淺論環境監測中測量不確定度

黎柱炫

(蒼梧縣環境保護監測站,廣西543000)

1 引言

環境污染是當前關注的焦點問題之一。環境監測數據可以提供環境污染程度的可靠依據,并揭示污染的根源和變化規律,為污染的治理和環境的管理工作提供大量的信息佐證。由于環境監測數據對環境污染和環境管理有著特殊的含義,因此,環境監測中測量不確定度的評定就具有重要的理論價值和實際意義。

在環境監測的計量過程中,不確定度是描述測量值分散性的重要衡量標準,是對誤差概念的新的理解和闡述,是衡量被測量值的分散性,反映出對測量值的認識程度。有了不確定度的描述,可以增加環境監測數值的可信程度,從而對根據采樣得出的環境評估結果做出更加準確的判斷。但就目前環境監測的分析和數據處理工作來看,針對分析化學領域的不確定度評定方法和標準都還沒有一個規范化的原則出臺,因此,在環境監測范圍內的測量不確定度的方法值得我們不斷研究和探索。

2 不確定度的研究

2.1 測量不確定度與檢測誤差的聯系與區別

誤差的概念應用已久,誤差的出現在很多測量以及計量工作中不可避免。然而,不確定度概念的提出,在很大程度上彌補了誤差所不能描述的數值特性。不確定度顯示了被測量值的分散性,反映出對測量值的認識程度。不確定度的產生是由于測量誤差的存在,表示了測量值與平均值之間偏離程度,不確定度越小,測量值的真實性越高,使用價值越大,反之,數據的留存價值越小。因此,不確定度使得測量結果的質量評定有了統一的定量標準,用測量不確定度評價測量結果比誤差這一概念更科學合理。

2.2 測量不確定度的簡化評定

通常不確定度的評定相對復雜,而在環境監測的日常數據檢測中,對不確定度要求不高,可以采用簡化的評定方法。

2.2.1 不確定度分量的忽略原則

合成不確定度是由多個不確定度分量求解得出的,因此,忽略了不確定分量就可能導致合成不確定度的降低。在簡化分析計算過程中,采用的是方差相加求得的合成不確定度,因此,很多小的不確定分量在方差計算中影響較小,可以忽略不計。在不確定分量的忽略選擇過程中,也要反復篩選,從中選擇可以使簡化合成不確定度與原始合成不確定度的數值差距小于10%的不確定分量來剔除,這樣得出的結果對合成不確定度影響最小。

2.2.2 相關性的處理

輸入量之間的相關系數r只取-1,0,+1這3個值。除非有明確的理由表明兩輸入量之間存在強相關,否則均按不相關處理,即取相關系數r=0。若有明確的理由表明兩輸入量之間存在強相關,則視其正相關或負相關而取相關系數r=1或-1。對于存在強相關的各測量不確定度分量,合成時采用線性相加。對于不相關的各測量不確定度分量,合成時采用方差(即標準不確定度的平方)相加。若有部分不確定度分量相關,則先將相關的不確定度分量采用線性相加的方法進行合成,然后再與其它不相關的分量采用方差相加的方法進行合成。一般情況下,可以采取改變測量原理、測量方法、測量儀器等手段盡可能使其不相關。

2.3 環境監測不確定度的評定過程

測量不確定度一般包含若干個分量。其中一部分分量可通過系列觀測數據的統計分析來評定,并用標準偏差來表示,稱為A類標準不確定度;另一部分分量則由基于經驗或資料及假設所認定的概率分布來評定,同樣也可用標準偏差來表征,稱為B類標準不確定度。

不確定度按照表示方法的不同分為標準不確定度和擴展不確定度。標準不確定度是用標準偏差(包括實驗標準差)給出的不確定度。標準不確定度分為A類標準不確定度、B類標準不確定度以及合成標準不確定度。合成標準不確定度是當測量結果是由若干其他量的值求得時,按其他各分量的方差或協方差算得的標準不確定度。由定義和計算方法可知標準不確定度是由直接觀測序列計算所得,而合成不確定度是由不確定度傳播律,也就是方差——協方差傳播律計算所得。合成不確定度乘上一個數值因子成為擴展不確定度。擴展不確定度又稱為展伸不確定度或范圍不確定度,是確定測量結果區間的量,合理地賦予測量結果,被測量之值以較大的概率分布在此區間內。不確定度的評定過程如圖1所示。

圖1 不確定度評定過程

2.4 環境監測中的不確定度評估

不確定度的研究有許多內容,選取環境監測中3個具有代表意義的監測項目進行例舉,從不同角度來研究不確定度評估技術的具體應用。如重鉻酸鉀法測定水中化學需氧量的不確定度評估,主要探索如何評估體積測量、稱重測量和滴定測量等基本操作所引入的不確定度分量,以及這些分量如何合成得出總的不確定度;紅外分光光度法測定水中動植物油的不確定度評估,主要探索面對眾多不確定度分量時,如何進行整合,用一個系數去代替多個變量的組合,從而減少不確定度分量的可行性;異煙酸——呲唑琳酮分光光度法測定水樣中氰化物的不確定度評估,探索如何評估這種按標準或“經驗”方法得出結果的不確定度。環境監測中不確定度的評估,其目的是研究在缺乏協同實驗數據或穩健性試驗結果的情況下,考慮方法定義所允許的參數(例如溫度、顯色時間和酸度)范圍所引入的不確定度。

2.5 不確定度評估在環境監測中的應用

由于環境污染對人們生活的危害程度很大,因此,在環境監測過程中,監測數據的精確性,決定著對環境污染程度的界定。在很多化學成分的監測和檢驗過程中,都有嚴格的界限值規定,一旦超出安全值的范圍,則可視為對人體有害或環境已被污染,從而為環境管理部門制定治理方案提供參考。環境監測測量數值的可信程度,直接影響著對環境污染的判斷,所以采用測量值的不確定度可以大大提高測量數值的精準程度,從而給出一份具有公正性和權威性的監測報告。盡管我國現階段還沒有一套完整的環境監測測量不確定度的評定規范,但環境檢測的實際測量工作中,不確定度的應用已經悄然實施,最常見的是在室內空氣有害物質的檢測中,默認的不確定范圍為25%。

3 結語

不確定度起源于計量統計的應用,在各個測量、計量相關領域經歷了多年的研究和論證,無論從理論還是實踐都取得了令人信服的結論。就環境監測領域的應用來講,在不確定度理論的基礎上,還應該繼續開發新的評定方法,從而形成一個完善的測量數據處理體系,保證監測數據的真實、可靠。從我國現階段環境監測中不確定度的應用情況來看,不確定度的引入,使以往通過誤差來衡量數值可用程度的方法成為了歷史,從更加科學和發展的新理論入手,對測量數據做出了更加精確的解釋,從而增強了環境監測測量數據的分析性。環境測量中不確定度的評定方法中很多都源于監測的實踐過程,如不確定度的非統計評定方法、動態的不確定度評定方法以及不確定度的驗證方法等,都將是我們不確定度評定方案繼續研究的方向。

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