Nghiên cứu sử dụng mô hình sinh thái phân loại chất lượng thủy vực trên lưu

Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

MỤC LỤC
MỤC LỤC ....................................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ viii
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. viiv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT................................................................................. viiv
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN....................................................................................... 3
1.1. Mối quan hệ giữa chất lƣợng môi trƣờng nƣớc và quần xã sinh vật nƣớc ngọt... 3
1.1.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ................................................................................... 4
1.1.2. Ảnh hƣởng của pH ........................................................................................... 4
1.1.3. Tác động của ô nhiễm chất hữu cơ................................................................... 5
1.1.4. Ảnh hƣởng của ô nhiễm các độc tố .................................................................. 5
1.2. Sinh vật chỉ thị ...................................................................................................... 7
1.2.1. Định nghĩa sinh vật chỉ thị ............................................................................... 7
1.2.2. Nguyên tắc chọn sinh vật chỉ thị ...................................................................... 7
1.2.3. Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng nƣớc dựa vào chỉ số sinh học .................... 8
1.3. Mô hình sinh thái ................................................................................................ 11
1.3.1. Mô hình hóa trong môi trƣờng ....................................................................... 11
1.3.2. Giới thiệu mô hình sinh thái ........................................................................... 11
1.3.3. Thuật toán dựa trên ứng dụng giải số ............................................................. 13
1.3.4. Hệ sinh thái sông suối .................................................................................... 16
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................... 21
2.1. Mục đích và nội dung nghiên cứu ...................................................................... 21
2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 21
2.2.1. Đặc điểm và hiện trạng môi trƣờng của khu vực nghiên cứu ......................... 21
2.2.2. Lựa chọn và mô tả đặc điểm tự nhiên của các vị trí lấy mẫu.......................... 23
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................ 2827

2.3.1. Đánh giá chất lƣợng ................................................................................... 2827
2.3.2. Phân tích tƣơng quan số liệu ....................................................................... 2827
2.3.3. Tính toán chỉ số sinh học ............................................................................ 2928

Dương Văn Bộ

i

Lớp KTMT2012B

Field Code Changed


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

2.3.4. Phƣơng pháp phát triển mô hình sinh thái dạng cây phân loại .................. 3029
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 4543
3.1. Đánh giá chất lƣợng nƣớc sông Cầu dựa trên các chỉ tiêu hóa lý.................. 4543
3.2. Phân loại chất lƣợng thủy vực dựa trên chỉ số sinh học ................................. 4745
3.2.1. Lựa chọn và tính toán các thông số đầu vào và đầu ra .............................. 4745
3.2.2. Phân loại theo sự có mặt của các taxa ĐVKXSCL .................................... 5048
3.2.3. Phân loại theo các chỉ số sinh học............................................................... 5048
3.3. Phát triển mô hình cây phân loại cho đánh giá chất lƣợng nƣớc sông Cầu ... 5250
3.3.1. Phân tích tƣơng quan bộ số liệu .................................................................. 5250
3.2.2. Mô hình cây phân loại và kết quả thu đƣợc ................................................ 5250
3.3. Các tham số chất lƣợng môi trƣờng ảnh hƣớng đến mô hình cây phân loại . 6260
3.4. Đề xuất khác nhằm tăng cƣờng hiệu quả ứng dụng mô hình cây phân loại trong
môi trƣờng. ............................................................................................................ 6260

KẾT LUẬN ........................................................................................................... 6462
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................... 6563
PHỤ LỤC 1: .......................................................................................................... 6866
PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ KẾT QUẢ CỦA MÔ HÌNH ĐỐI VỚI SỰ CÓ MẶT CỦA
CÁC TAXA .......................................................................................................... 7068
PHỤ LỤC 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ CỦA MÔ HÌNH ĐỐI VỚI CÁC CHỈ SỐ
BMWP-Viet và ASPT-Viet................................................................................... 7371
MỤC LỤC ....................................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. iii
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................... v
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN....................................................................................... 3
1.1. Mối quan hệ giữa chất lƣợng môi trƣờng nƣớc và quần xã sinh vật nƣớc ngọt... 3
1.1.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ................................................................................... 4
1.1.2. Ảnh hƣởng của pH ........................................................................................... 4
1.1.3. Tác động của ô nhiễm chất hữu cơ................................................................... 5

Dương Văn Bộ

ii

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

1.1.4. Ảnh hƣởng của ô nhiễm các độc tố .................................................................. 5

1.2. Sinh vật chỉ thị ...................................................................................................... 7
1.2.1. Định nghĩa sinh vật chỉ thị ............................................................................... 7
1.2.2. Nguyên tắc chọn sinh vật chỉ thị ...................................................................... 7
1.2.3. Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng nƣớc dựa vào chỉ số sinh học .................... 8
1.3. Mô hình sinh thái ................................................................................................ 11
1.3.1. Mô hình hóa trong môi trƣờng ....................................................................... 11
1.3.2. Giới thiệu mô hình sinh thái ........................................................................... 11
1.3.3. Thuật toán dựa trên ứng dụng giải số ............................................................. 13
1.3.4. Hệ sinh thái sông suối .................................................................................... 16
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................... 21
2.1. Mục đích và nội dung nghiên cứu ...................................................................... 21
2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 21
2.2.1. Đặc điểm và hiện trạng môi trƣờng của khu vực nghiên cứu ......................... 21
2.2.2. Lựa chọn và mô tả đặc điểm tự nhiên của các vị trí lấy mẫu.......................... 23
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................... 27
2.3.1. Đánh giá chất lƣợng ....................................................................................... 27
2.3.2. Phân tích tƣơng quan số liệu ........................................................................... 27
2.3.3. Tính toán chỉ số sinh học ................................................................................ 28
2.3.4. Phƣơng pháp phát triển mô hình sinh thái dạng cây phân loại ...................... 29
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 47
3.1. Đánh giá chất lƣợng nƣớc sông Cầu dựa trên các chỉ tiêu hóa lý...................... 47
3.2. Phân loại chất lƣợng thủy vực dựa trên chỉ số sinh học ..................................... 49
3.2.1. Lựa chọn và tính toán các thông số đầu vào và đầu ra .................................. 49
3.2.2. Phân loại theo sự có mặt của các taxa ĐVKXSCL ........................................ 52
3.2.3. Phân loại theo các chỉ số sinh học................................................................... 52
3.3. Phát triển mô hình cây phân loại cho đánh giá chất lƣợng nƣớc sông Cầu ....... 54
3.3.1. Phân tích tƣơng quan bộ số liệu ...................................................................... 54
3.2.2. Mô hình cây phân loại và kết quả thu đƣợc .................................................... 54

Dương Văn Bộ

iii

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

3.3. Khảo sát các tham số chất lƣợng môi trƣờng ảnh hƣớng đến mô hình cây phân
loại 64
3.4. Đề xuất khác nhằm tăng cƣờng hiệu quả ứng dụng mô hình cây phân loại trong
môi trƣờng. ................................................................................................................ 65
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 67
KIẾN NGHỊ .............................................................................................................. 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 69
PHỤ LỤC 1: .............................................................................................................. 72
PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ KẾT QUẢ CỦA MÔ HÌNH ĐỐI VỚI SỰ CÓ MẶT CỦA
CÁC TAXA .............................................................................................................. 74
PHỤ LỤC 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ CỦA MÔ HÌNH ĐỐI VỚI CÁC CHỈ SỐ
BMWP-Viet và ASPT-Viet....................................................................................... 77

Dương Văn Bộ

iv

Lớp KTMT2012B

Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Hệ thống tính điểm BMWP (Biological Monitoring Working Party) ........ 8
Hình 1. 2. Các giai đoạn phát triển mô hình sinh thái............................................... 12
Hình 2.1. Bản đồ vị trí lấy mẫu sông Cầu ............................................................. 2625
Hình 2.2. Cấu trúc cây quyết định.....................................................................363436
Hình 2.3. Mô hình cây quyết định dự báo, đánh giá .........................................413943
Hình 2.4: Giao diện đồ họa của

e a .............................................................. 424144

Hình 3.1: Diễn biến hàm lƣợng DO trên sông Cầu...........................................454347
Hình 3.2: Diễn biến COD trên sông Cầu .......................................................... 464448
Hình 3.3. Diễn biến N- NH4 dọc sông Cầu ....................................................... 474549
Hình 3.4. Lệnh huấn luyện dữ liệu ....................................................................575559

Dương Văn Bộ

v

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Các điểm quan trắc trên lƣu vực sông Cầu [15] ....................................... 23
Bảng 2.2: Hệ số tƣơng quan .................................................................................. 2928
Bảng 2.3. Thang điểm BMWP [25] ...................................................................... 2928
Bảng 2.4. Mối liên hệ giữa chỉ số sinh học (ASPT) và mức độ ô nhiễm [1] ........ 3029
Bảng 2.5. Giải thuật ID3 xây dựng cây quyết định: ............................................. 3130
Bảng 3.1. Các giá trị đầu vào của bộ số liệu ..................................................... 484650
Bảng 3.2. Tổng hợp các chỉ số BMWP-Viet và ASPT-Viet............................. 484650
Bảng 3.3: Các taxa ĐVKXSCL đƣợc lựa chọn để khảo sát ............................. 504852
Dựa trên kết quả tính toán các chỉ số sinh học có thể có giá trị đầu ra của mô hình
nhƣ trên Bảng 3.4 và 3.5. .................................................................................. 504852
Bảng 3.4. Phân loại các điểm nghiên cứu theo BMWP-Viet ............................ 504852
Bảng 3.5 Phân loại các điểm nghiên cứu theo chỉ số ASPT-Viet..................... 514953
Bảng 3.6. Hệ số tƣơng quan Pearson (r) tính toán giữa các tham số môi trƣờng đối
với lƣu vực sông Cầu ........................................................................................ 525054
Bảng 3.7. Giá trị CCI và K của các mô hình .................................................... 535155
Bảng 3.8. Bảng tổng hợp các giá trị chính xác của bộ số liệu đƣợc lựa chọn ..575559
Bảng 3.9. Bảng kết quả hi thay đổi các tham số -C, -M với bộ dữ liệu BMWP và
ASPT ................................................................................................................. 595761
Bảng 3.10. Giá trị CCI và K của các mô hình với bộ số liệu BMWP và ASPT
........................................................................................................................... 595761

Dương Văn Bộ

vi

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ASPT

Average Score Per Taxon

ASPT-Viet

Average Score Per Taxon of Vietnam

AUSRIVAS

Autralian River Assessment Scheme

BMWP

Biological Monitoring Working Party

BMWP-Viet

Biological Monitoring Working Party of Vietnam

BOD

Biochemical Oxygen Demand

CCI

Correctly Classified Instances

COD

Chemical Oxygen Demand

DO

Lƣợng ô xy hòa tan có trong nƣớc

ĐVKXSCL

Động vật hông xƣơng sống cỡ lớn

QCVN

Quy chuẩn kỹ thuật Việt Nam

QL

Quốc lộ

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TN

Ni tơ tổng số

TP

Photpho tổng số

WEKA

Waikato Environment for Knowledge Analysis

Dương Văn Bộ

vii

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

MỞ ĐẦU
Sự phát triển nhanh chóng của quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa và sự gia
tăng dân số đã làm cho chất lƣợng nƣớc mặt cũng nhƣ nƣớc ngầm có những biểu
hiện suy thoái nghiêm trọng ở nhiều nơi trên thế giới trong đó Việt Nam cũng
không ngoại lệ. Hiện nay, lƣợng nƣớc thải từ sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và
sinh hoạt hầu nhƣ hông qua xử lý mà đổ trực tiếp vào các thủy vực đã làm cho
nhiều con sông ô nhiễm nặng ở vùng hạ lƣu. Chính vì vậy, các ao, hồ, ênh mƣơng
trong đô thị trở đã thành các bể chứa nƣớc thải bất đắc dĩ.
Mọi sự biến đổi chất lƣợng môi trƣờng nƣớc đều có tác động đến quần xã sinh
vật sống. Trong đó, sự thay đổi sinh lý bất thƣờng, hay sự hiện diện hoặc vắng mặt
của một số loài đặc biệt là động vật bậc thấp có thể phản ánh đƣợc mức độ ô nhiễm

của nƣớc. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh có thể sử dụng sinh vật đó
nhƣ loài chỉ thị trong phƣơng pháp mới đó để đánh giá chất lƣợng nƣớc.
Để giám sát chất lƣợng môi trƣờng nƣớc, Việt Nam cũng nhƣ nhiều nƣớc trên
thế giới thƣờng dùng phƣơng pháp phổ biến là phân tích hóa học. Bên cạnh những
ƣu điểm thì phƣơng pháp này vẫn còn những hạn chế nhƣ đối với những thủy vực
nƣớc chảy các chỉ tiêu lý hóa dễ thay đổi nên lấy mẫu hông đúng thời điểm, trong
một số trƣờng hợp sẽ không phát hiện đúng nguyên nhân gây ô nhiễm và khó dự
báo chắc chắn về tác động của ô nhiễm lên hệ sinh thái. Chính vì vậy, hiện nay
nhiều nƣớc tiên tiến nhƣ Mỹ, các nƣớc chau Âu, Úc … đã phát triển rộng một số
mô hình để xác định các chỉ tiêu cơ bản để giám sát môi trƣờng nƣớc khu vực đó.
Trong số các công cụ sử dụng để đánh giá phân loại chất lƣợng môi trƣờng,
mô hình cây phân loại đƣợc đánh giá là một quy trình đánh giá tổng hợp về môi
trƣờng với bộ số liệu đầu vào tổi thiếu. Mô hình cây phân loại cho một bức tranh
khái quát về chất lƣợng môi trƣờng khu vực nghiên cứu với việc sử dụng số liệu
đầu vào là các thông số hóa lý của môi trƣờng khu vực đó, đầu ra là phân loại dựa
trên chỉ thị sinh học. Để góp phần tiếp tục vào sự phát triển kỹ thuật đó, đề tài
nghiên cứu trong khuôn khổ luận văn cao học: “Nghiên cứu sử dụng mô hình sinh
thái phân loại chất lƣợng thủy vực trên lƣu vực sông miền Bắc” đã đƣợc thực hiện.

Dương Văn Bộ

1

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

Nghiên cứu nhằm mục đích đánh giá chất lƣợng nƣớc lƣu vực sông Cầu qua
các chỉ tiêu hóa lý và các chỉ số sinh học dựa trên ĐVKXSCL thông qua mô hình
cây phân loại áp dụng trên phần mềm WEKA. Dựa trên đó để đánh giá và xác định
các chỉ tiêu cơ bản giúp các cơ quan quản lý giảm thiểu chi phí quan trắc môi
trƣờng thƣờng niên.

Dương Văn Bộ

2

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
Tất cả các cơ thể sống trong đó có con ngƣời đều chịu ảnh hƣởng bởi các
điều kiện môi trƣờng sống xung quanh. Trên cơ sở những hiểu biết về tác động của
các yếu tố vật lý, hóa học lên những có thể sống có thể xác định đƣợc những thông
tin về sự có mặt và cả định lƣợng của nhiều thành phần môi trƣờng. Những sinh vật
tác động của các chất gây ô nhiễm hoặc các chất tự nhiên ở nồng độ cao trong môi
trƣờng sẽ có thể là chỉ thị cho bản thân và mức độ gây ô nhiễm thông qua những
biểu hiện của chúng. Sự tác động và biến đổi này có thể quan sát đƣợc thông qua
một số biểu hiện thƣờng gặp [1]:
-

Thay đổi về đa dạng loài trong quần xã

-

Thay đổi về thành phần loài hoặc nhóm ƣu thế trong quần xã vi sinh vật

-

Tỷ lệ chết trong quần thể gia tăng đặc biệt ở giai đoạn non, mẫn cảm nhƣ
trứng và ấu trùng

-

Thay đổi sinh lý và tập tính của các cá thể

-

Những khiếm khuyết về hình thái và tế bào trong các cá thể

-

Sự tích lũy dần các chất ô nhiễm hoặc sự trao đổi chất của chúng trong các
mô của những cá thể
Do đó trên thế giới, việc nghiên cứu các sinh vật để đánh giá, iểm soát và

cải thiện chất lƣợng môi trƣờng đã đạt đƣợc nhiều thành tựu có nghĩa hoa học và
thực tiễn, đặc biệt là trong đánh giá chất lƣợng môi trƣờng nƣớc ngọt.
1.1. Mối quan hệ giữa chất lƣợng môi trƣờng nƣớc và quần xã sinh vật nƣớc
ngọt
Mỗi sinh vật đều chịu sự tác động trực tiếp hoặc gián tiếp từ các yếu tố môi
trƣờng nhƣ ánh sáng, nhiệt độ, nguồn thức ăn, thành phần hoáng … Sự biến động
của các yếu tố này làm cho sinh vật bị lệch khỏi ngƣỡng thích nghi tối ƣu của mình.

Tuy nhiên các sinh vật có khả năng tự điều chỉnh bằng những phản ứng thích nghi
về hình thái, trạng thái sinh lý và các tập tính sinh thái, nhằm giảm nhẹ hậu quả của
tác động, đồng thời còn cải tạo môi trƣờng theo hƣớng có lợi cho các hoạt động
sống của chúng. Tuy nhiên nếu môi trƣờng bị suy thoái mạnh thì các sinh vật có xu

Dương Văn Bộ

3

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

thế suy giảm về số lƣợng và đa dạng sinh học. Khi môi trƣờng đƣợc tái tạo lại thì
quần xã sinh vật đã thay đổi cũng hó có thể phục hồi trở lại trạng thái ban đầu. [2]
Các yếu tố cơ bản tác động đến đời sống thủy sinh vật bao gồm:
1.1.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ
Nhiệt độ nƣớc tự nhiên phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thời tiết hay môi
trƣờng khu vực. Nƣớc thải công nghiệp, đặc biệt là nhƣ nhà máy điện hạt nhân
thƣờng có nhiệt độ cao hơn nƣớc tự nhiên làm tăng nhiệt độ của thủy vực tiếp nhận.
Nhiệt độ cao của nƣớc làm thay đổi quá trình sinh, hóa, lý học, ảnh hƣởng đến cân
bằng của hệ sinh thái nƣớc. Một số loài sinh vật không chịu đƣợc sẽ chết hoặc phải
di chuyển đi nơi hác, trong hi một số ít loài khác lại phát triển mạnh mẽ [3].
1.1.2. Ảnh hƣởng của pH
Hầu hết các sinh vật chỉ có khả năng sinh trƣởng trong một khoảng điều kiện
pH nhất định. Nếu giá trị pH của môi trƣờng thay đổi ngoài ra khoảng thích nghi đó
thì sinh vật không tồn tại đƣợc.

Số lƣợng loài ĐVKXS trong môi trƣờng nƣớc có tính axit thấp hơn nhiều so
với nƣớc có pH gần trung tính. Trong đó các công trùng, phù du là một trong những
nhóm nhạy cảm nhất với pH thấp. Loài Cánh lông và Cánh úp ít nhạy cảm hơn với
pH thấp [22].
Mức pH trong khoảng 5,8 – 7,2 thì loài phù du Ephemerella funeralis và loài
Cánh cứng Oulimnius latiusculus ở các suối vùng núi Adirondack ( Mỹ ) là những
loài ƣu thế. Nhƣng ở sông, suối có mức pH thấp 4,4 – 5 thì không có mặt 2 loài này,
số lƣợng các taxon của quần xã ĐVKXS cũng bị giảm đi một nửa và các loài Cánh
úp chiếm ƣu thế [24].
Cấu trúc quần xã ĐVKXS đáy cũng bị thay đổi hi môi trƣờng nƣớc bị ô
nhiễm axit. Do có vỏ đá vôi, nên các loài Hai mảnh vỏ và Chân bụng ở 1500 hồ
vùng Norwegian đều biến mất khi pH<6 không thích hợp cho việc hình thành lớp
vỏ. Hai loài giáp xác Lepidurus arcticus và Gammaus lacustrus là những loài rất
nhạy cảm với môi trƣờng nƣớc axit, ngƣợc lại loài Asllus aquaticus lại có thể tồn tại
trong môi trƣờng nƣớc có pH = 5,2 thậm chí cả pH = 4,8 [23].

Dương Văn Bộ

4

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

Nguyên nhân của mọi sự thay đổi cấu trúc quần xã vi sinh vật hi môi trƣờng
nƣớc bị ô nhiễm axit là do hi nƣớc bị axit hàm lƣợng các ion Na+, Cl-,K+, Ca2+
trong nƣớc quá thấp, trong khi H+ và Al3+ lại cao. Trong hi đó các sinh vật lại cần

nhận những ion này để duy trì hoạt động sinh lý của cơ thể. Ngoài ra pH thấp ảnh
hƣởng đến cân bằng ion Al3+ và Cl- trong máu động vật thủy sinh. Ở giá trị pH thấp
ion H+ có thể thẩm thấu vào màng tế bào, Al3+ bị đào thải ra ngoài. Do đó chức
năng thẩm thấu của màng tế bào bị rối loạn, cơ thể bị mất cân bằng muối và khoáng,
kết quả làm tăng nguy cơ tử vong cho sinh vật [22].
1.1.3. Tác động của ô nhiễm chất hữu cơ
Nƣớc bị ô nhiễm hữu cơ chủ yếu do tiếp nhận các chất thải từ sinh hoạt nông
nghiệp và công nghiệp thực phẩm. Thành phần chất hữu cơ ô nhiễm gồm chất dễ
phân hủy sinh học nhƣ cacbonhydrat, Protein, chất béo và các chất hữu cơ hó phân
hủy sinh học nhƣ hydrocacbon vòng thơm, các chất đa vòng nghƣng tụ, các chất clo
hữu cơ. Những thủy vực bị ô nhiễm hữu cơ thƣờng có những đặc tính nhƣ hàm
lƣợng oxy hòa tan thấp, hàm lƣợng cặn lơ lửng cao, đây là những yếu tố chủ yếu tác
động lên quần xã ĐVKXS [4].
Tại các thủy vực bị ô nhiễm hữu cơ nặng thì giun ít tơ Oligochaeta và ấu
trùng muỗi lắc Chironomuc riparius xuất hiện với số lƣợng lớn. Thêm vào đó các
loài ăn thịt chúng lại biến mất nên số lƣợng quần thể của chúng tăng lên với tốc độ
lớn nhất [4].
Ấu trùng cánh úp nhạy cảm với ô nhiễm hữu cơ nhất so với ấu trùng của các
loài côn trùng khác, chúng biến mất ngay cả hi môi trƣờng bị ô nhiễm nhẹ. Ấu
trùng Phù du cũng nhạy cảm với ô nhiễm hữu cơ nhƣng ở mức độ thấp hơn. Trong
số các loài ấu trùng Cánh úp và ấu trùng Phù du thì Amphinemura sulcicollis
(Plecoptera) và Baetis rhodani, Caenis hoaria (Ephemeroptera) là các loài có khả
năng chống chịu với ô nhiễm hữu cơ so với các loài khác cùng bộ [21].
1.1.4. Ảnh hƣởng của ô nhiễm các độc tố
Trong thành phần các chất thải công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt chứa
nhiều chất có độc tính cao đối với sinh vật của thủy vực tiếp nhận nhƣ: im loại
nặng (Ni en, đồng, thủy ngân, mangan …) các hợp chất hữu cơ độc từ thuốc trừ

Dương Văn Bộ

5

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

sâu, thuốc diệt cỏ, Polychlorinated biphenyl (PCBs), các hợp chất có chứa phenol,
formaldehyde, các hí độc nhƣ ammoniac, …
Mức độ tác động của độc tính phụ thuộc vào mỗi loại chất độc, phụ thuộc
vào loài và tuổi, giới tính, ích thƣớc cơ thể, các giai đoạn sống trong vòng đời của
mỗi sinh vật …
Những kim loại ở dạng vết nhƣ chì, cadmi và đồng có trong nƣớc thải chế
biến khoáng sản là độc tố ngay ở nồng độ rất thấp, có thể loại bỏ sự phát triển của
tảo và ảnh hƣởng đến cá và động vật đáy. Kết tủa sắt và nhôm hydroxyt vó thể bao
phủ mang và cơ thể cá, làm ngạt trứng, bao phủ nền đáy suối, lấp đầy vết rạn của đá
làm thay đổi nền đáy hông còn phù hợp với môi trƣờng sống của sinh vật đáy. [22]
Ảnh hƣởng của nhôm và pH thấp đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Sự
kết hợp pH <5 và nồng độ Al3+ > 0,5 mg/l sẽ tiêu diệt các loài cá và nhiều loài
ĐVKXS cỡ lỡn. Loài Phù du Ameletus và Ephemerella funeralis chỉ chịu đƣợc môi
trƣờng axit nhẹ, với nồng độ Al3+ thấp ( < 0,2 mg/l). Al3+ độc hầu hết với cá ở pH =
5,2 – 5,4. Ngoài ra Al3+ có thể trực tiếp gây độc cho cá và ĐVKXS cỡ lớn. Kết tủa
nhôm tích lũy trong mang cá làm ảnh hƣởng đến sự hô hấp của chúng. [22]
Nhiều loài cá và ĐVKXS cỡ lớn có khả năng chịu đựng ion sắt trong điều
kiện pH kiềm nhƣng hông chịu đƣợc trong môi trƣờng axit, nhƣ loài Phù du
Ephemerella Baetis, Attenella và Acentrella, loài bƣớm đá Acroneuria và
Paragnetina.
Độc tính của kẽm và cadimi trên 2 loài giáp xác: Atyephyra desmarestii

(Decapoda) ở sông Eca và Echinogammus meridionalis ( Amphipoda) ở sông Lena
thuộc Bồ Đào Nha thể hiện nhƣ sau: LC50 trong 96h của Cd và Zn lần lƣợt là 42,2
mg/l và 5,43 mg/l ở A.desmarestii, còn ở E.meridionalis và 36,7 µg/l và 4,61 mg/l.
[22].
Thuốc trừ sâu và diệt cỏ cũng là những độc tố mạnh, chúng có giá trị LC50 (
96h) đối với ĐVKXS trong hoảng 1 – 30 µg/l. Đối với sinh vật có khả năng chịu
đựng ô nhiễm tốt nhƣ ấu trùng Chironomidae thuốc trừ sâu vẫn là hợp chất có độc
tính mạnh. Sau khi phun một số loại thuốc trừ sâu ( olfatox, DDT….) thì ấu trùng
Chironomidae, tôm (Caridina, palaemonetes tonkinensis) mất hẳn. Ấu trùng

Dương Văn Bộ

6

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

Chironomidae chỉ xuất hiện trở lại sau 8 – 12h ngày, còn tôm thì sau 50 ngày vẫn
chƣa xuất hiện. [5]
1.2.

Sinh vật chỉ thị

1.2.1. Định nghĩa sinh vật chỉ thị
Là những cá thể, quần thể hay quần xã có khả năng thích ứng hoặc rất nhạy
cảm với môi trƣờng hông hí. Các động vật chỉ thị có thể là một loài, một nhóm

loài, có thể tƣơng quan giữa các nhóm loài hoặc tổng số loài trong quần xã và chỉ số
đa dạng.[5]
1.2.2. Nguyên tắc chọn sinh vật chỉ thị
Vật chỉ thị dễ dàng định loại. Dễ phát hiện.
Tính thích nghi cao. Có khả năng tích trữ chất ô nhiễm, đặc biệt là phản ánh
mức độ môi trƣờng.
Tính nhạy cảm với điều kiện môi trƣờng thay đổi bất lợi hay có lợi cho
chúng.
Các loài động vật có độ thích ứng hẹp thƣờng là vật chỉ thị tốt hơn loài thích
ứng rộng.
Các loài động vật có cơ thể lớn thƣờng có khả năng làm chỉ thị tốt hơn
những loài có cơ thể nhỏ. Bởi vì trong một dòng năng lƣợng nào đó, sinh hối lớn
hay năng suất toàn phần đƣợc duy trì tốt hơn nếu sinh khối đó thuộc về loài lớn.
Tỷ lệ số lƣợng của các loài và cả quần xã cũng cần chú ý trong hi xác định
động vật chỉ thị.
Khi lựa chọn động vật chỉ thị cần tìm hiểu ảnh hƣởng của sự phát triển động
vật có lợi hay có hại cho môi trƣờng sống của con ngƣời và môi trƣờng sinh thái.
Khi xem xét một số yếu tố đặc trƣng cho vùng sinh thái nào đó thì việc
nghiên cứu tổng thể sẽ mang lại hiệu quả cao hơn là hảo sát từng bộ phận riêng rẽ.
Sức chịu đựng của động vật với các điều kiện của môi trƣờng sinh thái. Đặc
tính sinh vật học của động vật chỉ thị: Những đặc tính sinh lý,sinh hóa của động vật
đƣợc thể hiện qua mức độ chịu đựng về các yếu tố môi trƣờng sống. Do đó, để xác
định động vật chỉ thị, điều quan trọng là phải biết những đặc tính sinh học của các
loài động vật trong quần xã.[7]

Dương Văn Bộ

7

Lớp KTMT2012B

Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

1.2.3. Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng nƣớc dựa vào chỉ số sinh học
Trong nghiên cứu chỉ số sinh học, mỗi đơn vị sinh vật nghiên cứu đƣợc gọi
là 1 taxa. Chỉ số sinh học bao gồm cả các chỉ số dùng để quan trắc chất lƣợng nƣớc
trên cơ sở các loài chỉ thị và mức độ mẫn cảm của các taxa chỉ thị đối với sự ô
nhiễm của môi trƣờng. Rất nhiều loại chỉ số sinh học đƣợc nghiên cứu và áp dụng
trên thế giới, trong đó nhóm các chỉ số sinh học đƣợc xây dựng bắt nguồn từ chỉ số
TRENT ở Anh là đƣợc sử dụng rộng rãi hơn cả. [1]
Chỉ số TRENT đƣợc xây dựng bắt nguồn từ các nghiên cứu trên sông
TRENT của Anh, dựa trên những số liệu về sự có mặt hay vắng mặt của các nhóm
ĐVKXS ở đáy liên quan đến 6 sinh vật chìa khóa phát hiện đƣợc trong khu hệ động
vật ở điểm thu mẫu. Chỉ số TRENT có thang điểm từ 1 đến 10 với điểm càng cao
thi chất lƣợng nƣớc càng sạch. Thang điểm này đƣợc tính dựa trên cơ sở bảng phân
loại đã đƣợc xác định sẵn. [1]
Từ chỉ số sinh học TRENT, nhiều loại chỉ số sinh học hác đã đƣợc xây
dựng và ứng dụng rộng rãi. Hình dƣới đây cho thấy sự phát triển của các chỉ số sinh
học và những hệ điểm ở Châu Âu.
Chỉ số sinh học
TRENT

Chỉ số sinh học

Chỉ số sinh học

Chỉ số sinh học

TRENT

TRENT

TRENT

Điểm số Chander của Anh

Điểm số BMWP của Anh
Chỉ số sinh học
TRENT
Điểm số ASPT

Hình 1.1. Hệ thống tính điểm BMWP (Biological Monitoring Working Party)

Dương Văn Bộ

8

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

Để đƣa ra phƣơng pháp nghiên cứu chuẩn, tổ chức nghiên cứu về quan trắc
sinh học (Biological Monitoring Working Party) thành lập ở Anh năm 1976 và đã
đƣa ra hệ thống mới đó là hệ thống tính điểm BMWP. Hệ thống tính điểm BMWP

đƣợc phát triển dựa trên hệ thống tính điểm Chandler để giám sát sinh học chất
lƣợng nƣớc sông ở Anh. [25]
Trong hệ thống điểm BMWP trừ lớp giun ít tơ Oligochaeta, hệ thống này sử
dụng số liệu taxa ở cập độ họ. Mỗi một taxa ĐVKXS cỡ lớn đƣợc nhận một giá trị
điểm tƣơng ứng với từ 1 đến 10 tƣơng ứng với khả năng chống chịu ô nhiễm của họ
đó. Các họ điểm có điểm cao là họ nhạy cảm với ô nhiễm, ngƣợc lại điểm thấp ứng
với họ có khả năng chịu đựng ô nhiễm.
Hệ thống tính điểm BM P đƣợc áp dụng rộng rãi trên thế giới, từ Châu Âu
(Tây Ban Nha, Hà Lan, …) đến Châu Á (Ấn Độ, Thái Lan và Việt Nam …) Tuy
nhiên ở mỗi nƣớc thì BMWP lại đƣợc thay đổi và bổ sung cho phù hợp với điều
kiện tự nhiên của mỗi nƣớc để đảm bảo tính chính xác của phƣơng pháp. Việc áp
dụng điểm số BMWP có những ƣu nhƣợc điểm nhƣ sau:
Ƣu điểm: hệ thống điểm BMWP chứa thông tin về phân bố của hầu hết các
taxa ĐVKXS nằm trong toàn bộ chuỗi thực phẩm trong thủy vực nƣớc ngọt nên có
tính tổng quát cao. Phân bố điểm rộng có thể giúp việc phân loại thủy vực nƣớc
ngọt dễ dàng hơn. Ngoài ra BM P đã cho thấy tính ứng dụng cao do yêu cầu kỹ
năng lấy mẫu và định đoạt của cán bộ kỹ thuật cao.
Nhƣợc điểm: Hệ thống điểm số BM P là đơn vị nghiên cứu chỉ dừng ở mức
họ, trong khi trong cùng một họ có các giống hoặc loài có tính mẫn cảm và chống
chịu hoàn số sinh học đƣợc xây dựng nhằm hạn chế nhƣợc điểm này của chỉ số sinh
học. Tuy nhiên việc áp dụng trong điều kiện Việt Nam có nhiều hạn chế do thiếu
hụt các khóa phân loại.
ASPT không phụ thuộc vào sự đa dạng loài và sự thay đổi mùa trong năm.
Do đó đánh giá chất lƣợng nƣớc bằng ASPT cho kết quả tốt hơn điểm BMWP trong
một số trƣờng hợp.
Tuy nhiên ASPT hầu nhƣ chỉ phản ánh ô nhiễm hữu cơ. Vì hông tính số các
đơn vị phân loại nên ASPT ít phản ánh đƣợc sự ô nhiễm độc tố. Hạn chế này đƣợc

Dương Văn Bộ

9

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

khắc phục bằng cách sử dụng kết hợp cả hệ thống BMWP và ASPT. ASPT tháp và
điểm BMWP tháp chỉ thị cho sự ô nhiễm hữu cơ. ASPT cao hơn và điểm BMWP
tháp chỉ thị cho sự ô nhiễm do độc tố và các tác động vật lý.
Ở Việt Nam đã đƣợc sử dụng trong nghiên cứu ứng dụng ĐVKXSCL để
đánh giá chất lƣợng nƣớc trên 4 hệ thống kênh chính tại TP Hồ Chí Minh. Hầu hết
các kênh chính tại Tp Hồ Chí Minh đều bị ô nhiễm nhất là kênh Nhiêu Lộc – Thị
Nghè. Nghiên cứu đã cho thấy có 28 họ ĐVKXSCL 19 họ thuộc 08 bộ của ngành
Chân khớp, 07 họ thuộc 02 lớp của ngành Thân mềm, 01 họ thuộc phân lớp Đỉa và
01 họ thuộc ngành Giun dẹp. Sử dụng ĐVKXSCL để đánh giá chất lƣợng nƣớc cho
thấy hầu hết các kênh tại Tp Hồ Chí Minh đều ô nhiễm. Mức độ ô nhiễm từ trung
bình đến rất bẩn. Đánh giá này trùng với các đánh giá bằng các chỉ tiêu hóa lý. [6]
Sử dụng ĐVKXSCL đánh giá chất lƣợng nƣớc sông Cầu Đỏ tại thành phố
Đà Nẵng. Chỉ số BMWP-Viet trung bình giữa các đợt hông hác nhau có ý nghĩa
ở mức α = 0,05, chỉ số BMWP-Viet giao động trong khoảng 23,5 – 30,83 điểm. Chỉ
số ASPT trung bình giữa các đợt hác nhau có ý nghĩa và dao động trong khoảng
3,72 – 4,34 điểm. Chất lƣợng nƣớc ở các khu vực nghiên cứu hầu hết ở mức nƣớc
bẩn vừa chứng tỏ nƣớc sông Cầu Đỏ đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Hệ thống
BMWP-Viet khẳng định tính ƣu việt trong việc phẩn ánh chất lƣợng nƣớc do đó
khả năng áp dụng vào quy trình quan trắc sinh học môi trƣờng nƣớc sông. [9]
Sử dụng ĐVKXSCL đánh giá chất lƣợng nƣớc sông Bồ tại tỉnh Thừa Thiên
Huế. Qua nghiên cứu cho thấy sử dụng ĐVKXSCL để đánh giá chất lƣợng nƣớc

cho thấy chất lƣợng nƣớc mặt sông Bồ tƣơng đối tốt. Mức ô nhiễm chỉ ở mức vừa
bẩn đến bẩn vừa có thể cấp nƣớc cho sinh hoạt sau khi xử lý tiếp. Kết quả nghiên
cứu chất lƣợng nƣớc dựa vào chỉ thị ĐVKXSCL cho thấy tƣơng ứng hi đánh giá
bằng các chỉ tiêu hóa lý. Theo đó để sử dụng ĐVKXSCL đánh giá mức độ ô nhiễm
của các nguồn nƣớc mặt tại Thừa Thiên Huế. Đây là phƣơng pháp có nhiều ƣu điểm
góp phần đa dạng hóa các phƣơng pháp đánh giá trong nội địa. [10]
Sử dụng chỉ số sinh học ASPT đánh giá nhanh chất lƣợng sinh học nƣớc ở
lƣu vực sông Cầu. Kết quả nghiên cứu cho thấy chất lƣợng nƣớc mặt tại 28 điểm
quan trắc lƣu vực sông Cầu thuộc loại ô nhiễm vừa đến ô nhiễm nặng, ASPT trung

Dương Văn Bộ

10

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

bình nằm trong khoảng 2 đến 6, mức độ ô nhiễm tăng dần từ các tháng đầu năm đến
mùa hè. [11]
1.3.

Mô hình sinh thái

1.3.1. Mô hình hóa trong môi trƣờng
 Định nghĩa mô hình hóa
Mô hình hóa (Modelling) là thay thế đối tƣợng gốc bằng một mô hình nhằm

thu nhận các thông tin quan trọng về đối tƣợng bằng cách tiến hành các thực
nghiệm trên mô hình.
Mô hình sau khi thực thi cần đạt đƣợc các tính chất sau:
-

Tính đồng nhất: Mô hình phải đồng nhất với đối tƣợng mà nó phản ánh theo
những tiêu chuẩn định trƣớc

-

Tính thực dụng: Có khả năng sử dụng mô hình để nghiên cứu đối tƣợng
Ngày nay, mô hình hóa trong môi trƣờng trở thành một công cụ quan trọng

để tính toán và đánh giá các đối tƣợng cụ thể tƣơng ứng với mô hình, nhằm lên kế
hoạch quản lý tài nguyên thiên nhiên nói riêng, và môi trƣờng nói chung. Về bản
chất, các mô hình hóa trong môi trƣờng đều dựa trên các phƣơng trình bảo toàn vật
chất. Ví dụ: để tính toán sự phân bố ô nhiễm trong sông, ngƣời ta dựa vào phƣơng
trình mô tả các quá trình lý hóa sinh nhƣ: vận chuyển, khuếch tán, tự làm sạch.
1.3.2. Giới thiệu mô hình sinh thái
Mô hình sinh thái có thể xem nhƣ một bức tranh mô phỏng về cấu trúc, chức
năng, các quá trình cơ bản của hệ sinh thái. Mô hình nói chung hay mô hình sinh
thái nói riêng đƣợc xem nhƣ công cụ hiệu quả vì nó dễ đƣợc tiếp cận, mô phỏng dễ
nghiên cứu hơn là trên hệ thống thực vốn dĩ thƣờng rất phức tạp. Do vậy, ngày nay,
mô hình sinh thái ngày càng trở nên phổ biến và không nghừng phát triển. Mô hình
sinh thái có ƣu thế trong việc kiểm tra, đánh giá các giả thuyết khoa học về cá phản
ứng của hệ sinh thái. Vì hệ sinh thái là hệ thống phức tạp nên thƣờng không thể
thực nghiệm trên toàn bộ hệ. Vì thế có thể tạo ra những thay đổi trên hàm lực để
hiểu hơn về hệ sinh thái thông qua các biến trạng thái.

Dương Văn Bộ

11

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

Cho đến nay mô hình sinh thái đã trải qua 6 giai đoạn với sự mở đầu là mô
hình sinh thái ứng dụng Lotka-Volterra và mô hình Streeter-Phelps trong những
năm 1920, phát triển đến hiện tại là các mô hình 3D tích hợp.
Giai đoạn thứ 6 là thời kỳ phát triển rực rỡ của mô hình sinh thái cả chiều
rộng lẫn chiều sâu. Trong thời kỳ này một số kiểu mô hình mới đƣợc ứng dụng rộng
rãi tiêu biểu nhƣ mô hình dựa vào cá thể (IBMs), mạng lƣới trí tuệ nhân tạo (ANNs)
và mô hình động học cấu trúc … Với khả năng máy tính ngày càng mạnh có thể
phát triển nhứng mô hình phức tạp. Trong quản lý môi trƣờng, phát triển các mô
hình kinh tế - xã hội – sinh thái cũng trở nên cần thiết vì mối quan hệ kinh tế xã hội
của các cây quyết định quản lý môi trƣờng cần đƣợc quan tậm.

Mô

hình

Đặc trƣng

Hệ

sinh

Các

mô

nhân sinh

hệ

sinh

thái

đƣợc

hình

sinh

tích

đƣợc

thái

đƣợc

mô

hình

thái

mới,

mô

hợp trong

phản

ánh

hóa

mô

hình

mô hình

mô

Yếu

tố

Streetler

thủy

văn

và Lotka-

đƣợc

Voltera

hợp

Tác

hình ID

động

kết

3D

hình

2D

1920

1950

1970

1975

1980

1990

Nay

Hình 1. 2. Các giai đoạn phát triển mô hình sinh thái
Ứng dụng mô hình sinh thái
Một số kết quả bƣớc đầu ứng dụng mô hình sinh thái ở vùng ven biển Cát Bà – Hạ
Long. Trên cơ sở các kết quả của mô hình thủy động lực và chất lƣợng nƣớc, các
kết quả của mô hình sinh thái đã cho thấy những tác động khác nhau của các điều
kiện môi trƣờng lên quá trình hình thành của các thủy vực. Ảnh hƣởng của các điều
kiện nguồn thải, ảnh hƣởng của các điều kiện hí tƣợng thủy văn, của doa động
mực nƣớc, theo độ sâu. Trong hai yếu tố ảnh hƣởng lớn đến phaanb ố và biến động
ở vùng này là tác động của nguồn vật chất từ lục địa và dao động mực nƣớc. Khu
vực ven biển Cát Bà – Hạ Long có số lƣợng tảo giáp chiếm ƣu thế khá lớn so với

Dương Văn Bộ

12

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

các loại tảo khác với giá trị mật độ phổ biến 0,05 – 3 mgC/l. Mật độ tảo khác biến
động chủ yếu trong khoảng 0,02-0,15 mgC/l mùa mƣa và 0 – 0,01 mgC/l mùa khô.
1.3.3. Thuật toán dựa trên ứng dụng giải số
Kiến thức về mối quan hệ giữa các yếu tố môi trƣờng và sự xuất hiện của các
sinh vật nƣớc ngọt là vấn đề chính trong quản lý bảo tồn và phục hồi sông. Đánh giá
các khu vực để dự báo tác động của loài tới sự thay đổi sử dụng đất hoặc cấu trúc
sông là một trong những ý nghĩa của việc nghiên cứu mối quan hệ môi trƣờng và
loài. Trong bối cảnh này, mô hình hóa đang trở thành một công cụ cần thiết để hỗ
trợ ra quyết định trong quản lý nƣớc. Mặc dù vậy, bản chất phi tuyến tính và phức
tạp của hệ sinh thái làm cho sự nghiên cứu trở nên hó hăn đòi hỏi một quá trình
nghiên cứu lâu dài trong mô hình hóa hệ sinh thái. Sự có sẵn của các dữ liệu phù
hợp và kỹ thuật mô hình, tuy nhiên, cho phép sự phát triển của mô hình hệ sinh thái
với độ tin cậy cao hơn. Gần đây, những khái niệm mới đang trở nên phổ biến để
phân tích dữ liệu sinh thái và đƣa ra dự báo cho quản lý sông. Mạng Bayesian là
một trong những phƣơng pháp tiếp cận đã chứng minh tiềm năng cao trong việc mô
hình hóa độ phù hợp môi sinh, khi chúng kết hợp với các dự báo có độ tin cậy với
một sự giải thích phù hợp với các kết quả đƣợc dự báo [18].
 Lý thuyết mạng Bayes
Mạng Bayesian còn gọi là mạng niềm tin (BNs) đƣợc phát triển cuối những
năm 1970 ở đại học Stanford. BNs là mô hình đồ thị thể hiện mối quan hệ nhân quả
giữa các biến. BNs chủ yếu dựa trên lý thuyết xác suất có điều kiện (luật Bayes).
BNs còn là một dạng của biểu đồ ảnh hƣởng, kết hợp hài hòa giữa lý thuyết xác suất
và đồ thì để giải quyết 2 vấn đề quan trọng: tính không chắn chán và tính phức tạp.
Phƣơng trình đơn giản nhất nhƣ sau:
P( A / B)  P( B / A) x

P( A)
P( B)

Trong đó, A, B là 2 sự kiện có thể xảy ra và phụ thuộc nhau, P(A) là xác suất
xảy ra A, P(B) là xác suất xảy ra B, P(A│B) là xác suất có điều kiện của A hi đã
biết B xảy ra.

Dương Văn Bộ

13

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

Cấu trúc mạng BNs bao gồm các nút cha, nút con, thể hiện mối quan hệ nhân
quả bằng dấu mũi tên hƣớng từ nút cha đến nút con. Mỗi nút có một trạng thái khác
nhau, tùy theo đặc trƣng của biến đó. Mỗi núi đƣợc gắn với 1 bảng xác suất có điều
kiện (CPTs), đƣợc lấy từ những thông tin ban đầu hoặc dữ liệu, kinh nghiệm trong
quá khứ.[27]
Cùng với lý thuyết BNs, các lý thuyết hác nhƣ lô gic mờ (Fuzzy logic),
mạng nơ ron nhân tạo (Artificial Neural Networks – ANNs), thuật toán gen (Genitic
Algorithms – GAs), cây quyết định (DTs) là các phƣơng pháp chủ yếu dựa trên xác
suất có điều kiện để dự báo hoặc chẩn đoán một sự việc, một vấn đề đã, đang hoặc
sắp xảy ra. Ví dụ, đối với dự báo lũ cho một khu vực, ta dựa vào dữ liệu các lần xảy
ra lũ trƣớc đó và những bằng chứng hiện tại liên quan, từ đó xây dựng mạng BNs và
dự báo có hay không việc xảy ra lũ trong thời điểm cần xét. Cùng với sự phát triển
của các lý thuyết trên, tính ƣu việt của chúng ngày càng đƣợc chứng minh trong
cách tiếp cận mô hình sinh thái [26].
 Lý thuyết cây phân loại (Classification trees (CTs)

Tài liệu nghiên cứu ứng dụng cây phân loại và hồi suy trong mô hình sinh
thái nói chung còn đang rất hạn chế [19]. Dzecos i, ngƣời đầu tiên sử dụng cây
phân loại trong phân tích quần thể trong sông. Cây phân loại này bao gồm sự phân
loại sinh học của sông British dựa trên dữ liệu chỉ thị sinh học, phân tích ảnh hƣởng
của các yếu tố lý hóa lên qúa trình sinh học của các sinh vật đƣợc lựa chọn ở sông
Slovenian. Một số nghiên cứu khác ứng dụng cây phân loại để tính toán độ phù hợp
môi sinh thông qua thuật ngữ “xuất hiện/vắng mặt” của một loài tại một khu vực
sinh sống đã đƣợc tiến hành. Đầu tiên, mô hình đƣợc phát triển dựa theo cây phân
loại nhằm dự báo giá trị của biến số phụ thuộc rời rạc với 1 dãy cố định các giá trị
từ các biến độc lập. Thuật toán C4.5 (còn gọi là „Top-Down Induction of Decision
Trees”) là một trong những cách đƣợc sử dụng rộng rãi trong cây phân loại. Cấu
trúc cây bao gồm nhiều nhánh, tại mỗi nhánh, giá trị hữu ích nhất đƣợc lựa chọn
làm rễ của cây và nốt này đƣợc chia ra thành các nhánh con theo các giá trị đƣợc lựa
chọn.

Dương Văn Bộ

14

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

Tiếp theo mô hình này đƣợc kết hợp với thuật toán di truyền, cái mà sử dụng
để lựa chọn các biến số đầu vào liên quan. Các biến đầu vào của mô hình bao gồm
các biến số lý hóa và cấu trúc sông, một số là liên tục, và số khác là rời rạc, trong
hi đầu ra của mô hình là dữ liệu về động vật hông xƣơng sống, chính là dữ liệu

rời rạc (xuất hiện hoặc vắng mặt).
Mô hình dự báo đƣợc ƣớc tính dựa trên cơ sở của 2 phƣơng pháp. Điều này
đòi hỏi đạo hàm ma trận, cái mà có thể chỉ ra các trƣờng hợp: đúng dƣơng (true
positive (TP)), sai dƣơng (false positive (FP)), sai âm (false negative (FN)) và đúng
âm (true negative (TN)). Theo cách này, các mẫu vắng mặt/ xuất hiện đƣợc lập bảng
dự báo.
Phƣơng pháp đầu tiên đƣợc tính dựa vào chỉ số “Correctly Classified
Instances” (CCI):

Phƣơng pháp thứ 2 là dựa vào thống ê Cohen‟s appa. Cách tính này là
bảng thống kê tính toán phần trăm của tất cả các trƣờng hợp có thể của sự vắng mặt/
xuất hiện đƣợc dự báo đúng đắn bởi 1 mô hình sau khi tính toán cho các dự báo. Nó
đƣợc tính nhƣ sau:

Thông thƣờng, để giảm thiểu độ nhiễu của dữ liệu và cải thiện các kết quả dự
đoán liên quan tới độ chính xác và độ phức tạp, ngƣời ta sử dụng các phƣơng pháp
tối ƣu hóa: tree-pruning, bagging and boosting. Phƣơng pháp “tree-pruning” là cơ
chế quan trọng khi nó cải thiện tính minh bạch của cây bằng việc giảm thiểu kích cỡ
của chúng, cũng nhƣ nâng cao độ chính xác trong phân loại bằng việc ƣớc tính lỗi
xuất hiện do độ nhiễu của dữ liệu.
Có thể thấy, mô hình cây phân loại là một công cụ hỗ trợ ra quyết định quản
lý sông để cải thiện hiệu suất quan trắc và đánh giá, ví dụ: có thể lựa chọn phƣơng

Dương Văn Bộ

15

Lớp KTMT2012B

Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

pháp phục hồi tối ƣu nhất từ dãy kịch bản phục hồi sông đã cho trƣớc bằng việc dự
đoán tác động của các kịch bản khác nhau này lên độ phù hợp môi trƣờng.
1.3.4. Hệ sinh thái sông suối
a/ Đặc tính tự nhiên
Sông (river) và suối (stream) là thuật ngữ chung chỉ kiểu thủy vực nƣớc chảy
ở lục địa. Suối là loại hình thuỷ vực nƣớc chảy phổ biến ở vùng núi. Suối có thể coi
là sông cấp 1, một số suối lớn là sông cấp 2. Suối đặc trƣng ở lòng hẹp và nông,
mực nƣớc thấp và có nền đáy đá, đá tảng hoặc sỏi cuội.
Dọc theo dòng suối chính thƣờng có các nhánh phụ đổ vào. Nƣớc suối chảy
với tốc độ lớn, nhƣng giảm dần từ đầu nguồn tới cuối nguồn. Phần khởi nguyên của
các con sông vùng núi (phần đầu của đầu nguồn sông) đều có dạng những dòng
suối. Đặc tính quan trọng nhất của suối là mực nƣớc biến đổi thất thƣờng. Do dòng
suối chảy xiết, bờ thấp và không vững chắc nên dòng chảy của suối thƣờng luôn
thay đổi nhất là ở phần đầu nguồn, do tác động của mƣa lũ. Mực nƣớc ở suối biến
đổi rất đột ngột, mùa mƣa lũ nƣớc dâng cao rất nhanh, chảy mạnh, có khi cuốn trôi
cả nền đáy. Sau một vài ngày mức nƣớc lại hạ thấp, nƣớc trong lại và chảy với tốc
độ bình thƣờng.
Các suối ở vùng thấp hơn thì nền đáy có cả bùn-cát. Nhìn chung, môi trƣờng
nƣớc sông-suối biến động rất lớn theo mùa, theo sự biến đổi của thời tiết, của cƣờng
độ bức xạ mặt trời. Dòng chảy làm gia tăng mối tƣơng tác giữa mặt nƣớc với không
hí cho nên nƣớc thƣờng bão hòa ô xy hòa tan. Sự tƣơng tác giữa nƣớc với đất làm
gia tăng sự sói mòn, độ đục và chất dinh dƣỡng. Nhiều khu vực suối đầu nguồn bị
bóng cây che lấp ngăn cản bức xạ nhiệt của mặt trời. Nhiệt độ nƣớc của suối thƣờng
thấp hơn so với các thủy vực khác. Trên cơ sở các yếu tố địa hình và chế độ dòng
chảy, suối có các kiểu nơi cƣ trú cơ bản: thác nƣớc (waterfall), ghềnh (riffles) và
vực suối (pool)...

Tại các khu vực có ghềnh, mực nƣớc nông, nƣớc chảy xiết qua bãi đá, sỏi.
Do nƣớc chảy mạnh, không khí luôn đƣợc xâm nhập vào nƣớc nên hàm lƣợng ô xy
bao giờ cũng ở mức cao. Thực vật ở ghềnh chủ yếu là các nhóm tảo bám bề mặt đá,

Dương Văn Bộ

16

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

sỏi (Periphyton), có thể là dạng sợi và phát triển thành thảm hoặc có thể là nhóm tảo
si líc sống bám trên tảo khác hoặc trên đá, sỏi.
Trên một số chỗ nhất định của suối, có các vũng nông, nƣớc tù hoặc quẩn gọi
là vũng suối. Tại đây, tốc độ dòng nƣớc chậm hơn, cát, bùn từ vùng thƣợng lƣu
đƣợc lắng động, bởi vậy nền đáy ở đây thƣờng là mềm: cát hoặc bùn. Một đặc điểm
đáng lƣu ý là ở vũng suối thƣờng tích tụ các mảnh vụn đã đƣợc phân hủy đƣợc cung
cấp từ trên vùng lƣu vực. Mặc dầu có sự phân biệt nhƣng hai iểu nơi cƣ trú này
thƣờng có quan hệ mật thiết với nhau.
Sông là thuỷ vực nƣớc chảy tiêu biểu với đặc điểm: khối nƣớc luôn chảy
theo một chiều nhất định, từ thƣợng lƣu đến hạ lƣu do sự chênh lệch về độ cao so
với mực nƣớc biển của lòng sông. Dòng chảy của một đoạn sông hi nƣớc đầy, giữa
hai bờ sông đƣợc gọi là dòng chảy nền. Khi nƣớc cạn, dòng chảy của sông thu vào
dòng chảy gốc, cách xa hai bờ sông. Bãi đất cạn hở ra trong mùa nƣớc cạn nằm giữa
bờ sông và dòng chảy gốc gọi là bãi sông, có thể phân thành nhiều tầng. Sông là
hợp lƣu của nhiều dòng suối, có ích thƣớc rộng hơn và thƣờng có độ đục cao hơn

ngăn cản sự truyền ánh sáng. Nhiệt độ nƣớc sông thƣờng cao hơn suối, độ sâu lớn
hơn, nền đáy thƣờng là cát, cát-bùn ở vùng thƣợng và trung lƣu hoặc bùn cát ở vùng
đồng bằng. Do độ rộng lớn, dòng chảy trung bình cũng nhƣ lƣợng nƣớc chảy của
sông lớn hơn so với suối mặc dù độ dốc của sông có thể không bằng suối.
Hành lang ngập lụt ven sông, suối (Riparian Corridor): là một dải bờ chạy
dọc sông, suối. Dải bờ này hẹp ở suối, rộng hơn ở sông, đặc biệt có thể thành các
bãi rộng lớn ở hai bờ sông vùng đồng bằng. Trên hành lang ngập lụt là thảm thực
vật. Kiểu thảm thực vật phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thuỷ văn, địa chất và độ
kiềm của đất và một số yếu tố khác. Thảm thực vật này có tác dụng nhƣ là cơ sở
cung cấp chất dinh dƣỡng cho thuỷ vực, là nguồn thức ăn, che mát, đồng thời là nơi
đẻ trứng, hoặc cƣ trú cho nhiều loài cá và thuỷ sinh khác vào thời kỳ ngập lụt.
b/ Quần xã thuỷ sinh vật của suối-sông
Suối và sông là một kiểu nơi cƣ trú phức hợp: từ một dòng chảy bé ở vùng
đầu nguồn tập hợp thành suối và cuối cùng thành sông. Sinh vật suối thƣờng rất
giống với thuỷ sinh vật ở thƣợng lƣu sông, về thành phần loài cũng nhƣ về số

Dương Văn Bộ

17

Lớp KTMT2012B


Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội

lƣợng. Hai bên bờ suối thƣờng có thực vật lớn phát triển, mọc thành bụi. Do nƣớc
chảy mạnh và có nền đáy đá là chủ yếu, quần xã thuỷ sinh vật suối có sinh vật nổi
nghèo nàn, thực vật ven bờ phát triển mạnh, động vật đáy há phong phú, chủ yếu

gồm các loài sống bám ở đáy đá và ở nƣớc chảy mạnh (tôm, cua, ấu trùng côn trùng
Trichoptera, Ephemeroptera, bọ cánh cứng Psephenidae, ấu trùng muỗi
Anophene..., các loài ốc ích thƣớc nhỏ họ ốc Pomatiopsidae, Ancylidae, Thiaridae,
họ ốc tháp có ích thƣớc lớn hơn nhƣ Pachychilidae). Hệ cá suối bao gồm các các
loài cá ích thƣớc nhỏ. Do độ trong lớn nên các nhóm tảo bám đá phát triển là cơ sở
thức ăn quan trọng cho cá và động vật không xƣơng sống. Theo đánh giá của nhiều
tác giả, khu hệ thuỷ sinh vật hệ sinh thái suối có tỷ lệ các loài đặc hữu cao và trong
kiểu hệ sinh thái này, còn nhiều loài chƣa đƣợc phát hiện. Mùa nƣớc lũ lớn, khu hệ
sinh vật đáy ở suối bị huỷ diệt đi rất nhanh, nhƣng rồi lại hồi phục nhanh, ngay sau
khi hết cơn lũ.
Đặc điểm quan trọng của sông là chế độ nƣớc chảy, sự phân chia thành nhiều
đoạn sinh cảnh hác nhau: thƣợng lƣu, trung lƣu và hạ lƣu có nhiều nhánh sông
chảy qua nhiều địa phƣơng. Phù hợp với đặc điểm trên, quần xã thuỷ sinh vật sông
có cấu tạo hông đồng nhất, sai khác nhau giữa thƣơng lƣu và hạ lƣu. Thành phần
loài cũng mang tính chất pha trộn, có nhiều loài ngoại lai từ các thuỷ vực khác di
nhập vào.
Sông là nơi cƣ trú rất quan trọng của các quần thể cá. Nơi cƣ trú này đƣợc
đặc trƣng bởi hàm lƣợng ô xy hoà tan thấp hơn so với suối, nhiệt độ cao hơn, độ đục
cao hơn, hàm lƣợng dinh dƣỡng cũng cao hơn, đáy bùn và có mùa lụt. Nền đáy sông
thay đổi từ cát vùng thƣợng và trung lƣu đến cát-bùn, bùn cát ở vùng hạ lƣu.
Trong thành phần sinh vật nổi của sông phát triển mạnh: vi khuẩn, tảo khuê,
tảo lam, tảo lục, giáp xác nhỏ kém phát triển. Thành phần loài và số lƣợng nghèo ở
thƣợng lƣu và giàu dần lên ở hạ lƣu. Do chế độ nƣớc chảy mạnh, nên sinh vật nổi
phân bố tƣơng đối đồng đều theo chiều ngang cũng nhƣ thẳng đứng. Số lƣợng sinh
vật nổi nhiều nhất vào kỳ nƣớc thấp và nghèo đi ở ì nƣớc cao.
Trong thành phần sinh vật đáy ở sông , thực vật kém phát triển, động vật đáy
rất đa dạng tuỳ thuộc vào tính chất nền đáy: đáy cát, đáy đá hay đáy bùn. Sinh vật

Dương Văn Bộ

18

Lớp KTMT2012B