Ở nghiên cứu này, các phương pháp chỉ số chất lượng nước (GWQI) và phân tích thành phần chính (PCA) được ứng dụng cho việc đánh giá mức độ ô nhiễm và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước tầng chứa nước Pleistocen khu vực huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. Các mẫu nước dưới đất được thu thập từ 17 giếng quan trắc vào tháng 4 (mùa khô) và tháng 10 (mùa mưa) trong giai đoạn 2012-2017.
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ: CHUN SAN KHOA HỌC TRÁI ĐẤT & MÔI TRƯỜNG, TẬP 2, SỐ 2, 2018 107 Ứng dụng số chất lượng nước đất phân tích thành phần đánh giá chất lượng nước tầng chứa nước Pleistocen, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu Nguyễn Hải Âu, Hoàng Nhật Trường, Phạm Thị Tuyết Nhi, Tất Hồng Minh Vy, Phan Nguyễn Hồng Ngọc, Nguyễn Kiên Quyết Tóm tắt—Ở nghiên cứu này, phương pháp số chất lượng nước (GWQI) phân tích thành phần (PCA) ứng dụng cho việc đánh giá mức độ ô nhiễm yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước tầng chứa nước Pleistocen khu vực huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu Các mẫu nước đất thu thập từ 17 giếng quan trắc vào tháng (mùa khô) tháng 10 (mùa mưa) giai đoạn 2012-2017 Chín thơng số chất lượng nước (pH, TDS, độ cứng, Cl-, F-, NO3-, SO42-, Cu2+ Fe2+) lựa chọn để phân tích, đánh giá nghiên cứu Kết tính tốn GWQI 17 giếng vào mùa khơ có chất lượng nước từ tốt đến tốt (chiếm 82%) 17 giếng vào mùa mưa có chất lượng từ tốt đến trung bình (chiếm 94%) Lượng giếng quan trắc có chất lượng nước xấu – xấu có thay đổi mùa khơ mùa mưa PCA hai nhân tố đặc trưng gây ảnh hưởng đến chất lượng nước khu vực nghiên cứu Hai thành phần gồm tương tác thành phần hóa học trầm tích sơng đặc điểm thạch học tầng chứa nước hay hoạt động nhân sinh giải thích 65,555% (mùa khô) 61,562% (mùa mưa) biến thiên phương sai tập mẫu Ngày nhận thảo: 20-8-2018; Ngày chấp nhận đăng: 27-12-2018; Ngày đăng: 31-12-2018 Nguyễn Hải Âu, Viện Mơi trường Tài ngun, ĐHQGHCM (e-mail: haiauvtn@gmail.com) Hồng Nhật Trường, Viện Môi trường Tài nguyên, ĐHQG- HCM (e-mail: hntruong.envi@gmail.com) Phạm Thị Tuyết Nhi, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường TP.HCM (e-mail:tuyetnhiptt0801@gmail.com) Tất Hồng Minh Vy, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường TP.HCM (e-mail: tathongminhvy271@gmail.com) Phan Nguyễn Hồng Ngọc, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường TP.HCM (e-mail: ngocphan1201@gmail.com) Nguyễn Kiên Quyết, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường TP.HCM (e-mail: nguyenquyet411@gmail.com) Kết nghiên cứu cung cấp thông 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—chất lượng nước đất, số chất lượng nước đất, phân tích thành phần MỞ ĐẦU hỉ 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 thành phần (PCA – Principal Component Analysis) phương pháp thống kê đa biến áp dụng để giảm số chiều tập liệu bao gồm số lượng lớn biến liên quan Những cắt giảm thực cách chuyển đổi liệu vào tập biến, thành phần chủ yếu (PCs), trực giao (không tương quan) xếp theo thứ tự giảm dần tầm quan trọng [5] Trong năm gần đây, GWQI PCA 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 C 108 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT JOURNAL: SCIENCE OF THE EARTH & ENVIRONMENT, VOL 2, ISSUE 2, 2018 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 thông 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 tích thành phần (PCA) 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 [4-6] 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 PCA, kết hợp với đặc điểm tầng chứa nước phân bố nguồn thải khu vực huyện Tân Thành, 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, tác động nguồn ô nhiễm lưu vực đến chất lượng nước TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mô tả vùng nghiên cứu Huyện Tân Thành thuộc tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, phía Đơng giáp huyện Châu Đức, phía Tây giáp huyện Cần Giờ thành phố Vũng Tàu, phía Nam giáp thành phố Bà Rịa phía Bắc giáp huyện Long Thành, tỉnh Đồng Nai Diện tích tự nhiên (33.825 ha), dân số trung bình (137.334 người) Huyện Tân Thành nằm vùng khí hậu đồng Nam Bộ có khí hậu nhiệt đới gần xích đạo, chịu ảnh hưởng chủ yếu gió mùa Đơng Bắc Tây Nam Một năm có hai mùa rõ rệt mùa khô mùa mưa Mùa khô kéo dài từ tháng 12 đến tháng năm sau, có nhiệt độ trung bình hàng năm cao (26,3oC) không thay đổi nhiều năm Mùa mưa tháng đến tháng 10, lượng mưa trung bình năm 1356,5 mm/năm Huyện Tân Thành có tầng chứa nước lỗ hổng chính: (1) Tầng chứa nước lỗ hổng trầm trích Pleistocen (qp3), (2) Tầng chứa nước lỗ hổng Pleistocen giữa-trên (qp2-3), (3) Tầng chứa nước lỗ hổng Pleistocen (qp1) Thành phần thạch học tầng chứa nước lỗ hổng Pleistocen gồm chủ yếu cát hạt mịn đến trung thơ chứa sạn sỏi, có nơi lẫn sét bột xen kẹp thấu kính mỏng sét bột, bột cát mịn, đất đá hạt thô nằm hệ tầng Củ Chi, hệ tầng Thủ Đức hệ tầng Trảng Bom với khống vật chính: Fluorit-apatit, felspat, thạch cao, turmalin, montmorilonit, ilmenit số tạp chất khác Loại hình hóa học nước chủ yếu Clorur Natri, Bicarbonat-Clorur Natri-Calci, Bicarbonat-Clorur Calci-Natri, có nguồn cung cấp cho tầng nước mưa nước mặt thấm trực tiếp vùng lộ thấm xuyên từ tầng chứa nước bên trên, miền thoát hướng biển sơng rạch trũng thấp Trong đó, tầng chứa nước lỗ hổng trầm tích Pleistocen (qp3) Pleistocen (qp2-3) phân bố chủ yếu toàn huyện, nguồn cung cấp cho nhà máy khai thác nước lớn (Phú Mỹ - Mỹ Xuân, Tóc Tiên) nhỏ lẻ khu vực nghiên cứu 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 Pleistocen địa bàn huyện Tân Thành có thay đổi qua năm, đặc biệt thông số TDS, Clorur, Florur, Sắt có giá trị vượt ngưỡng giới hạn so với QCVN 09-MT:2005/BTNMT chịu tác động lớn tác động kinh tế-xã hội nhiễm mặn khu vực [8] 2.2 Tài liệu nghiên cứu Theo số liệu quan trắc giai đoạn 2012-2017 Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu thực 17 trạm quan trắc tầng chứa nước Pleistocen, phân tích 29 thơng số hóa lý Tuy nhiên, kết phân tích cho thấy, số thơng số khơng phát hiện, số khơng phân tích liên tục giai đoạn 2012-2017 Do vậy, TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ: CHUYÊN SAN KHOA HỌC TRÁI ĐẤT & MÔI TRƯỜNG, TẬP 2, SỐ 2, 2018 báo sử dụng chín thơng số chất lượng nước (pH, TDS, độ cứng, Cl-, F-, NO3-, SO42-, Cu2+ Fe2+) từ 17 giếng quan trắc chất lượng nước đất địa bàn huyện Tân Thành Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu thực vào mùa khô mùa 109 mưa giai đoạn 2012-2017 (NB2C, NB2A, NB3A, NB1B, NB4, NB1A, VT2A, VT6, QT5B, NB2B, QT11, QT7B, NB3B, QT5A, VT4B, QT7A, VT4A) lựa chọn xử lý đánh giá Vị trí giếng quan trắc trình bày sơ đồ vị trí quan trắc hình Hình Sơ đồ vị trí lấy mẫu huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Phương pháp phân tích thống kê đa biến xử lý số liệu Tất tính tốn tốn học GWQI thống kê thực cách sử dụng phần mềm EXCEL 2016 (Microsoft Office) Phương pháp phân tích PCA xử lý phần mềm SPSS PASW Statistics 21 theo sơ đồ phương pháp nghiên cứu Hình 2.3.2 Chỉ số chất lượng nước đất (Ground Water Quality Index) 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 [13], so với giới hạn Quy chuẩn Việt Nam QCVN 09-MT:2015/BTNMT (1) 110 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT JOURNAL: SCIENCE OF THE EARTH & ENVIRONMENT, VOL 2, ISSUE 2, 2018 Trong Ci nồng độ thơng số, Si giá trị giới hạn, wi định trọng số theo tầm quan trọng liệu quan trắc, qi tỷ lệ chất lượng nước, Wi trọng số tương quan SIi số đại diện cho thông số thứ i Thu thập số liệu Xử lý số liệu Tính tốn số chất lượng nước đất (GWQI) Phân tích thành phần (PCA) Lựa chọn GWQI thích hợp Ma trận tương quan Phân vùng chất lượng nước theo GWQI Bản đồ chất lượng nước theo GWQI Thành phần Đặt tên thành phần Kết luận tình hình chất lượng nước đất khu vực nghiên cứu Đề xuất giải pháp khai thác hiệu nước đất tầng Pleistocen địa bàn huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu Hình Sơ đồ phương pháp nghiên cứu Thông số pH TDS Độ cứng ClFNO3SO42Cu2+ Fe2+ Bảng Bảng trọng số, trọng số tương quan giá trị giới hạn số chất lượng nước (GWQI) Trọng số tương Giá trị giới hạn (Si) Đơn vị Trọng số (wi) quan (Wi) (QCVN 09-MT :2015/BTNMT) 0,12500 5,5 - 8,5 mg/l 0,12500 1500 mg/l 0,06250 500 mg/l 0,09375 250 mg/l 0,12500 mg/l 0,15625 15 mg/l 0,12500 400 mg/l 0,06250 0,05 mg/l 0,12500 ∑wi=32 ∑Wi=1 2.3.3 Phân tích thành phần (Principle Component Analysis - PCA) Kỹ thuật PCA rút giá trị riêng phương sai từ ma trận tương quan biến ban đầu Các thành phần biến khơng tương quan, thu cách nhân biến tương quan ban đầu với hệ số tải nhân tố Vì vậy, thành phần kết hợp tuyến tính biến ban đầu PC cung cấp thông tin thông số có ý nghĩa nhất, mơ tả tồn liệu thiết lập dựng hình liệu giảm với giảm tối thiểu thông tin ban đầu Nó kỹ thuật mạnh mẽ cho mơ hình giải thích thay đổi tập lớn tương quan biến chuyển đổi thành tập hợp nhỏ biến độc lập (thành phần chính) FA tiếp tục làm giảm đóng góp biến quan trọng thu từ PCAvà nhóm TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ: CHUYÊN SAN KHOA HỌC TRÁI ĐẤT & MÔI TRƯỜNG, TẬP 2, SỐ 2, 2018 biến rút thông qua việc quay trục xác định PCA Trục đồ thị xác định PCA quay để giảm liên kết biến quan trọng FA biểu diễn sau: Fi = a1y1j + a2y2j +…+ amymj (2) Khi Fi nhân tố, a hệ số tải nhân tố, y giá trị đo biến, i số nhân tố, j số mẫu m tổng số biến Và nhân số (các điểm số tổng số ước lượng cho quan sát nhân tố rút ra) biểu thị sau: Zij = a1f1j + a2f2j +…+amfmj + eij (3) 111 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thống kê mô tả liệu quan trắc Thống kê mô tả liệu thông số chất lượng nước đất thể bảng bảng Sự phân bố thông số chất lượng nước đất đánh giá cách xác định giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất, giá trị trung vị, độ lệch chuẩn tập liệu quan trắc gồm chín thơng số Kết thấy xu hướng biến động thông số chất lượng nước lấy 17 giếng quan trắc tầng chứa nước Pleistocen khu vực nghiên cứu 2012 – 2017 Bảng Bảng thống kê mô tả chất lượng nước mùa khô Mùa khô Thông số Đơn vị Max Min Median Mean Std Số giếng vượt QCVN09MT:2015/BTNMT - % Số giếng vượt QCVN09MT:2015/BTNMT - 5,88 0 11,76 5,88 0 29,41 pH 7,28 4,10 6,13 6,22 0,78 Độ mg/l 657,50 8,50 45,50 104,65 162,07 cứng TDS mg/l 1357,00 38,00 105,00 261,53 379,68 Clmg/l 953,61 7,09 17,73 121,47 258,69 Fmg/l 1,63 0,00 0,12 0,27 0,37 NO3 mg/l 2,44 0,11 0,41 0,80 0,65 SO42mg/l 95,58 5,76 45,15 50,04 24,41 Cu2+ mg/l 0,11 0,01 0,01 0,03 0,03 Fe2+ mg/l 69,36 0,16 2,62 7,30 15,79 Ghi chú: Max – Giá trị lớn nhất; Min – Giá trị nhỏ nhất; Median – Giá trị trung vị; Mean – Giá trị trung bình; Std - Độ lệch chuẩn; Bảng Bảng thống kê mô tả chất lượng nước mùa mưa Mùa mưa Thông số Đơn vị Số giếng vượt QCVN09MT:2015/BTNMT pH 7,33 4,16 6,12 6,16 0,90 Độ cứng mg/l 308,50 8,00 21,50 76,03 102,72 TDS mg/l 1368,00 43,00 102,00 227,29 363,78 Clmg/l 475,03 7,09 12,41 68,96 125,44 Fmg/l 1,70 0,00 0,12 0,22 0,38 NO3 mg/l 6,09 0,17 0,35 1,00 1,41 SO42mg/l 59,08 2,88 12,97 17,12 13,02 Cu2+ mg/l 0,02 0,00 0,00 0,00 0,00 Fe2+ mg/l 46,45 0,18 1,61 7,87 12,13 Ghi chú: Max – Giá trị lớn nhất; Min – Giá trị nhỏ nhất; Median – Giá trị trung vị; Mean – Giá trị trung bình; Std - Độ lệch chuẩn; Max Min Median Mean 3.2 Xác định số chất lượng nước đất (GWQI) Chỉ số chất lượng nước GWQI sử dụng kỹ thuật tính tốn tổng tỷ lệ thơng Std % Số giếng vượt QCVN09MT:2015/BTNMT 0 11,76 5,88 0 29,41 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 QCVN 09:2015/BTNMT Kết 112 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT JOURNAL: SCIENCE OF THE EARTH & ENVIRONMENT, VOL 2, ISSUE 2, 2018 thể bảng 4, bảng cho thấy GWQI vào mùa khô dao động từ 14,39 đến 240,73, giá trị có xu hướng giảm vào mùa mưa (13,44 đến 134,44) Kết tính tốn cho thấy, vào mùa khơ có khoảng 29% giếng (NB2C, NB3A, QT5A, NB2A, NB2B) đạt GWQI