Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 SEMREGG 2018 397 ỨNG DỤNG CHỈ SỐ CHẤT LƯ NG NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÀ PHÂN TÍCH CỤM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯ NG NƯỚC DƯỚI ĐẤT TẦNG JURA HUYỆN XUYÊN MỘC, TỈNH BÀ RỊA VŨNG TÀU Nguyễ[.]
Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 ỨNG DỤNG CHỈ SỐ CHẤT LƯ NG NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÀ PHÂN TÍCH CỤM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯ NG NƯỚC DƯỚI ĐẤT TẦNG JURA HUYỆN XUYÊN MỘC, TỈNH BÀ RỊA - VŨNG TÀU Nguyễn Hải Âu1,*, Phạm Thị Tuyết Nhi2, Tất Hồng Minh Vy2, Trần Ngọc Thanh Hòa2 Viện Môi trường Tài nguyên, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, Việt Nam Khoa Địa chất khoáng sản, Trường Đại học Tài nguyên Mơi trường TP Hồ Chí Minh *Email: haiauvtn@gmail.com TĨM TẮT Nước đất địa bàn huyện Xuyên Mộc, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu sử dụng cho nhiều mục đích khác tưới, cấp nước cho sinh hoạt chăn nuôi Trong năm gần đây, chất lượng nước đất địa bàn có xu hướng suy giảm, đặc biệt vào mùa khô Trong nghiên cứu mẫu nước đất thu thập từ giếng quan trắc tầng chứa nước Jura vào mùa khô mùa mưa năm 2017 Các phương pháp Phân tích cụm (CA - Cluster Analysis) Chỉ số chất lượng nước đất (GWQI - Groundwater Quality Index) sử dụng để đánh giá mức độ phù hợp nước đất khu vực nghiên cứu Mười thông số chất lượng nước (pH, TDS, độ cứng, Cl-, F-, NO2-, NO3-, SO42-, Zn2+, Mn2+ Fe2+) lựa chọn phân tích nghiên cứu Kết phân tích GWQI cho thấy 83 % (mùa khơ) 67 % (mùa mưa) giếng quan trắc có chất lượng nước khu vực nghiên cứu đạt từ tốt - tốt Giếng có chất lượng nước từ xấu - xấu không xuất mùa khô mùa mưa Phân tích cụm chia liệu quan trắc thành nhóm khác với đồng nội nhóm Kết nghiên cứu cung cấp thơng tin cụ thể, cơng cụ hữu ích việc xử lý liệu quan trắc phức tạp phân vùng chất lượng nước đất khu vực nghiên cứu, giúp quan chức việc hoạch định chiến lược thích hợp quản lý bền vững tài nguyên nước đất Từ khóa: GWQI, CA, nước đất, chất lượng nước GIỚI THIỆU Chỉ số chất lượng nước nước đất (GWQI - Groundwater Quality Index) kỹ thuật đánh giá, cung cấp ảnh hưởng tổng hợp thơng số chất lượng tồn chất lượng nước GWQI phương pháp mô tả định lượng chất lượng nước khả sử dụng, biểu diễn qua thang điểm, thông số quan trọng để phân vùng chất lượng nước đất [9] Phân tích cụm (CA) phân loại đơn vị dựa vào số đặc tính chúng Phương pháp nhận diện phân loại đối tượng hay biến cho đối tượng cụm tương tự xét theo đặc tính chọn để nghiên cứu Một thuận lợi kỹ thuật khả phân tích liệu lớn phức tạp, có nhiều biến nhiều đơn vị thí nghiệm Những phương pháp đơi tạo biến cách giảm số lượng biến ban đầu việc so sánh giải thích liệu Phân tích cụm (CA) phương pháp phân loại đối tượng hay biến cho đối tượng cụm xét theo đặc tính chọn để phân tích [6] 397 The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 Trong năm gần đây, GWQI CA sử dụng rộng rãi lĩnh vực môi trường diễn biến chất lượng nước đất, nước mặt đánh giá thị chất lượng môi trường Ở Ấn Độ [2, 10], Bangladesh [1], Thổ Nhĩ Kỳ [9, 11], Ai Cập [3], Nhật Bản [7], nghiên cứu ứng dụng phương pháp thống kê đa biến (PCA, CA, DA,…) số chất lượng nước đánh giá chất lượng nước mặt, nước đất lưu vực sông dựa vào mối quan hệ thông số đo đạc với đặc điểm nguồn tầng chứa nước, từ đề xuất thơng số đặc trưng chất lượng nước lưu vực để giám sát quản lí hiệu Ở nước ta nay, kỹ thuật thống kê đa biến (PCA, CA, HCA,…) nói chung phân cụm (CA) nói riêng ứng dụng rộng rãi, chủ yếu ngành kinh tế xã hội Trong lĩnh vực môi trường, Việt Nam nói chung tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu nói riêng, có số nghiên cứu nhóm tác giả ứng dụng phân tích thống kê đa biến để đánh giá chất lượng nước đất [4, 5, 6] Các kết bước đầu cho thấy kỹ thuật phân tích thống kê đa biến có nhiều ưu điểm, cung cấp nhiều thông tin với tập số liệu quan trắc lớn từ cơng trình quan trắc chất lượng nước năm Trong nghiên cứu này, tập trung tính tốn, phân tích thơng số lí hóa chất lượng nước đất tầng chứa nước Pleistocen GWQI CA, kết hợp với đặc điểm tầng chứa nước phân bố nguồn thải khu vực huyện Xuyên Mộc, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu Kết phân tích cho phép đánh giá thơng tin tương đồng số trạm quan trắc khác nhau, từ xác định thơng số chất lượng nước đặc trưng theo thời gian, đặc trưng ảnh hưởng đến chất lượng nước TÀI LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mô tả vùng nghiên cứu Xun Mộc huyện có diện tích lớn tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu (642,18 km²), dân số năm 2011 162.356 người, với 13 đơn vị hành (1 thị trấn 12 xã) Khu vực nghiên cứu có đường bờ biển dài khoảng 30 km, thuộc vùng bán nhật triều Nằm vị trí địa lý vơ quan trọng, vùng địa đầu miền Đông Nam Bộ nối liền với cực Nam Trung Bộ Phía bắc giáp huyện Xuân Lộc (tỉnh Đồng Nai); Phía nam giáp Biển Đơng; Phía đơng giáp huyện Hàm Tân (tỉnh Bình Thuận); Phía tây giáp huyện Châu Đức Đất Đỏ Khí hậu nằm vùng khí hậu cận xích đạo, gió mùa nóng, ẩm ổn định quanh năm với mùa rõ rệt: Mùa mưa từ tháng đến tháng 10, chịu ảnh hưởng gió mùa Tây - Nam gây mưa lớn (từ 1300 đến 1700 mm) Mùa khô từ tháng 11 đến tháng năm sau, chịu tác động gió mùa Đơng - Bắc Nhiệt độ trung bình từ 26 đến 27 oC (biên độ nhiệt dao động thấp, từ oC đến oC) Huyện Xuyên Mộc có tầng chứa nước chính: (1) Tầng chứa nước lỗ hổng trầm tích Holocen (qh); (2) Tầng chứa nước lỗ hổng trầm tích Pleistocen giữa-trên (qp2-3); (3) Tầng chứa nước lỗ hổng trầm tích Pliocen (n2); (4) Tầng chứa nước khe nứt đá bazan Pliocen Pleistocen ( n2-qp1); (5) Tầng chứa nước khe nứt đá trầm tích lục nguyên Jura (j2) Thành phần đất đá chứa nước đá trầm tích lục nguyên cát kết, sét kết, bột kết nứt nẻ tuổi Jura thuộc hệ tầng Trà Mỹ Mã Đà Loại hình hóa học nước chủ yếu Bicarbonat Magne-Calci, Bicarbonat Magne-Natri đến Bicarbonat Natri-Calci Nguồn cung cấp cho tầng nước mưa thấm trực tiếp vùng lộ miền thoát sông suối trũng thấp Theo số liệu quan trắc khoảng thời gian từ 2012 đến 2017 Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu thực hiện, diễn biến chất lượng nước trạm quan trắc tầng Jura địa bàn huyện Xuyên Mộc có thay đổi qua năm [8] 398 Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 Hình Sơ đồ vị trí quan trắc huyện Xuyên Mộc, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu 2.2 Tài liệu nghiên cứu Theo số liệu quan trắc giai đoạn 2017 Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu thực trạm quan trắc tầng chứa nước Jura, phân tích 29 thơng số hóa lý Tuy nhiên, kết phân tích cho thấy, số có giá trị nhỏ khơng phát Do vậy, báo sử dụng 10 thông số chất lượng nước (pH, TDS, độ cứng, Cl-, F-, NO3-, SO42-, Zn2+, Pb Fe2+) từ giếng quan trắc chất lượng nước đất địa bàn huyện Xuyên Mộc Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu thực vào mùa khô mùa mưa năm 2017 (VT18, VT21, VT24A, VT25A, VT36, VT38) lựa chọn xử lý đánh giá Vị trí giếng quan trắc trình bày sơ đồ vị trí quan trắc Hình PHƢƠNG PHÁP 3.1 Phƣơng pháp phân tích thống kê đa iến xử lý số liệu Tất tính tốn toán học GWQI thống kê thực cách sử dụng phần mềm EXCEL 2016 (Microsoft Office) Phương pháp cụm CA xử lý phần mềm SPSS (PASW Statistics 23) Sơ đồ phương pháp nghiên cứu trình bày Hình 399 The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 Thu thập số liệu Xử lý số liệu Phân tích cụm (CA) Tính tốn số chất lượng nước đất (GWQI) Chọn thước đo khoảng cách (Euclid bình phương) Lựa chọn GWQI thích hợp Chọn thủ tục phân cụm (thủ tục Ward) Phân vùng chất lượng nước theo GWQI Quyết định số cụm Giải thích mô tả cụm Bản đồ chất lượng nước theo GWQI Đánh giá độ tin cậy Kết luận tình hình chất lượng nước đất khu vực nghiên cứu Đề xuất giải pháp khai thác hiệu nước đất tầng Jura địa bàn huyện Xuyên Mộc, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu Hình Sơ đồ phương pháp nghiên cứu 3.2 Chỉ số chất lƣợng nƣớc ƣới đất (GWQI) Phương pháp số chất lượng nước đất (GWQI) phản ánh hợp phần ảnh hưởng riêng thông số chất lượng nước khác nhau, phụ thuộc nhiều vào đặc điểm khu vực nghiên cứu mục đích sử dụng Chất lượng nước đất tính tốn cách dùng cơng thức GWQI, so với giới hạn QCVN09-MT:2015/BTNMT GWQI = ∑SIi = ∑(Wi x qi) = ∑ *( ∑ ) ( )+ (1) Trong Ci nồng độ thơng số, Si giá trị giới hạn, wi định trọng số theo tầm quan trọng tương đối tổng chất lượng nước cho mục đích uống (Bảng 1), qi tỷ lệ chất lượng nước, Wi trọng số tương quan thông số, wi trọng số thơng số có ảnh hưởng đến sức khỏe quan trọng toàn chất lượng nước SIi số đại diện cho thông số thứ i 400 Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 Bảng Bảng trọng số, trọng số tương quan giá trị giới hạn số chất lượng nước (GWQI) Thông số Đơn vị Trọng số (wi) Trọng số tương quan (Wi) Giá trị giới hạn (Si) (QCVN 09-MT:2015/BTNMT) pH - 0,098 5,5 - 8,5 Độ cứng mg/l 0,049 500 TDS mg/l 0,122 1500 mg/l 0,122 250 - Cl F - mg/l 0,122 - mg/l 0,098 15 2- mg/l 0,122 400 2+ mg/l 0,024 mg/l 0,073 0,5 mg/l 0,098 ∑wi=41 ∑Wi=1 NO3 SO4 Zn Pb 2+ Fe 3.3 Phân tích cụm (CA) Trong nghiên cứu, phương pháp phân tích CA chọn phương pháp phân tích cụm tích tụ dựa vào phương sai “thủ tục Ward” thủ tục phân cụm thứ bậc (Hierarchical clustering) Theo thủ tục Ward ta tính giá trị trung bình tất biến cho cụm Sau tính khoảng cách Euclid bình phương (Squared Euclidean distance) phần tử cụm với giá trị trung bình cụm, lấy tổng tất khoảng cách bình phương Ở giai đoạn tích tụ cụm có phần tăng tổng khoảng cách bình phương nội cụm kết hợp với nhỏ kết hợp Cụ thể, phương pháp khoảng cách giống nhóm A B xem khoảng cách nhỏ điểm A B: D(A,B) = Range{d(xi, xj), với xi є A xj є B} (2) Khi d (xi, xj) khoảng cách Euclid bình phương cơng thức (2) Tại bước khoảng cách tìm thấy cặp nhóm nhóm có khoảng cách nhỏ (giống nhiều nhất) gộp lại Sau nhóm gộp lại, tiếp tục lặp lại bước tiếp theo: khoảng cách tất cặp nhóm tính lại lần cặp có khoảng cách ngắn gộp vào nhóm đơn Kết việc phân nhóm cấu trúc biễu diễn đồ thị - biểu đồ hình [6] KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Thống kê mô tả liệu quan trắc Thống kê mô tả liệu thông số chất lượng nước đất thể Bảng Sự phân bố thông số chất lượng nước đất đánh giá cách xác định giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ tập liệu quan trắc gồm chín thơng số Kết thấy xu hướng biến động thông số chất lượng nước lấy giếng quan trắc tầng chứa nước Jura khu vực nghiên cứu 4.2 ác định số chất lƣợng nƣớc ƣới đất Chỉ số chất lượng nước GWQI sử dụng kỹ thuật tính tốn tổng tỷ lệ thông số chất lượng nước lên giá trị tổng liệu chất lượng nước khu vực nghiên cứu nhằm xác định 401 The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 tính bền vững chất lượng nước việc đánh giá nguy nhiễm mặn, trình tính tốn sử dụng giá trị giới hạn QCVN 09:2015-BTNMT Kết thể Bảng cho thấy GWQI vào mùa khô dao động từ 10,47 đến 156,03, giá trị có xu hướng tăng vào mùa mưa (12,48 đến 181,15) Chỉ số chất lượng nước GWQI sử dụng kỹ thuật tính tốn tổng tỷ lệ thông số chất lượng nước lên giá trị tổng liệu chất lượng nước khu vực nghiên cứu nhằm xác định tính bền vững chất lượng nước việc đánh giá nguy nhiễm mặn, trình tính tốn sử dụng giá trị giới hạn QCVN 09:2015-BTNMT Kết thể Bảng cho thấy GWQI vào mùa khô dao động từ 13,64 đến 22,05, giá trị có xu hướng tăng vào mùa mưa (14,80 đến 21,34) Kết tính tốn cho thấy vào mùa khơ có khoảng 83 % giếng (VT18, VT21, VT25A, VT36, VT38) đạt GWQI 100 Ô nhiễm nghiêm trọng - - Bảng Kết số chất lượng nước GWQI mùa mưa Chỉ số GWQI Phạm vi Phân loại nước Số giếng Tên giếng < 20 Rất tốt VT21, VT24A, VT36, VT38 20-50 Phù hợp cho người dùng VT18, VT25A 50-80 Ô nhiễm trung bình - - 80-100 Ơ nhiễm q mức - - > 100 Ô nhiễm nghiêm trọng - - 4.3 Sự biến thiên không gian cụm giếng Phân tích cụm áp dụng để kết hợp giếng khu vực nghiên cứu vào nhóm đồng chất lượng nước ngầm Trong nghiên cứu này, phương pháp liên kết Ward với khoảng cách Euclide bình phương sử dụng để nhóm giếng khảo sát vào cụm CA chia liệu thành cụm khác dựa thơng số phân tích Kết phân cụm cho thấy khơng có khác biệt chất lượng nước đất giếng mùa khô mùa mưa Cụm cụm gồm giếng nước nhạt, có chất lượng tốt Cụm gồm giếng có xu hướng bị ảnh hưởng nhiễm mặn (độ cứng, TDS, Fe2+ cao giếng khác) 403 ... tầng chứa nước phân bố nguồn thải khu vực huyện Xuyên Mộc, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu Kết phân tích cho phép đánh giá thơng tin tương đồng số trạm quan trắc khác nhau, từ xác định thơng số chất lượng. .. chung tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu nói riêng, có số nghiên cứu nhóm tác giả ứng dụng phân tích thống kê đa biến để đánh giá chất lượng nước đất [4, 5, 6] Các kết bước đầu cho thấy kỹ thuật phân tích. .. tả cụm Bản đồ chất lượng nước theo GWQI Đánh giá độ tin cậy Kết luận tình hình chất lượng nước đất khu vực nghiên cứu Đề xuất giải pháp khai thác hiệu nước đất tầng Jura địa bàn huyện Xuyên Mộc,