浅论环境监测中测量不确定度

黎柱炫

(苍梧县环境保护监测站,广西543000)

1 引言

环境污染是当前关注的焦点问题之一。环境监测数据可以提供环境污染程度的可靠依据,并揭示污染的根源和变化规律,为污染的治理和环境的管理工作提供大量的信息佐证。由于环境监测数据对环境污染和环境管理有着特殊的含义,因此,环境监测中测量不确定度的评定就具有重要的理论价值和实际意义。

在环境监测的计量过程中,不确定度是描述测量值分散性的重要衡量标准,是对误差概念的新的理解和阐述,是衡量被测量值的分散性,反映出对测量值的认识程度。有了不确定度的描述,可以增加环境监测数值的可信程度,从而对根据采样得出的环境评估结果做出更加准确的判断。但就目前环境监测的分析和数据处理工作来看,针对分析化学领域的不确定度评定方法和标准都还没有一个规范化的原则出台,因此,在环境监测范围内的测量不确定度的方法值得我们不断研究和探索。

2 不确定度的研究

2.1 测量不确定度与检测误差的联系与区别

误差的概念应用已久,误差的出现在很多测量以及计量工作中不可避免。然而,不确定度概念的提出,在很大程度上弥补了误差所不能描述的数值特性。不确定度显示了被测量值的分散性,反映出对测量值的认识程度。不确定度的产生是由于测量误差的存在,表示了测量值与平均值之间偏离程度,不确定度越小,测量值的真实性越高,使用价值越大,反之,数据的留存价值越小。因此,不确定度使得测量结果的质量评定有了统一的定量标准,用测量不确定度评价测量结果比误差这一概念更科学合理。

2.2 测量不确定度的简化评定

通常不确定度的评定相对复杂,而在环境监测的日常数据检测中,对不确定度要求不高,可以采用简化的评定方法。

2.2.1 不确定度分量的忽略原则

合成不确定度是由多个不确定度分量求解得出的,因此,忽略了不确定分量就可能导致合成不确定度的降低。在简化分析计算过程中,采用的是方差相加求得的合成不确定度,因此,很多小的不确定分量在方差计算中影响较小,可以忽略不计。在不确定分量的忽略选择过程中,也要反复筛选,从中选择可以使简化合成不确定度与原始合成不确定度的数值差距小于10%的不确定分量来剔除,这样得出的结果对合成不确定度影响最小。

2.2.2 相关性的处理

输入量之间的相关系数r只取-1,0,+1这3个值。除非有明确的理由表明两输入量之间存在强相关,否则均按不相关处理,即取相关系数r=0。若有明确的理由表明两输入量之间存在强相关,则视其正相关或负相关而取相关系数r=1或-1。对于存在强相关的各测量不确定度分量,合成时采用线性相加。对于不相关的各测量不确定度分量,合成时采用方差(即标准不确定度的平方)相加。若有部分不确定度分量相关,则先将相关的不确定度分量采用线性相加的方法进行合成,然后再与其它不相关的分量采用方差相加的方法进行合成。一般情况下,可以采取改变测量原理、测量方法、测量仪器等手段尽可能使其不相关。

2.3 环境监测不确定度的评定过程

测量不确定度一般包含若干个分量。其中一部分分量可通过系列观测数据的统计分析来评定,并用标准偏差来表示,称为A类标准不确定度;另一部分分量则由基于经验或资料及假设所认定的概率分布来评定,同样也可用标准偏差来表征,称为B类标准不确定度。

不确定度按照表示方法的不同分为标准不确定度和扩展不确定度。标准不确定度是用标准偏差(包括实验标准差)给出的不确定度。标准不确定度分为A类标准不确定度、B类标准不确定度以及合成标准不确定度。合成标准不确定度是当测量结果是由若干其他量的值求得时,按其他各分量的方差或协方差算得的标准不确定度。由定义和计算方法可知标准不确定度是由直接观测序列计算所得,而合成不确定度是由不确定度传播律,也就是方差——协方差传播律计算所得。合成不确定度乘上一个数值因子成为扩展不确定度。扩展不确定度又称为展伸不确定度或范围不确定度,是确定测量结果区间的量,合理地赋予测量结果,被测量之值以较大的概率分布在此区间内。不确定度的评定过程如图1所示。

图1 不确定度评定过程

2.4 环境监测中的不确定度评估

不确定度的研究有许多内容,选取环境监测中3个具有代表意义的监测项目进行例举,从不同角度来研究不确定度评估技术的具体应用。如重铬酸钾法测定水中化学需氧量的不确定度评估,主要探索如何评估体积测量、称重测量和滴定测量等基本操作所引入的不确定度分量,以及这些分量如何合成得出总的不确定度;红外分光光度法测定水中动植物油的不确定度评估,主要探索面对众多不确定度分量时,如何进行整合,用一个系数去代替多个变量的组合,从而减少不确定度分量的可行性;异烟酸——呲唑琳酮分光光度法测定水样中氰化物的不确定度评估,探索如何评估这种按标准或“经验”方法得出结果的不确定度。环境监测中不确定度的评估,其目的是研究在缺乏协同实验数据或稳健性试验结果的情况下,考虑方法定义所允许的参数(例如温度、显色时间和酸度)范围所引入的不确定度。

2.5 不确定度评估在环境监测中的应用

由于环境污染对人们生活的危害程度很大,因此,在环境监测过程中,监测数据的精确性,决定着对环境污染程度的界定。在很多化学成分的监测和检验过程中,都有严格的界限值规定,一旦超出安全值的范围,则可视为对人体有害或环境已被污染,从而为环境管理部门制定治理方案提供参考。环境监测测量数值的可信程度,直接影响着对环境污染的判断,所以采用测量值的不确定度可以大大提高测量数值的精准程度,从而给出一份具有公正性和权威性的监测报告。尽管我国现阶段还没有一套完整的环境监测测量不确定度的评定规范,但环境检测的实际测量工作中,不确定度的应用已经悄然实施,最常见的是在室内空气有害物质的检测中,默认的不确定范围为25%。

3 结语

不确定度起源于计量统计的应用,在各个测量、计量相关领域经历了多年的研究和论证,无论从理论还是实践都取得了令人信服的结论。就环境监测领域的应用来讲,在不确定度理论的基础上,还应该继续开发新的评定方法,从而形成一个完善的测量数据处理体系,保证监测数据的真实、可靠。从我国现阶段环境监测中不确定度的应用情况来看,不确定度的引入,使以往通过误差来衡量数值可用程度的方法成为了历史,从更加科学和发展的新理论入手,对测量数据做出了更加精确的解释,从而增强了环境监测测量数据的分析性。环境测量中不确定度的评定方法中很多都源于监测的实践过程,如不确定度的非统计评定方法、动态的不确定度评定方法以及不确定度的验证方法等,都将是我们不确定度评定方案继续研究的方向。

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