CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Kết quả nghiên cứu ơ nhiễm khơng khí sử dụng rêu Barbula indica và
4.1.2. Kết quả phân tích thống kê số liệu thực nghiệm đối với các mẫu rêu
Barbula indica
4.1.2.1. Phân tích thống kê mơ tả
Các số liệu đánh giá như thống kê mơ tả, phân tích tương quan và phân tích nhân tố được áp dụng cho số liệu hàm lượng để suy ra phân bố không gian của các nguyên tố trong các mẫu rêu được phân tích và tìm ra các nguồn có thể gây ô nhiễm. Số liệu thống kê mô tả hàm lượng nguyên tố kim loại bao gồm giá trị trung bình, trung vị, độ lệch chuẩn, tối thiểu, tối đa, khoảng, hệ số biến thiên
CV, độ nhọn và độ lệch xác định trong các mẫu rêu ở Tp. Hà Nội được tính
bằng phần mềm IBM SPSS (phiên bản 28). Kết quả thống kê mô tả cho số liệu hàm lượng các nguyên tố kim loại được liệt kê trong Bảng 4.2. Trong Bảng này, độ lệch và độ nhọn được tính bằng cách sử dụng phép kiểm Shapiro-Wilk (với mức ý nghĩa 0,05) để đưa ra tính đồng nhất của phân bố.
Bảng 4.2 trình bày kết quả phân tích thống kê mơ tả hàm lượng của các nguyên tố trong các mẫu rêu tại khu vực Tp. Hà Nội. Trong bảng này liệt kê những đại lượng thống kê chính bao gồm giá trị nhỏ nhất (min), giá trị lớn nhất
(max), giá trị trung bình (mean), trung vị (median), độ lệch chuẩn (SD), hệ số biến thiên (CV) tính theo phần trăm (CV=độ lệch chuẩn/trung bình×100), độ nhọn của phân bố (Kurt) và độ xiên (Skew).
Từ Bảng 4.2 có thể thấy rằng tại Tp. Hà Nội, thứ tự giảm dần hàm lượng trung bình của các nguyên tố trong mẫu rêu là Ca > K > Al > Mg > Fe > Cl > Na
> Ti > Zn > Mn > Ba > Sr > Cr > V > Br > Ce > Ni > La > As > Co > Sb > Th >
Sc > Cs > Cd > U > Gd > Hf > Sm > Yb > Se > Ta > Tb với hàm lượng cao nhất là các nguyên tố Ca, K, Al, Mg, Fe, Cl, Na và Ti, và đây là những nguyên tố này phổ biến trong lớp vỏ trái đất. Hàm lượng thấp nhất là các nguyên tố Ta và Tb. Đa số phân bố hàm lượng của các nguyên tố có độ biến thiên nhỏ hơn 60%
ngoại trừ Co (64.09%), Cd (69.71%), Zn (94.46%), Ba (138.4%) và Ta (210%).
Điều này cho thấy nguồn phát thải của các ngun tố này vào khơng khí là rất phức tạp. Điều này phản ánh mật độ bụi trong khơng khí rất cao và ONKK nghiêm trọng ở Tp. Hà Nội và các vùng lân cận do bụi đất thổi vào.
Cột thứ 9 trong Bảng 4.2 là giá trị của đại lượng độ nhọn. Độ nhọn được
dùng để đánh giá mức độ lệch khỏi phân bố chuẩn của phân bố hàm lượng của các nguyên tố. Cột cuối cùng trong Bảng 4.2 là giá trị của độ xiên (hay độ bất đối xứng) của phân bố hàm lượng của các nguyên tố. Trong trường hợp này, độ
94
xiên là đại lượng dùng để đo lường mức độ bất đối xứng của phân bố hàm lượng của ngun tố. Nó cịn tên gọi nữa là hệ số bất đối xứng. Nếu hệ số này bằng 0, thì phân bố là đối xứng và giá trị trung bình sẽ trùng với trung vị. Nếu hệ số này lớn hơn 0, thì phân bố sẽ bị lệch về phía phải và ngược lại. Phân bố nồng độ của một nguyên tố nào đó có thể được coi là tuân theo phân bố chuẩn nếu độ lệch của nó có giá trị nằm trong khoảng từ -0.8 đến 0.8 và độ nhọn nằm trong khoảng
từ -3.0 đến +3.0. Từ Bảng 4.2 có thể nhận thấy rằng độ xiên (skewness) của phân bố của đa số các nguyên tố nằm ngoài khoảng (-0.8, +0.8) ngoại trừ một vài nguyên tố bao gồm Hf (0.78), Th (0.78), Tb (0.76), Ti (0.74), Sc (0.69), Fe
(0.66), K (-0.17) và Cl (-0.18) tuân theo phân bố chuẩn. Điều này chứng tỏ phân
bố hàm lượng của hầu hết các nguyên tố không tuân theo phân bố chuẩn. Giá trị độ nhọn (kurtosis) của phân bố của các nguyên tố cũng cho thấy điều này. Ngoài
ra, hệ số biến thiên của các nguyên tố này đều nhỏ hơn 25% nghĩa là các nguyên tố này có thể cùng nguồn ô nhiễm trong khi đối với các nguyên tố khác thì nguồn ơ nhiễm có thể rất phức tạp. Số liệu hàm lượng thu được của các nguyên tố kim loại nặng trong các mẫu rêu được phân tích thống kê đa biến.
Bảng 4.2. Thống kê mô tả các nguyên tố KLN và một số nguyên tố khác phân tích trong mẫu rêu.
Nguyên Tố Min (ppm) Max (ppm) Mean (ppm) Median (ppm) SD CV (%) Kurt Skew 1 Na 510 1830 922,3 816 339,6 36,82 0,26 0,94 2 Mg 2510 8160 4417 4080 1443 32,68 0,17 0,86 3 Al 1340 14700 6767 5560 3439 50,83 0,13 0,97 4 Cl 485 3620 2132 2300 926,3 43,45 -1,21 -0,18 5 K 6450 12200 9570 9780 1560 16,3 -0,87 -0,17 6 Ca 13500 62600 23544 20800 9838 41,79 9,31 2,76 7 Sc 0,2 2,46 1,16 0,97 0,61 52,42 -0,57 0,69 8 Ti 75,5 967 465,4 428 229,4 49,3 -0,16 0,74 9 V 7,54 39,1 17,28 15,5 7,5 43,32 1,53 1,24 10 Cr 7,09 46,3 20,81 17,9 10,65 51,18 0,18 1,04 11 Mn 63,3 147,8 147,8 123 80,75 54,63 10 2,68
95 12 Fe 1740 9060 4400 4000 2058 46,78 -0,49 0,66 13 Ni 1,9 15,5 7,08 6,13 3,18 44,87 0,51 0,85 14 Co 0,35 6,68 1,93 1,57 1,24 64,09 7,65 2,33 15 Zn 68,2 1900 457,7 306 432,4 94,46 4,2 2,04 16 As 1,39 7,83 3,19 3 1,41 44,14 3,2 1,39 17 Se 0,18 0,68 0,32 0,3 0,11 35 2,51 1,36 18 Br 4,29 16,1 8,46 7,99 2,87 33,82 1,27 1,08 19 Sr 21,5 131 49,26 38,4 28,32 57,49 2,6 1,79 20 Cd 0,29 3,21 0,88 0,7 0,62 69,71 6,85 2,13 21 Sb 0,41 3,28 1,45 1,39 0,67 46,63 0,73 0,84 22 Ba 21,2 626 107,8 59,5 149,2 138,4 9,45 3,19 23 Cs 0,53 2,04 1,16 1,12 0,39 33,84 0,21 0,81 24 La 1,03 8,42 4,14 3,41 2,03 49,16 0,03 0,91 25 Ce 2,15 17,3 8,13 6,45 4,01 49,31 0,06 0,92 26 Sm 0,15 1,22 0,58 0,48 0,29 49,3 -0,03 0,86 27 Gd 0,31 1,67 0,73 0,72 0,33 45,28 1,13 1,01 28 Tb 0,02 0,16 0,08 0,07 0,04 47,62 -0,3 0,76 29 Yb 0,13 0,84 0,33 0,27 0,16 46,65 3,32 1,6 30 Hf 0,27 1,48 0,68 0,62 0,35 51,92 -0,48 0,78 31 Ta 0,02 2,46 0,22 0,12 0,45 210 25,84 5,04 32 Th 0,35 2,74 1,35 1,09 0,7 51,75 -0,46 0,78 33 U 0,32 2,02 0,85 0,78 0,45 25,84 0,85 1,15
Min: tối đa; Max: tối thiểu; SD: độ lệch chuẩn; CV: hệ số biên thiên
(SD/Mean×100); Kurt: độ nhọn; Skew: độ lệch.
Các nghiên cứu trước đây về hàm lượng đã chỉ ra 23 nguyên tố được sử dụng trong phân tích nhân tố gồm Mg, Al, Cl, K, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Zn, As. Br, Cd, Sb, Ba, La, Ce, Gd, Tb, Yb, Hf và Th [101, 102, 123]. Nhân tố là nhóm các nguyên tố quan tâm chỉ thị cho nguồn ơ nhiễm có thể có trong khu vực khảo sát
96
cùng với số phương sai được giải thích càng cao càng tốt. Vì vậy trong phân tích thống kêdưới đây chỉ sử dụng 20 nguyên tố.
4.1.2.2. Phân tích hệ số tương quan
Để thiết lập mối quan hệ giữa các nguyên tố và truy tìm nguồn gốc của chúng trong các mẫu rêu, hệ số tương quan Pearson (r) đã được tính và trình bày trong Bảng 4.3. Có thể thấy từ Bảng 4.3, một số nhóm trong đó các nguyên tố có
tương quan đáng kể với nhau cho thấy những yếu tố này có thể từ một nguồn
chung. Để minh họa, một số nhóm trong đó các nguyên tố có tương quan chặt chẽ được liệt kê: Mg có tương quan với Al (0,79), V (0,8), As (0,69), Sb (0,68),
Ba (0,56), La (0,79), Ce (0,79), Gd (0,76), Tb (0,81), Hf (0,85) và Tb (0,81); Al
tương quan với V (0,84), Fe (0,87), Co (0,79), As (0,75), La (0,97), Ce (0,97), Gd (0,91), Tb (0,97), Yb (0,88), Hf ( 0,88) và Th (0,98); V tương quan với Fe
(0,84), Ni (0,6), Co (0,69), As (0,87), Sb (0,62), La (0,79), Ce (0,78), Gd (0,83), Tb (0,83), Yb (0,72), Hf (0,8) và Th (0,8); Cr có tương quan với Ni (0,8), Co (0,51), Cd (0,61), Sb (0,62) và Yb (0,51); Cl chỉ tương quan với K (0,6).
4.1.2.3 Phân tích nhân tố cho phân bổ nguồn KLN và một số nguyên tố khác trong các mẫu rêu
Với khả năng xử lý các tập số liệu lớn, phân tích nhân tố được xem là cơng cụ hữu ích được áp dụng thành cơng trong các lĩnh vực nghiên cứu môi trường khác nhau. Trong nghiên cứu của luận án này, phân tích nhân tố được sử dụng làm giảm số chiều hàm lượng các nguyên tố trong các mẫu rêu và xác định các nguồn gây ơ nhiễm có thể có của các nguyên tố này [124, 125]. Phân tích nhân
tố biến tập hợp ban đầu của các biến tương quan với nhau thành tập hợp các biến không tương quan, các nhân tố tiềm ẩn là tổ hợp tuyến tính của các biến ban đầu. Sau khi phân tích nhân tố, một số nhân tố tiềm ẩn sẽ thu được và mỗi nhân tố trong số chúng sẽ là một tổ hợp tuyến tính của một số biến ban đầu (ở đây là hàm lượng một số nguyên tố phát hiện trong các mẫu rêu). Các nhân tố thu được sắp xếp theo thứ tự sao cho các nhân tố quan trọng đầu tiên giữ lại hầu hết các biến thể có trong tất cả các biến ban đầu. Do đó, bằng cách sử dụng phân tích nhân tố, chỉ cần một số ít các nhân tố quan trọng để đại diện cho hầu hết thông
97
Bảng 4.3. Hệ số tương quan Pearson của các nguyên tố KLN và một số nguyên tố khác trong các mẫu rêu thu thập ở Tp. Hà Nội.
Mg AI C1 K V Cr Ni Fe Ni Co Zn As Br Cd Sb Ba La Ce Gd Tb Yb Hf Th Mg 1 AI 0,79 1 C1 -0,39 -0,36 1 K 0,08 0,14 0,6 1 V 0,8 0,84 -0,37 0,09 1 Cr 0,37 0,39 -0,23 -0,14 0,38 1 Mn 0,65 0 6 -0,34 -0,03 0,49 0,43 1 Fe 0,81 0,87 -0,5 -0,01 0,84 0,38 0,73 1 Ni 0,66 0,6 -0,43 -0,23 0,6 0,8 0,52 0,66 1 Co 0,81 0,79 -0,47 0 0,69 0,51 0,89 0,88 0,68 1 Zn -0,07 0,07 -0,1 -0,06 -0,08 0,25 0,11 0,07 0,25 0,12 1 As 0,69 0,75 -0,44 0 0,87 0,43 0,46 0,79 0,67 0,7 0,14 1 Br 0,15 0,06 -0,01 -0,02 -0,01 0 0,12 -0,11 0,03 0,07 -0,11 0,05 1 Cd 0,43 0,26 -0,27 -0,01 0,24 0,61 0,64 0,38 0,56 0,64 0,38 0,37 0,01 1 Sb 0,68 0,57 -0,47 -0,11 0,62 0,62 0,5 0,62 0,86 0,67 0,43 0,73 0 0,67 1 Ba 0,56 0,36 -0,48 -0,25 0,31 0,35 0,76 0,61 0,54 0,75 0,26 0,39 0,03 0,54 0,54 1 La 0,79 0,97 -0,39 0,06 0,79 0,4 0,6 0,87 0,66 0,83 0,12 0,77 0,07 0,3 0,61 0,43 1 Ce 0,79 0,97 -0,39 0,08 0,78 0,39 0,6 0,87 0,64 0,82 0,1 0,74 0,08 0,29 0,58 0,4 0,99 1 Gd 0,76 0,91 -0,44 -0,07 0,83 0,39 0,55 0,84 0,65 0,78 0,07 0,83 0,16 0,25 0,61 0,41 0,94 0,93 1 Tb 0,81 0,97 -0,43 0,06 0,83 0,4 0,64 0,91 0,66 0,86 0,12 0,79 0,04 0,33 0,63 0,48 0,99 0,99 0,94 1 Yb 0,83 0,88 -0,37 0,05 0,72 0,51 0,82 0,84 0,69 0,94 0,13 0,68 0,05 0,57 0,67 0,59 0,9 0,9 0,84 0,91 1 Hf 0,85 0,88 -0,46 0,14 0,8 0,39 0,64 0,87 0,69 0,84 0,11 0,82 0,05 0,46 0,72 0,45 0,89 0,9 0,83 0,91 0,87 1 Th 0,81 0,98 -0,43 0,08 0,83 0,37 0,58 0,9 0,64 0,81 0,09 0,78 0,04 0,28 0,62 0,41 0,9S 0,98 0,93 0,99 0,88 0,91 1
98
Trong nghiên cứu của luận án này, phần mềm STATISTICA (phiên bản 8.0) được sử dụng trong phân tích nhân tố nhằm xác định các nguồn gây ô nhiễm. Tổng cộng có 23 biến (hàm lượng trung bình của 23 ngun tố nêu trên) và 27 mẫu rêu đã được chọn để phân tích nhân tố. Ở đây, hàm lượng trung bình các nguyên tố thay đổi theo thứ tự độ lớn khác nhau do đó ma trận tương quan được áp dụng cho phân tích nhân tố và mỗi biến được chuẩn hóa thành đơn vị của phương sai. Nhằm dễ dàng giải thích các kết quả thu được, phép quay vng góc
varimax được áp dụng để cho phương sai của hệ số tải các biến cho mỗi nhân tố sẽ được tối đa hóa. Bảng 4.4 cho thấy ma trận các thành phần được xoay tối đa cho số liệu hàm lượng nguyên tố trong các mẫu rêu, trong đó các tải trọng và phương sai trích của năm nhân tố chính được liệt kê. Sau khi áp dụng phép quay varimax và chỉ chọn các nhân tố có trị riêng lớn hơn 0,9, năm thành phần chính (nhân tố) được lọc cho phép giải thích được hơn 87,16% biến thiên của bộ số liệu thực nghiệm thông qua biểu đồ sàng lọc (Hình 4.1). Năm nhân tố chính được ký hiệu là F1, F2, F3, F4 và F5 giải thích lần lượt 60,36%, 10,44%, 6,40%, 5,44% và 4,51% tổng biến thiên bộ số liệu. Trong Bảng 4.4 này, các hệ số tải bằng hoặc lớn hơn 0,4 được biểu diễn bằng chữ in đậm và các hệ số tải nhỏ hơn 0,4 có thể bị chi phối bởi các lỗi ngẫu nhiên. Điểm nhân tố các địa điểm lấy mẫu được liệt kê trong Bảng 4.5.
99
Nhân tố 1 (F1) giải thích 60,36% biến thiên tổng của bộ số liệu. Các nguyên
tố Th, Al, La, Ce, Tb, Gd, V, Hf, Fe, As, Mg, Yb, Co, Ni, Sb, Mn đóng góp
chính vào F1 với hệ số tải lần lượt là 0,96; 0,95; 0,94; 0,94; 0,94; 0,92; 0,89; 0,88; 0,85; 0,81; 0,78; 0,78; 0,7; 0,56; 0,53 và 0,44. Nhôm, Fe, Mg và Mn là
những nguyên tố phổ biến nhất trong vỏ trái đất và là chất chỉ thị đối với nguồn ô nhiễm từ bụi đất. Ở Tp. Hà Nội, nguồn ơ nhiễm từ bụi đất có thể được tạo thành từ gió bụi, bụi đường và bụi do các cơng trình xây dựng và đường bộ tạo ra. Thêm vào đó, các cơng trình đường xá, xây dựng các văn phịng mới, khu chung cư, và cải tạo lại các tịa nhà có thể được nhìn thấy ở khắp Tp. Hà Nội, đặc biệt là ở các khu vực lân cận của thành phố và kết quả là lượng bụi phát thải tăng lên nhanh chóng. Các bụi đất đá có thể được tạo ra do cuốn vào khơng khí dưới tác động của gió hoặc tác động hỗn loạn của các phương tiện đi qua mặt đường. Các hoạt động này diễn ra gần các địa điểm lấy mẫu trong thời gian này do đó chúng giải thích cho tác nhân gây ơ nhiễm trong F1. Dựa vào những giải thích này, có thể nói rằng F1 đại diện cho bụi đường và đất đá. Các điểm lấy mẫu đóng góp nhiều nhất cho nhân tố này là từ các điểm tương đối gần lề đường như M8 (Cổ Nhuế, Từ Liêm), M14 (Kiêu Kỵ, Gia Lâm), M23 (Như Quỳnh, Hưng Yên), M7 (Nhân Mỹ, Từ Liêm), M16 (Như Quỳnh, Hưng Yên), M17 (Yên Mỹ, Hưng Yên), M25 (Mỹ Hào, Hưng Yên), M18 (Yên Mỹ, Hưng Yên), M24 (Ngọc Lãng, Mỹ Hào, Hưng Yên), M1 (Dốc Lã , Bắc Ninh), M2 (Hoàn Sơn, Bắc Ninh), M27 (Phạm Khảm, Văn Lâm, Hưng Yên), M10 (Yên Lạc, Thạch Thất, Hà Nội), M22 (Xuân Đào, Mỹ Hào, Hưng Yên) và M15 (Tân Quang, Văn Lâm, Hưng Yên) với điểm nhân tố tuyệt đối lần lượt là 2,65; 1,78;
1,78; 1,46; 1,16; 1,08; 1,01; 0,95; 0,92; 0,84; 0,84; 0,75; 0,68; 0,62 và 0,61. Đây là các địa điểm tại khu vực ngoại thành Hà Nội và một số vùng lân cận, tại đây có nhiều văn phịng mới, các tịa nhà dân cư và các tuyến đường mới đang được xây dựng.
Bảng 4.4. Số liệu hàm lượng trung bình trong các mẫu rêu được phân tích của 5 nhân tố phân tích.
STT Nguyên tố F1 F2 F3 F4 F5
1 Mg 0,78 0,13 0,03 0,39 0,17
2 Al 0,95 0,1 -0,04 0,17 0,02
100 4 K 0,15 -0,08 -0,93 -0,02 -0,05 5 V 0,89 0,12 0,06 0,06 0,01 6 Cr 0,27 0,76 0,08 0,17 0,15 7 Mn 0,44 0,16 0,03 0,83 0,08 8 Fe 0,85 0,1 0,14 0,40 -0,16 9 Ni 0,56 0,67 0,25 0,19 0,11 10 Co 0,70 0,23 0,07 0,65 0,04 11 Zn -0,06 0,67 0,00 0,04 -0,30 12 As 0,81 0,33 0,14 0,05 0,02 13 Br 0,03 -0,05 0,01 0,04 0,95 14 Cd 0,11 0,67 -0,05 0,61 0,03 15 Sb 0,53 0,71 0,18 0,21 0,00 16 Ba 0,24 0,23 0,31 0,79 -0,04 17 La 0,94 0,14 0,03 0,20 0,02 18 Ce 0,94 0,12 0,01 0,19 0,03 19 Gd 0,92 0,13 0,16 0,12 0,12 20 Tb 0,94 0,14 0,05 0,24 -0,02 21 Yb 0,78 0,24 -0,02 0,50 0,04 22 Hf 0,88 0,23 0,00 0,28 0,01 23 Th 0,96 0,12 0,04 0,18 -0,02 Eigenvalues 13,88 2,40 1,47 1,25 1,04 Phương sai (%) 60,36 10,44 6,4 5,44 4,51 Hệ số tích lũy (%) 60,36 70,8 77,21 82,64 87,16
101
Hình 4.2. Biểu đồ 3D điểm hệ số của nguyên tố được điều tra thu được từ kết quả phân tích thành phần chính PCA trong khơng gian tạo ra bởi các nhân tố F1,
F2 và F5. Các ngun tố được nhóm theo vịng elip được coi là nguồn chung.