監(jiān)測結(jié)果不確定度在海洋環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

曹婧，李玲玲，李琴，謝冕，高磊，韓錫錫

(1.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033)

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監(jiān)測結(jié)果不確定度在海洋環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

曹婧1，2，李玲玲1，2，李琴1，2，謝冕1，2，高磊1，2，韓錫錫1，2

(1.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033)

文章將監(jiān)測結(jié)果的不確定度與海洋環(huán)境評(píng)價(jià)相結(jié)合，認(rèn)為當(dāng)監(jiān)測結(jié)果為“跨界數(shù)值”時(shí)，對(duì)水質(zhì)等級(jí)的評(píng)價(jià)將出現(xiàn)疑問。為解決這一問題，引入水質(zhì)等級(jí)概率F的概念，并以無機(jī)氮的評(píng)價(jià)為例，提出最差等級(jí)判別法、概率均分判別法和F值賦值判別法3種判斷跨界數(shù)值水質(zhì)等級(jí)的方法，為更科學(xué)地評(píng)價(jià)海洋環(huán)境提供依據(jù)。

海洋環(huán)境評(píng)價(jià)；海水水質(zhì)；環(huán)境監(jiān)測

監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確度在海洋環(huán)境監(jiān)測過程中具有重要的意義。對(duì)樣品的分析測量過程進(jìn)行研究，從而評(píng)價(jià)監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確度是環(huán)境監(jiān)測工作必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。監(jiān)測結(jié)果的不確定度能夠全面、準(zhǔn)確地反映其準(zhǔn)確度，因此在進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測與評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)監(jiān)測結(jié)果的不確定度進(jìn)行評(píng)價(jià)具有顯著意義。對(duì)于海洋環(huán)境監(jiān)測而言，海洋環(huán)境的復(fù)雜性、現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)環(huán)境的局限性等均會(huì)影響監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確度，而通過對(duì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)價(jià)能夠全面分析影響監(jiān)測結(jié)果的主要因素，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量[1]。目前已有關(guān)于不確定度在海水和沉積物監(jiān)測中的應(yīng)用的相關(guān)研究[2-3]，也有關(guān)于海水總堿度[4]、化學(xué)需氧量[5]、營養(yǎng)鹽[6-7]等監(jiān)測項(xiàng)目不確定度的來源的相關(guān)分析，為提高海洋環(huán)境監(jiān)測能力提供依據(jù)。

監(jiān)測結(jié)果的不確定度對(duì)海洋環(huán)境評(píng)價(jià)也具有重要的意義，尤其是當(dāng)監(jiān)測結(jié)果正好處于海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)“界限值”兩側(cè)時(shí)，海洋環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化[8]。因此，海洋環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果也應(yīng)考慮監(jiān)測結(jié)果不確定度帶來的差異，從而更加科學(xué)可靠。目前的監(jiān)測結(jié)果不確定度研究大多集中在建立不確定度評(píng)價(jià)模型和探討不確定來源方面，對(duì)于如何將監(jiān)測結(jié)果不確定度與海洋環(huán)境評(píng)價(jià)相聯(lián)系方面缺乏相關(guān)研究。本文以海水水質(zhì)無機(jī)氮的評(píng)價(jià)為例，探討監(jiān)測結(jié)果不確定度在海洋環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

海水水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)是利用監(jiān)測結(jié)果對(duì)照《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097-1997)進(jìn)行判斷的，因此海水水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)的信息主要通過監(jiān)測獲取，將監(jiān)測結(jié)果與規(guī)定“允許限”或者“允許區(qū)間”相比較來判斷。在實(shí)際工作中，引入不確定度的監(jiān)測結(jié)果為y=x±U(其中x為實(shí)際監(jiān)測結(jié)果值、U為其擴(kuò)展不確定度、y為監(jiān)測結(jié)果)，對(duì)其進(jìn)行海水水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)可能出現(xiàn)兩種情況，即y完全落于某類水質(zhì)等級(jí)的區(qū)間內(nèi)，或y的結(jié)果區(qū)間位于海水水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)“界限值”的兩側(cè)。以無機(jī)氮為例，依據(jù)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097-1997)，無機(jī)氮的水質(zhì)等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)如表1所示；假設(shè)某個(gè)站位無機(jī)氮的監(jiān)測結(jié)果為(198±4.51)μg/L，將該結(jié)果與無機(jī)氮第一類水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)比較，就會(huì)發(fā)現(xiàn)測試值在“界限值”的兩側(cè)，通常被稱為“跨界數(shù)值”。從此例可以看出，由于不確定度的存在，當(dāng)監(jiān)測結(jié)果為“跨界數(shù)值”時(shí)，對(duì)無機(jī)氮的水質(zhì)等級(jí)判斷將出現(xiàn)疑問。

表1 無機(jī)氮水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn) μg/L

在此引入水質(zhì)等級(jí)概率F的概念，F(xiàn)=可能出現(xiàn)在第N類水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的數(shù)據(jù)的總數(shù)/可能出現(xiàn)的測量值的總數(shù)。

從F的定義中可以看出，F(xiàn)值的大小可以反映出在判定監(jiān)測結(jié)果屬于某類水質(zhì)等級(jí)時(shí)的概率大小。F值越大，表示屬于該類水質(zhì)等級(jí)的可能性越高；反之，則可能性越小。并且F值介于[0，1]之間，即0≤F≤1，當(dāng)F值為0或者1時(shí)，表示不存在跨界數(shù)值。

假設(shè)無機(jī)氮水質(zhì)界限值為M0，當(dāng)M>M0時(shí)符合N類水質(zhì)等級(jí)，而該樣品無機(jī)氮實(shí)際監(jiān)測結(jié)果為y=x±U，考慮到海上現(xiàn)場無機(jī)氮監(jiān)測的特點(diǎn)，將跨界數(shù)值的分布密度函數(shù)假定為均勻分布，則根據(jù)F的定義，即

如果當(dāng)M≤M0時(shí)符合N類水質(zhì)等級(jí)，則

在上述舉例中，符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是無機(jī)氮含量不大于200 μg/L，測定結(jié)果為(198±4.51)μg/L，則水質(zhì)等級(jí)概率F=[M0-(x-U)]/2U=0.72，即說明該結(jié)果有72%的概率屬于第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，有28%的概率屬于第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

從上述分析可以看出，對(duì)跨界數(shù)值的判定總存在相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，因此在對(duì)海水水質(zhì)等級(jí)進(jìn)行判定時(shí)，除監(jiān)測結(jié)果和界限值外，還需確定水質(zhì)等級(jí)概率F的閾值，由界限值、擴(kuò)展不確定度和風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)計(jì)算出判定界限值，最終將監(jiān)測結(jié)果與判定界限值進(jìn)行比較做出判定。因此對(duì)于F的閾值的判斷即成為跨界數(shù)值判定的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際工作及文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)[9-10]，提出以下3種跨界數(shù)值的海水水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)方法。

(1)最差等級(jí)判別法。2015年1月1日實(shí)施的《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》以及國家海洋局于2014年先后下發(fā)的《國家海洋局關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量管理的意見》和《全國海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量管理3年行動(dòng)計(jì)劃(2015—2017年)》中均對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量提出嚴(yán)格要求，同時(shí)渤海紅線的劃定也對(duì)渤海實(shí)施最嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)。在此基礎(chǔ)上參考海水水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)方法——最差等級(jí)判別法，提出跨界數(shù)值的最差等級(jí)判別法，根據(jù)跨界數(shù)值可能出現(xiàn)的最差水質(zhì)等級(jí)作為監(jiān)測結(jié)果的最終水質(zhì)等級(jí)。該方法操作簡單，只要一次判別即可以判斷出水質(zhì)等級(jí)，但同時(shí)也有較大的片面性，評(píng)價(jià)結(jié)果最為悲觀。

(2)概率均分判別法。這種判別法提出的依據(jù)是基于風(fēng)險(xiǎn)均擔(dān)，考慮到日常環(huán)境監(jiān)測與評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，認(rèn)為當(dāng)出現(xiàn)在第N類海水水質(zhì)等級(jí)區(qū)間內(nèi)的概率不小于50%時(shí)，即監(jiān)測結(jié)果符合第N類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，即選擇F=0.5。該方法較為簡單，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的科學(xué)性，且與未引入不確定度時(shí)的海水水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果一致，但具有較大的主觀性，無法客觀反映監(jiān)測結(jié)果的真實(shí)水質(zhì)等級(jí)。

(3)F值賦值判別法。考慮到上述兩種判別法的片面性和主觀性，在此方法中對(duì)F值的賦值引入專家意見，即建議專家在綜合考慮海水環(huán)境和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)F值的賦值提出意見，對(duì)專家意見進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并最終提出F值的賦值。該方法能夠綜合考慮海水環(huán)境、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法和專家意見，較為客觀全面，但判斷過程較為復(fù)雜，且判斷方法具有較大的地域局限性。

從上述分析可以看出，3種評(píng)價(jià)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)海洋環(huán)境管理需求和水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)目的進(jìn)行選擇，以獲得更為科學(xué)的海水水質(zhì)等級(jí)判斷結(jié)果，為海洋開發(fā)管理提供技術(shù)支持。

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The Applications of Uncertainty in the Evaluation of Marine Environment

CAO Jing1，2，LI Lingling1，2，LI Qin1，2，XIE Mian1，2，GAO Lei1，2，HAN Xixi1，2

(1.North China Sea Environmental Monitoring Center，State Oceanic Administration，Qingdao 266033，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecology and Environment & Disaster Prevention and Mitigation，Qingdao 266033，China)

The uncertainty of measurement was applied in the evaluation of marine environment.When the monitoring result is “cross-border numerical”，there will be doubt on the evaluation of water quality grade.This paper introduced the concept of probability water quality grade-F and suggested three ways to solve the problem of evaluation of water quality grade by a case study of the inorganic nitrogen.The three ways are respectively the worst grade criterion，the probability criterion and the criterion F value assignment.The result provided a basis for more scientific evaluation of the marine environment.

Evaluation of marine environment，Seawater quality，Environmental monitoring

2016-02-26；

2016-07-04

2015年度北海分局海洋科技項(xiàng)目(2015B03)；山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2015年度開放基金項(xiàng)目(201501).

曹婧，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測與評(píng)價(jià)，電子信箱：caojing@bhfj.gov.cn

P71

A

1005-9857(2016)08-0036-03