ứng dụng GIS kết hợp với chỉ số WQI để đánh giá chất lượng nước mặt trên địa bàn thành phố vinh, tỉnh nghệ an

This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vnỨNG DỤNG GIS KẾT HỢP VỚI CHỈ SỐ WQI ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ VINH, TỈNH NGHỆ AN Lương Thị Thành Vin

This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn

ỨNG DỤNG GIS KẾT HỢP VỚI CHỈ SỐ WQI ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ VINH, TỈNH NGHỆ AN

Lương Thị Thành Vinh

Khoa Địa lí - Quản lí tài nguyên, Trường Đại học Vinh

Tóm tắt Bài báo trình bày kết quả ứng dụng công nghệ GIS kết hợp với chỉ số WQI trong

việc đánh giá chất lượng nước mặt trên địa bàn thành phố Vinh phục vụ cho công tác quy

hoạch mạng lưới quan trắc nước mặt trên địa bàn Kết quả về đánh giá chất lượng nước mặt

được thể hiện bằng việc nội suy mạng lưới các điểm quan trắc dựa vào chỉ số WQI trên

phần mềm Mapinfo.

Từ khóa: Ứng dụng GIS, chỉ số WQI, chất lượng nước mặt.

1 Mở đầu

Chỉ số WQI là một loại chỉ số tổng hợp đánh giá chất lượng nước mặt thông qua một số các thông số đặc trưng kết hợp với việc ứng dụng GIS để thể hiện nó lên bản đồ trực quan [1, 2] Hiện nay việc đánh giá chất lượng nước mặt phải sử dụng rất nhiều các thông số (23 thông số) nên gây rất khó khăn trong việc tính toán và lưu trữ số liệu Điều này được khắc phục bởi việc ứng dụng công nghệ GIS vào thành lập bản đồ nội suy nước mặt mạng lưới quan trắc Bản đồ là căn cứ giúp xác định nhanh ranh giới, khu vực chất lượng nước trong một khu vực Bản đồ giúp việc thống kê,

so sánh về chất lượng, diện tích chất lượng từng loại nước một cách dễ dàng và có thể cập nhật dữ liệu một cách nhanh chóng

Thành phố Vinh là thành phố đa ngành, cỡ trung bình của cả nước, và là một trong những thành phố có ý nghĩa quan trọng đối với khu vực Bắc Trung Bộ và là trung tâm phát triển kinh tế -văn hóa – xã hội của tỉnh Nghệ an Việc xây dựng bản đồ nội suy và kết hợp đánh giá chỉ số WQI

về chất lượng nước mặt phục vụ cho công tác đánh giá, quản lí nước mặt trên địa bàn thành phố có

ý nghĩa rất lớn trong quy hoạch mạng lưới quan trắc nước mặt trong tương lai của thành phố Vinh

và cả tỉnh Nghệ An

2 Nội dung nghiên cứu

2.1 Khái quát về chỉ số WQI và ứng dụng công nghệ GIS trong đánh giá chất lượng nước mặt.

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

Ngày nhận bài 15/5/2014 Ngày nhận đăng 20/10/2014.

Liên lạc Lương Thị Thành Vinh, e-mail: hvhaivinh404@gmail.com

nước đó; được biểu diễn qua một thang điểm [3] Sử dụng khi đánh giá nhanh 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, WQI cung cấp thông tin môi trường cho cộng đồng một cách đơn giản, dễ hiểu, trực quan

Hệ Thông tin địa lí (GIS) là một công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên trái đất Công nghệ GIS có khả năng thực hiện một số chức năng mà các công nghệ khác không có như: Nhập dữ liệu, phân tích dữ liệu, quản lí dữ liệu, biên tập bản đồ Do

dữ liệu được quản lí theo các lớp (layer) nên GIS tiện dụng trong truy cập, xử lí dữ liệu [1] Ứng dụng GIS trong nội suy bản đồ cũng là một thế mạnh Chức năng nội suy sẽ tạo ra cái nhìn trực quan cho việc đánh giá tổng quát về một khía cạnh, khu vực nào đó Những khả năng này khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược) và cũng giúp phân biệt GIS với các công nghệ khác

2.2 Ứng dụng công nghệ GIS kết hợp chỉ số WQI để đánh giá chất lượng nước mặt thành phố Vinh, Nghệ An.

2.2.1 Quy trình đánh giá chất lượng nước mặt ứng dụng GIS

Quy trình thực hiện như sau:

B1: Thu thập số liệu:Số liệu (đã qua xử lí) có thể thu thập từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau, từ các cơ quan Quan trắc, phòng Tài nguyên

B2: Tính chỉ số WQI:Thực hiện tính WQI thông qua các thông số và nguyên tắc có sẵn Các thông số bao gồm: DO, BOD5, COD, NH4+, PO4−, pH, Độ đục

B3: Đánh giá chỉ số:Khi tính xong chỉ số chúng ta tiến hành đánh giá chất lượng nước mặt thông qua việc so sánh chỉ số này với những cách phân chia phù hợp với từng mục đích sử dụng

B4: Tạo BĐ mạng lưới quan trắc nước mặt:Sử dụng phần mềm MapInfo để tạo BĐ mạng lưới

B5: Cập nhật DL quan trắc:Sau khi tạo được BĐ mạng lưới chúng ta tiến hành cập nhật

DL (WQI) cho mạng lưới thông qua phần mềm MapInfo

B6: Nội suy BĐ:Sử dụng công cụ Vertical Mapper để nội suy BĐ tạo ra BĐ chất lượng nước mặt

2.2.2 Tính WQI của các điểm quan trắc trên địa bàn thành phố Vinh

- Tính toán WQI thông số:

+ WQI thông số (WQISI) được tính toán cho các thông số BOD5, COD, N-NH4, P-PO4, TSS, độ đục, Tổng coliform theo công thức như sau:

Trong đó:

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

Cp: Giá trị của thông số quan trắc được đưa vào tính toán

Bảng 1 Bảng quy định các giá trị qi, BPi

i qi Giá trị BPiquy định đối với từng thông số

BOD5

(mg/L) (mg/L) COD N-NH (mg/L)4 (mg/L) P-PO4 Độ đục (NTU) (mg/L) TSS (MPN/100m/L) Coliform

Ghi chú: Trường hợp giá trị Cp của thông số trùng với giá trị BPi đã cho trong bảng,

thì xác định được WQI của thông số chính bằng giá trị qitương ứng.

+ Tính giá trị WQI đối với thông số DO (WQIDO): tính toán thông qua giá trị DO % bão hòa.

* Tính giá trị DO bão hòa:

DO%baohoa= 14.652 - 0.41022 T + 0.0079910 T2 - 0.000077774 T3

T: nhiệt độ môi trường nước tại thời điểm quan trắc (đơn vị:◦C)

* Tính giá trị DO % bão hòa:

DO%baohoa= DOhoatan/ DO%baohoa*100

DO%baohoa: Giá trị DO quan trắc được (đơn vị: mg/L)

* Tính giá trị WQIDO:

Trong đó:

Cp: giá trị DO % bão hòa

BPi, BPi+1, qi, qi+1là các giá trị tương ứng với mức i, i+1 trong bảng 2

Bảng 2 Bảng quy định các giá trị BPivà qi đối với DO%baohoa

* Nếu giá trị DO%baohoa≤20 thì WQIDO bằng 1

* Nếu 20< giá trị DO%baohoa< 88 thì WQIDO được tính theo công thức 2 và sử dụng Bảng 2

* Nếu 88 ≤ giá trị DO%baohoa≤112 thì WQIDO bằng 100

* Nếu 112< giá trị DO%baohoa< 200 thì WQIDO được tính theo công thức 1 và sử dụng

Bảng 2.

* Nếu giá trị DO%baohoa≥200 thì WQIDO bằng 1

+ Tính giá trị WQI đối với thông số pH

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

* Nếu giá trị pH≤5,5 thì WQIpH bằng 1

* Nếu 5,5< giá trị pH<6 thì WQIpH được tính theo công thức 2 và sử dụng Bảng 3

* Nếu 6≤giá trị pH≤8,5 thì WQIpH bằng 100

* Nếu 8,5< giá trị pH< 9 thì WQIpH được tính theo công thức 1 và sử dụng Bảng 3

* Nếu giá trị pH≥9 thì WQIpH bằng 1

- 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

Ghi chú: Giá trị WQI sau khi tính toán sẽ được làm tròn thành số nguyên

- So sánh chỉ số chất lượng nước đã được tính toán với bảng đánh giá [3] Sau khi tính toán được WQI, sử dụng bảng xác định giá trị WQI tương ứng với mức đánh giá chất lượng nước để so sánh, đánh giá, cụ thể như sau:

Bảng 4 Bảng xác định mức đánh giá chất lượng nước

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

76 - 90 Sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt nhưng cần cácbiện pháp xử lí phù hợp Xanh lá cây

51 - 75 Sử dụng cho mục đích tưới tiêu và các mục đích tươngđương khác Vàng

26 - 50 Sử dụng cho giao thông thủy và các mục đích tươngđương khác Da cam

0 - 25 Nước ô nhiễm nặng, cần các biện pháp xử lí trong tươnglai Đỏ

Bảng 5 Kết quả tính WQI (Nguồn: Tác giả)

WQI

thông

+ Coliform DO bão hoà

Do

% bão hoà

WQI mẫu

2.2.3 Ứng dụng GIS thành lập bản đồ đánh giá chất lượng nước mặt trên địa bàn

thành phố Vinh

Sử dụng phần mềm Mapinfo để nội suy dựa vào kết quả WQI đã tính ở trên

- Xây dựng bản đồ vị trí các điểm quan trắc:

+ Dùng biểu tượng symbol để tạo bản đồ mạng lưới quan trắc bằng cách cập nhật tọa độ các điểm quan trắc

+ Tạo bảng Browser để cập nhật thông số WQI cho các điểm quan trắc

- Xây dựng bản đồ phân loại chất lượng nước:

+ Để xây dựng các bản đồ thể hiện sự phân cấp chất lượng nước theo các chỉ tiêu phân tích dựa trên các cơ sở dữ liệu đã xây dựng, tiến hành nội suy bản đồ mạng lưới quan trắc để xây dựng bản đồ phân vùng chất lượng nước mặt bằng chức năng Interpolation trong Creat Grid của Vertical Mapper với phương pháp nội suy tam giác

+ Cắt mô hình nội suy theo dạng vùng của thành phố Vinh bằng công cụ Trim của hộp Grid Manager trong Vertical Mapper

+ Chuyển từ mô hình nội suy về dạng bản đồ vector bằng công cụ Contour trong Grid Manager, trong đó các giá trị được gộp theo các mức đánh giá chất lượng nước mặt, thay đổi màu sắc phù hợp quy định (Bảng 4)

+ Chồng xếp bản đồ nội suy với bản đồ hành chính thành phố Vinh bằng công cụ Overlay Tool

+ Cập nhật trường diện tích cho bản đồ kết quả

+ Biên tập bản đồ, chiết xuất dữ liệu thuộc tính, thực hiện phân tích

Kết hợp bảng tính kết quả WQI và bản đồ nội suy có thể thấy chất lượng nước mặt trên địa bàn thành phố chủ yếu vẫn có thể sử dụng cho mục đích sinh hoạt nhưng cần có những biện pháp

xử lí trong tương lai (Nghi Ân, Nghi Đức, Nghi Phú ), và nước sử dụng cho tưới tiêu hay các mục đích khác tương đương (Hưng Đông, Đội Cung, Lê Mao ) Tỉ lệ nước sử dụng tốt cho sinh hoạt

là tương đối thấp nhưng tỉ lệ nước bị ô nhiễm nặng chưa xuất hiện Nước chủ yếu bị ô nhiễm hữu

cơ do chất thải sinh hoạt do hệ thống thoát nước chưa đảm bảo sự lưu thông nguồn nước gây tình trạng ao tù nước đọng nhất là vào các mùa mưa

Như vậy, nhìn chung thì nguồn nước mặt của thành phố đang có thể sử dụng cho sinh hoạt chỉ cần một số biện pháp xử lí trong tương lai để đảm bảo hơn Và cần có các công tác tích cực hơn trong việc quan trắc, đánh giá tình hình nước mặt để đảm bảo có những hướng sử dụng, khai thác thích hợp đảm bảo sự bền vững

Hình 1 Bản đồ đánh giá chất lượng nước mặt thành phố Vinh năm 20123

3 Kết luận

Thành phố Vinh là trung tâm phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh Nghệ An đồng thời là trung tâm kinh tế - xã hội của khu vực Bắc miền Trung Quá trình đô thị hóa của thành phố đang diễn

ra kéo theo đó là hàng loạt các vấn đề về môi trường Hiện nay vấn đề cần giải quyết cấp bách đối

với môi trường thành phố là sự ô nhiễm nguồn nước mặt Với chức năng đánh giá tổng hợp vấn đề

và trực quan dữ liệu thì việc ứng dụng GIS kết hợp chỉ số WQI có ý nghĩa rất lớn trong việc đánh giá chất lượng nguồn nước mặt trên địa bàn Chúng tôi đã xây dựng cơ sở dữ lệu nước mặt theo chỉ

số WQI và sử dụng phần mềm Mapinfo để tiến hành nội suy chất lượng nước theo bản đồ Nhìn chung tình hình biến đổi chất lượng nước trên địa bàn thành phố trong những năm qua vẫn chủ yếu

là sự ô nhiễm chất hữu cơ của các con sông, ao hồ kênh rạch do chất thải sinh hoạt và một số nước thải do các khu công nghiệp đóng trên địa bàn gây ra Việc ứng dụng GIS kết hợp chỉ số WQI để đánh giá chất lượng nước mặt là cơ sở cho việc quy hoạch lại mạng lưới quan trắc nước mặt trên địa bàn thành phố

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Đặng Văn Đức 2001 Hệ thống thông tin địa lí Nxb Khoa học Kĩ thuật, Hà Nội.

[2] Lương Thị Thành Vinh, 2008 Đề tài cấp Bộ: “Sử dụng công nghệ GIS xây dựng tập bản đồ

địa lí các ngành kinh tế tỉnh Nghệ An” mã số B2008-27-49, Trường Đại học Vinh

[3] Tổng cục Môi trường, 2011 Quyết định 879/QĐ-TCMT về việc Ban hành sổ tay hướng dẫn

tính toán chỉ số chất lượng nước Hà Nội

[4] Sở Tài nguyên và Môi trường Nghệ An, 2012 Báo cáo quan trắc mạng đợt IV năm 2012.

UBND tỉnh Nghệ An

ABSTRACT Assessing water quality using GIS applications in combination

with the WQI index in Vinh, Nghe An Province

This paper presents the results of the application of GIS combined with the WQI index to assess surface water quality in Vinh to be used for future planning with regards to the surface water

in the area Surface water quality is shown by interpolating the monitoring sites using the WQI index and MapInfo software