CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về chĩ số chất lượng nước 1.1 Định nghĩa chỉ so chất lượng nước Sau nhiều công bố khoa học, nước Mỹ đã đề ra chỉ số chất lượng môi trường vào năm 1960, bao gồm 06 thành phần chính là không khí, nước, đất, rừng, động vật hoang dã và khoáng chất [9]. Đen năm 1965, Horton đã đề xuất WQI với việc phằn loại trạng thái từ kém đến rất tốt trong khoảng từ 0 đến 100 [10]. Định nghĩa này dựa trên 8 chỉ số hoặc thông số chất lượng nước, với trọng số được xác định dựa trên tác động của chúng đối với chất lượng nước. Cả Quỹ Vệ sinh Quốc gia Mỹ (NSF-WQI) và Hội đồng Bộ trưởng Môi trường Canada (CCME-WQI) đều là các tổ chức đã đóng góp vào nghiên cứu về WQI trong nhiều năm.
Mặc dù có nhiều cách tiếp cận và phương pháp đánh giá chất lượng nước, vẫn còn những thách thức trong lĩnh vực này, chẳng hạn như việc lựa chọn các thông số chất lượng nước phù hợp cho một yêu cầu cụ thể. Các ứng dụng chỉnh của WQI bao gồm: - Đánh giá hiện trạng và xu hướng thay đổi chất lượng nước (phân tích sự biến động của chất lượng nước theo không gian và thời gian), nhằm đảm bảo tính hiệu quả của công tác quản lý môi trường [9]. - Hỗ trợ quá trình ra quyết định: WQI có thể được sử dụng như một cơ sở để đưa ra quyết định về phân phối tài chính và xác định các vấn đề ưu tiên. - Phân tích chất lượng nước theo vùng, so sánh chất lượng nước tại các điểm hoặc các khu vực địa lý khác nhau.
- Thu gọn kích thước, đơn giản hóa thông tin để dễ dàng quản lý, sử dụng và lưu trữ, tạo ra tính hiệu quả của thông tin [9]. - Thực hiện tiêu chuẩn (TC)/quy chuẩn (QC): WQI có khả năng đánh giá mức độ đáp ứng thủ/không đáp ứng của chất lượng nước đối với TC/QC hiện tại. - Cung cấp thông tin hữu ích cho cộng đồng. 5 - Hỗ trợ nghiên cứu khoa học: Mặc dù các nghiên cứu sâu rộng về chất lượng nước thường không sử dụng WQI, nhưng nó có thể được áp dụng trong các nghiên cứu vĩ mô khác như đánh giá tác động của quá trình đô thị hóa đối với chất lượng nước khu vực và đánh giá hiệu quả của biện pháp kiểm soát phát thải.2 Quy trình xây dựng chỉ so chat lượng nước Hiện nay, quy trình xây dựng các mô hình WQI thường được thực hiện qua năm bước chiến lược sau đây: Bước 1: Lựa chọn Thông số WQI: Chọn các thông số quan trọng để tính toán WQI.
Bước 2: Tính toán Chỉ số Phụ: Chuyển đổi các thông số thành một thang đo chung thông qua việc tính toán các chỉ số phụ. Bước 3: Xác định Trọng số: Đánh giá ảnh hưởng của mỗi thông số bằng cách xác định trọng số tưong ứng. Bước 4: Tính toán Chỉ số Cuối cùng: Sử dụng các giá trị và trọng số đã xác định để tính toán WQI theo công thức toán học. Bước 5: Xây dựng Thang Phân loại Chất lượng Nước: Tạo ra một thang phân loại chất lượng nước dựa trên giá trị của WQI, giúp đánh giá mức độ tốt hoặc xấu của chất lượng nước.3 Đánh giá chất lượng nước bằng chỉ so đơn lẻ Đe đánh giá chất lượng nước bằng chỉ số đon lẻ có 3 cách tiếp cận chủ yếu: Phưong pháp được áp dụng ỏ Mỹ, theo Hội đồng Môi trường Oregon [11], cùng với một số quốc gia khác, sử dụng kỹ thuật hàm tuyến tính phân đoạn (segmented linear function).
Nói cách khác, phưong pháp này chia đường cong biến thiên theo nồng độ của thông số ô nhiễm Cx thành các đoạn thẳng. Kết quả là, chỉ số đon lẻ của thông so X được xác định bằng công thức (1.1): 4 = aj+l~aj + bị 0-1) Vói aj < Cx < bj, j = 1, 2, 3, ., n (số đoạn thẳng) 6 Trong đó: bj là giá trị trên các điểm nút (the breakpoint) của X ai là giá trị dưới của điểm nút X Giá trị bj và ai được xác định dựa trên TC/QC chất lượng của từng quốc gia, nhằm đặt ra các ngưỡng cho chỉ so I - Phưong pháp đối sánh Cx so với TC/QC môi trường - Phưong pháp tính dựa trên nồng độ tưong đối của chỉ số qi, với giá trị dưới/ trên ngưỡng và trong đoạn TC.4 Đánh giá chat lượng nước bằng chỉ số tổng hợp Phưong pháp sử dụng để đánh giá chất lượng nước thông qua chỉ số tổng hợp được xây dựng từ các chỉ số đon lẻ theo ba cách chính sau đây: - WQI không có trọng số. - WQI tính đến trọng số của mỗi thông số khảo sát. - WQI tổng cộng (TWQI).5 Đánh giá ưu - nhược điem của chĩ so chất lượng nước ỉ.
ỉ Đánh giá theo cách tiếp cận ỉ - WQI không có trọng sổ - Ưu điểm: Các công thức đa dạng, sử dụng tổng, tích, trung bình cộng, trung bình nhân, hoặc tích hợp cả hai phưong pháp trung bình cộng và trung bình nhân. Phưong pháp tính toán đơn giản, thuận lợi cho thực tế, đặc biệt khi có sẵn các giản đồ chỉ số phụ hoặc tra bảng từ các chỉ số phụ. - Nhược điểm: Thiếu trọng số để đánh giá mối tương quan giữa các thông số khảo sát, làm hạn chế khả năng so sánh chất lượng nước giữa các điểm khảo sát. Thang phân cấp đánh giá tự quy định, có thể dẫn đến hiệu ứng mơ hồ (ambiguity) và cảnh báo không chính xác.2 Đánh giá theo cách tiếp cận 2 - WQỈ có tính đến trọng số - ưu điểm: Các công thức đa dạng, sử dụng tổng, tích, trung bình cộng, trung bình nhân, dựa trên phương pháp chuẩn hóa hàm tuyến tính phân đoạn, với giản đồ được đề xuất bởi Ott [12].
De tra cứu thông tin qua phương pháp giản đồ hoặc bảng. - Nhược điểm: số lượng thông số khảo sát hạn chế (n < 12); thang phân cấp đánh giá tự quy định; trọng số được tính dựa trên đánh giá chủ quan từ các chuyên gia. Với WQI dạng tổng 2 Wịỉị (ví dụ của Mỹ - NSF) và số lượng thông số n=9, có thể gặp vấn đề che khuất khi số thông số nhỏ hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần, làm mất tính đồng đều của đánh giá. Xây dựng giản đồ của các chỉ số phụ li trở nên phức tạp khi số lượng thông số tăng lên (ví dụ n > 12).3 Đánh giá theo cách tiếp cận 3 - TWQI Chỉ số này TWQI được Ho [13] đề xuất có ưu điểm là thang phân cấp đánh giá chất lượng nước không tự quy định như các phương pháp khác mà phụ thuộc vào số lượng thông số khảo sát (n > 2).
Tuy nhiên, nhược điểm của chỉ số là chưa tính đến sự biến thiên của chỉ số phụ qi (chỉ số đơn lẻ của thông số i) đối với đơn vị khi qi = 1. Vì vậy, TWQI trong một số trường hợp có thể cho kết quả không phản ánh chính xác hiện trạng thực tế.6 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng WQI trên thế giới và tại Việt Nam ỉ. ỉ Trên the giới Trên toàn thế giới, việc tiếp cận và xây dựng mô hình WQI đa dạng tùy thuộc vào vị trí địa lý, điều kiện tự nhiên, thực trạng chất lượng nước, và hệ thống quản lý của từng khu vực hay quốc gia. Có ba hướng chính được thực hiện: (1) Sử dụng phương pháp tính WQI đã có từ nước ngoài và áp dụng vào quốc gia hoặc địa phương; (2) Cải tiến phương pháp tính WQI hiện tại và áp dụng vào quốc gia hoặc địa phương; (3) Nghiên cứu và phát triển phương pháp tính WQI mới phù hợp cho 8 quốc gia hoặc địa phương cụ thể.
Dưới đây ỉà một sổ phương pháp tỉnh WQI tiêu biểu được sử dụng: Ở Hoa Kỳ, phương pháp tính WQI của Quỹ Vệ sinh Quốc gia Mỹ (National Sanitation Foundation - NSF) được gọi là WQI-NSF. Đây là một phương pháp linh hoạt, có thể sử dụng dạng tổng hoặc tích, có hoặc không có trọng số. WQI-NSF là một phương pháp phổ biến trong các nghiên cứu về chất lượng nước tại Mỹ và nhiều quốc gia. Phương pháp tính WQI-NSF không quá phức tạp và cho kết quả khá hợp lý đối với các nguồn nước sử dụng đa mục tiêu.
Tuy nhiên, mặc dù có tính đến trọng số Wi, những trọng số này (từ 0 - 1) thường được đánh giá theo ý kiến chuyên gia và có thể mang tính chủ quan. Các quốc gia và vùng lãnh thổ thường cải tiến WQI- NSF bằng cách thay đổi các thông số, chỉ số phụ, và trọng số để phản ánh đặc điểm đặc thù của mỗi khu vực [14]. Theo Quynh [14], công thức dạng tổng có tính che khuất, dù sử dụng trọng số hay không. Đối với công thức dạng tích đã khắc phục tính che khuất nhưng nếu trọng số quá nhỏ tính ảo có khả năng xảy ra.
Bên cạnh đó, trong tiến trình quản lý chất lượng nước, bang Oregon ở Hoa Kỳ đã đưa ra chỉ số chất lượng nước từ thập kỷ 70 [15]. Phương pháp này được xây dựng với mục tiêu đơn giản và hiệu quả để mô tả thông tin chất lượng nước mặt. Công thức tính không áp dụng trọng số, do đó, mỗi thông số được coi là quan trọng như nhau. Công thức tính chỉ số phụ phức tạp vì mỗi thông số có cách tính khác nhau ở từng ngưỡng.
Vào năm 1995, các nhà khoa học ở Canada đã phát triển WQI, đưa tất cả các thông số vào tính toán bằng cách so sánh với các tiêu chuẩn chất lượng nước khác nhau như nuôi trồng thủy sản, giải trí,. Phương pháp CCE-WQI không giới hạn số lượng thông số tính toán. Vì không có trọng số 9 (Wi) trong công thức tính WQI, tầm quan trọng của các thông số chưa được đánh giá. Khi có nhiều dữ liệu, tính toán WQI trở nên phức tạp.
CCE-WQI giúp xác định cho một giới hạn trong QC/TC, nên không thuận lợi khi đánh giá chất lượng nước cho nhiều mục đích sử dụng. Ở Đài Loan, phưong pháp tính WQI kết hợp dạng tổng và dạng tích theo nhóm thông số đã được Liou, et al. Phương pháp này quy định trọng số theo nhóm thông số, với các thông số như nhiệt độ, pH, và thông số độc hại có trọng số bằng 1. Trong khi đó, các quốc gia khác như các nước Châu Âu, Malaysia, Trung Quốc,.
thường cải tiến WQI từ WQI - NSF, nhưng có thể tùy chỉnh loại chỉ số cho phù hợp với mục đích sử dụng.2 Tại Việt Nam Tại Việt Nam, các công bố khoa học về WQI chủ yếu tập trung vào môi trường nước mặt, với một số nghiên cứu tiêu biểu như sau: Liou, et al.