Theo cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ, kim loại nặng là các nguyên tố tự nhiên có trọng lượng có thể gây hại đến sinh vật sống ở nồng độ thấp và có xu thế tích lũy trong chuỗi thức ăn [1]. Nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng có thể gây ung thư và độc tính đối với sinh vật sống, thời gian tồn tại lâu dài có thể vượt quá hàng thập kỷ [2–5]. Trong nước dưới đất, nguồn cung cấp các kim loại nặng bao gồm hai nguồn tự nhiên và nhân tạo. Thuộc về nhóm nguồn gốc tự nhiên là thành phần thạch học của tầng chứa nước, quá trình phong hóa đá và thổ nhưỡng, quá trình vận chuyển trong không khí và dòng chảy mặt [2–3]. Các nguồn gốc nhân tạo đóng vai trò quan trọng trong sự phát tán các kim loại nặng là nước thải công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, v.v... Bên cạnh đó, quá trình nhiễm mặn, axit hóa, suy giảm mực nước do khai thác quá mức, sụt lún đất cũng làm tăng nồng độ kim loại nặng trong nước dưới đất [4–5]. Do đó, kim loại nặng là một thông số cần được quan trắc thường xuyên để đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người và hệ sinh thái.

TP.HCM có trữ lượng nước dưới đất khá phong phú với bảy tầng chứa nước, từ trên xuống là Holocene, Pleistocene trên (qp3), Pleistocene giữa trên (qp2-3), Pleistocene dưới (qp1), Pliocene trên (n22), Pliocene dưới (n21) và Miocen trên (n13). Ở khu vực phía Bắc là các tầng chứa nước Pleistocene trong khi ở phía Nam (Nam Bình Chánh, quận 7, Nhà Bè, Cần Giờ) chủ yếu là các tầng chứa nước trong trầm tích Holocene) [6]. Tầng Pleistocene là tầng có trữ lượng lớn nhất và được khai thác nhiều nhất với 3 phụ tầng là Pleistocene trên (qp3), Pleistocene giữa trên (qp2-3) và Pleistocene dưới (qp1). Phụ tầng qp3 được cấu tạo bởi đất đá hạt thô thuộc phần dưới của hệ tầng Pleistocen trên (Q1 3), phủ trực tiếp trên thành tạo rất nghèo nước Q1 2-3 và bị phủ bởi thành tạo rất nghèo nước Q2-Q1 3. Diện phân bố của phụ tầng qp3 khoảng 1.813 km2, chiếm 86,51% diện tích toàn thành phố. Chiều dày của tầng thay đổi tương đối lớn từ 4,4 m đến 50,5 m, trung bình 22,6 m. Thành phần thạch học chủ yếu là cát mịn đến trung, đôi chỗ thô, cát bột, bột cát,… phân lớp, màu trắng, xám trắng, xám vàng đôi khi có lẫn sạn sỏi [6]. Phụ tầng qp2-3 phủ trực tiếp trên thành tạo rất nghèo nước Q11 và bị phủ bởi thành tạo rất nghèo nước Q1 2-3. Phụ tầng này có diện tích phân bố 2.011 km2, chiếm 95,96% diện tích toàn thành phố, chiếm trên diện rộng ở Thủ Đức, phía đông Củ Chi (gần sông Sài Gòn) và chìm sâu về phía biển và phía Tây Nam. Chiều dày của tầng thay đổi tương đối lớn từ 5,0 m đến 84,0 m, trung bình 32,2 m. Thành phần thạch học chủ yếu là cát mịn đến thô, cát bột, bột cát,… phân lớp, phân nhịp khá dày tùy nơi màu xám trắng, xám vàng, đỏ nâu loang lổ đôi khi có lẫn sạn sỏi [6]. Phụ tầng qp1 không lộ ra trên mặt mà bị thành tạo rất nghèo nước Pleistocen dưới (Q1 1) che phủ và phủ trực tiếp lên trên thành tạo rất nghèo nước Pliocen giữa (N22). Phụ tầng này phân bố trên diện tích 1.881 km2, chiếm 89,76% diện tích toàn thành phố. Chiều dày của tầng thay đổi tương đối lớn từ 1,8 m đến 67,0 m, trung bình 31,9 m. Thành phần thạch học chủ yếu là cát mịn, mịn đến thô có lẫn sạn sỏi phân lớp và phân nhịp khá dày màu vàng, vàng nâu, trắng xám, thường xen kẹp thấu kính cát bột, bột sét, bột cát [6]. Là một khu vực có mật độ dân số cao nên tài nguyên nước dưới đất ở TP.HCM trở nên đặc biệt dễ bị tổn thương. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã triển khai về chất lượng nước dưới đất tại TP. HCM vẫn còn hạn chế so với các nghiên cứu về nguồn nước mặt. Dữ liệu đầy đủ nhất từ hệ thống quan trắc do Chi cục Bảo vệ Môi trường TP.HCM (nay là Trung tâm quan trắc môi trường) và Liên đoàn điều tra Quy hoạch tài nguyên nước miền Nam. Hệ thống quan trắc do Chi cục Bảo vệ Môi trường TP.HCM quản lý gồm 16 trạm với 45 giếng được triển khai từ năm 2007. Chất lượng nước dưới đất ở các trạm được quan trắc 3 tháng/lần trong năm. Tám kim loại được quan trắc là Fe, Zn, Cu, Pb, Cd, Ni, As và Cr. Kết quả quan trắc đã cho thấy có ba kim loại (Pb, Cd và Mn) đã có xu hướng tăng ở cả ba tầng Pleistocene, Pliocene trên và Pliocene dưới [7]. Hệ thống quan trắc quốc gia do Liên đoàn điều tra Quy hoạch tài nguyên nước miền Nam bao gồm 16 trạm với 45 giếng được triển khai từ năm 1990. Tám kim loại được quan trắc là Fe, Zn, Cu, Pb, Cd, Ni, As và Cr. Kết quả quan trắc của Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước miền Nam đã cho thấy trong phạm vi TP. HCM đã có dấu hiệu tăng cao một số chỉ tiêu (Fe, Mn và Cd) so với giá trị giới hạn [8]. Một số công trình nghiên cứu khác cũng đã đề cập đến sự gia tăng hàm lượng kim loại nặng như Mn và Fe [9] hoặc Cu, Pb và Zn trong nước dưới đất khu vực TP.HCM [10]. Do đó, nghiên cứu xác định nguồn gốc của các chất ô nhiễm này rất cần thiết. Các báo cáo quan trắc chủ yếu so sánh với quy chuẩn Việt Nam để đánh giá mức độ ô nhiễm và phục vụ công tác quản lý nhà nước, chưa quan tâm đến phân tích bộ số liệu này, chưa đề cập đến các giá trị vượt quy chuẩn cho phép có nguồn gốc “tự nhiên” hay “nhân sinh”. Nghiên cứu của nhóm tác giả [10] tuy đã đề cập đến ảnh hưởng của hoạt động nhân sinh đến các kim loại Cu, Pb và Zn nhưng còn mang tính chất định tính dựa trên kết quả khảo sát thực tế. Chính vì vậy, rất cần một phương pháp hiệu quả, có độ tin cậy cao để có thể xác định nguồn gốc của các chất ô nhiễm này. Đặc biệt đối với khu vực đô thị như TP.HCM thì đánh giá được ảnh hưởng của hoạt động nhân sinh là yêu cầu cấp bách hiện nay.

Trong thực tế, sự tương tác giữa các nguồn địa chất và nhân sinh rất phức tạp và hiện nay phương pháp phân tích thống kê là cách tiếp cận hiệu quả và đã được áp dụng rộng rãi để có thể xác định nguồn gốc của các kim loại nặng trong nước dưới đất [11–13]. Một trong những phương pháp phổ biến là kỹ thuật phân tích nhân tố [14–16] hoặc kết hợp phân tích nhân tố và phân tích cụm [17–19] để có thể trích rút ra các nhóm kim loại có cùng nguồn gốc (tự nhiên hay nhân sinh) từ bộ dữ liệu ban đầu. Tuy nhiên, để có thể áp dụng kỹ thuật này cần có những điều kiện tối thiểu như tập mẫu tuân theo phân phối chuẩn và thỏa mãn các điều kiện của kiểm định Kaiser-Meyer-Olkin Measure of Sampling Adequacy (KMO) và kiểm định Bartlett [20–21]. Trong thực tế, các tập mẫu thủy địa hóa rất khó thể hiện phân phối chuẩn do sự khác biệt về không gian giữa các vị trí lấy mẫu. Trong trường hợp này, có thể áp dụng phân tích phương sai một yếu tố (oneway ANOVA). Phân tích phương sai một yếu tố là phân tích dựa trên ảnh hưởng của một nhân tố và đã được áp dụng rộng rãi để kiểm định giả thuyết về sự khác biệt thống kê của các nhóm mẫu với sai số tối đa 5% [20–21]. Cách tiếp cận này đã được áp dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về thành phần hóa học nước và đặc biệt là xác định nguồn gốc kim loại nặng trong nước dưới đất [22–25]. Cụ thể, tác giả [25] đã có thể xác định nguồn thải công nghiệp là nguyên nhân gây ra ô nhiễm kim loại nặng trong nguồn nước cấp. Tương tự, tác giả [26] cũng đã áp dụng phân tích ANOVA cho thấy bên cạnh nguồn tự nhiên (Phong hóa silicat và cacbonat) thì hoạt động khai thác mỏ và nông nghiệp là những yếu tố có ảnh hưởng đến thành phần hóa học tầng chứa nước.

Mục tiêu của nghiên cứu là: (1) Đánh giá hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng (Al, Cr, Cu, Ni, Mn, Fe, Zn, Cd và Pb) và (2) Xác định vai trò hoạt động nhân sinh đến sự phân bố kim loại nặng trong nước dưới đất tầng Pleistocene khu vực TP.HCM bằng phương pháp phân tích ANOVA. Tầng Pleistocene được lựa chọn là tầng chứa nước nghiên cứu vì đây là tầng chịu tác động của các hoạt động nhân sinh [9–10] đồng thời cũng là tầng chứa nước được khai thác nhiều nhất ở TP.HCM [6]. Với nhiều ưu điểm, phương pháp phân tích ANOVA là cách tiếp cận mới được lựa chọn để áp dụng trong xử lý bộ dữ liệu. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học trong thiết kế mạng lưới quan trắc tài nguyên nước và đề xuất giải pháp phù hợp để giảm thiểu ô nhiễm, bảo vệ nguồn tài nguyên nước dưới đất trên địa bàn TP.HCM.

Qua quá trình nghiên cứu cho thấy Phương pháp phân tích thống kê ANOVA là một cách tiếp cận hợp lý trong xử lý dữ liệu và đánh giá chất lượng nước dưới đất. Áp dụng đối với khu vực TP. HCM, kết quả phân tích ANOVA đã được kiểm chứng bằng số liệu quan trắc và khảo sát thực địa để xác định ảnh hưởng của các hoạt động nhân sinh đến hàm lượng kim loại nặng trong nước dưới đất tầng Pleistocene. Bốn kim loại nặng Ni, Cu, Cd và Pb đã có giá trị tăng cao tại một số giếng quan trắc (TTB, GV, QPVC) đồng thời cũng thể hiện có sự tác động nhất định của hoạt động nhân sinh. Năm kim loại còn lại bao gồm Al, Cr, Fe, Mn và Zn phản ánh vai trò của các yếu tố tự nhiên như thành phần thạch học của tầng chứa nước.

So với quy chuẩn cho phép (QCVN 09:2023), hàm lượng các nguyên tố nói trên còn ở mức thấp. Tuy nhiên, do có sự tăng cao của Cd và Pb là những kim loại nặng có độc tính, có thể gây ung thư nên vẫn cần tiếp tục triển khai quan trắc thường xuyên.