Đánh giá độ tin cậy của thiết bị giám sát chất lượng môi trường không khí trong công tác quan trắc môi trường không khí xung quanh

Do đó, trong nghiên cứu này, độ chính xác và độ tin cậy của thiết bị quan trắc chất lượng môi trường không khí này sẽ được đánh giá một cách có hệ thống bằng những phương pháp so sánh ha[r]

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2018 12 (4): 106–114

ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA THIẾT BỊ GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ TRONG CƠNG TÁC QUAN TRẮC

MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ XUNG QUANH

Bùi Thị Hiếua,∗, Nguyễn Thành Trunga

aKhoa Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Xây dựng,

55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam

Lịch sử viết:

Nhận ngày 30/3/2018, Sửa xong 11/5/2018, Chấp nhận đăng 30/5/2018

Tóm tắt

Vấn đề nhiễm mơi trường khơng khí ngày trở nên nghiêm trọng kéo theo yêu cầu trọng chương trình quan trắc mơi trường khơng khí Do đề tài B2014-03-12 nghiên cứu chế tạo thiết bị quan trắc mơi trường khơng khí Để đánh giá khả ứng dụng thiết bị này, báo đánh giá độ xác thiết bị đề tài cách so sánh số liệu thông số chất ô nhiễm mơi trường khơng khí cung cấp thiết bị đề tài thiết bị kiểm chứng sử dụng công cụ thông số thống kê kiểm định xác suất thống kê Kết thu chứng tỏ khả quan trắc chất ô nhiễm bao gồm PM10, SO2, CO, NO2của thiết bị giám sát chất lượng mơi trường khơng khí

Từ khố: nhiễm mơi trường khơng khí; nồng độ chất độc hại; thiết bị quan trắc mơi trường khơng khí; thơng số thống kê; kiểm định xác suất thống kê

EVALUATION THE ABILITY OF AIR QUALITY MONITORING EQUIPMENT FOR AIR QUALITY MONITORING

Abstract

Serious air pollution requires scrupulous attention to air pollution substance monitoring programs Therefore, the project B2014-03-12 carried out research on manufacturing air pollution monitoring equipment to record continuous toxic substances in the air environment However, the accuracy of this equipment needs to be eval-uated and verified Therefore, this study evaleval-uated the accuracy of this equipment by assessing the agreement between the test and reference equipment by statistical approaches The obtained results demonstrate the ability of the air pollution monitoring equipment to measure continuously the toxic substances in the air environment including PM10, SO2, CO, NO2

Keywords: air pollution; concentration of air toxic substances; air monitoring equipment; statistical approaches; statistic test

https://doi.org/10.31814/stce.nuce2018-12(4)-12 c 2018 Trường Đại học Xây dựng (NUCE)

1 Đặt vấn đề

Vấn đề nhiễm mơi trường khơng khí lượng khí thải từ hoạt động giao thơng, công nghiệp, sinh hoạt ngày trở nên nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe dân cư đô thị, đặc biệt số nhóm người dễ bị tổn thương người già, trẻ em, người mắc bệnh tật Vì vậy,

∗

Hiếu, B T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng

chương trình quan trắc xác định nồng độ chất độc hại mơi trường khơng khí cần đầu tư trọng Hoạt động quan trắc môi trường khơng khí Việt Nam thực chủ yếu phương pháp thủ công truyền thống với tần suất quan trắc 3-6 lần năm Tuy nhiên, trình lấy mẫu trường phân tích mẫu phịng thí nghiệm địi hỏi phải đầu tư nhiều thời gian, nhân lực, vật tư, hóa chất thiết bị kèm theo Thêm vào đó, hạn chế phương pháp quan trắc truyền thống thời gian bảo quản mẫu ngắn Do đó, số lượng mẫu đại diện ngày theo mục đích quan trắc khó thu thập Vì vậy, số liệu khơng phản ánh thời gian thực đo thông số môi trường biến đổi theo thời gian gây khó khăn cho việc thực biện pháp quản lý môi trường khơng khí

Bên cạnh phương pháp thủ cơng truyền thống, công tác quan trắc chất lượng môi trường không khí khu thị cịn thực cách sử dụng trạm quan trắc tự động liên tục Tuy nhiên, mạng lưới trạm quan trắc tự động nước ta có mật độ phân bố thưa, chưa có tính đại diện cho tất khu vực chịu ảnh hưởng nặng nề ô nhiễm mơi trường khơng khí gây Chi phí đầu tư ban đầu chi phí tu, vận hành trạm quan trắc tự động hàng năm tương đối lớn Do đó, số trạm quan trắc tự động chất lượng mơi trường khơng khí ngừng hoạt động thiếu kinh phí trì, vận hành hết thời gian khấu hao Gần đây, đề tài B2014-03-12 nghiên cứu chế tạo thiết bị quan trắc mơi trường khơng khí với thơng số PM10, SO2, CO, NO2 cung cấp liên tục [1,2] Ưu điểm thiết bị so với trạm quan trắc tự động có khả cung cấp chuỗi số liệu liên tục ngày quan trắc với chi phí đầu tư, vận hành thấp hơn, thiết bị nhỏ gọn so với hệ thông trạm quan trắc tự động Tuy nhiên, độ xác thiết bị cần phải đánh giá kiểm định để đánh giá khả ứng dụng thiết bị công tác quan trắc chất lượng mơi trường khơng khí xung quanh

Gần đây, nghiên cứu năm 2017 [3], tác giả Nguyễn Quốc Hoàn thực đánh giá độ xác thiết bị quan trắc chất lượng mơi trường khơng khí đề tài B2014-03-12 phép so sánh sử dụng số đại lượng thống kê phương trình tuyến tính bình phương nhỏ Tuy nhiên, phương trình tuyến tính bình phương nhỏ giả thiết thiết bị đề tài có sai số mặc định thiết bị kiểm chứng (TBKC) khơng có sai số Vì thực tế số liệu đo đạc thiết bị kiểm chứng thiết bị đề tài có sai số nên phương pháp hồi quy tuyến vng góc bình phương nhỏ để đánh giá tương đồng hai thiết bị giải pháp để khắc phục nhược điểm phương pháp hồi quy tuyến tính bình phương nhỏ [4] Do đó, nghiên cứu này, độ xác độ tin cậy thiết bị quan trắc chất lượng mơi trường khơng khí đánh giá cách có hệ thống phương pháp so sánh hai số liệu sử dụng kiểm định xác xuất thống kê, đại lượng thống kê bao gồm đại lượng thống kê phương trình tuyến tính vng góc bình phương nhỏ (phương pháp tuyến tính xem xét sai số thiết bị đề tài thiết bị kiểm chứng) 2 Phương pháp đánh giá độ xác thiết bị giám sát chất lượng mơi trường khơng khí

2.1 Phương pháp đánh giá độ xác thiết bị giám sát chất lượng mơi trường khơng khí sử dụng công cụ thông số thống kê

a Phương trình hồi quy tuyến tính

Hiếu, B T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

đường thẳng 1:1 biểu thị thiếu tương quan hai phương pháp Do sai số diện kiểm tra tuyến tính, thơng số cung cấp kiểm tra cho mức độ tương quan hai thiết bị Trong phương pháp hồi quy tuyến tính, phương pháp bình phương nhỏ phương pháp sử dụng để thiết lập hệ số phương trình hồi quy tuyến tính [6] Tuy nhiên, phương pháp hồi quy tuyến tính bình phương nhỏ giả thiết thiết bị kiểm chứng cho số liệu đo đạc khơng có sai số Điều khó xảy thực tế thiết bị thực tế cho số liệu đo đạc với sai số định [6] Do đó, phương pháp hồi quy tuyến tính vng góc bình phương nhỏ ứng dụng thay cho phương pháp hồi quy tuyến tính bình phương nhỏ truyền thống Phương pháp thiết lập phương trình đường hồi quy tuyến tính cách xác định hệ số độ dốc hệ số chặn cho tổng bình phương từ điểm đo đạc đến đường thẳng tuyến tính theo phương vng góc với đường thẳng tuyến tính nhỏ Bằng cách này, phương pháp hồi quy tuyến tính vng góc bình phương nhỏ [7] có bao gồm sai số thiết bị đề tài thiết bị kiểm chứng Đường hồi quy thể tương đồng kết đo thiết bị đề tài với thiết bị kiểm chứng thông qua hệ số độ dốc hệ số chặn Bên cạnh hai hệ số này, hệ số tương quan sử dụng kết hợp để đánh giá độ tin cậy thiết bị đề tài Sự tương quan hai thiết bị diễn giải hệ số tương quan chưa đầy đủ hợp lý giá trị hệ số tương quan cao khơng đồng nghĩa với việc hai thiết bị tương quan với Hai thiết bị cho kết đo đạc tương đồng với điểm đồ thị phân tán nằm xung quanh đường thẳng 1:1, nhiên giá trị hệ số tương quan cao đạt điểm phân tán nằm phân bố xung quanh đường thẳng Do đó, nghiên cứu này, bên cạnh hệ số tương quan Pearson [8], tác giả sử dụng thêm hệ số tương quan phù hợp (Công thức (1)) để đánh giá thiết bị đề tài

b Hệ số tương quan phù hợp

Hệ số tương quan phù hợp [9] biểu thị liên quan chặt chẽ số liệu đo đạc phân bố xung quanh đường thẳng 1:1 tính cơng thức:

rc = 2ST R S2T +S2R+Ti−Ri

2 (1)

trong (Ri) nồng độ trung bình thiết bị kiểm chứng; (Ti) nồng độ trung bình thiết bị đề

tài;ST R hiệp phương sai hai biến thông số đo đạc từ thiết bị đề tài thiết bị kiểm chứng;S2T, S2Rlà phương sai hai biến thông số đo đạc từ thiết bị đề tài thiết bị kiểm chứng

c Độ sai phương chuẩn

Bên cạnh hệ số phương trình hồi quy tuyến tính, hệ số tương quan hệ số tương quan phù hợp, để đánh giá độ tin cậy thiết bị đề tài chặt chẽ kỹ lưỡng hơn, độ sai phương chuẩn kết hợp vào công cụ đánh giá Công thức (2) xác định độ sai phương chuẩn:

N MS E= (Ri−Ti)2/hRiTi

i

(2) đóRi nồng độ trung bình thiết bị kiểm chứng;Ti nồng độ trung bình thiết bị đề

tài;Ri nồng độ đo thời điểmibởi thiết bị kiểm chứng;Tilà nồng độ đo thời điểm ibởi thiết bị đề tài

Hiếu, B T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng

quan phù hợp với giá trị giới hạn hai hệ số 0,9 Hệ số độ dốc nằm khoảng từ 0,75 đến 1,25 Hệ số chặn nhỏ 25 phần trăm giá trị đo trung bình từ thiết bị kiểm chứng Độ sai phương chuẩn NMSE nhỏ 0,25

2.2 Phương pháp đánh giá độ xác thiết bị quan trắc chất lượng môi trường không khí sử dụng kiểm định xác suất thống kê

Trong nghiên cứu này, kiểm định t-test [11] sử dụng để kiểm tra tương đồng số liệu đo đạc từ thiết bị đề tài số liệu đo đạc từ thiết bị kiểm chứng thông qua đánh giá khác biệt giá trị trung bình số liệu đo đạc từ hai thiết bị Các bước ứng dụng t-test việc so sánh hai số liệu thể Hình1 Kiểm định t-test trung bình hai mẫu độc lập phải thỏa mãn điều kiện biến phụ thuộc phải có phân phối chuẩn phương sai biến phụ thuộc phải có tính đồng (homogeneity of variance) Do trước làm kiểm định t-test, tác giả kiểm tra số liệu từ hai thiết bị có phân phối chuẩn hay không thông qua kiểm tra phân phối chuẩn Anderson–Darling kiểm tra so sánh phương sai hai số liệu

Hình Đồ thị Q-Q số liệu thông số chất ô nhiễm môi trường điểm đo

Bài kiểm định phân phối chuẩn số liệu Anderson-Darling test: Giả thiết kiểm định phân phối chuẩn Anderson-Darling test sau: H0: Bộ số liệu có phân phối chuẩn H1: Bộ số liệu khơng có phân phối chuẩn Nếu giá trị plớn 0,05, giả thiết H0 chấp nhận khoảng tin cậy 95% Chúng ta kết luận khơng có đủ chứng để kết luận số liệu khơng có phân phối chuẩn Bên cạnh kiểm định phân phối chuẩn kiểm định Anderson-Darling test, báo sử dụng đồ thị xác xuất chuẩn Q-Q để kiểm tra phân phối chuẩn số liệu quan trắc chất ô nhiễm môi trường khơng khí Biểu đồ xác xuất chuẩn bao gồm trục hoành giá trị quan sát, trục tung giá trị mong đợi Số liệu có phân phối chuẩn điểm trị số quan sát trị số mong đợi nằm gần đường thẳng Trong trường hợp ngược lại, số liệu khơng có phân phối chuẩn, trước thực t-test, tác giả chuyển đổi số liệu sang phân phối chuẩn sử dụng phương pháp chuyển đổi Box-Cox

Hiếu, B T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

hai số liệu Trong trường hợp số liệu khơng có phân phối chuẩn, Levene-test sử dụng để so sánh phương sai hai số liệu Nếu giá trị plớn 0,05 giả thiết H0 chấp nhận kết luận khơng có sai khác đáng kể phương sai hai số liệu

Bài kiểm định t-test: Bước kiểm định xác suất thống kê t-test đưa giả thiết H0 giả thiết thay Trong nghiên cứu này, giả thiết H0 giả thiết thay H1 là: H0: giá trị trung bình số liệu đo đạc từ thiết bị đề tài thiết bị kiểm chứng H1: giá trị trung bình số liệu đo đạc từ thiết bị đề tài thiết bị kiểm chứng khác Hai thông số kiểm định t-test thông số giá trịtvà giá trị p Giả thiết H0 bị loại bỏ khoảng tin cậy 95% giá trịpnhỏ 0,05 kết luận có khác ý nghĩa thống kê giá trị trung bình hai số liệu Hay nói cách khác, hai số liệu không tương đồng với nêu giá trị pnhỏ 0,05 Cần lưu ý kiểm định trung bình t-test khơng phải cách tốt để dùng so sánh tương đồng giá trị trung bình hai số liệu khơng có sai khác đáng kể mặt xác suất thống kê, hai số liệu có sai ta xem xét khoảng xác định Tuy nhiên, nghiên cứu sử dụng kiểm định giá trị trung bình t-test để làm tiêu chí đánh giá tương quan hai số liệu để kết đánh giá độ tin cậy thiết bị đề tài B2014-03-12 có độ tin cậy cao

3 Kết quả

3.1 Kết phương pháp so sánh sử dụng công cụ thông số thống kê

Thiết bị giám sát chất lượng mơi trường khơng khí sau lắp đặt kiểm nghiệm sử dụng để đo đồng thời liên tục thông số ô nhiễm mơi trường khơng khí xung quanh với thiết bị kiểm chứng Tại địa điểm quan trắc nằm đường Nguyễn Văn Cừ, thiết bị đề tài đặt vị trí với trạm quan trắc mơi trường khơng khí tự động số 556 Nguyễn Văn Cừ để đo đạc thông số SO2, NO2, CO bụi PM10từ 19/10/2016 đến 22/10/2016 từ 11/11/2016 đến 14/11/2016 Tại điểm đo đạc số 1, số liệu đo đạc tháng 10 tháng 11 kết hợp với để sử dụng phương pháp đánh giá độ xác thiết bị Tại địa điểm (cổng Trường Đại học Xây dựng (ĐHXD), thiết bị kiểm chứng sử dụng thiết bị IR-208 cung cấp thông số SO2, NO2, CO bụi PM10 Chuỗi số liệu đo đạc cổng Trường Đại học Xây dựng từ ngày 13/9/2016 đến ngày 17/9/2016 Bảng1và Bảng2tổng kết thông số thống kê để làm sở so sánh số liệu đo đạc nồng độ chất ô nhiễm mơi trường khơng khí bao gồm khí SO2, NO2, CO bụi hạt hai địa điểm đo đạc

Hiếu, B T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng

Bảng So sánh, đánh giá đồng giá trị đo thiết bị đề tài với thiết bị kiểm chứng trạm quan trắc tự động điểm đo

Đại lượng Hệ số

độ dốc Hệ số chặn

Hệ số tương quan

Hệ số tương quan phù hợp

Độ sai phương chuẩn

Tiêu chí đánh giá 0,75–1,25 ≤25%TBKC ≥0,9 ≥0,9 ≤0,25

NO2 0,94 3,32 0,96 0,96 0,08

CO 1,00 181,98 0,96 0,96 0,09

SO2 0,85 3,57 0,93 0,92 0,01

PM2.5 0,88 4,38 0,93 0,92 0,07

PM10 0,88 6,92 0,92 0,91 0,06

Bảng So sánh, đánh giá đồng giá trị đo thiết bị đề tài với thiết bị kiểm chứng điểm đo

Đại lượng Hệ số

độ dốc Hệ số chặn

Hệ số tương quan

Hệ số tương quan phù hợp

Độ sai phương chuẩn

Tiêu chí đánh giá 0,75-1,25 ≤25%TBKC ≥0,9 ≥0,9 ≤0,25

NO2 0,98 1,01 0,93 0,93 0,06

CO 0,78 559,53 0,88 0,9 0,1

SO2 1,47 −17,37 0,72 0,75 0,01

PM10 0,99 1,12 0,9 0,9 0,03

Bảng2cho thấy đại lượng thống kê thông số NO2, CO bụi PM10đều nằm giới hạn thỏa mãn hai số liệu từ thiết bị đề tài thiết bị kiểm chứng tương đồng theo tiêu chuẩn ASTM-5257 Hoa Kỳ Tuy nhiên, thông số SO2, hai đại lượng bao gồm hệ số độ dốc a=1,47 hệ số tương quanr =0,72 nằm khoảng thỏa mãn hai số liệu tương đồng Kết tương tự kết nghiên cứu [3] (tại điểm đo 2, thông số SO2đại lượng hệ số độ dốca=0,74 hệ số tương quanr=0,64) Tuy nhiên, để kết so sánh xác chuỗi thời gian đo đạc thông số ô nhiễm môi trường không khí cần kéo dài để cung cấp số liệu ổn định nhiều thông tin

3.2 Kết phương pháp so sánh sử dụng kiểm định xác suất thống kê

Hiếu, B T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng

kiểm chứng, số liệu chuyển sang số liệu phân phối chuẩn phương pháp Box-Cox Tương tự, hầu hết số liệu đo đạc thông số quan trắc môi trường thiết bị đề tài thiết bị kiểm chứng có giá trị p<0,05 (ngoại trừ số liệu NO2của thiết bị đề tài) Do giá trịp<0,05 nên giả thiết số liệu có phân phối chuẩn bị loại bỏ Bên cạnh giá trị p, ta thấy điểm đo đạc khơng bám sát đường thẳng đồ thị Q-Q Hình2 Do đó, để so sánh số liệu từ thiết bị đề tài thiết bị kiểm chứng sử dụng kiểm định t-test, tác giả chuyển đổi số liệu quan trắc ban đầu sang số liệu quan trắc có phân phối chuẩn sử dụng phương pháp Box-Cox

Hình Đồ thị Q-Q số liệu thơng số chất ô nhiễm môi trường điểm đo

Bảng Giá trịpcủa kiểm định thống kê số liệu quan trắc chất lượng môi trường khơng khí từ hai thiết bị điểm đo

Đại lượng Kiểm định Anderson–Darling test Kiểm định so sánh Kiểm định

Thiết bị đề tài Thiết bị kiểm chứng phương sai t-test

NO2 <0,005 <0,005 0,83 0,93

CO <0,005 <0,005 0,82 0,76

SO2 <0,005 <0,005 0,17 0,82

PM2.5 <0,005 <0,005 0,58 0,64

PM10 <0,005 <0,005 0,45 0,27

https://doi.org/10.31814/stce.nuce2018-12(4)-12