Độ chính xác quan trắc môi trường được đánh giá bằng cách nào?

Trong thực tế, độ chính xác được xác định bằng cách đưa hệ thống đo một mẫu hoặc tín hiệu có giá trị đã biết, sau đó so sánh kết quả thu được với giá trị tham chiếu. Sai số tuyệt đối, sai số tương đối, độ chệch và độ thu hồi là những chỉ số thường dùng. Song song với đó, mẫu lặp và các phép kiểm soát chất lượng được sử dụng để xác định độ chụm, qua đó phân biệt biến động ngẫu nhiên với sai lệch có tính hệ thống. EPA cũng định nghĩa accuracy là mức độ phù hợp giữa giá trị quan sát và giá trị tham chiếu được chấp nhận, trong đó có cả thành phần sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống.

Độ chính xác được xác định từ độ lệch so với giá trị tham chiếu

Cách trực tiếp nhất để đánh giá độ chính xác là đo một đại lượng đã biết trước giá trị và xác định kết quả quan trắc lệch bao nhiêu so với giá trị đó.

Nếu kết quả đo là (X) và giá trị tham chiếu là (X_{ref}), sai số tuyệt đối có thể biểu diễn:

Sai số tuyệt đối = |X − Xref|

Sai số tương đối thường được tính:

Sai số tương đối (%) = |X − Xref| / |Xref| × 100

Ví dụ, một dung dịch chuẩn có nồng độ 100 mg/L nhưng hệ thống đo được 96 mg/L thì sai lệch tuyệt đối là 4 mg/L và sai số tương đối là 4%. Nếu đo được 100,5 mg/L, sai số tương đối chỉ còn 0,5%.

Tuy nhiên, một lần đo gần giá trị chuẩn chưa đủ chứng minh cả hệ thống luôn chính xác. Cần thực hiện nhiều phép kiểm tra để xem sai lệch có lặp lại theo một hướng hay dao động ngẫu nhiên quanh giá trị tham chiếu.

Độ chệch và độ chụm phải được xem xét cùng nhau

Độ chính xác dễ bị nhầm với độ chụm. Hai đặc tính này liên quan nhưng không đồng nhất.

Độ chụm (precision) phản ánh mức độ gần nhau giữa các kết quả khi cùng một đại lượng được đo lặp lại trong những điều kiện xác định. Độ chụm có thể được biểu diễn bằng độ lệch chuẩn, độ lệch chuẩn tương đối hoặc độ sai khác giữa các mẫu lặp.

Độ chệch (bias) phản ánh xu hướng hệ thống cho kết quả cao hơn hoặc thấp hơn giá trị tham chiếu một cách có hệ thống. Chẳng hạn, nếu mẫu chuẩn 100 mg/L liên tục được đo khoảng 92–94 mg/L, kết quả có thể khá chụm nhưng tồn tại độ chệch âm đáng kể.

Vì vậy, một hệ thống cho các kết quả rất sát nhau chưa chắc đã chính xác. Độ chính xác cao đòi hỏi các phép đo vừa có biến động ngẫu nhiên đủ nhỏ, vừa không tồn tại độ chệch đáng kể so với giá trị tham chiếu. Đây cũng là lý do các chương trình QA/QC thường kiểm soát đồng thời precision và bias thay vì chỉ kiểm tra khả năng lặp lại.

Mẫu chuẩn và mẫu thêm chuẩn cho biết phép đo gần giá trị thực đến đâu

Một trong những cách quan trọng nhất để kiểm tra độ chính xác là sử dụng vật liệu chuẩn có giá trị đã biết.

Với mẫu chuẩn hoặc mẫu kiểm soát phòng thí nghiệm, độ thu hồi có thể tính:

Độ thu hồi (%) = Giá trị đo / Giá trị tham chiếu × 100

Nếu giá trị chuẩn là 100 mg/L và kết quả phân tích là 98 mg/L, độ thu hồi bằng 98%.

Đối với mẫu môi trường có nền mẫu phức tạp, kỹ thuật thêm một lượng chất phân tích đã biết vào mẫu giúp kiểm tra cả ảnh hưởng của nền mẫu. Độ thu hồi mẫu thêm chuẩn có thể tính:

Độ thu hồi (%) = (C mẫu thêm chuẩn − C mẫu ban đầu) / C lượng chuẩn thêm vào × 100

Giá trị 100% về lý thuyết biểu thị lượng chất thêm vào được đo lại hoàn toàn. Giá trị lệch khỏi 100% cho thấy ảnh hưởng của sai số, tổn thất trong xử lý mẫu, nhiễu nền hoặc độ chệch của phương pháp. EPA sử dụng vật liệu tham chiếu, mẫu kiểm soát và mẫu thêm chuẩn như các công cụ đánh giá accuracy; giới hạn độ thu hồi chấp nhận phải căn cứ vào phương pháp và tiêu chí kiểm soát tương ứng chứ không có một khoảng phần trăm duy nhất cho mọi phép quan trắc.

Hiệu chuẩn và mẫu QC kiểm tra độ chính xác trong toàn bộ quá trình quan trắc

Độ chính xác không chỉ được kiểm tra khi kết thúc phép phân tích. Hệ thống QA/QC phải kiểm soát các khâu có thể tạo ra sai số.

Hiệu chuẩn thiết bị thiết lập quan hệ giữa tín hiệu đo và các giá trị chuẩn. Sau hiệu chuẩn, chuẩn kiểm tra độc lập hoặc mẫu QC được sử dụng để xác nhận thiết bị vẫn cho kết quả trong giới hạn cho phép. Việc sử dụng vật liệu kiểm tra độc lập với vật liệu dùng để hiệu chuẩn có giá trị đặc biệt vì nó giúp phát hiện tình trạng đường hiệu chuẩn có vẻ đạt yêu cầu nhưng phép đo thực tế vẫn bị chệch.

Mẫu trắng giúp nhận biết nhiễm bẩn phát sinh trong dụng cụ, hóa chất, vận chuyển hoặc quá trình phân tích. Mẫu lặp cho thấy độ biến động của quá trình lấy mẫu và phân tích. Mẫu thêm chuẩn đánh giá khả năng thu hồi chất cần đo trong chính nền mẫu môi trường. Vật liệu chuẩn chứng nhận hoặc mẫu có giá trị tham chiếu cung cấp điểm đối chiếu cho độ chính xác.

Nhờ kết hợp các phép kiểm tra này, nguyên nhân của một kết quả không đạt có thể được khoanh vùng tốt hơn thay vì đơn giản kết luận rằng “thiết bị đo sai”.

Hệ thống quan trắc tự động cũng phải được kiểm tra bằng chuẩn và giới hạn kỹ thuật

Với trạm quan trắc tự động, độ chính xác được đánh giá thông qua thông số kỹ thuật của thiết bị, kiểm tra bằng chất chuẩn, hiệu chuẩn định kỳ và theo dõi sự trôi của tín hiệu.

Tại Việt Nam, Thông tư 10/2021/TT-BTNMT quy định các yêu cầu QA/QC cho hoạt động quan trắc môi trường và xác định kiểm soát chất lượng là các biện pháp nhằm đánh giá, theo dõi và điều chỉnh để phép đo đạt độ chụm và độ chính xác theo yêu cầu. Đối với một số thiết bị quan trắc nước thải tự động, bảng yêu cầu kỹ thuật quy định độ chính xác cụ thể, chẳng hạn pH ở mức ±0,2 đơn vị pH và nhiều thông số như TSS, COD, NH₄⁺, tổng phospho, tổng nitơ hoặc TOC ở mức ±5% theo giá trị đọc hoặc khoảng đo tùy đặc tính thiết bị. Chất chuẩn dùng để kiểm tra định kỳ cũng phải đáp ứng yêu cầu về độ chính xác và liên kết chuẩn theo quy định đo lường.

Các giá trị này là yêu cầu cho những trường hợp và thiết bị thuộc phạm vi quy định tương ứng, không phải ngưỡng độ chính xác chung cho mọi loại quan trắc môi trường. Quan trắc không khí, nước mặt, nước dưới đất, đất, khí thải hoặc các phép phân tích phòng thí nghiệm khác nhau có thể áp dụng phương pháp và tiêu chí chất lượng khác nhau.

Độ chính xác của cả hệ thống không chỉ phụ thuộc vào máy đo

Một máy phân tích có thông số chính xác cao vẫn có thể tạo dữ liệu quan trắc không chính xác nếu các công đoạn trước và sau phép đo có sai sót.

Mẫu lấy không đại diện có thể khiến kết quả phân tích chính xác về mặt phòng thí nghiệm nhưng không phản ánh đúng môi trường cần đánh giá. Bảo quản không phù hợp có thể làm chất phân tích bị phân hủy, bay hơi hoặc biến đổi trước khi đo. Nhiễm bẩn từ dụng cụ và hóa chất làm kết quả tăng giả tạo. Nền mẫu có thể gây nhiễu hoặc làm giảm độ thu hồi. Thiết bị không được hiệu chuẩn đúng thời điểm có thể tạo độ chệch kéo dài.

Do đó, khi đánh giá một hệ thống quan trắc, cần xem sai số của toàn bộ chuỗi đo từ lấy mẫu đến kết quả cuối cùng. EPA cũng lưu ý rằng các thành phần sai số của dữ liệu môi trường có thể xuất hiện trong quá trình lấy mẫu, xử lý, vận chuyển, chuẩn bị và phân tích chứ không giới hạn ở máy phân tích.

Một kết quả được coi là đủ chính xác khi đáp ứng tiêu chí chất lượng đã xác lập

Không có một ngưỡng như “sai số dưới 5%” có thể áp dụng cho mọi phép quan trắc môi trường. Mức chấp nhận phụ thuộc vào thông số cần đo, phương pháp phân tích, dải nồng độ, nền mẫu, mục đích sử dụng dữ liệu và tiêu chuẩn hoặc quy định áp dụng.

Quy trình đánh giá về bản chất gồm ba bước: xác lập giá trị hoặc vật liệu tham chiếu phù hợp; thực hiện phép đo và tính sai lệch, độ thu hồi hoặc độ chệch; sau đó so sánh các chỉ số thu được với tiêu chí chấp nhận của phương pháp, chương trình QA/QC hoặc quy định kỹ thuật.

Nếu kết quả vượt giới hạn kiểm soát, dữ liệu không nên mặc nhiên được coi là hợp lệ. Cần kiểm tra hiệu chuẩn, chất chuẩn, mẫu QC, điều kiện lấy và bảo quản mẫu, nhiễu nền, tình trạng thiết bị và quá trình xử lý dữ liệu trước khi quyết định chấp nhận, hiệu chỉnh hoặc đo lại.

Độ chính xác quan trắc môi trường vì thế phản ánh mức gần đúng của kết quả đo với giá trị thực hoặc giá trị tham chiếu, nhưng việc đánh giá phải dựa trên bằng chứng đo lường chứ không chỉ vào thông số do thiết bị công bố. So sánh với mẫu chuẩn, xác định sai số và độ chệch, kiểm tra độ thu hồi, đánh giá mẫu lặp, hiệu chuẩn và vận hành QA/QC là các lớp kiểm chứng bổ sung cho nhau. Một hệ thống chỉ tạo dữ liệu đáng tin cậy khi toàn bộ chuỗi từ lấy mẫu đến phân tích và xử lý kết quả được kiểm soát trong giới hạn chất lượng đã xác lập.