TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 97
ĐIỀU CHỈNH CÔNG THỨC CHỈ SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG
NƯỚC MẶT
IMPROVED THE FORMULA OF WATER QUALITY ASSESSMENT INDEX FOR
WATER SURFACE
TS. Bùi Việt Hưng, KS. Lê Xuân Anh
Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên –
Tp. Hồ Chí Minh
TÓM TẮT
Chỉ số chất lượng nước WQI được áp dụng rộng rãi cho đánh giá chất lượng nước
(CLN) theo Quyết định số 879/QĐ-TCMT của Bộ Tài nguyên Môi trường tại hầu hết
các tỉnh thành. Trong quá trình áp dụng đánh giá CLN tại nhiều địa phương bộc lộ
nhiều bất cập như không phản ánh đúng thực trạng chất lượng nguồn nước, không
phản ánh tính địa phương về kinh tế, xã hội và môi trường, và dễ bị sai lệch khi số
liệu đưa vào tính toán có giá trị cao đột biến,… Để giải quyết các vấn đề trên, bài
báo trình bày cách thiết lập chỉ số CLN dựa trên các thành phần chất lượng của chỉ
số WQI, cơ sở lý thuyết toán đánh giá toàn diện “mờ” với phương pháp xác định
trọng số Entropy. Với bộ số liệu CLN mặt sông Cái – tỉnh Ninh Thuận thu thập từ
năm 2010 đến 2017, các bước tính toán các hệ số và tỷ trọng của các thành phần
CLN mặt được xác định, qua đó thiết lập và kiểm nghiệm công thức chỉ số WQI mới.
ABSTRACT
Water quality index (WQI) are widely applied for the assessing water quality (WQ)
according to decision No. 879/QD-TCMT of the Minisstry of Natural Resource and
Environment in most of the provinces. The application duration of water quality
assessment in the provinces, it occurred the many problems such as the identifying
incorrectly on current status of local water quality, inaccording with local economic,
social and environmental conditions, and the incorrection easly when met certainly
high value of quality components,… For the solution of above problems, the paper
presents the steps to formulate the water quality index based on the current water
quality components of the old WQI formular, the fuzzy comprehensive evaluation
theory with the Entropy rate method. With the surface water quality data series of
Cai River – Ninh Thuan province from 2010 to 2017, the computation steps of
cofficients and rates of the assessing water quality components are identified,
throught, the new assessment water quality formular is formulated and tested.
1. TỔNG QUAN
Trong công tác quản lý chất lượng nguồn nước, đặc biệt là nguồn nước mặt, hầu
hết các báo cáo chất lượng môi trường nước của các tỉnh thành trên cả nước đều sử
dụng chỉ số WQI với cách thức tính toán theo hướng dẫn của Tổng cục Môi trường, Bộ
Tài nguyên và Môi trường trong quyết định số 879/QĐ-TCMT.
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
98 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
Qua thực tiễn thực hiện nhiều đơn vị quản lý đã nhận thấy việc áp dụng chỉ số
WQI cho tính toán gặp khá nhiều bất cập. Một trong số đó là chỉ số WQI phụ thuộc
nhiều vào số thành phần chất lượng và mức độ chính xác của đo đạc chúng như hiện
tượng cao biến, thiếu thông tin và nhiều thành phần không phản ánh đúng đặc điểm phát
triển kinh tế, xã hội và môi trường của địa phương. Bên cạnh đó, do chỉ số WQI dựa
vào số liệu đo đạc thô (đo đạc trực tiếp) quá lớn, chỉ số WQI thường bị thiên lệch hay
“dẫn dắt” bởi các giá trị thành phần có tính chất đột biến (quá lớn hay mang tính chủ
quan trong đo đạc).
Công thức tính toán chỉ số chất lượng nguồn nước theo chỉ số WQI (truyền thống)
theo quyết định số 879/QĐ-TCMT và các bước tính toán chỉ số được thể hiện theo hình
1. Công thức tính chỉ số chất lượng được áp dụng cho thành phần nước mặt và sử dụng
chung cho tất cả các địa phương trong cả nước. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho các
nhà quản lý trong việc tính toán và so sánh (cùng một cách tính). Tuy nhiên, cũng nhận
thấy khá rõ những yếu điểm của công thức tính chỉ số chất lượng nguồn nước mặt này
là không phản ánh được tính địa phương hay đặc điểm phát triển kinh tế (lĩnh vực kinh
tế) vùng miền.
Theo tác giả Chế Đình Lý (2013), việc đánh giá chất lượng nguồn nước theo WQI
cũng như sử dụng bộ QCVN 08:2015 vẫn còn đơn giản và chỉ mang tính thời điểm
(theo thời điểm đo đạc và vị trí quan trắc). Cách phân tích và đánh giá chất lượng nguồn
nước như vậy được thực hiện thông qua việc rời rạc hóa các thông số chất lượng. Điều
này có thể đưa đến việc kết quả đánh giá không phù hợp hoặc không chính xác khi một
số/nhóm thông số chất lượng gần/có xu hướng rời xa giới hạn hay mức độ quan trọng
của chúng là ngang nhau trong đánh giá chất lượng (tính không nhất quán và nặng tính
“chủ quan” trong sử dụng số liệu). Cũng theo tác giả Chế Đình Lý (2013), cách tính chỉ
số WQI dựa trên phương pháp luận không hợp lý và không chắc chắn khi kết luận bậc
chất lượng vì chỉ dùng một chỉ số định lượng cố định làm điểm phân chia.
Hình 1. Sơ đồ tính WQI truyền thống cho từng điểm đo và thời điểm đo
Xem xét khía cạnh về công thức tính toán chất lượng nước, các thành phần chất
lượng trong công thức được chia thành ba nhóm chính là nhóm thành phần hữu cơ, nhóm
thành phần vật lý và nhóm sinh hoá. Các nhóm này đều được đánh giá vai trò định chất
lượng là ngang nhau thông qua tỷ số mũ đều là 1/3. Trong từng nhóm, các thành phần
Điểm đo
Thông số/thành phần CLN
Đo đạc/xác định từ mẫuMức đánh giá chất lượng nước
DO WQIDO 91 - 100 Không ô nhiễm, Sử dụng tốt cho mục đích cấp nước sinh hoạt
BOD5WQIBOD5
COD WQICOD
N-NH3WQIN-NH3
P-PO4WQIP-PO4
TSS WQITSS
Độ đục WQIĐD
Coliform WQIColif WQI sinh
pH WQIpH WQIpH
Một vị trí khảo sát
Không ô nhiễm, Sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt
nhưng cần các biện pháp xử lý phù hợp
Ô nhiễm nhẹ, Sử dụng cho mục đích tưới tiêu và các mục đích
tương đương khác
Ô nhiễm vừa, Sử dụng cho giao thông thủy và các mục đích
tương đương khác
Ô nhiễm nặng, cần các biện pháp xử lý trong tương lai
26 - 50
51 - 75
Tính toán WQI các thành phần
WQI hoá
WQI lý
WQI
Chất lượng nước
0 - 25
76 - 90
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 99
chất lượng cũng được xác định vai trò là như nhau, ví dụ trong nhóm hữu cơ, giá trị của
chất lượng theo ô nhiễm hữu cơ được tính bằng trung bình tổng của 5 thành phần DO,
COD, BOD5, N-NH4 và P-PO4 hay hệ số của các thành phần đều là 1/5. Tương tự, nhóm
vật lý, giá trị của chất lượng theo ô nhiễm bởi các yếu tố vật lý bằng trung bình tổng của
TSS và độ đục, hay hệ số của hai thành phần này đều là 1/2. Hay nói cách khác, trong
công thức tính chất lượng nguồn nước WQI, các thành phần chất lượng có vai trò ngang
nhau và không một yếu tố nào có tính nổi trội và dẫn dắt chất lượng.
Tóm lại, cách đánh giá WQI không phản ánh đúng thực trạng kinh tế khu vực
(không thấy đặc trưng gây ô nhiễm nguồn nước – thành phần gây ô nhiễm nguồn nước)
và không đưa ra được chất lượng chung của nguồn nước theo không gian (chỉ phản ánh
vị trí đo) và thời gian (chỉ phản ánh thời điểm đo). Nếu muốn biết chất lượng nguồn
nước theo khu vực hay trong một khoảng thời gian, thông thường giá trị chất lượng
WQI được tính trung bình cộng của cả khu vực. Mức chất lượng trung bình này có giá
trị khác nhau khi cách tính trung bình khác nhau (trung bình giá trị thực đo, hay trung
bình kết quả tính toán chất lượng các điểm). Như vậy, cần thiết phải có giải pháp cải
tiến công thức tính toán chất lượng nguồn nước mặt trong việc sử dụng số liệu thực đo
một cách phù hợp, hiệu quả và logic nhằm có thể khắc phục được những hạn chế của
công thức chung chỉ số WQI.
Có khá nhiều cách thức cho việc cải tiến công thức chỉ số như quyết định
711/QĐ-TCMT của Tổng cục Môi trường điều chỉnh công thức WQI áp dụng cho khu
vực sông Nhuệ Đáy và sông Cầu là một điển hình. Đây thực sự là một hướng tiếp cận
cho việc xác lập công thức tính chỉ số chất lượng nguồn nước mặt áp dụng cho từng địa
phương, vùng với các đặc điểm đặc trưng. Để có thể thực hiện điều chỉnh công thức chỉ
số WQI như quyết định trên, có rất nhiều phương pháp như thực nghiệm phân tích mẫu,
phương pháp chuyên gia,… hay chỉ đơn thuần là thuật toán tối ưu. Một trong các thuật
toán hay được dùng, chúng tôi tập trung vào phương pháp đánh giá toàn diện mờ (Fuzzy
Comprehensive Evaluation - FCE).
Lý thuyết tập hợp mờ (FCE) được sáng lập bởi giáo sư L.A. Zadeh, đại học
California, Berkeley – Mỹ, năm 1965. Ý tưởng nổi bật của khái niệm tập mờ của Zadeh
là từ những khái niệm trừu tượng về ngữ nghĩa của thông tin mờ, không chắc chắn như
ô nhiễm nặng, ô nhiễm nhẹ, không ô nhiễm,… ông tìm cách biểu diễn chúng bằng một
khái niệm toán học, được gọi là tập mờ. Logic mờ được phát triển từ lý thuyết tập mờ
để thực hiện lập luận một cách xấp xỉ thay vì lập luận chính xác. Phương pháp logic mờ
nhằm có thể “xử lý” các dữ liệu cao biến, ngôn ngữ, không rõ ràng và không chắc chắn
của số liệu hoặc kiến thức và do đó có khả năng đưa ra luồng thông tin lôgic, đáng tin
cậy và minh bạch từ số liệu thu thập tới bộ dữ liệu sử dụng trong hệ thống môi trường
ứng dụng (Raman Bai V., Reinier Bouwmeester và Mohan S., 2009).
Đối với bài toán phân lớp dữ liệu như bài toán đánh giá chất lượng nguồn nước,
Entropy cực đại là một kỹ thuật rất hữu dụng. Entropy cực đại dùng để ước lượng xác
suất các phân phối từ dữ liệu. Tư tưởng chủ đạo của nguyên lý Entropy cực đại là “mô
hình phân phối đối với mỗi tập dữ liệu và tập các ràng buộc đi cùng, phải đạt được độ
cân bằng/đều nhất có thể”. Hay nói cách khác, Entropy là độ đo về tính đồng đều hay
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
100 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
tính không chắc chắn của một phân phối xác suất. Một phân phối xác suất có Entropy
càng cao thì phân phối của nó càng đều và khi đó, các yếu tố cao biến có xác suất xuất
hiện thấp sẽ không thể ảnh hưởng lớn lên toàn bộ chuỗi dữ liệu (Chế Đình Lý, 2013).
Như vậy, trong khuôn khổ một đề tài nghiên cứu tốt nghiệp, chúng tôi đề xuất
hướng tiếp cận cải tiến công thức chỉ số chất lượng muồn nước mặt (WQI) qua việc xác
định tỷ trọng đóng góp trong quyết định chất lượng nguồn nước mặt của các thông số
chất lượng thông qua lý thuyết FCE.
2. PHƯƠNG PHÁP LUẬN
Đánh giá chất lượng nguồn nước theo chỉ số WQI:
Hiện nay, công tác đánh giá chất lượng nguồn nước của các tỉnh thành trên cả nước
chủ yếu theo chỉ số WQI và so sánh giá trị các thông số chất lượng nguồn nước theo
QCVN 08:2015. Chỉ số chất lượng nguồn nước (WQI) được hướng dẫn tính toán theo
Quyết định số 879/QĐ-TCMT của Bộ Tài nguyên Môi trường (TN&MT). Các thông số
tham gia tính WQI bao gồm BOD5, COD, N-NH4, P-PO4, TSS, độ đục, Tổng Coliform,
DO. Phương pháp tính chỉ số WQI theo công thức (Tổng cục Môi trường, 2011):
 

∑

∑
 
(1)
Trong đó:
WQIa: Giá trị WQI đã tính toán đối với 5 thông số: DO, BOD5, COD, N-NH4+, P-
PO43-
WQIb: Giá trị WQI đã tính toán đối với 2 thông số: TSS, độ đục.
WQIc: Giá trị WQI đã tính toán đối với thông số Tổng Coliform.
Các giá trị WQI thành phần được tính theo các công thức sau:
(2)
(3)
Sau khi tính toán được WQI, sử dụng bảng xác định giá trị WQI tương ứng
với mức đánh giá chất lượng nước để so sánh, đánh giá, cụ thể như sau:
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 101
Bảng 1. Phân lớp chất lượng nước mặt
Giá
trị WQI/Bậc Mức đánh giá chất lượng nước Màu
91 – 100 (I) Sử dụng tốt cho mục đích cấp nước sinh hoạt/Không ô
nhiễm
Xanh nước
biển
76 – 90 (II) Sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt nhưng cần các
biện pháp xử lý phù hợp/Ô nhiễm nhẹ Xanh lá cây
51 – 75 (III) Sử dụng cho mục đích tưới tiêu và các mục đích tương
đương khác/Ô nhiễm trung bình Vàng
26 – 50 (IV) Sử dụng cho giao thông thủy và các mục đích tương
đương khác/Ô nhiễm nặng Da cam
0 – 25 (V) Nước ô nhiễm nặng, cần các biện pháp xử lý trong tương
lai/Ô nhiễm trầm trọng Đỏ
Nguồn: Tổng cục Môi Trường.
Đánh giá chất lượng nguồn nước theo chỉ số WQIFCE cải tiến:
Để thực hiện việc điều chỉnh công thức đánh giá chất lượng nguồn nước phù hợp
với địa bàn tỉnh Ninh Thuận, công thức WQI cải tiến dự kiến được thiết lập như sau:
 
    (4)
Trong đó:
WQIa = a1 WQIDO + a2 WQIBOD5 + a3 WQICOD + a4 WQIN-NH4 + a5 WQIP-PO4
WQIb = b1 WQITSS + b2 WQIĐộ đục
WQIc = WQIcoliform
ra, rb, rc là các tỷ trọng với ra + rb + rc = 1
a1,.. a5; b1, b2 là hệ số của các thông số với a1 + a2 + a3 + a4 + a5 = 1; b1 + b2 =1
Để xác định các tỷ trọng và các hệ số trên, chúng ta áp dụng phương pháp đánh
giá toàn diện mờ FCE với trọng số sử dụng Entropy xử lý số liệu đầu vào. Các bước
tính toán trong phương pháp đánh giá toàn diện mờ như sau:
- Bước 1. Chuẩn hoá tập hợp các yếu tố đánh giá U: Trong nghiên cứu, 9 yếu tố
chất lượng nước tham gia vào mô hình đánh giá pH, DO, COD, BOD5, TSS, N-NH4, P-
PO4, Tổng Coliform và độ đục. Tập hợp các yếu tố đánh giá U có thể viết như sau
(Panchal, J., 2011; Chế Đình Lý, 2013):
Umn = {pH, DO, COD, BOD5, N-NH4, P-PO4, TSS, độ đục, Coliform}; (5)
Với: m là số mẫu/số điểm quan trắc; n là thông số.
- Bước 2. Xây dựng hệ thống phân bậc cho các yếu tố đánh giá: Hệ thống phân
bậc đánh giá chất lượng nước trong nghiên cứu này chia làm 5 bậc, dựa trên các hướng
dẫn của Quyết định 879/QĐ-TCMT. Do vậy, tập hợp thể hiện hệ thống phân bậc cho
các yếu tố tham gia mô hình đánh giá là Vkn = {I, II, III, IV, V}; k = 5 bậc và n = 9