Tài liệu ứng dụng phương pháp thống kê trong đánh giá chất lƣợng nƣớc dƣới đất huyện xuyên mộc, tỉnh bà rịa – vũng tàu

TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG TP.HCM KHOA ĐỊA CHẤT VÀ KHOÁNG SẢN DIỆP HUỆ MẪN ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ TRONG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC DƢỚI ĐẤT HUYỆN XUYÊN MỘC, TỈNH BÀ RỊA – VŨNG TÀU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƢ ĐỊA CHẤT HỌC Mã ngành: 52440201 TP. HỒ CHÍ MINH – 12/2016 TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG TP.HCM KHOA ĐỊA CHẤT VÀ KHOÁNG SẢN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ TRONG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC DƢỚI ĐẤT HUYỆN XUYÊN MỘC, TỈNH BÀ RỊA – VŨNG TÀU Sinh viên thực hiện: Diệp Huệ Mẫn Khóa: 2012 – 2017 Giảng viên hƣớng dẫn: ThS. Nguyễn Hải Âu TP. HỒ CHÍ MINH – 12/2016 MSSV: 0150100023 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hƣớng dẫn ThS. Nguyễn Hải Âu đã tận tình chỉ dạy, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án, để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp một cách tốt nhất. Ngoài ra em xin cảm ơn các thầy cô khoa Địa chất và Khoáng sản trƣờng đại học Tài nguyên và Môi trƣờng Tp. Hồ Chí Minh đã chỉ dạy và truyền đạt những kiến thức cũng nhƣ các kinh nghiệm cho em trong suốt thời gian học tập tại trƣờng vừa qua. Để có đƣợc kết quả đồ án tốt nghiệp nhƣ ngày hôm nay, em xin cảm ơn đến Sở Tài nguyên và Môi trƣờng tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu đã cung cấp cho em các tài liệu cần thiết để thực hiện đề tài. Và cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp 01 DH_DCMT đã ở bên động viên, cổ vũ tinh thần cho em trong suốt thời gian vừa qua. Và xin gửi lời cảm ơn đến gia đình đã ở bên chăm sóc và tạo điều kiện về thời gian để em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! i MỤC LỤC TÓM TẮT ................................................................................................................................1 MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................2 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ................................................................................2 2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI .............................................................................................5 3. NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...............................................................5 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................................................................................6 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN ..................................................................................................7 1.1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC ....................7 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc.......................................................................7 1.1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc ......................................................................9 1.1.3. Nhận xét chung.................................................................................................. 13 1.2. MÔ TẢ KHU VỰC NGHIÊN CỨU ...................................................................... 13 1.2.1. Đặc điểm tự nhiên ............................................................................................. 13 1.2.2. Đặc điểm kinh tế - xã hội ................................................................................. 15 1.2.3. Đặc điểm địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu .......................................... 16 1.2.4. Đặc điểm thạch học của các tầng chứa nƣớc................................................. 21 1.2.5. Đặc điểm các thông số chất lƣợng nƣớc dƣới đất......................................... 23 CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................ 33 2.1. PHƢƠNG PHÁP THU THẬP TÀI LIỆU ............................................................. 33 2.2. PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU ........................................ 34 2.3. PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ MÔ TẢ................................................................. 34 2.4. PHƢƠNG PHÁP KIỂM ĐỊNH TRUNG BÌNH TỔNG THỂ ............................ 34 2.4.1. Kiểm tra phân phối chuẩn và phƣơng sai đồng nhất .................................... 35 2.4.2. Kiểm định phi tham số Kruskal – Wallis ....................................................... 36 2.5. PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ ĐA BIẾN ............................................................. 37 2.5.1. Phân tích thành phần chính (PCA) ................................................................. 37 2.5.2. Phân tích cụm (CA) .......................................................................................... 42 CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................... 47 3.1. HIỆN TRẠNG CHẤT LƢỢNG NƢỚC DƢỚI ĐẤT Ở KHU VỰC NGHIÊN CỨU ........................................................................................................................................ 47 ii 3.1.1. Chỉ số hiđrô của nƣớc (pH) ............................................................................. 47 3.1.2. Độ cứng của nƣớc (TH) ................................................................................... 47 3.1.3. Tổng chất rắn hoà tan (TDS) ........................................................................... 48 3.1.4. Ion Clo (Cl-) ....................................................................................................... 49 3.1.5. Ion Flo (F-) ......................................................................................................... 49 3.1.6. Ion nitrat (NO3-) ................................................................................................ 49 3.1.7. Cadimi (Cd) ....................................................................................................... 50 3.1.8. Crom IV (Cr6+) .................................................................................................. 50 3.1.9. Đồng (Cu) .......................................................................................................... 51 3.1.10. Kẽm (Zn).......................................................................................................... 51 3.1.11. Mangan (Mn)................................................................................................... 51 3.1.12. Sắt (Fe) ............................................................................................................. 52 3.2. KIỂM ĐỊNH QUAN HỆ CỦA CÁC THÔNG SỐ Ở CÁC TẦNG CHỨA NƢỚC DƢỚI ĐẤT............................................................................................................... 52 3.3. CÁC NHÂN TỐ CHÍNH ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG NƢỚC DƢỚI ĐẤT Ở KHU VỰC NGHIÊN CỨU ................................................................................... 53 3.3.1. Mùa khô.............................................................................................................. 53 3.3.2. Mùa mƣa ............................................................................................................ 57 3.4. PHÂN CỤM CÁC GIẾNG TƢƠNG ĐỒNG VỀ CHẤT LƢỢNG NƢỚC DƢỚI ĐẤT ............................................................................................................................ 59 3.4.1. Mùa khô.............................................................................................................. 59 3.4.2. Mùa mƣa ............................................................................................................ 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................... 66 KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 66 KIẾN NGHỊ ...................................................................................................................... 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 69 PHỤ LỤC .............................................................................................................................. 71 iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BOD5 Nhu cầu oxy sinh học (Biochemical Oxygen Demand) BR-VT Tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu BVTV Bảo vệ thực vật CA Phân tích cụm (Cluster Analysis) CLNDĐ Chất lƣợng nƣớc dƣới đất CN -TTCN Công nghiệp – Tiểu thủ công nghiệp COD Nhu cầu oxy hoá học (Chemical Oxygen Demand) DO Oxy hoà tan (Dissoved Oxygen) HCA Phân tích cụm thứ bậc (Hierarchical Cluster Analysis) KPH Không phát hiện LK Lỗ khoan Max. Giá trị lớn nhất (Maximum) Min. Giá trị nhỏ nhất (Minimum) NDĐ Nƣớc dƣới đất PCA Phân tích thành phần chính (Principal Component Analysis) SD. Độ lệch chuẩn (Standard Deviation) Sig. Mức ý nghĩa thống kê (Observed significance level) SPSS Phần mềm thống kê cho các ngành khoa học (Statistical Package for the Social Sciences) TDS Tổng chất rắn hoà tan (Total Dissolved Solids) WHO Tổ chức Y tế thế giới (World Health Organization) iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Đặc điểm thạch học của các tầng chứa nƣớc dƣới đất ..................................... 22 Bảng 1.2 Tích số tan của một số hyđrôxit kim loại .......................................................... 24 Bảng 1.3 Các thành phần chính, thứ yếu và vi lƣợng trong nƣớc dƣới đất tự nhiên .... 24 Bảng 1.4 Tổng hợp hàm lƣợng các nguyên tố liên quan đến các thông số chất lƣợng nƣớc trong đá bazan và đá trầm tích ................................................................................... 32 Bảng 2.1 Vị trí các trạm quan trắc nƣớc dƣới đất thuộc khu vực nghiên cứu ............... 33 Bảng 2.2 Mức ý nghĩa trong kiểm tra phân phối chuẩn và phƣơng sai đồng nhất ....... 35 Bảng 3.1 Thống kê mô tả các thông số chất lƣợng nƣớc dƣới đất vào mùa khô .......... 48 Bảng 3.2 Thống kê mô tả các thông số chất lƣợng nƣớc dƣới đất vào mùa mƣa ......... 48 Bảng 3.3 Kết quả kiểm định giả thuyết về mới quan hệ chất lƣợng nƣớc của các tầng chứa nƣớc ............................................................................................................................... 53 Bảng 3.4 Ma trận tƣơng quan mùa khô .............................................................................. 54 Bảng 3.5 Ma trận tƣơng quan mùa mƣa ............................................................................. 54 Bảng 3.6 Ma trận thành phần xoay vào mùa khô .............................................................. 56 Bảng 3.7 Ma trận thành phần xoay vào mùa mƣa............................................................. 59 Bảng 3.8 Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn các thông số chất lƣợng nƣớc theo các cụm giếng quan trắc vào mùa khô....................................................................................... 61 Bảng 3.9 Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn các thông số chất lƣợng nƣớc theo các cụm mẫu vào mùa mƣa......................................................................................................... 64 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Vị trí khu vực nghiên cứu .................................................................................... 14 Hình 2.1 Không gian biến Xp=1,p ...................................................................................... 39 Hình 2.2 Không gian cá nhân Nn=1,n ................................................................................ 39 Hình 2.3 Sơ đồ quy trình tiến hành phân tích cụm ........................................................... 43 Hình 2.4 Minh hoạ khoảng cách của đối tƣợng................................................................. 43 Hình 2.5 Ví dụ về biểu đồ cây ............................................................................................. 46 Hình 3.1 Biểu đồ cây của phân tích cụm mùa khô............................................................ 60 Hình 3.2 Biểu đồ cây của phân tích cụm mùa mƣa .......................................................... 63 vi TÓM TẮT Hiện nay, trên thế giới đã ứng dụng rộng rãi các phƣơng pháp thống kê vào các lĩnh vực môi trƣờng bao gồm cả đánh giá chất lƣợng nƣớc mặt và nƣớc dƣới đất. Cùng với xu hƣớng đó, đề tài nghiên cứu đã ứng dụng các phƣơng pháp thống kê vào đánh giá chất lƣợng nƣớc dƣới đất ở huyện Xuyên Mộc tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. Tập dữ liệu quan trắc bao gồm các thông số pH, TH, TDS, Cl-, F-, NO3-, Cd, Cr6+, Cu, Zn, Mn, Fe đƣợc thu thập tại 14 vị trí quan trắc thuộc mạng lƣới quan trắc nƣớc dƣới đất của tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu tại huyện Xuyên Mộc, vào mùa khô và mùa mƣa. Nghiên cứu ứng dụng các phƣơng pháp thống kê gồm phƣơng pháp thống kê mô tả, kiểm định trung bình tổng thể, phân tích thành phần chính (PCA) và phân tích cụm (CA) vào đánh giá chất lƣợng nƣớc dƣới đất nhầm đƣa ra đƣợc các nhân tố chính ảnh hƣởng đến chất lƣợng nƣớc dƣới đất dựa vào mối quan hệ của các thông số chất lƣợng nƣớc và phân cụm các giếng có đặc điểm tƣơng đồng với nhau về chất lƣợng nƣớc dƣới đất. Kết quả ứng dụng các phƣơng pháp thống kê trong đánh giá chất lƣợng nƣớc dƣới đất tại huyện Xuyên Mộc đƣa ra đƣợc 3 nhân tố chính ảnh hƣởng đến chất lƣợng nƣớc dƣới đất, bao gồm: Quá trình hoà tan của các khoáng vật, biểu hiện quá trình địa hoá của Fe-Mn trong nƣớc dƣới đất và sự ảnh hƣởng của các hoạt động nhân tạo trên mặt đất. Các thành phần chính này giải thích đƣợc 66,290% tổng biến thiên phƣơng sai của dữ liệu vào mùa khô và 69,201 % tổng biến thiên phƣơng sai của dữ liệu vào mùa mƣa. Kết quả phân cụm các giếng tƣơng đồng về chất lƣợng nƣớc dƣới đất phân các giếng quan trắc trong khu vực nghiên cứu thành 3 cụm giếng có đặc điểm chất lƣợng nƣớc khác nhau dựa vào đặc điểm vị trí của các giếng và các thông số chính nổi bật tại cụm giếng đó. Kết quả ứng dụng các phƣơng pháp thống kê cho thấy các phƣơng pháp này rất hữu ích và hiệu quả trong đánh giá chất lƣợng nƣớc dƣới đất. 1 MỞ ĐẦU Để mở đầu cho đồ án tốt nghiệp, chƣơng này xin giới thiệu tóm tắt về các vấn đề cơ bản của đề tài nghiên cứu, bao gồm: tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu của đề tài, nội dung và phạm vi nghiên cứu, phƣơng pháp nghiên cứu. 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Nƣớc có vai trò vô cùng quan trọng trong việc duy trì sự sống trên trái đất. Đây là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá cần cho mọi sự sống và phát triển của con ngƣời và bất cứ sinh vật nào. Ngoài ra, trong các hoạt động kinh tế, nƣớc vừa là môi trƣờng vừa là đầu vào cho các quá trình sản xuất nông nghiệp và công nghiệp. Trong khi nhu cầu về nƣớc của con ngƣời ngày càng tăng cao do sự gia tăng dân số thì việc cung cấp nƣớc sạch trên thế giới đang từng bƣớc giảm đi. Mặc dù sự nhận thức về tầm quan trọng của việc bảo vệ nguồn nƣớc cho nhu cầu sinh hoạt và đảm bảo cuộc sống đã đƣợc đề cập nhiều trong các thập niên vừa qua nhƣng vấn đề này chỉ mới đƣợc quan tâm và đƣợc xem là vấn đề hàng đầu cần giải quyết trong nhiều năm trở lại đây khi mà nguồn nƣớc phục vụ cho con ngƣời đang ngày càng cạn kiệt và không đảm bảo chất lƣợng đến mức báo động. Trong tự nhiên nƣớc thƣờng đƣợc chia thành 4 nhóm, bao gồm: nƣớc mƣa; nƣớc mặt; nƣớc dƣới đất; nƣớc trong không khí, đất đá và các sinh vật sống (Lâm Minh Triết, 2006). Trong đó nguồn nƣớc thiên nhiên đƣợc lựa chọn để phục vụ cho mục đích cấp nƣớc chủ yếu là nƣớc mặt (sông, suối, ao, hồ) và nƣớc dƣới đất. Trong 2 nguồn cung cấp nƣớc này, nƣớc mặt là nguồn cung cấp dễ tiếp cận và dễ khai thác hơn với con ngƣời, tuy nhiên đây cũng là nguồn nƣớc dễ bị ảnh hƣởng trực tiếp bởi nhiều nguồn ô nhiễm từ các hoạt động trên bề mặt trái đất. Trong khi đó, nguồn nƣớc dƣới đất lại ít bị ảnh hƣởng hơn do các tầng chứa nƣớc này đều nằm bên dƣới bề mặt của trái đất. Tại Việt Nam, nƣớc dƣới đất là một nguồn cung cấp chính cho nhu cầu sinh hoạt và các hoạt động sản xuất. Tuy nhiên, việc khai thác nƣớc dƣới đất quá mức tại các khu đô thị, khu công nghiệp tập trung, các nhà máy sản xuất công nghiệp có nhu cầu sử dụng nƣớc cao, các vùng chuyên canh cây công nghiệp, các vùng nuôi tôm sú công nghiệp,…đã làm cho mực nƣớc dƣới đất bị hạ thấp, nhiều nơi bị xâm nhập mặn, bị ô nhiễm bởi các chất bẩn từ bề mặt thấm xuống (Lâm Minh Triết, 2006), ảnh hƣởng 2 đến chất lƣợng của nguồn nƣớc này. Tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu là vùng kinh tế trọng điểm phía Nam, nhu cầu sử dụng nƣớc trên địa bàn tỉnh ngày càng cao. Song song với nƣớc mặt, nƣớc dƣới đất là nguồn cung cấp nƣớc chính cho hoạt động phát triển kinh tế và sử dụng nƣớc cho sinh hoạt của nhân dân. Tuy nhiên chất lƣợng nƣớc dƣới đất lại bị ảnh hƣởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm: đặc điểm địa hóa của tầng chứa nƣớc, sự nhiễm mặn và các hoạt động nhân tạo của con ngƣời,… . Trong đề tài này, khu vực đƣợc lựa chọn nghiên cứu là huyện Xuyên Mộc, thuộc tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. Huyện Xuyên Mộc là huyện có diện tích lớn nhất tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu với tổng lƣợng khai thác nƣớc dƣới đất đứng thứ hai của tỉnh là 53.067 m3/ngày, trong đó: sử dụng cho ăn uống, sinh hoạt là 30.801m3 /ngày, sử dụng cho sản xuất là 22.266 m3 /ngày (Phan Văn Tuyến, 2015). Đây là huyện nằm ở ven biển của tỉnh BR-VT có tiềm lực mạnh về kinh tế, đặc biệt là trong lĩnh vực về nông nghiệp (trồng trọt, chăn nuôi), du lịch, nuôi trồng chế biến thủy sản. Do đó, trƣớc sức ép về phát triển kinh tế và xã hội, nhu cầu khai thác nƣớc của huyện ngày càng tăng, dẫn đến chất lƣợng nƣớc dƣới đất tại đây có nguy cơ bị ô nhiễm. Nhận biết đƣợc nƣớc dƣới đất là nguồn tài nguyên rất quan trọng trong sự nghiệp phát triển kinh tế của mỗi địa phƣơng, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu đã thực hiện nhiều nghiên cứu điều tra nguồn tài nguyên này, nhà nƣớc đã đầu tƣ vào các đề án, đề tài nghiên cứu về nƣớc dƣới đất nhƣ lập bản đồ ĐCTV; đánh giá chất lƣợng và trữ lƣợng NDĐ, v.v...(Phan Văn Tuyến, 2015). Năm 2010, dự án “Nghiên cứu và xây dựng mạng Quan trắc NDĐ tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu” do Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nƣớc Miền Nam thực hiện đã hoàn thành công tác xây dựng các trạm quan trắc, đang tiến hành quan trắc động thái NDĐ và lấy mẫu quan trắc chất lƣợng nƣớc dƣới đất trên toàn tỉnh (Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nƣớc Miền Nam, 2011) trong đó có cả huyện Xuyên Mộc. Trong công tác đánh giá chất lƣợng nƣớc dƣới đất, phƣơng pháp đƣợc tỉnh áp dụng hiện nay là dựa theo các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về đánh giá chất lƣợng nƣớc. Đối với đánh giá và giám sát chất lƣợng nguồn nƣớc dƣới đất, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc ngầm (QCVN 09-MT: 2015/BTNMT) đƣợc áp dụng để quy định giá trị giới hạn cho phép của các thông số chất lƣợng nƣớc (Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng). Tuy nhiên, bộ dữ liệu đƣợc 3 quan trắc chỉ đƣợc sử dụng để so sánh với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia mà chƣa khai thác đƣợc hết thông tin của bộ dữ liệu nhƣ các nguồn ảnh hƣởng chính đến chất lƣợng nƣớc, hay mối quan hệ của các thông số này với nhau, các giếng quan trắc tƣơng đồng về chất lƣợng nƣớc. Trong nhiều năm gần đây, vai trò của thống kê trong phân tích dữ liệu môi trƣờng ngày càng quan trọng. Các phƣơng pháp thống kê giúp các nghiên cứu mang tính định lƣợng hơn. Ngoài ra phần lớn các dữ liệu môi trƣờng là đa biến, có sự biến thiên lớn trong môi trƣờng hóa sinh của tự nhiên. Do đó, phƣơng pháp thống kê cung cấp các công cụ hữu ích giúp phân tích các dữ liệu đơn giản hơn và biến chúng thành thông tin có ích trong công tác quản lý môi trƣờng. Hiện nay phƣơng pháp thống kê đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó có cả lĩnh vực môi trƣờng nói chung và công tác quan trắc môi trƣờng nƣớc nói riêng. Phân tích thống kê bao gồm nhiều kỹ thuật thống kê khác nhau, chẳng hạn nhƣ: - Phân tích thống kê mô tả: Đây là phƣơng pháp trình bày số liệu dƣới dạng các đại lƣợng thống kê, dùng để mô tả sự biến thiên của tập dữ liệu thu thập đƣợc. - Kiểm định trung bình tổng thể: dùng để xem xét các mối quan hệ của các dữ liệu quan trắc. - Phân tích cụm (Cluster Analysis – CA), phân tích thành phần chính (Principlal Component Analysis – PCA) thuộc phân tích thống kê đa biến: giúp phân tích các ma trận dữ liệu phức tạp để hiểu rõ hơn về chất lƣợng nƣớc, đặc biệt là hệ thống dữ liệu phức tạp bao gồm nhiều thông số của nƣớc dƣới đất, mức độ tƣơng quan giữa các thông số này là khác nhau và mỗi thông số có thể phản ánh một khía cạnh của chất lƣợng nƣớc dƣới đất. Các kỹ thuật thống kê này cho phép xác định các nhân tố chính đại diện cho chất lƣợng nƣớc và phân cụm các giếng dựa vào sự tƣơng đồng nhau về chất lƣợng nƣớc. Từ những vấn đề nêu trên đề tài nghiên cứu “Ứng dụng phƣơng pháp thống kê trong đánh giá chất lƣợng nƣớc dƣới đất huyện Xuyên Mộc, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu” là hết sức cần thiết. Cùng với mạng lƣới quan trắc chất lƣợng nƣớc dƣới hiện tại của huyện Xuyên Mộc và phƣơng pháp so sánh với quy chuẩn đang đƣợc áp dụng, nghiên cứu này có thể cung cấp thêm một phƣơng pháp mới giúp khai thác thêm nhiều thông 4 tin từ bộ dữ liệu quan trắc để phục vụ trong công tác đánh giá chất lƣợng nƣớc dƣới đất của khu vực nghiên cứu, đảm bảo an toàn trong sử dụng nƣớc dƣới đất cho sinh hoạt và các hoạt động sản xuất trên địa bàn huyện. 2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI a) Mục tiêu nghiên cứu tổng quát Đánh giá chất lƣợng nƣớc dƣới đất huyện Xuyên Mộc, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu bằng các phƣơng pháp thống kê. b) Mục tiêu nghiên cứu cụ thể - Đƣa ra các nhân tố chính ảnh hƣởng đến chất lƣợng nƣớc dƣới đất. - Phân cụm các giếng có các đặc điểm tƣơng đồng với nhau về chất lƣợng nƣớc dƣới đất. 3. NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU a) Nội dung nghiên cứu Các nội dung chính cần nghiên cứu của đề tài nhƣ sau:  Nội dung 1: Tổng quan tài liệu Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến địa chất thủy văn của khu vực nghiên cứu nhƣ: - Đặc điểm địa chất thủy văn của các tầng chứa nƣớc của khu vực nghiên cứu. - Thành phần thạch học của các tầng chứa nƣớc. - Đặc điểm các thông số chất lƣợng nƣớc dƣới đất.  Nội dung 2: Ứng dụng các phƣơng pháp thống kê vào đánh giá chất lƣợng nƣớc dƣới đất - Ứng dụng phƣơng pháp thống kê mô tả để biểu diễn sự biến thiên của các thông số chất lƣợng nƣớc dƣới đất. - Ứng dụng phƣơng pháp kiểm định trung bình tổng thể để kiểm định mối quan hệ của các thông số chất lƣợng nƣớc dƣới đất. - Sử dụng phƣơng pháp phân tích thành phần chính để đƣa ra các nhân tố chính ảnh hƣởng đến chất lƣợng nƣớc dƣới đất tại khu vực nghiên cứu. - Sử dụng phƣơng pháp phân tích cụm để nhóm các giếng quan trắc có các đặc điểm tƣơng đồng với nhau về chất lƣợng nƣớc dƣới đất. b) Phạm vi nghiên cứu 5  Khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu của đề tài là huyện Xuyên Mộc, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu.  Đối tƣợng nghiên cứu: Đối tƣợng nghiên cứu bao gồm 12 thông số chất lƣợng của nƣớc dƣới đất: pH, TH, TDS, Cl-, F-, NO3-, Cd, Cr6+, Cu, Zn, Mn, Fe. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Các phƣơng pháp chính trong nghiên cứu bao gồm: - Phƣơng pháp thu thập tài liệu. - Phƣơng pháp tổng hợp và xử lý dữ liệu. - Phƣơng pháp thống kê mô tả. - Phƣơng pháp kiểm định trung bình tổng thể - Phƣơng pháp thống kê đa biến, gồm 2 kỹ thuật chính là: Phân tích thành phần chính (PCA) và phân tích cụm (CA). Sơ đồ phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc trình bày nhƣ Hình 1. Thu thập tài liệu Tổng hợp và xử lý số liệu Thống kê mô tả số liệu Kiểm định trung bình tổng thể Thống kê đa biến Phân tích thành phần chính (PCA) Phân tích cụm (CA) Các thành phần chính ảnh hƣởng đến CLNDĐ Phân cụm các giếng tƣơng đồng về CLNDĐ Kết quả đánh giá CLNDĐ Hình 1 Sơ đồ phƣơng pháp nghiên cứu 6 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN Chƣơng này dành để trình bày tổng quan các nội dung về đề tài nghiên cứu đƣợc thu thập và tổng hợp từ các tài liệu trong và ngoài nƣớc, gồm: các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về tình hình nghiên cứu có liên quan đến đề tài; Các đặc điểm đặc trƣng về khu vực nghiên cứu là cơ sở lý luận của đề tài nhƣ đặc điểm tự nhiên, kinh tế - xã hội của khu vực nghiên cứu và đặc biệt là đặc điểm địa chất thuỷ văn, đặc điểm thạch học của các tầng chứa nƣớc dƣới đất tại khu vực nghiên cứu và đặc điểm của các thông số chất lƣợng nƣớc dƣới đất. 1.1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Ở nƣớc ta hiện nay, các kỹ thuật thống kê nhƣ PCA, CA cũng đƣợc ứng dụng rộng rãi, nhƣng chủ yếu là các ngành kinh tế và xã hội. Ở lĩnh vực môi trƣờng, kỹ thuật này chỉ mới bƣớc đầu đƣợc ứng dụng để đánh giá chất lƣợng nƣớc mặt, điển hình nhƣ nghiên cứu của nhóm tác giả Nguyễn Hải Âu và các cộng sự đã áp dụng kỹ thuật phân tích thống kê đa biến phân tích số liệu chất lƣợng nƣớc trên lƣu vực sông Thị Tính, tỉnh Bình Dƣơng (Nguyễn Hải Âu và cộng sự, 2014) và nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật thống kê đa biến để đánh giá chất lƣợng nƣớc sông Nhƣ Ý, tỉnh Thừa Thiên Huế của tác giả Nguyễn Minh Kỳ và cộng sự (Nguyễn Minh Kỳ và Nguyễn Hoàng Lâm, 2014). Trong nghiên cứu đánh giá chất lƣợng nƣớc ở sông Thị Tính, tỉnh Bình Dƣơng của tác giả Nguyễn Hải Âu và cộng sự, các phƣơng pháp thống kê nhƣ: thống kê mô tả, phân tích thành phần chính (PCA), phân tích cụm (CA) đã đƣợc áp dụng để giải thích bộ dữ liệu phức tạp đƣợc quan trắc vào mùa khô năm 2012 và 2013 của các thông số chất lƣợng nƣớc mặt nhƣ DO, BOD5 và một vài thông số vật lý, hoá học khác. Kết quả ứng dụng các phƣơng pháp thống kê nhƣ sau: - Phƣơng pháp thống kê mô tả cho thấy các thông số chất lƣợng nƣớc tƣơng đối đồng nhất và có độ lệch chuẩn khá thấp. - Phân tích cụm đã nhóm các vị trí lấy mẫu dựa vào tính tƣơng đồng về chất lƣợng nƣớc thành 3 cụm: Cụm 1 gồm các vị trí có chất lƣợng nƣớc chƣa bị ảnh hƣởng 7 bởi các nguồn thải trên lƣu vực sông Thị Tính. Cụm 2 bao gồm các vị trí bị ảnh hƣởng bởi thuỷ triều từ sông Sài Gòn và tiếp nhận các nguồn thải trên lƣu vực. Cụm 3 gồm vị trí bị tác động lớn bởi các nguồn thải sinh hoạt từ đô thị, sản xuất công nghiệp và chăn nuôi trên lƣu vực. - Kết quả phân tích thành phần chính ứng dụng phƣơng pháp xoay varimax giải thích đƣợc 94,290% tổng phƣơng sai của tập dữ liệu nhận định rằng có 2 thành phần chính ảnh hƣởng đến chất lƣợng nƣớc sông Thị Tính gồm: thành phần chính thứ nhất là các thông số PO43-,N-NO2-, N-NO3-, N-NH4-, COD, BOD5 có đặc điểm chung là thành phần bị tác động từ nguồn thải nhân tạo từ đô thị, dân cƣ, công nghiệp; thành phần chính thứ 2 là các thông số nhiệt độ, pH, SS, Cl- có điểm chung là bị ảnh hƣởng bởi các nguồn tự nhiên nhƣ độ mặn từ ảnh hƣởng của thuỷ triều, chất rắn lơ lững do xói mòn đất, chất bẩn trên bề mặt lƣu vực. Trong nghiên cứu của tác giả Nguyễn Minh Kỳ và cộng sự ở sông Nhƣ Ý, tỉnh Thừa Thiên Huế, phƣơng pháp thống kê đƣợc sử dụng để đánh giá chất lƣợng nƣớc mặt là: phƣơng pháp thống kê mô tả, phân tích thành phần chính (PCA) và phân tích cụm (CA). Bộ dữ liệu quan trắc trong nghiên cứu đƣợc thu thập từ 5 trạm quan trắc trên sông Nhƣ Ý từ tháng 3 đến tháng 8 gồm 6 thông số (nhiệt độ, DO, BOD5, COD, NO3-, PO43-). Kết quả phân tích cho biết: - Phƣơng pháp thống kê mô tả đƣợc sử dụng để cho thấy sự biến thiên các thông số chất lƣợng nƣớc tại từng vị trí lấy mẫu từ tháng 3 đến tháng 8. Sau đó, giá trị trung bình đƣợc tính toán tại từng vị trí từ tháng 3 đến tháng 8 của các thông số này đƣợc so sánh với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc mặt (QCVN08:2008/BTNMT) vào chỉ ra hầu hết các thông số đều đạt thấp hơn giá trị giới hạn B1 và B2 nên chỉ đƣợc sử dụng cho mục đích tƣới tiêu thuỷ lợi hay giao thông thuỷ và các mục đích tƣơng đƣơng khác. - Kết quả phân tích thành phần chính, sử dụng phƣơng pháp xoay varimax giúp giải thích đƣợc 62,207% tổng biến thiên phƣơng sai của tập dữ liệu quan trắc, đƣa ra 2 thành phần chính ảnh hƣởng đến chất lƣợng nƣớc sông Nhƣ Ý. Trong đó, thành phần chính thứ nhất gồm các thông số nhiệt độ, DO, BOD5 , COD, mối tƣơng quan chặt chẽ của COD và BOD5 có nguồn gốc nhân tạo với thành phần chính đƣợc thể hiện bằng hệ số tải cao cho biết thành phần này bị ảnh hƣởng bởi các chất hữu cơ. Thành phần 8 chính thứ 2 gồm các thông số NO3-, PO4 3- đƣợc nhận định có thể từ các nguồn thải nông nghiệp nhƣ sử dụng phân bón hoá học cho biết thành phần chính thứ 2 bị ảnh hƣởng bởi các chất dinh dƣỡng. - Kết quả phân cụm thứ bậc đƣợc sử dụng để phân cụm các thông số chất lƣợng nƣớc cho kết quả phân cụm thành 2 nhóm thông số chính tƣơng tự nhƣ kết quả phân tích thành phần chính, đó là: Cụm 1 gồm BOD5 , COD, nhiệt độ và DO. Cụm thứ 2 gồm NO3- và PO43-. Hiện nay, theo báo cáo về quan trắc chất lƣợng nƣớc dƣới đất ở tỉnh BR-VT, công tác đánh giá chất lƣợng nƣớc dƣới đất chủ yếu sử dụng các phƣơng pháp nhƣ phân tích diễn biến chất lƣợng nƣớc dƣới đất bằng đồ thị và sử dụng phƣơng pháp so sánh với quy chuẩn quốc gia (Phan Văn Tuyến, 2013; 2015). Ngoài ra dữ liệu quan trắc chất lƣợng nƣớc đƣợc biểu diễn bằng bảng thể hiện giá trị trung bình, giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất nhƣ phƣơng pháp thống kê mô tả tuy nhiên độ lệch chuẩn thể hiện sự đồng nhất của dữ liệu lại chƣa đƣợc tính toán. Qua đó cho thấy, các phƣơng pháp thống kê nhƣ phân tích thành phần chính và phân tích cụm chƣa đƣợc ứng dụng rộng rãi trong hệ thống đánh giá chất lƣợng nƣớc mà chỉ mới đƣợc ứng dụng trong các nghiên cứu khoa học. 1.1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc Hiện nay, trên thế giới các phƣơng pháp thống kê đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực môi trƣờng nƣớc nói chung và đánh giá chất lƣợng nƣớc dƣới đất nói riêng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các phƣơng pháp này để đánh giá chất lƣợng nƣớc theo không gian và thời gian cũng nhƣ xác định các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng nƣớc dƣới đất. Sau đây là một vài nghiên cứu đánh giá chất lƣợng nƣớc dƣới đất ở một số quốc gia nhƣ: Ở Trung Quốc, các kỹ thuật thống kê đa biến nhƣ: phân tích cụm có thứ bậc (HCA) và phân tích thành phần chính (PCA) kết hợp phƣơng pháp đồ họa Piper đƣợc áp dụng để đánh giá chất lƣợng nƣớc dƣới đất của các tầng chứa nƣớc nông ven biển thuộc tỉnh Phúc Kiến, Bắc Trung Quốc (Qingchun Yang và cộng sự, 2015). Các mẫu nƣớc dƣới đất đƣợc thu thập tại 12 vị trí khác nhau vào tháng 1 ( mùa khô) và tháng 7 (mùa mƣa) trong năm 2011. 11 thông số chất lƣợng nƣớc (pH, TH, TDS, Ca2+, Mg2+, Na+, Cl-, SO42-, HCO3-, NO3-, Mn) đã đƣợc lựa chọn để thực hiện phân tích thống kê 9 đa biến. Kết quả phân tích nhƣ sau: - Trong cả hai mùa mƣa và mùa khô, kết quả PCA sử dụng phƣơng pháp xoay varimax để xác định các thành phần chính. Trong tập dữ liệu mùa khô, PCA giải thích đƣợc 90,28% tổng biến thiên phƣơng sai với 3 thành phần chính. Trong đó: thành phần chính thứ nhất là sự kết hợp của các thông số TH, TDS, Mg2+, Na+, Cl- và SO42- giải thích cho sự nhiễm mặn, với sự gia tăng hàm lƣợng của TDS trong nƣớc và thƣờng xuất hiện sự gia tăng Cl- tỷ lệ với các cation Na+, Mg2+; thành phần chính thứ 2 đƣợc giải thích bởi hệ số tải cao của pH và HCO3- và hệ số tải nghịch của Mn cho biết sự gia tăng của HCO3- cùng với sự gia tăng của pH là biểu hiện của sự tƣơng tác giữa nƣớc – đá; đóng góp mạnh cho thành phần chính thứ 3 là Ca2+ có nguồn gốc từ sự phong hoá của đá chứa Ca và NO3 - đƣợc nhận định từ nguồn ô nhiễm nhân tạo cụ thể là việc sử dụng phân bón Nitơ ở vùng nông thôn. Trong tập dữ liệu mùa mƣa, PCA giải thích đƣợc 83,279% tổng biến thiên phƣơng sai của dữ liệu.Trong đó: thành phần chính thứ nhất gồm các thông số TDS, Mg2+, Na+ và Cl- và sự đóng góp trung bình của TH và SO42-, thành phần chính này đƣợc xem nhƣ quá trình trao đổi ion do sự thay đổi của điều kiện thuỷ lực và khí hậu. Thành phần chính thứ 2 đƣợc đại diện bởi mối tƣơng quan mạnh của TH, Ca2+ và NO3- cho biết có thể biểu hiện này là do sự hình thành địa chất ở vùng nghiên cứu và sự phân bố các nguồn thải không phù hợp trên mặt đất chủ yếu do các hoạt động nông nghiệp. Thành phần chính thứ 3 đƣợc đại diện bởi pH, HCO3- và Mn có thể có liên quan đến quá trình phong hoá khoáng vật. Hệ số tải của pH trong thành phần này cho biết giá trị pH có ảnh hƣởng tiêu cực đến sự lắng động tại chỗ của các khoáng vật. - Kết quả phân cụm ở từng mùa khô và mùa mƣa đều cho kết quả phân thành 3 cụm giếng có đặc điểm các thông số địa hoá khác nhau. Cụm 1 gồm các giếng có hàm lƣợng HCO3 - cao nhất so với 2 cụm giếng còn lại, ngoài ra còn có hàm lƣợng các ion đại diện cho độ mặn thấp nhất, chất lƣợng nƣớc ở các cụm giếng này tốt có thể phục vụ cho công nghiệp và nƣớc uống; cụm 2 gồm các vị trí giếng có giá trị trung bình của Ca2+, NO3- và Mn cao nhất và hàm lƣợng NO3- ở cụm này vƣợt quá giới hạn chất lƣợng nƣớc ngầm của Trung Quốc; cụm 3 gồm các vị trí giếng chịu sự ảnh hƣởng bởi nhiễm mặn do có hàm lƣợng TDS, các cation Na+, Mg2+ và anion SO42- và Cl- cao nhất so với 2 cụm giếng còn lại. 10 Một nghiên cứu khác của nhóm tác giả Suman Man Shrestha và cộng sự cũng ứng dụng các phƣơng pháp thống kê để đánh giá sự phân bố các kim loại nặng trong các nguồn nƣớc dƣới đất sâu ở thung lũng Kathmandu thuộc Nepal (Suman Man Shrestha và cộng sự, 2016). Các thông số chất lƣợng nƣớc dƣới đất (pH, ORP, EC, Fe, Mn, Zn, và As) đƣợc quan trắc từ 41 giếng nƣớc dƣới đất sâu trong suốt 2 mùa mƣa của hai năm liên tục đƣợc thu thập đƣợc phân tích bằng các phƣơng pháp thống kê với kết quả nhƣ sau: - Phƣơng pháp thống kê mô tả đƣợc sử dụng để tóm tắt và thể hiện sự biến thiên của tập dữ liệu trong suốt 2 mùa mƣa năm 2012 và 2013 cho biết độ pH trong nƣớc gần trung tính với biến thiên từ 6,3 đến 7,9 (trung bình = 6,8). Nhiều giếng nƣớc dƣới đất trong khu vực nghiên cứu chứa hàm lƣợng Fe và Mn cao với giá trị trung bình lần lƣợt là 3,75 mg/l và 0,44 mg/l. Các giếng nƣớc chủ yếu ở điều kiện khử đƣợc thể hiện bởi giá trị thấp của ORP. Hàm lƣợng Zn tƣơng đối thấp với giá trị trung bình là 0,065 mg/l. Hàm lƣợng As khá cao (trung bình=0,013 mg/l) trong đó có 27% số mẫu có hàm lƣợng As vƣợt quá giới hạn cho phép về chất lƣợng nƣớc uống của WHO. - Kết quả phân tích thành phần chính sử dụng phƣơng pháp xoay varimax đƣa ra 3 thành phần chính giải thích đƣợc 73,6% tổng phƣơng sai của dữ liệu. Trong đó: thành phần chính thứ nhất đại diện bởi Fe và Mn cho biết nhiều khả năng có sự hoàn tan và quá trình phong hoá của các khoáng vật. Ngoài ra, sự đóng góp của pH và ORP với hệ số tải nghịch trong thành phần này cho biết Fe và Mn dễ dàng di động trong điều kiện pH giảm và môi trƣờng khử. Sự có mặt của các thông số trên cho thấy có thể đây là biểu hiện của sự ảnh hƣởng các quá trình địa hoá và động thái thuỷ hoá của Fe và Mn trong nƣớc dƣới đất. Thành phần chính thứ 2 với sự đóng góp hệ số tải cao của Zn và hệ số tải vừa phải của ORP cho biết trong môi trƣờng oxi hoá Zn hoà tan thuận lợi và dễ dàng tạo kết tủa trong môi trƣờng khử. Thành phần chính thứ 3 đại diện bởi sự đóng góp mạnh của As cho biêt sự di động của As trong nƣớc dƣới đất có thể liên quan đến sự giảm các của các hyđrôxit Fe/Mn. - Kết quả phân tích cụm thứ bậc đƣa ra 2 cụm giếng có ý nghĩa thống kê trong đó: các giếng ở cụm B có hàm lƣợng các KLN cao hơn so với các giếng ở cụm A và giá trị EC ở cụm B cao hơn trong khi giá trị ORP thấp hơn. Do đó, cụm A và cụm B lần lƣợt đƣợc phân loại là cụm có độ khoáng hoá thấp và cụm có độ khoáng hoá cao. 11 Ở Iran, các kỹ thuật thống kê đa biến đƣợc nhóm tác giả Abbas Ali Zamani và các cộng sự ứng dụng để đánh giá các nguồn ô nhiễm KLN của nƣớc dƣới đất xung quanh một nhà máy chì và kẽm (Abbas Ali Zamani và cộng sự, 2012). Tập dữ liệu bao gồm 7 thông số kim loại nặng(Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd và Pb) đƣợc phân tích từ 23 mẫu nƣớc gồm 4 mẫu nƣớc mặt và 19 mẫu nƣớc dƣới đất từ các giếng có độ sâu từ 13m đến 150m. Các vị trí lấy mẫu này đều nằm trong bán kính 5km từ nhà máy chì kẽm (nhà máy NILZ). Kết quả phân tích tập dữ liệu bằng các phƣơng pháp thống kê nhƣ sau: - Phƣơng pháp thống kê mô tả và so sánh với tiêu chuẩn chất lƣợng nƣớc uống WHO cho thấy sự biến thiên của các KLN trong khu vực nghiên. Ngoài ra, Cd, Fe, Pb và Ni lần lƣợt có 17,3%; 13,04%; 8,7%; 8,7% số mẫu vƣợt quá giới hạn cho phép của WHO. - Cả hai phƣơng pháp kiểm định trung bình tổng thể là kiểm định tham số ANOVA (dữ liệu đƣợc đƣa về dạng logarit của chúng) và kiểm định phi tham số Kruskal – Wallis đƣợc sử dụng để so sánh hàm lƣợng của các KLN giữa các vị trí lấy mẫu cho thấy sự khác nhau có ý nghĩa thống kê về hàm lƣợng của KLN phụ thuộc vào các vị trí lấy mẫu. - Phƣơng pháp phân tích cụm sử dụng thủ tục Ward và thƣớc đo khoảng cách Euclid bình phƣơng (Squared Euclidean distances) đƣợc thực hiện nhóm các KLN trong nghiên cứu thành 5 cụm KLN. Trong đó, cụm 1 gồm Pb và Cu đƣợc xác định nguồn gốc từ nguồn ô nhiễm nhân tạo; cụm 3 với sự có mặt của Cd và Fe đƣợc cho là sự kết hợp của nguồn nhân tạo và địa hoá. Trong khi đó Zn, Co, Ni đƣợc phân thành các cụm đơn lần lƣợt là cụm 2, cụm 4 và cụm 5. - Kết quả phân tích thành phần chính sử dụng phƣơng pháp xoay varimax đƣợc thực hiện đƣa ra 4 thành phần chính giải thích 88,92% tổng biến thiên của tập dữ liệu. Thành phần chính thứ nhất đại điện bởi Pb và Cu, đây là 2 nguyên tố quan trọng trong sản phẩm của các ngành công nghiệp chì, cho thấy thành phần này đại diện cho nguồn nhân tạo. Thành phần chính thứ 2 cho thấy mối quan hệ nghịch của Zn và Co. Thành phần chính thứ 3 có hệ số tải cao với Ni, đƣợc nhận định có thể có nguồn gốc từ hoạt động của ngành công nghiệp dầu gần nhà máy NILZ. Thành phần chính thứ 4 đại diện bởi mối tƣơng quan thuận giữa Cu và Fe. 12