Xây dựng chỉ số chất lượng nước trong phân vùng chất lượng nước các sống trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên - Nguyễn Lê Tú Quỳnh

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