PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHỈ SỐ CHẤTLƯỢNG NƯỚC (WQI)

0 TỔNG CỤC MÔI TRƯỜNG TRUNG TÂM QUAN TR ẮC MÔI TRƯỜNG o0o PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC (WQI) Hà Nội, 2010 1 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 d ựng WQI 5 II. KINH NGHIỆM XÂY DỰNG WQI CỦA MỘT SỐ QUỐC GIA TRÊN THẾ GIỚI 10 2.1 Mô hình WQI áp d ụng 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 c ủa 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 2 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 l ập và tính toán WQI 38 3.4.2 Phương pháp ph ân 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 đ ối 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 đ ối với LVS Nhuệ Đáy 64 VI. KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 3 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 các lưu vực sông đang là yêu cầu bức thiết và đang được quan tâm . Để có nguồn thông tin phục vụ tốt công tác bảo vệ môi trường các lưu vực sông, mạng lưới quan trắc nước trên 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 trong các báo cáo hiện trạng môi trường các lưu vực sông. Các thông s ố trong môi trường nước được phân tích đánh giá và đưa ra các nh ận định về hiện trạng và diễn biến của chất lượng nước. Ngoài các phân tích đánh giá cho t ừng thông số, các bộ chỉ thị môi trường quốc gia cũng đã được xây dựng. Bộ chỉ thị môi trường nước mặt lục địa đã có quy định chi tiết 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 từng thông số hay sử dụng các chỉ thị. Rất nhiều các quốc gia trên thế giới đã triển khai áp dụng các mô hình chỉ số chất lượng nước (WQI) với nhiều mục đích khác nhau. Từ nhiều giá trị của các thông số khác nhau, bằng các cánh tính toán phù h ợp, ta thu được một chỉ số duy nhất, giá trị của chỉ số này phản ánh một cách tổng quát nhất về chất lượng nước. Chỉ số chất lượng nước (WQI) với ưu điểm là đơn giản, dễ hiểu, có tính khái quát cao có thể được sử dụng cho mục đích đánh giá diễn biến chất lượng nước theo không gian và thời gian, là nguồn thông tin phù hợp cho cộng đồng, cho những nhà quản lý không phải chuyên gia về môi trường nước. Tài liệu này sẽ phân tích kinh nghi ệm các mô hình WQI đã được các quốc gia/địa phương/nhà khoa h ọc đề xuất trên thế giới cũng như Việt Nam, trong đó nhi ều mô hình đã áp dụng vào thực tế. Từ đó đề xuất mô hình WQI phù h ợp cho mạng lưới quan trắc môi trường quốc gia. Mô hình này c ũng được thử nghiệm đối với lưu vực hệ thống sông Cầu và Nhuệ Đáy. 4 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 từ chi tiết đến tổng hợp. - Dữ liệu thô: Là các thông tin v ề môi trường thu được mà chưa qua phân tích đánh 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 thông tin 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 hợp hay nhân với trọng số. Các chỉ số ở mức độ tích hợp cao hơn, nghĩa là chúng được tính toán từ nhiều biến số hay dữ liệu để giải thích cho một hiện tượng nào đó. Chỉ số môi trường truyền đạt các thông điệp đơn giản và rõ ràng về một vấn đề môi trường cho người ra quyết định không phải là chuyên gia và cho công chúng. Mục đích của chỉ số môi trường: - Phản ánh hiện trạng và diễn biến của chất lượng môi trường, đảm bảo tính phòng ngừa của công tác bảo vệ môi trường - Cung cấp thông tin cho những người những người quản lý, các nhà hoạch định chính sách cân nhắc về các vấn đề môi trường và phát triển kinh tế xã hội để đảm bảo phát triển bền vững - Thu gọn kích thước, đơn giản hóa thông tin để dễ dàng quản lý, sử dụng và tạo ra tính hiệu quả của thông tin. - Thông tin cho cộng đồng về chất lượng môi trường, nâng cao nhận thức bảo vệ môi trường cho cộng đồng. 5 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 được tính 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 thang điểm. 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, t ừ các thông số khác nhau ta thu đư ợc một chỉ số duy nhất. Sau đó chất lượng nước có thể được so sánh với nhau thông qua ch ỉ 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 cho việc 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/không đáp ứng của chất lượng nước đối với tiêu chuẩn hiện hành  Phân tích diễn biến chất lượng nước theo không gian và th ời gian.  Công bố thông tin cho cộng đồng  Nghiên cứu khoa học: các nghiên cứu chuyên sâu về chất lượng nước thường không sử dụng WQI, tuy nhiên WQI có th ể sử dụng cho các nghiên cứu vĩ mô khác như đánh giá tác đ ộng của quá trình đô thị hóa đến chất lượng nước khu vực, đánh giá hiệu quả kiểm soát phát thải,… 1.2.2 Quy trình xây d ựng WQI Hầu hết các mô hình chỉ số chất lượng nước hiện nay đều được xây dựng thông qua 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 số khác nhau để tính toán WQI phụ thuộc vào mục đích sử dụng nguồn nước và mục tiêu 6 của WQI. Dựa vào mục đích sử dụng WQI có thể được phân loại như sau: Chỉ số chất lượng 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 tố quan trọng. Các thông số không nên quá nhiều vì nếu các thông số quá nhiều thì sự thay 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 thuốc bảo 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 hình WQI 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) 7 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, vì vậy để tập hợp được các thông số vào chỉ số WQI ta phải chuyển các thông số về cùng một thang đo. Bước này sẽ tạo ra một chỉ số phụ cho mỗi thông số. Chỉ số phụ có thể được tạo ra bằng tỉ số giữa giá trị thông số và giá trị trong quy chuẩn. Có nhiều thang đo có thể sử dụng:  -100 to 100 (Stoner, 1978)  -50 to 100 (Béronet al, 1979)  0 to 1 (Swamee and Tyagi, 2000)  0 to 10 (Cooper et al, 1994)  0 to 14 (Prati et al, 1971) 8  0 to 16 (Sargaonkar and Deshpande, 2003)  0 to 25 (Gray, 1996)  0 to 100 (Brown et al, 1973; Shyue et al, 1996; Liou et al, 2004; Sedeño - Díaz and López-López, 2007; Simões et al, 2008)  to 10 (Melloul and Collins, 1998)  10 to 100 (Dunnette, 1979) Có rất nhiều phương pháp chuy ển 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 r ằng 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 th ống 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 tr ọng 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 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. STT Phương pháp Công thức Nghiên cứu sử dụng 1 Trung bình cộng không trọng số Prati et al., 1971; Sargaonkar and Deshpande, 2003; Frumin et al., 1997 2 Trung bình cộng có trọng số Brown et al., 1970, Prati et al., 1971 3 Trung bình nhân không trọng số Bhargava, 1983 9 4 Trung bình nhân có trọng số Brown et al, 1972 Couillard and Lefebvre, 1985 5 Tổng không trọng số dạng Solway Wepener et al., 2006 6 Tổng có trọng số dạng Solway Tyson and House, 1989; Gray, 1996; Bordalo, 2006 7 Trung bình bình phương điều hòa không trọng số Dojlido et al., 1994; Cude, 2001 8 Giá trị nhỏ nhất I = Min(q 1 ,q 2 , q n ) Smith, 1990 9 Giá trị lớn nhất I = Max(q 1 ,q 2 , q n ) 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 có thể chỉ số cuối cùng lại thể hiện chất lượng tốt  Tính mơ hồ : Điều này xảy ra khi chất lượng nước chấp nhận được nhưng chỉ số WQI lại thể hiện ngược lại  Tính không mềm dẻo : Khi một thông số có thể bổ xung vào việc đánh giá chất lượng nước nhưng lại không được tính vào WQI do phương pháp đ ã được cố định. Swamee and Tyagi đ ã đề xuất một công thức có thể khắc phục các bất cập trên : k n i k i qnI            1 /1 1 Trong đó : I : Chỉ số cuối cùng [...]... 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 khoảng thời 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... 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 tính cho 8 thông số chính (COD, BOD5, DO, turbidity, SS, NH4+ - N, PO43 P and T.coli) Chỉ số chất lượng nước tổng hợp ngoài 8 thông số trên được tính thêm các thông số pH, nhiệt độ, các kim loại nặng và dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong nước, chỉ số chất lượng nước tổng hợp cung... CSL tính toán các chỉ số chất lượng nước khác nhau cho các mục đích sử dụng khác nhau như: bảo vệ các loài thủy sinh, dùng làm nước sinh hoạt, môi trường nước mặn… 2.3.2 Phương pháp củ Phương pháp này dựa trên cách tiếp cận của New Zealand WQI là giá tr ị nhỏ nhất của các giá trị WQI phụ Mỗi chỉ số phụ được tính toán từ một thông số quan trắc môi trường nước WQI = min(Isub1, Isub2,…,Isubn) Phương pháp. .. dụng phương pháp tiếp cận Delphi Việc lựa chọn biến số sử dụng phương pháp DELPHI và t ập hợp lại bằng phương pháp chuyên gia Chuyển 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 tập hợp 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... lượng nước quan trọng với các trọng số được trình bày trong bảng sau: Thông số Trọng số tạm thời Trọng số cuối cùng BOD5 1.00 0.23 DO 0.76 0.18 SS 0.70 0.16 pH 0.66 0.15 Tổng N 0.63 0.15 Tổng coliform 0.56 0.13 ỉ ố ố Chỉ số WQI cuối cùng được tính theo công thức trung bình cộng có trọng số: n I qi wi i 1 Trong đó : I: Chỉ số cuối cùn qi: chỉ số phụ cho các thông số wi Trọng số Để đánh giá chất lượng nước. .. Isub2,…,Isubn) Phương pháp tính toán các chỉ số phụ khác các phương pháp áp d ụng tại Canada 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 môi trường nước Họ sử dụng một đường phi tuyến (dựa trên ý kiến tổng hợp các chuyên gia) để xác định mức WQI phụ dựa trên giá trị các thông số Chỉ số Quebec là giá trị... trọng số cân bằng ố ừ ỉ ố ụ WQI ban đầu được tính bằng trung bình số học có trọng số của các chỉ số phụ thành phần: n WQI SI iW i i 1 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 các chỉ số phụ thành phần: n WQI i 1 SI iWi WQI được sử dụng tại hiện tại ở Oregon sử dụng hàm bình phương điều hòa không trọng số. .. pháp đư ờ ỉ ệ 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 và hàm số tương quan giữa nồng độ và chỉ số phụ Dựa vào phương pháp thử với sự trợ giúp của phần mềm xử lý bảng tính Excel, các hàm chất lượng nước được biểu thị bằng các phương trình sau: - Hàm chất lượng nước với thông số BOD5 y = - 0,0006x2...n : số lượng thông số qi: Chỉ số phụ k là hằng số và được tính như sau: k 1 / log 2 n 1 Liou et al (2004) cũng đề xuất dùng một công thức kết hợp cả trung bình cộng và trung bình nhân 3 I CtemC pH Ctox 2 qi wi 1/ 3 1 q jwj i 1 qk j 1 k 1 Trong đó : Ctem CpH, Ctox : Chỉ số phụ tương đương ứng với nhiệt độ, pH và các chất độc hại qi : Chỉ số phụ của nhóm các thông số DO, BOD 5, N-NH3 qj : Chỉ số phụ... thức, một số nghiên cứu điển hình như sau: - Nghiên cứu của TS Tôn Thất Lãng, TS Phạm Thị Minh Hạnh, cách tiếp cận cải tiến từ WQI – NSF - Phương pháp WQI đưa ra b ởi Ủy ban sông Mê Kông: tính toán t ổng hợp đưa ra bở ự ọ ấ ụng cho sông Đồ ố: phương pháp Delphi Các thông số được lựa chọn để tính WQI cho sông Đồng Nai: - BOD, Tổng N - DO - SS - pH - Coliform ỉ ố ụ: phương pháp delphi và phương pháp đư . 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. Giới thiệu chung về WQI 5 1.2.2 Quy trình xây d ựng WQI 5 II. KINH NGHIỆM XÂY DỰNG WQI CỦA MỘT SỐ QUỐC GIA TRÊN THẾ GIỚI 10 2.1 Mô hình WQI áp d ụng tại