Experimental Evaluation of Surface Water Sampling Variability for Environmental Monitoring in Iron Ore Operations

Abstract

Environmental self-monitoring is a government requirement for Swedish process industries. This includes sampling and analysis of recipient water that might be adversely affected by emissions. The requirements for accredited analytical methods are strict, with well-defined measurement uncertainties, but estimations of the attendant sampling variability are seldom required, presented, or evaluated in environmental surface water sampling. The goal of this study was to perform an initial evaluation of the measurement variability for surface water sampling within the self-monitoring program for a large mining company in northern Sweden. The results indicate that the method for evaluation of sampling and measurement variability itself affects the results obtained. Therefore, the evaluation scope must be clearly defined in advance, so that the most appropriate approach, resulting in a realistic quantification of total variability, can be selected. This study shows that duplicate sampling experiments result in significantly larger sampling variability estimates when accounting for ambiguities in the sampling protocol than similar experiments under repeatability conditions. This is due to large temporal variations in stream flux and analyte concentrations in the evaluated sampling targets. The ambiguities in different sampling protocols must be fully described and considered when designing empirical evaluation experiments to allow valid evaluation of the total sampling and measurement system variability. An automated sampler using volume-proportional sampling to collect increments for composite samples is recommended to reduce unnecessary sampling variability and address significant temporal changes in stream flux and analyte concentrations appropriately.

Zusammenfassung

Für die verarbeitende Industrie in Schweden ist Eigenkontrolle im Umweltschutz eine staatliche Vorgabe. Diese schließt die Probennahme und Analyse von Vorflutern ein, die emissionsbedingt nachteilig beeinflusst werden können. Die Forderungen zur Akkreditierung der Analysemethoden sind streng und mit wohl definierten Messunsicherheiten belegt, selten jedoch werden im Rahmen der Probenahme von Umweltproben aus Oberflächengewässern Abschätzungen der Stichprobenvariabilität gefordert, dargestellt oder bewertet. Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, eine Erstbewertung der Stichprobenvariabilität der im Rahmen der Eigenkontrolle durchgeführten Oberflächenwasserprobenahme eines großen Bergbauunternehmens in Nordschweden durchzuführen. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Vorgehensweise zur Bewertung der Stichproben- und Messvariabilität selbst Einfluss auf die erzielten Ergebnisse hat. Aus diesem Grunde muss der Bewertungsrahmen im Vorhinein klar definiert sein, so dass der bestgeeignetste Ansatz gewählt werden kann, um zu einer realistischen Quantifizierung der Gesamtschwankungsbreite zu gelangen. Die Studie zeigt, dass Duplikatprobenahmetests, die Mehrdeutigkeiten der Probenahmevorschrift berücksichtigen, zu signifikant höheren Stichprobenvariabiltäten führen als vergleichbare Experimente unter Wiederholbedingungen. Dies ist starken zeitlichen Schwankungen von Durchflussmenge und Analytkonzentrationen in den beprobten Umweltmedien geschuldet. Uneindeutigkeiten in den verschiedenen Probenahmevorschriften müssen vollständig beschrieben und berücksichtigt werden, wenn empirische Experimente zur verlässlichen Ableitung von Gesamtmessunsicherheiten konzipiert werden sollen. Empfohlen wird der Einsatz automatischer Probenahmesysteme mit Entnahme volumenproportionaler Teilproben und deren Vereinigung zu Mischproben, um die vermeidbare Stichprobenvariabilität zu verringern und signifikante Schwankungen von Durchflussmenge und Analytkonzentrationen über die Zeit angemessen zu berücksichtigen.

Resumen

El autocontrol ambiental es un requisito del gobierno para las industrias de procesos suecas. Esto incluye el muestreo y el análisis del agua del receptor que podría verse afectada por las emisiones. Los requerimientos para los métodos analíticos acreditados son estrictos, con incertidumbres de medición bien definidas, pero las estimaciones de la variabilidad de muestreo concomitante rara vez son requeridas, presentadas o evaluadas en el muestreo ambiental de aguas superficiales. El objetivo de este estudio fue realizar una evaluación inicial de la variabilidad de medición para el muestreo de aguas superficiales dentro del programa de autocontrol de una gran empresa minera en el norte de Suecia. Los resultados indican que el método para evaluar la variabilidad del muestreo y la medición en sí afecta los resultados obtenidos. Por lo tanto, el alcance de la evaluación debe definirse claramente por adelantado, de modo que se pueda seleccionar el enfoque más apropiado, que resulte en una cuantificación realista de la variabilidad total. Este estudio muestra que duplicar los experimentos de muestreo dan como resultado estimaciones de variabilidad de muestreo significativamente mayores cuando se tienen en cuenta las ambigüedades en el protocolo de muestreo que los experimentos similares en condiciones de repetibilidad. Esto se debe a las grandes variaciones temporales en el flujo de la corriente y en las concentraciones de analito en las muestras. Las ambigüedades en los diferentes protocolos de muestreo deben estar completamente descriptas y consideradas cuando se diseña los experimentos de evaluación para permitir una evaluación válida de la variabilidad total del sistema de muestreo y medición. Se recomienda un muestreador automatizado que use un muestreo proporcional al volumen para recolectar incrementos para muestras compuestas para reducir la variabilidad innecesaria del muestreo y abordar los cambios temporales significativos en el flujo de la corriente y en las concentraciones de analito de manera apropiada.

抽象

自我环境监测是瑞典政府对加工行业的要求。自我环境监测需要对接受废水排放的水体进行取样和分析。人们对分析方法的可靠性提出了要求严格,也明确定义了测量不确定性,但是对地表水环境监测取样的变异性估计却考虑、要求和评价较少。本研究旨在初步评价瑞典北部一个大型矿业公司自我环境监控方案的地表水取样变异性。结果表明,取样和测量变异性的评价方法本身也影响最终结果。为此,必须预先定义评价尺度,才能选出可定量评价总体变异性的最佳方法。研究表明,用副份样本试验解释取样协议的模糊性比用可重复条件的相似实验产生的样本变异估计更大。这是由被评价的目标取样河流的流量和分析物浓度的大尺度时间变化引起。当设计经验评价试验以获取可靠的取样和测量总体变异估计时,必须全面考虑不同取样协议的模糊性。建议使用一种按体积比采集增量的自动采样器,以减少不必要的取样变异性和适当处理河流流量和分析物浓度的变异性。