0
TỔNG CỤC MÔI TRƯỜNG
TRUNG TÂM QUAN TR ẮC MÔI TRƯỜNG
o0o
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHỈ SỐ CHẤT
LƯỢNG NƯỚC (WQI)
Hà Nội, 2010
1
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
MỞ ĐẦU 3
I. TỔNG QUAN VỀ CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC (WQI) 4
1.1 Tổng quan về chỉ số môi trường 4
1.2 Tổng quan về WQI 5
1.2.1 Giới thiệu chung về WQI 5
1.2.2 Quy trình xây d ựng WQI 5
II. KINH NGHIỆM XÂY DỰNG WQI CỦA MỘT SỐ QUỐC GIA TRÊN THẾ GIỚI
10
2.1 Mô hình WQI áp d ụng tại bang Origon – Hoa Kỳ 10
2.1.1. Lựa chọn các thông số 10
2.1.2. Phương pháp chuy ển đổi biến số: 11
2.1.3. Trọng số: 15
Mô hình WQI hiện tại đang áp dụng sử dụng phương pháp trọng số cân bằng 15
2.1.4. Tính toán WQI cu ối cùng từ các chỉ số phụ 15
2.2 Mô hình WQI áp dụng ở bang Floria 16
2.2.1. Lựa chọn thông số 16
2.2.2. Tính toán chỉ số phụ 17
2.2.3. Trọng số: 19
2.2.4. Tính toán chỉ số cuối cùng 19
2.3 Các mô hình WQI áp d ụng tại Canada 20
2.3.1. Phương pháp đưa ra b ởi trung tâm St Laurent 20

4.4 Tính toán chỉ số cuối cùng Error! Bookmark not defined.
V. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC LVS CẦU VÀ NHUỆ ĐÁY THÔNG QUA
WQI 40
5. 1 Áp dụng WQI cho số liệu quan trắc cho hệ thống LVS Cầu 45
5.1.1 Tổng quan về hệ thống LVS Cầu 45
5.1.2 Áp dụng thử nghiệm WQI để đánh giá chất lượng nước LVS Cầu 47
5.1.3 Một số kết quả tính toán WQI khác đ ối với LVS Cầu 53
5.2 Áp dụng thử nghiệm WQI để đánh giá chất lượng nước LVS Nhuệ Đáy 57
5.2.1 Mạng lưới quan trắc LVS Nhuệ Đáy 57
5.2.2 Chất lượng nước LVS Nhuệ Đáy thông qua từng thông số 59
5.1.3 Một số kết quả tính toán WQI khác đ ối với LVS Nhuệ Đáy 64
VI. KẾT LUẬN 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
3
MỞ ĐẦU
Việt Nam có mạng lưới sông ngòi khá dày, tuy nhiên quá trình phát tri ển kinh tế
xã hội nhanh đã dẫn đến nhiều lưu vực sông bị ô nhiễm nặng. Bảo vệ môi trường các
lưu vực sông đang là yêu cầu bức thiết và đang được quan tâm . Để có nguồn thông tin
phục vụ tốt công tác bảo vệ môi trường các lưu vực sông, mạng lưới quan trắc nước
trên toàn quốc đang hình thành và ngày càng m ở rộng.
Số liệu quan trắc nước từ các chương trình quan trắc thường được sử dụng trong
các báo cáo hiện trạng môi trường các lưu vực sông. Các thông s ố trong môi trường
nước được phân tích đánh giá và đưa ra các nh ận định về hiện trạng và diễn biến của
chất lượng nước.
Ngoài các phân tích đánh giá cho t ừng thông số, các bộ chỉ thị môi trường quốc
gia cũng đã được xây dựng. Bộ chỉ thị môi trường nước mặt lục địa đã có quy định chi
tiết và đang được áp dụng cho cấp độ địa phương cũng như quốc gia.
Chỉ số môi trường là cách sử dụng số liệu tổng hợp hơn so với đánh giá từng
thông số hay sử dụng các chỉ thị. Rất nhiều các quốc gia trên thế giới đã triển khai áp
dụng các mô hình chỉ số chất lượng nước (WQI) với nhiều mục đích khác nhau. Từ

ngừa của công tác bảo vệ môi trường
- Cung cấp thông tin cho những người những người quản lý, các nhà hoạch định chính
sách cân nhắc về các vấn đề môi trường và phát triển kinh tế xã hội để đảm bảo phát
triển bền vững
- Thu gọn kích thước, đơn giản hóa thông tin để dễ dàng quản lý, sử dụng và tạo ra
tính hiệu quả của thông tin.
- Thông tin cho cộng đồng về chất lượng môi trường, nâng cao nhận thức bảo vệ môi
trường cho cộng đồng.
5
1.2 Tổng quan về WQI
1.2.1 Giới thiệu chung về WQI
Chỉ số chất lượng nước (Water Quality Index - WQI) là một chỉ số tổ hợp được
tính toán từ các thông số chất lượng nước xác định thông qua một công thức toán học.
WQI dùng để mô tả định lượng về chất lượng nước và được biểu diễn qua một thang
điểm.
Việc sử dụng sinh vật trong nước làm chỉ thị cho mức độ sạch ở Đức từ năm
1850 được coi là nghiên cứu đầu tiên về WQI.
Chỉ số Horton (1965) là chỉ số WQI đầu tiên được xây dựng trên thang số.
Hiện nay có rất nhiều quốc gia/địa phương xây dựng và áp dụng chỉ số WQI.
Thông qua một mô hình tính toán, t ừ các thông số khác nhau ta thu đư ợc một chỉ số
duy nhất. Sau đó chất lượng nước có thể được so sánh với nhau thông qua ch ỉ số đó.
Đây là phương pháp đơn gi ản so với việc phân tích một loạt các thông số
Các ứng dụng chủ yếu của WQI bao gồm:
 Phục vụ quá trình ra quyết định: WQI có thể được sử dụng làm cơ sở cho
việc ra các quyết định phân bổ tài chính và xác định các vấn đề ưu tiên.
 Phân vùng chất lượng nước
 Thực thi tiêu chuẩn: WQI có thể đánh giá được mức độ đáp ứng/không
đáp ứng của chất lượng nước đối với tiêu chuẩn hiện hành
 Phân tích diễn biến chất lượng nước theo không gian và th ời gian.
 Công bố thông tin cho cộng đồng

Tần suất sử dụng các thông số được chỉ ra trong hình dưới đây:
Hình 2: Tần suất sử dụng các thông số trong các mô hình WQI
(nguồn: Development of Water Quality Indices for Surface Water Quality Evaluation
in Vietnam, Thesis for Ph.D.’s Degree - Pham Thi Minh Hanh)
Bước 2: Chuyển đổi các thông số về cùng một thang đo (tính toán ch ỉ số
phụ)
Các thông số thường có đơn vị khác nhau và có các kho ảng giá trị khác nhau, vì
vậy để tập hợp được các thông số vào chỉ số WQI ta phải chuyển các thông số về cùng
một thang đo. Bước này sẽ tạo ra một chỉ số phụ cho mỗi thông số. Chỉ số phụ có thể
được tạo ra bằng tỉ số giữa giá trị thông số và giá trị trong quy chuẩn. Có nhiều thang
đo có thể sử dụng:
 -100 to 100 (Stoner, 1978)
 -50 to 100 (Béronet al, 1979)
 0 to 1 (Swamee and Tyagi, 2000)
 0 to 10 (Cooper et al, 1994)
 0 to 14 (Prati et al, 1971)
8
 0 to 16 (Sargaonkar and Deshpande, 2003)
 0 to 25 (Gray, 1996)
 0 to 100 (Brown et al, 1973; Shyue et al, 1996; Liou et al, 2004; Sedeño -
Díaz and López-López, 2007; Simões et al, 2008)
 to 10 (Melloul and Collins, 1998)
 10 to 100 (Dunnette, 1979)
Có rất nhiều phương pháp chuy ển đổi thông số nhưng phương pháp đư ờng cong
tỉ lệ (rating curve) được sử dụng rộng rãi nhất.
Bước 3 : Trọng số
Trọng số được đưa ra khi ta cho r ằng các thông số có tầm quan trọng khác nhau
đối với chất lượng nước. Trọng số có thể xác định bằng phương pháp delphi, phương
pháp đánh giá tầm quan trọng dựa vào mục đích sử dụng, tầm quan trọng của các
thông số đối với đời sống thủy sinh, tính toán trọng số dựa trên các tiêu chuẩn hiện

trọng số
Brown et al, 1972 Couillard
and Lefebvre, 1985
5
Tổng không trọng số
dạng Solway
Wepener et al., 2006
6
Tổng có trọng số dạng
Solway
Tyson and House, 1989;
Gray, 1996; Bordalo, 2006
7
Trung bình bình
phương điều hòa không
trọng số
Dojlido et al., 1994; Cude,
2001
8
Giá trị nhỏ nhất
I = Min(q
1
,q
2
, q
n
)
Smith, 1990
9
Giá trị lớn nhất








1
/1
1
Trong đó :
I : Chỉ số cuối cùng
10
n : số lượng thông số
qi: Chỉ số phụ
k là hằng số và được tính như sau:
 
1log/1
2
 nk
Liou et al. (2004) cũng đề xuất dùng một công thức kết hợp cả trung bình cộng
và trung bình nhân.
3/1
1
1
2
1
3
1



 k
k
j
jj
i
iitoxpHtem
qwqwqCCCI
Trong đó :
C
tem
. C
pH
, C
tox
: Chỉ số phụ tương đương ứng với nhiệt độ, pH và các chất độc
hại
q
i
: Chỉ số phụ của nhóm các thông s ố DO, BOD
5
, N-NH
3
q
j
: Chỉ số phụ ywngs với nhóm thông số độ đục, TSS
q
k
: Chỉ số phụ của nhóm vi sinh vật bao gồm Fecal coliform
Chương II. KINH NGHI ỆM XÂY DỰNG WQI CỦA MỘT SỐ QUỐC GIA TRÊN TH Ế

Trong quá trình xây d ựng chỉ số WQI ban đầu, một nhóm các chuyên gia đ ã được tập
hợp và sử dụng phương pháp Delphi đ ể xác định các biến số và trọng số của mỗi biến.
Việc loại bỏ các tỉ lệ bằng phương pháp Redudancy and impai rment categories của 6
thông số (DO, BOD, pH, tổng rắn, amoni+nitrat, fecak coliform). Các thông s ố được
phân loại thành các nhóm nhân t ố khác nhau: tiêu thụ oxy, phú dưỡng, thông số vật lý,
các chất hòa tan và yếu tố ảnh hưởng đến sức khẻ
Sự tiêu thụ Oxy. Với nhiều biến thì sự thay đổi nhỏ trong một biến không thể
phản ánh rõ nét trong ch ỉ số WQI cuối cùng.
Chỉ số WQI phụ được tính toán từ giá trị các thông số thông qua một đường phi
tuyến xây dựng trước. WQI hiện nay cũng được bổ xung thêm 2 thông s ố là tổng P và
nhiệt độ dựa trên những nghiên cứu về điều kiện của các lưu vực tai Oregon. Mỗi một
chỉ số phụ có giá trị từ 10 đến 100.
Oxy hòa tan (DO)
WQI ban đầu chỉ được tính dựa trên độ bão hòa với các điều kiện nhiệt độ khác
nhau. DO là chỉ số quan trọng cho Cá hồi, tôm Chỉ số phụ DO được xây dựng dựa
trên tác động đến các loài thủy sinh. Cách tính chỉ số phụ DO như sau:
- Nồng độ DO bão hòa (DO saturation hay DOs) ≤ 100% hoặc Nồng độ DOc ≤
3.3 mg/l SI
DO
= 10
- 3.3 mg/l < DOc ≤ 10.5 mg/l SI
DO
=-80.29+31.88*DOc-1.401*DOc
2
12
- 10.5 mg/l < DOc SI
DO
= 100
- 100% < DOs ≤ 275% SI
DO

3 mg/l < N SI
N
=10
14
Tổng photphat P
P ≤ 0.25 mg/l SI
P
= 100 – 299.5*P – 0.1384*P
2
0.25 mg/l ≤ P SI
P
= 10
Các chất hòa tan
a. pH
Công thức tính chỉ số phụ pH như sau:
- pH < 4 SI
pH
= 10
- 4 ≤ pH < 7 SI
pH
= 2.628*exp(pH*0.52)
- 7 ≤ pH ≤ 8 SI
pH
= 100
- 8 <pH ≤ 11 SI
pH
=100*exp((pH-8)*-0.5188)
- 11 < pH SI
pH
=10

= 98
50 #/100ml < FC ≤ 1600 #/100ml SL
FC
= 98*exp((FC-50)* -9.9178E-4)
1600 #/100ml < FC SL
FC
= 10
2.1.3. Trọng số:
Mô hình WQI hiện tại đang áp dụng sử dụng phương pháp trọng số cân bằng
2.1.4. Tính toán WQI cu ối cùng từ các chỉ số phụ
WQI ban đầu được tính bằng trung bình số học có trọng số của các chỉ số phụ
thành phần:
16



n
i
ii
WSIWQI
1
Trong đó SIi là chỉ số phụ đối với thông số i, Wi là trọng số tương ứng.
NSF AQI là trung bình theo không gian (geometic mean) có tr ọng số của các
chỉ số phụ thành phần:
i
n
i
i
WSIWQI


Các nhóm thông số để tính toán WQI
- Độ trong của nước: độ đục, tổng rắn lơ lửng
17
- Hàm lượng oxy: DO
- Như cầu oxy (phú dưỡng): COD, BOD, TOC
- Các chất dinh dưỡng: Tổng N, nitrat, Tổng P
- Vi khẩn: Tổng Coliform và Fecal Coliform
2.2.2. Tính toán ch ỉ số phụ
Chỉ số phụ được tính toán từ giá trị thông số bằng phương pháp đư ờng cong tỉ lệ
(rating curve), đường cong này được xây dựng từ các tiêu chuẩn về nước mặt và các
nghiêm cứu về nồng độ các chất ô nhiễm trong nước.
Thông số
Chất lượng tốt
Chất lượng kém
WQI
Đơn
vị
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Chỉ thị: Chất rắn lơ lửng
Độ đục
JTU
1.5

3.1
Chị thị: Nhu cầu oxy
BOD
mg/l
0.8
1
1.1
1.3
1.5
1.9
2.3
3
5.1
COD
mg/l
16
24
32
38
46
58
72
102
146
TOC
mg/l
5
7
9.5
12

0.02
0.03
0.05
0.07
0.09
0.16
0.24
0.46
0.89
18
Chị thị: Vi sinh vật
Tổng
Coliform
MPN/10
0ml
100
150
250
425
600
1100
1600
3700
7600
Fecal
Colifoem
MPN/10
0ml
10
30

Thang điểm WQI:
- Tốt: 0 – 44
- Trung bình: 45 – 59
- Kém: 60 – 99
2.3 Các mô hình WQI áp d ụng tại Canada
Bộ Môi trường Canada đưa ra m ột mô hình WQI (WQI – CCME), mô hình đó
được sử dụng ở nhiều bang tại Canada
2.3.1. Phương pháp đưa ra b ởi trung tâm St Laurent
Trung tâm St Laurent (CSL) là m ột trung tâm chịu trách nhiệm báo cáo chất
lượng nước của sông St. Lawrence. Ch ỉ số WQI được CSL đưa ra như sau:
n
FA
WQI
ii


Trong đó Ai là giá tr ị trung bình mức độ vượt độ vượt quá mức hướng dẫn của
các biến. Khi giá trị của thông số vượt quá mức hướng dẫn đối với thông số đó tỉ lệ
“giá trị thông số/mức hướng dẫn” được tính toán. Ai là trung bình c ủa các giá trị đó.
Fi là tần số của giá trị vượt quá mức hướng dẫn so với tổng số giá trị thu được
của biến đó ( Fi = Faccced/Ftotal)
CSL tính toán các ch ỉ số chất lượng nước khác nhau cho các m ục đích sử dụng
khác nhau như: b ảo vệ các loài thủy sinh, dùng làm nư ớc sinh hoạt, môi trường nước
mặn…
2.3.2. Phương pháp của QUEBEC
Phương pháp này dựa trên cách tiếp cận của New Zealand. WQI là giá tr ị nhỏ
nhất của các giá trị WQI phụ. Mỗi chỉ số phụ được tính toán từ một thông số quan trắc
môi trường nước.
WQI = min(Isub1, Isub2,…,Isubn)
Phương pháp tính toán các ch ỉ số phụ khác các phương pháp áp d ụng tại

Lựa chọn thông số: Các thông số dùng để tính toán WQI là h ầu hết các thông
số có trong chương tr ình quan trắc tại Alberta
Metals & Ions
22
Aluminum
Copper
Molybdenum
Vanadium
Arsenic
Iron
Nickel
Zinc
Beryllium
Lead
Selenium
Cyanide
Boron
Lithium
Silver
Fluoride
Cadmium
Manganese
Thallium
Cobalt
Mercury
Uranium
Pesticides
2,4-D
Picloram
Bromoxynil

Bước 2: Tính toán giá tr ị tần suất F2
F2 là phần trăm số mẫu không đáp ứng được mức hướng dẫn
F2 = (Số mẫu không đáp ứng tiêu chuẩn/Tổng số mẫu)*100
Bước 3: Tính toán giá tr ị biên độ F3
Giá trị F3 được tính toán qua 3 bư ớc sau:
23
- Với các giá trị không đáp ứng được tiêu chuẩn (cao hơn giới hạn trên hoặc
thấp hơn giới hạn dưới), ta tính giá trị sau:
 excursio
i
= (giá trị thông số/mức hướng dẫn) – 1 khi giá trị thông số cao
hơn giới hạn trên của mức hướng dẫn
 excusio
i
= (mức hướng dẫn/giá trị thông số) – 1 khi giá trị thông số thấp
hơn giới hạn dưới của mức hướng dẫn.
- Tính toán giá trị nse
o
n
excusio
nse
k
i
i



1
o Trong đó n là tổng số mẫu
- F3 được tính toán bằng phương pháp tiệm cận và có khoảng giá trị từ 0 đến 100

như sau:
- Nghiên cứu của TS Tôn Thất Lãng, TS Phạm Thị Minh Hạnh, cách tiếp cận
cải tiến từ WQI – NSF.
24
- Phương pháp WQI đưa ra b ởi Ủy ban sông Mê Kông: tính toán t ổng hợp
3.1 Mô hình WQI đưa ra bởi TS Tôn Thất Lãng áp dụng cho sông Đồng Nai
3.1.1. Lựa chọn thông số: phương pháp Delphi
Các thông số được lựa chọn để tính WQI cho sông Đồng Nai:
- BOD, Tổng N
- DO
- SS
- pH
- Coliform
3.1.2. Tính toán ch ỉ số phụ: phương pháp delphi và phương pháp đư ờng cong tỉ lệ
Từ điểm số trung bình do các chuyên gia cho ứng với từng khoảng nồng
độ thực tế, đối với mỗi thông số chất lượng nước chúng tôi xây dựng một đồ thị và
hàm số tương quan giữa nồng độ và chỉ số phụ. Dựa vào phương pháp th ử với sự trợ
giúp của phần mềm xử lý bảng tính Excel, các hàm ch ất lượng nước được biểu thị
bằng các phương trình sau:
- Hàm chất lượng nước với thông số BOD5 y = - 0,0006x2 - 0,1491x +
9,8255
- Hàm chất lượng nước với thông số DO y = 0,0047x2 + 1,20276x - 0,0058
- Hàm chất lượng nước với thông số SS y = 0,0003x2 - 0,1304x + 11,459
- Hàm chất lượng nước với thông số pH y = 0,0862x4 - 2,4623x3 +
24,756x2 – 102,23x + 150,23
- Hàm chất lượng nước với thông số tổng N: y = - 0,04x2 – 0,1752x + 9,0244
- Hàm chất lượng nước với thông số coliform y = 179.39x -0,4067
3.1.3. Trọng số
Thep phương pháp Delphi, các m ẫu phỏng vấn được biên soạn và gởi
đến 40 chuyên gia ch ất lượng nước ở các trường Đại Học, các Viện Nghiên Cứu, các