某废水处理水池池底介质取样布点方法探讨

孙惠东　郑　莉　杨美健

(中国核电工程有限公司，北京　100840)

某废水处理水池池底介质取样布点方法探讨

孙惠东郑莉杨美健

(中国核电工程有限公司，北京100840)

摘要:根据某废水处理水池的池底介质取样布点工程需求，分析了池底底质中核素浓度的分布规律，论述了环境监测及其他领域中的常用取样布点方法，确定了布点数量及以空间系统抽样为基础的取样布点方案，为大面积污染区域取样调查提供了参考。关键词:水池，取样布点，池底介质，放射性核素

1　概述

本废水处理设施建于20世纪60年代，建造目的是采用天然蒸发的方式处理低水平放射性废水。共有3个既相邻又相互独立的水池，池底面积共约25万m2。水池平面示意图见图1。

图1　水池平面示意图

含有放射性核素的废水自入水口排入水池，核素在池底介质中积累及迁移，分布并不均匀。本次取样调查工程的目的是通过对池底介质进行取样和分析，尽可能详细地查清池底沉积物的分布情况、放射性污染分布状况(包括水平方向和垂直方向)等，为后续的废物分类和管理提供依据。

为了达到了解池底介质放射性情况的目的，应尽可能多地对池底各层介质进行取样;但如果设置太多的取样点，会对水池的池底结构造成不利影响，增加工作人员的劳动强度和放射性照射剂量，延长工期，增加分析样品的数量和费用。所以，应当设计合理的取样布点方案。

2　布点总体思路

针对该水池，布点方案的制定需要考虑的因素如下:

1)采用较为成熟的布点方法，如参考环境监测取样的常用方法、常用抽样统计方法及模型等。

2)结合取样目标、水池污染分布特点进行针对性布点。

3)适合工程应用。工程项目要求项目周期、工作量、各项经费在施工之前即已明确，本次布点方案应能够满足该要求。

3　布点要素分析

3.1沉积相核素浓度分布分析

根据水池的结构特点、排入废水的性质，结合所在环境的气象资料，对水池池底介质的放射性空间分布进行定性分析，具体如下:

1)根据水池的运行情况数据和历史数据，池水、池底介质中的主要放射性核素为Pu，U，Sr，Cs。

2)在池底沉积物中，Pu的活度浓度比U约高两个数量级，两者化学性质相近，所以可根据Pu在底质中的分布规律进行分析。排入水池的废水中，Pu主要以Pu4 +形态存在，其在废水池中的沉积因素主要有两方面: a.Pu4 +自身水解生成难溶的碱或聚合物，从而沉淀; b.Pu对土壤、泥沙亲和力强，易滞留在池底的淤泥中［1］。因此，Pu在废水池底质中的分布有以下规律:离水池入水口近的地方，底质介质中Pu的浓度高;远离入水口，则浓度渐低。

3)裂变产物Sr，Cs在水池中的存在形式为Sr2 +，Cs+，沉积的主要原因是池底泥沙的吸附作用，Sr2 +，Cs+在池水与池底底质之间在一定条件下存在恒定的分配系数，因此可认为Sr2 +，Cs+在底质和池水中的浓度分布趋势是一致的。

综合以上分析，在布点方案中，可采用以Pu在池底底质中的分布趋势来布点:自入水口由近及远，Pu的浓度逐渐降低，布点数量相应由密至疏。

3.2常用取样点布设方法

土壤采样布点示意图见图2。

图2　土壤采样布点示意图

3.2.1污染土壤样品采集的常用布点方法

对于由大气污染物、污水灌溉引起的土壤污染，常用的采样布点方法有［2］:

1)对角线布点法。

矩形田块的入水口位于一角，自该入水口向对角引出对角线，在对角线上进行等分布点。

2)梅花形布点法。

在田块的两条对角线上取5个采样点，包括中心点在内。3)棋盘式布点法。

在田块上按照一定的距离划出网格，并在网格的焦点上进行布点。

4)蛇形布点法。

对于田块形状不规则、地势不平坦的田块，可根据地形划出曲线，在曲线上进行布点。

3.2.2常用抽样统计方法及模型

根据调查样本对总体总量及其分布进行估算的抽样统计方法和模型有多种。不同抽样模型通常都具有不同的假设前提。目前常用的调查抽样理论和方法主要有以下几种［3］:

1)经典抽样理论。

主要包括简单随机抽样、系统抽样和分层抽样等。

2)空间抽样理论。

在经典抽样理论的基础上，在二维或三维区域中通过样本点估计一个连续表面上的均值。应用较多的是空间系统抽样、空间分层抽样。

3)其他抽样方法。

其他抽样相关的理论还有克里格( Kriging)理论、MSN理论等。

克里格理论是一种在有限的区域内，对区域变量的取值进行无偏最优估计的方法。

MSN理论是将空间分层抽样的无偏性和克里格估值的最优化技术在空间异质表面条件下结合起来，得到分层非均质区域均值无偏最优估算模型。采用MSN理论进行抽样，必要的前提是，需要足够的先验数据或知识，能够指导进行区域分层及进行合理插值。

4　水池布点方案

根据上述抽样方法的总结可以看出，污染土壤样品采集的常用布点方法其实是属于空间系统抽样方法的类别。在没有足够的先验数据或知识，无法对拟采样区域进行分层及进行合理插值的情况下，采用空间系统抽样方法将是最为合适的选择。本水池曾于20年前进行过一次取样工作，共设置了19个取样点，取样点数量太少，分析数据之间的关联性不强，无法按照这些数据进行合理分层和插值。

另外，根据工程项目的特点，由于样品分析及数据处理需要足够的时间，以及概算编制中各项费用的明细必须明确和固定，所以，以插值估计、补测样点为基础的MSN抽样理论不适合工程项目。

综上所述，本项目最合理的取样布点方案为以空间系统抽样为基础，采用三角形系统布样方法，并根据核素分布的初步分析结果进行优化。

1)布点数量。

通常，取样工作中，为使布点方案更趋合理，采样点数依据统计学原则确定，即在选定的置信水平下，与所测项目值的相对误差、要求达到的精度相关。在已有部分样本值的情况下，采样点数可按下式计算:

其中，n为所设采样点位数; tα为置信因子(当置信水平99%时，tα=0.01=2.58) ;σ2为已有样本总体方差; r为相对误差;珋x为已有样本总体均值。

其中:

其中，xi为已有样本值; N为已有样本数量。

本次布点方案将根据Pu在池底底质中的分布趋势进行布点。根据历史数据，α核素的比活度在三个水池中数值差异不大，所以可以将三个水池统一计算和布点。

由历史样本点估算参数:珋x≈916 526，σ2≈4.99×1011。当tα=0.01=2.58时，取样点数量与相对误差之间的关系为:

根据该式可以得到表1中的计算结果。

表1　以均值估计为目标时样本量

取样点的数量与取样相对误差为反比关系。由表1可知，为保证相对误差小于10%，取样点数量应大于395个。

2)布点方案。

根据上述分析及经费情况，本项目中水池共布设620个取样点。取样点布设方案为以空间系统抽样为基础，采用三角形系统布样方法，并根据核素分布的分析结果进行优化:在最南端(入水口端)，样点之间的间隔设为15 m;自南向北，样点之间的距离(包括横向和纵向)逐渐呈线性增加，增率为5%。布设样点的空间分布如图3所示。

图3　取样布点示意图

5　结语

本布点方案针对的是大面积水域池底底质的取样点布设方法，通过池底底质中核素浓度分布进行综合分析，对环境监测及其他领域中的取样布点方法进行考察，最终确定了布点数量，制定了以空间系统抽样为基础、采用三角形系统布样的方法，并根据核素分布的初步分析结果进行优化。本文为大面积污染区域取样调查提供了一种解决思路和途径。

参考文献:

［1］李书绅，王志明，李祯堂，等.Np-237，Pu238，Am-241和Sr－90近地表迁移行为及含超铀核素中低放废物处置安全评价方法研究［J］.核科学与工程，2005，25( 4) :79.

［2］奚旦立，孙裕生，刘秀英.环境监测(修订版)［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［3］王劲峰，姜成晟，李连发，等.空间抽样与统计推断［M］.北京:科学出版社，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

作者简介:孙惠东(1985-)，男，工程师

收稿日期:2015-11-29

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0207-02

中图分类号:X703

文献标识码:A