某廢水處理水池池底介質取樣布點方法探討

孫惠東　鄭　莉　楊美健

(中國核電工程有限公司，北京　100840)

某廢水處理水池池底介質取樣布點方法探討

孫惠東鄭莉楊美健

(中國核電工程有限公司，北京100840)

摘要:根據某廢水處理水池的池底介質取樣布點工程需求，分析了池底底質中核素濃度的分布規律，論述了環境監測及其他領域中的常用取樣布點方法，確定了布點數量及以空間系統抽樣為基礎的取樣布點方案，為大面積污染區域取樣調查提供了參考。關鍵詞:水池，取樣布點，池底介質，放射性核素

1　概述

本廢水處理設施建于20世紀60年代，建造目的是采用天然蒸發的方式處理低水平放射性廢水。共有3個既相鄰又相互獨立的水池，池底面積共約25萬m2。水池平面示意圖見圖1。

圖1　水池平面示意圖

含有放射性核素的廢水自入水口排入水池，核素在池底介質中積累及遷移，分布并不均勻。本次取樣調查工程的目的是通過對池底介質進行取樣和分析，盡可能詳細地查清池底沉積物的分布情況、放射性污染分布狀況(包括水平方向和垂直方向)等，為后續的廢物分類和管理提供依據。

為了達到了解池底介質放射性情況的目的，應盡可能多地對池底各層介質進行取樣;但如果設置太多的取樣點，會對水池的池底結構造成不利影響，增加工作人員的勞動強度和放射性照射劑量，延長工期，增加分析樣品的數量和費用。所以，應當設計合理的取樣布點方案。

2　布點總體思路

針對該水池，布點方案的制定需要考慮的因素如下:

1)采用較為成熟的布點方法，如參考環境監測取樣的常用方法、常用抽樣統計方法及模型等。

2)結合取樣目標、水池污染分布特點進行針對性布點。

3)適合工程應用。工程項目要求項目周期、工作量、各項經費在施工之前即已明確，本次布點方案應能夠滿足該要求。

3　布點要素分析

3.1沉積相核素濃度分布分析

根據水池的結構特點、排入廢水的性質，結合所在環境的氣象資料，對水池池底介質的放射性空間分布進行定性分析，具體如下:

1)根據水池的運行情況數據和歷史數據，池水、池底介質中的主要放射性核素為Pu，U，Sr，Cs。

2)在池底沉積物中，Pu的活度濃度比U約高兩個數量級，兩者化學性質相近，所以可根據Pu在底質中的分布規律進行分析。排入水池的廢水中，Pu主要以Pu4 +形態存在，其在廢水池中的沉積因素主要有兩方面: a.Pu4 +自身水解生成難溶的堿或聚合物，從而沉淀; b.Pu對土壤、泥沙親和力強，易滯留在池底的淤泥中［1］。因此，Pu在廢水池底質中的分布有以下規律:離水池入水口近的地方，底質介質中Pu的濃度高;遠離入水口，則濃度漸低。

3)裂變產物Sr，Cs在水池中的存在形式為Sr2 +，Cs+，沉積的主要原因是池底泥沙的吸附作用，Sr2 +，Cs+在池水與池底底質之間在一定條件下存在恒定的分配系數，因此可認為Sr2 +，Cs+在底質和池水中的濃度分布趨勢是一致的。

綜合以上分析，在布點方案中，可采用以Pu在池底底質中的分布趨勢來布點:自入水口由近及遠，Pu的濃度逐漸降低，布點數量相應由密至疏。

3.2常用取樣點布設方法

土壤采樣布點示意圖見圖2。

圖2　土壤采樣布點示意圖

3.2.1污染土壤樣品采集的常用布點方法

對于由大氣污染物、污水灌溉引起的土壤污染，常用的采樣布點方法有［2］:

1)對角線布點法。

矩形田塊的入水口位于一角，自該入水口向對角引出對角線，在對角線上進行等分布點。

2)梅花形布點法。

在田塊的兩條對角線上取5個采樣點，包括中心點在內。3)棋盤式布點法。

在田塊上按照一定的距離劃出網格，并在網格的焦點上進行布點。

4)蛇形布點法。

對于田塊形狀不規則、地勢不平坦的田塊，可根據地形劃出曲線，在曲線上進行布點。

3.2.2常用抽樣統計方法及模型

根據調查樣本對總體總量及其分布進行估算的抽樣統計方法和模型有多種。不同抽樣模型通常都具有不同的假設前提。目前常用的調查抽樣理論和方法主要有以下幾種［3］:

1)經典抽樣理論。

主要包括簡單隨機抽樣、系統抽樣和分層抽樣等。

2)空間抽樣理論。

在經典抽樣理論的基礎上，在二維或三維區域中通過樣本點估計一個連續表面上的均值。應用較多的是空間系統抽樣、空間分層抽樣。

3)其他抽樣方法。

其他抽樣相關的理論還有克里格( Kriging)理論、MSN理論等。

克里格理論是一種在有限的區域內，對區域變量的取值進行無偏最優估計的方法。

MSN理論是將空間分層抽樣的無偏性和克里格估值的最優化技術在空間異質表面條件下結合起來，得到分層非均質區域均值無偏最優估算模型。采用MSN理論進行抽樣，必要的前提是，需要足夠的先驗數據或知識，能夠指導進行區域分層及進行合理插值。

4　水池布點方案

根據上述抽樣方法的總結可以看出，污染土壤樣品采集的常用布點方法其實是屬于空間系統抽樣方法的類別。在沒有足夠的先驗數據或知識，無法對擬采樣區域進行分層及進行合理插值的情況下，采用空間系統抽樣方法將是最為合適的選擇。本水池曾于20年前進行過一次取樣工作，共設置了19個取樣點，取樣點數量太少，分析數據之間的關聯性不強，無法按照這些數據進行合理分層和插值。

另外，根據工程項目的特點，由于樣品分析及數據處理需要足夠的時間，以及概算編制中各項費用的明細必須明確和固定，所以，以插值估計、補測樣點為基礎的MSN抽樣理論不適合工程項目。

綜上所述，本項目最合理的取樣布點方案為以空間系統抽樣為基礎，采用三角形系統布樣方法，并根據核素分布的初步分析結果進行優化。

1)布點數量。

通常，取樣工作中，為使布點方案更趨合理，采樣點數依據統計學原則確定，即在選定的置信水平下，與所測項目值的相對誤差、要求達到的精度相關。在已有部分樣本值的情況下，采樣點數可按下式計算:

其中，n為所設采樣點位數; tα為置信因子(當置信水平99%時，tα=0.01=2.58) ;σ2為已有樣本總體方差; r為相對誤差;珋x為已有樣本總體均值。

其中:

其中，xi為已有樣本值; N為已有樣本數量。

本次布點方案將根據Pu在池底底質中的分布趨勢進行布點。根據歷史數據，α核素的比活度在三個水池中數值差異不大，所以可以將三個水池統一計算和布點。

由歷史樣本點估算參數:珋x≈916 526，σ2≈4.99×1011。當tα=0.01=2.58時，取樣點數量與相對誤差之間的關系為:

根據該式可以得到表1中的計算結果。

表1　以均值估計為目標時樣本量

取樣點的數量與取樣相對誤差為反比關系。由表1可知，為保證相對誤差小于10%，取樣點數量應大于395個。

2)布點方案。

根據上述分析及經費情況，本項目中水池共布設620個取樣點。取樣點布設方案為以空間系統抽樣為基礎，采用三角形系統布樣方法，并根據核素分布的分析結果進行優化:在最南端(入水口端)，樣點之間的間隔設為15 m;自南向北，樣點之間的距離(包括橫向和縱向)逐漸呈線性增加，增率為5%。布設樣點的空間分布如圖3所示。

圖3　取樣布點示意圖

5　結語

本布點方案針對的是大面積水域池底底質的取樣點布設方法，通過池底底質中核素濃度分布進行綜合分析，對環境監測及其他領域中的取樣布點方法進行考察，最終確定了布點數量，制定了以空間系統抽樣為基礎、采用三角形系統布樣的方法，并根據核素分布的初步分析結果進行優化。本文為大面積污染區域取樣調查提供了一種解決思路和途徑。

參考文獻:

［1］李書紳，王志明，李禎堂，等.Np-237，Pu238，Am-241和Sr－90近地表遷移行為及含超鈾核素中低放廢物處置安全評價方法研究［J］.核科學與工程，2005，25( 4) :79.

［2］奚旦立，孫裕生，劉秀英.環境監測(修訂版)［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［3］王勁峰，姜成晟，李連發，等.空間抽樣與統計推斷［M］.北京:科學出版社，2009.

Layout discussion of sampling points for the wastewater treatment pool

Sun Huidong Zheng Li Yang Meijian
( China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd，Beijing 100840，China)

Abstract:Aiming at engineering needs of the wastewater treatment pool sampling，this paper analyses the nuclides distribution rule in the pool bottom，discusses the general layout of sampling points in environmental monitoring and other field，and eventually calculates the points number and makes the layout scheme of sampling points based on space-system sampling method，it has provided some guidance for large-area pollution area sampling and survey.

Key words:pool，layout of sampling points，pool bottom medium，radioactive nuclide

作者簡介:孫惠東(1985-)，男，工程師

收稿日期:2015-11-29

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0207-02

中圖分類號:X703

文獻標識碼:A