ngoài có ảnh hưởng tới đời sống và sự phát triển của cơ thể. ·         Định nghĩa 2: MT bao gồm tất cả những gì bao quanh sinh vật, tất cả các yếu tố vô sinh và hữu sinh có tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên sự sống, phát triển và sinh sản của sinh vật (Hoàng Đức Nhuận, 2000). Theo tác giả, MT có các thành phần chính tác động qua lại lẫn nhau: -          MT tự nhiên bao gồm nước, không khí, đất đai, ánh sáng và các sinh vật. -          MT kiến tạo gồm những cảnh quan được thay đổi do con người. -          MT không gian gồm những yếu tố về địa điểm, khoảng cách, mật độ, phương hướng và sự thay đổi trong MT. ·         Định nghĩa 3: MT là một phần của ngoại cảnh, bao gồm các hiện tượng và các thực thể của tự nhiên,... mà ở đó, cá thể, quần thể, loài,... có quan hệ trực tiếp hoặc gián tiếp bằng các phản ứng thích nghi của mình (Vũ Trung Tạng, 2000). ·         Đối với con người, MT chứa đựng nội dung rộng. Theo định nghĩa của UNESCO(1981) thì MT của con người bao gồm toàn bộ các hệ thống tự nhiên và các hệ thống do con người tạo ra, những cái hữu hình(tập quán, niềm tin...)trong đó con người sống và lao động, họ khai thác các TNTN và nhân tạo nhằm thỏa mãn những nhu cầu của mình. Như vậy, MT sống đối với con người không chỉ là nơi tồn tại, sinh trưởng và phát triển cho một thực thể sinh vật và con người mà còn là “ khung cảnh của cuộc sống, của lao động và sự vui chơi giải trí của con người”. ·         Như vậy, có thể nêu  định nghĩa chung về MT : MT là tập hợp các yếu tố tự nhiên và xã hội bao quanh con người có ảnh hưởng tới con người và tác động qua lại với các hoạt động sống của con người như: không khí, nước, đất, sinh vật, xã hội loài người... ·         MT sống của con người thường được phân chia thành các loại sau: -          MT tự nhiên: Bao gồm các yếu tố tự nhiên như vật lý, hóa học, sinh học, tồn tại ngoài ý muốn của con người nhưng cũng ít nhiều chịu tác động của con người. -          MT xã hội: Là tổng thể các quan hệ giữa người và người tạo nên sự thuận lợi hoặc khó khăn cho sự tồn tại và phát triển của các cá nhân và cộng đồng loài người. -          MT nhân tạo : Là tất cả các yếu tố tự nhiên, xã hội do con người tạo nên và chịu sự chi phối của con người. Như vậy, MT sống của con người theo nghĩa rộng là tất cả các nhân tố tự nhiên và xã hội cần thiết cho sự sống, sản xuất của con người như tài nguyên thiên nhiên, không khí, đất, nước, ánh sáng, cảnh quan, quan hệ xã hội,… Theo nghĩa hẹp, thì MT  sống của con người chỉ bao gồm các nhân tố tự nhiên và nhân tố xã hội trực tiếp liên quan tới chất lượng cuộc sống của con người. 1.1.2. Đối tượng và nhiệm vụ của Khoa học môi trường. MT là đối tượng nghiên cứu của một ngành khoa học liên ngành có mục đích chủ yếu là BVMT sống lâu dài của con người trên Trái đất. Vậy Khoa học MT là gì ? Khoa học MT là ngành khoa học nghiên cứu mối quan hệ và tương tác qua lại giữa con người và môi trường chung quanh. Khoa học MT là một ngành khoa học ứng dụng, một dạng của các phương án giải quyết vấn đề là sự tìm kiếm những thay thế cấu trúc đối với tổn thất MT. Khoa học MT là khoa học tổng hợp, liên ngành, nó sử dụng và phối hợp thông tin từ nhiều lĩnh vực như : sinh học, hóa học, địa chất, thổ nhưỡng, vật lý, kinh tế, xã hội học, khoa học quản lý và chính trị... để tập trung vào các nhiệm vụ sau: ·         Nghiên cứu đặc điểm của các thành phần MT có ảnh hưởng hoặc chịu ảnh hưởng bởi con người, nước, không khí, đất, sinh vật, hệ sinh thái, KCN, đô thị, nông thôn... ·         Nghiên cứu công nghệ , kỹ thuật xử lý ô nhiễm, bảo vệ chất lượng MT sống của con người. ·         Nghiên cứu tổng hợp các biện pháp quản lý về khoa học kinh tế, luật pháp, xã hội nhằm BVMT và PTBV. ·         Nghiên cứu về phương pháp mô hình hóa, phương pháp phân tích hóa học,vật lý, sinh học phục vụ cho 3 nội dung trên. Về phương pháp nghiên cứu: ·         Các phương pháp thu thập và xử lý số liệu thực tế, các thực nghiệm ·         Các phương pháp phân tích thành phần MT ·         Các phương pháp phân tích, đánh giá xã hội, quản lý xã hội, kinh tế. ·         Các phương pháp tính toán, dự báo, mô hình hóa ·         Các giải pháp kỹ thuật, tiến bộ kỹ thuật ·         Các phương pháp phân tích hệ thống 1.2.Phân loại môi trường Theo chức năng, MT được chia thành 3 loại: ·         MT tự nhiên, bao gồm các yếu tố thiên nhiên, vật lý, hóa học, sinh học tồn tại khách quan bao quanh con người. Nó còn chia nhỏ hơn theo các thành phần: MT sinh thái, ở đó yếu tố sinh thái học chiếm vai trò chủ đạo là MT đất, không khí, nước, địa chất... ·         MT xã hội, là tổng thể các quan hệ giữa con người với con người, tạo nên sự thuận lợi  hay khó khăn cho sự phát triển của cá nhân hay cộng đồng dân cư. ·         MT nhân tạo, là tập hợp các yếu tố tự nhiên và xã hội do con người tạo nên và chịu sự chi phối bởi con người.              è Như vậy, các nội dung nghiên cứu của khoa học MT  theo các hướng sau đây: ·         Nghiên cứu các thành phần của MT sống tự nhiên và xã hội đang tồn tại trên Trái đất trong mối quan hệ với các hoạt động của con người. ·         Nghiên cứu kỹ thuật và công nghệ MT, nguyên nhân và biện pháp xử lý ô nhiễm MT, các công nghệ xử lý nước thải, khí thải, rác thải, xử lý tiếng ồn... ·         Quản lý MT, nghiên cứu các biện pháp, giải pháp kỹ thuật, kinh tế, luật pháp, chính sách để ngăn ngừa hoặc giảm thiểu ô nhiễm. 1.3.Quan hệ giữa môi trường và phát triển             Có thể  trình bày một cách cô đọng MT là tổng hợp các điều kiện sống của con người, phát triển là quá trình cải tạo và cải thiện các điều kiện đó. Giữa MT và phát triển có mối quan hệ rất chặt chẽ. MT là địa bàn và đối tượng của phát triển.             Trong phạm vi một quốc gia, một châu lục hay trên toàn thế giới, người ta cho rằng, tồn tại hai hệ thống: “hệ thống KTXH và hệ thống MT”. Hệ thống KTXH cấu thành bởi các thành phần sản xuất, lưu thông- phân phối, tiêu dùng và tích lũy, tạo nên một dòng nguyên liệu, năng lượng, chế phẩm hàng hóa, phế thải lưu thông giữa các phần tử cấu thành hệ. Hệ thống môi trường với các thành phần MT thiên nhiên và MT xã hội. Khu vực giao giữa hai hệ tạo thành “MT nhân tạo”, có thể xem như là kết quả tích lũy mọi hoạt động tích cực hoặc tiêu cực của con người trong quá trình phát triển trên địa bàn MT. Khu vực giao này thể hiện tất cả các mối quan hệ giữa phát triển và MT. MT thiên nhiên cung cấp tài nguyên cho hệ kinh tế, đồng thời tiếp nhận chất thải từ hệ kinh tế. Chất thải này có thể ở lại hẳn trong MT thiên nhiên, hoặc qua chế biến rồi trở về hệ kinh tế. Mọi hoạt động sản xuất mà chất phế thải không thể sử dụng trở lại được vào hệ kinh tế được xem như là hoạt động gây tổn hại đến MT. Lãng phí tài nguyên không tái tạo được, sử dụng tài nguyên tái tạo được một cách quá mức khiến cho nó không thể hồi phục được, hoặc phục hồi sau một thời gian quá dài, tạo ra những chất độc hại đối với con người và MT sống là những hoạt động tổn hại tới MT. Những hành động gây nên những tác động như vậy là hành động tiêu cực về MT. Các hoạt động phát triển luôn luôn có hai mặt lợi và hại. Bản thân  thiên nhiên cũng có hai mặt. Thiên nhiên là nguồn tài nguyên  và phúc lợi đối với con người, nhưng đồng thời cũng là nguồn thiên tai, thảm họa đối với đời sống  và sản xuất của con người. Trong khoa học kinh tế cổ điển không thể giải quyết thành công mối quan hệ phức tạp giữa phát triển và MT. Từ đó nảy sinh lý thuyết  không tưởng về “đình chỉ phát triển” ( Zero or negative growth), cụ thể là cho tốc độ phát triển bằng không hoặc âm để bảo vệ nguồn tài nguyên không tái tạo vốn hữu hạn của Trái đất. Đối với tài nguyên sinh học cũng có “ chủ nghĩa bảo vệ”, chủ trương không can thiệp, đụng chạm vào thiên nhiên, nhất là tại các địa bàn chưa được điều tra nghiên cứu đầy đủ. Chủ nghĩa bảo vệ cũng là một điều không tưởng, nhất là trong điều kiện các nước đang phát triển, nơi mà tài nguyên thiên nhiên là nguồn vốn cơ bản cho mọi hoạt động phát triển của con người. Trong phát triển kinh tế một phần đáng kể của nguồn nguyên liệu và năng lượng được tiêu thụ một cách quá mức tại các nước phát triển vốn được khai thác tại các nước đang phát triển. Bên cạnh hiện tượng “ô nhiễm do thừa thải” xảy ra tại các nước công nghiệp phát triển, gần đây tại hầu hết các nuớc đang phát triển có thu nhập thấp đã xảy ra hiện tượng “ ô nhiễm nghèo đói”. Thiếu lương thực, nước uống, nhà ở, thuốc men, vệ sinh, mù chữ, bất lực trước thiên tai là nguồn gốc cơ bản của những vấn đề MT nghiêm trọng đang đặt ra cho nhân dân các nước đang phát triển. Cần nói thêm rằng sự tiêu thụ quá mức nguyên liệu và năng lượng của các nước phát triển cũng đã làm cho các vấn đề MT ở các nước đang phát triển trầm trọng hơn. Tại Hội nghị LHQ về MT con người họp năm 1972 tại Stockholm- Thụy Điển, các nhà khoa học đã đi đến kết luận rằng, nguyên nhân của nhiều vấn đề quan trọng về MT không phải là do phát triển mà chính là hậu quả của sự kém phát triển. Tư  tưởng đó đã được thể hiện trong chiến lược phát triển 10 năm lần thứ nhất của LHQ. Chiến lược đã đề cập tới mối quan hệ giữa phát triển với MT, dân số, tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ đất, bảo vệ rừng,... Các mục tiêu phát triển KTXH và BVMT phải được gắn bó với nhau trong việc xây dựng mục tiêu, xác định chiến lược kế hoạch hóa, cũng như điều hành và quản lý việc thực hiện các mục tiêu đó. 1.4.Các chức năng chủ yếu của môi trường ·         MT là không gian sống của con người và các loài sinh vật Mỗi một người đều cần một không gian nhất định để phục vụ cho các hoạt động sống như: nhà ở, nơi nghĩ, đất để sản xuất nông nghiệp,... Mỗi người mỗi ngày cần trung bình 4 m3 không khí sạch để hít thở; 2,5 lít nước để uống, một lượng lương thực, thực phẩm tương ứng 2000-2500 calo. Tuy nhiên, hiện nay không gian này ngày càng bị thu hẹp (xem bảng 1.1)           Bảng 1.1: Suy giảm diện tích đất bình quan đầu người trên thế giới(ha/người) Năm - 106 -105 -104 O(CN) 1650 1840 1930 1994 2010 Dânsố(tr.ng)   0,125    1,0    5,0    200    545   1.000 2.000 5.000 7.000 DT(ha/ng) 120.000 15.000 3.000 75 27,5 15 7,5 3,0 1,88 Bảng 1.2: Diện tích đất canh tác trên đầu người ở Việt Nam Năm 1940 1960 1970 1992 2000 Bình quân đầu người(ha/ ng)        0,2        0,16        0,13       0,11    0,10             Yêu cầu về không gian sống của con người thay đổi theo trình độ khoa học và công nghệ. Trình độ phát triển càng cao thì nhu cầu về không gian sản xuất sẽ càng giảm. Tuy nhiên, con người luôn cần một khoảng không gian riêng cho nhà ở, sản xuất lương thực và tái tạo chất lượng MT. Con người có thể gia tăng không gian sống cần thiết nhất cho mình bằng việc khai thác và chuyển đổi chức năng sử dụng của các loại không gian khác như: khai hoang, phá rừng,...             Có thể phân loại chức năng không gian sống của con người thành các dạng cụ thể sau đây:             + Chức năng xây dựng: cung cấp mặt bằng và nền móng cho các đô thị, khu công nghiệp, kiến trúc hạ tầng và nông thôn.             + Chức năng vận tải: cung cấp mặt bằng, khoảng không gian và nền móng cho giao thông đường thủy, đường bộ và đường không.             + Chức năng cung cấp mặt bằng cho sự phân hủy chất thải             + Chức năng giải trí của con người             + Chức năng cung cấp mặt bằng và không gian xây dựng các hồ chứa             + Chức năng cung cấp mặt bằng, không gian cho việc xây dựng các nhà máy, xí nghiệp + Chức năng cung cấp mặt bằng và các yếu tố cần thiết khác cho hoạt động canh tác nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản...  Hình1.1:  Các chức năng chủ yếu của môi trường (KHMT) ·         MT là nơi cung cấp tài nguyên cần thiết cho đời sống và hoạt động sản xuất của con người Trong lịch sử phát triển, loài người đã trãi qua nhiều giai đoạn. Bắt đầu từ khi con người biết canh tác cách đây khoảng 14-15 nghìn năm, vào thời kỳ đồ đá giữa cho đến khi phát minh ra máy hơi nước vào thế kỷ thứ XVIII. Xét về bản chất, mọi hoạt động của con người đều nhằm vào việc khai thác các hệ thống sinh thái của tự nhiên theo sơ đồ sau: Hình1.2:  Hệ thống sinh thái của tự nhiên và nhân tạo. (KHMT) Mọi sản phẩm công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp,... của con người đều bắt nguồn từ các dạng vật chất tồn tại trên Trái đất và không gian bao quanh Trái đất. Nhu cầu của con người về các nguồn tài nguyên không ngừng tăng lên cả về số lượng, chất lượng và mức độ phức tạp theo trình độ phát triển của xã hội. Chức năng này của MT còn gọi là nhóm chức năng sản xuất tự nhiên gồm: -          Rừng tự nhiên: có chức năng cung cấp nước, bảo tồn tính ĐDSH và độ phì nhiêu của đất, nguồn gỗ củi, dược liệu và cải thiện điều kiện sinh thái. -          Các thủy vực: có chức năng cung cấp nước, dinh dưỡng, nơi vui chơi giải trí và ácc nguồn thủy hải sản. -          Động thực vật: cung cấp lương thực và thực phẩm và các nguồn gen quý hiếm. -          Không khí, nhiệt độ, năng lượng mặt trời, gió, nước: để chúng ta hít thở, cây cối ra hoa và kết trái. -          Các loại quặng, dầu mở: cung cấp năng lượng và nguyên liệu cho các hoạt động sản xuất nông nghiệp,… ·         MT là nơi chứa đựng các chất phế thải do con người tạo ra trong cuộc sống và hoạt động sản xuất của mình. Có thể phân loại chi tiết chức năng này thành các loại sau: -          Chức năng biến đổi lý – hóa học -          Chức năng biến đổi sinh hóa -          Chức năng biến đổi sinh học ·         MT là nơi giảm nhẹ các tác động có hại của thiên nhiên tới con người và sinh vật trên Trái đất. Trái đất là nơi sinh sống của con người và các sinh vật nhờ các điều kiện môi trường đặc biệt như: nhiệt độ không khí không quá cao, nồng độ ôxy và các khí khác tương đối ổn định,…Sự phát sinh và phát triển sự sống xảy ra trên Trái đất nhờ hoạt động của hệ thống các thành phần của MT Trái đất như khí quyển, thủy quyển, sinh quyển và thạch quyển. -          Khí quyển giữ cho nhiệt độ Trái đất tránh được các bức xạ quá cao, chênh lệch nhiệt độ lớn, ổn định nhiệt độ trong khả năng chịu đựng của con người,… -                    Thủy quyển thực hiện chu trình tuần hoàn nước, giữ cân bằng nhiệt độ, các chất khí, giảm nhẹ tác động có hại của thiên nhiên đến con người và các sinh vật. -          Thạch quyển liên tục cung cấp năng lượng, vật chất cho các quyển khác của Trái đất, giảm tác động tiệu cực của thiên tai tới con người và sinh vật. ·         MT 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. -          Cung cấp các chỉ thị không gian và tạm thời mang tính chất tín hiệu và báo động sớm các hiểm họa. -          Lưu trữ và cung cấp cho con người sự đa dạng các nguồn gen.             è Như vậy, có thể có các dạng vi phạm chức năng của môi trường sống như: Làm cạn kiệt nguyên liệu và năng lượng cần cho sự tồn tại và phát triển của các cơ thể sống. Làm ứ thừa phế thải trong không gian sống, Làm mất cân bằng sinh thái giữa các loài sinh vật với nhau và giữa chúng với các thành  phần môi trường. Vi phạm chức năng giảm nhẹ tác động của thiên tai. Vi phạm chức năng lưu trữ và cung cấp thông tin cho con người. 1.5. Những vấn đề môi trường thách thức hiện nay trên thế giới     Báo cáo tổng quan MT toàn cầu năm 2000 của Chương trình MT LHQ(UNEP) đã phân tích 2 xu hướng bao trùm khi loài người bước vào thiên niên kỷ thứ ba: -          Thứ nhất, đó là các HST và sinh thái nhân văn toàn cầu bị đe dọa bởi sự mất cân bằng sâu sắc trong năng suất và trong phân bố hàng hóa và dịch vụ, sự phồn thịnh và sự cùng cực đang đe dọa sự ổn định của toàn bộ hệ thống nhân văn và cùng với nó là MT toàn cầu. -          Thứ hai, thế giới đang ngày càng biến đổi, trong đó sự phối hợp quản lý MT ở quy mô quốc tế luôn bị tụt hậu so với sự phát triển kinh tế - xã hội. Những thành quả về MT thu được nhờ công nghệ và những chính sách mới đang không theo kịp nhịp độ và quy mô gia tăng dân số và phát triển kinh tế. Hiện nay thế giới đang đứng trước những thách thức MT sau: 1.5.1.      Khí hậu toàn cầu biến đổi và tần suất thiên tai gia tăng Theo đánh giá của Ban Liên Chính phủ về biến đổi khí hậu toàn cầu thì có bằng chứng cho thấy về ảnh hưởng rất rõ rệt của con người đến khí hậu toàn cầu. Các nhà khoa học cho biết trong vòng 100 năm trở lại đây, Trái đất đã nóng lên khoảng 0,50C và trong thế kỷ này sẽ tăng từ 1,50C  - 4,50C so với nhiệt độ ở thế kỷ XX. Hậu quả của sự nóng lên toàn cầu là: -          Mực nước biển dâng cao từ 25 đến 140cm, băng tan sẽ nhấn chìm một vùng đất liền rộng lớn, theo dự báo nếu tình trạng như hiện nay thì đến giữa thế kỷ này biển sẽ tiến vào đất liền từ 5-7m độ cao. -          Thời tiết thay đổi dẫn đến gia tăng tần suất thiên tai như gió, bão, hỏa hoạn và lũ lụt. Ví dụ, các trận hỏa hoạn tự nhiên không kiểm soát được vào các năm từ 1996-1998 đã thiêu hủy nhiều khu rừng ở Braxin, Canada, khu tự trị Nội Mông ở Đông Bắc Trung Quốc, Inđônêxia, Italia, Mêhicô, Liên bang Nga và Mỹ. Việt Nam tuy chưa phải là nước công nghiệp phát triển, tuy nhiên xu thế đóng góp khí gây hiệu ứng nhà kính  cũng thể hiện khá rõ nét. Bảng 1.3: Kết quả kiểm kê khí nhà kính năm 1990-1993 (Tg-triệu tấn)                                                             Năm Nguồn phát thải 1990 1993 - Khu vực năng lượng thương mại (Tg CO2) - Khu vực năng lượng phi thương mại (Tg CO2) - Sản xuất ximăng (Tg CO2) - Chăn nuôi (Tg CH4) - Trồng lúa nước (Tg CH4) - Lâm nghiệp  (Tg CO2) 19,280 43,660 0,347 1,135 0,950 33,90 24,045 52,565 2,417 0,394 3,192 34,516             Với những nguyên nhân trên, thiên tai không chỉ xuất hiện với tần suất ngày càng gia tăng mà quy mô tác động gây thiệt hại cho con người cũng ngày càng lớn. 1.5.2. Sự suy giảm tầng ôzôn. Ôzôn (O3) là loại khí hiếm trong không khí gần bề mặt đất và tập trung thành lớp