PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHỈ SỐ CHẤTLƯỢNG NƯỚC (WQI)

Chỉ số chất lượng nước WQI với ưu điểm là đơn giản, dễ hiểu, có tínhkhái quát cao có thể được sử dụng cho mục đích đánh giá diễn biến chất lượng nướctheo không gian và thời gian, là nguồ

TỔNG CỤC MÔI TRƯỜNG TRUNG TÂM QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG

-o0o -PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHỈ SỐ CHẤT

LƯỢNG NƯỚC (WQI)

Hà Nội, 2010

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 3

I TỔNG QUAN VỀ CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC (WQI) 4

1.1 Tổng quan về chỉ số môi trường 4

1.2 Tổng quan về WQI 5

1.2.1 Giới thiệu chung về WQI 5

1.2.2 Quy trình xây dựng WQI 5

II KINH NGHIỆM XÂY DỰNG WQI CỦA MỘT SỐ QUỐC GIA TRÊN THẾ GIỚI 10

2.1 Mô hình WQI áp dụng tại bang Origon – Hoa Kỳ 10

2.1.1 Lựa chọn các thông số 10

2.1.2 Phương pháp chuy ển đổi biến số: 11

2.1.3 Trọng số: 15

Mô hình WQI hiện tại đang áp dụng sử dụng phương pháp trọng số cân bằng 15

2.1.4 Tính toán WQI cu ối cùng từ các chỉ số phụ 15

2.2 Mô hình WQI áp dụng ở bang Floria 16

2.2.1 Lựa chọn thông số 16

2.2.2 Tính toán chỉ số phụ 17

2.2.3 Trọng số: 19

2.2.4 Tính toán chỉ số cuối cùng 19

2.3 Các mô hình WQI áp d ụng tại Canada 20

2.3.1 Phương pháp đưa ra b ởi trung tâm St Laurent 20

2.3.2 Phương pháp của QUEBEC 20

2.3.3 Phương pháp British Columbia 21

2.3.4 Phương pháp Manitoba 21

2.3.5 Phương pháp Ontario 21

2.3.6 Chi tiết phương pháp tính toán WQI áp d ụng tại Alberta (phát triển từ WQI – CCME) 21

III TÌNH HÌNH NGHIÊN C ỨU VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VỀ XÂY DỰNG WQI Ở VIỆT NAM 23

3.1 Mô hình WQI đưa ra bởi TS Tôn Thất Lãng áp dụng cho sông Đồng Nai 24

3.1.1 Lựa chọn thông số: phương pháp Delphi 24

3.1.2 Tính toán chỉ số phụ: phương pháp delphi và phương pháp đư ờng cong tỉ lệ 24

3.1.3 Trọng số 24

3.1.4 Tính toán chỉ số cuối cùng 25

3.2 Mô hình WQI đưa ra bởi TS Phạm Thị Minh Hạnh 25

3.2.1 Lựa chọn thông số 26

3.2.2 Chuyển các thông số về cùng một thang đo 27

3.2.3 Trọng số 34

Không sử dụng trọng số 34

3.2.4 Tính chỉ số cuối cùng 35

3.3 Mô hình WQI đưa ra bởi Ủy ban sông Mekong 36

3.4 Mô hình WQI đưa ra bởi PGS.TS Lê Trình 37

3.4.1 Phương pháp lập và tính toán WQI 38

3.4.2 Phương pháp phân loại và phân vùng chất lượng nước dựa theo WQI 40

IV ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH WQI CHO M ẠNG LƯỚI QUAN TRẮC NƯỚC QUỐC GIA 40

4.1 Lựa chọn thông số Error! Bookmark not defined 4.2 Tính toán chỉ số phụ (WQI phụ) Error! Bookmark not defined 4.3 Trọng số Error! Bookmark not defined 4.4 Tính toán chỉ số cuối cùng Error! Bookmark not defined. V ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC LVS CẦU VÀ NHUỆ ĐÁY THÔNG QUA WQI 40

5 1 Áp dụng WQI cho số liệu quan trắc cho hệ thống LVS Cầu 45

5.1.1 Tổng quan về hệ thống LVS Cầu 45

5.1.2 Áp dụng thử nghiệm WQI để đánh giá chất lượng nước LVS Cầu 47

5.1.3 Một số kết quả tính toán WQI khác đối với LVS Cầu 53

5.2 Áp dụng thử nghiệm WQI để đánh giá chất lượng nước LVS Nhuệ Đáy 57

5.2.1 Mạng lưới quan trắc LVS Nhuệ Đáy 57

5.2.2 Chất lượng nước LVS Nhuệ Đáy thông qua từng thông số 59

5.1.3 Một số kết quả tính toán WQI khác đối với LVS Nhuệ Đáy 64

VI KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

MỞ ĐẦU

Việt Nam có mạng lưới sông ngòi khá dày, tuy nhiên quá trình phát tri ển kinh tế

xã hội nhanh đã dẫn đến nhiều lưu vực sông bị ô nhiễm nặng Bảo vệ môi trường cáclưu vực sông đang là yêu cầu bức thiết và đang được quan tâm Để có nguồn thông tinphục vụ tốt công tác bảo vệ môi trường các lưu vực sông, mạng lưới quan trắc nướctrên toàn quốc đang hình thành và ngày càng m ở rộng

Số liệu quan trắc nước từ các chương trình quan trắc thường được sử dụng trongcác báo cáo hiện trạng môi trường các lưu vực sông Các thông s ố trong môi trườngnước được phân tích đánh giá và đưa ra các nh ận định về hiện trạng và diễn biến củachất lượng nước

Ngoài các phân tích đánh giá cho t ừng thông số, các bộ chỉ thị môi trường quốcgia cũng đã được xây dựng Bộ chỉ thị môi trường nước mặt lục địa đã có quy định chitiết và đang được áp dụng cho cấp độ địa phương cũng như quốc gia

Chỉ số môi trường là cách sử dụng số liệu tổng hợp hơn so với đánh giá từngthông số hay sử dụng các chỉ thị Rất nhiều các quốc gia trên thế giới đã triển khai ápdụng các mô hình chỉ số chất lượng nước (WQI) với nhiều mục đích khác nhau Từnhiều giá trị của các thông số khác nhau, bằng các cánh tính toán phù h ợp, ta thu đượcmột chỉ số duy nhất, giá trị của chỉ số này phản ánh một cách tổng quát nhất về chấtlượng nước Chỉ số chất lượng nước (WQI) với ưu điểm là đơn giản, dễ hiểu, có tínhkhái quát cao có thể được sử dụng cho mục đích đánh giá diễn biến chất lượng nướctheo không gian và thời gian, là nguồn thông tin phù hợp cho cộng đồng, cho nhữngnhà quản lý không phải chuyên gia về môi trường nước

Tài liệu này sẽ phân tích kinh nghiệm các mô hình WQI đã được các quốc gia/địaphương/nhà khoa học đề xuất trên thế giới cũng như Việt Nam, trong đó nhiều môhình đã áp dụng vào thực tế Từ đó đề xuất mô hình WQI phù hợp cho mạng lướiquan trắc môi trường quốc gia Mô hình này cũng được thử nghiệm đối với lưu vực hệthống sông Cầu và Nhuệ Đáy

Chương I TỔNG QUAN VỀ CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC (WQI)

1.1 Tổng quan về chỉ số môi trường

Mô hình tháp dữ liệu thể hiện mối quan hệ giữa các mức độ sử dụng dữ liệu từchi tiết đến tổng hợp

- Dữ liệu thô: Là các thông tin v ề môi trường thu được mà chưa qua phân tíchđánh giá

- Dữ liệu đã được xử lý: Là các thông tin, s ố liệu đã được tổng hợp, phân tích,đánh giá từ số liệu thô thu được từ điều tra, khảo sát, quan trắc

- Chỉ thị môi trường: Chỉ thị môi trường là thước đo tổng hợp, cô đọng các thôngtin môi trường để đánh giá tình trạng môi trường

- Chỉ số môi trường: là một tập hợp của các tham số hay chỉ thị được tích hợphay nhân với trọng số Các chỉ số ở mức độ tích hợp cao hơn, nghĩa là chúngđược tính toán từ nhiều biến số hay dữ liệu để giải thích cho một hiện tượngnào đó Chỉ số môi trường truyền đạt các thông điệp đơn giản và rõ ràng về mộtvấn đề môi trường cho người ra quyết định không phải là chuyên gia và chocông chúng

Mục đích của chỉ số môi trường:

- Phản ánh hiện trạng và diễn biến của chất lượng môi trường, đảm bảo tính phòngngừa của công tác bảo vệ môi trường

- Cung cấp thông tin cho những người những người quản lý, các nhà hoạch định chínhsách cân nhắc về các vấn đề môi trường và phát triển kinh tế xã hội để đảm bảo pháttriển bền vững

- Thu gọn kích thước, đơn giản hóa thông tin để dễ dàng quản lý, sử dụng và tạo ratính hiệu quả của thông tin

- Thông tin cho cộng đồng về chất lượng môi trường, nâng cao nhận thức bảo vệ môi

1.2 Tổng quan về WQI

1.2.1 Giới thiệu chung về WQI

Chỉ số chất lượng nước (Water Quality Index - WQI) là một chỉ số tổ hợp đượctính toán từ các thông số chất lượng nước xác định thông qua một công thức toán học.WQI dùng để mô tả định lượng về chất lượng nước và được biểu diễn qua một thangđiểm

Việc sử dụng sinh vật trong nước làm chỉ thị cho mức độ sạch ở Đức từ năm

1850 được coi là nghiên cứu đầu tiên về WQI

Chỉ số Horton (1965) là chỉ số WQI đầu tiên được xây dựng trên thang số

Hiện nay có rất nhiều quốc gia/địa phương xây dựng và áp dụng chỉ số WQI.Thông qua một mô hình tính toán, từ các thông số khác nhau ta thu đư ợc một chỉ sốduy nhất Sau đó chất lượng nước có thể được so sánh với nhau thông qua chỉ số đó.Đây là phương pháp đơn gi ản so với việc phân tích một loạt các thông số

Các ứng dụng chủ yếu của WQI bao gồm:

 Phục vụ quá trình ra quyết định: WQI có thể được sử dụng làm cơ sở choviệc ra các quyết định phân bổ tài chính và xác định các vấn đề ưu tiên

 Phân vùng chất lượng nước

 Thực thi tiêu chuẩn: WQI có thể đánh giá được mức độ đáp ứng/khôngđáp ứng của chất lượng nước đối với tiêu chuẩn hiện hành

 Phân tích diễn biến chất lượng nước theo không gian và thời gian

 Công bố thông tin cho cộng đồng

 Nghiên cứu khoa học: các nghiên cứu chuyên sâu về chất lượng nướcthường không sử dụng WQI, tuy nhiên WQI có th ể sử dụng cho cácnghiên cứu vĩ mô khác như đánh giá tác đ ộng của quá trình đô thị hóa đếnchất lượng nước khu vực, đánh giá hiệu quả kiểm soát phát thải,…

1.2.2 Quy trình xây dựng WQI

Hầu hết các mô hình chỉ số chất lượng nước hiện nay đều được xây dựng thôngqua quy trình 4 bước như sau:

Bước 1: Lựa chọn thông số

Có rất nhiều thông số có thể thể hiện chất lượng nước, sự lựa chọn các thông sốkhác nhau để tính toán WQI phụ thuộc vào mục đích sử dụng nguồn nước và mục tiêu

của WQI Dựa vào mục đích sử dụng WQI có thể được phân loại như sau: Chỉ số chấtlượng nước thông thường, chỉ số chất lượng nước cho mục đích sử dụng đặc biệt.

Việc lựa chọn thông số có thể dùng phương pháp delphi ho ặc phân tích nhân tốquan trọng Các thông số không nên quá nhiều vì nếu các thông số quá nhiều thì sựthay đổi của một thông số sẽ có tác động rất nhỏ đến chỉ số WQI cuối cùng Các thông

số nên được lựa chọn theo 5 chỉ thị sau:

 Hàm lượng Oxy: DO

 Phú dưỡng: N-NH4, N-NO3, Tổng N, P-PO4, Tổng P, BOD5, COD, TOC

 Các khía cạnh sức khỏe: Tổng Coliform, Fecal Coliform, Dư lư ợng thuốcbảo vệ thực vật, các kim loại nặng

 Đặc tính vật lý: Nhiệt độ, pH, Màu sắc

 Chất rắn lơ lửng: Độ đục, TSS

Hình dưới đây chỉ ra số lượng các thông số được sử dụng trong các mô hìnhWQI khác nhau:

Hình 1: Số lượng các biến được sử dụng trong các báo cáo WQI (Couillard

and Lefebvre (1985) and Wepener et al (2006)) (nguồn: Development of Water Quality Indices for Surface Water Quality Evaluation

in Vietnam, Thesis for Ph.D.’s Degree - Pham Thi Minh Hanh)

Tần suất sử dụng các thông số được chỉ ra trong hình dưới đây:

Hình 2: Tần suất sử dụng các thông số trong các mô hình WQI (nguồn: Development of Water Quality Indices for Surface Water Quality Evaluation

in Vietnam, Thesis for Ph.D.’s Degree - Pham Thi Minh Hanh)

Bước 2: Chuyển đổi các thông số về cùng một thang đo (tính toán ch ỉ số phụ)

Các thông số thường có đơn vị khác nhau và có các kho ảng giá trị khác nhau, vìvậy để tập hợp được các thông số vào chỉ số WQI ta phải chuyển các thông số về cùngmột thang đo Bước này sẽ tạo ra một chỉ số phụ cho mỗi thông số Chỉ số phụ có thểđược tạo ra bằng tỉ số giữa giá trị thông số và giá trị trong quy chuẩn Có nhiều thang

 0 to 16 (Sargaonkar and Deshpande, 2003)

Có rất nhiều phương pháp chuyển đổi thông số nhưng phương pháp đư ờng cong

tỉ lệ (rating curve) được sử dụng rộng rãi nhất

Bước 3 : Trọng số

Trọng số được đưa ra khi ta cho rằng các thông số có tầm quan trọng khác nhauđối với chất lượng nước Trọng số có thể xác định bằng phương pháp delphi, phươngpháp đánh giá tầm quan trọng dựa vào mục đích sử dụng, tầm quan trọng của cácthông số đối với đời sống thủy sinh, tính toán trọng số dựa trên các tiêu chuẩn hiệnhành, dựa trên đặc điểm của nguồn thải vào lưu vực, bằng các phương pháp th ốngkê…

Một số nghiên cứu cho rằng trọng số là không cần thiết Mỗi lưu vực khác nhau

có các đặc điểm khác nhau và có các tr ọng số khác nhau, vì vậy WQI của các lưu vựckhác nhau không thể so sánh với nhau

Bước 4 : Tính toán chỉ số WQI cuối cùng

Các phương pháp thư ờng được sử dụng để tính toán WQI cuối cùng từ các chỉ

số phụ: trung bình cộng, trung bình nhân ho ặc giá trị lớn nhất

8 Giá trị nhỏ nhất I = Min(q1,q2, qn) Smith, 1990

9 Giá trị lớn nhất I = Max(q1,q2, qn) Couillard and Lefebvre,

1985

(nguồn: Development of Water Quality Indices for Surface Water Quality Evaluation

in Vietnam, Thesis for Ph.D.’s Degree - Pham Thi Minh Hanh)

Một số bất cập khi tính toán chỉ số WQI cuối cùng :

 Tính che khuất : Một chỉ số phụ thể hiện chất lượng nước xấu nhưng cóthể chỉ số cuối cùng lại thể hiện chất lượng tốt

 Tính mơ hồ : Điều này xảy ra khi chất lượng nước chấp nhận được nhưngchỉ số WQI lại thể hiện ngược lại

 Tính không mềm dẻo : Khi một thông số có thể bổ xung vào việc đánh giáchất lượng nước nhưng lại không được tính vào WQI do phương pháp đ ãđược cố định

Swamee and Tyagi đã đề xuất một công thức có thể khắc phục các bất cập trên :

k n

i

k i

q n

1

Trong đó :

I : Chỉ số cuối cùng

n : số lượng thông số

qi: Chỉ số phụ

k là hằng số và được tính như sau: k  1 / log2n 1

Liou et al (2004) cũng đề xuất dùng một công thức kết hợp cả trung bình cộng

và trung bình nhân

3 / 1 1

j j i

i i tox

pH

C I

Trong đó :

Ctem CpH, Ctox: Chỉ số phụ tương đương ứng với nhiệt độ, pH và các chất độchại

qi: Chỉ số phụ của nhóm các thông số DO, BOD5, N-NH3

qj: Chỉ số phụ ywngs với nhóm thông số độ đục, TSS

qk: Chỉ số phụ của nhóm vi sinh vật bao gồm Fecal coliform

Chương II KINH NGHIỆM XÂY DỰNG WQI CỦA MỘT SỐ QUỐC GIA TRÊN THẾ

GIỚI

Có rất nhiều quốc gia đã đưa áp dụng WQI vào thực tiễn, cũng như có nhiềucác nhà khoa học nghiên cứu về các mô hình WQI

Hoa Kỳ: WQI được xây dựng cho mỗi bang, đa số các bang tiếp cận theo phương

pháp của Quỹ Vệ sinh Quốc gia Mỹ (National Sanitation Foundation -NSF) – sau đâygọi tắt là WQI-NSF

Canada: Phương pháp do Cơ quan B ảo vệ môi trường Canada (The Canadian

Council of Ministers of the Environment - CCME, 2001) xây dựng

Châu Âu: Các quốc gia ở châu Âu chủ yếu được xây dựng phát triển từ WQI –

NSF (của Hoa Kỳ), tuy nhiên mỗi Quốc gia – địa phương lựa chọn các thông số vàphương pháp tính chỉ số phụ riêng

Các quốc gia Malaysia, Ấn Độ phát triển từ WQI – NSF, nhưng mỗi quốc gia có

thể xây dựng nhiều loại WQI cho từng mục đích sử dụng

2.1 Mô hình WQI áp dụng tại bang Origon – Hoa Kỳ

2.1.1 Lựa chọn các thông số

WQI là một con số đại diện cho chất lượng nước tính toán từ 8 thông số: Nhiệt

độ, DO, BOD, pH, Tổng N (ammonia+nitrate nitrogen), T ổng P, Tổng rắn (Totalsolids), fecal coliform OWQI đư ợc đưa ra từ năm 1970 và liên tục được cải tiến

Giới hạn áp dụng: WQI là một chỉ số tổng hợp được sử dụng để đánh giá chất

lượng nước cho các mục đích thông thường (câu cá, bơi…) Nó th ể xác định chấtlượng nước cho các mục đích đặc biệt, WQI cũng không thể ước tính được hết tất cảcác tác động có hại đến sức khỏe OWQI được xây dựng cho các lưu vực thuộc bangOregon, việc áp dụng cho các nơi khác c ần có cân nhắc và điều chỉnh phù hợp

2.1.2 Phương pháp chuy ển đổi biến số:

WQI đầu tiên được xây dựng khi National Sanitation Foundation’s Water QualityIndex được thành lập Các chỉ số WQI này (chỉ số WQI ban đầu và chỉ số WQI được

sử dụng hiện tại) đều sử dụng phương pháp tiếp cận Delphi

Việc lựa chọn biến số sử dụng phương pháp DELPHI và t ập hợp lại bằng phươngpháp chuyên gia Chuy ển đổi các biến số bằng cách logarit hóa để tính các chỉ số phụ.Trong quá trình xây dựng chỉ số WQI ban đầu, một nhóm các chuyên gia đ ã được tậphợp và sử dụng phương pháp Delphi đ ể xác định các biến số và trọng số của mỗi biến.Việc loại bỏ các tỉ lệ bằng phương pháp Redudancy and impai rment categories của 6thông số (DO, BOD, pH, tổng rắn, amoni+nitrat, fecak coliform) Các thông s ố đượcphân loại thành các nhóm nhân tố khác nhau: tiêu thụ oxy, phú dưỡng, thông số vật lý,các chất hòa tan và yếu tố ảnh hưởng đến sức khẻ

Sự tiêu thụ Oxy Với nhiều biến thì sự thay đổi nhỏ trong một biến không thểphản ánh rõ nét trong chỉ số WQI cuối cùng

Chỉ số WQI phụ được tính toán từ giá trị các thông số thông qua một đường phituyến xây dựng trước WQI hiện nay cũng được bổ xung thêm 2 thông s ố là tổng P vànhiệt độ dựa trên những nghiên cứu về điều kiện của các lưu vực tai Oregon Mỗi mộtchỉ số phụ có giá trị từ 10 đến 100

Oxy hòa tan (DO)

WQI ban đầu chỉ được tính dựa trên độ bão hòa với các điều kiện nhiệt độ khácnhau DO là chỉ số quan trọng cho Cá hồi, tôm Chỉ số phụ DO được xây dựng dựatrên tác động đến các loài thủy sinh Cách tính chỉ số phụ DO như sau:

- Nồng độ DO bão hòa (DO saturation hay DOs) ≤ 100% hoặc Nồng độ DOc ≤3.3 mg/l SIDO = 10

- 3.3 mg/l < DOc ≤ 10.5 mg/l SIDO=-80.29+31.88*DOc-1.401*DOc2

- 10.5 mg/l < DOc SIDO = 100

- 100% < DOs ≤ 275% SIDO=100*exp((DOs - 100)*1.179E-2)

- 275% < Dos SIDO = 100

Nhu cầu Oxy sinh học (BOD)

BOD thể hiện tổng mức tiêu thụ oxy do các sinh vật thủy sinh Phương pháp tínhchỉ số phụ BOD như sau:

BOD ≤ 8 mg/l: SIBOD = 100*exp(BOD*-0.1993)

8 mg/l < BOD SIBOD = 10

Amonia + nitrate nitrogen N

Quá trình Nitrat hóa di ễn ra trong một số dòng chảy thuộc bang Oregon và quátrình này cũng có thể tiêu thụ oxy Chỉ số phụ Nitơ được tính dựa trên tổng của amoni

và nitrat, tuy nhiên trong cơ s ở dữ liệu vẫn cần lưu riêng amoni và nitrat đ ể có thểphân tích về mức độ đóng góp của amoni và nitrat đối với chỉ số phụ Nitơ Phươngpháp tính toán chỉ số phụ Nito nêu ở phần dưới

Phú dưỡng

Sự gia tăng nồng độ các hợp chất nitơ và photpho dễ tiêu trong nước tạo ra nhữngđiều kiện thuận lợi cho tảo phát triển Phú dưỡng có thể ảnh hưởng rất lớn đến chấtlượng môi trường nước và đời sống của các loài thủy sinh

Amonia + nitrate nitrogen N

Amonia và nitrat vừa có tác động đến nồng độ oxy hòa tan vừa có ảnh hưởng chủyếu đến phú dưỡng Phương pháp tính ch ỉ số phụ Nitơ như sau:

N ≤ 3 mg/l SIN = 100*exp(N* -0.4605)

3 mg/l < N SIN =10

Mô hình WQI hiện tại đang áp dụng sử dụng phương pháp trọng số cân bằng

2.1.4 Tính toán WQI cuối cùng từ các chỉ số phụ

WQI ban đầu được tính bằng trung bình số học có trọng số của các chỉ số phụthành phần:

Trong đó SIi là chỉ số phụ đối với thông số i, Wi là trọng số tương ứng

NSF AQI là trung bình theo không gian (geometic mean) có tr ọng số của cácchỉ số phụ thành phần:

1 21

Trong đó:

WQI: chỉ số cuối cùng

n là số lượng các chỉ số WQI thành phần

SLi: Chỉ số phụSau khi WQI cuối cùng được xác định, chất lượng nước được đánh gia theo cácthang như sau:

- Hàm lượng oxy: DO

- Như cầu oxy (phú dưỡng): COD, BOD, TOC

- Các chất dinh dưỡng: Tổng N, nitrat, Tổng P

- Vi khẩn: Tổng Coliform và Fecal Coliform

2.2.2 Tính toán chỉ số phụ

Chỉ số phụ được tính toán từ giá trị thông số bằng phương pháp đường cong tỉ lệ(rating curve), đường cong này được xây dựng từ các tiêu chuẩn về nước mặt và cácnghiêm cứu về nồng độ các chất ô nhiễm trong nước

Chị thị: Vi sinh vật

Tổng

Coliform

MPN/100ml

100 150 250 425 600 1100 1600 3700 7600

Fecal

Colifoem

MPN/100ml

Ghi chú: *: đơn vị trong tài liệu gốc; *=MPN/100ml (ngư ời dịch)

Các đường cong tỉ lệ được thể hiện cụ thể trong các hình dưới đây:

q n

I

11

Trong đó:

I : Chỉ số cuối cùng

n: số lượng thông sốqi: chỉ số phụ

Thang điểm WQI:

- Tốt: 0 – 44

- Trung bình: 45 – 59

- Kém: 60 – 99

2.3 Các mô hình WQI áp dụng tại Canada

Bộ Môi trường Canada đưa ra một mô hình WQI (WQI – CCME), mô hình đóđược sử dụng ở nhiều bang tại Canada

2.3.1 Phương pháp đưa ra b ởi trung tâm St Laurent

Trung tâm St Laurent (CSL) là m ột trung tâm chịu trách nhiệm báo cáo chấtlượng nước của sông St Lawrence Ch ỉ số WQI được CSL đưa ra như sau:

n

F A

Trong đó Ai là giá trị trung bình mức độ vượt độ vượt quá mức hướng dẫn củacác biến Khi giá trị của thông số vượt quá mức hướng dẫn đối với thông số đó tỉ lệ

“giá trị thông số/mức hướng dẫn” được tính toán Ai là trung bình c ủa các giá trị đó

Fi là tần số của giá trị vượt quá mức hướng dẫn so với tổng số giá trị thu đượccủa biến đó ( Fi = Faccced/Ftotal)

CSL tính toán các chỉ số chất lượng nước khác nhau cho các mục đích sử dụngkhác nhau như: bảo vệ các loài thủy sinh, dùng làm nước sinh hoạt, môi trường nướcmặn…

2.3.2 Phương pháp của QUEBEC

Phương pháp này dựa trên cách tiếp cận của New Zealand WQI là giá tr ị nhỏnhất của các giá trị WQI phụ Mỗi chỉ số phụ được tính toán từ một thông số quan trắcmôi trường nước

WQI = min(Isub1, Isub2,…,Isubn)

Phương pháp tính toán các ch ỉ số phụ khác các phương pháp áp d ụng tạiCanada đó là phương pháp này s ử dụng đường cong Delphi Đường cong Delphi xây

dựng bằng phương pháp chuyên gia v ề mức độ quan trọng của các thông số trong môitrường nước Họ sử dụng một đường phi tuyến (dựa trên ý kiến tổng hợp các chuyêngia) để xác định mức WQI phụ dựa trên giá trị các thông số Chỉ số Quebec là giá trịxấu nhất của các giá trị WQI phụ

2.3.3 Phương pháp British Columbia

WQI = (F12+F22+F32)½F1 là phần trăm các mẫu vượt quá mức hướng dẫn

F2 là phần trăm các thông s ố có một hoặc nhiều hơn 1 mẫu vượt quá mứchướng dẫn

F3 là giá trị cao nhất của mẫu vượt quá mức hướng dẫn

Trong 3 thành phần F1, F2, F3 thì có 2 thành ph ần giống với các phương pháptính WQI khác: F2 giống với chỉ số của bang Alberta, F3 tương t ự chỉ số của trung tâm

St Laurent, còn thành ph ần F1 thì không giống bất kỳ phương pháp nào khác Các m ứcWQI khác nhau phù hợp với các mục đích sử dụng khác nhau

2.3.4 Phương pháp Manitoba

Bang Manitoba sử dụng phương pháp đã áp dụng tại bang British Columbia mà

có bất kỳ thay đổi nào, với số liệu trong 4 năm tại 8 vùng khác nhau thu ộc Manitoba,bang Manitoba đã kết luận phương pháp Bitish Columbia hoàn toàn có th ể áp dụngphù hợp cho Manitoba

2.3.5 Phương pháp Ontario

Bang Ontario sử dụng phương đã áp dụng tại British Columbia nhưng s ửa đổigiá trị F3 là giá trị trung bình chứ không phải giá trị cao nhất Họ đưa ra đánh giá vềmột số vấn đề xảy ra đối với phương pháp British Columbia khi m ột số giá quá lớn sovới mục tiêu chất lượng

Các thông số môi trường sử dụng để tính toán WQI bao gồm: Clorua, FecalColiform, đồng, sắt, chì, kẽm, magan, natri, tổng N, tổng P, DO, sunfat, pH, t ổng rắn

2.3.6 Chi tiết phương pháp tính toán WQI áp d ụng tại Alberta (phát triển từ WQI – CCME)

Lựa chọn thông số: Các thông số dùng để tính toán WQI là hầu hết các thông

số có trong chương trình quan trắc tại Alberta

Metals & Ions

Aluminum Copper Molybdenum Vanadium

Pesticides

Lindane

Nutrients & Related Variables

Dissolved Oxygen Total Phosphorus Nitrite-Nitrogen (NO2-N)

Bacteria

Fecal Coliforms Escherichia coli

Các thông số sử dụng để tính toán chỉ số WQI

WQI được tính toán thông qua các bư ớc như sau:

Bước 1: Tính toán giá trị phạm vi - SCOBE F1

F1 là tỉ số các thông số không đáp ứng được so với mức hướng dẫn trong khoảngthời gian tính chỉ số

F1 = (số thông số vượt quá tiêu chuẩn/tổng số thông số)*100

Bước 2: Tính toán giá trị tần suất F2

F2 là phần trăm số mẫu không đáp ứng được mức hướng dẫn

F2 = (Số mẫu không đáp ứng tiêu chuẩn/Tổng số mẫu)*100

Bước 3: Tính toán giá trị biên độ F3

Giá trị F3 được tính toán qua 3 bước sau:

0

3  nse 

nse F

Bước 4: Tính toán giá trị WQI

372 1 100

2 3

2 2

Chương III: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VỀ XÂY DỰNG

WQI Ở VIỆT NAM

Tại Việt Nam WQI chưa được triển khai chính thức, một số nghiên cứu điển hìnhnhư sau:

- Nghiên cứu của TS Tôn Thất Lãng, TS Phạm Thị Minh Hạnh, cách tiếp cậncải tiến từ WQI – NSF

- Phương pháp WQI đưa ra b ởi Ủy ban sông Mê Kông: tính toán t ổng hợp

3.1 Mô hình WQI đưa ra bởi TS Tôn Thất Lãng áp dụng cho sông Đồng Nai

3.1.1 Lựa chọn thông số: phương pháp Delphi

Các thông số được lựa chọn để tính WQI cho sông Đồng Nai:

3.1.2 Tính toán chỉ số phụ: phương pháp delphi và phương pháp đường cong tỉ lệ

Từ điểm số trung bình do các chuyên gia cho ứng với từng khoảng nồng

độ thực tế, đối với mỗi thông số chất lượng nước chúng tôi xây dựng một đồ thị vàhàm số tương quan giữa nồng độ và chỉ số phụ Dựa vào phương pháp thử với sự trợgiúp của phần mềm xử lý bảng tính Excel, các hàm ch ất lượng nước được biểu thịbằng các phương trình sau:

- Hàm chất lượng nước với thông số BOD5 y = - 0,0006x2 - 0,1491x +9,8255

- Hàm chất lượng nước với thông số DO y = 0,0047x2 + 1,20276x - 0,0058

- Hàm chất lượng nước với thông số SS y = 0,0003x2 - 0,1304x + 11,459

- Hàm chất lượng nước với thông số pH y = 0,0862x4 - 2,4623x3 +24,756x2 – 102,23x + 150,23

- Hàm chất lượng nước với thông số tổng N: y = - 0,04x2 – 0,1752x + 9,0244

- Hàm chất lượng nước với thông số coliform y = 179.39x-0,4067

3.1.3 Trọng số

Thep phương pháp Delphi, các m ẫu phỏng vấn được biên soạn và gởiđến 40 chuyên gia chất lượng nước ở các trường Đại Học, các Viện Nghiên Cứu, cáctrung tâm Môi trường để lấy ý kiến Các mẫu phỏng vấn được gởi đi hai đợt: đợt một

là các câu hỏi để xác định các thông số chất lượng nước quan trọng, đợt hai là các câuhỏi để xác định trọng số của các thông số chất lượng nước để xây dựng chỉ số phụ và

Loại nguồn

nước

Ký hiệu màu Chỉ số WQI Đánh giá chất lượng

1 Xanh dương 9<WQI≤10 Không ô nhiễm

3.2 Mô hình WQI đưa ra bởi TS Phạm Thị Minh Hạnh

Chỉ số chất lượng nước được chia làm 2 loại là: Chỉ số chất lượng nước cơ bản

IB và chỉ số chất lượng nước tổng hợp IO Chỉ số chất lượng nước cơ bản được tínhcho 8 thông số chính (COD, BOD5, DO, turbidity, SS, NH4+ - N, PO43 P andT.coli) Chỉ số chất lượng nước tổng hợp ngoài 8 thông số trên được tính thêm cácthông số pH, nhiệt độ, các kim loại nặng và dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trongnước, chỉ số chất lượng nước tổng hợp cung cấp nhiều thông tin hơn cho vi ệc đánh giáchất lượng nước

Mỗi thông số sẽ xác định một chỉ số chất lượng nước phụ, chỉ số WQI cuốicùng được xác định bằng việc kết hợp phương pháp trung bình cộng và trung bìnhnhân không trọng số

3.2.1 Lựa chọn thông số

Các tiêu chí sau được sử dụng để lựa chọn thông số:

- Các thông số phải có mặt vào 5 nhóm sau: Hàm lư ợng oxy, phú dưỡng, yếu

tố sức khỏe, đặc tính vật lý và chất rắn lơ lửng

- Để có thể xây dựng được đường cong tỉ lệ (rating curve) thì các thông s ốphải có tiêu chuẩn môi trường nước của Việt Nam

- Các thông số phải có trong các mạng lưới quan trắc môi trường nước

- Dựa trên việc phân tích tần suất xuất hiện trong các chương trình quan trắc

và phân tích ý nghĩa giá trị của các thông số trong việc đánh giá chất lượngnước

Các thông số có tần suất xuất hiện cao nhất trong các chương tr ình quan trắcbao gồm: Nhiệt độ, pH, BOD5, COD, DO, T ổng sắt, độ đục, TSS, N-NH3, N-NO3,

EC, P-PO4, Tổng coliform Có 8 kim lo ại nặng có trong các chương tr ình quan trắc:Tổng sắt, Pb, Cd, Hg, Zn, Cu, Ni và Cr, trong đó s ắt có tần suất quan trắc cao nhất.Các kim loại nặng có tần suất quan trắc khác biệt giữa các vùng, ở Miền Bắc chỉ có Fe,

Pb và Cd được quan trắc; Fe, Pb và Hg được quan trắc ở Miền Trung và Fe, Pb, Zn,

Cu, Ni, Cr được quan trắc ở Miền Nam

Theo số liệu quan trắc từ năm 1998 đến 2007 tại Việt Nam,tần suất xuất hiệncủa các thông số là: 7,25% số mẫu có đo pH; DO: 64.17%; SS: 50.25%; Độ đục:73.84%; BOD5: 43.65%; COD: 45.54%; Tổng coliform: 68.02%; N-NH4: 65.62%; P-PO4: 36.27%; Fe: 46.52% Thông số độ đục có tuần suất quan trắc rất cao nhưng trongtiêu chuẩn nước mặt của Việt Nam không có thông số này, các giới hạn do Pesce vàWunderlin (2000) đưa ra được sử dụng

WQI được chia làm 2 loại, các thông số cũng được chia làm 2 loại:

- Chỉ số chất lượng nước cơ bản IB sử dụng các thông số: COD, BOD5, DO,

Độ đục, TSS, N-NH4, P-PO4, Tổng coliform

- Chỉ số chất lượng nước tổng hợp IO:8 thông số sử dụng cho IB, pH và các

chất độc hại (phenols, pesticides, cyanide kim lo ại năngh: As, Cd, Cr, Pb,

Hg, Zn, Cu and Ni)

3.2.2 Chuyển các thông số về cùng một thang đo

Sử dụng phương pháp đường cong tỉ lệ (rating curve), các tiêu chuẩn được sử

dụng để xây dựng đường cong tỉ lệ là: QCVN 08:2008/BTNMT qu chu ẩn quốc gia vềnước mặt và TCVN 5945: 2005 tiêu chuẩn nước thải công nghiệp WQI được chia làm

5 mức như sau:

- Mức 1: Nguồn nước có thể sử dụng với mục đích nước sinh hoạt

- Mức 2: Nguồn nước có thể sử dụng làm nguồn nước sinh hoạt nhưng phải

có các biện pháp xử lý thích hợp và bảo vệ đời sống thủy sinh

- Mức 3: Nguồn nước sử dụng cho mục đích tưới tiêu

- Mức 4: Sử dụng cho các mục đích cần chất lượng thấp như giao thông thủy

- Mức 5: Nguồn nước bị ô nhiễm nặng, cần có kế hoạch xử lý trong tương lai

DO bão hòa có thể tính thông qua công thức(Elmore & Hayes, 1960)::

3 2

00007777

00079910

041022.0652

29

3.2.3 Trọng số

Không sử dụng trọng số

dụng cho 8 thông số trên.

Đồ thị dạng Scree đối với số liệu quan trắc của 8 thông số sử dụng trong WQI cơ bản

Từ phân tích PCA, các thông số có tương quan cao với nhau được cho vào cácnhóm bao gồm: nhóm 1 (DO, BOD5 COD, N -NH4, P-PO4), nhóm 2 (Độ đục, TSS),nhóm 3 (Tổng coliform) Công thức tính WQI cuối cùng là:

3 / 1 1

j j i

i i

I

Trong đó :

qi : Chỉ số phụ của nhóm các thông số DO, BOD5, N-NH4, COD, P-PO4

qj : Chỉ số phụ ywngs với nhóm thông số độ đục, TSS

qk : Chỉ số phụ của nhóm vi sinh vật bao gồm Fecal coliform

1 5

j j i

i i

n n

WQI cơ bản và WQI tổng hợp được sử dụng để phân loại chất lượng nước theocác mức như sau:

( 1 2

M

p p

p WQI     n



p: điểm số của của mỗi mẫu, (nếu DO, NH4, COD và tổng P đáp ứng được mứcứng dẫn sẽ được 2 điểm; nếu chỉ có NH4 và tổng P đáp ứng được mức hướng dẫn sẽđược 1 điểm, các trường hợp còn lại sẽ được 0 điểm

n: số mẫu trong 1 năm

M: Số điểm tối đa có thể đạt được của các mẫu trong 1 năm

Mức hướng dẫn được cho trong bảng sau:

3.4 Mô hình WQI đưa ra bởi PGS.TS Lê Trình

Đề tài “Nghiên cứu phân vùng chất lượng nước theo các chỉ số chất lượng nước(WQI) và đánh giá khả năng sử dụng các nguồn nước sông, kênh rạch ở vùng thành

phố Hồ Chí Minh” do PGS.TS Lê trình làm ch ủ nhiệm là một trong những công trìnhnghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam về phân vùng chất lượng nước theo WQI.

3.4.1 Phương pháp lập và tính toán WQI

Có nhiều phương pháp xây dựng công thức và tính toán WQI Trong đề tàinghiên cứu này 4 mô hình WQI đã được nghiên cứu, tính toán dựa theo 2 mô hìnhWQI cơ bản của Hoa Kỳ và Ấn Độ

Mô hình cơ bản của Quỹ Vệ sinh Quốc gia Hoa Kỳ (NSF-WQI)

NSF-WQI được tính theo một trong 2 công thức: công thức dạng tổng (ký kiệu làWA-WQI) và công thức dạng tích (ký kiệu là WM-WQI):

iq WQI

WM

Phần trọng lượng đóng góp (wi) của 9 thông số lựa chọn như sau:

DO = 0,17; F.coli = 0,15; pH = 0,12; BOD5 = 0,10; NO3: 0,1 0; PO4: 0,10; biếnthiên nhiệt độ (ΔT = độ lệch nhiệt độ nước giữa 2 điểm quan trắc gần nhau) = 0,10; độđục = 0,08; tổng chất rắn (TS) = 0,08

Chỉ số phụ qi được xác định dựa vào các đồ thị qi = f(xi)

Theo mô hình này, giá trị WQI xác định được nằm trong khoảng 0 đến 100: WQI

= 0ứng với mức CLN xấu nhất, WQI = 100 ứng với mức CLN tốt nhất

Dựa theo mô hình cơ bản NSF-WQI Đề tài đã cải tiến thành 3 mô hình phù hợp

với đặc điểm CLN TP Hồ Chí Minh:

Theo mô hình Bhargava (1983), WQI cho mỗi mục đích sử dụng nước (chẳng

hạn, cấp nước sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp…) được tính toán theo công thức(3) và

WQI tổng quát (hay WQI cho đa mục đích sử dụng nước) được tính theo công

thức: