Có rất nhiều quốc gia ựã ựưa áp dụng WQI vào thực tiễn, cũng như có nhiều các nhà khoa học nghiên cứu về các mô hình WQỊ
Hoa Kỳ: WQI ựược xây dựng cho mỗi bang, ựa số các bang tiếp cận theo phương pháp của Quỹ Vệ sinh Quốc gia Mỹ (National Sanitation Foundation- NSF) Ờ sau ựây gọi tắt là WQI-NSF.
Canada: Phương pháp do Cơ quan Bảo vệ môi trường Canada (The Canadian Council of Ministers of the Environment- CCME, 2001) xây dựng.
Châu Âu: Các quốc gia ở châu Âu chủ yếu ựược xây dựng phát triển từ WQI Ờ NSF (của Hoa Kỳ), tuy nhiên mỗi Quốc gia Ờ ựịa phương lựa chọn các thông số và phương pháp tắnh chỉ số phụ riêng.
Các quốc gia Malaysia, Ấn độ phát triển từ WQI Ờ NSF, nhưng mỗi quốc gia có thể xây dựng nhiều loại WQI cho từng mục ựắch sử dụng.[15]
1.4.3.1. Mô hình WQI áp dụng tại bang Origon Ờ Hoa Kỳ [15]
ạ Lựa chọn các thông số
WQI là một con số ựại diện cho chất lượng nước tắnh toán từ 8 thông số: Nhiệt ựộ, DO, BOD, pH, Tổng N (ammonia+nitrate nitrogen), Tổng P, Tổng rắn (Total solids), fecal coliform. OWQI ựược ựưa ra từ năm 1970 và liên tục ựược cải tiến.
Giới hạn áp dụng: WQI là một chỉ số tổng hợp ựược sử dụng ựể ựánh giá chất lượng nước cho các mục ựắch thông thường (câu cá, bơiẦ). Nó thể xác ựịnh chất lượng nước cho các mục ựắch ựặc biệt, WQI cũng không thể ước tắnh ựược hết tất cả các tác ựộng có hại ựến sức khỏẹ OWQI ựược xây dựng cho các lưu vực thuộc bang Oregon, việc áp dụng cho các nơi khác cần có cân nhắc và ựiều chỉnh phù hợp.
b. Phương pháp chuyển ựổi biến số
WQI ựầu tiên ựược xây dựng khi National Sanitation FoundationỖs Water Quality Index ựược thành lập. Các chỉ số WQI này (chỉ số WQI ban ựầu và chỉ số WQI ựược sử dụng hiện tại) ựều sử dụng phương pháp tiếp cận Delphị
Việc lựa chọn biến số sử dụng phương pháp DELPHI và tập hợp lại bằng phương pháp chuyên giạ Chuyển ựổi các biến số bằng cách logarit hóa ựể tắnh các chỉ số phụ. Trong quá trình xây dựng chỉ số WQI ban ựầu, một nhóm các chuyên gia ựã ựược tập hợp và sử dụng phương pháp Delphi ựể xác ựịnh các biến số và trọng số của mỗi biến. Việc loại bỏ các tỉ lệ bằng phương pháp Redudancy and impairment categories của 6 thông số (DO, BOD, pH, tổng rắn, amoni+nitrat, fecak coliform). Các thông số ựược phân loại thành các nhóm nhân tố khác nhau: tiêu thụ oxy, phú dưỡng, thông số vật lý, các chất hòa tan và yếu tố ảnh hưởng ựến sức khẻ
Sự tiêu thụ Oxỵ Với nhiều biến thì sự thay ựổi nhỏ trong một biến không thể phản ánh rõ nét trong chỉ số WQI cuối cùng.
Chỉ số WQI phụ ựược tắnh toán từ giá trị các thông số thông qua một ựường phi tuyến xây dựng trước. WQI hiện nay cũng ựược bổ xung thêm 2 thông số là tổng P và nhiệt ựộ dựa trên những nghiên cứu về ựiều kiện của các lưu vực tai Oregon. Mỗi một chỉ số phụ có giá trị từ 10 ựến 100.
Oxy hòa tan (DO)
WQI ban ựầu chỉ ựược tắnh dựa trên ựộ bão hòa với các ựiều kiện nhiệt ựộ khác nhaụ DO là chỉ số quan trọng cho Cá hồi, tôm.. Chỉ số phụ DO ựược xây dựng dựa trên tác ựộng ựến các loài thủy sinh. Cách tắnh chỉ số phụ DO như sau:
- Nồng ựộ DO bão hòa (DO saturation hay DOs) ≤ 100% hoặc Nồng ựộ DOc ≤ 3.3 mg/l SIDO = 10
- 3.3 mg/l < DOc ≤ 10.5 mg/l SIDO=-80.29+31.88*DOc- 1.401*DOc2
- 10.5 mg/l < DOc SIDO = 100
- 100% < DOs ≤ 275% SIDO=100*exp((DOs - 100)*1.179E-2) - 275% < Dos SIDO = 100
Nhu cầu Oxy sinh học (BOD)
BOD thể hiện tổng mức tiêu thụ oxy do các sinh vật thủy sinh. Phương pháp tắnh chỉ số phụ BOD như sau:
BOD ≤ 8 mg/l: SIBOD = 100*exp(BOD*-0.1993) 8 mg/l < BOD SIBOD = 10
Amonia + nitrate nitrogen N
Quá trình Nitrat hóa diễn ra trong một số dòng chảy thuộc bang Oregon và quá trình này cũng có thể tiêu thụ oxỵ Chỉ số phụ Nitơ ựược tắnh dựa trên tổng của amoni và nitrat, tuy nhiên trong cơ sở dữ liệu vẫn cần lưu riêng amoni và nitrat ựể có thể phân tắch về mức ựộ ựóng góp của amoni và nitrat ựối với chỉ số phụ Nitơ. Phương pháp tắnh toán chỉ số phụ Nito nêu ở phần dướị
Phú dưỡng
Sự gia tăng nồng ựộ các hợp chất nitơ và photpho dễ tiêu trong nước tạo ra những ựiều kiện thuận lợi cho tảo phát triển. Phú dưỡng có thể ảnh hưởng rất lớn ựến chất lượng môi trường nước và ựời sống của các loài thủy sinh.
Amonia + nitrate nitrogen N
Amonia và nitrat vừa có tác ựộng ựến nồng ựộ oxy hòa tan vừa có ảnh hưởng chủ yếu ựến phú dưỡng. Phương pháp tắnh chỉ số phụ Nitơ như sau:
N ≤ 3 mg/l SIN = 100*exp(N* -0.4605) 3 mg/l < N SIN =10 Tổng photphat P P ≤ 0.25 mg/l SIP = 100 Ờ 299.5*P Ờ 0.1384*P2 0.25 mg/l ≤ P SIP = 10 Các chất hòa tan + pH
Công thức tắnh chỉ số phụ pH như sau:
- pH < 4 SIpH = 10 - 4 ≤ pH < 7 SIpH = 2.628*exp(pH*0.52) - 7 ≤ pH ≤ 8 SIpH = 100 - 8 <pH ≤ 11 SIpH =100*exp((pH-8)*-0.5188) - 11 < pH SIpH =10 + Tổng rắn TS
Công thức tắnh phụ thuộc vào các lưu vực khác nhauẦ
Nhân tố vật lý - Nhiệt ựộ T T ≤ 11oC SIT = 100
11oC ≤ 29 oC SIT = 76.54 + 4.172*T Ờ 0.1623.T2 Ờ 2.0557*10-3*T3. 29 oC ≤ T SIT = 10
Yếu tố ảnh hưởng ựến sức khỏe - Fecal Coliform FC
FC ≤ 50 #/100 ml SLFC = 98
50 #/100ml < FC ≤ 1600 #/100ml SLFC = 98*exp((FC-50)* -9.9178E-4) 1600 #/100ml < FC SLFC = 10
c. Trọng số:
Mô hình WQI hiện tại ựang áp dụng sử dụng phương pháp trọng số cân bằng
d. Tắnh toán WQI cuối cùng từ các chỉ số phụ
WQI ban ựầu ựược tắnh bằng trung bình số học có trọng số của các chỉ số phụ thành phần:
∑ = = n i i iW SI WQI 1
Trong ựó SIi là chỉ số phụ ựối với thông số i, Wi là trọng số tương ứng. NSF AQI là trung bình theo không gian (geometic mean) có trọng số của các chỉ số phụ thành phần: i n i SIiW WQI = ∏= 1
WQI ựược sử dụng tại hiện tại ở Oregon sử dụng hàm bình phương ựiều hòa không trọng số theo công thức sau:
∑ = = n i SIi n WQI 1 2 1 Trong ựó: WQI: chỉ số cuối cùng n là số lượng các chỉ số WQI thành phần. SLi: Chỉ số phụ
Sau khi WQI cuối cùng ựược xác ựịnh, chất lượng nước ựược ựánh gia theo các thang như sau:
10 Ờ 59 rất xấu 60 Ờ 79 Xấu
80 Ờ 84 Trung bình 85 Ờ 89 Tốt
90 Ờ 100 Rất tốt
1.4.3.2. Mô hình WQI áp dụng ở bang Floria [15]
ạ Lựa chọn thông số
Các nhóm thông số ựể tắnh toán WQI
- độ trong của nước: ựộ ựục, tổng rắn lơ lửng - Hàm lượng oxy: DO
- Như cầu oxy (phú dưỡng): COD, BOD, TOC - Các chất dinh dưỡng: Tổng N, nitrat, Tổng P
- Vi khẩn: Tổng Coliform và Fecal Coliform
b. Tắnh toán chỉ số phụ
Chỉ số phụ ựược tắnh toán từ giá trị thông số bằng phương pháp ựường cong tỉ lệ (rating curve), ựường cong này ựược xây dựng từ các tiêu chuẩn về nước mặt và các nghiên cứu về nồng ựộ các chất ô nhiễm trong nước.
Bảng 1.4: Tiêu chuẩn về nồng ựộ các thông số trong nước mặt
Thông số Chất lượng tốt Chất lượng kém
WQI đơn vị 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Chỉ thị: Chất rắn lơ lửng độ ựục JTU 1.5 3 4 4.5 5.2 8.8 12.2 16.5 21 TSS mg/l 2 3 4 5.5 6.5 9.5 12.5 18 26.5 Chỉ thị: Hàm lượng oxy DO mg/l 8 7.3 6.7 6.3 5.8 5.3 4.8 4 3.1
Chị thị: Nhu cầu oxy
BOD mg/l 0.8 1 1.1 1.3 1.5 1.9 2.3 3 5.1 COD mg/l 16 24 32 38 46 58 72 102 146 TOC mg/l 5 7 9.5 12 14 17.5 21 27.5 37 Chị thị: Chất dinh dưỡng Tổng N mg/l 0.55 0.75 0.9 1 1.2 1.4 1.6 2 2.7 N-NO3 mg/l 0.01 0.03 0.05 0.07 0.1 0.14 0.2 0.32 0.64 Tổng P mg/l 0.02 0.03 0.05 0.07 0.09 0.16 0.24 0.46 0.89 Chỉ thị: Vi sinh vật Tổng Coliform MPN/100ml 100 150 250 425 600 1100 1600 3700 760 0 Fecal Colifoem MPN/100ml 10 30 35 55 75 135 190 470 960 Ghi chú: *: ựơn vị trong tài liệu gốc; *=MPN/100ml (người dịch)
c. Trọng số:
d. Tắnh toán chỉ số cuối cùng
Sử dụng công thức trung bình cộng không trọng số:
∑ = = n i i q n I 1 1 Trong ựó: I : Chỉ số cuối cùng n: số lượng thông số qi: chỉ số phụ
Thang ựiểm WQI:
- Tốt: 0 Ờ 44
- Trung bình: 45 Ờ 59 - Kém: 60 Ờ 99
1.4.3.3. Các mô hình WQI áp dụng tại Canada
Bộ Môi trường Canada ựưa ra một mô hình WQI (WQI Ờ CCME), mô hình ựó ựược sử dụng ở nhiều bang tại Canada
ạ Phương pháp ựưa ra bởi trung tâm St Laurent
Trung tâm St Laurent (CSL) là một trung tâm chịu trách nhiệm báo cáo chất lượng nước của sông St. Lawrencẹ Chỉ số WQI ựược CSL ựưa ra như sau:
n F A
WQI = ∑ i i
Trong ựó Ai là giá trị trung bình mức ựộ vượt ựộ vượt quá mức hướng dẫn của các biến. Khi giá trị của thông số vượt quá mức hướng dẫn ựối với thông số ựó tỉ lệ Ộgiá trị thông số/mức hướng dẫnỢ ựược tắnh toán. Ai là trung bình của các giá trị ựó.
Fi là tần số của giá trị vượt quá mức hướng dẫn so với tổng số giá trị thu ựược của biến ựó ( Fi = Faccced/Ftotal)
CSL tắnh toán các chỉ số chất lượng nước khác nhau cho các mục ựắch sử dụng khác nhau như: bảo vệ các loài thủy sinh, dùng làm nước sinh hoạt, môi trường nước mặnẦ
b. Phương pháp của QUEBEC
Phương pháp này dựa trên cách tiếp cận của New Zealand. WQI là giá trị nhỏ nhất của các giá trị WQI phụ. Mỗi chỉ số phụ ựược tắnh toán từ một thông số quan trắc môi trường nước.
WQI = min(Isub1, Isub2,Ầ,Isubn)
Phương pháp tắnh toán các chỉ số phụ khác các phương pháp áp dụng tại Canada ựó là phương pháp này sử dụng ựường cong Delphị đường cong Delphi xây dựng bằng phương pháp chuyên gia về mức ựộ quan trọng của các thông số trong môi trường nước. Họ sử dụng một ựường phi tuyến (dựa trên ý kiến tổng hợp các chuyên gia) ựể xác ựịnh mức WQI phụ dựa trên giá trị các thông số. Chỉ số Quebec là giá trị xấu nhất của các giá trị WQI phụ.
c. Phương pháp British Columbia
WQI = (F12+F22+F32)ơ F1 là phần trăm các mẫu vượt quá mức hướng dẫn
F2 là phần trăm các thông số có một hoặc nhiều hơn 1 mẫu vượt quá mức hướng dẫn
F3 là giá trị cao nhất của mẫu vượt quá mức hướng dẫn
Trong 3 thành phần F1, F2, F3 thì có 2 thành phần giống với các phương pháp tắnh WQI khác: F2 giống với chỉ số của bang Alberta, F3 tương tự chỉ số của trung tâm St Laurent, còn thành phần F1 thì không giống bất kỳ phương pháp nào khác. Các mức WQI khác nhau phù hợp với các mục ựắch sử dụng khác nhaụ
d. Phương pháp Manitoba
Bang Manitoba sử dụng phương pháp ựã áp dụng tại bang British Columbia mà có bất kỳ thay ựổi nào, với số liệu trong 4 năm tại 8 vùng khác nhau thuộc Manitoba, bang Manitoba ựã kết luận phương pháp Bitish Columbia hoàn toàn có thể áp dụng phù hợp cho Manitobạ
ẹ Phương pháp Ontario
Bang Ontario sử dụng phương ựã áp dụng tại British Columbia nhưng sửa ựổi giá trị F3 là giá trị trung bình chứ không phải giá trị cao nhất. Họ ựưa ra ựánh giá về một số vấn ựề xảy ra ựối với phương pháp British Columbia khi một số giá quá lớn so với mục tiêu chất lượng.
Các thông số môi trường sử dụng ựể tắnh toán WQI bao gồm: Clorua, Fecal Coliform, ựồng, sắt, chì, kẽm, magan, natri, tổng N, tổng P, DO, sunfat, pH, tổng rắn.
f. Chi tiết phương pháp tắnh toán WQI áp dụng tại Alberta (phát triển từ WQI Ờ CCME)
Lựa chọn thông số: Các thông số dùng ựể tắnh toán WQI là hầu hết các thông số có trong chương trình quan trắc tại Alberta
Bảng 1.5: Các thông số sử dụng ựể tắnh toán chỉ số WQI Metals & Ions
Aluminum Copper Molybdenum Vanadium
Arsenic Iron Nickel Zinc
Beryllium Lead Selenium Cyanide
Boron Lithium Silver Fluoride
Cadmium Manganese Thallium
Cobalt Mercury Uranium
Pesticides
2,4-D Picloram Bromoxynil Chlorpyrifos
MCPP Dicamba Cyanazine Imazamethabenz
MCPA Triallate Malathion Diuron
Diazinon Atrazine Methoxychlor Dichlorprop
Lindane
Nutrients & Related Variables
Dissolved Oxygen Total Phosphorus Nitrite-Nitrogen (NO2-N) pH Total Nitrogen Ammonia Nitrogen
Bacteria
WQI ựược tắnh toán thông qua các bước như sau:
Bước 1: Tắnh toán giá trị phạm vi - SCOBE F1
F1 là tỉ số các thông số không ựáp ứng ựược so với mức hướng dẫn trong khoảng thời gian tắnh chỉ số.
F1 = (số thông số vượt quá tiêu chuẩn/tổng số thông số)*100
Bước 2: Tắnh toán giá trị tần suất F2
F2 là phần trăm số mẫu không ựáp ứng ựược mức hướng dẫn F2 = (Số mẫu không ựáp ứng tiêu chuẩn/Tổng số mẫu)*100
Bước 3: Tắnh toán giá trị biên ựộ F3
Giá trị F3 ựược tắnh toán qua 3 bước sau:
- Với các giá trị không ựáp ứng ựược tiêu chuẩn (cao hơn giới hạn trên hoặc thấp hơn giới hạn dưới), ta tắnh giá trị sau:
excursioi = (giá trị thông số/mức hướng dẫn) Ờ 1 khi giá trị thông số cao hơn giới hạn trên của mức hướng dẫn
excusioi = (mức hướng dẫn/giá trị thông số) Ờ 1 khi giá trị thông số thấp hơn giới hạn dưới của mức hướng dẫn.
- Tắnh toán giá trị nse
o n excusio nse k i i ∑ = = 1 o Trong ựó n là tổng số mẫu
- F3 ựược tắnh toán bằng phương pháp tiệm cận và có khoảng giá trị từ 0 ựến 100 o 01 . 0 01 . 0 3 + = nse nse F
Bước 4: Tắnh toán giá trị WQI
372 . 1 100 2 3 2 2 2 1 F F F WQI + + − =
Các mức WQI Rất tốt: 95 - 100. Tốt: 80 - 94 Trung bình: 65 - 79 Xấu: 45 - 64 Rất Xấu: 0 Ờ 44