Xây dựng mô hình tiên lượng chất lượng nước

Nằm trong khu vực châu Á, bên cạnh sự phát triển của công nghiệp và dịch vụ, Đài Loan là quốc gia có mật độ dân số cao, lượng nước thải phát sinh tại Đài Loan gây những áp lực nhất định lên nguồn tài nguyên nước mặt. Hàng loạt các con sông tại Đài Loan bị ô nhiễm do tiếp nhận nguồn nước thải chưa qua xử lý hoặc xử lý kém hiệu quả. Trong đó, sông Yangang là nơi tiếp nhận nước thải từ hoạt động sinh hoạt, chăn nuôi, sản xuất giấy, và cả công nghiệp hóa chất, và được đánh giá là nơi có nguồn nước mặt đã bị ô nhiễm. Để góp phần đánh giá chất lượng nước tại sông Yangang, số liệu quan trắc tại cầu Chenren được nhóm thu thập và xử lý bằng Excel và phần mềm R.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN CAO HỌC QLTNMT K23 Tiểu luận cuối kì mơn PPXLSL PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG NƯỚC TẠI TRẠM QUAN TRẮC 1069 CẦU CHENREN, SÔNG YANGANG, TP HSINCHU, ĐÀI LOAN NHÓM NGUYỄN THỊ QUỲNH GIAO TPHCM, tháng 11 năm 2014 NGUYỄN THỊ LAN TRẦN TRỌNG KHẢI BÙI THỊ THU NGA MỤC LỤC Mở đầu Chuẩn bị số liệu 1a Tính tốn WQI theo 879/QĐ-TCMT 1b So sánh WQI Việt Nam RPI Đài Loan QC số liệu theo mục 1.4 Phụ lục III 21/2012/TT-BTNMT Thống kê mô tả cho thông số (n=118) câu lệnh describe() gói psych 12 4a Biểu diễn số liệu thông số với biểu đồ hộp boxplot 14 4b Biểu diễn số liệu thông số theo năm với boxplot 15 4c Biểu diễn số liệu thông số theo tháng với boxplot 16 4d Biểu diễn số liệu thông số theo thời gian quan trắc với boxplot 17 4e Biểu diễn số liệu thông số theo năm, tháng quan trắc với ggplot 18 Kiểm định phân bố chuẩn hàm shapiro.test() 19 Phân tích ANOVA 20 So sánh với cột A2 QCVN 08:2008/BTNMT ước lượng cho thông số có pbc 23 Phân tích tương quan 24 9a Phân tích mơ hình hồi qui tuyến tính đơn biến 25 9b Mơ hình tiên đốn với cách làm thơng thường 28 10 Mơ hình hồi qui đa thức (hồi qui phi tuyến đơn biến) mô hình tiên đốn với ggplot 29 11a Lý thuyết phân tích hồi qui tuyến tính đa biến (giới thiệu AIC) 32 11b Phân tích thành phần PCA 33 11c Phân tích hồi qui đa biến cho WQI với cách làm thủ công 36 11d Phân tích hồi qui đa biến cho WQI với step 38 ii 11e Phân tích hồi qui đa biến cho WQI với BMA 39 11f So sánh kết nhận định 41 12 Đánh giá tầm quan trọng biến hồi qui đa biến 41 13 Mơ hình tương tác 43 14a Dự đoán T, WQI cho năm 2014 so sánh số liệu thực đo 45 14b Nhận định phương trình hồi qui 47 15 Hồi qui logistic đa biến với BMA 48 16 Kết luận chung 49 iii Mở đầu Nước nhu cầu cần thiết cho tồn phát triển sinh vật nói chung người nói riêng Con người sử dụng nước cho nhiều mục đích, mà trước quan trọng cho nhu cầu sinh hoạt Bởi vậy, việc đánh giá chất lượng nước đòi hỏi tất yếu thường xuyên Hiện nay, để đánh giá chất lượng nước, ô nhiễm nước sông, kênh, rạch, ao đầm,… người ta thường dựa vào việc phân tích thơng số chất lượng nước riêng biệt, sau so sánh thơng số với giá trị giới hạn quy định quy chuẩn, tiêu chuẩn quốc gia tiêu chuẩn quốc tế Tuy nhiên cách làm truyền thống có nhiều hạn chế như: - - Khi đánh giá chất lượng nước qua nhiều thơng số riêng biệt khơng nói lên diễn biến chất lượng nước tổng quát sông (hay đoạn sơng) khó so sánh chất lượng nước vùng sông, so sánh chất lượng nước sông với sông khác, thời gian với thời gian khác, so với tương lai, … Vì gây khó khăn cho công tác giám sát diễn biến chất lượng nước, khó đánh giá hiệu đầu tư để bảo vệ nguồn nước kiểm sốt nhiễm nước; Khi đánh giá qua thông số chất lượng nước riêng biệt, nhà khoa học nhà chuyên môn hiểu được, đó, khó có thơng tin chất lượng nước cho cộng đồng quan quản lý nhà nước địa phương để định phù hợp việc bảo vệ khai thác nguồn nước Để khắc phục khó khăn trên, cần phải có hệ thống số cho phép lượng hóa chất lượng nước (nghĩa biểu biễn chất lượng nước theo thang điểm đồng nhất), có khả mô tả tác động tổng hợp nồng độ nhiều thành phần lý – hóa – sinh nguồn nước Một số Chỉ số chất lượng nước WQI (Water Quality Index) Bộ số chuẩn chất lượng nước WQI phương tiện tốn học để tính tốn giá trị riêng lẻ từ kết số thí nghiệm, kết số biểu chất lượng nước lưu vực định WQI đề xuất Mỹ vào năm 70 áp dụng rộng rãi nhiều bang Hiện mơ hình WQI triển khai nghiên cứu áp dụng nhiều quốc gia Ấn Độ, Canada, Chile, Anh, Đài Loan, Úc, Malaysia, … Từ nhiều giá trị thơng số khác nhau, cánh tính toán phù hợp, ta thu đượcmột số nhất, giá trị số phản ánh cách tổng quát chấtlượng nước Chỉ số chất lượng nước (WQI) với ưu điểm đơn giản, dễ hiểu, có tính khái qt cao sử dụng cho mục đích đánh giá diễn biến chất lượng nướctheo không gian thời gian, nguồn thông tin phù hợp cho cộng đồng, cho nhà quản lý chuyên gia môi trường nước Nằm khu vực châu Á, bên cạnh phát triển công nghiệp dịch vụ, Đài Loan quốc gia có mật độ dân số cao, lượng nước thải phát sinh Đài Loan gây áp lực định lên nguồn tài nguyên nước mặt Hàng loạt sông Đài Loan bị ô nhiễm tiếp nhận nguồn nước thải chưa qua xử lý xử lý hiệu Trong đó, sơng Yangang nơi tiếp nhận nước thải từ hoạt động sinh hoạt, chăn nuôi, sản xuất giấy, cơng nghiệp hóa chất, đánh giá nơi có nguồn nước mặt bị ô nhiễm Để góp phần đánh giá chất lượng nước sông Yangang, số liệu quan trắc cầu Chenren (Hình 1a) nhóm thu thập xử lý Excel phần mềm R với quy trình trình bày Hình 1b Vị trí trạm quan trắc 1069 cầu Chenren, sông Yangang, Đài Loan bồ Quy trình phân tích số liệu Chuẩn bị số liệu Bộ liệu mà nhóm sử dụng liệu nhóm tự xây dựng, tải link http://wq.epa.gov.tw/WQEPA/Code/CoreData.aspx?Page=1&ChangPage=50&Water=River&Area=1320&Station=1069&Languages=en Do đó, bước cần biên tập lại theo hướng mà nhóm cần phân tích Bộ liệu trình bày dạng bảng Excel có 40 cột với 215 dòng Trong có 31 thơng số số, nhiên có thơng số Water Temp., pH, DO(Electrode), BOD5, COD, NH3-N, SS Coli_G đáp ứng yêu cầu có liệu liên tục với 120 giá trị Ngoài việc giữ lại giá trị thông số từ năm 2004 đến năm 2014, nhóm giữ lại số RPI, cột Sampling Date để chiết tách giờ, ngày, tháng năm quan trắc để phục vụ cho việc phân tích số liệu Dữ liệu năm 2014 giữ lại để phục vụ cho việc kiểm định mơ hình Riêng với cột giờ, nhóm phân làm nhóm: buổi sáng từ 7:00 đến trước 11:00, buổi trưa từ 11:00 đến trước 15:00, buổi chiều từ 15:00 đến trước 18:00 Như vậy, cột liệu gốc nhóm là: Day Month Year Time RPI T pH DO BOD5 COD N TSS Coli 1a Tính tốn WQI theo 879/QĐ-TCMT Th.số x đo 4 (4;6) (6;15) BOD5 (mg/l) 15 (15,25) 25 (25,50) ≥ 50  10 (10;15) 15 (15;30) COD (mg/l) 30 (30,50) 50 (50,80) ≥ 80 WQI Th.số x đo WQI Th.số x đo (k) 100 100  0.1  2.5 100 − 75 100 − 75 (0.1;0.2) (2.5;5.0) (6 − 𝑥) + 75 (0.2 − 𝑥) + 75 6−4 0.2 − 0.1 75 0.2 75 5.0 75 − 50 75 − 50 (0.2;0.5) (5.0;7.5) (15 − 𝑥) + 50 (0.5 − 𝑥) + 50 N15 − 0.5 − 0.2 Coliform NH4 50 0.5 50 7.5 (MPN/100ml) 50 − 25 50 − 25 (mg/l) (0.5,1.0) (7.5,10.0) (25 − 𝑥) + 25 (1.0 − 𝑥) + 25 25 − 15 1.0 − 0.5 25 1.0 25 10.0 25 − 25 − (1.0,5.0) (50 − 𝑥) + (5.0 − 𝑥) +  10.0 50 − 25 5.0 − 1.0 ≥ 5.0 100 100  20 100 − 75 100 − 75 (20;30) (15 − 𝑥) + 75 (30 − 𝑥) + 75 15 − 10 30 − 20 75 30 75 75 − 50 75 − 50 (30;50) (30 − 𝑥) + 50 (50 − 𝑥) + 50 30 − 15 50 − 30 TSS 50 50 50 (mg/l) 50 − 25 50 − 25 (50,100) (100 − 𝑥) + 25 (50 − 𝑥) + 25 100 − 50 50 − 30 25 100 25 25 − (80 − 𝑥) + 1  100 80 − 50 WQI 100 100 − 75 (5.0 − 𝑥) + 75 5.0 − 2.5 75 75 − 50 (7.5 − 𝑥) + 50 7.5 − 5.0 50 50 − 25 (10.0 − 𝑥) + 25 10.0 − 7.5 25 Th.số DO (%)  20 20 WQI 25 Th.số x đo  5.5 5.5 WQI 50 50 − 25 100 − 50 (5.5,6.0) (𝑥 − 20) + 25 (𝑥 − 5.5) + 50 50 − 20 6.0 − 5.5 50 50 [6.0,8.5] 100 pH 75 − 50 100 − 50 (50,75) (8.5,9.0) (𝑥 − 50) + 50 (9.0 − 𝑥) + 50 75 − 50 9.0 − 8.5 75 75 9.0 50 100 − 75 (75,88)  9.0 (𝑥 − 75) + 75 88 − 75 100 DO% [88,112] Cơng thức tính WQI đầy đủ: 100 − 75 (112,125) (125 − 𝑥) + 75 WQIpH WQIDO% + WQIBOD5 + WQICOD + WQIN + WQIP WQITSS + WQIduc 125 − 112 WQI = [ WQIColi ] 100 125 75 75 − 50 (125,150) (150 − 𝑥) + 50 Cơng thức tính bài: 150 − 125 150 50 𝟏 𝟑 𝐖𝐐𝐈𝐩𝐇 𝐖𝐐𝐈𝐃𝐎% + 𝐖𝐐𝐈𝐁𝐎𝐃𝟓 + 𝐖𝐐𝐈𝐂𝐎𝐃 + 𝐖𝐐𝐈𝐍 50 − 25 (150,200) [ (200 − 𝑥) + 25 𝐖𝐐𝐈 = 𝐖𝐐𝐈𝐓𝐒𝐒 𝐖𝐐𝐈𝐂𝐨𝐥𝐢 ] 𝟏𝟎𝟎 𝟒 200 − 150 200 25  200 Sau tính tốn WQI, sử dụng bảng xác định giá trị WQI tương ứng với mức đánh giá chất lượng nước để so sánh: (20;50) Giá trị WQI 91 - 100 76 - 90 51 - 75 26 - 50 - 25 Mức đánh giá chất lượng nước Màu Sử dụng tốt cho mục đích cấp nước sinh hoạt Xanh nước biển Sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt cần biện pháp xử lý phù hợp Xanh Sử dụng cho mục đích tưới tiêu mục đích tương đương khác Vàng Sử dụng cho giao thông thủy mục đích tương đương khác Da cam Nước nhiễm nặng, cần biện pháp xử lý tương lai Đỏ 1b So sánh WQI Việt Nam RPI Đài Loan A Giống nhau: số tổng hợp phản ánh chất lượng nước sông quan nhà nước ban hành áp dụng, tính từ nhiều số thành phần khơng có thứ nguyên B Khác WQI WQIpH WQIDO% + WQIBOD5 + WQICOD + WQIN + WQIP WQITSS + WQIduc [ = WQIColi ] 100 Công thức - cần 10 thơng số (T DO để tính %DO bão hòa) - kết hợp trung bình cộng với trung bình nhân  vai trò WQI khác  thể trọng số khác BOD5: 4, 6, 15, 25, 50 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 5.0 Khoảng N: 20, 30, 50, 100 chia th số TSS:  khoảng chia có khác thơng số, giới hạn đo nghiêm ngặt Thang khoảng đánh giá - theo mục đích sử dụng Diễn giải - WQI cao chất lượng nước tốt - Sử dụng tốt cho cấp nước sinh hoạt: - Cấp nước sinh hoạt cần xử lý: Kết - Sử dụng tưới mục đích tương đương: đánh giá - Sử dụng cho giao thông mục đích tương đương: - Ơ nhiễm nặng cần xử lý: 120 RPI RPIDO + RPIBOD5 + RPIN + RPISS - cần thông số - áp dụng trung bình cộng  vai trò RPI BOD5: 3, 5, 15 N: 0.5, 1.0, 3.0 SS: 20, 50, 100  khoảng chia thống = khoảng - theo mức độ ô nhiễm - RPI cao ô nhiễm - Khơng nhiễm: - Ơ nhiễm nhẹ: - Khá ô nhiễm: - Ô nhiễm nặng: 20 93 QC số liệu theo mục 1.4 Phụ lục III 21/2012/TT-BTNMT (Trích từ 21/2012/BTNMT) Ngồi việc đánh giá kết phân tích mẫu kiểm sốt theo tiêu chí nên trên, phòng thí nghiệm cần phải kiểm sốt xu hướng, diễn biến kết phân tích dựa phương pháp thống kê theo biểu đồ kiểm soát chất lượng Ví dụ minh họa: biểu đồ kiểm sốt chất lượng Trong đó: CL đường trung tâm biểu đồ kiểm sốt, giá trị trung bình giá trị kiểm soát giá trị chứng nhận; CL2s giới hạn cảnh báo (nghĩa 95% kết phân bố khoảng giới hạn này); CL3s giới hạn kiểm soát (nghĩa 99.7% kết phân bố khoảng giới hạn này); s độ lệch chuẩn, tính tốn dựa số liệu xác định giá trị đường trung tâm Ta quan sát phân nhóm biến lệnh biplot(PCA), kết sau: Hình cho thấy có nhóm thơng số: DO pH; Coli, BOD5 N; TSS COD PCA cho ta biết biến nên đưa vào mô hình đa biến, nhiên, gần tất biến chọn Hơn nữa, thuật toán yêu cầu cần phải hoán chuyển liệu cho thứ nguyên đưa khoảng dao động nên tốn thời gian Có thể với số liệu hoán chuyển, kết lựa chọn khác với so với kết chọn từ liệu gốc Mục đích mà nhóm muốn hồi qui dựa vào số liệu gốc, việc phân tích thành phần mang tính thực hành 35 11c Phân tích hồi qui đa biến cho WQI với cách làm thủ công  Y8 2.191e+01 Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2a Y2b Y2c 7.41e-15 2.151e+01 < 2e-16 TSS BOD5 COD DO N T -1.053e-01 -2.298e-01 -5.233e-02 1.133e-01 -5.824e-02 1.016e-02 2.186e-07 < 2e-16 1.23e-06 2.99e-07 0.0644 0.2369 0.2692 21.882101 -0.105810 -0.230045 -0.050906 -0.02104 -0.062673 < 2e-16 < 2e-16 1.29e-06 8.71e-07 2.94e-07 4.09e-07 0.0833 0.1850 21.704362 -0.105909 -0.244502 -0.051076 0.108354 < 2e-16 < 2e-16 1.01e-07 4.03e-07 0.0683 22.566656 -0.107579 -0.241221 -0.053113 < 2e-16 < 2e-16 20.89841 1.78e-07 -0.46979 < 2e-16 1.77e-07 1.67e-07 -0.08754 0.003910 21.553636 -0.109704 -0.269082 < 2e-16 < 2e-16 1.77e-07 21.765201 -0.110668 < 2e-16 R 0.8650 0.0652