環境監測數據質量要求與統計方法的應用

丘仕梅 黃曉靜（廣州市番禺區環境監測站 廣東 廣州 511483）

環境監測數據質量要求與統計方法的應用

丘仕梅 黃曉靜（廣州市番禺區環境監測站 廣東 廣州 511483）

環境監測工作的核心目標是提供真實可信的數據，這樣才能準確評價環境質量和污染狀況，并為環境管理提供有效的服務，因此本文對環境監測數據質量要求與統計方法的應用進行了分析。

環境監測數據；質量；統計方法；應用

新修訂的《中華人民共和國環境保護法》已于2015年1月1日起施行。新法完善了環境監測制度，在第17條明確了監測機構應當使用符合國家標準的監測設備，遵守監測規范；監測機構及其負責人對監測數據的真實性和準確性負責。因此，提高環境監測數據質量，是環境監測工作的重中之重，環境監測的產品是數據，質量又是數據生命力所在。若是離開了數據支持，環境監測工作就失去了意義；而監測數據質量沒有保障，環境監測工作將喪失信服力。數據統計是觀察被監測對象本質和發展規律的必然途徑，統計方法在現代社會中已成為不可或缺的手段，因此本文對環境監測數據質量要求與統計方法的應用進行了分析。

1 環境監測數據質量要求與保障措施

1.1 環境監測數據質量要求

環境監測數據質量應符合“五性”要求——代表性、準確性、精密性、可比性和完整性[1]。

代表性體現了監測過程中所選擇的采樣點、采樣時間能夠真實反映被監測對象實際情況的程度。采樣點的選擇涉及點位布設、采樣斷面、斷面上垂線等細節，應按照采樣規范合理選擇。采樣時間涉及什么時間采樣以及采樣的頻次。此外，還有合理的采樣方法、采樣容器、運輸保存方式以及偶然因素的影響等環節。

準確性反映了測定值與被監測對象真值的符合程度或監測結果的可靠程度。“錯誤的數據比沒有數據更可怕”表明環境監測數據準確性的極端重要性。而監測數據的準確性與監測人員的業務素質、監測儀器有關，還與實驗室規范化程度相關，是一項系統工程。

精密性反映了測定值重復性與再現性的優劣，以及測量系統中隨機誤差的大小，同時它也是準確性判別的依據。隨機誤差小，表明測量結果的精密度高。精密度差不能判別準確度。在環境監測實驗中，為了保證精密度，通常采集不少于30%的平行樣。

可比性反映了監測結果的可驗證性，可比性是指測量同一對象，采用不同方法所得結果的吻合程度。同一樣品的可比性，反映在滿足可比性的環境條件、分析方法等前提下，不同實驗室間或同一實驗室不同實驗人員監測結果的一致程度。為了保證數據的可比性，在環境條件、監測方法等資料表達方面必須清晰、完整。

完整性反映了監測過程中取得資料總量滿足預期要求的程度。除了保證樣品完整性以外，分析過程、數據處理與評價也必須完整。保證完整性可以對數據溯源，并了解整個監測過程。而對監測任務完成情況進行評價和分析，有利于發現問題和解決問題。

1.2 環境監測數據質量目標

隨著人們環境意識的增強，環保部門對環境監測重視程度也在不斷提高，但如何配置監測資源卻是值得探討的問題。有些地區環保部門提出了過高的監測要求，以致造成監測資源的浪費。對于環境監測而言，監測要求提得越高，并不意味著監測數據質量必然越好，這是因為環境監測本身存在局限性，即使不計成本的監測方案也不可能完全準確定量污染物的時空分布，無非提供更多環境質量信息而已[2]。因而，需要確定合適的監測數據質量目標，這也是對監測數據質量進行合理控制的基礎。由于監測數據不確定性的存在，“達標”與“不達標”區域的判定往往會影響當地社會經濟與健康方面的后果，這取決于數據質量控制以及利用這些數據進行錯誤決策的概率水平。為此，美國環境保護署（EPA）開發了監測數據質量目標程序，用來策劃監測數據的采集，包括何時采樣、何處采樣、采集樣品數量、決策誤差的容忍限值等。

該程序的步驟如下：1）描述問題，建立環境風險模型，確定數據類型；成立監測計劃小組，對方案及備選方案進行充分討論，提出數據采集、評價、資源利用、時間等。2）確定主要的研究問題、可選擇的行動及針對該問題的方法、備選行動等。3）確定需要收集的信息、信息來源、信息種類、信息類型、可用的采樣方法及分析方法等。4）定義監測的范圍和對象總體，描述空間界限、采樣單元組成、時間范圍及干擾數據采集的實際限制因素等。5）確立分析方法，指定重要參數（如平均數、中位數等）。根據決策過程的輸出結果，驗證采樣與分析方法檢出限是否合適，對評估的問題指定評估量。6）建立性能和接受標準，包括誤差來源、參數值范圍、決策誤差定義、基線條件選擇。確定決策失誤較小區域及處于活動水平之上和以下點的概率。檢查決策誤差限值。7）按照成本-效益分析，制定最有效的數據采集和分析方案，識別影響采樣和分析的限制性因素，確定采樣和分析方案細節，并從多個設計選項中選擇最佳方案（最佳采集量）。

1.3 環境監測數據質量控制

判斷監測數據的代表性可從以下環節入手[3]：檢查采樣點的布設是否合理；檢查原始記錄是否規范和全面；檢查采樣點是否受到其他因素的影響；檢查監測分析方法與標準規范的有效性；檢查方法檢出限與測試儀器精度是否滿足監測要求等。

判斷監測數據的完整性可從以下環節入手：檢查所選用的分析方法是否正確；檢查方法檢測限與測試精度是否達到監測要求；分析采樣點是否涵蓋整個污染源的分布；檢查采樣頻次與采樣時間是否符合規范要求；檢查樣品保存、運輸、處理環節是否可保障樣品成分穩定。

判斷監測數據的精密性與準確性可從以下環節入手：檢查測試儀器精度是否滿足監測分析要求；檢查是否按規范要求測定空白值，并開展內控樣、平行樣、平行密碼樣、加標回收的分析；評價分析全過程的精密性與準確性。

判斷監測數據的合理性可從以下環節入手：利用監測分析的常識，例如地表天然水體水的色度與pH值有關，通常pH值高色度更深[4]；利用監測數據的邏輯關系，例如水樣中正常邏輯是 CODCr＞CODMn，CODCr＞BOD5；利用行業污染物特征進行判斷，例如有機化工行業有機物種類多、重金屬少，而重金屬行業有機物含量低。當監測結果“出人意料”時，就應深入分析數據的合理性。

2 環境監測數據的統計方法與應用

2.1 環境監測數據統計特點與現狀分析

環境中的各種污染物之間的關系不確定性很強，必須通過大量數據統計才能找到內在規律性。從數據分布類型來看，既有正態分布，也有大量偏態分布，這反映了統計方法的多樣性。污染物濃度一般較低，但環境背景值更低。環境監測數據主要分為數量屬性、順序屬性、名稱屬性三類，但以連續性量居多[5]。上述情況表明，環境監測數據具有隨機性、數據分布類型多樣化、數值一般較小、數據類型多等特點，顯然這給統計分析提出了更高要求。目前，環保部門和各級環境監測站統計能力并不強，人員多兼職，且流動性大，對統計業務不夠熟悉，常出現方法選擇失當和計算錯誤問題[6]。

2.2 環境監測數據統計分析的常用方法

環境監測數據統計方法大致可分為回歸分析、聚類分析、模糊綜合評價法、神經網絡法、支持向量機法等種類。回歸分析是建立服從統計關系的數學模型，以便用一組隨機變量來預測另一組隨機變量的方法。回歸分析的原理是最小二乘法，即讓統計關系預測值與實際測量值之間誤差的平方和最小，這樣得到的回歸關系式與實際測量曲線擬合最好。聚類分析是將多種對象分組為由類似對象組成多個類的過程，正如俗語所說“物以類聚，人以群分”的道理一樣。聚類分析過程主要是確定分類對象的相似性度量和選擇合適的分類方法。

2.3 環境監測數據統計方法的應用

在實際統計分析工作中，一般采用軟件進行數據處理。軟件應用主要分為兩類：一是Excel軟件，可以通過直接輸入函數進行統計分析，也可以利用VBA語言編程進行數據處理；二是應用專業的統計軟件進行分析，其優勢是功能更強大，操作更方便，現以SPSS為例說明。例如有一組空氣污染物SO2、NO2、TSP濃度數據（見表1）進行聚類分析，依次點菜單分析→分類→系統聚類，在彈出的分類聚類對話框中，把需要的變量選入右邊變量選框中，點繪制，再彈出對話框，勾選樹狀圖，點確定，得到反映聚類過程的樹形圖（見圖1），可看出已對各采樣點空氣質量進行了分類。

表1 采樣點空氣污染物濃度（mg/m3）

3 結語

環境監測是環境管理的前哨站，在環境監測工作中，加強監測數據的統計和分析，保證監測數據質量，才能為環境管理提供科學的決策和有力的技術支持，作為監測數據質量控制與統計人員應滿懷只爭朝夕精神，為環境保護事業貢獻更多的光和熱。

[1]汪怡，李衛東.如何提高環境監測數據的質量[J].北方環境，2013,25(6)：122-125.

[2]鄒強，姚玉剛，朱燕玲，等.數據質量目標程序在環境監測中的應用研究[J].環境科學與管理，2013,38(11)：107-110.

[3]李志明.環境監測數據審核及異常數據的處理[J].新疆環境保護，2013,35(2)：41-44.

[4]何躍君，韓秀茹，凌盼.環境監測數據綜合分析與評價技術研究[J].青海環境，2016,26(1)：16-20.

[5]劉巍，任海霞.環境監測數據處理方法學理論研究[J].東北水利水電，2013,31(9)：27-29.

[6]曹升華.基于LIMS數據庫的環境監測數據統計方法——以上海市嘉定區實驗室信息系統為例[J].環境保護科學，2013,39(2)：72-73，80.