6. Ý nghĩa của đề tài
1.2. Hệ thống thơng tin địa lý GIS, bản đồ chuyên đề, phần mềm MapInfo
1.2.1. Hệ thống thơng tin địa lý GIS
Hệ thống thơng tin địa lý (Geographic Information System) là một hệ thống với sự trợ giúp của máy tính phục vụ cho mục đích thu thập, xử lý, phân tích, lưu
trữ và hiển thị các loại dữ liệu mang tính chất khơng gian cũng như phi khơng gian (như vị trí, hình dạng, các mối quan hệ về khơng gian như kề nhau, gần nhau, nối với nhau .v.v). GIS được ứng dụng vẽ bản đồ, xây dựng mơ hình dự báo, nghiên cứu quản lý tổng hợp một hoặc nghiều đối tượng,…
1.2.2. Bản đồ chuyên đề
Bản đồ chuyên đề là bản đồ được thiết kế nhằm trình bày các thực thể hay các khái niệm cụ thể, thường được dùng khi muốn nhấn mạnh một hay nhiều chủđề nào đĩ. Tùy theo nội dung bản đồ chuyên đề thường được dùng trong việc: tìm phương hướng, hoa tiêu; qui hoạch; dự đốn sự phát triển; khai thác tài nguyên, khống sản; quản lý; phân tích khoa học và so sánh; giáo dục, v.v...
Bản đồ chuyên đề thể hiện rất chi tiết một mặt, một bộ phận của đối tượng hiện tượng. Nội dung của bản đồliên quan đến mục tiêu sử dụng của nĩ.
Nguyên tắc thành lập bản đồ chuyên đề: Mục đích bản đồ phải được xác định rõ ràng; Chính xác và hiện đại; Các đối tượng phải được phân loại một cách khoa học, đúng đắn và thống nhất. Nhất quán về phương pháp biểu hiện; Chính xác về mặt địa lý.
1.2.3. Phần mềm MapInfo
MapInfo là phần mềm cơng cụ để xây dựng bản đồ trên máy tính kèm với các chức năng phân tích địa lý. Đây là cơng cụ hồn hảo để vẽ bản đồ trên máy tính, cho phép chúng ta thực hiện các phân tích địa lý phức tạp như phân chia khu vực, liên kết dữ liệu từ xa, việc kéo thả hoặc loại bỏ các đối tượng bản đồ trong ứng dụng và cho phép tạo bản đồ dựa theo bản đồ.
MapInfo được xây dựng chủ yếu để xử lý các số liệu bản đồ cĩ sẵn, các số liệu thuộc tính của bản đồ. MapInfo cĩ khả năng kết nối với các phần mềm khác thơng qua việc hỗ trợ việc mở lưu file với phần mở rộng đa dạng cùng với cơng cụ chuyển đổi giữa các định dạng file linh hoạt.
Các bước thành lập bản đồ chuyên đề trong MapInfo
a. Lập kế hoạch biên tập bản đồ: bao gồm chọn đề tài; mục đích của đề tài; dự kiến nội dung, phương pháp; phạm vi lãnh thổ biểu diễn
b. Xây dựng cơ sở dữ liệu: gồm các bước như thu thập dữ liệu khơng gian (bản đồ, ảnh hàng khơng,…); thu thập dữ liệu thuộc tính (dữ liệu thống kê, tài liệu, báo cáo,…); lựa chọn lưới chiếu và cơ sở tốn học; nhập dữ liệu; liên kết dữ liệu và kiểm tra; phân tích và xử lý.
- Trong nhập dữ liệu, cần nhập dữ liệu khơng gian và dữ liệu thuộc tính
Nhập dữ liệu khơng gian: lựa chọn cách vào số liệu cho phù hợp với nguồn dữ liệu với 3 cách (số hĩa, quét ảnh, vector hĩa)
Nhập dữ liệu thuộc tính: cĩ nhiều cơng cụ vào dữ liệu khác nhau, nhưng phải xác định được loại nào thuận tiện đểbước liên kết dữ liệu khơng gặp khĩ khăn, tốn thời gian và kinh phí
- Trong phân tích và xử lý: cần
Xác định nội dung cần phân tích và đưa lên bản đồ
Xác định phương pháp thể hiện nội dung trên bản đồ, xác định các bậc phân khoảng, các giá trị trọng số của ký hiệu
Biên vẽ các đối tượng nội dung của bản đồ theo các phương pháp và ký hiệu đã xác định
Kiểm tra biên tập và chỉnh lý, sửa lỗi và trình bày kết quả bản đồ, in ấn MapInfo cho phép người dùng cĩ thể can thiệp khá sâu vào quá trình thành lập bản đồcũng như đặt lại kiểu hiển thị các yếu tố nội dung trên bản đồ chuyên đề. Với phương pháp đồ giải người dùng cĩ thể định lại số lượng bậc trên bản đồ (2,4,6,8...bậc), cĩ thể lựa chọn các kiểu biểu đồ khác nhau khi dùng phương pháp biểu đồ, đặt lại màu sắc hiển thị yếu tố nội dung sau khi tạo bản đồ cho phù hợp với quy phạm thành lập bản đồ...
1.3. Các phương pháp đánh giá bằng chỉ số chất lượng nước WQI (Water Quality Index) Quality Index)
Chỉ số chất lượng nước WQI là biểu thức số học để diễn tả chất lượng của nguồn nước một cách dễ hiểu cho các nhà quản lý. Chỉ số chất lượng nước trong cơng tác đánh giá là một phương tiện cĩ khả năng tập hợp một lượng lớn các số liệu, thơng tin về chất lượng nước, đơn giản hĩa các số liệu chất lượng nước, với mục đích cung cấp thơng tin dưới dạng dễ hiểu, dễ sử dụng cho các cơ quan quản lý
tài nguyên nước, mơi trường và cơng chúng nĩi chung.
WQI được đề xuất và áp dụng đầu tiên ở Mỹ vào những năm 1965–1970 và phát triểu thành nhiều biểu thức khác nhau đang được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nơi. Cĩ nhiều hệ thống thơng số chất lượng nước khác nhau đã được phát triển trên thế giới tuỳ thuộc vào các quốc gia và khu vực thiết lập.
1.3.1. Các mơ hình WQI được áp dụng trên thế giới
1.3.1.1. WQI-CCME (Canadian Council of Ministers of the Environment)
WQI-CCME được xây dựng dựa trên rất nhiều số liệu khác nhau sử dụng một quy trình thống kê với tối thiểu 4 thơng số và 3 hệ số chính (F1-phạm vi, F2-tần suất và 3-biên độ của các kết quả khơng đáp ứng được các mục tiêu chất lượng nước-giới hạn chuẩn). WQI-CCME là một cơng thức định lượng, dễ sử dụng.
F1: tỷ lệ phần trăm giữa số thơng sốkhơng đạt tiêu chuẩn và tổng số thơng số đang xét.
F1 = x 100
F2: tần suất khơng đạt tiêu chuẩn, tức là tỷ lệ mẫu khơng đạt tiêu chuẩn với tổng số mẫu (xét tất cả các thơng số)
F2 = x 100
F3: mức độkhơng đạt tiêu chuẩn (biên độ); F3 được tính theo 3 bước: - Tính độ lệch ei – là mức độvượt tiêu chuẩn của từng mẫu khơng đạt
1 chuẩn Tiêu mẫu trị Giá
ei Nếu tiêu chuẩn của thơng số i là ngưỡng trên 1 mẫu trị Giá chuẩn Tiêu
ei Nếu tiêu chuẩn của thơng sối là ngưỡng dưới - Chuẩn hĩa tổng độ lệch qua cơng thức:
mau so Tong 1 n i ei nse
- Sau đĩ, F3 được tính bằng cơng thức: 01 , 0 01 , 0 3 nse nse F
Cuối cùng chỉ số chất lượng nước được tính qua cơng thức Số thơng sốkhơng đạt
Tổng số thơng số
Số mẫu khơng đạt Tổng số mẫu
732 , 1 100 2 3 2 2 2 1 F F F WQI CCME (Cơng thức 1.1)
Dựa vào đĩ ta cĩ thể phân loại chất lượng nước như sau:
Bảng 0.1. Các khoảng đánh giá chất lượng nước theo CCME
Ký
hiệu WQI Đánh giá Ghi ch
Xanh
dương 95 – 100 Rất tốt
Chất lượng được bảo vệ và khơng cĩ mối đe dọa hoặc làm suy giảm nào thực sự, điều kiện rất gần với tự nhiên hoặc ban đầu. Những thơng số này cĩ thểđánh giá tốt trong hầu như mọi thời điểm giám sát.
Lục 80 – 94 Tốt Chsuy giất lượng đượảm, điều kic bện hiảo vếệm khi khác bi và cĩ rất ít mệối đt vớe di tựọ nhiên hoa hoặc làm ặc ban đầu.
Vàng 65 – 79 Khá Chđe dọất lượng nước thường đượa hoặc bị suy giảm; điều kic bảện đơi khi khác vớo vệvà đơi khi gặi tp các mự nhiên ối hoặc ban đầu.
Cam 45 – 64 Trung bình
Chất lượng thường xuyên bịđe dọa hoặc suy giảm; điều kiện khác với tự nhiên hoặc ban đầu.
Nâu 0 – 44 Xấu giChảm; điềất lượng nướu kiện hc gầu như khác rấần như luơn luơn bịt nhiều vđe dọới tựa ho nhiên hoặc suy ặc ban đầu.
1.3.1.2. WQI-NSF (National Sanitation Foundation)
WQI – NSF là một trong các bộ chỉ số chất lượng nước được dùng phổ biến nhất. WQI-NS được xây dựng bằng phương pháp Delphi của tập đồn Rand, thu nhận và tổng hợp ý kiến của một sốđơng các chuyên gia khắp nước Mỹđể lựa chọn các thơng số chất lượng nước quyết định. Sau đĩ xác lập phần trọng lượng đĩng gĩp của từng thơng số (vai trị thơng số - wi) và tiến hành xây dựng các đồ thị chuyển đổi từ các giá trịđo được của thơng số sang chỉ số phụ (qi).
Các ứng dụng của WQI-NSF rất phổ biến trong các nghiên cứu chất lượng nước mặt ở các lưu vực sơng, bao gồm đánh giá chất lượng, đánh giá phối hợp với phương pháp khác như đánh giá mờ hay GIS, hoặc ứng dụng xây dựng hệ thống chỉ thị chất lượng mới và so sánh. Cơng thức chung của WQI-NSF như sau:
1 i n w i i WQI q (Cơng thức 1.2) Trong đĩ:
từ hàm chỉ số phụ của thơng số
wi: trọng lượng đĩng gĩp của thơng số i, nhận giá trị trong khoảng 0 – 1 (tổng của các wi bằng 1)
n: số thơng sốđược chọn để tính WQI; trong hệ thống NSF-WQI, n=9 Các thơng số lựa chọn và trọng sốtương ứng trong phương pháp tính như sau:
Bảng 0.2. Các thơng số và trọng sốtương ứng phương pháp WQI-NFS
Thơng số DO FC pH BOD5 NO3- PO43- T0 Độ đục TDS
Trọng số 0,17 0,15 0,12 0,1 0,1 0,1 0,1 0,08 0,08
WQI-NS được xây dựng rất khoa học dựa trên ý kiến số đơng các nhà khoa học về chất lượng nước, cĩ tính đến vai trị (trọng số) của các thơng số tham gia trong WQI và so sánh các kết quả với giá trị qua giản đồ tính chỉ số phụ (qi). Tuy nhiên các giá trị trọng số (wi) hoặc giản đồ tính chỉ số phụ (qi) trong WQI-NSF chỉ thích hợp với điều kiện chất lượng nước của Mỹ.
1.3.1.3. Chỉ số chất lượng nước chung (UWQI-Universal Water Quality Index) Index)
Được áp dụng phổ biến tại một số quốc gia Châu Âu, chỉ số chất lượng nước chung được xây dựng và áp dụng với mục đích đưa ra một phương pháp đơn giản trong việc đánh giá chất lượng nước mặt cho mục đích cấp nước. Chỉ số này cịn được ứng dụng vào việc đặc tính hố tồn bộ hệ sinh thái khu vực (Boyacioglu 2006; Ionus 2010). Cơng thức chung của UWQI bao gồm:
1 n i i i UWQI w I (Cơng thức 1.3)
Với: Wi là trọng số của thơng số i ; Ii là chỉ số phụ của thơng số i; n là số thơng số Cách phân loại: sau khi tính tốn giá trị chỉ số chất lượng nước (UWQI), người ta chia chất lượng nước ra thành 5 loại: Từ 95 đến 100 là rất tốt; từ 75 đến 94 là tốt; từ 50 đến 74 là trung bình; từ 25 đến 49 là ơ nhiễm; từ 0 đến 24 là rất ơ nhiễm.
1.3.1.4. Chỉ số chất lượng nước của Bhargava (Ấn Độ)
Bhargava năm 1983 đãđề xuất xây dựng một hệ thống các chỉ số chất lượng nước, thoả mãn các yêu cầu:
- Cĩ khảnăng đáp ứng nhanh chĩng những thay đổi của giá trị các biến số - Trọng số của các biến (đại diện cho sự liên hệ của biến đối với từng mục đích sử dụng khác nhau) phải cĩ liên hệ với WQI
- Nĩ phải cho giá trị thấp (cĩ thể bằng 0) khi một biến đơn đạt giá trị mà chất lượng nước xem là khơng phù hợp
- Nĩ cĩ thể duy trì trạng thái khi một biến đạt một giá trị vượt ngưỡng mà khơng ảnh hưởng đến mục đích sử dụng nước
- Sự khác biệt trong chuỗi chỉ thị cĩ thể phản ánh được sự khác biệt về mức độ quan trọng của một biến tuỳ theo mục đích sử dụng
Theo mơ hình Bhargava 1983, WQI cho mỗi mục đích sử dụng nước (nước sinh hoạt, cơng nghệp, nơng nghiệp…) được tính tốn theo cơng thức 1.4 và WQI tổng quát được tính theo cơng thức 1.5:
100 * 1 1 1 n n i F WQI (Cơng thức 1.4) k WQI WQI k i 1 1 (Cơng thức 1.5)
Fi: Giá trị hàm nhạy của thơng số I, nhận giá trị khoảng 0,01 đến trên dưới 1 và được xác định từđồ thị hàm nhạy đối với thơng số i. Xét dựa vào các Tiêu chuẩn quốc gia (quốc tế) quy định về chất lượng nước cho mỗi mục đích sử dụng riêng.
n : thơng số chất lượng nước lựa chọn (khoảng từ3 đến 6 loại thơng số). Trong đĩ WQI1 là WQI của các mục đích sử dụng nước khác nhau, k là số mục đích sử dụng nước. Các thơng số chất lượng nước lựa chọn cho các mục đích riêng và cách phân loại chất lượng nước theo mơ hình Bhargava như sau:
Bảng 0.3. Các thơng số chất lượng nước lựa chọn theo Bhargava
STT Mục đích sử dụng riêng Các thơng số lựa chọn n
1 Tiếp xúc trực tiếp Độđục, amoni, TC, BOD5, DO 5 2 Cấp nước sinh hoạt Độ đục, BOD5, TC, DO, Cl- 5
3 Nơng nghiệp Cl-, TDS, Bo, SAR 4
4 Cơng nghiệp Độ đục, TDS, độ cứng 3
5 Bảo vệ đời sống thủy sinh nước
ngọt và tiếp xúc gián tiếp T0, DO, Cl
Kết quả phân loại chất lượng nước theo WQI tổng quát như sau: 90 -100: Rất tốt; 65 – 89: Tốt; 35 – 64: Trung bình; 11 – 34: Ơ nhiễm; 0 – 10: Rất ơ nhiễm
1.3.1.5. Chỉ số chất lượng nước Malaysia
Từ năm 1983 Malaysia đã xây dựng một hệ thống chỉ số chất lượng nước, bao gồm 6 thơng số: DO, BOD5, COD, SS, NH3-N, và pH đểđánh giá sức khoẻ của các con sơng. Cơng thức đánh giá tổng quát như sau:
WQI = 0,22(SI-DO)+0,19(SI-BOD)+0,16(SI-COD)
+0,16(SI-SS)+0,15(SI-NH3-N) +0,12(SI-pH) (Cơng thức 1.6)
Trong đĩ: SI - trọng số phụ của các chỉ số chính, được xác định theo những cơng thức chuyên biệt.
Kết quả phân loại căn cứ vào WQI tổng quát như sau: 81-100: Sạch; 60-80: Ơ nhiễm ít; 0-59: Ơ nhiễm
1.3.2. Mơ hình WQI Việt Nam
Phương pháp sử dụng chỉ số chất lượng nước (WQI) đã được ứng dụng nhiều trong cơng tác quản lý sử dụng nước. Các cơng trình nghiên cứu xây dựng WQI đặc trưng riêng cho Việt Nam cũng đã được các nhà nghiên cứu quan tâm, tập trung vào các lưu vực sơng lớn như sơng Hồng, sơng Cửu Long, sơng Đồng Nai. Các nghiên cứu về WQI nổi bật tại Việt Nam cĩ thể kể đến nghiên cứu của TS. Tơn Thất Lãng.
1.3.2.1. Chỉ số chất lượng nước WQI theo nghiên cứu của PGS.TS Lê Trình
Chỉ sốnày do PGS.TS. Lê Trình đề xuất dựa theo 2 mơ hình WQI cơ bản của Mỹ và Ấn Độ áp dụng cho các sơng tại TPHCM trong khuơn khổ đề tài “Nghiên cứu phân vùng chất lượng nước theo các chỉ số chất lượng nước (WQI) và đánh giá
khảnăng sử dụng các nguồn nước sơng, kênh rạch ở vùng Tp. Hồ Chí Minh”.
Theo đĩ, nghiên cứu đề xuất 2 mơ hình tính tốn chỉ số chất lượng nước HCM –WQI và WQIB – HCM. Cụ thểnhư sau:
Mơ hình HCM-WQI: cải tiến dựa theo mơ hình NFS-WQI của Hoa Kỳ, lựa chọn các thơng số điển hình và dựa vào thứ tự ưu tiên tính điểm xếp hạng (mi), trọng số đĩng gĩp trung gian (wi’), trọng số đĩng gĩp chính (wi), xây dựng đồ thị tương quan giữa các thơng số và lựa chọn chỉ số phụ (qi) của từng thơng số.
Bảng 0.4. Các trọng số ( i của các thơng số lựa chọn tương ứng
Thơng số DO BOD5 Độ đục TN COD pH Coliform TP SS Dầu mỡ
Trọng số 0,19 0,14 0,12 0,11 0,09 0,08 0,08 0,08 0,07 0,04
Bảng 0.5. Phương trình xác định chỉ số phụ (qi đối với các thơng số lựa chọn
DO (y) y = - 0,7061 x2 + 17,179 x + 3,7855 BOD5 (y) y = 0,0068 x2 2,1089 x + 100,34 Độ đục (y) y = 105,73 e- 0,0168 x Tổng N (y) y = 0,1213 x2 8,318 x + 99,233 COD (y) y = 0,0039 x2 1,157 x + 94,011 pH (y) y = 0,416 x4 11,609 x3 + 110,15 x2 409,46 x + 539,31 Tổng coliform (y) y = 8,899 Ln(x) + 132, 04 Tổng P (y) y = 14,443 Ln(x) + 33,146 SS (y) y = 0,0011 x2 0,6468 x + 101,36 Dầu mỡ (y) y = 19,082 Ln(x) + 3,9124
Mơ hình WQIB – HCM: chọn lọc các thơng số: pH, DO, SS, EC, BOD5, COD, NH4+ (hoặc NO3-), Fe, T.colifform và dầu mỡđể tính theo cơng thức