Kiểm nghiệm và đánh giá chỉ số chất lượng nước WQI - Cải tiến được xây dựng phù hợp với các sông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên

Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. L. T. Quỳnh, Lê Trình, “Kiểm nghiệm và đánh giá trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên.” 128 KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC WQI - CẢI TIẾN ĐƯỢC XÂY DỰNG PHÙ HỢP VỚI CÁC SÔNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THÁI NGUYÊN Nguyễn Lê Tú Quỳnh1*, Lê Trình2 Tóm tắt: Nghiên cứu đã tiến hành kiểm nghiệm và đánh giá mức độ tối ưu của chỉ số chất lượng nước WQI - cải tiến được xây dựng phù hợp với các sông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên. Theo Ott W. R và Cục Bảo vệ môi trường Mỹ thì cần tập trung đánh giá theo 4 tiêu chí: tính ảo, tính che khuất, độ nhạy và khi thiếu số liệu quan trắc. Công thức WQI - cải tiến được đánh giá tính ảo, tính che khuất, kiểm tra độ nhạy và xem xét trường hợp thiếu số liệu quan trắc đều cho kết quả phù hợp. Từ khóa: Chỉ số chất lượng nước, Thái Nguyên. 1. MỞ ĐẦU Hiện nay, có nhiều cách xây dựng hàm số tổng hợp để xác định công thức tổng quát của Chỉ số chất lượng nước (Water Quality Index - WQI). Công thức tổng quát WQI là các hàm số tổng hợp có thể dưới dạng tổng, dạng tích, dạng ghép, dạng min, max... Công thức tổng quát của WQI được tính từ giá trị chỉ số phụ và trọng số của các điểm quan trắc. Để đánh giá ưu nhược điểm của từng WQI, theo Ott [1]. (1978) đưa ra 21 tiêu chí, trong khi đó Cục Bảo vệ môi trường Mỹ (US EPA) [2] đã tổng hợp với 15 tiêu chí để đánh giá WQI. Tuy nhiên, các nghiên cứu thường tập trung đánh giá và kiểm nghiệm với 4 tiêu chí sau: (1) tính ảo; (2) tính che khuất; (3) xem xét độ nhạy; và (4) tính toán trong trường hợp thiếu số liệu. Trong nghiên cứu "Xây dựng chỉ số chất lượng nước trong phân vùng chất lượng nước sông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên", Nguyễn Lê Tú Quỳnh đã xây dựng WQI - cải tiến phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội tỉnh Thái Nguyên. Ngoài ra, WQI - cải tiến cũng được xây dựng dựa vào hiện trạng chất lượng nước sông Cầu - Công trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên và ý kiến các chuyên gia. Để đánh giá mức độ tối ưu của WQI - cải tiến, cần thiết phải đánh giá theo 4 tiêu chí đã nêu trên. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Mô hình WQI - cải tiến sẽ tiến hành kiểm nghiệm và đánh giá mô tả như sau: - Các thông số tính toán và trọng số: pH (0,12), TSS (0,09), DO (0,15), BOD5 (0,17), Dầu mỡ (0,08), T.Coliform (0,09), COD (0,14), NO3- (0,08), PO4 3- (0,08) và Nhóm các thông số độc tính cao (1). - Công thức hàm tổng hợp: + Dạng tổng và có tính đến trọng số đóng góp: WQIA - cải tiến = kn đh wiqi q        1 . 100 (1) + Dạng tích và có tính đến trọng số đóng góp: WQIM - cải tiến = kn wiđh qi q        1100 (2) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 129 Trong đó: - qi: chỉ số phụ của thông số I; - qđh: chỉ số phụ của nhóm các thông số độc hại; - wi: trọng số của thông số I; - n: số lượng các thông số tính; - k: hệ số mũ, trong đó:   n jw k 1 1 (3) với: - j: thông số thiếu số liệu; - wj: trọng số của thông số thiếu số liệu - Giá trị của các thông số được thay đổi các bước nhảy theo giới hạn của QCVN 08:2008/BTNMT và chia thành 61 trường hợp (từ 1 - 61). 3. KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN 3.1. Xem xét tính che khuất và tính ảo của mô hình WQI - cải tiến Các trường hợp tính toán như sau: - Trường hợp từ 1 đến 6: Nồng độ các thông số thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. - Trường hợp từ 7 đến 11: Nồng độ chỉ số BOD5 (có trọng số lớn nhất) thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các thông số khác giữ nguyên đạt chuẩn A1. - Trường hợp từ 12 đến 16: Nồng độ chỉ số BOD5 giữ nguyên bằng chuẩn A1. Nồng độ thông số DO (có trọng số lớn thứ hai) thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các thông số khác giữ nguyên đạt chuẩn A1. - Trường hợp từ 17 đến 21: Nồng độ chỉ số BOD5 giữ nguyên bằng chuẩn A2. Nồng độ thông số DO thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1. - Trường hợp từ 22 đến 26: Nồng độ chỉ số BOD5 giữ nguyên bằng chuẩn B1. Nồng độ thông số DO hay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1. - Trường hợp từ 27 đến 31: Nồng độ chỉ số BOD5 giữ nguyên bằng chuẩn B2. Nồng độ thông số DO thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1. - Trường hợp từ 31 đến 36: Nồng độ chỉ số BOD5 giữ nguyên vượt chuẩn B2. Nồng độ thông số DO thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các thông số khác giữ nguyên đạt chuẩn A1. - Trường hợp từ 37 đến 41: Nhóm các thông số độc hại có chỉ số phụ (qđh) bằng chuẩn A1. Nồng độ chỉ số BOD5 thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1. - Trường hợp từ 42 đến 46: Nhóm các thông số độc hại có qđh bằng chuẩn A2. Nồng độ chỉ số BOD5 thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1. - Trường hợp từ 47 đến 51: Nhóm các thông số độc hại có qđh bằng chuẩn B1. Nồng độ chỉ số BOD5 thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1. Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. L. T. Quỳnh, Lê Trình, “Kiểm nghiệm và đánh giá trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên.” 130 - Trường hợp từ 52 đến 56: Nhóm các thông số độc hại có qđh bằng chuẩn B2. Nồng độ chỉ số BOD5 thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1. - Trường hợp từ 57 đến 61: Nhóm các thông số độc hại có qđh vượt chuẩn B2. Nồng độ chỉ số BOD5 thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1. Kết quả trong bảng 1, cho thấy: Bảng 1. Kết quả tính theo mô hình WQI cải tiến với bộ số liệu thử nghiệm. T T Kết quả tính WQI TT Kết quả tính WQI Dạng tổng (1) Dạng tích (2) Dạng tổng (1) Dạng tích (2) Điểm số Phân loại Điểm số Phân loại Điểm số Phân loại Điểm số Phân loại 1 100,0 I 100,0 I 31 73,7 II 53,8 III 2 75,8 II 74,9 II 32 78,9 II 48,8 IV 3 52,6 III 51,6 III 33 77,1 II 47,5 IV 4 26,2 IV 25,7 IV 34 75,4 II 45,9 IV 5 8,8 V 8,4 V 35 72,0 II 41,6 IV 6 0,0 V 0,0 V 36 69,4 III 34,5 IV 7 98,2 I 98,2 I 37 89,4 II 89,3 II 8 97,1 I 96,9 I 38 88,4 II 88,1 II 9 92,3 I 90,3 I 39 84,0 II 82,1 II 10 87,6 II 80,1 II 40 79,7 II 72,9 II 11 83,3 II 51,4 III 41 75,8 II 46,8 IV 12 93,8 I 93,1 I 42 69,7 III 69,7 III 13 92,0 I 90,6 I 43 68,9 III 68,8 III 14 90,3 I 87,7 II 44 65,5 III 64,1 III 15 86,9 II 79,3 II 45 62,2 III 56,9 III 16 84,3 II 65,9 III 46 59,2 III 36,5 IV 17 92,6 I 91,8 I 47 50,1 IV 50,1 IV 18 90,9 I 89,4 II 48 49,5 IV 49,4 IV 19 89,2 II 86,5 II 49 47,1 IV 46,0 IV 20 85,7 II 78,3 II 50 44,7 IV 40,9 IV 21 83,1 II 65,0 III 51 42,5 IV 26,2 IV 22 87,8 II 85,6 II 52 25,5 V 25,5 V 23 86,1 II 83,3 II 53 25,2 V 25,2 V 24 84,4 II 80,6 II 54 24,0 V 23,5 V 25 80,9 II 72,9 II 55 22,8 V 20,8 V 26 78,4 II 60,6 III 56 21,7 V 13,4 V 27 83,1 II 76,0 II 57 0,0 V 0,0 V 28 81,4 II 74,0 II 58 0,0 V 0,0 V 29 79,7 II 71,6 II 59 0,0 V 0,0 V 30 76,2 II 64,8 II 60 0,0 V 0,0 V 61 0,0 V 0,0 V Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 131 Kết quả đánh giá tính ảo và tính che khuất với các trường hợp giả định được xác định như sau. - Dạng tổng luôn cho giá trị WQI cao hơn dạng tích. - Tính che khuất ở dạng tổng thể hiện rõ ở các chuỗi số liệu 11, 16, 21, 26 và từ 31 đến 36. Ví dụ: ở chuỗi số liệu 11, một thông số có giá trị qi thấp (qBOD = 2) nhưng kết quả WQI dạng tổng là 83,3. Như vậy là chưa hợp lý. Trong khi đó, dạng tích là 51,4 cho kết quả phù hợp hơn. Cũng tương tự như vậy ở chuỗi số liệu 31, 36. Khi hai thông số có giá trị qi thấp nhưng giá trị WQI dạng tổng lại khá cao. Đối với chuỗi số liệu từ 37 đến 56, khi qđh thay đổi theo các thang xác định, thông số BOD thay đổi thì dạng tích luôn cho giá trị WQI phù hợp, còn dạng tổng có giá trị WQI chưa phù hợp. Điều này cũng phù hợp với các nghiên cứu của Ott. [1,2]. Cũng theo nghiên cứu này, dạng tích có thể xảy ra tính che khuất khi trọng số quá nhỏ. Điều này không xảy ra với nghiên cứu WQI cải tiến do trọng số thấp nhất là 0,08. - Tính ảo xảy ra khi điểm số của từng thông số chấp nhận được nhưng chỉ số tổng quát lại cho kết quả ngược lại. Với các chuỗi số liệu từ 2 đến 6 tính ảo không xảy ra đối với dạng tổng và dạng tích. Điều này phù hợp với nghiên cứu của Ott. [1,3], tính ảo không xảy ra đối với phương pháp tổng hợp dạng tổng và dạng tích. Qua kết quả tính toán và phân tích như trên, có thể kết luận rằng, dạng tích không có tính ảo và tính che khuất ; dạng tổng không có tính ảo nhưng tính che khuất xảy ra đối với một số trường hợp nên nhiều khi không phản ánh đúng mức độ ô nhiễm của các thông số tính WQI. 3.2. Xem xét độ nhạy của mô hình WQI - cải tiến Một trong những tiêu chí cần quan tâm trong công thức tính WQI là phải có độ nhạy lớn, nghĩa là có sự thay đổi rõ rệt khi chỉ số phụ qi thay đổi ở khoảng nhỏ [1,2]. Việc đánh giá độ nhạy của mô hình WQI - cải tiến được kiểm tra với cả hai công thức dạng tổng (1) và dạng tích (2). Việc kiểm tra dựa trên sự thay đổi chỉ số phụ qi, trong đó: chỉ số phụ của các thông số có trọng số lớn nhất (BOD5) và trọng số nhỏ nhất (đại diện là dầu mỡ) thay đổi từ 10 đến 100, trong khi đó chỉ số phụ của các thông số khác (trừ nhóm các chất độc hại) giữ nguyên ở các giá trị 10 - 51 - 100, riêng chỉ số phụ của nhóm các chất độc hại thay đổi ở các giá trị 26 - 51 - 100. Để kiểm tra độ nhạy của qđh, kiểm tra với q của các thông số khác cùng thay đổi ở các giá trị 10 - 51 - 100 còn qđh thay đổi ở các bước 0 - 26 - 51 - 91 - 100. Kết quả đánh giá độ nhạy của mô hình WQI - cải tiến được trình bày trên Hình 1, cho thấy: - Dạng tích luôn có độ nhạy cao hơn dạng tổng. - Trọng số của chỉ số phụ ảnh hưởng lớn đến độ nhạy của WQI. Thông số có trọng số càng cao sẽ làm cho độ nhạy của phương pháp thay đổi càng lớn. - Với cùng bước nhảy của chỉ số phụ, độ nhạy của thông số có trọng số lớn luôn cao hơn thông số có trọng số nhỏ, điều này thể hiện ở so sánh giữa các Hình 1.a - 1.d, 1.b - 1.đ và 1.c - 1.e. - Riêng với nhóm thông số về các chất ô nhiễm có độc tính cao, khi thay đổi giá trị chỉ số phụ thì dạng tổng và dạng tích có độ nhạy như nhau và có độ nhạy rất lớn. Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. L. T. Quỳnh, Lê Trình, “Kiểm nghiệm và đánh giá trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên.” 132 (a)- qBOD5 (trọng số lớn nhất) từ 10 đến 100, giữ nguyên các chỉ số phụ còn lại tại 10. (b)- qBOD5 (trọng số lớn nhất) từ 10 đến 100, giữ nguyên các chỉ số phụ còn lại tại 51. (c)- qBOD5 (trọng số lớn nhất) từ 10 đến 100, giữ nguyên các chỉ số phụ còn lại tại 51. (d)- qdầu mỡ (trọng số nhỏ nhất) từ 10 đến 100, giữ nguyên các chỉ số phụ còn lại tại 10. (đ)- (d)- qdầu mỡ (trọng số nhỏ nhất) từ 10 đến 100, giữ nguyên các chỉ số phụ còn lại tại 51. (g)- qdầu mỡ (trọng số nhỏ nhất) từ 10 đến 100, giữ nguyên các chỉ số phụ còn lại tại 100. (g)- thay đổi qđộc hại từ 0 đến 100, giữ nguyên các chỉ số phụ còn lại tại các bước 0 - 51 – 100. Hình 1. Kiểm tra độ nhạy mô hình WQI - cải tiến. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 133 3.3. Xem xét trường hợp thiếu số liệu quan trắc của mô hình WQI cải tiến Trong công thức (1) và (2), nếu không có hệ số k (công thức 3) sẽ ký hiệu dạng tổng (1.a) và dạng tích (2.a), mô hình WQI cải tiến sẽ không cho kết quả phân loại chất lượng nước đúng với thực tế do những nguyên nhân sau: - Do thiếu trọng số của thông số bị khuyết nên tổng trọng số không bằng 1. - Thiếu qi của thông số bị khuyết. Kiểm tra đánh giá khi thiếu số liệu tiến hành như sau: - Trước hết việc áp dụng công thức như sau: - Trường hợp thiếu số liệu chỉ áp dụng đối với 9 thông số (pH, TSS, DO, BOD5, Dầu mỡ, T.coliform, COD, NO3 -, PO4 3-). - Đối với nhóm thông số độc hại do không có trọng số nên nếu thiếu hoàn toàn các thông số thuộc nhóm này thì công thức tính WQI sẽ bỏ phần nhóm các thông số độc hại đi và chỉ còn dạng tổng và tích. Lúc đó, kết quả WQI thiếu số liệu nhóm độc hại sẽ không ảnh hưởng đến WQI của 9 thông số còn lại. Do vậy, không cần xem xét đến trường hợp này. - Các trường hợp kiểm tra thiếu số liệu như sau: + Trường hợp 1: đủ số liệu với qi của tất cả các thông số bằng 100. + Trường hợp 2: thiếu số liệu BOD (có trọng số lớn nhất), các thông số còn lại qi bằng 100. + Trường hợp 3: thiếu số liệu DO (có trọng số lớn thứ hai), các thông số còn lại qi bằng 100. + Trường hợp 4: thiếu số liệu dầu mỡ (có trọng số nhỏ nhất), các thông số còn lại qi bằng 100. + Trường hợp 5: thiếu số liệu BOD và DO, các thông số còn lại qi bằng 100. + Trường hợp 6: thiếu số liệu BOD và dầu mỡ, các thông số còn lại qi bằng 100. Kết quả kiểm nghiệm được trình bày trong Bảng 3. Bảng 3. Giá trị WQI trong trường hợp đủ số liệu và thiếu số liệu. Các trường hợp về số liệu Đủ số liệu Thiếu số liệu BOD5 Thiếu số liệu DO Thiếu số liệu Dầu mỡ Thiếu số liệu BOD5 và DO Thiếu số liệu BOD5 và Dầu mỡ BOD5 100 - 100 100 - - DO 100 100 - 100 - 100 COD 100 100 100 100 100 100 pH 100 100 100 100 100 100 TSS 100 100 100 100 100 100 Coliform 100 100 100 100 100 100 NO3 - 100 100 100 100 100 100 PO4 3- 100 100 100 100 100 100 Dầu mỡ 100 100 100 - 100 - Chất độc hại 100 100 100 100 100 100 Công thức 1.a 100 83,0 85,0 92,0 68,0 75,0 2.a 100 45,7 50,1 69,2 22,9 31,6 Công thức 1 100 100 100 100 100 100 2 100 100 100 100 100 100 Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. L. T. Quỳnh, Lê Trình, “Kiểm nghiệm và đánh giá trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên.” 134 Kết quả đánh giá trong trường hợp thiếu số liệu của mô hình WQI cải tiến trình bày trong Bảng 3 cho thấy: - Trường hợp 1: kết quả WQI là 100. Điều này là hợp lý. - Trường hợp từ 2 đến 4: thiếu 1 số liệu, tất cả các qi của các thông số còn lại bằng 100 mà WQI lại nhỏ hơn 100. Điều này chưa hợp lý. Cũng có thể nhận thấy dạng tổng điểm số cao hơn dạng tích. Điều này chứng tỏ dạng tích luôn có tính khắt khe hơn dạng tổng. Và thiếu thông số có trọng số cao thì WQI có giá trị thấp và ngược lại. Nếu không có trọng số thì dù thiếu thông số nào đều cho WQI như nhau. Như vậy, trọng số thể hiện tầm quan trọng của thông số đó trong tính toán WQI. - Trường hợp 5 và 6: thiếu 2 thông số. Kết quả WQI nhỏ hơn 100. Điều này cũng không hợp lý. Số liệu tính toán cho kết quả tương tự như trường hợp từ 2 đến 4. Qua thử nghiệm cho thấy, điều này xảy ra tương tự trong các trường hợp với qi < 100. Để khắc phục hạn chế nên hệ số k (công thức 3) đã đưa vào công thức (1) và (2). Kết quả tính WQI bằng công thức (1) và (2) với các trường hợp đủ số liệu và thiếu số liệu tính toán trong Bảng 3 cho thấy kết quả khá hợp lý. Kết quả tính cuối cùng không bị ảnh hưởng bởi số liệu bị thiếu. Công thức đúng với cả trường hợp thiếu 1 hoặc 2 số liệu. Như vậy, trong trường hợp đủ số liệu tính toán như trong Bảng 3 thì giá trị k (công thức 3) sẽ bằng 1. 4. KẾT LUẬN Qua kiểm nghiệm WQI - cải tiến với bộ số liệu thử nghiệm có thể đánh giá như sau: 1. Dạng tổng luôn có giá trị cao hơn dạng tích. Dạng tích không có tính ảo và tính che khuất ; dạng tổng không có tính ảo nhưng tính che khuất xảy ra đối với một số trường hợp nên nhiều khi không phản ánh đúng mức độ ô nhiễm của các thông số tính WQI. 2. Dạng tích có độ nhạy cao hơn dạng tổng. Mô hình WQI-cải tiến có độ nhạy cao do trọng số của các thông số không nhỏ. 3. Trong trường hợp thiếu số liệu tính toán, công thức WQI-cải tiến tổng quát dạng tổng và dạng tích đều cho kết quả phù hợp. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Center for Environmental Quality Environmental Engineering and Earth Sciences, “Calculating NSF Water Quality Index”, United States of America, 2007. [2]. US Environmental Protection Agency, “Water Quality Indices: A survey of indices used in the United States”, 1978. [3]. Ott W. R., “Environmental indices theory and practice”, 1978. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 135 ABSTRACT TESTING AND EVALUATION OF WATER QUALITY INDEX (WQI - IMPROVED) BUILT IN ACCORDANCE WITH THE RIVER IN THAI NGUYEN PROVINCE The study presents testing and evaluating the optimal level of water quality index WQI - improvements are built in accordance with the river in Thai Nguyen province. According to Ott W. R and the US Environmental Protection Agency, the need to focus evaluated in 4 criteria: ambiguity, eclipsing, the sensitivity and the lack of monitoring data. Formula WQI - improvements are assessed of ambiguity, eclipsing, sensitivity analysis and considering the absence of monitoring data, all results may be acceptable. Keywords: Water Quality Index, Thai Nguyen province. Nhận bài ngày 06 tháng 01 năm 2015 Hoàn thiện ngày 27 tháng 06 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 17 tháng 08 năm 2016 §Þa chØ: 1ViÖn C«ng nghÖ míi, ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ qu©n sù; 2ViÖn Khoa häc m«i tr­êng vµ Ph¸t triÓn (VESDEC); *Email: nguyenletuquynh@yahoo.com