Sai số quan trắc môi trường có thể phát sinh từ đâu?

Bốn nhóm nguồn chính cần xem xét là thiết bị đo, hoạt động lấy và xử lý mẫu, truyền–quản lý dữ liệu và vận hành hệ thống. Các nguồn này còn có thể tác động nối tiếp nhau. Chẳng hạn, đầu đo bị bám bẩn tạo ra tín hiệu lệch; nếu trạng thái lỗi không được ghi nhận hoặc truyền đúng, giá trị lệch tiếp tục đi vào cơ sở dữ liệu như một kết quả bình thường.

Sai số có thể tích lũy trong toàn bộ chuỗi quan trắc

Một kết quả quan trắc không được tạo ra bởi riêng cảm biến. Với quan trắc trực tiếp, chuỗi đo có thể gồm vị trí đặt đầu đo → phần tử cảm biến → bộ chuyển đổi tín hiệu → bộ ghi dữ liệu → phần mềm → hệ thống truyền nhận. Với quan trắc lấy mẫu, chuỗi còn gồm vị trí và thời điểm lấy mẫu → dụng cụ → bảo quản → vận chuyển → xử lý và phân tích.

Mỗi công đoạn có một cơ chế làm thay đổi kết quả. Sai số có tính hệ thống có thể khiến nhiều phép đo cùng lệch về một phía, chẳng hạn cảm biến bị lệch chuẩn. Thành phần ngẫu nhiên làm kết quả dao động giữa những lần đo tương đương. Ngoài ra còn có lỗi thao tác hoặc sự cố, ví dụ nhập sai hệ số, dùng sai đơn vị hoặc lấy nhầm mẫu.

Cũng cần phân biệt sai số với độ không đảm bảo đo. Sai số diễn tả sự sai lệch của kết quả so với giá trị quy chiếu thích hợp, trong khi độ không đảm bảo đặc trưng cho mức phân tán của những giá trị có thể quy cho đại lượng đo. ISO 5667-14 cũng tách các khái niệm error, precision, representativeness và uncertainty khi kiểm soát chất lượng lấy mẫu nước môi trường.

Điều này có ý nghĩa thực tế quan trọng: không thể đánh giá chất lượng dữ liệu chỉ bằng việc hỏi thiết bị có “chính xác” hay không. Phải kiểm tra cả chuỗi tạo dữ liệu và xác định mắt xích nào có khả năng làm thay đổi kết quả.

Thiết bị đo có thể tạo sai số do hiệu chuẩn, độ trôi và điều kiện làm việc

Thiết bị là nguồn sai số dễ nhận thấy nhất. Một cảm biến có thể cho giá trị sai khi điểm zero hoặc span bị lệch, chất chuẩn không phù hợp, đường chuẩn thay đổi, đầu đo bị bám bẩn hoặc linh kiện suy giảm theo thời gian. Với thiết bị quang học, bụi, cặn hoặc màng sinh học trên bề mặt quang học có thể làm thay đổi tín hiệu. Với điện cực, tình trạng điện cực và môi trường mẫu có thể ảnh hưởng trực tiếp đến đáp ứng.

Dải đo cũng là một nguồn sai lệch tiềm ẩn. Thiết bị hoạt động gần giới hạn dải đo có thể không còn phù hợp với điều kiện thực tế, trong khi một dải quá rộng có thể làm giảm khả năng phân giải những biến động nhỏ. Thời gian đáp ứng lại quyết định thiết bị có theo kịp biến động nhanh của môi trường hay không.

Các yêu cầu kỹ thuật của Việt Nam cho hệ thống quan trắc nước thải tự động cho thấy những đặc tính này phải được lượng hóa chứ không thể chỉ mô tả là thiết bị “đủ chính xác”. Theo Thông tư 10/2021/TT-BTNMT, ví dụ, yêu cầu độ chính xác đối với pH là ±0,2 pH; nhiều thông số như TSS, COD, NH₄⁺, tổng nitơ và TOC có mức yêu cầu ±5% theo giá trị đọc hoặc mức tương ứng theo khoảng đo. Thiết bị còn phải có ít nhất một khoảng đo đạt từ 3 lần giới hạn quy chuẩn áp dụng, ngoại trừ nhiệt độ và pH.

Do đó, một chuỗi số liệu ổn định chưa chắc là chuỗi số liệu đúng. Cảm biến bị lệch chuẩn có thể cho dữ liệu rất “mượt” nhưng toàn bộ chuỗi cùng lệch. Ngược lại, dao động lớn chưa chắc là lỗi thiết bị nếu môi trường thực sự biến động nhanh.

Cách kiểm tra thiết bị cần dựa vào chất chuẩn, lịch sử hiệu chuẩn, trạng thái thiết bị, kết quả kiểm tra trước–sau bảo trì và sự phù hợp giữa dải đo với nồng độ thực tế. Không nên dùng việc “thiết bị vẫn đang chạy” làm bằng chứng rằng phép đo còn đáng tin cậy.

Lấy mẫu có thể làm kết quả sai trước khi mẫu được đưa vào phân tích

Trong quan trắc lấy mẫu, sai số có thể xuất hiện ngay từ việc chọn vị trí và thời điểm không đại diện cho đối tượng cần đánh giá. Một mẫu được phân tích hoàn hảo trong phòng thí nghiệm vẫn không trả lời đúng câu hỏi quan trắc nếu bản thân mẫu không đại diện.

Sau khi lấy, thành phần mẫu còn có thể thay đổi do nhiễm bẩn, hấp phụ lên thành bình, thất thoát chất dễ bay hơi, phản ứng hóa học, hoạt động sinh học, ánh sáng hoặc nhiệt độ. Thời gian từ lúc lấy mẫu đến khi phân tích cũng là một biến số. ISO/TS 5667-25:2022 nhấn mạnh rằng thời gian ổn định chấp nhận được phải được xem xét trong những điều kiện bảo quản xác định như nhiệt độ, nền mẫu, ánh sáng, chất ổn định và phương thức bảo quản.

Sai số lấy mẫu đặc biệt khó xử lý vì nhiều thay đổi xảy ra trước khi phép phân tích bắt đầu. ISO 5667-14 lưu ý rằng sai sót do lấy mẫu, tiền xử lý, vận chuyển và bảo quản không đúng không thể được sửa chữa đơn giản ở bước phân tích sau đó.

Các mẫu kiểm soát chất lượng giúp xác định nguồn sai số cụ thể hơn. Theo Thông tư 10/2021/TT-BTNMT, mẫu trắng hiện trường được dùng để kiểm soát nhiễm bẩn trong quá trình quan trắc hiện trường; mẫu trắng vận chuyển kiểm soát nhiễm bẩn khi vận chuyển; mẫu trắng thiết bị kiểm tra nhiễm bẩn và độ nhiễu liên quan đến thiết bị; mẫu lặp hiện trường hỗ trợ đánh giá độ chụm của quá trình quan trắc.

Vì vậy, khi hai kết quả khác nhau đáng kể, không nên mặc định nguyên nhân nằm ở phòng thí nghiệm. Cần kiểm tra tính đại diện của mẫu, thao tác lấy mẫu, mẫu QC, điều kiện bảo quản và vận chuyển trước khi đánh giá bước phân tích.

Truyền và xử lý dữ liệu có thể làm sai thông tin dù phép đo ban đầu đúng

Sau khi thiết bị tạo ra một giá trị đúng, dữ liệu vẫn có thể gặp lỗi ở quá trình ghi nhận, chuyển đổi, lưu trữ hoặc truyền đi. Các trường hợp thường gặp gồm ánh xạ sai thông số, sai đơn vị, sai hệ số chuyển đổi, lệch thời gian hệ thống, mất bản ghi, trùng bản ghi hoặc dữ liệu bị gắn nhầm trạng thái vận hành.

Điểm quan trọng là mất dữ liệu và sai giá trị không hoàn toàn giống nhau. Đường truyền bị gián đoạn có thể làm thiếu số liệu mà không làm thay đổi giá trị đo gốc nếu data logger vẫn lưu dữ liệu đầy đủ và truyền bù sau đó. Ngược lại, cấu hình sai đơn vị, hệ số hoặc định dạng có thể làm dữ liệu được truyền thành công nhưng nội dung lại không đúng.

Thông tư 10/2021/TT-BTNMT yêu cầu hệ thống nhận và quản lý dữ liệu của trạm quan trắc tự động lưu cả thông số, kết quả, đơn vị, thời gian và trạng thái thiết bị; dữ liệu gần nhất phải được lưu liên tục ít nhất 60 ngày. Đối với truyền dữ liệu, quy định yêu cầu đồng bộ thời gian theo múi giờ Việt Nam GMT 7, dữ liệu được truyền chậm nhất 5 phút sau khi hệ thống trả kết quả và phải tự động truyền lại phần dữ liệu bị gián đoạn khi kết nối phục hồi.

Những yêu cầu này cho thấy kiểm soát chất lượng dữ liệu không thể chỉ kiểm tra cột “giá trị đo”. Cần đối chiếu đồng thời timestamp, đơn vị, mã thông số, trạng thái thiết bị, số lượng bản ghi dự kiến và số lượng bản ghi thực nhận.

Một chuỗi dữ liệu thiếu liên tục thường hướng đến sự cố ghi hoặc truyền. Một chuỗi vẫn đầy đủ nhưng dịch đồng loạt so với thiết bị đối chứng lại gợi ý vấn đề ở cảm biến, hiệu chuẩn hoặc cấu hình. Đây là hai hướng chẩn đoán khác nhau.

Vận hành không đúng quy trình có thể biến thiết bị tốt thành hệ thống cho dữ liệu kém tin cậy

Chất lượng của trạm quan trắc phụ thuộc vào việc thiết bị được vận hành đúng điều kiện đã thiết kế. Nếu bỏ kiểm tra hàng ngày, kéo dài chu kỳ vệ sinh, sử dụng chất chuẩn hết hạn, thay vật tư không đúng chủng loại hoặc không hiệu chuẩn sau một can thiệp kỹ thuật, đặc tính đo ban đầu của thiết bị có thể không còn được duy trì.

Sai số vận hành cũng có thể xuất hiện ở phần mềm. Một người vận hành nhập sai hệ số pha loãng, thay đổi dải đo nhưng không cập nhật hệ thống nhận dữ liệu, đặt sai đơn vị hoặc điều chỉnh đồng hồ hệ thống không đúng đều có thể làm kết quả cuối khác với giá trị đáng lẽ phải được báo cáo.

Vì thế hồ sơ vận hành là một phần của quá trình truy tìm sai số. Đối với hệ thống quan trắc nước thải tự động, Thông tư 10/2021/TT-BTNMT yêu cầu quy trình vận hành chuẩn phải bao gồm kiểm tra hệ thống hàng ngày, kiểm tra độ chính xác bằng dung dịch chuẩn, bảo trì–bảo dưỡng, kiểm định hoặc hiệu chuẩn, thay vật tư tiêu hao, xử lý sự cố, sao lưu và kiểm tra dữ liệu. Hồ sơ còn bao gồm nhật ký vận hành, bảo trì, hiệu chuẩn và biên bản kiểm tra thiết bị bằng dung dịch chuẩn.

Nhật ký này tạo ra dấu vết để đối chiếu một điểm dữ liệu bất thường với sự kiện thực tế. Nếu mức đo bắt đầu dịch chuyển ngay sau khi thay đầu dò, pha lại chất chuẩn hoặc sửa cấu hình, thời điểm thay đổi đó là thông tin chẩn đoán có giá trị. Nếu không có hồ sơ, rất khó phân biệt biến động môi trường với biến động do hệ thống.

Cần truy vết sai số theo từng mắt xích thay vì chỉ loại bỏ số liệu bất thường

Khi xuất hiện một kết quả đáng nghi, cách kiểm tra hiệu quả là đi ngược chuỗi tạo dữ liệu. Trước hết xác định hiện tượng nằm ở một giá trị đơn lẻ, một khoảng thời gian hay toàn bộ chuỗi. Sau đó đối chiếu thiết bị, hoạt động lấy mẫu, data logger, đường truyền và nhật ký vận hành.

Một số dấu hiệu có thể định hướng nguồn cần kiểm tra:

·         Nhiều giá trị cùng lệch về một phía: kiểm tra hiệu chuẩn, độ trôi, chất chuẩn, hệ số và cấu hình

·         Kết quả phân tán mạnh giữa các mẫu tương đương: kiểm tra tính đại diện, thao tác lấy mẫu, mẫu lặp và điều kiện môi trường

·         Có khoảng trống hoặc bản ghi đến muộn: kiểm tra data logger, kết nối mạng, đồng bộ thời gian và cơ chế truyền bù

·         Bất thường bắt đầu sau bảo trì hoặc thay vật tư: đối chiếu nhật ký vận hành và kiểm tra lại thiết bị

·         Mẫu trắng xuất hiện chất cần phân tích: truy tìm khả năng nhiễm bẩn ở hiện trường, vận chuyển, thiết bị hoặc quá trình xử lý mẫu

Không nên xóa một điểm bất thường chỉ vì nó khác với xu hướng trước đó. Giá trị đó có thể phản ánh một sự kiện môi trường thực. Ngược lại, cũng không nên giữ số liệu chỉ vì thiết bị không phát báo lỗi. Thông tư 10/2021/TT-BTNMT yêu cầu khi nghi ngờ có sai sót trong hoạt động quan trắc phải kiểm tra lại số liệu; dữ liệu không đạt yêu cầu có thể bị hủy bỏ và không dùng để lập báo cáo, trong khi tài liệu và số liệu ban đầu vẫn phải được lưu làm hồ sơ gốc.

Cách đáng tin cậy hơn là sử dụng nhiều bằng chứng đồng thời: kiểm tra chuẩn, mẫu QC, dữ liệu trạng thái, nhật ký bảo trì, dữ liệu truyền nhận và kết quả đối chứng. Khi các bằng chứng cùng chỉ về một mắt xích, việc xác định nguyên nhân sai số có cơ sở hơn nhiều so với đánh giá bằng hình dạng của biểu đồ alone.

Sai số quan trắc môi trường có thể hình thành trước, trong và sau phép đo. Thiết bị tạo sai lệch khi hiệu chuẩn, dải đo hoặc cảm biến không còn phù hợp; lấy mẫu làm sai kết quả khi mẫu mất tính đại diện hoặc thay đổi trong bảo quản; hệ thống dữ liệu có thể gây thiếu, lệch thời gian hoặc sai thông tin; còn vận hành không đúng quy trình khiến những sai lệch này không được phát hiện và kiểm soát.

Vì các nguồn sai số có thể nối tiếp và che lấp lẫn nhau, việc đánh giá chất lượng số liệu cần dựa trên toàn bộ chuỗi quan trắc. Thiết bị, mẫu QC, dữ liệu trạng thái, hồ sơ truyền nhận và nhật ký vận hành phải được xem như các bằng chứng liên kết với nhau. Khi đó mới có thể phân biệt hợp lý một biến động môi trường thực với một biến động do chính hệ thống quan trắc tạo ra.