Giới thiệu chỉ số chất lượng nước sử dụng cho đánh giá chất lượng nước mặt

Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2012 109 GIỚI THIỆU CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC SỬ DỤNG CHO ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT ThS. Hoàng Anh Sơn Khoa Kỹ thuật Hạ tầng đô thị, trường Đại học Xây dựng Miền Trung Tóm tắt: Đánh giá chất lượng nước có thể được thực hiện bằng cách phân tích các thông số vật lý, hóa học và sinh học của nước. Chỉ số chất lượng nước (Water Quality Index – WQI) sẽ cho một giá trị đơn giản về chất lượng nước giúp hạn chế một số lượng lớn các thông số cần phân tích. Tùy thuộc vào nhu cầu của từng quốc gia trong việc đánh giá chất lượng nước và kiểm soát ô nhiễm nên hiện nay trên thế giới có rất nhiều WQI riêng biệt được sử dụng. Trong bài viết này, tác giả trình bày WQI được xây dựng bởi Hội đồng Bộ trưởng Canada (Canadian Council of Ministers of the Environment), sau đây viết tắt là CCME – WQI. Ưu và nhược điểm; công thức tính toán cũng như ví dụ minh họa cho CCME – WQI cũng sẽ được trình bày chi tiết. 1. Giới thiệu Để đánh giá chất lượng nước, hiện nay ở Việt Nam và nhiều quốc gia trên thế giới, người ta thường dựa vào việc phân tích các thông số chất lượng nước riêng biệt, rồi so sánh từng thông số đó với giá trị giới hạn được quy định trong tiêu chuẩn quốc gia hoặc tiêu chuẩn quốc tế. Các thông số chất lượng nước hay được phân tích là [1]: - Các thông số vật lý: màu; mùi; nhiệt độ; tổng chất rắn (TS); tổng chất rắn hòa tan (TDS); độ đục (TUR); độ dẫn điện (EC); - Các thông số hóa học: oxy hòa tan (DO); nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5); nhu cầu oxy hóa học (COD); tổng cacbon hữu cơ (TOC); độ mặn; độ cứng; pH; NO3 -; NO2-; NH4+/ NH3; PO43-; F-; SO42-; hóa chất bảo vệ thực vật (nhóm DDT, nhóm HCH, Aldrine,); kim loại độc (HgII, CdII, PbII,); - Các thông số vi sinh: tổng Coliform (TC); Coliform phân (FC); Tuy vậy, cách làm này sẽ không thể nói đến diễn biến chất lượng nước tổng quát của một con sông (hay đoạn sông) và do vậy, khó so sánh chất lượng nước từng vùng của một con sông, so sánh chất lượng nước của sông này với sông khác, chất lượng nước thời gian này với thời gian khác (theo tháng, mùa), chất lượng nước hiện tại so với tương lai Như vậy sẽ khó khăn cho công tác giám sát diễn biến chất lượng nước, khó đánh giá hiệu quả đầu tư để bảo vệ chất lượng nước và kiểm soát ô nhiễm nước Mặt khác, khi đánh giá thông qua các thông số chất lượng nước riêng biệt, chỉ các nhà khoa học / nhà chuyên môn mới hiểu được và như vậy, khó thông tin về chất lượng nước cho cộng đồng và các nhà hoạch định chính sách đề ra các quyết định về quản lý và khai thác nguồn nước. Để khắc phục những điều đó, cần phải có một thông số mô tả tổng quát, cho phép lượng hóa được chất lượng nước. Một trong những thông số tổng quát đó là Chỉ số chất lượng nước (WQI). WQI được đề xuất và áp dụng đầu tiên ở Mỹ vào những năm 1965 – 1970. Sau đó WQI nhanh chóng được chấp nhận và triển khai áp dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới. WQI là một thông số tổ hợp được tính toán từ nhiều thông số chất lượng nước theo một phương pháp xác định (hay theo một công thức toán học xác định) [3]. WQI được dùng để mô tả định lượng về chất lượng nước và được biểu diễn qua thang điểm: Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2012 110 thông thường 0 ÷ 100; một số trường hợp 10 ÷ 100; 0 ÷ 1000, Hiện nay có rất nhiều chỉ số chất lượng nước được phát triển ở nhiều quốc gia trên thế giới. Trong số đó, có 3 chỉ số chất lượng nước hay được dùng nhất đó là: chỉ số chất lượng nước do Quỹ vệ sinh Mỹ đề xuất (NSF – WQI); chỉ số chất lượng nước do Bhargava đề nghị (Bhargava – WQI) và chỉ số chất lượng nước được Hội đồng Bộ trưởng Canada đề nghị (CCME – WQI) và quyết định đưa vào áp dụng từ năm 2001. Ở nước ta, nhiều tác giả đã áp dụng có cải tiến chỉ số CCME – WQI để đánh giá chất lượng nước. Dưới đây sẽ giới thiệu về CCME – WQI. 2. Phương pháp tính toán 2.1. Công thức tính CCME – WQI [3] CCME – WQI được xây dựng trên cơ sở kế thừa và phát triển mô hình WQI của bang British Columbia (Canada) và năm 2001 đã được Hội đồng Bộ trưởng môi trường Canada chấp nhận đưa vào sử dụng. Chỉ số này là sự tổ hợp của 3 yếu tố: phạm vi (Scope); tần số (Frequency) và độ lớn hay biên độ (Amplitude). Chỉ số này nhận giá trị trong khoảng từ 0 (ứng với mức chất lượng nước xấu nhất) đến 100 (ứng với mức chất lượng nước tốt nhất). Người ta chia theo 5 mức khác nhau (Bảng 1). Các thông số lựa chọn cho các mục đích sử dụng nước có thể thay đổi tùy thuộc điều kiện thực tế của từng vùng. CCME – WQI là loại mô hình cho mục đích riêng hoặc mục đích tổng quát và có thể áp dụng cho cả nguồn nước ngọt, nước lợ và nước mặn. Những thông số chất lượng nước cần quan trắc (các thông số lựa chọn) và những tiêu chuẩn chất lượng nước cho các mục đích sử dụng khác nhau phụ thuộc vào các tiêu chuẩn và quy định của quốc gia hoặc/và quốc tế. Bảng 1. Phân loại chất lượng nước theo CCME – WQI Loại CCME - WQI Giải thích I 95 ÷ 100 Rất tốt II 80 ÷ 94 Tốt III 65 ÷ 79 Trung bình (hay tạm được) IV 45 ÷ 64 Xấu (hay dưới mức cho phép) V 0 ÷ 44 Rất xấu CCME – WQI được tính toán từ các hệ số đại diện cho 3 yếu tố: phạm vi (F1), tần số (F2) và độ lớn(F3) trong đó F1 và F2 được xác định trực tiếp, F3 được xác định gián tiếp. (1) Xác định F1 (phạm vi): F1 thể hiện số thông số chất lượng nước không đạt chuẩn – vượt quá (hoặc nhỏ hơn) giới hạn cho phép trong tiêu chuẩn chất lượng nước ứng với một mục đích nào đó. F1 được đo bằng tỉ số giữa số thông số không đạt chuẩn và tổng số các thông số được quan trắc. (2) Xác định F2 (tần số): F2 cho biết tần số (số lần) không đạt chuẩn của các thông số quan trắc so với tổng số các kết quả quan trắc của tất cả các thông số: (3) Xác định F3 (độ lớn): F3 cho biết độ lớn của thông số không đạt chuẩn so với giá trị của thông số đó được quy định trong tiêu chuẩn và nó được xác định qua 3 bước: i) Bước 1: Xác định độ lệch (Excursion – ký hiệu là EXi) của mỗi thông số không đạt chuẩn, cao hơn hay thấp hơn bao nhiêu so với tiêu chuẩn quy định của thông số đối với một mục đích sử dụng nước xác định. EXi được tính như sau: a. Khi giá trị của thông số cao hơn tiêu chuẩn: Số thông số không đạt chuẩn F1 = Tổng các thông số quan trắc Số kết quả quan trắc không đạt chuẩn F2 = Tổng các kết quả quan trắc Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2012 111 b. Ngược lại, khi giá trị của thông số nhỏ hơn tiêu chuẩn: ii) Bước 2: Xác định độ lệch tổng cộng chuẩn hoá (nse – normalized sum of excursions). Nse bằng tỷ số giữa tổng các độ lệch (EXi) và tổng số các kết quả quan trắc không đạt chuẩn (lớn hơn hoặc nhỏ hơn chuẩn) đối với một mục đích sử dụng nước xác định. iii) Bước 3: Tính F3 là hàm của nse và được tính từ nse sao cho nó nhận giá trị trong khoảng 0  100. F3 =        01,001,0 nse nse Cuối cùng tính CCME – WQI: CCME – WQI được xem là tổ hợp của 3 yếu tố F1, F2 và F3; mỗi yếu tố được xem là một vectơ trong không gian 3 chiều. Nói cách khác, CCME – WQI là vectơ tổ hợp từ 3 vectơ F1, F2 và F3: CCME – WQI = 100 -          732,1 2 3 2 2 2 1 FFF Trong công thức này xuất hiện giá trị 1,732 là do mỗi hệ số F có thể nhận giá trị cao nhất của nó là 100 (trường hợp xấu nhất) và như vậy, độ dài của vectơ tổ hợp có thể đạt cực đại là. 2 2 2 1 2 3 2 2 2100 100 100 30000 173, 2 F F F       Để đưa vectơ tổ hợp đó về 100 (giá trị cao nhất), bắt buộc phải chia cho 1,732 và lúc này CCME – WQI = 0, ứng với chất lượng nước xấu nhất. 2.2. Ví dụ tính CCME – WQI Số liệu thu được khi quan trắc 10 thông số bao gồm: oxy hòa tan (DO); pH; tổng photpho (TP); tổng nitơ (TN); coliform phân (FC); asen (As); chì (Pb); thủy ngân (Hg); 2,4 – D; Lindane tại dòng sông Bắc Saskatchewan trong năm 1997 (tần suất lấy mẫu: 1 tháng/lần) [4] trình bày ở Bảng 2: Bảng 2. Số liệu quan trắc năm 1997 tại sông Bắc Saskatchewan Ngày tháng DO mg/L pH TP mg/L TN mg/L FC #/dL As mg/L Pb mg/L Hg g/L 2,4-D g/L Lindane g/L 7/1/97 11.4 8.0 0.006 0.160 4 0.0002 0.0004 <0.05 <0.005 <0.005 4/2/97 11.0 7.9 0.005 0.170 <4 <0.0002 0.0094* <0.05 4/3/97 11.5 7.9 0.006 0.132 4 <0.0002 <0.0003 <0.05 8/4/97 12.5 7.9 0.058* 0.428 <4 <0.0002 0.0008 <0.05 0.004 <0.005 6/5/97 10.4 8.1 0.042 0.250 <4 0.0002 0.0008 <0.05 3/6/97 8.9 8.2 0.108* 0.707 26 0.0006 0.0013 <0.05 8/7/97 8.5 8.3 0.017 0.153 9 0.0002 0.0004 <0.005 5/8/97 7.5 8.2 0.008 0.153 8 <0.0002 <0.0003 <0.05 <0.005 Giá trị của thông số Xi vượt chuẩn FXi = Giá trị thông số Xi nhỏ hơn tiêu chuẩn -1 Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2012 112 2/9/97 9.2 8.2 0.006 0.130 12 0.0003 0.0018 <0.05 7/10/97 11.0 8.1 0.008 0.093 12 <0.0002 0.0011 <0.05 <0.005 <0.005 4/11/97 12.1 8.0 0.006 0.296 8 <0.0002 0.0051* <0.05 1/12/97 13.3 8.0 0.004 0.054 4 <0.0002 <0.0003 <0.05 T/chuẩn 5 6.5-9.0 0.05 1 400 0.05 0.004 0.1 4 0.01 *: không đạt tiêu chuẩn Mặc dù có thể tính CCME – WQI bằng thủ công, tuy nhiên khi có một số lượng lớn số liệu thì việc tính bằng Excel sẽ thuận lợi hơn rất nhiều. Số lượng các thông số không đạt chuẩn là 2 (TP; Pb). Tổng các thông số quan trắc là 10. Vì vậy: 20100 10 2 1      F Số lượng mẫu không đạt chuẩn là 4, và tổng số mẫu là 103 (có những tháng không quan trắc Hg và thuốc trừ sâu (2,4 – D; Lindane). Trong trường hợp này: 9.3100 103 4 2      F Độ lệch tổng cộng chuẩn hóa và F3 được tính như sau: ETP1 = 16.0105.0 058.0       ETP2 = 16.1105.0 108.0       EPb1 = 35.11004.0 0094.0       EPb2 = 275.01004.0 0051.0       ( 0 .1 6 1 .1 6 1 .3 5 0 .2 7 5 ) 1 0 3 0 .0 2 9 n s e     F3 = 8.2 01.0)029.0(01.0 029.0        Với các giá trị F1; F2; F3 được tính như trên thì CCME – WQI được tính như sau: CCME - WQI = 100 - 88 732.1 8.29.320 222           Dựa vào Bảng 1, chất lượng nước năm 1997 tại dòng sông ở mức II (Tốt). 3. Ưu và nhược điểm của CCME – WQI Việc sử dụng CCME – WQI có nhiều ưu điểm: - Cho phép lượng hóa chất lượng nước (tốt, xấu, trung bình) theo một thang điểm liên tục và nó thể hiện tổng hòa ảnh hưởng của các thông số. - Cho phép đánh giá khách quan về chất lượng nước, đồng thời cho phép so sánh chất lượng nước theo không gian, thời gian và do vậy, thuận lợi cho phân vùng và phân loại chất lượng nước. - Thích hợp với việc tin học hóa nên thuận lợi cho quản lý và thông báo cho cộng đồng và các nhà hoạch định chính sách. - Tạo điều kiện thuận lợi cho bản đồ hóa chất lượng nước thông qua việc “màu hóa” các thang điểm WQI. Ngoài ưu điểm trên, CCME – WQI cũng có một vài điểm hạn chế sau: - Hiệu ứng “che khuất” (Eclipsing): trong mô hình tính có một hoặc một vài thông số chất lượng nước kém (hay tồi tệ) hoặc chất lượng tốt nhưng giá trị WQI tính được không cho thấy điều đó, nghĩa là nó che khuất những đặc điểm đó. - Hiệu ứng “mập mờ” (Ambiguity): có những trường hợp một hoặc một vài thông Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2012 113 số chất lượng nước rất tồi tệ nhưng CCME – WQI lại phản ánh là tốt hoặc trung bình và ngược lại. 4. Kết luận Với những vấn đề đã nêu ở trên, việc áp dụng mô hình WQI để đánh giá chất lượng nước là rất cần thiết. Tuy nhiên, rõ ràng là không thể áp dụng hoàn toàn một mô hình có sẵn của một quốc gia hoặc địa phương vào quốc gia hoặc địa phương mình. Mặt khác, với điều kiện hiện nay thì việc xây dựng cho quốc gia hoặc địa phương mình một mô hình tính WQI riêng sẽ rất tốn kém và sẽ gặp rất nhiều khó khăn. Vì vậy, cần phải nghiên cứu xây dựng một mô hình WQI tổng quát mà trong đó bao hàm các thông số chất lượng nước đại diện cho dòng sông và đảm bảo đủ đơn giản để mô hình đó khả thi ở điều kiện của Việt Nam. Việc làm này đòi hỏi phải có sự nghiên cứu rất chi tiết về đặc điểm của nguồn nước cần phải đánh giá. Khi đó mô hình WQI sẽ là một công cụ phù hợp để đánh giá tổng quát về chất lượng nước và là công cụ hữu hiệu để giám sát chất lượng nước. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Thủy Châu Tờ (2004), Phân tích và đánh giá chất lượng nước dựa vào chỉ số chất lượng nước (WQI): Áp dụng cho một số sông quan trọng trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế và Quảng Trị, Luận văn Thạc sỹ Hóa học, trường ĐHSP – Đại học Huế. [2]. Ott W. R. (1978), Environmental indices – Theory and practice, Ann Arbor Science Publishing Inc. [3]. Canadian Council of Ministers of the Environment (2001), Canadian water quality guidelines for the protection of aquatic life, Canada. [4]. Wright, C. R., K. A. Saffan, A. M. Anderson, R. D. Neilson, N. D. MacAlpine, and S. E. Cooke (1999): A Water Quality Index for Agricultural Streams in Alberta, Published by Alberta Agriculture, Food and Rural Development. Edmonton, AB. 35 pp.