phương pháp tính toán chỉ số chất lượng nước (wqi) áp dụng cho các lưu vực sông việt nam

Khái niệm về WQI Ch ỉ số chất lượng nước viết tắt là WQI là một chỉ số được tính toán từ các thông số quan trắc chất lượng nước, dùng để mô tả định lượng về chất lượng nước và khả năng

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHỈ SỐ

CHẤT LƯỢNG NƯỚC (WQI)

ÁP DỤNG CHO CÁC LƯU VỰC SÔNG

VIỆT NAM

TỔNG CỤC MÔI TRƯỜNG

TRUNG TÂM QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG

Hà Nội, 6.2011

Nội dung trình bày

Khái niệm về WQI

 Ch ỉ số chất lượng nước (viết tắt là WQI) là một chỉ

số được tính toán từ các thông số quan trắc chất lượng nước, dùng để mô tả định lượng về chất lượng nước và khả năng sử dụng của nguồn nước đó; được biểu diễn qua một thang điểm.

Cơ sở để xây dựng phương pháp tính WQI

 Các nghiên c ứu, áp dụng AQI trên thế giới và Việt Nam

 Trên thế giới: Hoa Kỳ, Canada, Châu Âu, Malaysia, Ấn Độ

 Việt Nam: Các nghiên cứu của PGS TS Lê Trình, TS TônThất Lãng, TS Phạm Thị Minh Hạnh

 Các quy chu ẩn quốc gia về chất lượng nước hiện hành

 QCVN 08:2008/BTNMT Quy chuẩn quốc gia về chất lượngnước mặt lục địa

 QCVN 14:2008/BTNMT Quy chuẩn quốc gia về nước thảisinh hoạt

 TCVN 5945:2005 Nước thải công nghiệp, tiêu chuẩn thải

Kinh nghiệm về WQI trên thế giới và Việt Nam

 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 đây gọi tắt là WQI-NSF

 Canada: Phương pháp do Cơ quan Bảo 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 và phương 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

 Việt Nam:

• WQI chưa được triển khai chính thức.

• Nghiên cứu của PGS TS Lê Trình, TS Tôn Thất Lãng, TS Phạm Thị Minh Hạnh, cách tiếp cận cải tiến từ WQI – NSF.

• Phương pháp WQI đưa ra bởi Ủy ban sông Mê Kông: tính toán tổng hợp

Kinh nghiệm về WQI

Thông thường một chỉ số môi trường được xây dựng qua qua các bước sau:

Bước 1: Lựa chọn thông số

Bước 2: Chuyển các thông số về cùng một thang đo (tính toán chỉ số phụ)

Bước 3: Xác định trọng số

Bước 4: Tính toán chỉ số cuối cùng

Kinh nghiệm về WQI

Các bước xây dựng chỉ số môi trường nước

Bước 1: Lựa chọn thông số

Có rất nhiều thông số thể hiện chất lượng nước, chỉ số chất lượng nước không thể bao gồm tất cả các thông số đó (quá nhiều thông số cũng không tốt)

Việc lựa chọn thông số phụ thuộc vào mục đích xây dựng chỉ số WQI Tuy nhiên các thông số được lựa chọn nên thuộc vào tất cả các nhóm đặc trưng.

Một số phương pháp tính toán WQI

Các bước xây dựng chỉ số môi trường

Bước 1: Lựa chọn thông số

Một số phương pháp tính toán WQI

Các bước xây dựng chỉ số môi trường

Bước 1: Lựa chọn thông số

Một số phương pháp tính toán WQI

Bước 2: Tính toán chỉ số phụ

Mỗi thông số có một thang đo riêng – Các chỉ số phụ có cùng một thang đo

Có 2 phương pháp thường được sử dụng là phương pháp chuẩn hóa và phương pháp Rating Curve Đa số các nghiên cứu về WQI sử dụng phương pháp đường cong tỉ lệ (Rating Curve)

Các thang đo thường được sử dụng:

López-Một số phương pháp tính toán WQI

 Bước 3: Trọng số

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

 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 trọng số khác nhau, vì vậy WQI của các lưu vực khác nhau không thể so sánh với nhau.

Bước 4: Tính toán chỉ số WQI cuối cùng

Các bước xây dựng chỉ số WQI

phương điều hòa

Một số phương pháp tính toán WQI

 Bước 4: Tính toán chỉ số WQI cuối cùng

 Các b ất cập khi tính toán chỉ số WQI cuối cùng

 Tính che khuất : Một chỉ số phụ thể hiện chất lượng nướcxấu nhưng có thể chỉ số cuối cùng lại thể hiện chất lượng tốt

 Tính mơ hồ : Điều này xảy ra khi chất lượng nước chấp nhậnđược nhưng chỉ số WQI lại thể hiện ngược lại

 Tính không mềm dẻo : Khi một thông số có thể bổ xung vàoviệc đánh giá chất lượng nước nhưng lại không được tínhvào WQI do phương pháp đã được cố định

Khắc phục các bất cập khi tính toán chỉ số cuối cùng

 Liou et al (2004)

 Swamee and Tyagi

Kết hợp giữa TB cộng và TB nhân

Ví dụ 1 Phương pháp tính WQI của bang Origon

Bước 1: Lựa chọn thông số

Phương pháp WQI áp dụng tại bang Origon – Hoa

Ví dụ 1 Phương pháp tính WQI của bang Origon

Bước 2: Tính toán chỉ số phụ: Phương pháp Delphi và Rating Curve, thang đo của các chỉ số phụ: 0 - 100

Bước 2: Tính toán chỉ số phụ

Chỉ số phụ BOD: SI BOD

8 mg/l < BOD SIBOD = 10

Một số phương ph phương ph áp tính WQI cụ thể

Ví dụ 1 Phương pháp tính WQI của bang Origon

Bước 3: Trọng số

Origon WQI sử dụng phương pháp trọng số cân bằng (không có trọng số).

Bước 4: Tính toán chỉ số cuối cùng

Sử dụng hàm số bình phương điều hòa

Ví dụ 2 WQI đưa ra bởi TS Tôn Thất Lãng cho sông Đồng Nai

Bước 1: Lựa chọn thông số: Phương pháp Delphi

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

Ví dụ 2 WQI đưa ra bởi TS Tôn Thất Lãng

Bước 2: Tính toán chỉ số phụ - Phương pháp delphi và Rating Curve

Các chỉ số phụ được tính toán như sau: (thang đo 0 – 10)

Ví dụ 2 WQI đưa ra bởi TS Tôn Thất Lãng

Bước 3: Trọng số - Phương pháp Delphi

Thông qua việc lấy ý kiến của 40 nhà khoa học về môi trường, ta có bảng các trọng số như sau:

Một số phương ph phương ph áp tính WQI cụ thể

Ví dụ 2 WQI đưa ra bởi TS Tôn Thất Lãng

Bước 4: Tính toán chỉ số cuối cùng – phương pháp trung bình cộng có trọng số

n

i i i=1

Wi: Chỉ số phụ

So sánh phương pháp tính chỉ số phụ giữa 2 phương pháp trên

Bang Origon

0 4 8 12 16

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Sông Đồng Nai

0 30 60 90 120 150

Ví dụ 3 Phương pháp Floria WQI

Bước 1: Lựa chọn thông số

Các nhóm thông số để tính toán WQI

Độ trong của nước: độ đục, tổng rắn lơ lửng

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

Ví dụ 3 Phương pháp Floria WQI

Bước 2: Tính toán chỉ số phụ: pp Rating curve

Một số phương ph phương ph áp tính WQI cụ thể

Ví dụ 3 Phương pháp Floria WQI

Ví dụ 4 WQI đưa ra bởi TS Phạm Thị Minh Hạnh

Bước 1: Lựa chọn thông số: phương pháp phân tích hiện trạng

các thông số hiện có trong mạng lưới quan trắc môi trường

Các thông số để tính toán WQI: 8 thông số

Ví dụ 4 WQI đưa ra bởi TS Phạm Thị Minh Hạnh

Bước 2: Tính toán chỉ số phụ - phương pháp Rating Curve

Ví dụ 4 WQI đưa ra bởi TS Phạm Thị Minh Hạnh

Bước 2: Tính toán chỉ số phụ

Một số phương ph phương ph áp tính WQI cụ thể

Ví dụ 4 WQI đưa ra bởi TS Phạm Thị Minh Hạnh

Bước 3: Trọng số - Trọng số cân bằng

Bước 4: Tính toán chỉ số cuối cùng – phương pháp phân tích EFA (Explorerly Factor Analysis)

Ví dụ 4 WQI đưa ra bởi TS Phạm Thị Minh Hạnh

Bước 4: Tính toán chỉ số cuối cùng – phương pháp phân tích EFA (Explorerly Factor Analysis)

Ngoài WQI cơ bản, có thể tính thêm WQI mở rộng như sau:

Một số phương ph phương ph áp tính WQI cụ thể

Ví dụ 4 WQI đưa ra bởi TS Phạm Thị Minh Hạnh

Phân loại chất lượng nước thông qua chỉ số WQI

91 - 100 Sử dụng tốt cho mục đích cấp nước sinh hoạt

76 - 90 Sử dụng cho mục đích sinh hoạt nhưng cần các biện

Ví dụ 5 WQI – CCME (Canada)

Khác biệt so với các thông số ở trên:

Lựa chọn thông số: Sử dụng tất cả các thông số có trong chương trình quan trắc

Có thể tính toán cho số liệu nhiều điểm quan trắc, nhiều đợt quan trắc

Không tính chỉ số phụ cho từng thông số mà tính cho 3 chỉ số phụ như sau:

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

Độ lệch: D = (giá trị thông số/mức hướng dẫn) – 1

khi giá trị thông số cao hơn giới hạn trên của mức hướng dẫn

Độ lệch: D = (mức hướng dẫn/giá trị thông số) – 1

khi giá trị thông số thấp hơn giới hạn dưới của mức hướng dẫn.

Một số phương ph phương ph áp tính WQI cụ thể

0 01

0

3





nse nse F

Ví dụ 5 WQI - CCME

Tính toán chỉ số cuối cùng

372

1 100

2 3

2 2

95-100 Excellent: water quality is protected with virtual absence of

threat or impairment; conditions very close to natural or pristine levels

80-94 Good: water quality is protected with only minor degree of

threat or impairment; conditions rarely depart from natural or desirable levels

65-79 Fair: water quality is usually protected but occasionally

threatened or impaired; conditions sometimes depart from natural or desirable levels

45-64 Poor (marginal*): water quality is frequently threatened or

impaired; conditions often depart from natural or desirable levels

0-44 Very poor (poor*): water quality is almost always

threatened or impaired; conditions usually depart from natural or desirable levels

Ví dụ 6 WQI đưa ra bởi UB sông Mekong

Các thông số được chọn: DO, amoni, COD, tổng P

WQI được tính toán cho mỗi điểm quan trắc theo công thức như sau:

•p: điểm số của của mỗi mẫu, (nếu DO, NH4, COD và tổng P đáp ứng được mức ứng dẫn sẽ được 2 điểm; nếu chỉ có NH4 và tổng P đáp ứng được mức hướng dẫn sẽ được 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.

10

)

M

p p

p



Ví dụ 6 WQI đưa ra bởi UB sông Mekong

Một số phương ph phương ph áp tính WQI cụ thể

Thông số Đơn

vị

Mức hướng dẫn

9.5 - 10 B: ảnh hưởng nhẹ 8.5 – 9.5

C: có ảnh hưởng 7 – 8.5

D: ảnh hưởng nghiêm trọng

<7Mức hướng dẫn Thang điểm WQI

Phương pháp tính toán WQI do Tổng cục Môi trường ban hành

Phương pháp tính WQI do TCMT ban hành

Giải thích từ ngữ

1 Chỉ số chất lượng nước (viết tắt là WQI) là một chỉ

số được tính toán từ các thông số quan trắc chất lượng nước, dùng để mô tả định lượng về chất lượng nước và khả năng sử dụng của nguồn nước đó; được biểu diễn qua một thang điểm.

2 WQI thông số (viết tắt là WQISI) là ch ỉ số chất lượng nước tính toán cho mỗi thông số

Phương pháp tính WQI do TCMT ban hành

Mục đích của việc sử dụng WQI

Đánh giá chất lượng nước mặt lục địa một cách tổng quát;

Có thể được sử dụng như một nguồn dữ liệu để xây dựng bản đồ phân vùng chất lượng nước;

Cung cấp thông tin môi trường cho cộng đồng một cách đơn giản, dễ hiểu, trực quan;

Nâng cao nhận thức về môi trường.

Phương pháp tính WQI do TCMT ban hành

Các yêu cầu đối với việc tính toán WQI

WQI được tính toán riêng cho số liệu của từng điểm quantrắc;

WQI thông số được tính toán cho từng thông số quan trắc.Mỗi thông số sẽ xác định được một giá trị WQI cụ thể, từ đótính toán WQI để đánh giá chất lượng nước của điểm quantrắc;

Thang đo giá trị WQI được chia thành các khoảng nhấtđịnh Mỗi khoảng ứng với 1 mức đánh giá chất lượng nướcnhất định

Phương pháp tính WQI do TCMT ban hành

Quy trình tính toán và sử dụng WQI

Thu thập, tập hợp số liệu quan trắc từ trạm quan trắc môi trường nước mặt lục địa (số liệu đã qua xử lý).

Tính toán các giá trị WQI thông số

Tính toán WQI.

So sánh WQI với bảng các mức đánh giá chất lượng nước.

Phương pháp tính WQI do TCMT ban hành

Thu thập, tập hợp số liệu quan trắc

Số liệu quan trắc được thu thập phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Số liệu quan trắc sử dụng để tính WQI là số liệu của quan trắc nước mặt lục địa theo đợt đối với quan trắc định kỳ hoặc giá trị trung bình của thông số trong một khoảng thời gian xác định đối với quan trắc liên tục;

Các thông số được sử dụng để tính WQI thường bao gồm các thông số: DO, nhiệt độ, BOD5, COD, N-NH4, P-PO4, TSS, độ đục, Tổng Coliform, pH;

Số liệu quan trắc được đưa vào tính toán đã qua xử lý, đảm bảo

đã loại bỏ các giá trị sai lệch, đạt yêu cầu đối với quy trình quy phạm về đảm bảo và kiểm soát chất lượng số liệu.

Phương pháp tính WQI do TCMT ban hành

Tính toán WQI

1 Bước 1 Tính toán WQI thông số

1.1 WQI thông số (WQISI) được tính toán cho các thông số BOD 5 , COD,

BPi: Nồng độ giới hạn dưới của giá trị thông số quan trắc được quy định trong bảng 1 tương ứng với mức i

BPi+1: Nồng độ giới hạn trên của giá trị thông số quan trắc được quy định trong bảng 1 tương ứng với mức i+1

qi: Giá trị WQI ở mức i đã cho trong bảng tương ứng với giá trị BPi

qi+1: Giá trị WQI ở mức i+1 cho trong bảng tương ứng với giá trị BPi+1

C : Giá trị của thông số quan trắc được đưa vào tính toán.

i i

BP BP

q q

WQI (công thức 1)

Phương pháp tính WQI do TCMT ban hành

Bảng (1) quy định các giá trị qi, BP i

Phương pháp tính WQI do TCMT ban hành

Tính toán WQI

1.2 Tính giá trị WQI đối với thông số DO (WQIDO): được tínhtoán thông qua giá trị DO phần trăm bão hòa

 Tính giá trị DO bão hòa

 Tính giá trị DO phần trăm bão hòa

Trong đó DO hòa tan : Giá trị DO quan trắc được (tính theo mg/l)

3 2

000077774

0 0079910

0 41022

0 652

Phương pháp tính WQI do TCMT ban hành

Bảng (2) quy định các giá trị BP i và qi đối với DO % bão hòa

 Nếu giá trị DO% bão hòa nằm trong khoảng từ 112 - 200 thìWQIDO được tính theo công thức 1 và sử dụng bảng 2

 Nếu giá trị DO% bão hòa nằm trong khoảng từ 20 - 88 thì WQIDOđược tính theo công thức 2 và sử dụng bảng 2

i i

BP BP

1 (công thức 2)

Phương pháp tính WQI do TCMT ban hành

Tính toán WQI

1.3 Tính giá trị WQI đối với thông số pH

Bảng (3) quy định các giá trị BPi và qi đối với thông số pH

 Nếu giá trị pH quan trắc được nằm trong khoảng từ 8.5 - 9 thì WQIpH được tính theo công thức 1 và sử dụng bảng 3.

 Nếu giá trị pH quan trắc được nằm trong khoảng từ 5.5 - 6 thì WQIpH được tính theo công thức 2 và sử dụng bảng 3.

BP i ≤5.5 5.5 6 8.5 9 ≥9

Phương pháp tính WQI do TCMT ban hành

2 Bước 2 Tính toán WQI

 Sau khi tính toán WQI đối với từng thông số nêu trên, việc tính toán WQI được áp dụng theo công thức sau:

 Trong đó

 WQIa: Giá trị WQI đã tính toán đối với 05 thông số: DO, BOD5,

COD, N-NH4, P-PO4

 WQIb: Giá trị WQI đã tính toán đối với 02 thông số: TSS, độ đục

 WQIc: Giá trị WQI đã tính toán đối với thông số Tổng Coliform

 WQIpH: Giá trị WQI đã tính toán đối với thông số pH

3 / 1 2

1

5

1 2

1 5

a

pH

WQI WQI

WQI WQI

WQI

Phương pháp tính WQI do TCMT ban hành

3 Bước 3 So sánh theo thang điểm

 Sử dụng bảng xác định giá trị WQI tương ứng với mức đánhgiá chất lượng nước để so sánh, đánh giá, cụ thể như sau:

91 - 100 Sử dụng tốt cho mục đích cấp nước sinh hoạt

76 - 90 Sử dụng cho mục đích sinh hoạt nhưng cần các biện

pháp xử lý phù hợp, bảo vệ đời sống thủy sinh

51 - 75 Sử dụng cho mục đích tưới tiêu và các mục đích tương

đương khác

26 - 50 Sử dụng cho mục đích giao thông thủy và các mục

đích tương đương khác

Phương pháp tính WQI do TCMT ban hành

Công bố WQI cho cộng đồng

Yêu cầu đối với nội dung thông tin về WQI được công bố:

 Tên điểm và khu vực quan trắc, tên trạm quan trắc;

 Thời gian quan trắc;

 Giá trị WQI và mức đánh giá chất lượng nước tương ứng.

Phương pháp tính WQI do TCMT ban hành

Công bố WQI cho cộng đồng

Hình thức công bố:

Báo chí

Truyền thanh

Truyền hình

Bảng thông tin điện tử

Trang thông tin điện tử…

2550

25 50

6 28

000077774

0 28

0079910

0 28 41022

0 652

Ví dụ tính toán WQI

 Tính toán WQI

 K ết luận: Với giá trị WQI = 71 thì ta có kết luận là

nguồn nước đó sử dụng được cho mục đích tưới tiêu và các mục đích tương đương khác, thể hiện là màu vàng.

71 90

) 1 6 40

( 2

1 ) 100 40

7 71 5

87 86

( 5

1 100

Áp dụng thử nghiệm WQI

Áp dụng thử nghiệm cho LVS Cầu

Chương trình quan trắc LVS Cầu 2008, 2009

 Quan trắc trên các nhánh sông: Sông Cầu, sông Công, sông Ngũ Huyện Khê, các nhánh sông khác

 Tần suất quan trắc 6 đợt/năm

 Số điểm quan trắc 34 điểm

 Số lượng thông số: 28 thông số