Cách lựa chọn vị trí quan trắc môi trường có tính đại diện

Trong thiết kế chương trình quan trắc môi trường tại Việt Nam, Thông tư 10/2021/TT-BTNMT cũng đặt mục tiêu quan trắc trước bước xác định tuyến và điểm lấy mẫu; phương án sơ bộ cần mô tả nguồn gây tác động, đối tượng ảnh hưởng và đặc điểm khu vực quan trắc.

Tính đại diện vì thế không có nghĩa là tìm một điểm “trung bình về địa lý”. Một vị trí có thể nằm giữa khu vực nhưng không đại diện nếu nó nằm ngoài hướng phát tán chính của nguồn khí thải, trong vùng nước tù, sau một nhánh sông làm thay đổi dòng chảy hoặc chịu ảnh hưởng bất thường từ một nguồn cục bộ. Ngược lại, điểm nằm gần nguồn tác động có thể rất phù hợp nếu mục tiêu chính là xác định mức ảnh hưởng của chính nguồn đó.

Tính đại diện phải được xác định từ mục tiêu quan trắc

Câu hỏi đầu tiên không phải “đặt điểm ở đâu?” mà là “số liệu tại điểm này sẽ dùng để trả lời điều gì?”. Mục tiêu khác nhau sẽ dẫn đến vị trí khác nhau.

Nếu cần đánh giá chất lượng môi trường nền, điểm phải hạn chế ảnh hưởng của các nguồn cục bộ để phản ánh trạng thái chung của khu vực. Nếu cần đánh giá ảnh hưởng của một khu công nghiệp, tuyến giao thông hoặc cửa xả, vị trí phải nằm trong vùng có khả năng tiếp nhận tác động. Nếu mục tiêu là theo dõi phơi nhiễm cộng đồng, yếu tố phân bố dân cư và các nhóm nhạy cảm lại trở thành điều kiện quan trọng.

Nguyên tắc này cũng được sử dụng trong thiết kế mạng quan trắc không khí của US EPA: mục tiêu quan trắc được xác định trước, sau đó mới chọn quy mô không gian đại diện, khu vực đặt trạm và cuối cùng là vị trí cụ thể.

Do đó, cùng một nguồn phát thải không nhất thiết chỉ cần một loại điểm quan trắc. Điểm dùng để xác định tác động lớn nhất và điểm dùng để mô tả chất lượng môi trường chung có thể phải đặt ở hai không gian khác nhau.

Đặt điểm theo quan hệ nguồn tác động – đường lan truyền – đối tượng tiếp nhận

Nguồn gây ô nhiễm không tác động đồng đều ra mọi hướng. Chất ô nhiễm phải đi qua một cơ chế lan truyền trước khi đến vị trí quan trắc. Vì vậy, vị trí có tính đại diện cần được xác định trên ba thành phần liên kết với nhau:

Nguồn tác động → đường lan truyền → đối tượng tiếp nhận

Với không khí, đường lan truyền phụ thuộc đáng kể vào hướng và tốc độ gió, địa hình, chiều cao nguồn phát thải, công trình xung quanh và đặc điểm khuếch tán. Một trạm nằm rất gần nhà máy nhưng thường xuyên ở phía đầu gió có thể ghi nhận ảnh hưởng của nguồn thấp hơn một điểm xa hơn nhưng nằm trên hướng phát tán chủ đạo.

Với sông, cần xem xét hướng dòng chảy, lưu lượng, điểm hợp lưu, cửa xả và mức độ hòa trộn. Điểm lấy mẫu quá sát cửa xả có thể phản ánh một dải nước thải chưa hòa trộn thay vì chất lượng chung của mặt cắt sông. Ngược lại, đặt quá xa có thể khiến tín hiệu của nguồn bị pha loãng hoặc bị trộn với tác động của nhiều nguồn khác, làm giảm khả năng xác định nguyên nhân.

Với hồ, vùng nước tù, khu vực lắng đọng hoặc nơi thực vật thủy sinh phát triển mạnh có thể mang đặc điểm rất khác phần còn lại của thủy vực. Đối với trạm quan trắc nước mặt tự động, Thông tư 10/2021/TT-BTNMT yêu cầu vị trí trên hồ có chế độ trao đổi thủy lực tốt và mang tính đại diện, đồng thời tránh các vùng nước tù, nước đọng hoặc dễ lắng trầm tích; với trạm trên sông, quy định nêu các điều kiện về đoạn sông, dòng chảy và khoảng cách đối với điểm xả hoặc cửa sông.

Như vậy, khoảng cách đến nguồn chỉ là một biến. Hướng và cơ chế vận chuyển chất ô nhiễm thường quan trọng không kém khoảng cách.

Xác định quy mô không gian mà điểm quan trắc phải đại diện

Một sai lệch phổ biến là coi mọi điểm quan trắc đều đại diện cho cùng một phạm vi. Trên thực tế, dữ liệu tại một điểm có thể chỉ phù hợp để mô tả khu vực rất gần nguồn hoặc có thể đại diện cho cả một khu dân cư, đô thị hay vùng rộng hơn.

Trong thiết kế mạng quan trắc không khí, US EPA phân biệt nhiều quy mô đại diện không gian. Ví dụ, microscale có thể phản ánh phạm vi từ vài mét đến khoảng 100 m; middle scale khoảng 100 m đến 0,5 km; neighborhood scale khoảng 0,5–4 km; urban scale khoảng 4–50 km.

Các con số này là khung kỹ thuật cho mạng quan trắc không khí của Hoa Kỳ, không phải khoảng cách bắt buộc áp dụng chung cho mọi chương trình quan trắc tại Việt Nam. Giá trị của chúng nằm ở nguyên tắc: quy mô đại diện phải phù hợp với mục tiêu sử dụng dữ liệu.

Nếu muốn đánh giá ảnh hưởng sát một tuyến đường nhưng lại đặt trạm tại khu vực đại diện cho nền đô thị, tín hiệu giao thông có thể bị làm mờ. Ngược lại, nếu muốn công bố chất lượng không khí đại diện cho một khu dân cư nhưng đặt thiết bị ngay cạnh một nguồn bụi rất cục bộ, dữ liệu có thể bị nguồn đó chi phối và không còn đại diện cho khu vực rộng hơn.

Phân biệt điểm nền, điểm chịu tác động và điểm kiểm chứng

Chỉ quan trắc tại một điểm chịu tác động thường khó trả lời câu hỏi: mức ô nhiễm ghi nhận được có thực sự do nguồn đang xem xét hay vốn đã tồn tại trong môi trường?

Vì vậy, khi mục tiêu yêu cầu xác định ảnh hưởng của nguồn, cấu trúc không gian của chương trình nên tạo khả năng so sánh. Tùy môi trường và điều kiện thực tế, có thể cần phân biệt:

·         Điểm nền phản ánh trạng thái ít chịu ảnh hưởng của nguồn đang đánh giá

·         Điểm chịu tác động nằm trong không gian mà nguồn có khả năng ảnh hưởng

·         Điểm kiểm chứng giúp đánh giá sự thay đổi theo hướng lan truyền, chẳng hạn phía hạ lưu hoặc khu vực ngoài vùng tác động chính

Các điểm này không nên được xác định cơ học bằng một khoảng cách cố định. Chúng chỉ có ý nghĩa khi đặt đúng quan hệ không gian với nguồn và cơ chế vận chuyển.

Ví dụ, với sông chảy theo một hướng xác định, so sánh điểm trước và sau khu vực tiếp nhận nước thải có thể giúp tách trạng thái nước đi vào khu vực khỏi biến đổi xuất hiện sau nguồn tác động. Với không khí, logic tương tự có thể áp dụng giữa khu vực ít chịu ảnh hưởng của nguồn và khu vực nằm trên hướng phát tán dự kiến.

Kiểm tra địa hình, khí tượng và thủy văn trước khi chốt tọa độ

Sau khi khoanh được vùng phù hợp về mặt nguồn tác động và không gian đại diện, cần kiểm tra các điều kiện tự nhiên có khả năng làm thay đổi kết quả.

Đối với quan trắc không khí, cây lớn, tường nhà, công trình cao tầng và các vật cản có thể làm thay đổi dòng khí quanh đầu lấy mẫu. Một nguồn rất cục bộ như khu vực hút thuốc, hoạt động đốt hoặc nguồn bụi ngay cạnh thiết bị cũng có thể tạo ra giá trị cao nhưng không đại diện cho khu vực cần đánh giá. EPA vì vậy khuyến nghị vị trí cảm biến dùng để phản ánh cộng đồng phải tránh các nguồn siêu cục bộ không thuộc mục tiêu đo và cần xem xét ảnh hưởng của vật cản đến chuyển động không khí.

Đối với nước mặt, chế độ dòng chảy theo mùa đặc biệt quan trọng. Một vị trí phù hợp vào mùa mưa chưa chắc còn lấy được mẫu hoặc còn đại diện trong mùa cạn. Trên sông, vùng xoáy, đoạn nước gần như đứng yên hoặc khu vực chưa hòa trộn hoàn toàn có thể tạo kết quả khác đáng kể với mặt nước xung quanh.

Điều đó giải thích vì sao khảo sát hiện trường là bước cần thiết trước khi cố định tọa độ. Bản đồ và thông tin nguồn giúp xác định vùng ứng viên; khảo sát thực tế xác nhận vị trí đó có thực sự phản ánh điều kiện môi trường cần quan trắc hay không.

Điều kiện vận hành chỉ được xem xét sau yêu cầu về tính đại diện

Một điểm lý tưởng về mặt khoa học nhưng không thể tiếp cận, không bảo đảm an toàn hoặc không thể duy trì thiết bị dài hạn sẽ khó tạo chuỗi dữ liệu ổn định. Vì vậy, khả năng vận hành vẫn là một tiêu chí thực tế quan trọng.

Đối với trạm quan trắc nước mặt tự động, quy định hiện hành xem xét đồng thời tính đại diện của vị trí lấy mẫu, nhu cầu quan trắc dài hạn, an toàn, chi phí vận hành cũng như điều kiện giao thông, điện, nước sạch và viễn thông.

Tuy nhiên, không nên đảo ngược thứ tự ưu tiên bằng cách chọn trước một nơi thuận tiện rồi mặc nhiên coi đó là điểm đại diện. Cách phù hợp hơn là:

1.    Xác định vùng đại diện về mặt môi trường

2.    Lập các vị trí ứng viên trong vùng đó

3.    So sánh khả năng tiếp cận, an toàn và vận hành

4.    Chọn vị trí đáp ứng tốt đồng thời yêu cầu khoa học và kỹ thuật

Nếu phải dịch chuyển khỏi vị trí tối ưu vì giới hạn mặt bằng hoặc hạ tầng, cần kiểm tra xem vị trí mới còn đại diện cho cùng nguồn tác động và cùng quy mô không gian hay không.

Đánh giá tính đại diện bằng dữ liệu thay vì chỉ bằng quan sát

Việc lựa chọn điểm không nên kết thúc ở lần khảo sát đầu tiên. Khi mức độ không đồng nhất của khu vực lớn hoặc nguồn tác động phức tạp, có thể sử dụng dữ liệu hỗ trợ để kiểm tra giả định về tính đại diện.

Các nguồn thông tin hữu ích gồm bản đồ nguồn thải, GIS, địa hình, mạng sông ngòi, dữ liệu khí tượng, hướng dòng chảy, phân bố dân cư, kết quả quan trắc lịch sử và khảo sát đo nhanh tại nhiều vị trí ứng viên. Với bài toán phức tạp hơn, mô hình phát tán hoặc mô hình thủy động lực có thể hỗ trợ xác định vùng ảnh hưởng trước khi bố trí điểm cố định.

US EPA cũng lưu ý rằng chỉ chia khu vực theo khoảng cách hình học chưa đủ để xác định tính đại diện của một trạm, bởi vận chuyển chất ô nhiễm, địa hình và khoảng cách tới nguồn hoặc dân cư có thể làm thay đổi vùng mà trạm thực sự phản ánh.

Một kiểm tra thực tế hữu ích là đặt câu hỏi: nếu di chuyển điểm vài chục hoặc vài trăm mét trong cùng vùng, kết luận môi trường có thay đổi đáng kể không? Nếu thay đổi lớn do một nguồn cục bộ, vật cản hoặc vùng dòng chảy bất thường, vị trí hiện tại có thể chưa đại diện cho phạm vi được giả định.

Tiêu chí cuối cùng để chấp nhận một vị trí quan trắc

Một điểm có thể được xem là phù hợp khi đồng thời trả lời được các câu hỏi sau:

·         Mục tiêu: Điểm này tạo dữ liệu phục vụ chính xác mục tiêu quan trắc nào

·         Nguồn: Nguồn hoặc nhóm nguồn nào có khả năng ảnh hưởng đến điểm

·         Lan truyền: Chất ô nhiễm đi từ nguồn đến điểm theo cơ chế nào

·         Không gian: Dữ liệu của điểm được phép đại diện cho phạm vi nào

·         Đối tượng: Khu vực, hệ sinh thái hoặc cộng đồng nào đang được đánh giá

·         Nhiễu: Có nguồn cục bộ, vật cản hoặc điều kiện bất thường làm sai lệch kết quả hay không

·         Thời gian: Vị trí còn phù hợp trong các mùa và chế độ môi trường khác nhau hay không

·         Vận hành: Có thể lấy mẫu, bảo trì và duy trì chuỗi dữ liệu an toàn, ổn định hay không

Một vị trí thuận tiện nhưng không trả lời được các câu hỏi về nguồn, cơ chế lan truyền và phạm vi đại diện chưa phải là điểm quan trắc tốt. Ngược lại, khi mục tiêu, nguồn tác động, đường lan truyền và quy mô không gian được xác định rõ, tọa độ điểm quan trắc trở thành kết quả của một logic kỹ thuật có thể giải thích và kiểm chứng.

Lựa chọn vị trí quan trắc môi trường có tính đại diện cần bắt đầu từ mục tiêu quan trắc, sau đó lần theo nguồn tác động → đường lan truyền → đối tượng tiếp nhận → phạm vi không gian đại diện. Địa hình, khí tượng, thủy văn và nguồn nhiễu được dùng để kiểm tra lại giả định đó, còn khả năng tiếp cận và vận hành là điều kiện để duy trì dữ liệu lâu dài. Vì vậy, vị trí tốt nhất không nhất thiết là điểm gần nguồn nhất, ở giữa khu vực nhất hoặc thuận tiện nhất, mà là điểm tạo ra số liệu đúng với câu hỏi môi trường mà chương trình cần trả lời.