Kiểm nghiệm và đánh giá chỉ số chất lượng nước WQI - cải tiến được xây dựng phù hợp với các sông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên

Hóa học & Kỹ thuật môi trường

KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC
WQI - CẢI TIẾN ĐƯỢC XÂY DỰNG PHÙ HỢP VỚI CÁC SÔNG
TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THÁI NGUYÊN
Nguyễn Lê Tú Quỳnh1*, Lê Trình2
Tóm tắt: Nghiên cứu đã tiến hành kiểm nghiệm và đánh giá mức độ tối ưu của
chỉ số chất lượng nước WQI - cải tiến được xây dựng phù hợp với các sông trên địa
bàn tỉnh Thái Nguyên. Theo Ott W. R và Cục Bảo vệ môi trường Mỹ thì cần tập
trung đánh giá theo 4 tiêu chí: tính ảo, tính che khuất, độ nhạy và khi thiếu số liệu
quan trắc. 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.
Từ khóa: Chỉ số chất lượng nước, Thái Nguyên.

1. MỞ ĐẦU
Hiện nay, có nhiều cách xây dựng hàm số tổng hợp để xác định công thức tổng
quát của Chỉ số chất lượng nước (Water Quality Index - WQI). Công thức tổng
quát WQI là các hàm số tổng hợp có thể dưới dạng tổng, dạng tích, dạng ghép,
dạng min, max... Công thức tổng quát của WQI được tính từ giá trị chỉ số phụ và
trọng số của các điểm quan trắc. Để đánh giá ưu nhược điểm của từng WQI, theo
Ott [1]. (1978) đưa ra 21 tiêu chí, trong khi đó Cục Bảo vệ môi trường Mỹ (US
EPA) [2] đã tổng hợp với 15 tiêu chí để đánh giá WQI. Tuy nhiên, các nghiên cứu
thường tập trung đánh giá và kiểm nghiệm với 4 tiêu chí sau: (1) tính ảo; (2) tính
che khuất; (3) xem xét độ nhạy; và (4) tính toán trong trường hợp thiếu số liệu.
Trong nghiên cứu "Xây dựng chỉ số chất lượng nước trong phân vùng chất
lượng nước sông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên", Nguyễn Lê Tú Quỳnh đã xây
dựng WQI - cải tiến phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội tỉnh Thái
Nguyên. Ngoài ra, WQI - cải tiến cũng được xây dựng dựa vào hiện trạng chất
lượng nước sông Cầu - Công trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên và ý kiến các chuyên
gia. Để đánh giá mức độ tối ưu của WQI - cải tiến, cần thiết phải đánh giá theo 4
tiêu chí đã nêu trên.

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mô hình WQI - cải tiến sẽ tiến hành kiểm nghiệm và đánh giá mô tả như sau:
- 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), PO43- (0,08)
và Nhóm các thông số độc tính cao (1).
- Công thức hàm tổng hợp:
+ Dạng tổng và có tính đến trọng số đóng góp:
k

q n

WQIA - cải tiến = đh  qi.wi 
100  1

+ Dạng tích và có tính đến trọng số đóng góp:

q  n
WQIM - cải tiến = đh  qi wi 
100  1

128

(1)

k

(2)

N. L. T. Quỳnh, Lê Trình, “Kiểm nghiệm và đánh giá… trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên.”

Nghiên cứu khoa học công nghệ

Trong đó:
- qi: chỉ số phụ của thông số I;
- qđh: chỉ số phụ của nhóm các thông số độc hại;
- wi: trọng số của thông số I;
- n: số lượng các thông số tính;
- k: hệ số mũ, trong đó: k  1
n

w

(3)
j

1

với:

- j: thông số thiếu số liệu; - wj: trọng số của thông số thiếu số liệu

- Giá trị của các thông số được thay đổi các bước nhảy theo giới hạn của QCVN
08:2008/BTNMT và chia thành 61 trường hợp (từ 1 - 61).
3. KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN
3.1. Xem xét tính che khuất và tính ảo của mô hình WQI - cải tiến
Các trường hợp tính toán như sau:
- Trường hợp từ 1 đến 6: Nồng độ các thông số thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến
vượt chuẩn B2.
- Trường hợp từ 7 đến 11: Nồng độ chỉ số BOD5 (có trọng số lớn nhất) thay đổi

từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các thông số khác giữ nguyên đạt
chuẩn A1.
- Trường hợp từ 12 đến 16: Nồng độ chỉ số BOD5 giữ nguyên bằng chuẩn A1.
Nồng độ thông số DO (có trọng số lớn thứ hai) thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt
chuẩn B2. Nồng độ các thông số khác giữ nguyên đạt chuẩn A1.
- Trường hợp từ 17 đến 21: Nồng độ chỉ số BOD5 giữ nguyên bằng chuẩn A2.
Nồng độ thông số DO thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các
thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1.
- Trường hợp từ 22 đến 26: Nồng độ chỉ số BOD5 giữ nguyên bằng chuẩn B1.
Nồng độ thông số DO hay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các
thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1.
- Trường hợp từ 27 đến 31: Nồng độ chỉ số BOD5 giữ nguyên bằng chuẩn B2.
Nồng độ thông số DO thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các
thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1.
- Trường hợp từ 31 đến 36: Nồng độ chỉ số BOD5 giữ nguyên vượt chuẩn B2.
Nồng độ thông số DO thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các
thông số khác giữ nguyên đạt chuẩn A1.
- Trường hợp từ 37 đến 41: Nhóm các thông số độc hại có chỉ số phụ (qđh) bằng
chuẩn A1. Nồng độ chỉ số BOD5 thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2.
Nồng độ các thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1.
- Trường hợp từ 42 đến 46: Nhóm các thông số độc hại có qđh bằng chuẩn A2.
Nồng độ chỉ số BOD5 thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các
thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1.
- Trường hợp từ 47 đến 51: Nhóm các thông số độc hại có qđh bằng chuẩn B1.
Nồng độ chỉ số BOD5 thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các
thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016

129

Hóa học & Kỹ thuật môi trường

- Trường hợp từ 52 đến 56: Nhóm các thông số độc hại có qđh bằng chuẩn B2.
Nồng độ chỉ số BOD5 thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các
thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1.
- Trường hợp từ 57 đến 61: Nhóm các thông số độc hại có qđh vượt chuẩn B2.
Nồng độ chỉ số BOD5 thay đổi từ đạt chuẩn A1 đến vượt chuẩn B2. Nồng độ các
thông số còn lại giữ nguyên đạt chuẩn A1.
Kết quả trong bảng 1, cho thấy:
Bảng 1. Kết quả tính theo mô hình WQI cải tiến với bộ số liệu thử nghiệm.
Kết quả tính WQI
Kết quả tính WQI
T
Dạng tổng (1)
Dạng tích (2)
Dạng tổng (1)
Dạng tích (2)
TT
T Điểm
Phân
Điểm
Phân
Điểm
Phân
Điểm
Phân
số
loại

số
loại
số
loại
số
loại
1 100,0
I
100,0
I
31
73,7
II
53,8
III
2
75,8
II
74,9
II
32
78,9
II
48,8
IV
3
52,6
III
51,6
III

33
77,1
II
47,5
IV
4
26,2
IV
25,7
IV
34
75,4
II
45,9
IV
5
8,8
V
8,4
V
35
72,0
II
41,6
IV
6
0,0
V
0,0
V

36
69,4
III
34,5
IV
7
98,2
I
98,2
I
37
89,4
II
89,3
II
8
97,1
I
96,9
I
38
88,4
II
88,1
II
9
92,3
I
90,3
I

39
84,0
II
82,1
II
10 87,6
II
80,1
II
40
79,7
II
72,9
II
11 83,3
II
51,4
III
41
75,8
II
46,8
IV
12 93,8
I
93,1
I
42
69,7
III

69,7
III
13 92,0
I
90,6
I
43
68,9
III
68,8
III
14 90,3
I
87,7
II
44
65,5
III
64,1
III
15 86,9
II
79,3
II
45
62,2
III
56,9
III
16 84,3

II
65,9
III
46
59,2
III
36,5
IV
17 92,6
I
91,8
I
47
50,1
IV
50,1
IV
18 90,9
I
89,4
II
48
49,5
IV
49,4
IV
19 89,2
II
86,5
II

49
47,1
IV
46,0
IV
20 85,7
II
78,3
II
50
44,7
IV
40,9
IV
21 83,1
II
65,0
III
51
42,5
IV
26,2
IV
22 87,8
II
85,6
II
52
25,5
V

25,5
V
23 86,1
II
83,3
II
53
25,2
V
25,2
V
24 84,4
II
80,6
II
54
24,0
V
23,5
V
25 80,9
II
72,9
II
55
22,8
V
20,8
V
26 78,4

II
60,6
III
56
21,7
V
13,4
V
27 83,1
II
76,0
II
57
0,0
V
0,0
V
28 81,4
II
74,0
II
58
0,0
V
0,0
V
29 79,7
II
71,6
II

59
0,0
V
0,0
V
30 76,2
II
64,8
II
60
0,0
V
0,0
V
61
0,0
V
0,0
V

130

N. L. T. Quỳnh, Lê Trình, “Kiểm nghiệm và đánh giá… trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Kết quả đánh giá tính ảo và tính che khuất với các trường hợp giả định được xác
định như sau.
- Dạng tổng luôn cho giá trị WQI cao hơn dạng tích.

- Tính che khuất ở dạng tổng thể hiện rõ ở các chuỗi số liệu 11, 16, 21, 26 và
từ 31 đến 36. Ví dụ: ở chuỗi số liệu 11, một thông số có giá trị qi thấp (qBOD = 2)
nhưng kết quả WQI dạng tổng là 83,3. Như vậy là chưa hợp lý. Trong khi đó,
dạng tích là 51,4 cho kết quả phù hợp hơn. Cũng tương tự như vậy ở chuỗi số
liệu 31, 36. Khi hai thông số có giá trị qi thấp nhưng giá trị WQI dạng tổng lại
khá cao. Đối với chuỗi số liệu từ 37 đến 56, khi qđh thay đổi theo các thang xác
định, thông số BOD thay đổi thì dạng tích luôn cho giá trị WQI phù hợp, còn
dạng tổng có giá trị WQI chưa phù hợp. Điều này cũng phù hợp với các nghiên
cứu của Ott. [1,2]. Cũng theo nghiên cứu này, dạng tích có thể xảy ra tính che
khuất khi trọng số quá nhỏ. Điều này không xảy ra với nghiên cứu WQI cải tiến
do trọng số thấp nhất là 0,08.
- Tính ảo xảy ra khi điểm số của từng thông số chấp nhận được nhưng chỉ số
tổng quát lại cho kết quả ngược lại. Với các chuỗi số liệu từ 2 đến 6 tính ảo không
xảy ra đối với dạng tổng và dạng tích. Điều này phù hợp với nghiên cứu của Ott.
[1,3], tính ảo không xảy ra đối với phương pháp tổng hợp dạng tổng và dạng tích.
Qua kết quả tính toán và phân tích như trên, có thể kết luận rằng, dạng tích
không có tính ảo và tính che khuất ; dạng tổng không có tính ảo nhưng tính che
khuất xảy ra đối với một số trường hợp nên nhiều khi không phản ánh đúng mức
độ ô nhiễm của các thông số tính WQI.
3.2. Xem xét độ nhạy của mô hình WQI - cải tiến
Một trong những tiêu chí cần quan tâm trong công thức tính WQI là phải có độ
nhạy lớn, nghĩa là có sự thay đổi rõ rệt khi chỉ số phụ qi thay đổi ở khoảng nhỏ [1,2].
Việc đánh giá độ nhạy của mô hình WQI - cải tiến được kiểm tra với cả hai công
thức dạng tổng (1) và dạng tích (2). Việc kiểm tra dựa trên sự thay đổi chỉ số phụ qi,
trong đó: chỉ số phụ của các thông số có trọng số lớn nhất (BOD5) và trọng số nhỏ
nhất (đại diện là dầu mỡ) thay đổi từ 10 đến 100, trong khi đó chỉ số phụ của các
thông số khác (trừ nhóm các chất độc hại) giữ nguyên ở các giá trị 10 - 51 - 100,
riêng chỉ số phụ của nhóm các chất độc hại thay đổi ở các giá trị 26 - 51 - 100. Để
kiểm tra độ nhạy của qđh, kiểm tra với q của các thông số khác cùng thay đổi ở các
giá trị 10 - 51 - 100 còn qđh thay đổi ở các bước 0 - 26 - 51 - 91 - 100.

Kết quả đánh giá độ nhạy của mô hình WQI - cải tiến được trình bày trên Hình 1,
cho thấy:
- Dạng tích luôn có độ nhạy cao hơn dạng tổng.
- Trọng số của chỉ số phụ ảnh hưởng lớn đến độ nhạy của WQI. Thông số có
trọng số càng cao sẽ làm cho độ nhạy của phương pháp thay đổi càng lớn.
- Với cùng bước nhảy của chỉ số phụ, độ nhạy của thông số có trọng số lớn luôn
cao hơn thông số có trọng số nhỏ, điều này thể hiện ở so sánh giữa các Hình 1.a 1.d, 1.b - 1.đ và 1.c - 1.e.
- Riêng với nhóm thông số về các chất ô nhiễm có độc tính cao, khi thay đổi
giá trị chỉ số phụ thì dạng tổng và dạng tích có độ nhạy như nhau và có độ nhạy
rất lớn.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016

131


Hóa học & Kỹ thuật môi trường

(a)- qBOD5 (trọng số lớn nhất) từ 10
đến 100, giữ nguyên các chỉ số phụ còn
lại tại 10.

(b)- qBOD5 (trọng số lớn nhất) từ 10
đến 100, giữ nguyên các chỉ số phụ còn
lại tại 51.

(c)- qBOD5 (trọng số lớn nhất) từ 10
đến 100, giữ nguyên các chỉ số phụ còn
lại tại 51.

(d)- qdầu mỡ (trọng số nhỏ nhất) từ 10
đến 100, giữ nguyên các chỉ số phụ còn
lại tại 10.

(đ)- (d)- qdầu mỡ (trọng số nhỏ nhất) từ 10
(g)- qdầu mỡ (trọng số nhỏ nhất) từ 10
đến 100, giữ nguyên các chỉ số phụ còn đến 100, giữ nguyên các chỉ số phụ còn
lại tại 51.
lại tại 100.

(g)- thay đổi qđộc hại từ 0 đến 100, giữ nguyên các chỉ số phụ còn lại
tại các bước 0 - 51 – 100.
Hình 1. Kiểm tra độ nhạy mô hình WQI - cải tiến.

132

N. L. T. Quỳnh, Lê Trình, “Kiểm nghiệm và đánh giá… trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

3.3. Xem xét trường hợp thiếu số liệu quan trắc của mô hình WQI cải tiến
Trong công thức (1) và (2), nếu không có hệ số k (công thức 3) sẽ ký hiệu dạng
tổng (1.a) và dạng tích (2.a), mô hình WQI cải tiến sẽ không cho kết quả phân loại
chất lượng nước đúng với thực tế do những nguyên nhân sau:
- Do thiếu trọng số của thông số bị khuyết nên tổng trọng số không bằng 1.
- Thiếu qi của thông số bị khuyết.
Kiểm tra đánh giá khi thiếu số liệu tiến hành như sau:
- Trước hết việc áp dụng công thức như sau:
- Trường hợp thiếu số liệu chỉ áp dụng đối với 9 thông số (pH, TSS, DO, BOD5,

Dầu mỡ, T.coliform, COD, NO3-, PO43-).
- Đối với nhóm thông số độc hại do không có trọng số nên nếu thiếu hoàn toàn
các thông số thuộc nhóm này thì công thức tính WQI sẽ bỏ phần nhóm các thông
số độc hại đi và chỉ còn dạng tổng và tích. Lúc đó, kết quả WQI thiếu số liệu nhóm
độc hại sẽ không ảnh hưởng đến WQI của 9 thông số còn lại. Do vậy, không cần
xem xét đến trường hợp này.
- Các trường hợp kiểm tra thiếu số liệu như sau:
+ Trường hợp 1: đủ số liệu với qi của tất cả các thông số bằng 100.
+ Trường hợp 2: thiếu số liệu BOD (có trọng số lớn nhất), các thông số còn lại
qi bằng 100.
+ Trường hợp 3: thiếu số liệu DO (có trọng số lớn thứ hai), các thông số còn lại
qi bằng 100.
+ Trường hợp 4: thiếu số liệu dầu mỡ (có trọng số nhỏ nhất), các thông số còn
lại qi bằng 100.
+ Trường hợp 5: thiếu số liệu BOD và DO, các thông số còn lại qi bằng 100.
+ Trường hợp 6: thiếu số liệu BOD và dầu mỡ, các thông số còn lại qi bằng 100.
Kết quả kiểm nghiệm được trình bày trong Bảng 3.
Bảng 3. Giá trị WQI trong trường hợp đủ số liệu và thiếu số liệu.
Các trường
Thiếu số Thiếu Thiếu số
Thiếu số
Thiếu số
Đủ số
hợp về
liệu
số liệu liệu Dầu liệu BOD5 liệu BOD5
liệu
số liệu
BOD5
DO

mỡ
và DO
và Dầu mỡ
BOD5
100
100
100
DO
100
100
100
100
COD
100
100
100
100
100
100
pH
100
100
100
100
100
100
TSS
100
100
100

100
100
100
Coliform
100
100
100
100
100
100
NO3100
100
100
100
100
100
3PO4
100
100
100
100
100
100
Dầu mỡ
100
100
100
100
Chất độc hại
100

100
100
100
100
100
1.a
100
83,0
85,0
92,0
68,0
75,0
Công
thức
2.a
100
45,7
50,1
69,2
22,9
31,6
1
100
100
100
100
100
100
Công
thức

2
100
100
100
100
100
100

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016

133


Hóa học & Kỹ thuật môi trường

Kết quả đánh giá trong trường hợp thiếu số liệu của mô hình WQI cải tiến trình
bày trong Bảng 3 cho thấy:
- Trường hợp 1: kết quả WQI là 100. Điều này là hợp lý.
- Trường hợp từ 2 đến 4: thiếu 1 số liệu, tất cả các qi của các thông số còn lại
bằng 100 mà WQI lại nhỏ hơn 100. Điều này chưa hợp lý. Cũng có thể nhận thấy
dạng tổng điểm số cao hơn dạng tích. Điều này chứng tỏ dạng tích luôn có tính
khắt khe hơn dạng tổng.
Và thiếu thông số có trọng số cao thì WQI có giá trị thấp và ngược lại. Nếu
không có trọng số thì dù thiếu thông số nào đều cho WQI như nhau. Như vậy,
trọng số thể hiện tầm quan trọng của thông số đó trong tính toán WQI.
- Trường hợp 5 và 6: thiếu 2 thông số. Kết quả WQI nhỏ hơn 100. Điều này cũng
không hợp lý. Số liệu tính toán cho kết quả tương tự như trường hợp từ 2 đến 4.
Qua thử nghiệm cho thấy, điều này xảy ra tương tự trong các trường hợp với qi
< 100.
Để khắc phục hạn chế nên hệ số k (công thức 3) đã đưa vào công thức (1) và

(2). Kết quả tính WQI bằng công thức (1) và (2) với các trường hợp đủ số liệu và
thiếu số liệu tính toán trong Bảng 3 cho thấy kết quả khá hợp lý. Kết quả tính cuối
cùng không bị ảnh hưởng bởi số liệu bị thiếu. Công thức đúng với cả trường hợp
thiếu 1 hoặc 2 số liệu.
Như vậy, trong trường hợp đủ số liệu tính toán như trong Bảng 3 thì giá trị k
(công thức 3) sẽ bằng 1.
4. KẾT LUẬN
Qua kiểm nghiệm WQI - cải tiến với bộ số liệu thử nghiệm có thể đánh giá
như sau:
1. Dạng tổng luôn có giá trị cao hơn dạng tích. Dạng tích không có tính ảo và
tính che khuất ; dạng tổng không có tính ảo nhưng tính che khuất xảy ra đối với
một số trường hợp nên nhiều khi không phản ánh đúng mức độ ô nhiễm của các
thông số tính WQI.
2. Dạng tích có độ nhạy cao hơn dạng tổng. Mô hình WQI-cải tiến có độ nhạy
cao do trọng số của các thông số không nhỏ.
3. Trong trường hợp thiếu số liệu tính toán, công thức WQI-cải tiến tổng quát
dạng tổng và dạng tích đều cho kết quả phù hợp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Center for Environmental Quality Environmental Engineering and Earth
Sciences, “Calculating NSF Water Quality Index”, United States of America,
2007.
[2]. US Environmental Protection Agency, “Water Quality Indices: A survey of
indices used in the United States”, 1978.
[3]. Ott W. R., “Environmental indices theory and practice”, 1978.

134

N. L. T. Quỳnh, Lê Trình, “Kiểm nghiệm và đánh giá… trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên.”

Nghiờn cu khoa hc cụng ngh

ABSTRACT
TESTING AND EVALUATION OF WATER QUALITY INDEX
(WQI - IMPROVED) BUILT IN ACCORDANCE WITH THE RIVER
IN THAI NGUYEN PROVINCE
The study presents testing and evaluating the optimal level of water
quality index WQI - improvements are built in accordance with the river in
Thai Nguyen province. According to Ott W. R and the US Environmental
Protection Agency, the need to focus evaluated in 4 criteria: ambiguity,
eclipsing, the sensitivity and the lack of monitoring data. Formula WQI improvements are assessed of ambiguity, eclipsing, sensitivity analysis and
considering the absence of monitoring data, all results may be acceptable.
Keywords: Water Quality Index, Thai Nguyen province.

Nhn bi ngy 06 thỏng 01 nm 2015
Hon thin ngy 27 thỏng 06 nm 2016
Chp nhn ng ngy 17 thỏng 08 nm 2016

Địa chỉ: 1Viện Công nghệ mới, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự;
2
Viện Khoa học môi trường và Phát triển (VESDEC);
*
Email:

Tp chớ Nghiờn cu KH&CN quõn s, S 44, 08 - 2016

135