Xây dựng chỉ số chất lượng nước trong phân vùng chất lượng nước các sông trên địa bản tỉnh Thái Nguyên

Hoá học & Kỹ thuật môi trường<br /> <br /> <br /> X¢Y DùNG CHØ Sè CHÊT L¦îNG N¦íC<br /> TRONG PH¢N VïNG CHÊT L¦îNG N¦íC C¸C S¤NG<br /> TR£N §ÞA BµN TØNH TH¸I NGUY£N<br /> NGUYỄN LÊ TÚ QUỲNH*, LÊ TRÌNH**<br /> <br /> Tóm tắt: Nghiên cứu trình bày phương pháp xây dựng chỉ số chất lượng nước bề<br /> mặt (WQI) phù hợp với điều kiện hiện trạng các nguồn thải và mức độ ô nhiễm các sông<br /> hồ trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên và ý kiến các chuyên gia theo phương pháp Delphi.<br /> Phương pháp được phát triển dựa trên Mô hình chỉ số chất lượng nước của Quỹ vệ sinh<br /> Quốc gia Hoa Kỳ (NSF). Phương pháp WQI do tác giả cải tiến đã chọn 9 thông số đặc<br /> trưng chất lượng nước trong lưu vực và nhóm các chất có độc tính cao đặc thù cho các<br /> nguồn thải trong tỉnh. Các công thức tổng quát thể hiện WQI ở dạng tích, dạng tổng đã<br /> được đề xuất; các hàm chuyển đổi chỉ số phụ đã được xác định đối với từng thông số<br /> được chọn lọc.<br /> Từ khóa: chỉ số chất lượng nước, Thái Nguyên<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Hiện nay, một số quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới đã ứng dụng Chỉ số chất lượng<br /> nước (Water Quality Index - WQI) trong đánh giá chất lượng nước. Các phương pháp<br /> chính được sử dụng để xây dựng WQI như sau:<br /> - Phương pháp Chỉ số chất lượng nước của Quỹ vệ sinh quốc gia Mỹ (NSF-WQI) [1,2]<br /> có ưu điểm là cách tính không quá phức tạp. Tuy nhiên, mỗi địa bàn áp dụng phương pháp<br /> này phải lựa chọn các thông số, trọng số và hàm tương quan chỉ số phụ. NSF-WQI chưa<br /> đề cập đến các thông số có độc tính cao mà quy định các thông số này khi vượt tiêu chuẩn<br /> cho phép thì WQI = 0 [1-5].<br /> - Ở Việt Nam, Tổng Cục Môi trường [6] đã ban hành phương pháp tính toán chỉ số chất<br /> lượng nước. Đây là dạng kết hợp trung bình cộng và trung bình nhân theo nhóm các thông<br /> số có tương quan và không trọng số. Điều này có thể dẫn đến tính lu mờ giữa các thông số<br /> trong nhóm các thông số tính toán.<br /> Tỉnh Thái Nguyên nằm trong lưu vực sông Cầu với hai sông chính là sông Cầu và sông<br /> Công. Việc phân vùng chất lượng nước hai sông này có vai trò hết sức quan trọng trong<br /> bảo vệ môi trường nước lưu vực. Do vậy, cần thiết xây dựng chỉ số WQI phù hợp với điều<br /> kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội, có cơ sở khoa học và thực tiễn để phân vùng chất lượng<br /> nước các sông này.<br /> <br /> 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> 2.1. Phương pháp xây dựng mô hình WQI<br /> - Phương pháp Delphi [7]: phương pháp dự báo bằng trưng cầu ý kiến điển hình do hai<br /> nhà khoa học Mỹ là O.Helmer và D.Gordon đề xướng (theo Gene R. và George W.).<br /> Trong nghiên cứu này, phương pháp Delphi được sử dụng để xác định các thông số, trọng<br /> số và hàm chỉ số phụ của các thông số trong xây dựng WQI phù hợp với nước sông trên<br /> địa bàn tỉnh Thái Nguyên.<br /> - Xây dựng mô hình WQI-NSF [2] được áp dụng để xây dựng chỉ số WQI cải tiến theo<br /> các bước sau: i) Phân tích lựa chọn các thông số phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế -<br /> xã hội (KT-XH) tỉnh Thái Nguyên ; ii) Xác định trọng số cho các thông số: được xác định<br /> thông qua tầm quan trọng của thông số đối với nguồn nước đa mục đích sử dụng. Trọng số<br /> <br /> <br /> 136 Nguyễn Lê Tú Quỳnh, Lê Trình, “Xây dựng chỉ số…tỉnh Thái Nguyên”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> được đánh giá phù hợp với điều kiện tự nhiên, KT-XH tỉnh Thái Nguyên và theo ý kiến<br /> của các chuyên gia (phương pháp Delphi) ; iii) Chuyển đổi giá trị của các thông số về<br /> cùng một thang đo (chỉ số phụ qi) dựa trên việc cho điểm của các chuyên gia đối với các<br /> khoảng nồng độ khác nhau của từng thông số. Các khoảng nồng độ được đánh giá dựa trên<br /> QCVN 08:2008/BTNMT và đặc điểm chất lượng nước sông trên địa bàn tỉnh Thái<br /> Nguyên. Căn cứ vào điểm số thu được, tiến hành xây dựng các hàm tương quan chỉ số phụ<br /> (theo Brown R. M [4]).<br /> 2.2. Phương pháp thực hiện<br /> Tổ chức các đợt tham vấn các chuyên gia về đánh giá chất lượng nước mặt tại khu vực<br /> sông Cầu và sông Công tỉnh Thái Nguyên. Chất lượng và các thông số đánh giá được dựa<br /> trên số liệu thống kê của Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Thái Nguyên theo các giai đoạc<br /> khác nhau.<br /> 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> 3.1. Lựa chọn và đánh giá tầm quan trọng của các thông số trong chỉ số chất lượng<br /> nước<br /> 3.1.1. Lựa chọn và đánh giá tầm quan trọng của các thông số chất lượng nước sông trên<br /> địa bàn tỉnh Thái Nguyên theo phương pháp Delphi<br /> Thực hiện tham vấn 2 đợt: đợt 1 với 41 chuyên gia, đợt 2 với 60 chuyên gia. Kết quả<br /> tính phần trọng số đóng góp (wi) của 9 thông số được lựa chọn nhiều nhất trong tổng số 32<br /> thông số tham vấn ý kiến được nêu trong Bảng 1.<br /> Bảng 1. Thông số và trọng số các thông số được lựa chọn trong xây dựng<br /> chỉ số chất lượng nước các sông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên.<br /> Điểm xếp hạng Trọng số đóng góp Trọng số đóng Tầm quan<br /> TT Thông số<br /> thông số (mi) trung gian (wi’) góp chính (wi) trọng<br /> 1 pH 4,75 6,25 0,12 4<br /> 2 TSS 6,25 4,75 0,09 5<br /> 3 DO 3,64 7,36 0,15 2<br /> 4 BOD5 3,14 7,86 0,17 1<br /> 5 Dầu mỡ 6,95 4,05 0,08 6<br /> 6 T.Coliform 6,32 4,68 0,09 5<br /> 7 COD 4,00 7,00 0,14 3<br /> -<br /> 8 NO3 6,93 4,07 0,08 6<br /> 3-<br /> 9 PO4 6,94 4,06 0,08 6<br /> Như vậy từ kết quả tham vấn (theo phương pháp Delphi) đã lựa chọn ra 9 thông số: pH,<br /> TSS, DO, BOD5, COD, NO3- và PO43-, dầu mỡ, T.Coliform (trong Bảng 1) và nhóm các<br /> chất có độc tính cao (có trọng số bằng 1).<br /> Kết quả lựa chọn này cũng phù hợp với hiện trạng chất lượng nước sông trên địa bàn<br /> tỉnh Thái Nguyên [8].<br /> 3.1.2. So sánh thông số lựa chọn với các thông số WQI của NSF và Tổng cục Môi trường<br /> Các thông số được lựa chọn trong nghiên cứu WQI-NSF thực hiện dựa trên phương<br /> pháp Delphi [1,2]. Kết quả mang tính khách quan và phù hợp với điều kiện thực tế khu<br /> vực nghiên cứu. Các nghiên cứu về WQI của Việt Nam, có nghiên cứu sử dụng các thông<br /> số của NSF, còn lại chủ yếu dựa trên phương pháp Delphi để lựa chọn các thông số [9].<br /> Nghiên cứu WQI của Tổng cục Môi trường [6] dựa trên một số thông số theo chương trình<br /> quan trắc hàng năm trên cả nước. Do vậy, trong phần này sẽ so sánh sự lựa chọn các thông<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 137<br />  Hoá học & Kỹ thuật môi trường<br /> <br /> số của nghiên cứu này với 2 nghiên cứu điển hình trên. Để WQI được xây dựng phù hợp<br /> với điều kiện tự nhiên, KT-XH của tỉnh Thái Nguyên thì các thông số được lựa chọn trong<br /> nghiên cứu này phải mang tính khoa học và đặc trưng cho khu vực nghiên cứu.<br /> Thông số trong hệ thống WQI-NFS, Tổng cục Môi trường và của nghiên cứu này được<br /> nêu ở bảng sau.<br /> Bảng 2. So sánh các nhóm thông số lựa chọn để xây dựng WQI.<br /> Theo lựa chọn của nghiên cứu<br /> Theo NFS Theo TCMT<br /> đối với Thái Nguyên<br /> 1. DO 1. DO 1. DO<br /> 2. pH 2. pH 2. pH<br /> 3. BOD5 3. BOD5 3. BOD5<br /> 4. NO3- 4. NH4+ 4. NO3-<br /> 3- 3-<br /> 5. PO4 5. PO4 5. PO43-<br /> 6. Fecal coliform 6. T.coliform 6. T.coliform<br /> 7. Tổng chất rắn (TS) 7. SS 7. SS<br /> 8. Nhiệt độ 8. COD 8. COD<br /> 9. Độ đục 9. Độ đục 9. Dầu mỡ<br /> 10. Nhóm các thông số độc hại<br /> Với đặc điểm tự nhiên và KT-XH của khu vực cũng như các ngành nghề đặc thù của<br /> tỉnh Thái Nguyên, nước sông trên địa bàn tỉnh tiếp nhận các chất ô nhiễm đặc thù có thể<br /> tổng hợp như sau: thông số hóa lý (pH, SS, độ đục, màu...), ô nhiễm hữu cơ (BOD, COD),<br /> ô nhiễm dinh dưỡng (NO3-, PO43-), ô nhiễm vi sinh (coliform), các chất ảnh hưởng đến đời<br /> sống thủy sinh (dầu mỡ) và một số chất có độc tính cao (kim loại nặng, hóa chất BVTV,<br /> phenol...). Đây là các thông số cần quan tâm trong đánh giá chất lượng nước trên địa bàn<br /> tỉnh Thái Nguyên.<br /> 9 thông số và nhóm các chất độc tính cao được nghiên cứu lựa chọn đảm bảo được<br /> khuyến nghị: (i) Nhóm hàm lượng ôxy và nhu cầu ôxy: DO, BOD5 và COD ; (ii) Nhóm<br /> phú dưỡng: NO3- và PO43- ; (iii) Nhóm tác động đến sức khỏe: dầu mỡ và Coliform; (iv)<br /> Nhóm đặc tính vật lý: pH và TSS (v) Nhóm chất rắn trong nước: nhóm các chất có độc<br /> tính cao.<br /> Các thông số lựa chọn cũng đảm bảo 5 tiêu chí: i) Được đo đạc thường xuyên và<br /> thường được sử dụng: theo số liệu quan trắc hàng năm của Chi Cục Môi trường Thái<br /> Nguyên, đây là các thông số trong chương trình quan trắc hàng năm của tỉnh; ii) Có ảnh<br /> hưởng rõ rệt đến hệ thủy sinh hoặc hoạt động giải trí của con người: đây là các thông số<br /> có ảnh hưởng rõ rệt đến đời sống thủy sinh và hoạt động giải trí; iii) Thông số có nguồn<br /> gốc từ hoạt động con người, gắn với các hoạt động xả thải: 9 thông số và nhóm các thông<br /> số có độc tính cao được đề xuất không những là thông số thuộc bản chất tự nhiên của<br /> nguồn nước mà còn gắn chặt với các hoạt động xả thải của con người. iv) Dễ dàng kiểm<br /> soát thông qua các chương trình giảm thiểu ô nhiễm; và v) Có khoảng giá trị phản ánh rõ<br /> ràng mức độ ô nhiễm, từ không ô nhiễm đến ô nhiễm nặng: các thông số được lựa chọn<br /> đều có trong các tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành.<br /> 3.2. Kết quả xây dựng mô hình NSF-WQI cải tiến<br /> 3.2.1. Công thức tính<br /> Công thức dạng tổng và dạng tích công thức WQI-cải tiến như sau:<br /> + Dạng tổng và có tính đến trọng số đóng góp:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 138 Nguyễn Lê Tú Quỳnh, Lê Trình, “Xây dựng chỉ số…tỉnh Thái Nguyên”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> k<br /> qđh  n <br /> WQIA - cải tiến =  <br /> 100  1<br /> qi.wi <br /> <br /> (1)<br /> <br /> + Dạng tích và có tính đến trọng số đóng góp:<br /> k<br /> qđh  n wi <br /> WQIM - cải tiến =  qi <br /> 100  1<br /> (2)<br /> <br /> trong đó, qi là chỉ số phụ của thông số iI, qđh là chỉ số phụ của nhóm các thông số độc hại,<br /> wi: trọng số của thông số i, n là số lượng các thông số tính, k là hệ số mũ, trong đó<br /> n<br /> k  1/  w j<br /> 1 (3)<br /> jlà thông số thiếu số liệu, wj là trọng số của thông số thiếu số liệu.<br /> <br /> 3.2.2. Xây dựng đồ thị tương quan giữa thông số lựa chọn và chỉ số phụ (qi)<br />  Chỉ số phụ của các thông số thông thường (9 thông số) (qi)<br /> Từ kết quả tổng kết bảng tham vấn ý kiến của các chuyên gia về chất lượng nước để<br /> xây dựng đồ thị tương quan giữa 9 thông số lựa chọn và chỉ số phụ (qi) cho sông trên địa<br /> bàn tỉnh Thái Nguyên, kết quả xây dựng đồ thị tương quan và hàm chỉ số phụ được trình<br /> bày dưới đây.<br /> (4)<br /> (5)<br /> (6)<br /> (7)<br /> (8)<br /> (9)<br /> (10)<br /> (11)<br /> (12)<br /> Ghi chú: x - chỉ số phụ của thông số lựa chọn<br />  Chỉ số phụ của nhóm các chất có độc tính cao<br /> Việc xây dựng giá trị chỉ số phụ của nhóm độc tính cao căn cứ vào: i) QCVN<br /> 08:2008/BTNMT quy định 4 giới hạn chất lượng nước; ii) Quy định phân loại chất lượng<br /> nước theo giá trị WQI; và iii) Theo mô hình NSF, Bhargava và một số nghiên cứu: do độc<br /> tính cao, tác hại sức khỏe nên khi một trong các thông số độc hại vượt tiêu chuẩn cho phép<br /> thì WQI bằng 0. Giá trị chỉ số phụ nhóm các chất độc tính cao theo Bảng 3.<br /> Bảng 3. Quy định giá trị (qđh) chỉ số phụ của các thông số độc tính cao.<br /> Nồng độ của thông số bất kỳ trong nhóm các<br /> Giá trị WQI qđh<br /> thông số độc tính cao (I)<br /> I < A1 100<br /> 91  100<br /> I = A1 91<br /> A1 < I < A2 71  90 71<br /> A2 < I < B1 51  70 51<br /> B1 < I < B2 26  50 26<br /> I > B2 0  25 0<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 139<br />  Hoá học & Kỹ thuật môi trường<br /> <br /> 3.2.3. Thang phân loại chất lượng nước<br /> Chất lượng nước được phân loại theo chỉ số WQI như sau.<br /> Bảng 4. Thang phân cấp chất lượng nước sử dụng.<br /> Loại WQI Chất lượng nước<br /> I 91  100 Rất tốt<br /> II 71  90 Tốt<br /> III 51  70 Trung bình (ô nhiễm trung bình)<br /> IV 26  50 Xấu (ô nhiễm nặng)<br /> V 0  25 Rất xấu (ô nhiễm rất nặng)<br /> Kết quả của nghiên cứu xác lập mô hình WQI cải tiến để phân loại chất lượng nước các<br /> sông suối trên địa bàn Thái Nguyên đã được áp dụng và được trình bày trong bài báo khác.<br /> <br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Từ kết quả nghiên cứu nêu trên có thể đưa ra một số kết luận:<br /> Nghiên cứu xây dựng mô hình WQI cải tiến đã lựa chọn 9 thông số và nhóm các thông<br /> số độc tính cao, đây là các thông số đặc trưng phù hợp với đặc điểm tự nhiên, kinh tế - xã<br /> hội tỉnh Thái Nguyên và ý kiến các chuyên gia theo phương pháp Delphi. Các thông số<br /> tính toán và trọng số: pH (0,12), TSS (0,09), DO (0,15), BOD5 (0,17), Dầu mỡ (0,08),<br /> T.Coliform (0,09), COD (0,14), NO3- (0,08), PO43- (0,08) và Nhóm các thông số độc tính<br /> cao (1). Các chỉ số phụ và giản đồ chỉ số phụ cho các thông số đặc trưng dựa trên Quy<br /> chuẩn chất lượng nước mặt QCVN 08:2008/BTNMT và ý kiến chuyên gia. Công thức<br /> tổng quát bao gồm dạng tổng và dạng tích có tính toán trong trường hợp thiếu số liệu.<br /> Thang phân loại chất lượng nước theo WQI được chia làm 5 mức: rất tốt (91  100), tốt<br /> (71  90), trung bình (ô nhiễm trung bình) (51  70), Xấu (ô nhiễm nặng) (26  50) và Rất<br /> xấu (ô nhiễm rất nặng) (0  25).<br /> Công thức WQI cải tiến được đánh giá tính ảo, tính che khuất, kiểm tra độ nhạy và xem<br /> xét trường hợp thiếu số liệu quan trắc đều cho kết quả phù hợp (chi tiết về kết quả áp dụng<br /> thử nghiệm được nêu trong bài báo khác).<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Center for Environmental Quality Environmental Engineering and Earth Sciences<br /> (2007), Calculating NSF Water Quality Index, United States of America.<br /> [2]. Ott W. R. (1978), Environmental indices theory and practice.<br /> [3]. Department of Environment (1994), WQI Applied to the Exploits River Watershed:<br /> New Foundlands.<br /> [4]. Brown R. M., McClelland N. I. và Deininger R. A. (1973), A water quality index for<br /> water quality management: Ann Arbor, Michigan: National Sanitation Foundation.<br /> [5]. Bhargava D. S. (1983), Use of a water quality index for river classification and<br /> zoning of Ganga River, Environmental Pollution (Series B), số 6, tr. 51-67.<br /> [6]. Tổng Cục Môi trường (2011), Quyết định số 879/QĐ-TCMT ngày 01 tháng 7 năm<br /> 2011, Sổ tay hướng dẫn tính toán chỉ số chất lượng nước.<br /> [7]. Gene R. và George W. (1999), The Delphi technique as a forecasting tool: issues<br /> and analysis, International Journal of Forecasting, số 15(4), tr. 353-378.<br /> [8]. Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Thái Nguyên. Báo cáo Hiện trạng môi trường tỉnh<br /> Thái Nguyên (2005-2012).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 140 Nguyễn Lê Tú Quỳnh, Lê Trình, “Xây dựng chỉ số…tỉnh Thái Nguyên”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> [9]. Lê Trình (2010), Báo cáo tổng hợp đề tài “Nghiên cứu phân vùng chất lượng nước<br /> sông hồ vùng Hà Nội theo WQI và đề xuất khả năng sử dụng bảo vệ môi trường<br /> nước”, Sở KHCN Hà Nội.<br /> <br /> ABSTRACT<br /> DEVELOP OF WATER QUALITY INDEX IN THE RIVER ZONING<br /> IN THE THAI NGUYEN PROVINCE<br /> <br /> The study presents methods for developing indicators of river water<br /> quality in accordance with the natural conditions and waste generation<br /> sources in the teritory of Thai Nguyen province and the opinions of experts<br /> following Delphi method. The method is modified from the model of Water<br /> Quality Indicators of US National Sanitation Foundation (NSF). WQI<br /> method modified by the authors selected 9 parameters and groups of highly<br /> toxic substances, characterized for water pollution in Thainguyen; general<br /> formula and function sub-indices for the selected parameters were identified<br /> in this study.<br /> Keywords: Water Quality Index, Thai Nguyen province<br /> <br /> Nhận bài ngày 15 tháng 12 năm 2014<br /> Hoàn thiện ngày 05 tháng 01 năm 2015<br /> Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 02 năm 2015<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> §Þa chØ: * ViÖn C«ng nghÖ míi, ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ qu©n sù;<br /> ** ViÖn Khoa häc m«i tr­êng vµ Ph¸t triÓn (VESDEC),<br /> Email nguyenletuquynh@yahoo.com<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 141<br />