Đang tải... (xem toàn văn)
Trong bài viết này, phương pháp WQI với trọng số Entropy được sử dụng đánh giá chất lượng nước của tầng chứa nước Pleistocen trên địa bàn thị xã Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, miền Đông Nam Bộ, Việt Nam, để cung cấp thông tin đầy đủ hơn về chất lượng nguồn nước cấp cho mục đích tưới và sinh hoạt của cộng đồng.
Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái đất Môi trường, 4(1):140-148 Bài nghiên cứu Open Access Full Text Article Ứng dụng trọng số Entropy tính tốn số chất lượng nước đất (EWQI) phân vùng chất lượng nước đất tầng Pleistocen thị xã Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu Nguyễn Hải Âu* , Trần Minh Bảo, Phạm Thị Tuyết Nhi, Tất Hồng Minh Vy, Trương Tấn Hiền, Trần Ngọc Hiệp, Lưu Khánh Linh, Lương Thị Hải Hà TÓM TẮT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Nước đất địa bàn thị xã Phú Mỹ khai thác chủ yếu tầng chứa nước trầm tích Pleistocen, sử dụng cho nhiều mục đích khác tưới tiêu, cấp nước sinh hoạt, sản xuất chăn nuôi Trong nghiên cứu này, phương pháp số chất lượng nước đất (EWQI) ứng dụng để xác định mức độ phù hợp nước đất khu vực nghiên cứu theo trọng số Entropy Phương pháp tính tốn trọng số thông số dựa mức độ hiệu thông tin cung cấp từ nguồn liệu cách xác định mức độ biến thiên giá trị đ thể rõ tính khách quan việc chọn trọng số thông số Các mẫu nước đất thu từ 17 giếng quan trắc vào mùa khô mùa mưa năm 2017 với mười thông số chất lượng (pH, TDS, độ cứng tổng, Cl− , F− , NH4 + -N, NO3 − -N, SO4 2− , Pb Fe2+ ) lựa chọn phân tích Kết tính tốn trọng số Entropy cho thấy thông số pH, TDS, NO3 − thông số ảnh hưởng đến chất lượng nước với kết phân tích cho thấy chất lượng nước đất khu vực nghiên cứu chia thành loại Trong đó, 70% giếng đạt chất lượng nước ``rất tốt'' vào mùa khô mùa mưa Chỉ 6% giếng có chất lượng ``khơng phù hợp để sử dụng'' tổng số giếng quan trắc khu vực nghiên cứu Từ khoá: Trọng số Entropy, EWQI, chất lượng nước đất GIỚI THIỆU Viện Môi trường Tài nguyên, Đại học Quốc Gia TP.HCM Liên hệ Nguyễn Hải Âu, Viện Môi trường Tài nguyên, Đại học Quốc Gia TP.HCM Email: haiau@hcmier.edu.vn Lịch sử • Ngày nhận: 09-03-2020 • Ngày chấp nhận: 21-05-2020 • Ngày đăng: xx-6-2020 DOI : 10.32508/stdjsee.v4i1.533 Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo công bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license Nước thành phần thiếu sống người, hệ sinh thái chi phối hoạt động kinh tế - xã hội Bên cạnh nguồn nước mặt (sơng, suối, hồ) nguồn nước đất nguồn nước quan trọng quốc gia nguồn tài nguyên có giới hạn sử dụng phổ biến cho sản xuất nông nghiệp sinh hoạt nước phát triển Đồng thời, tốc độ gia tăng đô thị hóa, cơng nghiệp hóa hoạt động nơng nghiệp làm tăng nguy xảy vấn đề môi trường đặc biệt ô nhiễm nguồn nước đất Hiện để quản lý, đánh giá mức độ phù hợp nguồn nước cho mục đích cấp nước nông nghiệp người ta sử dụng kỹ thuật đánh giá chất lượng nước phương pháp toán học mờ (fuzzy mathematics method), phương pháp mức độ thành viên (membership degree method), phương pháp phân tích nhân tố (factor analysis method), phương pháp mơ hình xám (gray modeling method), phương pháp phân tích thứ bậc (analytic hierarchy process method) Trong đó, kỹ thuật đánh giá chất lượng nước sử dụng rộng rãi phương pháp số chất lượng nước (WQI - Water Quality Index) Đây cơng cụ số sử dụng để xác định phù hợp nước cho mục đích cấp nước, cung cấp ảnh hưởng tổng hợp thơng số chất lượng tồn chất lượng nước “Phương pháp WQI có khả mô tả liệu chất lượng nước cao bên cạnh việc sử dụng thông số hiệu đánh giá quản lý chất lượng nước” Do WQI sử dụng để đánh giá liệu giám sát chất lượng nước cho phép nhà khoa học giải thích kết giám sát đồng thời phân tích ý nghĩa kết chất lượng nước, đặc biệt nồng độ tiêu vượt mức tiêu chuẩn chất lượng nước WQI hữu ích việc trình bày thơng tin chất lượng nước theo cách dễ hiểu cơng chúng Vì năm gần đây, phương pháp số chất lượng nước sử dụng rộng rãi giới Ấn Độ số (WQI) ứng dụng đánh giá chất lượng nước hồ Loktak cho thấy nước hồ không phù hợp để uống, bao gồm người động vật, góp phần cung cấp thông tin cho dân chúng người định , Mêxico , Thổ Nhĩ Kỳ , tỉnh Kurdistan, Iran, Chỉ số WQI dùng để đánh giá Trích dẫn báo này: Âu N H, Bảo T M, Nhi P T T, Vy T H M, Hiền T T, Hiệp T N, Linh L K, Hà L T H Ứng dụng trọng số Entropy tính tốn số chất lượng nước đất (EWQI) phân vùng chất lượng nước đất tầng Pleistocen thị xã Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu Sci Tech Dev J - Sci Earth Environ.; 4(1):140-148 140 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái đất Môi trường, 4(1):140-148 phù hợp chất lượng nước ngầm phục vụ cho mục đích ăn uống, 36% mẫu có chất lượng tuyệt vời 64% mẫu loại nước tốt Tại Trung Quốc, số WQI ứng dụng Cao nguyên hoàng thổ bước đầu mẫu nước có chất lượng kém, từ làm tiền cho phân tích sâu hơn, nhằm giải thích nguyên nhân làm giảm chất lượng nước , Pakistan , Bangladesh 10 Các nghiên cứu ứng dụng phương pháp WQI đánh giá chất lượng nước mặt, nước đất dựa vào thông số đặc trưng chất lượng nước để tiến hành phân vùng, giám sát quản lí nguồn nước Ở Việt Nam, phương pháp số chất lượng nước sử dụng rộng rãi để đánh giá chất lượng nước mặt, nước đất cho mục định nông nghiệp 11 Tuy nhiên, phương pháp WQI, việc lựa chọn trọng số thông số thường đưa ý kiến cá nhân chuyên gia đánh giá dựa kinh nghiệm thực tế Việc làm tăng tính chủ quan vào q trình tính tốn, đánh giá, dẫn đến sai lệch kết trọng số tìm phụ thuộc lớn vào mức độ chuyên môn chuyên gia đồng thời có nhiều liệu có giá trị có nguy bị loại bỏ 12 Khái niệm trọng số Entropy số chất lượng nước xác định entropy Shannon 13 Entropy thước đo mức độ phân tán liệu, đồng thời đo lường mức độ hiệu thông tin cung cấp liệu Do đó, entropy sử dụng để xác định trọng số Dựa vào mức độ chệch lệch nguồn liệu xác định số entropy, từ tìm trọng số thông số Khi đối tượng đánh giá có chêch lệch lớn, giá trị entropy nhỏ ngược lại, lượng thông tin cung cấp nhỏ trọng số nhỏ Do phương pháp trọng số entropy phương pháp mang tính khách quan trọng số thơng số tính tốn dựa mức độ biến thiên giá trị phụ thuộc vào nguồn liệu 14 Trong báo này, phương pháp WQI với trọng số Entropy sử dụng đánh giá chất lượng nước tầng chứa nước Pleistocen địa bàn thị xã Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, miền Đông Nam Bộ, Việt Nam, để cung cấp thông tin đầy đủ chất lượng nguồn nước cấp cho mục đích tưới sinh hoạt cộng đồng Tầng chứa nước Pleistocen địa bàn thị xã Phú Mỹ Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu quan trắc, đánh giá chất lượng so với quy chuẫn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước đất (QCVN 09-MT: 2015/BTNMT) 02 mùa năm, năm 2012 đến 141 TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vùng nghiên cứu Thị xã Phú Mỹ thuộc tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu giáp huyện Châu Đức phía Đơng, huyện Cần Giờ phía Tây, thành phố Vũng Tàu thành phố Bà Rịa phía Nam huyện Long Thành huyện Nhơn Trạch phía Bắc Diện tích tự nhiên 33.384 ha, dân số trung bình 175.193 người Thị xã Phú Mỹ nằm vùng đồng Nam Bộ có khí hậu nhiệt đới gió mùa cận xích đạo, chịu ảnh hưởng gió mùa Ðơng Bắc Tây Nam, khí hậu ôn hoà, chế độ nhiệt tương đối ổn định, cao quanh năm, chịu ảnh hưởng thiên tai Thị xã Phú Mỹ có tầng chứa nước lỗ hổng chính, gồm Pleistocen (qp3 ) (gồm giếng QT5B, VT4B, VT6, NB1B, NB2C, NB3A, NB3B, QT7B) có độ sâu từ 14-30m; Pleistocen giữa-trên (qp2−3 ) (gồm giếng QT5A, VT4A, NB1A, NB2A, NB2B, NB4, QT7A QT11, VT2B) sâu từ 5-38m Pleistocen (qp1 ) Trong đó, tầng chứa nước lỗ hổng trầm tích Pleistocen (qp3 ) Pleistocen giữa-trên (qp2−3 ) có diện phân bố trải rộng toàn thị xã với mức độ giàu nước lớn, khai thác để cung cấp cho giếng cấp cơng nghiệp quy mơ từ trung bình đến lớn (Phú Mỹ - Mỹ Xuân – Tóc Tiên) nhỏ lẻ khu vực nghiên cứu, lấy mẫu quan trắc chất lượng vào đợt (mùa khô mùa mưa) năm Thành phần thạch học gồm chủ yếu cát hạt mịn đến trung thô chứa sạn sỏi, cát pha bột màu xám sáng, có nơi lẫn sét bột xen kẹp thấu kính mỏng sét bột, bột cát mịn, 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 15 Loại hình hóa học nước chủ yếu nước nhạt, gồm Clorur Natri-Kali, Clorur Bicarbonat Natri-Kali, BicarbonatClorur Natri-Calci, nguồn cung cấp nước mưa nước mặt thấm trực tiếp từ xuống, miền hướng biển sơng rạch trũng thấp Tài liệu nghiên cứu Trong báo này, 10 thông số chất lượng nước (pH, TH, TDS, SO4 2− , Cl− , NH4 + -N, NO3 − -N, F− , Pb Fe2+ ) từ 17 giếng quan trắc chất lượng nước đất địa bàn thị xã Phú Mỹ Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu thực vào mùa khô mùa mưa năm 2017 (NB1B, NB2C, NB3A, NB3B, QT7B, NB1A, NB2A, NB2B, NB4, QT11, QT7A, VT2A, QT5B, VT4B, VT6, QT5A, VT4A) xử lý đánh giá Vị trí giếng quan trắc trình bày sơ đồ vị trí Hình Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Trái đất Mơi trường, 4(1):140-148 Hình 1: Vị trí khu vực nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Tất tính tốn tốn học thống kê thực cách sử dụng phần mềm EXCEL 2016 (Microsoft Office) Trọng số Entropy Các bước tính trọng số entropy tính theo L Peiyue, W Jianhua Q Hui Giả sử có m mẫu nước lấy để đánh giá chất lượng nước (i = 1,2, … m) Mỗi mẫu có n thơng số ước tính (j = 1,2, … n) Theo liệu quan sát, ma trận X xây dựng: x11 x12 x1n x x22 x2n X = 21 xm1 xm2 xmn Tiền xử lý liệu áp dụng để loại bỏ tác động đơn vị khác nhau, số đặc trưng loại chất lượng khác Theo phân bổ số, số chia thành bốn loại: loại hiệu suất, loại giá trị, loại cố định loại khoảng Đối với loại hiệu suất, công thức xây dựng chuẩn hóa là: Yi j = xi j − (xi j )min (xi j )max − (xi j )min (1) Đối với loại giá trị, công thức xây dựng chuẩn hóa là: Yi j = (xi j )max − xi j (xi j )max − (xi j )min (2) Trong báo cáo sử dụng công thức (2) xây dựng chuẩn hóa loại giá trị thông số quan trắc giá trị đo đạt Sau biến đổi, thu ma trận tiêu chuẩn Y: y11 y12 y1n y y22 y2n Y = 21 ym1 ym2 ymn Cơng thức tính tỷ lệ giá trị số số j mẫu i là: yi j Pi j = m (3) ∑ j=1 yi j 142 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Trái đất Môi trường, 4(1):140-148 Thông số Entropy thông tin thể công thức (4): m ej = − ∑ Pi j ln(Pi j ) ln(m) i=1 (4) Cuối cùng, trọng số Entropy tính theo cơng thức (5): ωj = 1−ej ∑nj=1 (1 − e j ) (5) Trong công thức trên, ω j định nghĩa trọng số Entropy thông số j Chỉ số EWQI Bước để tính EWQI xác định thang đánh giá chất lượng (qj) cho thông số qj tính theo cơng thức sau: qj = Cj × 100 Sj (6) Trong đó: C j nồng độ thơng số hóa học mẫu nước tính mg/L S j thông số tiêu chuẩn có Quy Chuẩn Kỹ Thuật Quốc Gia Về Chất lượng nước đất (QCVN 09-MT: 2015/BTNMT) tính theo mg/L Phương trình đảm bảo thơng số j hồn tồn khơng có nước q j = lượng thông số giá trị cho phép nó, q j = 100 EWQI tính theo cơng thức đây: EW QI = ∑nj=1 ω j q j (7) Đối với EWQI, nước ngầm phân thành năm cấp, từ chất lượng nước tốt, đến chất lượng nước Các tiêu chuẩn phân loại liệt kê Bảng tham khảo từ báo quốc tế, Việt Nam nghiên cứu chưa cụ thể bảng tiêu chuẩn phân loại chất lượng Bảng 1: Tiêu chuẩn phân loại chất lượng nước đất theo EWQI 16 EWQI Xếp hạng Chất lượng nước 200 V Rất 143 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 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 nhất, giá trị trung vị, độ lệch chuẩn tập liệu quan trắc gồm 10 thông 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 Trọng số Entropy Phương pháp tính trọng số Entropy sử dụng phân tích 10 thơng số chất lượng nước Thực theo trình tự bước phần Trọng số Entropy thu Bảng thể kết trọng số thông số Các trọng số thông số nghiên cứu chọn dựa số thông tin Entropy Đồng nghĩa với việc nguồn liệu thơng tin thơng số hiệu trọng số thơng sơ lớn ngược lại Đối với mùa khô thông số pH, TDS, NO3 − N, Pb2+ thông số ảnh hưởng đến chất lượng nước ngầm Do trọng số Entropy thông số cao 0,1 Tương tư mùa mưa thông số pH, TDS, NO3 − -N, SO4 2− thông số quan trọng định chất lượng nước ngầm Kết trọng số phù hợp nhận định Vasanthavigar 17 sở lựa chọn trọng số dựa mức độ quan trọng, chiếm ưu thông số liệu chất lượng nước Trong nghiên cứu này, thông số pH, TDS, NO3 − -N, Pb, SO4 2− chiếm ưu trọng số thông số cao so với thơng số cịn lại Chỉ số EWQI Chỉ số chất lượng nước với trọng số entropy EWQI sử dụng kỹ thuật tính tốn tổng thơng số chất lượng nước liệu chất lượng nước thị xã Phú Mỹ nhằm xác định tính bền vững chất lượng nước, q trình tính tốn sử dụng QCVN 09:2015/BTNMT Kết tính tốn xếp hạng chất lượng nước thể Bảng biểu đồ phân vùng chất lượng nước đất tầng Pleistocen khu vực nghiên cứu vào mùa khô mùa mưa (Hình 2) cho thấy EWQI vào mùa khơ dao động từ 15,88 đến 281,21, giá trị có xu hướng tăng vào mùa mưa Vào mùa khơ, có 70% giếng (NB1B, NB2C, NB3A, NB3B, NB1A, NB2A, NB2B, QT11, QT7A, QT5B, QT5A, VT4A) có giá trị EWQI