某廢水處理水池池底介質(zhì)取樣布點(diǎn)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(zhì)取樣布點(diǎn)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(jù)某廢水處理水池的池底介質(zhì)取樣布點(diǎn)工程需求，分析了池底底質(zhì)中核素濃度的分布規(guī)律，論述了環(huán)境監(jiān)測及其他領(lǐng)域中的常用取樣布點(diǎn)方法，確定了布點(diǎn)數(shù)量及以空間系統(tǒng)抽樣為基礎(chǔ)的取樣布點(diǎn)方案，為大面積污染區(qū)域取樣調(diào)查提供了參考。關(guān)鍵詞:水池，取樣布點(diǎn)，池底介質(zhì)，放射性核素

1　概述

本廢水處理設(shè)施建于20世紀(jì)60年代，建造目的是采用天然蒸發(fā)的方式處理低水平放射性廢水。共有3個(gè)既相鄰又相互獨(dú)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(zhì)中積累及遷移，分布并不均勻。本次取樣調(diào)查工程的目的是通過對池底介質(zhì)進(jìn)行取樣和分析，盡可能詳細(xì)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(xù)的廢物分類和管理提供依據(jù)。

為了達(dá)到了解池底介質(zhì)放射性情況的目的，應(yīng)盡可能多地對池底各層介質(zhì)進(jìn)行取樣;但如果設(shè)置太多的取樣點(diǎn)，會對水池的池底結(jié)構(gòu)造成不利影響，增加工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和放射性照射劑量，延長工期，增加分析樣品的數(shù)量和費(fèi)用。所以，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)合理的取樣布點(diǎn)方案。

2　布點(diǎn)總體思路

針對該水池，布點(diǎn)方案的制定需要考慮的因素如下:

1)采用較為成熟的布點(diǎn)方法，如參考環(huán)境監(jiān)測取樣的常用方法、常用抽樣統(tǒng)計(jì)方法及模型等。

2)結(jié)合取樣目標(biāo)、水池污染分布特點(diǎn)進(jìn)行針對性布點(diǎn)。

3)適合工程應(yīng)用。工程項(xiàng)目要求項(xiàng)目周期、工作量、各項(xiàng)經(jīng)費(fèi)在施工之前即已明確，本次布點(diǎn)方案應(yīng)能夠滿足該要求。

3　布點(diǎn)要素分析

3.1沉積相核素濃度分布分析

根據(jù)水池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、排入廢水的性質(zhì)，結(jié)合所在環(huán)境的氣象資料，對水池池底介質(zhì)的放射性空間分布進(jìn)行定性分析，具體如下:

1)根據(jù)水池的運(yùn)行情況數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，池水、池底介質(zhì)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(gè)數(shù)量級，兩者化學(xué)性質(zhì)相近，所以可根據(jù)Pu在底質(zhì)中的分布規(guī)律進(jìn)行分析。排入水池的廢水中，Pu主要以Pu4 +形態(tài)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(qiáng)，易滯留在池底的淤泥中［1］。因此，Pu在廢水池底質(zhì)中的分布有以下規(guī)律:離水池入水口近的地方，底質(zhì)介質(zhì)中Pu的濃度高;遠(yuǎn)離入水口，則濃度漸低。

3)裂變產(chǎn)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(zhì)之間在一定條件下存在恒定的分配系數(shù)，因此可認(rèn)為Sr2 +，Cs+在底質(zhì)和池水中的濃度分布趨勢是一致的。

綜合以上分析，在布點(diǎn)方案中，可采用以Pu在池底底質(zhì)中的分布趨勢來布點(diǎn):自入水口由近及遠(yuǎn)，Pu的濃度逐漸降低，布點(diǎn)數(shù)量相應(yīng)由密至疏。

3.2常用取樣點(diǎn)布設(shè)方法

土壤采樣布點(diǎn)示意圖見圖2。

圖2　土壤采樣布點(diǎn)示意圖

3.2.1污染土壤樣品采集的常用布點(diǎn)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(diǎn)方法有［2］:

1)對角線布點(diǎn)法。

矩形田塊的入水口位于一角，自該入水口向?qū)且鰧蔷€，在對角線上進(jìn)行等分布點(diǎn)。

2)梅花形布點(diǎn)法。

在田塊的兩條對角線上取5個(gè)采樣點(diǎn)，包括中心點(diǎn)在內(nèi)。3)棋盤式布點(diǎn)法。

在田塊上按照一定的距離劃出網(wǎng)格，并在網(wǎng)格的焦點(diǎn)上進(jìn)行布點(diǎn)。

4)蛇形布點(diǎn)法。

對于田塊形狀不規(guī)則、地勢不平坦的田塊，可根據(jù)地形劃出曲線，在曲線上進(jìn)行布點(diǎn)。

3.2.2常用抽樣統(tǒng)計(jì)方法及模型

根據(jù)調(diào)查樣本對總體總量及其分布進(jìn)行估算的抽樣統(tǒng)計(jì)方法和模型有多種。不同抽樣模型通常都具有不同的假設(shè)前提。目前常用的調(diào)查抽樣理論和方法主要有以下幾種［3］:

1)經(jīng)典抽樣理論。

主要包括簡單隨機(jī)抽樣、系統(tǒng)抽樣和分層抽樣等。

2)空間抽樣理論。

在經(jīng)典抽樣理論的基礎(chǔ)上，在二維或三維區(qū)域中通過樣本點(diǎn)估計(jì)一個(gè)連續(xù)表面上的均值。應(yīng)用較多的是空間系統(tǒng)抽樣、空間分層抽樣。

3)其他抽樣方法。

其他抽樣相關(guān)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(qū)域內(nèi)，對區(qū)域變量的取值進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)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(yōu)化技術(shù)在空間異質(zhì)表面條件下結(jié)合起來，得到分層非均質(zhì)區(qū)域均值無偏最優(yōu)估算模型。采用MSN理論進(jìn)行抽樣，必要的前提是，需要足夠的先驗(yàn)數(shù)據(jù)或知識，能夠指導(dǎo)進(jìn)行區(qū)域分層及進(jìn)行合理插值。

4　水池布點(diǎn)方案

根據(jù)上述抽樣方法的總結(jié)可以看出，污染土壤樣品采集的常用布點(diǎn)方法其實(shí)是屬于空間系統(tǒng)抽樣方法的類別。在沒有足夠的先驗(yàn)數(shù)據(jù)或知識，無法對擬采樣區(qū)域進(jìn)行分層及進(jìn)行合理插值的情況下，采用空間系統(tǒng)抽樣方法將是最為合適的選擇。本水池曾于20年前進(jìn)行過一次取樣工作，共設(shè)置了19個(gè)取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)數(shù)量太少，分析數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，無法按照這些數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分層和插值。

另外，根據(jù)工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，由于樣品分析及數(shù)據(jù)處理需要足夠的時(shí)間，以及概算編制中各項(xiàng)費(fèi)用的明細(xì)必須明確和固定，所以，以插值估計(jì)、補(bǔ)測樣點(diǎn)為基礎(chǔ)的MSN抽樣理論不適合工程項(xiàng)目。

綜上所述，本項(xiàng)目最合理的取樣布點(diǎn)方案為以空間系統(tǒng)抽樣為基礎(chǔ)，采用三角形系統(tǒng)布樣方法，并根據(jù)核素分布的初步分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

1)布點(diǎn)數(shù)量。

通常，取樣工作中，為使布點(diǎn)方案更趨合理，采樣點(diǎn)數(shù)依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原則確定，即在選定的置信水平下，與所測項(xiàng)目值的相對誤差、要求達(dá)到的精度相關(guān)。在已有部分樣本值的情況下，采樣點(diǎn)數(shù)可按下式計(jì)算:

其中，n為所設(shè)采樣點(diǎn)位數(shù); tα為置信因子(當(dāng)置信水平99%時(shí)，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(shù)量。

本次布點(diǎn)方案將根據(jù)Pu在池底底質(zhì)中的分布趨勢進(jìn)行布點(diǎn)。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，α核素的比活度在三個(gè)水池中數(shù)值差異不大，所以可以將三個(gè)水池統(tǒng)一計(jì)算和布點(diǎn)。

由歷史樣本點(diǎn)估算參數(shù):珋x≈916 526，σ2≈4.99×1011。當(dāng)tα=0.01=2.58時(shí)，取樣點(diǎn)數(shù)量與相對誤差之間的關(guān)系為:

根據(jù)該式可以得到表1中的計(jì)算結(jié)果。

表1　以均值估計(jì)為目標(biāo)時(shí)樣本量

取樣點(diǎn)的數(shù)量與取樣相對誤差為反比關(guān)系。由表1可知，為保證相對誤差小于10%，取樣點(diǎn)數(shù)量應(yīng)大于395個(gè)。

2)布點(diǎn)方案。

根據(jù)上述分析及經(jīng)費(fèi)情況，本項(xiàng)目中水池共布設(shè)620個(gè)取樣點(diǎn)。取樣點(diǎn)布設(shè)方案為以空間系統(tǒng)抽樣為基礎(chǔ)，采用三角形系統(tǒng)布樣方法，并根據(jù)核素分布的分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化:在最南端(入水口端)，樣點(diǎn)之間的間隔設(shè)為15 m;自南向北，樣點(diǎn)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(shè)樣點(diǎn)的空間分布如圖3所示。

圖3　取樣布點(diǎn)示意圖

5　結(jié)語

本布點(diǎn)方案針對的是大面積水域池底底質(zhì)的取樣點(diǎn)布設(shè)方法，通過池底底質(zhì)中核素濃度分布進(jìn)行綜合分析，對環(huán)境監(jiān)測及其他領(lǐng)域中的取樣布點(diǎn)方法進(jìn)行考察，最終確定了布點(diǎn)數(shù)量，制定了以空間系統(tǒng)抽樣為基礎(chǔ)、采用三角形系統(tǒng)布樣的方法，并根據(jù)核素分布的初步分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。本文為大面積污染區(qū)域取樣調(diào)查提供了一種解決思路和途徑。

參考文獻(xiàn):

［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(jià)方法研究［J］.核科學(xué)與工程，2005，25( 4) :79.

［2］奚旦立，孫裕生，劉秀英.環(huán)境監(jiān)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(fā)，等.空間抽樣與統(tǒng)計(jì)推斷［M］.北京:科學(xué)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(xiàn)標(biāo)識碼:A