- ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA THIẾT BỊ GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ TRONG CÔNG TÁC QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ XUNG QUANH Bùi Thị Hiếua. - Do đó đề tài B2014-03-12 đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị quan trắc môi trường không khí. - Để đánh giá khả năng ứng dụng của thiết bị này, bài báo đánh giá độ chính xác của thiết bị đề tài bằng cách so sánh bộ số liệu các thông số về chất ô nhiễm môi trường không khí cung cấp bởi thiết bị đề tài và thiết bị kiểm chứng sử dụng các công cụ thông số thống kê và các bài kiểm định xác suất thống kê. - Kết quả thu được chứng tỏ khả năng quan trắc các chất ô nhiễm bao gồm PM10 , SO2 , CO, NO2 của thiết bị giám sát chất lượng môi trường không khí này. - thiết bị quan trắc môi trường không khí. - Tuy nhiên, quá trình lấy mẫu tại hiện trường và phân tích mẫu tại phòng thí nghiệm đòi hỏi phải đầu tư nhiều thời gian, nhân lực, vật tư, hóa chất và thiết bị kèm theo. - Gần đây, đề tài B2014-03-12 đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị quan trắc môi trường không khí với các thông số PM10 , SO2 , CO, NO2 được cung cấp liên tục [1, 2]. - Ưu điểm của thiết bị này so với trạm quan trắc tự động là có khả năng cung cấp được chuỗi số liệu liên tục trong ngày quan trắc với chi phí đầu tư, vận hành thấp hơn, thiết bị nhỏ gọn hơn so với hệ thông trạm quan trắc tự động. - Tuy nhiên, độ chính xác của thiết bị này cần phải được đánh giá và kiểm định để đánh giá khả năng ứng dụng của thiết bị trong công tác quan trắc chất lượng môi trường không khí xung quanh. - Gần đây, trong nghiên cứu năm 2017 [3], tác giả Nguyễn Quốc Hoàn cũng thực hiện đánh giá độ chính xác của thiết bị quan trắc chất lượng môi trường không khí của đề tài B2014-03-12 bằng các phép so sánh sử dụng một số đại lượng thống kê của phương trình tuyến tính bình phương nhỏ nhất. - Tuy nhiên, phương trình tuyến tính bình phương nhỏ nhất chỉ giả thiết thiết bị đề tài có sai số và mặc định thiết bị kiểm chứng (TBKC) không có sai số. - Vì trong thực tế số liệu đo đạc của thiết bị kiểm chứng và thiết bị đề tài đều có sai số nên phương pháp hồi quy tuyến vuông góc bình phương nhỏ nhất để đánh giá sự tương đồng giữa hai thiết bị là giải pháp để khắc phục nhược điểm của phương pháp hồi quy tuyến tính bình phương nhỏ nhất [4]. - Do đó, trong nghiên cứu này, độ chính xác và độ tin cậy của thiết bị quan trắc chất lượng môi trường không khí này sẽ được đánh giá một cách có hệ thống bằng những phương pháp so sánh hai bộ số liệu sử dụng các bài kiểm định xác xuất thống kê, các đại lượng thống kê bao gồm đại lượng thống kê của phương trình tuyến tính vuông góc bình phương nhỏ nhất (phương pháp tuyến tính này xem xét sai số của cả thiết bị đề tài và thiết bị kiểm chứng). - Phương pháp đánh giá độ chính xác của thiết bị giám sát chất lượng môi trường không khí 2.1. - Phương pháp đánh giá độ chính xác của thiết bị giám sát chất lượng môi trường không khí sử dụng các công cụ thông số thống kê a. - Dựa vào phương pháp này, phương trình tuyến tính giữa số liệu đo đạc từ hai thiết bị sẽ được thiết lập. - Nếu hai thiết bị tương quan với nhau, đường thẳng tuyến tính này sẽ không sai khác đáng kể so với đường thẳng 1:1 nghiêng 45 độ so với trục hoành. - Do sai số luôn hiện diện trong các bài kiểm tra về tuyến tính, các thông số cung cấp bài kiểm tra cho mức độ tương quan của hai thiết bị. - Tuy nhiên, phương pháp hồi quy tuyến tính bình phương nhỏ nhất giả thiết rằng thiết bị kiểm chứng cho số liệu đo đạc không có sai số. - Điều này rất khó xảy ra trong thực tế vì thiết bị nào trong thực tế cũng cho số liệu đo đạc với sai số nhất định [6]. - Bằng cách này, phương pháp hồi quy tuyến tính vuông góc bình phương nhỏ nhất [7] có bao gồm sai số của cả thiết bị đề tài và thiết bị kiểm chứng. - Đường hồi quy thể hiện sự tương đồng giữa kết quả đo của thiết bị đề tài với thiết bị kiểm chứng thông qua hệ số độ dốc và hệ số chặn. - Bên cạnh hai hệ số này, hệ số tương quan cũng được sử dụng kết hợp để đánh giá độ tin cậy của thiết bị đề tài. - Sự tương quan của hai thiết bị được diễn giải chỉ bằng hệ số tương quan là chưa đầy đủ và hợp lý vì giá trị hệ số tương quan cao không đồng nghĩa với việc hai thiết bị tương quan với nhau. - Hai thiết bị cho kết quả đo đạc tương đồng với nhau khi các điểm trên đồ thị phân tán nằm xung quanh đường thẳng 1:1, tuy nhiên giá trị hệ số tương quan cao có thể đạt được khi các điểm phân tán nằm phân bố xung quanh bất kỳ đường thẳng nào. - Do đó, trong nghiên cứu này, bên cạnh hệ số tương quan Pearson [8], tác giả sử dụng thêm hệ số tương quan phù hợp (Công thức (1)) để đánh giá thiết bị đề tài. - Hệ số tương quan phù hợp Hệ số tương quan phù hợp [9] biểu thị sự liên quan chặt chẽ giữa số liệu đo đạc phân bố xung quanh đường thẳng 1:1 và được tính bằng công thức: 2S T R rc = 2 (1) S T2 + S R2 + T i − Ri trong đó (Ri ) là nồng độ trung bình của thiết bị kiểm chứng. - (T i ) là nồng độ trung bình của thiết bị đề tài. - S T R là hiệp phương sai của hai biến thông số đo đạc từ thiết bị đề tài và thiết bị kiểm chứng. - S T2 , S R2 là phương sai của hai biến thông số đo đạc từ thiết bị đề tài và thiết bị kiểm chứng. - Độ sai phương chuẩn Bên cạnh các hệ số của phương trình hồi quy tuyến tính, hệ số tương quan và hệ số tương quan phù hợp, để đánh giá độ tin cậy của thiết bị đề tài được chặt chẽ và kỹ lưỡng hơn, độ sai phương chuẩn cũng được kết hợp vào công cụ đánh giá. - Công thức (2) xác định độ sai phương chuẩn: h i N MS E = (Ri − T i )2 / Ri T i (2) trong đó Ri là nồng độ trung bình của thiết bị kiểm chứng. - T i là nồng độ trung bình của thiết bị đề tài. - Ri là nồng độ đo được tại thời điểm i bởi thiết bị kiểm chứng. - T i là nồng độ đo được tại thời điểm i bởi thiết bị đề tài. - Trong nghiên cứu này, tiêu chuẩn hướng dẫn về so sánh, đánh giá thống kê cho các cặp thông số của Hiệp Hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ ASTM-D5157 [10] được sử dụng để đánh giá mối quan hệ giữa hai bộ số liệu từ hai thiết bị. - Hai bộ số liệu tương quan chặt chẽ với nhau khi: Hệ số tương quan lớn hơn hoặc bằng 0,9. - Hệ số chặn nhỏ hơn hoặc bằng 25 phần trăm giá trị đo trung bình từ thiết bị kiểm chứng. - Phương pháp đánh giá độ chính xác của thiết bị quan trắc chất lượng môi trường không khí sử dụng các bài kiểm định xác suất thống kê Trong nghiên cứu này, bài kiểm định t-test [11] được sử dụng để kiểm tra sự tương đồng của bộ số liệu đo đạc từ thiết bị đề tài và bộ số liệu đo đạc từ thiết bị kiểm chứng thông qua đánh giá sự khác biệt giá trị trung bình của số liệu đo đạc từ hai thiết bị. - Các bước ứng dụng t-test trong việc so sánh hai bộ số liệu được thể hiện ở Hình 1. - Do đó trước khi làm bài kiểm định t-test, tác giả sẽ kiểm tra số liệu từ hai thiết bị có phân phối chuẩn hay không thông qua bài kiểm tra phân phối chuẩn Anderson–Darling và bài kiểm tra so sánh phương sai của hai bộ số liệu. - Đồ thị Q-Q của các số liệu thông số chất ô nhiễm môi trường tại điểm đo 1 Bài kiểm định phân phối chuẩn của bộ số liệu Anderson-Darling test: Giả thiết của bài kiểm định phân phối chuẩn Anderson-Darling test như sau: H0: Bộ số liệu có phân phối chuẩn. - H1: Bộ số liệu không có phân phối chuẩn. - Chúng ta có thể kết luận rằng không có đủ bằng chứng để kết luận bộ số liệu không có phân phối chuẩn. - Bên cạnh bài kiểm định phân phối chuẩn bằng bài kiểm định Anderson-Darling test, bài báo sử dụng đồ thị xác xuất chuẩn Q-Q để kiểm tra phân phối chuẩn của các số liệu quan trắc các chất ô nhiễm môi trường không khí. - Bài kiểm định so sánh phương sai của hai bộ số liệu: Giả thiết kiểm tra so sánh phương sai của hai bộ số liệu như sau: H0: Hai bộ số liệu có tỉ số phương sai bằng 1. - H1: Hai bộ số liệu có tỉ số phương sai khác 1. - Nếu số liệu có phân phối chuẩn, F-test được sử dụng để so sánh phương sai của 109 Hiếu, B. - Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng hai bộ số liệu. - Trong trường hợp số liệu không có phân phối chuẩn, Levene-test được sử dụng để so sánh phương sai của hai bộ số liệu. - Nếu giá trị p lớn hơn 0,05 thì giả thiết H0 được chấp nhận và có thể kết luận không có sự sai khác đáng kể về phương sai của hai bộ số liệu. - Trong nghiên cứu này, giả thiết H0 và giả thiết thay thế H1 lần lượt là: H0: giá trị trung bình của số liệu đo đạc từ thiết bị đề tài và thiết bị kiểm chứng là như nhau. - H1: giá trị trung bình của số liệu đo đạc từ thiết bị đề tài và thiết bị kiểm chứng là khác nhau. - Hay nói một cách khác, hai bộ số liệu không tương đồng với nhau nêu giá trị p nhỏ hơn 0,05. - Tuy nhiên, nghiên cứu này sử dụng bài kiểm định giá trị trung bình t-test để làm một trong những tiêu chí đánh giá sự tương quan giữa hai bộ số liệu để kết quả đánh giá độ tin cậy của thiết bị đề tài B2014-03-12 có độ tin cậy cao hơn. - Kết quả của phương pháp so sánh sử dụng các công cụ thông số thống kê Thiết bị giám sát chất lượng môi trường không khí sau khi được lắp đặt và kiểm nghiệm được sử dụng để đo đồng thời và liên tục các thông số ô nhiễm môi trường không khí xung quanh cùng với thiết bị kiểm chứng. - Tại địa điểm quan trắc 1 nằm trên đường Nguyễn Văn Cừ, thiết bị đề tài được đặt cùng vị trí với trạm quan trắc môi trường không khí tự động tại số 556 Nguyễn Văn Cừ để đo đạc các thông số SO2 , NO2 , CO và bụi PM10 từ đến và từ đến 14/11/2016. - Tại điểm đo đạc số 1, các số liệu đo đạc tháng 10 và tháng 11 được kết hợp với nhau để sử dụng trong các phương pháp đánh giá độ chính xác của thiết bị. - Tại địa điểm 2 (cổng Trường Đại học Xây dựng (ĐHXD), thiết bị kiểm chứng được sử dụng là thiết bị IR-208 cung cấp các thông số SO2 , NO2 , CO và bụi PM10 . - Bảng 1 và Bảng 2 tổng kết các thông số thống kê để làm cơ sở so sánh bộ số liệu đo đạc nồng độ các chất ô nhiễm môi trường không khí bao gồm các khí SO2 , NO2 , CO và bụi hạt ở hai địa điểm đo đạc 1 và 2. - Nói một cách khác, thiết bị đề tài và thiết bị kiểm chứng cung cấp hai bộ số liệu quan trắc các thông số môi trường không khí xung quanh bao gồm các khí SO2 , NO2 , CO và bụi hạt có mức tương đồng cao. - Có thể thấy một vài nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt trong kết quả so sánh này: (1) Phương trình tuyến tính mà nghiên cứu [3] sử dụng là phương trình tuyến tính bình phương nhỏ nhất chỉ giả thiết đến sai số của thiết bị đề tài mà bỏ qua sai số của thiết bị kiểm chứng. - So sánh, đánh giá sự đồng nhất giá trị đo giữa thiết bị đề tài với thiết bị kiểm chứng tại trạm quan trắc tự động tại điểm đo 1 Hệ số Độ sai Hệ số Hệ số Đại lượng Hệ số chặn tương quan phương độ dốc tương quan phù hợp chuẩn Tiêu chí đánh giá TBKC NO CO SO PM PM Bảng 2. - So sánh, đánh giá sự đồng nhất giá trị đo giữa thiết bị đề tài với thiết bị kiểm chứng tại điểm đo 2 Hệ số Độ sai Hệ số Hệ số Đại lượng Hệ số chặn tương quan phương độ dốc tương quan phù hợp chuẩn Tiêu chí đánh giá TBKC NO CO SO PM Bảng 2 cho thấy các đại lượng thống kê đối với các thông số NO2 , CO và bụi PM10 đều nằm trong giới hạn thỏa mãn hai bộ số liệu từ thiết bị đề tài và thiết bị kiểm chứng tương đồng nhau theo tiêu chuẩn ASTM-5257 của Hoa Kỳ. - Tuy nhiên, đối với thông số SO2 , hai đại lượng bao gồm hệ số độ dốc a = 1,47 và hệ số tương quan r = 0,72 là nằm ngoài khoảng thỏa mãn hai bộ số liệu tương đồng. - Tuy nhiên, để kết quả so sánh chính xác hơn thì chuỗi thời gian đo đạc các thông số ô nhiễm môi trường không khí cần được kéo dài hơn để cung cấp một bộ số liệu ổn định và nhiều thông tin hơn. - Kết quả của phương pháp so sánh sử dụng các bài kiểm định xác suất thống kê Bảng 3 và Bảng 4 tổng kết các giá trị p của các bài kiểm định phân phối chuẩn của bộ số liệu quan trắc môi trường không khí xung quanh Anderson Darling test, bài kiểm định về so sánh sai phương bộ số liệu cung cấp từ thiết bị đề tài và thiết bị kiểm chứng F-test hoặc Levene-test và bài kiểm định t-test ở hai địa điểm đo đạc. - Kết quả bài kiểm định về phân phối chuẩn của các số liệu quan trắc chất lượng môi trường không khí chỉ ra rằng tất cả các thông số quan trắc đều không theo phân phối chuẩn với giá trị p của tất cả các thông số quan trắc đều nhỏ hơn 0,05 tại điểm đo 1. - Do đó, trước khi thực hiện kiểm định t-test để kiểm tra sự sai khác giữa bộ số liệu từ thiết bị đề tài và thiết bị 111 Hiếu, B. - Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng kiểm chứng, các bộ số liệu được chuyển sang bộ số liệu phân phối chuẩn bằng phương pháp Box-Cox. - Tương tự, hầu hết các số liệu đo đạc các thông số quan trắc môi trường của thiết bị đề tài và thiết bị kiểm chứng đều có giá trị p < 0,05 (ngoại trừ số liệu NO2 của thiết bị đề tài). - Do giá trị p < 0,05 nên giả thiết rằng bộ số liệu có phân phối chuẩn bị loại bỏ. - Do đó, để so sánh bộ số liệu từ thiết bị đề tài và thiết bị kiểm chứng sử dụng bài kiểm định t-test, tác giả chuyển đổi bộ số liệu quan trắc ban đầu sang bộ số liệu quan trắc có phân phối chuẩn sử dụng phương pháp Box-Cox. - Đồ thị Q-Q của các số liệu thông số chất ô nhiễm môi trường tại điểm đo 2 Bảng 3. - Giá trị p của các bài kiểm định thống kê của bộ số liệu quan trắc chất lượng môi trường không khí từ hai thiết bị tại điểm đo 1 Đại lượng Kiểm định Anderson–Darling test Kiểm định so sánh Kiểm định Thiết bị đề tài Thiết bị kiểm chứng phương sai t-test NO CO SO PM PM Trước khi thực hiện bài kiểm định t-test, phương sai của các bộ số liệu được so sánh với nhau sử dụng bài kiểm tra phương sai phi tham số Levene-test. - Do đó, ở khoảng tin cậy 95%, giả thiết tỉ số giá trị phương sai của hai bộ số liệu bằng 1 được chấp nhận. - Do đó, tất các bộ số liệu quan trắc môi trường tại điểm đo 1 có giá trị phương sai tương đồng nhau. - Vì thế, chúng ta có thể áp dụng bài kiểm định t-test cho các bộ số liệu này. - Từ đó chúng ta chấp nhận giả thiết giá trị trung bình của hai bộ số liệu quan trắc 112 Hiếu, B. - Giá trị p của các bài kiểm định thống kê của bộ số liệu quan trắc chất lượng môi trường không khí từ hai thiết bị tại điểm đo 2 Đại lượng Kiểm định Anderson–Darling test Kiểm định so sánh Kiểm định Thiết bị đề tài Thiết bị kiểm chứng phương sai t-test NO CO SO PM môi trường là như nhau ở khoảng tin cậy 95%. - Kết quả này là một trong những cơ sở đề kết luận giá trị đo thiết bị đề tài và giá trị đo của thiết bị kiểm chứng có mức tương đồng cao. - Tại điểm đo 2, bài kiểm định so sánh phương sai phi tuyến tính Levene-test cho các bộ số liệu của các thông số NO2 , CO và PM10 đều cho kết quả giá trị p lớn hơn 0,05. - Từ đó, chúng ta có thể áp dụng bài kiểm định t-test cho bộ số liệu các thông số NO2 , CO và PM10 . - Bài kiểm định t-test cho bộ số liệu các thông số NO2 , CO và PM10 cho kết quả giá trị p lớn hơn 0,05. - Do đó, ở khoảng tin cậy 95% chúng ta có thể kết luận giá trị trung bình của các bộ số liệu các thông số NO2 , CO và PM10 không có sự sai khác đáng kể. - Đây cũng là một trong những cơ sở để kết luận số liệu quan trắc các thông số NO2 , CO và PM10 từ thiết bị đề tài và thiết bị kiểm chứng có mối quan hệ chặt chẽ. - Tuy nhiên, đối với thông số SO2 tại điểm đo 2, bài kiểm định so sánh phương sai phi tham số Levene test cho giá trị p bằng 0,002 nhỏ hơn 0,05 nên tác giả không thực hiện bài kiểm định t-test cho bộ số liệu này. - Kết luận và kiến nghị Tác giả đã sử dụng các công cụ thông số thống kê và sử dụng các bài kiểm định xác suất thống kê để đánh giá độ tin cậy của thiết bị [2] để đo các thông số về chất ô nhiễm môi trường không khí bao gồm SO2 , NO2 , CO và PM10 và đưa ra các nhận xét. - Tại điểm đo 1, các đại lượng thống kê của tất cả các bộ số liệu thông số chất ô nhiễm môi trường không khí cung cấp bởi thiết bị đề tài và thiết bị kiểm chứng đều nằm trong khoảng tiêu chuẩn hai bộ số liệu tương đồng với nhau theo tiêu chuẩn ASTM-5157. - Thêm vào đó, giá trị p của bài kiểm định t-test của tất cả cặp số liệu của các thông số chất ô nhiễm đều lớn hơn 0,05. - Do đó, các giá trị đo từ thiết bị đề tài có mối quan hệ chặt chẽ và tương quan cao với các giá trị đo của thiết bị kiểm chứng là trạm đo không khí tự động trên đường Nguyễn Văn Cừ. - Tại điểm đo 2, các cặp số liệu đo đạc từ hai thiết bị của các thông số chất ô nhiễm NO2 , CO và PM10 đều có các đại lượng thống kê thỏa mãn điều kiện tương quan theo tiêu chuẩn ASTM-5157. - Tuy nhiên, cặp số liệu cung cấp bởi hai thiết bị cho thông số SO2 cho kết quả hai đại lượng là hệ số tương quan, hệ số độ dốc nằm ngoài ngưỡng thỏa mãn điều kiện tương quan. - vì vậy, bài kiểm định t-test không thể sử dụng để đánh giá mối liên hệ của cặp số liệu SO2. - Kết quả so sánh các cặp thông số các chất ô nhiễm môi trường không khí tại hai địa điểm đo đạc trên địa bàn thành phố Hà Nội cung cấp bởi thiết bị đề tài và thiết bị kiểm chứng cho thấy có thể sử dụng thiết bị giám sát chất lượng môi trường không khí [1, 2] nghiên cứu chế tạo để đo đạc và quan 113 Hiếu, B. - Tuy nhiên, nếu thời gian đo đạc các thông số SO2 , NO2 , CO, PM10 và PM2.5 dài hơn thì bộ số liệu được ổn định và kết quả các đại lượng thống kê và các bài kiểm định thống kê sẽ có độ tin cậy cao hơn. - Thêm nữa, độ bền của thiết bị của đề tài cũng sẽ được kiểm định bằng cách kéo dài thời gian đo đạc. - Kết quả bước đầu trong nghiên cứu, thiết kế thiết bị quan trắc không khí khu vực đô thị. - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị giám sát chất lượng môi trường không khí ở khu vực dân cư đô thị, mã số B2014-03-12. - Nghiên cứu ứng dụng thiết bị đo nhanh để quan trắc chất lượng không khí tại Hà Nội