Số lượng điểm quan trắc môi trường ảnh hưởng tính đại diện thế nào?

Tuy nhiên, nhiều điểm quan trắc không đồng nghĩa tự động với dữ liệu đại diện hơn. Tính đại diện còn phụ thuộc vào vị trí đặt điểm, mục tiêu quan trắc, đặc điểm nguồn thải, địa hình, khí tượng, thủy văn, mức độ biến động của chất ô nhiễm và tần suất lấy mẫu. Một mạng lưới có ít điểm nhưng được bố trí đúng các vùng đặc trưng có thể hữu ích hơn mạng lưới nhiều điểm tập trung trong cùng một khu vực.

Số lượng điểm quan trắc ảnh hưởng trực tiếp đến mức bao phủ không gian

Mỗi điểm quan trắc chỉ phản ánh điều kiện môi trường tại một vị trí và trong một phạm vi không gian nhất định. Vì nồng độ chất ô nhiễm thường không phân bố đồng đều, khoảng cách giữa các điểm càng lớn thì khả năng bỏ sót sự khác biệt giữa các khu vực càng cao.

Ví dụ, trong cùng một đô thị có thể tồn tại đồng thời khu vực nền, khu dân cư, tuyến đường giao thông lớn và khu vực chịu tác động của công nghiệp. Một điểm đặt ở khu dân cư khó có thể đại diện đầy đủ cho cả nồng độ nền lẫn mức ô nhiễm sát trục giao thông hoặc gần nguồn phát thải.

Tăng số điểm giúp chia nhỏ khu vực cần đánh giá thành nhiều vùng quan sát hơn. Nhờ đó, dữ liệu có khả năng:

·         Phản ánh sự khác biệt giữa các khu vực

·         Phát hiện các điểm có mức ô nhiễm cao bất thường

·         Nhận diện gradient nồng độ từ nguồn thải ra khu vực xung quanh

·         Phân biệt mức nền với khu vực chịu tác động

·         Hạn chế việc suy rộng kết quả của một vị trí cho diện tích quá lớn

Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ cũng thiết kế mạng quan trắc không khí theo nhiều mục tiêu khác nhau, như đo nồng độ cao nhất, đánh giá khu vực đông dân, xác định ảnh hưởng của nguồn phát thải và xác định mức ô nhiễm nền. Điều đó cho thấy phạm vi đại diện của một điểm luôn gắn với chức năng và vị trí cụ thể của điểm đó.

Nhiều điểm hơn có thể làm giảm bất định của kết quả

Nếu các điểm được lựa chọn đại diện và cung cấp những quan sát tương đối độc lập, tăng số điểm thường giúp ước lượng đặc trưng chung của khu vực ổn định hơn.

Trong trường hợp thống kê lý tưởng với các quan sát độc lập và có mức biến động tương đương, sai số chuẩn của giá trị trung bình biến thiên xấp xỉ theo (1/\sqrt{n}), với (n) là số quan sát độc lập. Theo quan hệ này, tăng từ 4 lên 16 quan sát có thể làm sai số chuẩn giảm khoảng một nửa.

Nhưng lợi ích này không thể áp dụng máy móc cho số trạm môi trường. Hai điểm nằm rất gần nhau và cùng chịu một chế độ phát thải, địa hình hoặc dòng chảy có thể cung cấp dữ liệu tương quan cao. Khi đó, thêm điểm mới làm tăng số phép đo nhưng lượng thông tin độc lập tăng ít hơn nhiều.

Vì vậy, giá trị của một điểm quan trắc bổ sung phụ thuộc vào việc điểm đó có giúp quan sát một điều kiện môi trường chưa được mạng lưới hiện tại bao phủ hay không.

Vì sao nhiều điểm vẫn có thể tạo ra dữ liệu kém đại diện?

Một mạng lưới có số lượng lớn vẫn có thể bị thiên lệch nếu cách bố trí không phù hợp với đối tượng cần đánh giá.

Các điểm bị tập trung trong cùng một loại khu vực

Nếu phần lớn trạm nằm ở trung tâm đô thị nhưng mục tiêu là đánh giá chất lượng môi trường toàn tỉnh, dữ liệu sẽ mô tả quá kỹ khu vực đô thị trong khi vùng nông thôn, công nghiệp hoặc khu vực nền bị thiếu đại diện.

Bổ sung thêm trạm vào vùng đã được quan trắc dày thường tạo ít thông tin mới hơn việc đặt trạm tại một vùng môi trường khác biệt chưa được bao phủ.

Vị trí không phù hợp với nguồn tác động

Một điểm quan trắc đặt sai hướng gió chủ đạo đối với nguồn khí thải có thể không ghi nhận được vùng chịu tác động mạnh. Tương tự, điểm lấy mẫu nước đặt ở khu vực nước tù có thể phản ánh điều kiện cục bộ thay vì chất lượng nước đặc trưng của hồ.

Thông tư 10/2021/TT-BTNMT yêu cầu lựa chọn vị trí theo mục tiêu quan trắc và tính đại diện. Với quan trắc nước mặt tự động, vị trí trên sông cần xem xét đặc điểm dòng chảy; trên hồ cần ưu tiên khu vực có trao đổi thủy lực phù hợp và tránh các vùng nước tù, nước đọng. Với quan trắc không khí, vị trí trạm cũng được phân theo chức năng như trạm nền, trạm tổng hợp, trạm dân cư, trạm giao thông và trạm công nghiệp.

Số điểm tăng nhưng tần suất quan trắc quá thấp

Tính đại diện có cả chiều không gian và thời gian. Mạng lưới phủ rộng nhưng chỉ lấy mẫu ở một vài thời điểm có thể không phản ánh được chu kỳ ngày – đêm, mùa, đợt phát thải bất thường hoặc biến động theo điều kiện khí tượng và thủy văn.

Do đó, khi nguồn lực hữu hạn, tăng số điểm đôi khi phải đánh đổi với tần suất lấy mẫu, số thông số phân tích hoặc chất lượng kiểm soát dữ liệu.

Không có một số lượng điểm quan trắc tối ưu cho mọi khu vực

Số điểm cần thiết phải được xác định từ mục tiêu quan trắc và mức độ không đồng nhất của môi trường, thay vì sử dụng một con số cố định cho mọi mạng lưới.

Một khu vực tương đối đồng nhất, ít nguồn phát thải và có điều kiện môi trường ổn định có thể đạt mức đại diện cần thiết với ít điểm hơn. Ngược lại, khu vực có nhiều loại nguồn thải, địa hình phức tạp, dân cư phân bố không đều hoặc chất lượng môi trường biến động mạnh thường cần mật độ điểm cao hơn.

Các yếu tố chính cần xem xét gồm:

·         Diện tích và hình dạng khu vực cần đại diện

·         Mục tiêu đánh giá: hiện trạng chung, điểm nóng, nguồn thải hay mức phơi nhiễm

·         Số lượng và phân bố các nguồn tác động

·         Mức biến động của từng thông số môi trường

·         Địa hình, hướng gió, khí tượng hoặc chế độ thủy văn

·         Phân bố dân cư hoặc hệ sinh thái cần bảo vệ

·         Khả năng sử dụng mô hình, dữ liệu viễn thám hoặc các nguồn dữ liệu bổ trợ

·         Tần suất quan trắc và yêu cầu kiểm soát chất lượng

Khi mức độ không đồng nhất tăng, một điểm phải đại diện cho diện tích nhỏ hơn nếu muốn duy trì khả năng mô tả chi tiết tương đương.

Tiêu chuẩn thực tế cho thấy số điểm luôn gắn với mức độ đại diện cần đạt

Các hệ thống quản lý môi trường thường không xác định số điểm chỉ dựa trên diện tích. Chúng kết hợp quy mô khu vực, dân số, mức ô nhiễm và mục tiêu đánh giá.

Một ví dụ rõ là Chỉ thị (EU) 2024/2881 về chất lượng không khí. Khi nồng độ vượt ngưỡng đánh giá, Phụ lục III quy định số điểm lấy mẫu cố định tối thiểu theo dân số và từng chất ô nhiễm. Với vùng có dưới 250.000 người, yêu cầu tối thiểu đối với NO₂, SO₂, CO, benzen, PM₁₀ và PM₂.₅ là 2 điểm trong điều kiện quy định; với vùng từ 6 triệu người trở lên, mức tối thiểu tăng lên 10 điểm đối với nhóm NO₂, SO₂, CO và benzen, 7 điểm đối với PM₁₀ và 8 điểm đối với PM₂.₅.

Quy định này không phải công thức áp dụng trực tiếp cho mọi mạng quan trắc môi trường, nhưng nó minh họa một nguyên tắc quan trọng: quy mô mạng lưới phải tăng khi đối tượng cần đại diện lớn hơn hoặc phức tạp hơn, đồng thời số điểm còn phụ thuộc vào loại chất ô nhiễm và mục tiêu đánh giá.

Ngay trong cùng khung pháp lý, yêu cầu bố trí cũng không dừng ở số lượng. Mạng lưới phải bao gồm các loại vị trí có chức năng khác nhau, chẳng hạn điểm nền và điểm nóng ô nhiễm trong những trường hợp được quy định.

Nên đánh giá tính đại diện bằng độ bao phủ thay vì chỉ đếm số điểm

Một cách thực tế hơn là xem mỗi điểm quan trắc đang đại diện cho phần nào của hệ thống môi trường.

Nếu hai điểm mới đều nằm cạnh những điểm hiện hữu và cho kết quả gần như giống nhau, giá trị bổ sung có thể thấp. Ngược lại, một điểm mới đặt tại vùng chưa được quan sát, nơi có nguồn tác động khác hoặc điều kiện môi trường khác biệt, có thể làm tăng đáng kể mức bao phủ của toàn mạng.

Khi đánh giá thiết kế mạng lưới, cần đặt các câu hỏi:

1.    Các loại khu vực môi trường quan trọng đã được bao phủ chưa?

2.    Những nguồn tác động chính đã có điểm theo dõi phù hợp chưa?

3.    Có vùng diện tích lớn đang phải suy rộng dữ liệu từ một điểm quá xa không?

4.    Các điểm có tập trung quá nhiều tại một loại vị trí không?

5.    Điểm mới dự kiến có cung cấp thông tin khác biệt đáng kể so với mạng hiện tại không?

6.    Tần suất và thời gian quan trắc có đủ để đại diện cho biến động theo thời gian không?

EPA cũng sử dụng khái niệm “area of representation” khi đánh giá mạng quan trắc và lưu ý rằng phạm vi đại diện có thể được xác định không chỉ bằng khoảng cách mà còn phải xem xét khí tượng, địa hình và các yếu tố khác.

Tăng số điểm đến đâu là đủ?

Điểm dừng hợp lý xuất hiện khi bổ sung thêm vị trí không còn làm giảm đáng kể khoảng trống thông tin so với chi phí quan trắc tăng thêm.

Nếu mạng ban đầu quá thưa, những điểm đầu tiên được bổ sung thường tạo Information Gain lớn vì chúng mở rộng sang các vùng chưa được quan sát. Khi mạng đã dày, mỗi điểm mới có xu hướng cung cấp ngày càng ít thông tin bổ sung nếu điều kiện tại vị trí đó gần giống các điểm hiện hữu.

Vì thế, bài toán không phải là tối đa hóa số lượng trạm mà là tìm số điểm và cách phân bố đủ để đạt mục tiêu đại diện với mức bất định chấp nhận được.

Trong thực tế, thiết kế tốt thường kết hợp dữ liệu quan trắc hiện có, bản đồ nguồn thải, địa hình, dân cư, khí tượng hoặc thủy văn và mô hình không gian để xác định nơi mạng lưới còn thiếu thông tin. Điểm mới nên ưu tiên những vùng mà việc bổ sung phép đo có khả năng làm thay đổi đáng kể hiểu biết về hiện trạng môi trường.

Số lượng điểm quan trắc môi trường càng phù hợp thì khả năng bao phủ không gian, phát hiện biến động và giảm bất định càng cao. Tuy nhiên, tính đại diện không được quyết định bởi số điểm đơn thuần mà bởi số điểm kết hợp với vị trí, phân bố không gian, mục tiêu quan trắc và tần suất đo.

Một mạng lưới đáng tin cậy vì vậy không phải mạng có nhiều điểm nhất, mà là mạng có đủ điểm để bao phủ những điều kiện môi trường khác biệt cần được đánh giá. Khi một điểm mới bổ sung được vùng, nguồn tác động hoặc trạng thái môi trường mà các điểm hiện tại chưa phản ánh, nó làm tăng tính đại diện thực sự; nếu chỉ lặp lại thông tin của các điểm lân cận, lợi ích thu được sẽ nhỏ dù tổng số điểm tiếp tục tăng.