Mẫu đại diện môi trường cần phản ánh đối tượng thế nào?

EPA định nghĩa tính đại diện theo mức độ dữ liệu phản ánh chính xác và phù hợp một đặc tính của quần thể, biến động tại điểm lấy mẫu, điều kiện quá trình hoặc điều kiện môi trường. Cơ quan này cũng nhấn mạnh rằng tính đại diện được xử lý chủ yếu thông qua thiết kế lấy mẫu; dữ liệu phòng thí nghiệm có chất lượng cao vẫn không thể bù lại một thiết kế tạo ra mẫu không đại diện.

Mẫu đại diện phải gắn với tổng thể cần được suy luận

Một mẫu chỉ có ý nghĩa đại diện khi xác định rõ nó đang đại diện cho cái gì. “Nước tại một điểm xả ở thời điểm 9 giờ”, “chất lượng nước trung bình trong một ngày”, “đất của toàn bộ khu vực 2 ha” và “vùng đất nghi ô nhiễm nhất” là những tổng thể mục tiêu khác nhau. Cùng một mẫu có thể phù hợp với mục tiêu này nhưng không phù hợp với mục tiêu khác.

Ví dụ, một mẫu nước lấy tức thời có thể phản ánh điều kiện tại đúng thời điểm lấy mẫu. Nhưng nếu lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm thay đổi mạnh trong ngày, không thể mặc nhiên sử dụng mẫu đó để đại diện cho giá trị trung bình của cả ngày. Tương tự, một mẫu đất lấy tại vị trí gần nguồn phát thải có thể rất hữu ích để kiểm tra điểm nghi ô nhiễm nhưng chưa đủ cơ sở để mô tả toàn bộ khu đất.

Do đó, tính đại diện không phải một thuộc tính tuyệt đối của chai mẫu. Nó là quan hệ giữa mẫu – tổng thể mục tiêu – mục đích sử dụng dữ liệu. Thiết kế lấy mẫu phải xuất phát từ câu hỏi cần trả lời, sau đó mới xác định vị trí, số lượng, thời điểm và cách phân bố mẫu.

Không gian và thời gian phải bao phủ được biến động quan trọng

Môi trường thường không đồng nhất. Nồng độ chất ô nhiễm có thể thay đổi giữa các vị trí, độ sâu, mùa, thời điểm trong ngày hoặc trạng thái vận hành của nguồn thải. Nếu thiết kế lấy mẫu bỏ qua một chiều biến động có ảnh hưởng đáng kể, kết quả có thể chính xác đối với mẫu đã lấy nhưng vẫn sai khi dùng để suy luận cho tổng thể.

Về không gian, vị trí lấy mẫu cần bao phủ những khu vực có khả năng khác nhau về đặc tính cần đánh giá. Khi khu vực không đồng nhất, phân tầng hoặc phân bố các điểm lấy mẫu trên toàn vùng có thể giúp tránh việc một nhóm điều kiện bị đại diện quá mức trong khi nhóm khác bị bỏ sót. EPA nêu rõ lấy mẫu phân tầng phù hợp khi khu vực hoặc quá trình không đồng nhất và khi cần phân bố mẫu theo các chiều không gian hoặc thời gian để bảo đảm tính đại diện.

Về thời gian, tần suất và lịch lấy mẫu phải phù hợp tốc độ biến đổi của đối tượng. Một hệ thống ổn định có thể không cần cùng mật độ lấy mẫu như một nguồn nước thải biến động theo ca sản xuất hoặc một thủy vực chịu ảnh hưởng rõ rệt của mưa, dòng chảy và mùa.

Vì vậy, nhiều mẫu lấy rất gần nhau trong cùng điều kiện chưa chắc đại diện tốt hơn ít mẫu được phân bố hợp lý. Giá trị nằm ở mức độ bao phủ biến động có liên quan đến mục tiêu, không chỉ ở số lượng mẫu.

Thiết kế lấy mẫu quyết định tính đại diện trước khi mẫu vào phòng thí nghiệm

Sai số phân tích và tính đại diện là hai vấn đề khác nhau. Phòng thí nghiệm có thể đo rất chính xác nồng độ trong phần mẫu được chuyển đến, nhưng phép đo đó chỉ mô tả phần vật chất đã thực sự được lấy.

Nếu điểm lấy mẫu nằm ngoài vùng cần đánh giá, thời điểm lấy không phản ánh chu kỳ hoạt động hoặc việc lựa chọn điểm thiên lệch về một loại điều kiện, nâng độ chính xác của thiết bị phân tích không giải quyết được sai lệch này. EPA lưu ý rằng ngay cả khi giá trị đo có độ chính xác và độ chệch tốt, một vị trí không đại diện vẫn không thể đại diện cho quần thể mà nó được giả định mô tả.

Cơ chế này giải thích vì sao thiết kế lấy mẫu phải đi trước lựa chọn phương pháp phân tích. Các thiết kế như lấy mẫu ngẫu nhiên, hệ thống, phân tầng hoặc mẫu tổ hợp không có phương án nào luôn tốt nhất. Chúng phù hợp với những kiểu tổng thể và mục tiêu khác nhau.

Mẫu tổ hợp chẳng hạn có thể tăng mức bao phủ không gian hoặc thời gian mà không tăng tương ứng số phép phân tích, nhưng việc trộn mẫu làm mất thông tin về từng vị trí riêng lẻ và có thể không phù hợp nếu quá trình trộn gây mất thành phần dễ bay hơi hoặc tạo sai lệch. EPA coi đây là một trade-off cần xem xét khi lựa chọn thiết kế.

Một mẫu đại diện phải bảo toàn đúng đặc tính cần phân tích

Đại diện không chỉ liên quan đến chỗ và lúc lấy mẫu. Phần mẫu cuối cùng được phân tích còn phải giữ được đặc tính mà thiết kế lấy mẫu muốn phản ánh.

Nếu mẫu ban đầu đại diện nhưng sau đó xảy ra phân lớp, lắng, bay hơi, phản ứng hóa học, nhiễm chéo hoặc biến đổi sinh học trước khi phân tích, phần được đo có thể không còn tương ứng với trạng thái môi trường ban đầu. Vì vậy, kỹ thuật lấy, dụng cụ chứa, thao tác đồng nhất, bảo quản và thời gian lưu mẫu phải phù hợp với thông số phân tích.

Đối với nước, ISO 5667-1:2023 đặt ra các nguyên tắc chung cho thiết kế chương trình lấy mẫu và kỹ thuật lấy mẫu đối với nước, nước thải, bùn, dòng thải, chất rắn lơ lửng và trầm tích. Tiêu chuẩn cũng phân biệt hướng dẫn chung này với các yêu cầu chi tiết dành cho từng tình huống lấy mẫu trong những phần khác của bộ ISO 5667.

Điều đó cũng tạo ra một giới hạn quan trọng: tuân thủ đúng thao tác lấy và bảo quản chưa tự động chứng minh mẫu đại diện. Các thao tác này giúp bảo toàn tính chất của mẫu; còn mẫu có đại diện đúng tổng thể hay không vẫn phụ thuộc thiết kế lấy mẫu ban đầu.

Không có một tỷ lệ hay số lượng mẫu cố định bảo đảm tính đại diện

Không thể kết luận rằng lấy một tỷ lệ phần trăm cố định số điểm, hoặc đạt một số mẫu nhất định, thì mẫu tự động trở thành đại diện cho mọi bài toán môi trường. Số lượng mẫu cần thiết phụ thuộc vào mức biến động của tổng thể, mục tiêu ước lượng hoặc quyết định, độ không chắc chắn chấp nhận được, cấu trúc không gian–thời gian và kiểu thiết kế lấy mẫu.

EPA xem việc xác định “bao nhiêu mẫu” và “lấy ở đâu” là kết quả của quá trình thiết kế lấy mẫu sau khi xem xét những yếu tố như biến động và mục tiêu quyết định. Các thiết kế thống kê khác nhau được lựa chọn tùy vấn đề cần giải quyết chứ không dựa trên một ngưỡng đại diện duy nhất.

Vì thế, đánh giá tính đại diện bằng câu “đã lấy đủ số mẫu theo kế hoạch hay chưa” là chưa đủ. Một kế hoạch có nhiều mẫu nhưng đặt sai vị trí vẫn có thể thiên lệch; ngược lại, một thiết kế được phân tầng hợp lý có thể sử dụng nguồn lực hiệu quả hơn vì mẫu được đặt đúng vào những nhóm biến động cần được phản ánh.

Có thể đánh giá tính đại diện bằng chuỗi câu hỏi trước khi phân tích

Trước khi coi một mẫu hoặc tập mẫu là cơ sở để kết luận cho tổng thể, cần kiểm tra tính liên kết giữa mục tiêu và thiết kế lấy mẫu:

·         Tổng thể mục tiêu là gì: Điểm cụ thể, khu vực, dòng thải, khoảng thời gian hay một điều kiện vận hành xác định

·         Biến động quan trọng nằm ở đâu: Theo vị trí, độ sâu, thời gian, mùa, lưu lượng hoặc trạng thái hoạt động

·         Các điểm và thời điểm lấy mẫu có bao phủ biến động đó không: Tránh chỉ lấy ở vị trí thuận tiện hoặc một trạng thái duy nhất

·         Thiết kế có tạo thiên lệch không: Một nhóm điều kiện có bị lấy quá nhiều hoặc bị bỏ sót không

·         Phần mẫu đem phân tích có giữ được đặc tính ban đầu không: Việc lấy, trộn, vận chuyển và bảo quản có làm thay đổi thông số cần đo không

·         Phạm vi kết luận có vượt phạm vi mẫu không: Không dùng dữ liệu của một điểm hoặc một thời điểm để khẳng định cho toàn bộ khu vực hay khoảng thời gian nếu thiết kế không hỗ trợ suy luận đó

Cách kiểm tra này cho thấy tính đại diện không được xác nhận bằng hình thức của mẫu mà bằng khả năng bảo vệ phạm vi suy luận. Nếu dữ liệu chỉ đại diện cho một thời điểm, kết luận cũng phải giới hạn ở thời điểm đó. Nếu chương trình lấy mẫu đã bao phủ có chủ đích hoặc theo thiết kế thống kê toàn bộ phạm vi cần đánh giá, kết luận mới có cơ sở mở rộng tương ứng.

Mẫu đại diện trong phân tích môi trường là mẫu hoặc tập mẫu phản ánh phù hợp đặc tính của tổng thể cần đánh giá trong đúng phạm vi không gian, thời gian và điều kiện đã xác định. Yếu tố quyết định không phải mẫu “trông điển hình” hay phòng thí nghiệm đo chính xác đến đâu, mà là thiết kế lấy mẫu có bao phủ đúng biến động của đối tượng và có cho phép phạm vi suy luận dự kiến hay không. Vì thế, cần xác định tổng thể và mục tiêu trước, nhận diện nguồn biến động, lựa chọn vị trí–thời điểm–tần suất lấy mẫu phù hợp, rồi mới đánh giá việc bảo quản và phân tích để duy trì tính đại diện đến kết quả cuối cùng.