Estimating and Optimising Analytical and Sampling Uncertainty in Environmental Investigations: Application and Evaluation

Authors


Corresponding author. e-mail: k.a.boon@sussex.ac.uk

Abstract

Measurements taken to characterise environmental contamination contain uncertainty, which is generated by both field sampling and chemical analyses. Recently devised techniques have been applied for the first time to estimate this uncertainty in the commercial monitoring and assessment of contaminated land. The uncertainty reduces the reliability of the classification of the land that is made following a site investigation. The possible misclassification of areas of land, as a result of measurement uncertainty, can lead to substantial financial penalties, resulting from litigation or unnecessary remediation. Previous studies have developed methods for the estimation and financial optimisation of measurement uncertainty. These methods have now been applied to a series of six contrasting site investigations, which were conducted by various commercial organisations. The previous uses of these sites included a gas works, a tin mine and railway sidings. The measurement uncertainty was successfully estimated for each of the six investigations, showing its applicability to a wide range of different sampling methods, such as trial pits, window sampling and augering. The measurement uncertainty ranged widely between sites from 25% to 158%, indicating that investigations can differ widely in their reliability. The field sampling tended to generate the largest component of the measurement uncertainty when compared to the contribution from the chemical analysis. The Optimised Contaminated Land Investigation (OCLI) method was applied to each site, with the initial aim of estimating the financial losses that could be incurred as a result of misclassifying the land, due to the uncertainty. It showed that the expectation of loss value per sampling location ranged from only £58 at one site to over £ 11 000 at another. The optimal level of uncertainty that produced the minimal financial loss was then calculated for each site. It provided a reduction in the expectation of loss for the whole site of over £ 10 000 at two of the sites and over £90 000 at two others. These findings demonstrate that implementing concepts of uncertainty can have practical benefits in environmental monitoring, and can enable improvements to be made in the quality of sampling and hence of measurements in general.

Abstract

Les mesures faites dans le but de caractériser la contamination environnementale est entachée d'une erreur qui est générée au moment de l'échantillonnage sur le terrain et lors de l'analyse chimique. Des techniques ont été mises au point récemment pour estimer, pour la première fois, cette incertitude dans les opérations de suivi et de contrôle de terrains contaminés. L'incertitude réduit la fiabilité de la décision de classification d'un terrain, faite après l'étude d'un site. Le risque de mauvaise classification de zones due à l'incertitude des mesures peut conduire à des pénalités financières importantes, à cause de litiges ou de remises en état non nécessaires. Les études précédentes ont développé des méthodes d'estimation et d'optimisation des mesures des erreurs. Ces méthodes ont ici été appliquées à six études de sites très différentes, qui ont été conduites par différentes sociétés commerciales. Ces sites étaient utilisés antérieurement, soit par une usine à gaz, une mine d'étain, ou une gare de triage ferroviaire. Les incertitudes de mesure ont été estimées avec succès pour chacune des études, démontrant sa capacité d'application a des méthodes d'échantillonnage très variées, telles que les méthodes des fosses-tests, des fenêtres d'échantillonnage, et par forage. Les incertitudes de mesure varient énormément entre sites, allant de 25 à 158%; indiquant en cela que les études d'impact peuvent avoir des fiabilités très variables. L'échantillonnage sur le terrain tend à contribuer le plus à l'incertitude de mesure par rapport à l'analyse chimique. La méthode d'Etude Optimisée de Zone Contaminée (OCLI) a été appliquée à chaque site avec, comme but principal, d'estimer les pertes financières qui pourraient découler d'un mauvais classement d'un terrain à cause de l'incertitude de mesure. Elle a montré que la perte de valeur des dites échantillonnés pouvait varier de 58£ seulement pour un site à plus de 11 000£ pour un autre. Le niveau d'incertitude optimal, produisant la perte financière minimale, a été ensuite calculé pour chaque site. Il permet une réduction des pertes globales allant de plus de 10 000£ pour deux des sites à plus de 90 000£ pour deux autres. Ces résultats démontrent que les concepts développés d'incertitude peuvent présenter des bénéfices pratiques dans la gestion de l'environnement et peuvent favoriser des améliorations dans la qualité des échantillonnages donc des mesures en général.

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