Chỉ số chất lượng nước là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về chỉ số chất lượng nước (WQI)

Chỉ số chất lượng nước (Water Quality Index, WQI) là chỉ số tổng hợp đánh giá mức độ an toàn và phù hợp của nguồn nước phục vụ các mục đích sinh hoạt, nông nghiệp và công nghiệp. WQI tổng hợp các tham số hóa lý và vi sinh của nước thành một giá trị số duy nhất, giúp người quản lý và cộng đồng dễ dàng theo dõi tình trạng nguồn nước và đưa ra quyết định xử lý cần thiết.

WQI được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn quy định của nhiều tổ chức uy tín như US EPA và WHO, nhằm phản ánh khả năng cung cấp nước an toàn cho con người và hệ sinh thái. Giá trị WQI càng cao càng cho thấy chất lượng nước càng tốt; ngược lại, giá trị thấp phản ánh tình trạng ô nhiễm hoặc không đạt tiêu chuẩn sử dụng (US EPA).

Tham số thành phần của WQI

Các tham số thường được lựa chọn để tính WQI bao gồm các yếu tố hóa lý và vi sinh chính, phản ánh độc tính, tính ăn mòn, ô nhiễm hữu cơ và nguy cơ sức khoẻ. Danh mục tham số có thể thay đổi tùy theo mục đích đánh giá và đặc điểm nguồn nước cụ thể.

• pH: ảnh hưởng đến tính axit – bazơ, tiêu chuẩn 6.5–8.5.
• Độ đục (Turbidity): phản ánh chất rắn lơ lửng, tiêu chuẩn ≤5 NTU.
• Oxy hòa tan (DO): đảm bảo sự sống của sinh vật thủy sinh, tiêu chuẩn ≥5 mg/L.
• Nhu cầu oxy hóa sinh hóa (BOD): đo hàm lượng chất hữu cơ, tiêu chuẩn ≤3 mg/L.
• Tổng chất rắn hòa tan (TDS): chỉ số độ mặn và khoáng chất, tiêu chuẩn ≤500 mg/L.
• Coliform tổng: chỉ thị ô nhiễm vi sinh, tiêu chuẩn 0–50 CFU/100 mL.

Lựa chọn tham số cần đảm bảo tính đại diện và khả năng thu thập dữ liệu thường xuyên. Một số khu vực cần bổ sung ion kim loại nặng (Pb, Cd) hoặc chất hữu cơ vi lượng (thuốc trừ sâu) vào danh mục đánh giá (WHO Guidelines).

Phương pháp xác định trọng số và điểm chất lượng

Mỗi tham số i được gán một trọng số Wi thể hiện mức độ quan trọng tương đối dựa trên ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và môi trường. Thông thường, DO và coliform được gán trọng số cao nhất, pH và TDS ở mức trung bình, BOD và độ đục ở mức thấp hơn.

Điểm chất lượng Qi của mỗi tham số được tính bằng cách so sánh giá trị quan trắc với tiêu chuẩn cho phép, quy đổi về thang 0–100 theo công thức chuẩn hóa. Các giá trị Qi cao thể hiện mức độ đạt chuẩn tốt, ngược lại thể hiện mức độ vi phạm tiêu chuẩn.

Công thức tính WQI

Chỉ số WQI được tính toán theo công thức trung bình có trọng số giữa các điểm Qi và trọng số Wi:

$\mathrm{WQI} = \frac{\sum_{i=1}^{n} Q_i \times W_i}{\sum_{i=1}^{n} W_i}$

Trong đó:

• n là số tham số được đánh giá;
• Qi là điểm chất lượng của tham số thứ i (0–100);
• Wi là trọng số tương ứng thể hiện tầm quan trọng;
• Tổng trọng số ở mẫu ví dụ phía trên bằng 5+5+4+3+2+2 = 21.

Kết quả WQI thường được phân thành các mức chất lượng như Xuất sắc, Tốt, Trung bình, Kém và Rất kém, giúp đánh giá nhanh trạng thái và ưu tiên biện pháp cải thiện.

Phân loại chất lượng nước

WQI thường được chia thành các mức chất lượng để đánh giá nhanh tình trạng nguồn nước:

Phân loại này giúp cơ quan quản lý và cộng đồng xác định nhanh nguồn nước nào cần ưu tiên cải tạo, đồng thời thông báo cho người dân về mức độ an toàn (UNESCO).

Ứng dụng của WQI

WQI được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

1. Giám sát môi trường: Đánh giá xu hướng chất lượng nước sông, hồ ngầm và ven biển theo thời gian để phát hiện sớm ô nhiễm (US EPA).
2. Quy hoạch tài nguyên nước: Cung cấp dữ liệu cho quy hoạch vùng, thiết lập trạm quan trắc và đề xuất giới hạn khai thác.
3. Đánh giá hiệu quả xử lý: So sánh WQI trước và sau công trình xử lý nước mặt, nước thải để tối ưu hóa công nghệ.
4. Thông tin cộng đồng: Cung cấp bản đồ WQI tương tác trực tuyến, giúp người dân nắm bắt tình hình nhanh chóng (WHO Guidelines).

Ví dụ, chương trình WaterWatch của USGS công bố bản đồ WQI theo mùa, cảnh báo vùng có chất lượng giảm do lũ lụt hoặc hạn hán.

Hạn chế và cải tiến

Mặc dù đơn giản và trực quan, WQI tồn tại một số hạn chế:

• Bỏ sót vi sinh và độc chất: Tham số truyền thống không nhất thiết bao gồm E. coli, vi rút, thuốc trừ sâu hay dioxin.
• Trung bình hóa mất chi tiết: Tổng hợp thành một số duy nhất có thể che khuất biến động dữ liệu và ảnh hưởng cục bộ của từng tham số.
• Định nghĩa không đồng nhất: Các công thức và trọng số Wi khác nhau giữa quốc gia và tổ chức, khiến kết quả khó so sánh.

Các cải tiến gần đây bao gồm:

• MWQI (Multimetric WQI): Thêm tham số vi sinh và hóa chất vi lượng, cải thiện độ nhạy với ô nhiễm nguy hiểm (Ecol. Indic.).
• WQI không gian–thời gian: Tích hợp GIS và mô hình học máy để dự báo chất lượng nước theo chuỗi thời gian và địa điểm.
• WQI động: Cập nhật điểm Qi và Wi tự động theo cảnh báo khẩn cấp, ví dụ khi có sự cố ô nhiễm đột xuất.

WQI theo vùng và quốc gia

Nhiều quốc gia phát triển phiên bản WQI riêng, phù hợp với điều kiện nguồn nước và ưu tiên quản lý:

• Canada (CWQI): Thêm tham số kim loại nặng và coliform, công bố theo hệ thống CanWQI online (CCME).
• Ấn Độ (IWQI): Ưu tiên BOD, pH, DO và coliform, dùng để giám sát 14 sông chính (Ecol. Indic.).
• Nam Phi (BlueDrop): Tích hợp WQI với đánh giá quản lý cấp tỉnh, bao gồm cả chỉ số vận hành hệ thống cấp nước.

So sánh WQI giữa các vùng giúp xác định điểm nóng ô nhiễm toàn cầu và hỗ trợ hợp tác liên quốc gia trong bảo vệ nguồn nước.

Tài liệu tham khảo

• Brown RM., et al. “Water quality index—do we dare?” Water Sewage Works. 1970;117(10):339–343.
• Tiwari TK., Mishra M. “A preliminary assignment of water quality index of major Indian rivers.” Ecol. Indic. 1985;3(3):227–229. doi:10.1016/S1470-160X(05)00053-8
• Sahu RK., Sikdar PK. “Water quality assessment and apportionment of pollution sources of Gomti River (India) using WQI and multivariate statistical techniques.” Hum Ecol Risk Assess. 2008;14(1):49–67. doi:10.1080/10807030701666051
• CCME. “Canadian Water Quality Index—Technical Report.” 2001. Accessed July 2025.
• US EPA. “National Water Quality Inventory.” 2024. Accessed July 2025.