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

摘要

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. ZusammenfassungFur die verarbeitende Industrie in Schweden ist Eigenkontrolle im Umweltschutz eine staatliche Vorgabe. Diese schlie ss t die Probennahme und Analyse von Vorflutern ein, die emissionsbedingt nachteilig beeinflusst werden konnen. Die Forderungen zur Akkreditierung der Analysemethoden sind streng und mit wohl definierten Messunsicherheiten belegt, selten jedoch werden im Rahmen der Probenahme von Umweltproben aus Oberflachengewassern Abschatzungen der Stichprobenvariabilitat gefordert, dargestellt oder bewertet. Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, eine Erstbewertung der Stichprobenvariabilitat der im Rahmen der Eigenkontrolle durchgefuhrten Oberflachenwasserprobenahme eines gro ss en Bergbauunternehmens in Nordschweden durchzufuhren. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Vorgehensweise zur Bewertung der Stichproben- und Messvariabilitat selbst Einfluss auf die erzielten Ergebnisse hat. Aus diesem Grunde muss der Bewertungsrahmen im Vorhinein klar definiert sein, so dass der bestgeeignetste Ansatz gewahlt werden kann, um zu einer realistischen Quantifizierung der Gesamtschwankungsbreite zu gelangen. Die Studie zeigt, dass Duplikatprobenahmetests, die Mehrdeutigkeiten der Probenahmevorschrift berucksichtigen, zu signifikant hoheren Stichprobenvariabiltaten fuhren als vergleichbare Experimente unter Wiederholbedingungen. Dies ist starken zeitlichen Schwankungen von Durchflussmenge und Analytkonzentrationen in den beprobten Umweltmedien geschuldet. Uneindeutigkeiten in den verschiedenen Probenahmevorschriften mussen vollstandig beschrieben und berucksichtigt werden, wenn empirische Experimente zur verlasslichen Ableitung von Gesamtmessunsicherheiten konzipiert werden sollen.Empfohlen wird der Einsatz automatischer Probenahmesysteme mit Entnahme volumenproportionaler Teilproben und deren Vereinigung zu Mischproben, um die vermeidbare Stichprobenvariabilitat zu verringern und signifikante Schwankungen von Durchflussmenge und Analytkonzentrationen uber die Zeit angemessen zu berucksichtigen. ResumenEl autocontrol ambiental es un requisito del gobierno para las industrias de procesos suecas. Esto incluye el muestreo y el analisis del agua del receptor que podria verse afectada por las emisiones. Los requerimientos para los metodos analiticos acreditados son estrictos, con incertidumbres de medicion 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 evaluacion inicial de la variabilidad de medicion 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 metodo para evaluar la variabilidad del muestreo y la medicion en si afecta los resultados obtenidos. Por lo tanto, el alcance de la evaluacion debe definirse claramente por adelantado, de modo que se pueda seleccionar el enfoque mas apropiado, que resulte en una cuantificacion 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 ambiguedades 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 ambiguedades en los diferentes protocolos de muestreo deben estar completamente descriptas y consideradas cuando se disena los experimentos de evaluacion para permitir una evaluacion valida de la variabilidad total del sistema de muestreo y medicion. 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.