1.3.1. Giới thiệu chung
“Chỉ số chất lƣợng nƣớc (Water Quality Index – WQI) là một chỉ số đƣợc tính tốn từ các thơng số quan trắc chất lƣợng nƣớc, dùng để mô tả định lƣợng chất lƣợng nƣớc và khả năng sử dụng của nguồn nƣớc đó; đƣợc biểu diễn qua một thang điểm” [10, 11]. Hiện có rất nhiều quốc gia/địa phƣơng đã xây dựng và áp dụng chỉ số WQI. Thơng qua một mơ hình tính tốn, từ các thơng số khác nhau có thể thu đƣợc một chỉ số duy nhất. Sau đó chất lƣợng nƣớc đƣợc so sánh với nhau thông qua chỉ số này. Đây là phƣơng pháp đơn giản so với việc phân tích một loạt các thơng số. Các ứng dụng chủ yếu của WQI bao gồm:
- Phục vụ q trình ra quyết định: WQI có thể đƣợc sử dụng làm cơ sở cho việc ra các quyết định phân bổ tài chính và xác định các vấn đề ƣu tiên;
- Phân vùng chất lƣợng nƣớc;
- Thực thi tiêu chuẩn: WQI có thể đánh giá đƣợc mức độ đáp ứng/không đáp ứng của chất lƣợng nƣớc đối với tiêu chuẩn hiện hành;
- Phân tích diễn biến chất lƣợng nƣớc theo khơng gian và thời gian; - Công bố thông tin cho cộng đồng;
- Nghiên cứu khoa học: Các nghiên cứu chuyên sâu về chất lƣợng nƣớc thƣờng khơng sử dụng WQI, tuy nhiên WQI có thể sử dụng cho các nghiên cứu vĩ mô khác nhƣ đánh giá tác động của q trình đơ thị hóa đến chất lƣợng nƣớc khu vực, đánh giá hiệu quả kiểm soát phát thải…
1.3.2. Các phương pháp tính tốn và ứng dụng chỉ số chất lượng nước
Bắt đầu vào năm 1965, Horton (Mỹ) đã đề xuất cơng thức tính tốn đầu tiên với ý tƣởng dùng một chỉ số để tổng hợp các số liệu cần thiết khi đánh giá chất lƣợng nƣớc mặt (U.S. Environmental Protection Agency (1978)). Đến nay, chỉ số chất lƣợng nƣớc (WQI) đã đƣợc nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trên thế giới để đánh giá chất lƣợng nƣớc tại Mỹ, Canada, Bỉ, Thổ Nhĩ Kỳ, Ấn Độ, Thái Lan, Malayxia, Đài Loan …
Tình hình nghiên cứu và ứng dụng WQI trên thế giới và tại Việt Nam đƣợc tổng hợp và giới thiệu tại phụ lục 2. Hầu hết các nƣớc trên thế giới và cả Việt Nam đều xây dựng cơng thức tính WQI cho mơi trƣờng nƣớc mặt và đã ứng dụng một số phƣơng pháp chính sau đây [7]:
- Phƣơng pháp tính chỉ số chất lƣợng nƣớc của Quỹ Vệ sinh Môi trƣờng Mỹ (National Sanitation Foundation - NSF). Đây là phƣơng pháp sử dụng hàm trung bình cộng hoặc trung bình nhân (có trọng số hoặc khơng có trọng số). Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng rộng rãi ở nhiều nghiên cứu về chỉ số chất lƣợng nƣớc cũng nhƣ áp dụng để đánh giá phân loại chất lƣợng nƣớc trong thực tế tại nhiều bang ở Mỹ và nhiều nƣớc khác. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là cách tính khá đơn giản và cho kết quả khá chính xác nếu các chỉ số phụ khơng chênh lệch nhau quá lớn.
Do tính che khuất của hàm trung bình cộng, Lu C.Y. và Gray N.E. đã đề xuất cải tiến dạng trung bình cộng thơng thƣờng thành trung bình cộng dạng Solway vào năm 1979 và 1996 (Chaiwat Prakirake, Pawinnee Chaiprasert and Sudarut
Tripetchekul (2009)). Dạng trung bình cộng Solway đã đƣợc áp dụng để đánh giá
chất lƣợng nƣớc cấp tại Thái Lan, nƣớc cửa sông tại Nam Phi và trong các nghiên cứu về nƣớc mặt của Wepener và nnk (2006), Tyson và House (1989), Gray (1996), Bordalo (2006), Moore (1990) (Pham Thi Minh Hanh (2009)).
Liou S. (Đài Loan) đã đề xuất một cơng thức kết hợp cả trung bình cộng và trung bình nhân nhằm hạn chế tính che khuất của hàm trung bình cộng khi các chỉ số phụ khác nhau quá lớn (Liou S., Lo S., Wang S. (2004)). Dựa trên công thức của
Liou S., Phạm Thị Minh Hạnh đã cải tiến và đƣa ra cơng thức tính WQI cho mơi trƣờng nƣớc mặt lục địa của Việt Nam trong luận án tiến sĩ của mình (Pham Thi
Minh Hanh (2009)). Dựa vào nghiên cứu này, ngày 01 tháng 7 năm 2011 Tổng cục
Môi trƣờng Việt Nam đã ban hành sổ tay hƣớng dẫn tính tốn chỉ số chất lƣợng nƣớc.
- Phƣơng pháp tính tốn chất lƣợng nƣớc của Canada [14]. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là không hạn chế số lƣợng các thơng số tính tốn. Hạn chế của cơng thức tính tốn theo phƣơng pháp này là chƣa chỉ rõ trọng số của từng thông số, giá trị F1 (Tỉ lệ % giữa số thông số không đạt tiêu chuẩn và tổng số thông số) ảnh hƣởng quá lớn đến kết quả tính WQI, thiếu các hƣớng dẫn chọn các thông số tối ƣu theo mục đích sử dụng, yêu cầu nhiều số liệu tính tốn … (CCME National Water
Quality Index Workshop (2003)). Trong điều kiện của Việt Nam, phƣơng pháp tính
tốn này khó có thể áp dụng đƣợc vì để tính đƣợc “Tần suất khơng đạt tiêu chuẩn – F2 (trong công thức tính WQI)” cần phải đo đạc chất lƣợng nƣớc nhiều lần.
- Một số phƣơng pháp khác
Phƣơng pháp của Bỉ dùng hệ thống cho điểm từ 1 đến 4 để phân hạng chất lƣợng nƣớc, chƣa tính đến mức độ quan trọng của từng thông số và số lƣợng thơng số tính tốn cịn hạn chế.
New Zealand xác định chất lƣợng nƣớc cho hoạt động giải trí có tiếp xúc với nƣớc bằng giá trị chỉ số phụ nhỏ nhất (Nagels JW, Davies Colley RJ, Smith DG
(2001)). Phƣơng pháp này cũng đã đƣợc áp dụng trong nghiên cứu của Smith D. G.
(1990).
Theo mơ hình Bhargava (Ấn Độ), WQIi đƣợc tính cho mỗi mục đích sử dụng nƣớc (chẳng hạn, cấp nƣớc sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp…) theo phƣơng pháp trung bình nhân khơng trọng số và WQI tổng qt đƣợc tính bằng trung bình cộng không trọng số của các WQIi [17].
Trong một số nghiên cứu về WQI của Malaysia, Trung Quốc, Ấn Độ… trong những năm gần đây, các tác giả đã bƣớc đầu áp dụng logic mờ để tính WQI (Mei-
Lin Wu và et al (2010); Md. Pauzi Abdullah et al. (2008); Raman Bai. V, Reinier B., Mohan.S (2009)).
Tại Việt Nam, một số nhà khoa học đã rất cố gắng đƣa ra các dạng cơng thức tính WQI cho mơi trƣờng nƣớc mặt là chủ yếu. Đi đầu trong các cơng trình nghiên cứu này là GS. TS. Phạm Ngọc Hồ, PGS. TS. Lê Trình, PGS. TS Tơn Thất Lãng. Các dạng công thức của PGS. TS. Lê Trình, PGS. TS Tôn Thất Lãng (trong các năm 2008, 2009, 2010) chủ yếu vẫn là cải tiến công thức của Quỹ Vệ sinh Môi trƣờng Mỹ -NSF trong điều kiện của Việt Nam. Công thức của GS. TS. Phạm Ngọc Hồ (năm 2011) đã cải tiến cách đánh giá chất lƣợng thành phần môi trƣờng bằng chỉ tiêu tổng hợp có trọng số và quy chuẩn về một thơng số tại mốc tính tốn ban đầu. Ƣu điểm của phƣơng pháp tính tốn của GS. TS. Phạm Ngọc Hồ là khơng hạn chế số lƣợng các thơng số tính tốn, thang phân loại chất lƣợng nƣớc và trọng số của các thông số khách quan.
Cơ quan bảo vệ môi trƣờng của Mỹ (USEPA, U.S. Environmental Protection
Agency, 1978) đã đƣa ra một số tiêu chí nên đƣợc sử dụng khi xem xét xây dựng cơng thức tính WQI nhƣ sau:
1. Tính tốn dễ dàng;
2. Mơ tả đƣợc mức độ quan trọng của các thơng số tính tốn;
3. Bao gồm các thông số đƣợc đo đạc thƣờng xuyên và thƣờng đƣợc sử dụng;
4. Bao gồm các thơng số có mức độ ảnh hƣởng rõ rệt đến hệ thủy sinh hoặc hoạt động giải trí của con ngƣời;
5. Bao gồm chất độc hại;
6. Dễ dàng kết hợp thêm các thông số mới;
7. Đƣợc tính tốn dựa trên các tiêu chuẩn hoặc quy chuẩn đã có; 8. Có cở sở khoa học rõ ràng;
11. Tránh đƣợc tính che khuất và tính mơ hồ;
12. Nhạy cảm với sự thay đổi giá trị chất lƣợng nƣớc;
13. Có thể áp dụng để đánh giá sự thay đổi theo thời gian, so sánh chất lƣợng nƣớc ở những khu vực khác nhau, cung cấp thông tin cho các nhà ra quyết định và cơng chúng;
14. Có hƣớng dẫn rõ ràng về cách tính khi thiếu số liệu; 15. Các hạn chế của WQI phải đƣợc chỉ ra.
1.3.3. Các thông số tính tốn
Trong các cơng thức tính WQI, chỉ có cơng thức của Canada và của GS. TS. Phạm Ngọc Hồ (2012) không giới hạn các thơng số tính toán. Ƣu điểm của các cơng thức này là có thể áp dụng với tất cả các chuỗi số liệu đo đạc. Tuy nhiên trong thực tế, để đánh giá chất lƣợng một nguồn nƣớc cho một mục đích sử dụng nào đó, cần phải chọn ra các thông số đại diện. Do vậy các cơng thức này cịn thiếu các hƣớng dẫn chọn các thông số tối ƣu theo mục đích sử dụng hoặc mục đích đánh giá. Mặt khác trong công thức của GS.TS. Phạm Ngọc Hồ, các chỉ số phụ qi (chỉ số đơn lẻ của thơng số i) chƣa tính đến độ biến thiên của qi so với đơn vị (khi qi = 1). Do vậy, trong một số trƣờng hợp, TWQI có thể cho kết quả khơng phù hợp với thực tế.
Theo Ott W.R. (Ott W.R (1978)), các tiêu chí lựa chọn thơng số đại diện để tính chỉ số chất lƣợng nƣớc nhƣ sau:
1. Thông số đƣợc đo đạc thƣờng xuyên và thƣờng đƣợc sử dụng;
2. Thơng số có ảnh hƣởng rõ rệt đến hệ thủy sinh hoặc hoạt động giải trí của con ngƣời;
3. Thơng số có nguồn gốc nhân sinh, gắn với các hoạt động xả thải;
4. Thông số dễ dàng kiểm sốt thơng qua các chƣơng trình giảm thiểu ơ nhiễm;
Ott W.R. (1978)) và Dunnette D.A. (1979) đã khuyến nghị rằng các thơng số tính WQI cần đƣợc lựa chọn trong năm nhóm chỉ thị suy giảm chất lƣợng nƣớc, bao gồm (1) nhóm tiêu hao oxy, (2) nhóm phú dƣỡng, (3) nhóm tác động đến sức khỏe, (4) nhóm đặc tính vật lý và (5) nhóm chất rắn lơ lửng. Trong “Báo cáo tính tốn và phân tích số liệu quan trắc dùng chỉ số chất lƣợng nƣớc” của Trung tâm Quan trắc Môi trƣờng – Tổng cục Môi trƣờng, khuyến nghị của Ott W.R. (1978) và Dunnette D.A. (1979) đƣợc sử dụng nhƣ một tiêu chí lựa chọn thơng số tính WQI. Tuy nhiên cần chú ý rằng các khuyến nghị của Ott W.R. (1978)) và Dunnette D.A. (1979) là áp dụng cho môi trƣờng nƣớc mặt lục địa (nƣớc ngọt). Kết quả tổng hợp trong phụ lục 2 cho thấy, các thông số thƣờng đƣợc chọn để đánh giá chất lƣợng nƣớc mặt là: nhiệt độ, pH, DO (hoặc % oxy bão hòa), chất rắn lơ lửng, BOD5, NH4+
(NH3), PO43- , coliform.
Trong báo cáo phân tích độ nhạy của chỉ số chất lƣợng nƣớc Canada (Canadian Council for Ministers of the Environment (2001)), một kiến nghị đƣa ra cho quá trình lựa chọn thơng số tính WQI là khơng nên lựa chọn quá nhiều thơng số đại diện để tính WQI. Việc sử dụng nhiều thơng số ít khi vƣợt quá giới hạn cho phép sẽ làm tăng giá trị WQI và làm tăng tính che khuất của WQI (Canadian
Council for Ministers of the Environment (2001)). Kết quả tổng hợp ở phụ lục 2 cho
thấy, số lƣợng các thơng số dùng để tính WQi thƣờng từ 8 đến 10 thông số.
1.3.4. Trọng số và chỉ số phụ
Trong thực tế, mỗi thơng số hoặc nhóm thơng số trên có tầm quan trọng khác nhau trong chất lƣợng nƣớc. Trên thế giới, trọng số có thể xác định bằng phƣơng pháp các phƣơng pháp sau:
- Phƣơng pháp Delphi
- Phƣơng pháp đánh giá tầm quan trọng dựa vào mục đích sử dụng, tầm quan trọng của các thông số đối với đời sống thủy sinh.
Tại Việt Nam, trọng số chủ yếu đƣợc xác định theo phƣơng pháp Delphi. Ngoài ra, GS.TS. Phạm Ngọc Hồ (2012, [15]) còn đề xuất phƣơng pháp xác định
trọng số tính bằng lý thuyết và cơng thức TWQI phụ thuộc vào tỷ số tương đối giữa các nhóm thơng số vƣợt TCMT và tổng lƣợng ơ nhiễm chung.
1.3.5. Thang phân loại chất lượng nước
Trong nhiều nghiên cứu về WQI, cơ sở khoa học xây dựng thang phân loại WQI khơng đƣợc đề cập rõ ràng, ví dụ nhƣ trong nghiên cứu của Quỹ vệ sinh Môi trƣờng Mỹ khi đề xuất WQI-NFS, nghiên cứu của Trung tâm Quan trắc Môi trƣờng khi giúp cho Tổng cục Môi trƣờng đề xuất ra WQI cho Việt Nam (Trung tâm Quan
trắc Môi trường (2010)). Trong thực tế, có một số phƣơng pháp sau để xác định
thang phân loại chất lƣợng nƣớc:
- Trong một nghiên cứu về WQI của Nam Phi, thang phân loại WQI dựa vào đặc điểm thống kê toán học của các chỉ số phụ và WQI (South Africa Division of
Water, Environment and Forestry Technology (2000)).
- Trong nghiên cứu về WQI cho nƣớc cấp của Thái Lan và WQI của bang Oregon (Mỹ), thang phân loại WQI lại dựa vào chính hiện trạng và diễn biến chất lƣợng nƣớc thực tế (Chaiwat Prakirake, Pawinnee Chaiprasert and Sudarut
Tripetchekul (2009), Cude Curtis G. (2001)).
- Thang phân loại WQI của trong nghiên cứu của GS. TS. Phạm Ngọc Hồ (2012) lại dựa vào số lƣợng (n) các thơng số tính WQI (n ≥ 2).
- Trong một số nghiên cứu về WQI của Malayxia, Trung Quốc, Ấn Độ, bang Massachusetts-Mỹ…, thang phân loại dựa trên số lƣợng và mức độ ô nhiễm các thơng số tính WQI (Mei-Lin Wu và et al (2010); Md. Pauzi Abdullah et al. (2008);
Raman Bai. V, Reinier B., Mohan.S (2009), NeponsetRiver Watershed Association(2013).
Tóm lại, tổng quan tình hình nghiên cứu và ứng dụng WQI cho thấy WQI đƣợc sử dụng khá rộng rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới. Tại Việt Nam, Tổng cục Môi trƣờng cũng đã ban hành Sổ tay hƣớng dẫn tính tốn WQI. Tuy nhiên, các nghiên cứu về WQI trên thế giới và tại Việt Nam mới chỉ tập trung cho môi trƣờng nƣớc mặt.
Chƣơng 2 – ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
- Hoạt động khai thác than tại mỏ Mông Dƣơng - Chất lƣợng nƣớc sông Mông Dƣơng
2.2. Phạm vi nghiên cứu
- Phạm vi không gian:
Mỏ than Mông Dƣơng đƣợc khai thác tại hai khu vực khu vực trung tâm và khu Đông Bắc Mông Dƣơng. Tuy nhiên, do khu vực Đông Bắc Mông Dƣơng nằm cách xa khu trung tâm, sản lƣợng khai thác khơng q lớn và lại có vị trí ở phía hạ lƣu của sơng Mông Dƣơng, ngay sát cửa biển nên ít có tác động đên chất lƣợng nƣớc sơng Mơng Dƣơng. Vì vậy, trong đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu ảnh hƣởng của khu vực Trung tâm mỏ than Mông Dƣơng đến chất lƣợng nƣớc sông Mông Dƣơng.
- Phạm vi thời gian: Luận văn đƣợc thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 4 đến tháng 12 năm 2017.
+ Thu thập tài liệu, khảo sát ngoài thực địa để lựa chọn khu vực nghiên cứu, địa điểm lấy mẫu: tháng 4 và tháng 5;
+ Lấy mẫu và phân tích trong phịng thí nghiệm: từ tháng 5 đến đầu tháng 9 năm 2017;
+ Tổng hợp, xử lý số liệu, hoàn thành báo cáo từ tháng 10 – tháng 12/2017.
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu
- Thu thập số liệu thứ cấp: Thu thập thông tin từ các bài báo khoa học; Thu thập thông tin từ các đề tài tƣơng tự, các tài liệu, số liệu, bản đồ liên quan.
- Thu thập số liệu sơ cấp: Quan sát, chụp ảnh, thu thập các thông tin tại khu vực mỏ than Mông Dƣơng và dân cƣ xung quanh liên quan đến hoạt động sản xuất và hiện trạng ô nhiễm cũng nhƣ công nghệ sản xuất, hệ thống xử lý nƣớc thải hiện có của mỏ.
2.3.2. Phương pháp quan trắc và phân tích
Trong q trình nghiên cứu, tác giả có phối kết hợp cùng Phịng Mơi trƣờng – Cơng ty Cổ phần Tin học, Công nghệ, Môi trƣờng (thuộc Tập đồn Cơng nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam) trong việc lấy mẫu và phân tích một số chỉ tiêu tại 13 vị trí. Mỗi vị trí lấy mẫu này đƣợc lấy lặp lại ba lần trong ba ngày liên tiếp của mỗi đợt và phân tích hai lần lặp lại cho mỗi mẫu. Danh sách mơ tả các vị trí lấy mẫu phục vụ cho nghiên cứu đƣợc thể hiện trong bảng dƣới đây.
Bảng 2.1. Vị trí lấy mẫu
TT KH Mơ tả Tọa độ
1. MD1 Điểm hịa trộn hồn tồn giữa suối
H10 và sông Mông Dƣơng 21°3'45,86"N 107°20'7,05"E 2. MD2 Sông Mông Dƣơng cách MD1
khoảng 100m về phía hạ nguồn 21°3'47,62"N 107°20'9,86"E 3. MD3 Sông Mông Dƣơng cách MD1
khoảng 100m về phía thƣợng nguồn 21°3'44,46"N 107°20'3,62"E 4. MD4 Hạ nguồn suối H10 trƣớc khi đổ ra
sông Mông Dƣơng 21°3'45,43"N 107°20'7,03"E 5. MD5 Suối H10 phía dƣới chân cầu, phía
sau khu vực nhà sàng 21°3'38,96"N 107°20'7,32"E 6. MD6 Điểm hịa trộn hồn toàn của cống
thải từ trạm xử lý TT và suối H10 21
0
3'38,02"N 107020'8,74"E 7. MD7 Suối H10, cách MD6 khoảng 60m 21°3'37,50"N 107°20'10,80"E