CHƯƠNG 2 : TÀI LIỆU TÍNH TỐN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨU
2.3. Phương phỏp nghiờn cứu
2.3.5. Phương phỏp tớnh toỏn chỉ số chất lượng nước dưới đất bằng trọng số Entropy
(EWQI)
2.3.5.1. Phương phỏp tớnh toỏn trọng số Entropy
Trong phương phỏp tớnh toỏn chỉ số chất lượng nước WQI, việc lựa chọn trọng số của từng thụng số thường được đưa ra bởi ý kiến cỏ nhõn của chuyờn gia đỏnh giỏ dựa trờn kinh nghiệm thực tế. Việc này cú thể làm tăng tớnh chủ quan vào quỏ trỡnh tớnh toỏn,
đỏnh giỏ, cú thể dẫn đến sai lệch kết quả do trọng số tỡm được phụ thuộc lớn vào mức độ chuyờn mụn của chuyờn gia và đồng thời cú nhiều dữ liệu cú giỏ trị cú nguy cơ bị loại bỏ (Amiri et al., 2014).
Trọng số Entropy của từng thụng số được tớnh toỏn dựa trờn mức độ hiệu quả của cỏc thụng tin được cung cấp từ nguồn dữ liệu, thụng qua việc xỏc định mức độ biến thiờn cỏc giỏ trị của thụng số, vỡ vậy phương phỏp này thể hiện rừ tớnh khỏch quan trong việc chọn trọng số của từng thụng số.
Do đú trong nghiờn cứu này sẽ tớnh toỏn chỉ số WQI bằng trọng số Entropy thường được gọi là EWQI thay cho phương phỏp đỏnh giỏ trọng số của chuyờn gia để gia tăng mức độ khỏch quan và độ tin cậy của kết quả.
- Tớnh trọng số entropy được tớnh theo (Pei-Yue, Hui, & Jian-Hua, 2010): + Giả sử cú m mẫu nước được lấy để đỏnh giỏ chất lượng nước (i = 1, 2,… , m).
Mỗi mẫu cú n tham số ước tớnh (j = 1, 2,… , n). Theo dữ liệu quan sỏt, ma trận eigenvalue X cú thể được xõy dựng:
𝑋 = [ 𝑥11 𝑥12 . 𝑥1𝑛 𝑥21 . 𝑥𝑚1 𝑥22 . 𝑥𝑚2 . 𝑥2𝑛 . . . 𝑥𝑚𝑛 ] (2.1)
+ Tiền xử lý dữ liệu được ỏp dụng để loại bỏ tỏc động của cỏc đơn vị khỏc nhau của cỏc chỉ số đặc trưng và cỏc loại chất lượng khỏc nhau.
+ Theo phõn bổ của mọi chỉ số, cỏc chỉ cú thể được chia thành bốn loại: loại hiệu suất, loại giỏ trị, loại cố định và loại khoảng.
- Đối với loại hiệu quả, cụng thức xõy dựng chuẩn húa là:
𝑌𝑖𝑗 = 𝑥𝑖𝑗 − (𝑥𝑖𝑗)𝑚𝑖𝑛
(𝑥𝑖𝑗)𝑚𝑎𝑥 − (𝑥𝑖𝑗)𝑚𝑖𝑛 (2.2)
- Đối với loại giỏ trị, cụng thức xõy dựng chuẩn húa là:
𝑌𝑖𝑗 = (𝑥𝑖𝑗)𝑚𝑎𝑥 − 𝑥𝑖𝑗
(𝑥𝑖𝑗)𝑚𝑎𝑥 − (𝑥𝑖𝑗)𝑚𝑖𝑛 (2.3)
+ Sau khi biến đổi, ta thu được ma trận tiờu chuẩn Y:
𝑌 = [ 𝑦11 𝑦12 . 𝑦1𝑛 𝑦21 . 𝑦𝑚1 𝑦22 . 𝑦𝑚2 . 𝑦2𝑛 . . . 𝑦𝑚𝑛 ] (2.4)
𝑃𝑖𝑗 = 𝑦𝑖𝑗/ ∑ 𝑦𝑖𝑗
𝑚
𝑗=1
(2.5) + Chỉ số Entropy thụng tin được thể hiện bằng cụng thức dưới đõy:
𝑒𝑗 = − 1
ln (𝑚)∑ 𝑃𝑖𝑗. ln (𝑃𝑖𝑗)
𝑚
𝑖=1
(2.6) Giỏ trị của chỉ số ej càng nhỏ thỡ ảnh hưởng của chỉ số j càng lớn.
+ Cuối cựng, trọng số entropy cú thể được tớnh theo cụng thức dưới đõy:
𝜔𝑗 = 1 − 𝑒𝑗
∑𝑛𝑗=1(1 − 𝑒𝑗) (2.7)
Trong cụng thức trờn, ωj được định nghĩa là trọng số entropy của tham số j.
2.3.5.2. Phương phỏp tớnh toỏn chỉ số chất lượng nước EWQI
Phương phỏp tớnh chỉ số WQI cho nước dưới đất được tớnh theo (Singh & Hussian, 2016) gồm 5 bước chớnh sau:
Bước 1: Tớnh trọng số tương quan (Wi):
Theo (Vasanthavigar et al., 2010) và nghiờn cứu của nhiều tỏc giả, mỗi thụng số sẽ được gỏn theo một trọng số wi tuỳ thuộc vào mức độ quan trọng, mức độ ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người khi thụng số đú cú mặt trong nước dưới đất.
Trọng số này cú giỏ trị từ 1 đến 5.
Trọng số tương quan được tớnh theo cụng thức sau: Wi= wi
∑i=1wi n
(2.8)
Wi: là trọng số tương đối của thụng sụ i.
wi: trọng số theo tầm quan trọng tương đối của nú trong tổng chất lượng nước cho
từng mục đớch cụ thể.
Trong đồ ỏn này trọng số được sử dụng là trọng số Entropy. Bước 2: Tớnh thang đo chất lượng (qi):
qi=Ci
Siì100 (2.9)
Ci là nồng độ của từng thụng số húa học trong mỗi mẫu nước.
Si là cỏc thụng số tiờu chuẩn cú trong Quy Chuẩn Kỹ Thuật Quốc Gia Về Chất lượng nước dưới đất (QCVN 09-MT: 2015/BTNMT).
Phương trỡnh trờn đảm bảo rằng nếu thụng số j hồn tồn khụng cú trong nước thỡ qi = 0 và khi lượng thụng số này bằng giỏ trị cho phộp của nú, thỡ qi = 100.
Bước 3: Tớnh WQI cho từng thụng số (SIi):
WQI sơ bộ cho từng thụng số được xỏc định bằng cỏch lấy Trọng số Entropy nhõn với Thang đo chất lượng.
SIi=Wiìqi (2.10)
SIi: là chỉ số đại diện cho thụng số thứ i.
Bước 4: Tớnh WQI tổng: GWQI=∑SIi=∑(Wiìqi) =∑ [( wi ∑i=1wi n )ì(Ci Siì100)] (2.11)
Bước 5: So sỏnh chỉ số chất lượng nước dưới đất đĩ được tớnh toỏn với bảng đỏnh giỏ sau:
Đối với EWQI, nước ngầm được phõn thành năm cấp, từ chất lượng nước rất tốt, đến chất lượng nước rất kộm. Cỏc tiờu chuẩn phõn loại được liệt kờ trong Bảng 2.3 được tham khảo từ cỏc bài bỏo quốc tế, do Việt Nam hiện nay đang cũn cỏc nghiờn cứu chưa cụ thể về bảng tiờu chuẩn phõn loại chất lượng.
Sau khi tớnh toỏn được EWQI, sử dụng bảng xỏc định giỏ trị EWQI tương ứng với mức đỏnh giỏ chất lượng nước để so sỏnh, đỏnh giỏ, cụ thể như sau:
Bảng 2.3 Phõn loại chất lượng nước dưới đất theo giỏ trị EWQI
Phạm vi Phõn loại chất lượng nước
< 50 Chất lượng nước rất tốt
50 - 100 Chất lượng nước tốt
100 - 150 Chất lượng nước trung bỡnh
150 - 200 Chất lượng nước kộm
>200 Chất lượng nước rất kộm
Nguồn:(Jianhua, Peiyue, & Hui, 2011) 2.3.6. Kỹ thuật GIS
GIS bao gồm cỏc phần cơ bản: phần cứng, phần mềm, và cỏc chuỗi cú liờn quan nhằm phục vụ cho việc nhập cơ sở dữ liệu, tiến trỡnh, phõn tớch và biểu diễn cỏc số liệu khụng gian.
Hiện nay, việc ứng dụng GIS trong thực tế ngày càng được phổ biến, hỗ trợ rất lớn trong việc quản lý nhà nước, đa quy mụ, đa ngành, và đa tỷ lệ.
GIS cú những chức năng cơ bản như sau:
- Thu thập dữ liệu: dữ liệu được sử dụng trong GIS đến từ nhiều nguồn khỏc nhau, cú nhiều dạng và được lưu trữ theo nhiều cỏch khỏc nhau. GIS cung cấp cụng cụ để tớch hợp dữ liệu thành một định dạng chung để so sỏnh và phõn tớch. Nguồn dữ liệu chớnh bao gồm số húa thủ cụng/quột ảnh hang khụng, bản đồ giấy và dữ liệu số cú sẵn. Ảnh vệ tinh và GPS cũng là nguồn dữ liệu đầu vào.
- Quản lý dữ liệu: Trong GIS, dữ liệu được sắp xếp theo cỏc lớp (layer), theo chủ đề, theo khụng gian (khu vực), theo thời gian (năm thỏng) và theo tầng cao và được lưu trữ ở cỏc thư mục một cỏch hệ thống. chức năng quản lý dữ liệu của GIS được thể hiện qua cỏc nội dụng sau: Lưu trữ dữ liệu trong CSDL GIS, khụi phục dữ liệu từ CSDL, tổ chức dữ liệu theo những dạng cấu trỳc dữ liệu thớch hợp, thực hiện cỏc chức năng lưu trữ và khụi phục trong cỏc thiết bị lưu trữ, truy nhập và cập nhật dữ liệu, GIS cú thể tỡm kiếm đối tượng thỏa mĩn những điều kiện cho trước một cỏch dễ dàng và chớnh xỏc.
- Xử lý và phõn tớch dữ liệu: Đõy là chức năng quan trọng nhất của GIS làm cho nú khỏc với cỏc hệ thống khỏc, cung cấp cỏc chức năng như nội suy khụng gian, tạo vựng đệm, chồng lớp.
- Kết xuất dữ liệu: Chức năng xuất dữ liệu hay cũn gọi là chức năng bỏo cỏo GIS cho phộp hiển thị, trỡnh bày kết quả phõn tớch, và mụ hỡnh húa khụng gian. Cỏc dữ liệu này cú thể ở dạng bản đồ, bảng thuộc tớnh, bỏo cỏo, biểu đồ … trờn màn hỡnh mỏy tớnh hoặc trờn cỏc vật liệu truyền thống khỏc ở cỏc tỷ lệ và chất lượng khỏc nhau tựy theo yờu cầu của người dựng. Cỏc dạng dữ liệu này phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống GIS, cỏc kỹ thuật, quy trỡnh xõy dựng và cỏc chuyờn gia GIS.
Ứng dụng GIS để hỗ trợ cụng tỏc thành lập bản đồ cỏc vựng bị ảnh hưởng bởi cỏc cụng trỡnh khai thỏc nước dưới đất, nhằm phục vụ quản lớ khai thỏc nước dưới đất một cỏch bền vững.
Ứng dụng GIS trong thành lập bản đồ chất lượng nước dưới đất
Ứng dụng chương trỡnh quản lớ khai thỏc nước dưới đất được phỏt triển trờn nền ArcGis được xõy dựng với cỏc chức năng chớnh như sau:
- Cho phộp hiển thị bản đồ địa hỡnh, địa chất thủy văn và cỏc bản đồ chuyờn đề - Thống kờ và tạo bỏo cỏo tự động về hoạt động khai thỏc theo địa bàn từng phường/quận
- Phõn tớch cỏc vựng bị ảnh hưởng bởi cỏc cụng trỡnh khai thỏc nước dưới đất - Cập nhật thụng tin phục vụ cụng tỏc quản lớ khai thỏc nước dưới đất:
Hỡnh 2.2 Sơ đồ thành lập phõn vựng khai thỏc nước dưới đất
Cỏc bước cơ bản ứng dụng GIS
Thu thập và xử lớ dữ liệu
Thành lập cỏc lớp bản đồ cần thiết
Chồng cỏc lớp bản đồ
- Bước 1: Thu thập bản đồ nền, tọa độ cỏc giếng trờn địa bàn thị xĩ Phỳ Mỹ, tỉnh Bà Rịa – Vũng tàu
- Bước 2: Thành lập cỏc lớp bản đồ cần thiết: lớp bản đồ giao thụng, lớp bản đồ dõn cư, lớp bản đồ thủy hệ, lớp bản đồ thực phủ, lớp bản đồ ranh giới, lớp bản đồ độ cao, lớp bản đồ vị trớ khai thỏc NDĐ.
- Bước 3: Dựng cụng cụ ArcTool Box trong ArcGis chồng cỏc lớp bản đồ vừa thành lập.
- Bước 4: Sử dụng phương phỏp nội suy IDW, đưa ra kết quả cần thiết.
Thuật toỏn nội suy trọng số khoảng cỏch nghịch đảo (IDW)
Là một trong những kỹ thuật phổ biến nhất để nội suy cỏc điểm phõn tỏn. Phương phỏp IDW xỏc định giỏ trị của cỏc điểm chưa biết bằng cỏch tớnh trung bỡnh trọng số khoảng cỏch cỏc giỏ trị của cỏc điểm đĩ biết giỏ trị trong vựng lõn cận của mỗi pixel. Những điểm càng xa điểm cần tớnh giỏ trị càng ớt ảnh hưởng đến giỏ trị tớnh toỏn, cỏc điểm càng gần thỡ trọng số càng lớn.
IDW là phương phỏp nội suy đơn giản nhất, là phương phỏp được sử dụng phổ biến nhất trong cỏc chức năng phõn tớch của GIS, phương phỏp nội suy định lượng khoảng cỏch ngược cho rằng mỗi điểm đầu vào cú những ảnh hưởng cục bộ làm rỳt ngắn khoảng cỏch. Phương phỏp này tỏc dụng vào những điểm ở gần điểm đang xột hơn so với những điểm ở xa. Số lượng cỏc điểm chi tiết, hoặc tất cả những điểm nằm trong vựng bỏn kớnh xỏc định cú thể được sử dụng để xỏc định giỏ trị đầu ra cho mỗi vị trớ.
Hỡnh 2.3. Phương thức nội suy theo trọng số khoảng cỏch nghịch đảo (IDW) Nguồn :(Mitas & Mitasova, 1999)
Phương phỏp nội suy trọng số khoảng cỏch nghịch đảo (IDW)
Trọng số của mỗi điểm được tớnh theo cụng thức sau:
1 1 1 1 1 . N n i o N n i Z d Z d (2.12) Trong đú:
Zo: giỏ trị ước tớnh của biến z tại điểm i Zi: giỏ trị mẫu tại điểm i.
d1: khoảng cỏch điểm mẫu để ước tớnh điểm.
n: hệ số xỏc định trọng lượng dựa trờn một khoảng cỏch. (Ziary & Safari, 2007)
Ưu điểm:
Sử dụng phương phỏp này, giỳp đơn giản bớt tớnh phức tạp của bản đồ dựa trờn mụ hỡnh khoảng cỏch.
Khi cú một tập hợp cỏc điểm dày đặc và phõn bố rộng khắp trờn bề mặt tớnh toỏn phương phỏp sẽ được thực hiện tối ưu.
IDW là phương phỏp nhanh chúng, đơn giản và dễ thực hiện.
Nhược điểm:
Sẽ khụng tạo ra cỏc giỏ trị ước tớnh đo bờn ngồi. Sử dụng cỏc rào cản
Ứng dụng phương phỏp nội suy IDW
Quy trỡnh thực hiện được minh họa bằng lưu đồ sau:
Hỡnh 2.4. Quy trỡnh ứng dụng GIS và phương phỏp nội suy IDW
Dữ liệu quan trắc Tọa độ điểm quan
trắc
Bản đồ nền
Xõy dựng cơ sở dữ liệu
Nội suy bằng thuật toỏn IDW
Phõn vựng chất lượng NDĐ
CHƯƠNG 3:
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN
3.1. Đỏnh giỏ diễn biến chất lượng nước dưới đất tầng chứa nước Pleistocen thị xĩ Phỳ Mỹ tỉnh BR-VT năm 2017; Phỳ Mỹ tỉnh BR-VT năm 2017;
Diễn biến chất lượng nước tầng Pleistocen tỉnh BR-VT vào mựa khụ và mựa mưa năm 2017 như sau:
3.1.1. Thụng số pH
Vào mựa khụ giỏ trị pH ở cỏc giếng quan trắc dao động từ 4,3 đến 6,55. Vào mựa mưa, giỏ trị pH dao động từ 5,8 đến 7,8. Cỏc giỏ trị pH tại cỏc giếng quan trắc vào mựa khụ phần lớn thấp hơn so với giỏ trị giới hạn cho phộp của QCVN 09- MT:2015/BTNMT, cũn vào mua mưa pH tất cả tại cỏc giếng quan trắc đều giỏ trị giới hạn cho phộp của QCVN 09-MT:2015/BTNMT. Cỏc giỏ trị pH vào mựa mưa cú xu hướng ổn định hơn và cao hơn pH vào mựa khụ tại tất cả cỏc điểm quan trắc. Nguyờn nhõn cú thể là do vào mựa mưa một lượng nước lớn được bổ cập vào nguồn nước dưới đất giỳp pha lng cũng như làm trung hồ giỏ trị pH trờn tồn bộ khu vực nghiờn cứu.
Hỡnh 3.1. Biểu đồ diễn biến giỏ trị pH tầng Pleistocen TX Phỳ Mỹ năm 2017 3.1.2. Tổng độ cứng (TH) 3.1.2. Tổng độ cứng (TH)
Một trong nhưng đặc trưng của nước dưới đất đú chớnh là độ cứng. Nguyờn nhõn là do nước dưới đất chứa hàm lượng kim loại kiềm thổ tương đối cao, phổ biến nhất trong nhất trong đú là ion Ca2+ và Mg2+. Vào mựa khụ, giỏ trị độ cứng dao động từ 0 đến 360 mg/l. Vào mựa mưa, giỏ trị độ cứng dao động từ 0 đến 234 mg/l. Độ cứng quan trắc được tại tất cả cỏc giếng quan trắc trong khu vực nghiờn cứu đều thấp hơn nhiều so với
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 pH Tờn giếng quan trắc
giỏ trị giới hạn cho phộp của QCVN 09-MT:2015/BTNMT vào cả mựa mưa và mựa khụ.
Hỡnh 3.2. Biểu đồ diễn biến giỏ trị độ cứng tầng Pleistocen TX Phỳ Mỹ năm 2017 3.1.3. Tổng chất rắn hũa tan (TDS) 3.1.3. Tổng chất rắn hũa tan (TDS)
TDS là chỉ số đo tổng lượng chất rắn hồ tan, tổng số cỏc ion mang điện tớch bao gồm khoỏng chất, muối hoặc kim loại tồn tại trong trong nước dưới đất. Vào mựa khụ, giỏ trị TDS dao động từ 11 đến 852 mg/l . Vào mựa mưa, giỏ trị tổng chất rắn hũa tan từ 10 đến 724 mg/l. Giỏ trị thụng số TDS quan trắc được tại phần lớn cỏc giếng quan trắc trong khu vực nghiờn cứu đều thấp hơn nhiều so với giỏ trị giới hạn cho phộp của QCVN 09-MT:2015/BTNMT vào mựa mưa và mựa khụ.
Hỡnh 3.3. Biểu đồ diễn biến giỏ trị TDS tầng Pleistocen TX Phỳ Mỹ năm 2017
0 100 200 300 400 500 600 Nồ ng đ ộ (m g/l) Tờn giếng quan trắc
Mựa khụ Mựa mưa QCVN 09-MT:2015/BTNMT
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Nồ ng đ ộ (m g/l) Tờn giếng quan trắc
3.1.4. Thụng số Sulfate (SO42-)
Ở cỏc khu vực gần biển, hàm lượng Sulfate thường khỏ cao, trong số cỏc anion chỉ đứng sau Clorua, nhưng trong nước dưới đất ở khu vực nghiờn cứu ion Sulfate lại khụng phải là ion phổ biến như ion Clorua và ion Cacbonat. Từ số liệu quan trắc tại cỏc giếng trờn địa bàn thị xĩ Phỳ Mỹ, tỉnh BR – VT cho thấy giỏ trị SO42- thấp hơn rất nhiều so với giới hạn của QCVN về nước dưới đất. Giỏ trị tại SO42- cỏc giếng vào mựa khụ dao động trong khoảng 0 ữ 90 mg/l, mựa mưa dao động trong khoảng 0 ữ 120 mg/l.
Hỡnh 3.4. Biểu đồ diễn biến giỏ trị Sulfate (SO42-) tầng Pleistocen TX Phỳ Mỹ năm 2017
3.1.5. Thụng số Clorua (Cl-)
Clorua là một ion tồn tại phổ biến trong nước dưới đất nhưng hàm lượng cú thể từ vài mg/l đến hàng ngàn mg/l. Hàm lượng Clo trong nước biển rất lớn (khoảng 19.000 mg/l) nờn nước dưới đất cú hàm lượng Clo cao thường là cú sự xõm nhập của nước biển hoặc là cú liờn quan tới trầm tớch biển. Với ngưỡng giỏ trị tới hạn theo QCVN 09 MT:2015/BTNMT là 250 mg/l, giỏ trị Cl- của cỏc giếng quan trắc ở khu vực mựa khụ