Provtagningsstrategier

OBS Remissversion - texterna är fortfarande under bearbetning och ska enbart ses som utkast. Finns det direkta fel? Hittar du enkelt det du vill, dvs är strukturen bra? Finns det ord/begrepp som behöver förklaras? Vi tar tacksamt emot förslag på ändringar/tillägg via e-post till This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.. Texterna kommer kontinuerligt att uppdateras och revideras och layouten förbättras. 

För att lägga upp en provtagning måste ett stort antal aspekter beaktas. Litteraturen om hur detta ska göras är mycket omfattande. I detta kapitel beskrivs några av de viktigaste angreppssätten och deras för- och nackdelar. För detaljfrågor hänvisas till provtagningslitteraturen.

Utgångspunkten för provtagningen bör vara de beslut vi vill kunna fatta baserat på undersöknings­resultaten: Hur ska vi lägga upp en undersökning som ger ett underlag av tillräckligt god kvalitet för att kunna fatta dessa beslut? Svaret kommer att styra mycket av det som beskrivs i detta kapitel.

I kapitlet ligger fokus på undersökning av föroreningar men flera av de angreppssätt som diskuteras kan med fördel även användas för att beskriva andra parametrar. Det kan till exempel gälla undersökningar i grundvattenakviferer, karakterisering av flöden, geokemiska egenskaper och andra data som kan behövas vid riskbedömning. Angreppssätten kan även vara relevanta för att utreda åtgärdsmöjligheter eller projektera kostnader. För alla dessa aspekter är det viktigt att osäkerhet och variabilitet beaktas, så att rätt metodik väljs.

Tanken är att kapitlet ska omfatta samtliga medier vid ett förorenat område men för att förenkla läsandet har beskrivningen i vissa fall begränsats till provtagning av jord. Principerna gäller dock även för andra medier som sediment, grundvatten, ytvatten och porluft. Frågeställningarna kan dock bli något annorlunda för luft, vatten och även sediment som är rörligare än jord. Justeringar som kan behövas av strategin för provtagning av olika medier finns beskrivet här.

Texten är formulerad för provtagning, dvs. en volym av aktuellt medium avlägsnas och mätning utförs ex situ. Principerna som redovisas gäller även för mätning in situ, som exempelvis mätning direkt på porluft eller inomhusluft, nivåmätning i grundvatten osv.

1.    Provtagningens syfte

1.1 Olika typer av provtagningssyften

Vid utredning av förorenade områden förekommer syften på olika nivåer. Utredningen som helhet kan ha ett visst syfte, till exempel att om möjligt friklassa ett område. Själva fältundersökningen kan ha ett mer detaljerat syfte, exempelvis att ge ett tillräckligt dataunderlag för en riskbedömning. Fältundersökningen kan i sin tur bestå av flera olika provtagningar med olika syften, i flera medier och vid olika tidpunkter, För att en undersökning ska bli framgångsrik bör det specifika syftet med varje enskild provtagning definieras t.ex. att beskriva en medelhalt i jord eller avgränsa en föroreningsplym i grundvatten. Det är en förutsättning för en ändamålsenlig provtagningsplanering och även viktigt vid datautvärdering och tolkning av resultat, vilket i sin tur ger ett säkrare beslutsunderlag. Tydligt definierade syften leder även till att det blir enklare att bedöma om data eventuellt kan användas för andra syften i senare skeden av efterbehandlingsprojektet.

För att underlätta formulering av provtagningens syfte är det lämpligt att göra en så kallad framing, dvs. att identifiera ramarna för den frågeställning som ska lösas: Exakt vilken är frågeställningen? Vilket beslut är det som ska tas? Vilket underlag krävs för beslutet och vad av detta saknas? Dessa och liknande frågor måste besvaras för att syftet med provtagningen ska kunna definieras. Det är viktigt att detta inledande moment genomförs grundligt och att alla berörda är överens, i annat fall kan det uppstå problem i senare skeden.

Provtagningens specifika syfte bör definieras och beskrivas tydligt. Följande frågor kan vara till hjälp för att definiera provtagningens syfte för aktuellt medium:

  • VAD är det som finns i mediet?
  • HUR MYCKET finns det?
  • VAR finns det?
  • Sker det någon FÖRÄNDRING?

Genom att besvara dessa frågor får man hjälp att ringa in syftet med provtagningen. Fyra grundläggande syften som kräver olika provtagningsstrategier är:

  • Sökning och identifiering – Vad finns och var?
  • Avgränsning – Hur utbrett är det?
  • Karakterisering – Hur mycket finns det?
  • Kontroll över tid – Sker det någon förändring?

Dessa grundläggande syften beskrivs nedan. Då hjälpfrågorna ovan besvarats kommer man många gånger fram till att provtagningen har flera olika syften, särskilt vid översiktliga undersökningar. Man kan då överväga att dela upp provtagningen. Kanske behövs olika provtagningsstrategier för att uppnå respektive syfte. Provtagningsstrategin kommer att se olika ut beroende på vad syftet är.

Viktigt att beakta:

  • Provtagningens syfte måste definieras på ett sådant sätt att målet med hela undersökningen kan uppnås.
  • Syftet med provtagningen bör beskrivas så precist som möjligt.
  • Om en provtagning har flera olika syften så bör samtliga syften listas och beskrivas. Det kan underlätta att lista syftet med respektive enskild provpunkt innan provtagningen påbörjas. Detsamma gäller om flera olika provtagningar görs med olika syften.
  • Syftet måste dokumenteras så att den som utför datautvärdering, använder data eller granskar utredningen kan göra korrekta bedömningar. Om detta inte görs finns en uppenbar risk för feltolkning, både av data och slutsatser.

1.2 Sökning och identifiering

Detta syfte är aktuellt om det är osäkert om aktuell förorening finns i området, var den förekommer eller om det finns andra riskobjekt med okänd lokalisering (nedgrävda tunnor, oljecisterner, rörledningar, deponerat avfall etc.). Nyckelorden för detta syfte är identifiering och lokalisering. Sökbaserad provtagning (eng. search sampling) kan vara antingen sannolikhetsbaserad eller bedömningsbaserad (även kallad riktad provtagning). De två typerna av provtagning beskrivs mer i avsnittet [angreppsätt för urval]. Sannolikhetsbaserad provtagning kräver normalt ett mycket stort antal provpunkter för att man med rimlig sannolikhet ska kunna hitta det man söker efter, åtminstone i jord och om det man söker är litet. Då blir denna strategi ofta ineffektiv. I andra medier kan dock angreppssättet fungera bättre (bl a porgas och grundvatten).

Om det finns bra förhandskunskap om området och föroreningssituationen så kan denna utnyttjas för att söka efter föroreningen (eller objekt) mer effektivt. Detta gör att bedömningsbaserad provtagning ofta är lämpligare för detta syfte när förhandskunskapen är tillförlitlig. Exempelvis kan enskilda prover placeras i punkter där förorening förväntas. I vissa fall kan även samlingsprovtagning användas men det är då viktigt att samlingsprovet begränsas till det område som förväntas vara förorenat så att utspädning med rent material begränsas. Om samlingsprovtagning används krävs ofta kompletterande analys av enskilda prover som verifiering.

Exempel på tillämpningar med sökbaserad provtagning i olika medier:

  • Jord: Sökning efter hotspot, nedgrävda cisterner, nedgrävt avfall etc.
  • Porgas: Sökning efter hotspot med flyktiga föroreningar.
  • Grundvatten: Sökning efter föroreningsplym.
  • Ytvatten: Sökning efter utloppsledning eller utströmningsområde för grundvatten.
  • Sediment: Sökning efter hotspot eller dumpat material (ammunition, tunnor m.m.).

1.3 Avgränsning

Avgränsning (eng. delimitation) är ett lämpligt syfte när man vet var föroreningen förekommer men den rumsliga utbredningen är oklar. Avgränsning av föroreningen utförs lämpligen med hjälp av [bedömningsbaserad provtagning]. I Figur 1 illustreras hur man kan gå tillväga. Här måste man dock vara observant och försiktig eftersom det är lätt att dra alltför långtgående slutsatser vid avgränsningen, särskilt då föroreningen förekommer heterogent. Om föroreningen avgränsas i en viss riktning med endast en (1 st) provpunkt blir avgränsningen mycket känslig för haltvariationer. Ett sätt att minska denna osäkerhet är att ta prover som representerar en större volym (samlingsprover) så att haltvariationerna utjämnas. Detta kräver i så fall noggrann provhantering och provberedning på laboratorium så att provresultaten blir representativa.

Figur 1. Exempel på placering av provpunkter vid radiell provtagning.

Avgränsning kan även utföras med hjälp av [sannolikhetsbaserad provtagning] följt av geostatistisk modellering. Fördelen med detta angreppssätt är att det blir möjligt att bedöma säkerheten i avgränsningen. Nackdelen är att metoden kan vara kostsam, både på grund av att det krävs mycket data och att utvärderingen är arbetskrävande.

Exempel på tillämpningar med avgränsande provtagning i olika medier:

  • Jord: Avgränsning av hotspot, horisontellt och vertikalt.
  • Porgas: Avgränsning av hotspot horisontellt.
  • Grundvatten: Avgränsning av föroreningsplym, horisontellt och vertikalt.
  • Ytvatten: Avgränsning av påverkansområde från utloppsledning.
  • Sediment: Avgränsning av hotspot samt erosions- vs. depositionsområden.

1.4 Karakterisering

Provtagning för karakterisering omfattar provtagning som syftar till beskrivning eller kvantifiering. Detta syfte gäller all provtagning där man tar fram [beskrivande statistik] för ett område (eller en volym). Det är viktigt att området är tydligt definierat. Ibland kan först avgränsning behöva göras men i andra fall har området definierats på annat sätt, t.ex. som en fastighet eller ett delområde. Karakteriserande provtagning gör det möjligt att beräkna statistiska parametrar som medelvärde, standardavvikelse, variationskoefficient, medianvärde och andra percentiler, UCLM-värden med mera.

Provtagning kan syfta till karakterisering av:

  • Källan (riskobjektet, exempelvis den förorenade jorden).
  • Spridningsvägen (exempelvis markens hydrauliska och geokemiska egenskaper).
  • Skyddsobjektet (exempelvis människors exponering för föroreningen, föroreningssituation i grundvattnet osv.).

Beskrivande statistik som tas fram vid karakterisering kan i sin tur kan användas som underlag i en riskbedömning; se exempelvis representativa halter i Naturvårdsverkets vägledning. Karakteriserande provtagning är även lämplig i många andra sammanhang, bland annat för att kvantifiera föroreningsmängder samt vid klassning av jordmassor i samband med grävsanering.

Vid karakterisering bör man använda sig av sannolikhetsbaserad provtagning för att skapa ett slumpmässigt urval av prover (stickprovet). I de fall det ändå finns inslag av bedömningsbaserad provtagning i strategin (av olika skäl) måste en bedömning göras av hur det påverkar den beskrivande statistik som beräknas. Detta måste dessutom dokumenteras.

Exempel på tillämpningar med karakteriserande provtagning i olika medier:

  • Jord: Riskbedömning (hälsa och markmiljö), mängdberäkningar samt klassning av jordmassor inför en åtgärd.
  • Porgas: Riskbedömning (hälsa), kontroll vid efterbehandling av jord.
  • Grundvatten: Riskbedömning (hälsa och miljö), kontroll vid efterbehandling av grundvatten.
  • Ytvatten: Riskbedömning (hälsa och miljö), kontrollprogram efter åtgärd.
  • Sediment: Riskbedömning (hälsa och miljö), mängdberäkning av sediment som ska tas bort genom muddring.

En särskild typ av karakteriserande provtagning är provtagning med syftet att framställa kartor över föroreningens utbredning, ofta med hjälp av interpolation eller geostatistiska metoder (se NV rapport 5932). Sådana kartor har i sin tur ett syfte, till exempel som underlag för riskbedömning eller åtgärd.

1.5 Kontroll över tid

Provtagning för kontroll över tid (eng. monitoring) syftar till att undersöka förändringar eller variation över tid. Det kan gälla haltförändring av föroreningar i aktuellt medium, flödesförändring, nivåvariationer eller förändring i någon annan fysisk, kemisk eller biologisk parameter. Detta syfte är ofta aktuellt i samband med kontroll och uppföljning av in situ-åtgärder men det finns många andra situationer, till exempel vid undersökning av grundvattenförorening med årstidsvariation eller hydrogeologiska undersökningar. I vissa fall förekommer syftet även då man vill bedöma åtgärdsbehov eller inför val av åtgärdsmetod, till exempel för att undersöka om övervakad naturlig självrening är en lämplig åtgärd. För vissa tillämpningar används mätning in situ (utan egentlig provtagning), till exempel kontinuerlig nivåmätning i grundvattenrör eller ytvatten. I situationer där mätning görs vid enskilda tillfällen kan mättillfällena väljas antingen sannolikhetsbaserat eller bedömningsbaserat (samma sak gäller naturligtvis vid provtagning).

Vid provtagning för kontroll är det en fördel om provtagning eller mätning sker tillräckligt ofta och under tillräckligt lång tid (avsnitt [Provtagningsfrekvens]  ) för att i önskvärd detalj kartlägga variationer. Detta är många gånger en viktigare aspekt än om provtagningstillfällena valts sannolikhetsbaserat eller bedömningsbaserat.

Exempel på tillämpningar av kontrollprovtagning av föroreningar i olika medier:

  • Jord: Kontroll av biologisk nedbrytning.
  • Porgas: Kontroll av haltvariationer i porgas och inomhusluft som underlag till hälsoriskbedömning.
  • Grundvatten: Kontroll av haltvariation i grundvattnet inför riskbedömning samt av haltförändring före, under och efter en efterbehandlingsåtgärd.
  • Ytvatten: Kontroll av haltförändring i ytvattnet under och efter en efterbehandlingsåtgärd.
  • Sediment: Förändringar i bentiska populationer och deras utbredning, förändringar i sedimentationshastighet, kontroll av haltförändring i sediment vid övervakad naturlig självrening.

Notera att i samband med schaktsanering görs ofta kontrollprovtagning för att verifiera att de mätbara åtgärdsmålen uppfyllts. Sådan provtagning har ofta ett annat syfte än kontroll över tid, vanligen avgränsning eller karakterisering (beskrivning av föroreningshalter i kvarlämnad jord). Trots att provtagningen i dessa fall brukar kallas för ’kontroll’ så rör det sig ur provtagningssynpunkt ofta om ett annat syfte än att övervaka föroreningssituationen över tid.

1.6 Provtagning med flera syften

Många undersökningar har ofta en kombination av syften; att bekräfta, avgränsa och karakterisera en förorening. Detta gäller särskilt i tidiga undersökningsskeden där man vill försöka besvara flera typer av frågor samtidigt. För att lyckas med det krävs en kombination av provtagningsstrategier. Det kan innebära att både bedömningsbaserad och sannolikhetsbaserad provtagning behövs. Den exakta utformningen måste anpassas platsspecifikt, så att man kan nå de uppställda målen. Det är dock viktigt att tänka på att datautvärdering och tolkning försvåras när man blandar flera olika syften. Ett vanligt exempel är när man har riktat prover mot hotspots men även vill beräkna medelhalter. Hur prover som tagits genom bedömningsbaserad provtagning då bör hanteras är långt ifrån självklart (se avsnitt [Angreppssätt och urval]  #).

I de fall en provtagningsstrategi läggs upp med flera olika syften är det mycket viktigt att de olika syftena beskrivs samt vilka syften de enskilda provpunkterna eller proverna svarar mot. Om man inte gör detta blir det svårt, eller till och med omöjligt, för en person som inte varit involverad i arbetet att korrekt kunna tolka och bedöma undersökningsresultaten

2.    Provtagningsstrategi

2.1 Strategins innehåll

En provtagningsstrategi beskriver hur provtagningen skall läggas upp för att nå målet med undersökningen. Grunden är den konceptuella modellen #länk# samt syfte och mål för undersökningarna. Undersökningsobjekt kan ha både olika storlek och komplexitet. I många fall ska flera medier (jord, grundvatten, sediment m m) provtas och det kan krävas olika provtagningsstrategier för olika medier. Ett undersökningsområde kan med fördel delas in i flera delar och det kan vara lämpligt att välja olika provtagningsstrategier för de olika delarna, även om det är samma medium som skall provtas. Indelningen kan göras baserat på exempelvis jordartsgränser, verksamhetshistorik, föroreningstyper, befintliga undersökningsdata m m.

Provtagningsstrategin är EN av de delar som ska beskrivas i en provtagningsplan #länk#; se även SIS (2005) och SGF (2013).

För att lägga upp en provtagningsstrategi behöver man definiera åtminstone följande:

  • Populationen (egenskapsområde eller liknande)
  • Angreppssätt för
  • Provtagningsmönster
  • Typ av provuttag
  • Provernas storlek
  • Antal prover
  • Provtagningsfrekvens

Några av delarna ovan är bara aktuella för vissa provtagningssyften, se nedan. De val som görs när en provtagningsstrategi definieras bör motiveras och ska även dokumenteras. Då blir det lättare att förstå provtagningsstrategin och hur resultaten bör tolkas.

2.1 Populationen

Vid karakterisering måste man först definiera vad som utgör populationen, dvs. den volym eller area som ska undersökas och beskrivas statistiskt. Populationen kan exempelvis utgöras av föroreningshalterna i en viss volym, ett egenskapsområde (se nedan) eller något annat delområde. För att bestämma populationen kan det därför vara nödvändigt med en avgränsande provtagning eller någon annan geografisk avgränsning. Exakt hur populationen bör avgränsas är delvis en värderingsfråga.

Som hjälp för att bedöma vad som utgör en population kan man väga in hur föroreningen hamnade i det aktuella mediet. Om flera olika processer givit upphov till föroreningen kan det innebära att det även finns flera olika populationer. Till exempel kan det finnas en mycket heterogen partikelbunden dioxinförorening i ytligt förorenad jord vid en torkplats för virke, en relativt homogen mer djupgående partikelbunden dioxinförorening vid doppkaret, och löst i grundvattnet kan det finnas en plym av pentaklorfenol. Ett förorenat område består alltså ofta av flera olika populationer: Olika föroreningsämnen i olika medier, skilda föroreningsbilder över området etc. Det är därför många gånger bra att dela in området i egenskapsområden. Med egenskapsområde avses ett delområde inom vilket föroreningen är genererad genom samma typ av förorenande process och som uppvisar relativt homogena egenskaper med avseende på exempelvis geologi och föroreningssituation (Norrman, 2009b). Grundtanken är att ett egenskapsområde geografiskt ska täcka in den population som ska undersökas.

Många gånger är inte hela den önskade populationen tillgänglig för provtagning, exempelvis på grund av att det finns byggnader på vissa ytor eller att det är orimligt kostsamt att provta vissa delvolymer. Det innebär att den area eller volym som í praktiken kan undersökas (målpopulationen) kan avvika från populationen. Därför är det viktigt att tänka på att provtagningsresultaten enbart gäller för målpopulationen.

Vi karakterisering bör man försöka att provta populationen genom ett slumpmässigt urval av prover (sannolikhetsbaserad provtagning). Populationens verkliga egenskaper (t.ex. medelhalten) kommer vi aldrig att få reda på. Däremot kan vi använda det slumpmässiga urvalet, proverna från populationen, för att skatta populationens egenskaper. Beroende på hur vi utformar vår provtagningsstrategi så kommer skattningen att bli mer eller mindre bra. Hur bra skattningen blir beror inte bara på provtagningsstrategin utan även på hur stor variabiliteten är i populationen (exempelvis egenskapsområdet), samt hur väl provtagning och analys genomförs. Den statiska beräkningen ger svar på vilken osäkerhet skattningen har och kan därför användas för att bedöma om egenskapsområdet behöver justeras eller om kompletterande prover/analyser behövs för minskad osäkerhet.

Om provtagningssyftet är kontroll över tid är det populationens förändring under en tidsperiod man vill undersöka. Vilken tidsperiod som är relevant är problemspecifikt.

2.2 Angreppssätt för urval

I varje provtagningsstrategi måste man bestämma hur valet av provpunkter och urvalet av prover ska gå till (eng. sampling design). Det finns två grundläggande angreppssätt för detta: Sannolikhetsbaserad respektive bedömningsbaserad provtagning. Lämpligheten för respektive angreppssätt sammanfattas i Tabell 1 för olika provtagningssyften.

Tabell 1. Lämpligheten för sannolikhetsbaserad respektive bedömningsbaserad provtagning vid olika provtagningssyften. Specialfall kan förekomma där lämpligheten skiljer sig från tabellen.

Provtagningssyfte

Sannolikhetsbaserad provtagning

Bedömningsbaserad provtagning

Sökning

Lämplig men ineffektiv

Lämplig

Avgränsning

Lämplig men kostsam

Lämplig

Karakterisering

Lämplig

Olämplig

Kontroll över tid

Lämplig

Olämplig*

*) Kan i vissa fall vara lämplig för val av provtagningstillfällen.

Sannolikhetsbaserad provtagning

Sannolikhetsbaserad provtagning (kallas även slumpmässig provtagning) bör användas om provtagningen syftar till karakterisering och i vissa fall vid kontroll över tid, beroende på problemställning. I speciella fall kan angreppssättet även vara aktuellt vid sökning eller avgränsning. Angreppssättet innebär att varje punkt i populationen ska ha en känd sannolikhet att bli vald. Ofta läggs provtagningen upp så att sannolikheten att bli vald är densamma för samtliga punkter. Sannolikhetsbaserad provtagning är grundläggande för att man på ett korrekt sätt ska kunna utvärdera data statistiskt.

I normalfallen beaktas inte förhandskunskap vid sannolikhetsbaserad provtagning, till skillnad från när bedömningsbaserad provtagning används. Det kan vara en nackdel när man har mycket bra förhandskunskap. Det finns dock olika metoder för att beakta förhandskunskap även vid sannolikhetsbaserad provtagning, exempelvis genom att använda beta-fördelningen (Rosén et al., 2009) eller geostatistisk modellering. Detta görs vanligen vid datautvärderingen.

Syftet med sannolikhetsbaserad provtagning vid karakterisering samt kontroll över tid är att skapa ett slumpmässigt urval prover (stickprover) som tillsammans ska beskriva populationen. Detta angreppssätt gör det möjligt att ta fram beskrivande statistik, som bland annat kan användas för att beräkna representativa halter.

Vid sökning ger sannolikhetsbaserad provtagning möjlighet att beräkna hur sannolikt det är att man träffar eller missar det man söker efter.

nödvändigtvis att provpunkterna måste slumpas ut helt fritt utan även systematiska provtagningsmönster kan användas (se exempel i Figur 2 nedan). Det är en fördel att generera provpunkternas koordinater med hjälp av en slumpgenerator, till exempel slumpfunktionen i ett kalkylprogram, men även om man inte gör på det sättet så brukar slumpmässigheten ändå bli acceptabel. Det förutsätter dock att provpunkternas placering inte påverkas av förväntade halter i marken.

Ett exempel när sannolikhetsbaserad provtagning är lämplig är när man vill ta fram representativa halter för ett egenskapsområde inför en riskbedömning. En annan situation är då man önskar klassa beslutsenheter inför en schaktsanering.

 

Vid bedömningsbaserad provtagning, även kallad riktad provtagning, väljs provpunkternas lägen baserat på mer eller mindre subjektiva bedömningar som bygger på förhandskunskap om området och förväntad föroreningssituation. Angreppssättet kan vara lämpligt att använda om provtagningens syfte är sökning eller avgränsning, särskilt om förhandskunskapen är god (t.ex. information om var trycktuben för impregnering funnits, eller vid en bensinmack (se exempel i figur 4). Bedömningsbaserad provtagning är ofta lämplig i den inledande undersökningen av ett förorenat område då fokus ligger på att hitta och avgränsa källförorening. Även vid sökning efter cisterner, tunnor eller annat kan bedömningsbaserad provtagning vara lämpligt, särskilt om man har förhandskunskap som man vill utnyttja. Angreppssättet används även ofta vid dynamisk provtagning #länk# där provpunkternas placering justeras direkt i fält baserat på de mätdata som erhålls vid provtagningen.

Figur 4. Exempel på bedömningsbaserad provtagning vid en bensinstation där punkterna placerats intill potentiella föroreningskällor.

Det förekommer att provtagningsstrategier läggs upp som en blandning mellan sannolikhetsbaserad och bedömningsbaserad provtagning. Detta ställer höga krav på datautvärderingen. Om statistiska metoder används är det mycket viktigt att man gör en bedömning av vilken påverkan den bedömningsbaserade provtagningen har på resultatet. I detta fall går det alltså inte att helt lita på den beskrivande statistiken, vilket gör att efterföljande resultat blir osäkra. Ett alternativ för att undvika detta är att hålla isär strategierna och inte blanda data från punkter som är bedömningsbaserade med sannolikhetsbaserade i utvärderingen.

2.3 Provtagningsmönster

De vanligaste provtagningsmönstren vid sannolikhetsbaserad provtagning som syftar till karakterisering beskrivs nedan och illustreras i Figur 5. Vid bedömningsbaserad provtagning används inte sådana provtagningsmönster eftersom provpunkterna per definition riktas subjektivt. Därmed får även det mönster som skapas en subjektiv utformning.

   

Figur 5. Vanliga provtagningsmönster vid sannolikhetsbaserad provtagning (efter Back, 2000). Ordningen behöver ändras och benämningarna läggas in.

Enkel slumpmässig provtagning (eng. simple random sampling) är den enklaste sannolikhetsbaserade provtagningen och innebär att samtliga provpunkter placeras ut helt slumpmässigt i området. Fördelen med metoden är att den är enkel men nackdelen är att provpunkter har en tendens att hamna i kluster, dvs. i närheten av varandra. Det är en vanlig missuppfattning att slumpmässighet leder till mönster där provpunkterna är jämnt fördelade över området, vilket alltså sällan blir fallet vid enkel slumpmässig provtagning (om inte antalet provpunkter är mycket stort).

Systematisk provtagning (eng. systematic sampling) innebär att provpunkterna placeras i ett systematiskt mönster, exempelvis i ett rutnät. Fördelen med detta är att man får en jämn fördelning av provpunkterna över området/volymen som ska undersökas. En nackdel som ibland lyfts fram är att man riskerar att missa förorenade linjära strukturer i området, såsom igenfyllda diken, ledningsgravar, gamla järnvägsspår etc. Denna nackdel är dock enkel att motverka, vilket kan göras på flera olika sätt: 1, Orienteringen på rutnätet väljs slumpmässigt, 2, man väljer systematisk slumpmässig provtagning istället, eller 3, man väljer en typ av mönster som i sig minskar denna risk, exempelvis det så kallade fiskbensmönstret; se Figur 6 nedan. Ferguson (1992) har visat att fiskbensmönstret (eng. herringbone pattern) är det mest effektiva mönstret vid sökning.

Figur 6. Det så kallade fiskbensmönstret som är effektivt vid sökning (efter Ferguson, 1992). Skapa snyggare figur.

Systematisk slumpmässig provtagning (eng. systematic random sampling) innebär att man skapar ett systematiskt rutnät och sedan slumpar ut provpunkterna inom respektive ruta. Fördelen med detta angreppssätt är att det är relativt enkelt, man får en ganska jämn fördelning av provpunkterna över området samt att man minskar risken att missa linjära strukturer. En nackdel som kan uppkomma om rutnätet är grovmaskigt är att slumpen kan göra att det blir stora ytor utan någon provpunkt alls. Detta kan dock motverkas genom att göra rutnätet mer finmaskigt.

Stratifierad slumpmässig provtagning (eng. stratified random sampling)är ett exempel på ett annat provtagningsmönster . Då delas området först in i delområden eller delvolymer (strata) och sedan slumpas provpunkter ut inom respektive område eller volym. Antalet provpunkter kan skilja sig åt mellan delområdena. med stratifierad provtagning är att man kan anpassa provtagningen till särskilda förhållanden på platsen, exempelvis fastighetsgränser, grönytor, upplagsytor, olika djupintervall m.m., och sedan ta fram beskrivande statistik både för respektive delområde och för området som helhet. Nackdelen är att datautvärderingen kan bli lite mer komplicerad.

Beskrivningen ovan har gjorts för rumslig provtagning i jord men den är giltig även för andra medier. Principerna går också att tillämpa vid provtagning för kontroll över tid, för att välja provtagningstillfällen; se avsnitt Provtagningsfrekvens. Provtagningsmönstren har ovan beskrivits för 2D men de kan naturligtvis även användas för 1D (provtagning längs en linje i form av en väg eller banvall) eller i 3D (i en volym).

Ovanstående provtagningsmönster kan även användas då syftet är sökning eller avgränsning men det finns andra provtagningsmönster som kan vara mer effektiva för dessa syften. För avgränsning presenterar SGF (2013) ett provtagningsmönster för radiell provtagning; se Figur 1 ovan. Det finns även helt andra typer av angreppssätt för att välja provpunkter som kan användas vid olika tillämpningar, exempelvis dynamisk provtagning #länk# där provpunkternas placering justeras direkt i fält baserat på de mätdata som erhålls vid provtagningen. Andra angreppssätt är rankbaserad provtagning, klusterprovtagning, transektprovtagning m.m. (Engelke et al., 2009).

 

Vilken typ av prov som bör tas beror på aktuellt medium och syftet med provtagningen. Beskrivningen nedan ger exempel vid provtagning av jord men principerna gäller även andra medier.

Principiellt kan provuttag  delas in i tre typer:

  • Provtagning med enskilda prover
  • Provtagning med samlingsprover
  • Inkrementell provtagning

Provtagning med enskilda prover (eng. spot sample, single sample eller individual sample) är lämpligt när man exempelvis vill kunna göra bedömningar för enskilda provpunkter eller vill undersöka variabiliteten i en population. Ett slumpmässigt urval av enskilda prover från en population kallas inom statistiken för stickprov. Ett enskilt prov representerar egenskaperna i den enskilda provpunkten men tillsammans med övriga enskilda prover kan populationen beskrivas.

Fördelen med enskilda prover är att de kan användas för att beräkna variabiliteten i populationen, inklusive den totala osäkerheten i exempelvis skattad medelhalt. Enskilda prover kan därför ge en bra beskrivning av populationen som ska undersökas, inklusive osäkerheter. Nackdelen är att varje enskilt prov måste analyseras, vilket kan leda till höga analyskostnader.

Enskilda prover kan vara lämpliga att använda för alla provtagningssyften.

Provtagning med samlingsprover (eng. composite sampling) innebär att samlingsprov skapats för att öka den volym som provet representerar. Ett enskilt prov representerar normalt en relativt liten volym men genom att slå samman flera enskilda prover (alternativt delprover eller inkrement) ökar man den representativa volymen (se avsnitt 2.5). Det finns flera fördelar med detta. En är att variabiliteten utjämnas, vilket underlättar datautvärderingen. En annan fördel är att data representerar en större volym som ofta är mer intressant ur risksynpunkt (undantag: ämnen som kan förekomma i akutoxiska halter ).

Vid samlingsprovtagning bedöms egenskaperna i den skala som samlingsprovet representerar. Den skala som provet ska representera är något man själv måste definiera. Sedan utformas provtagningen så att detta uppnås. Det görs genom att ta flera delprov fördelade över den aktuella volymen. Om man däremot är intresserad av egenskaper i mindre skala är samlingsprovtagning direkt olämplig. Ett exempel på en sådan situation är då akutoxiska risker ska bedömas, då kan halter i centimeter- till decimeter-skalan vara intressanta.

Vid samlingsprovtagning ställs mycket höga krav på att provberedning utförs korrekt, så att analysresultatet verkligen representerar hela provet. Det kräver i de flesta fall att särskild provberedning (utom vid analys av vatten eller gas) beställs från laboratoriet, i annat fall riskerar resultaten att bli missvisande. Vid analys av flyktiga ämnen så kan extraktion av hela samlingsprovet beställas för att minska risken för gasavgång som kan ske vid mekanisk homogenisering.

Samlingsprovtagning kan utföras på många olika sätt och det finns ingen gemensam standard. Exempelvis kan samlingsprov skapas både vertikalt i en provpunkt och horisontellt mellan olika provpunkter. Samlingsprov i vertikalled kan användas när man vill att provet ska representera en ett visst djupintervall, exempelvis intervallet 1,0 – 2,0 meter under markytan, och samlingsprovet visar då enbart medelhalten i den specifika provpunkten i det skiktet. För att få medelhalten i skiktet 1,0–2,0 meter inom ett egenskapsområde så används analyser av flera samlingsprover inom egenskapsområdet för att beräkna den statistiska medelhalten. Samlingsprover med horisontell utbredning är lämpliga då syftet är att representera en större area, till exempel en beslutsenhet vid klassning av massor #Länk till SGI Publ. 40#. Givetvis kan man även skapa samlingsprover som både har en vertikal och horisontell utbredning.

I samtliga fall när samlingsprover används är det mycket viktigt att tydligt beskriva hur provtagningen gjorts: Beskrivningen ska bland annat innehålla följande:

  • Varför samlingsproven skapas
  • Hur och var tagits (horisontellt, vertikalt, placering)
  • Antal delprover i samlingsprovet
  • Hur stora delproverna är
  • Hur provuttagen gjorts
  • Den volym som det skapade samlingsprovet representerar
  • Om och hur samlingsprov har homogeniserats i fält
  • Hur provberedningen har gjorts på laboratoriet

Att enbart ange att provtagningen gjorts som samlingsprov är otillräckligt och leder lätt till missförstånd. Samlingsprovtagning ställer därför extra höga krav på dokumentationen.

Samlingsprovtagning är i första hand lämplig om provtagningen syftar till karakterisering samt kontroll över tid. Rätt utformad kan samlingsprovtagning även vara till viss hjälp vid sökning (ITRC, 2012) men det ställer höga krav på både strategi och tolkning av resultat.

Inkrementell provtagning (eng. incremental sampling) är en särskild typ av samlingsprovtagning som baseras på provtagningsteorin för partikulära material (Pitard, 1993; Back, 2003; ITRC, 2012). Ett inkrement är egentligen inte ett prov utan en liten jordvolym som tas med enda syfte att slås samman med andra inkrement till ett prov med större representativ volym, ett inkrementellt samlingsprov. Grunden är att man tar ett stort antal små inkrement över hela populationen (egenskapsområde/beslutsenhet) som tillsammans ska representera den undersökta populationen så bra som möjligt. Detta är en viktig skillnad mot vanlig samlingsprovtagning där ett samlingsprov t.ex. kan göras i en enda provpunkt på skiktet 1-2m och bestå av x mindre prover som tas ut och slås samman i ett provkärl. Detta är inte ett samlingsprov som beskriver hela populationen i skiktet 1-2m utan enbart medelhalten i skiktet i den provpunkten. För att beskriva populationen måste flera samlingsprover från flera punkter analyseras och en medelhalt för populationen beräknas. Vid en inkrementell provtagning så slås inkrementen ihop till ett samlingsprov som ska beskriva hela populationen och medelhalten behöver därför inte beräknas på samma sätt (även den inkrementella provtagningen upprepas ett antal gånger för att kontrollera att variationen mellan proverna är godkänd, och att ett medelvärde då kan beräknas). En annan skillnad är att inkrementell provtagning måste utförs enligt principerna i provtagningsteorin för partikulära material: inkrementen bör vara små, de ska ha en definierad form och volym, antalet inkrement ska vara stort och de ska vara väl fördelade (systematiskt) över hela den volym som ska undersökas. Liksom för vanlig samlingsprovtagning ska de inkrementella samlingsproverna genomgå en noggrann provberedning (eventuell malning, homogenisering etc.) för att analysresultaten ska bli representativa för hela populationen. Det senare är en mycket viktig aspekt (som dock alltid bör göras vid all samlingsprovtagning).

För att man ska kunna undersöka repeterbarheten hos den inkrementella provtagningen rekommenderas att minst tre inkrementella samlingsprov skapas, dvs. tre replikat. Dessa replikat ska vara oberoende av varandra, vilket kräver att provtagningen upprepas minste tre gånger (det behöver inte vara vid tre separata tillfällen men inkrementen tas från olika punkter i varje omgång). Efter laboratorieanalys får man därmed tre olika värden på populationens medelhalt och dessa kan användas för att beräkna osäkerheten.

Inkrementell provtagning är lämplig när syftet är att skatta medelhalten i en population med hög säkerhet. En fördel är att det blir möjligt att bedöma osäkerheten i skattningen av medelhalten. Tillämpningen underlättas om föroreningen förekommer ytligt så att det är enkelt att samla in stora mängder inkrement. En nackdel med metoden är att det kan bli kostsamt att samla in inkrement från stora djup eller om marken innehåller material som är svårgenomträngligt för provtagningsutrustningen. Det är dock möjligt att tillämpa inkrementell provtagning i provgropar och på så sätt skapa representativa prover från större djup. Metoden är inte lämplig om man är intresserad av haltvariationer inom en population.

Inkrementell provtagning är lämplig vid karakterisering eller kontroll över tid. Rätt utformad kan metoden även vara till hjälp vid sökning. ITRC (2012) har formaliserat inkrementell provtagning under begreppet ISM (Incremental Sampling Metholdology) som beskrivs i ett separat kapitel.

2.5 Provernas storlek

I provtagningsstrategin bör även provernas storlek anges, både den faktiska provvolymen och den representativa volymen, om den senare avviker. Naturligtvis kan man istället för volym ange massa. Även volymernas form bör anges (om det inte är uppenbart).

Provets faktiska volym är provets verkliga jordvolym.  Provvolymen är bland annat bra att känna till om kompletterande provtagning ska utföras, så att den utförs i samma skala. Inkrement, delprov och enskilda prover representerar den volym som utgörs av det faktiska provet. Ibland kan man göra antaganden om att provet har en viss representativitet även utanför själva provpunkten; se begreppet ’räckvidd’ (Engelke et al., 2009); se Figur D. Att anta att ett prov har en räckvidd utanför själva provpunkten är mest relevant för rörliga och homogena medier som porgas, grundvatten och ytvatten vilket påverkar placeringen av provpunkterna och hur många prov som kan behövas för att få en representativ halt eller påträffa en förorening. För heterogena material som jord bör man däremot vara ytterst försiktig med sådana antaganden och det är många gånger inte heller nödvändigt.

Illustration för räckvidden för enskilda prover i olika medier, 1, jord, 2 sediment, 3 porgas, 4 grundvatten, 5 ytvatten. Den röda cylindern har samma storlek och illustrerar provets faktiska volym och den blå illustrerar hur stor räckvidd provet kan antas ha i olika typer av medier. OBS, figuren är inte skalenlig utan syftar till att illustrera ett tankesätt.

Den faktiska provvolymen måste vara tillräckligt stor för att minimera provtagningsfel. Detta är särskilt viktigt om materialet är grovkornigt. I ISO (2018), Annex F, finns ekvationer för att beräkna minsta provstorlek (massa) för inkrement och enskilda prov för jord. Ekvationerna baseras på provtagningsteorin för partikulära material (Pitard, 1993).

Provets representativa volym är den volym som det tagna provet är tänkt att representera. Både samlingsprovtagning och inkrementell provtagning ger prover med en representativ volym som är större än den faktiska provvolymen. Vid inkrementell provtagning kan den representativa volymen motsvara hela populationens volym, trots att den faktiska jordvolymen bara är några liter. För att sådana samlingsprover ska ge representativa analysresultat ställs mycket höga krav på provberedningen vid laboratoriet.

Även vid datautvärderingen måste provernas representativa volym beaktas eftersom detta påverkar variansen. Data som representerar olika volymstorlekar kan normalt inte blandas vid datautvärderingen eftersom de kommer från olika populationer. Prover i dm3-skalan tillhör en population och prover i m3-skalan en annan population osv. Om provernas representativa volym inte anges går det därför inte att veta vilken population som undersökts och beräknade representativa halter kan då bli felaktiga, exempelvis UCLM-värden.

2.6   Antal prover

Den vanligaste frågan som ställs vid provtagning på förorenade områden är hur många prover man behöver ta. Trots att frågan är så självklar är den samtidigt mycket svår att besvara. Orsaken är att svaret beror på flera helt olika typer av aspekter: Hur själva problemet formuleras, fysiska platsspecifika faktorer, värderingar hos de olika aktörerna, krav och önskemål om kontrollprover samt rena slumpeffekter.

En av de viktigaste faktorerna är vilket syfte provtagningen har, dvs. vilken grundfråga som provtagningen ska lösa. Hur många prover som krävs kan vara helt olika för olika syften. Om man t.ex. med någorlunda säkerhet vill kunna hitta en nedgrävd tunna på en stor fastighet kan detta kräva hundratals eller tusentals jordprover medan medelhalten i samma område kan skattas med något tiotal prover.

De fysiska förhållandena som påverkar hur många prover som behövs är bland annat följande:

  • Variabiliteten i det man vill undersöka, t.ex. haltvariationen i en population. Ju större variabilitet, desto fler prover krävs.
  • Föroreningsnivån, dvs. hur mycket beslutskriteriet och den verkliga medelhalten skiljer sig åt. Om föroreningshalten ligger nära beslutskriteriet krävs fler prover än om skillnaden är stor.

Vid sökning tillkommer även aspekter som storleken på det man letar efter; ju mindre objekt, desto fler prover behövs.

Värderingsaspekter som påverkar hur många prover som krävs är bland annat följande:

  • Vilket beslutskriterium som ska tillämpas (riktvärde, åtgärdsmål etc.).
  • Hur säker man vill vara att fatta rätt beslut, till exempel i valet mellan att sanera eller att inte sanera. Ju säkrare man vill vara, desto fler prover krävs.
  • Konsekvenserna av att vi fattar fel beslut. Om konsekvenserna av ett felaktigt beslut är stora krävs normalt fler prover än om konsekvenserna är små.

Utöver detta tillkommer slumpeffekter. Även om man med bästa tillgängliga metoder beräknar hur många prover som krävs så kan slumpen göra att antalet prover ändå blir otillräckligt. Det går aldrig att säkert förutsäga vilket resultat man kommer att få av en provtagning och därför kan man heller aldrig på förhand vara säker på att man kommer att få tillräcklig information. Däremot går det att på förhand göra rimliga bedömningar av hur många prover som krävs. Detta kan göras på olika sätt, exempelvis följande:

  • Man kan på förhand bestämma hur stor osäkerhet man tolererar och använda detta för att beräkna antalet prover. Den tolerabla osäkerheten kan exempelvis uttryckas som en procentandel. Detta angreppssätt beskrivs i NV rapport 5888 (Norrman et al., 2009), med figurer för grafisk avläsning av antalet prover som krävs.
  • Man kan på förhand bestämma hur hög sannolikheten för felbeslut får vara och använda denna sannolikhet för att bestämma nödvändigt antal prover. Exempel på felbeslut är att klassa populationen som så förorenad att åtgärd krävs, trots att medelhalten i verkligen är lägre än åtgärdsmålet. Detta angreppssätt beskrivs i SGI Publ. 40 (SGI, 2018).

Notera att ett förorenat område ofta består av flera olika egenskapsområden. Antalet prover som krävs för karakterisering beror därmed även på antalet egenskapsområden. Detta är intuitivt eftersom områden med komplicerad föroreningssituation kräver mer provtagning.

Ytterligare en aspekt som påverkar antalet prover är hur omfattande kontrollprovtagning #länk till relevant avsnitt?# som ska göras. Replikat- och duplikatprover är viktiga för att bedöma repeterbarhet och osäkerhet.

2.7 Provtagningsfrekvens

Provtagning vid endast ett tillfälle kan vara tillräckligt om halterna i det aktuella mediet inte förändras över tid. För mer eller mindre rörliga medier som bland annat luft, vatten och biota kan däremot en enstaka provtagning ge resultat som inte är representativa över tid. kontroll över tid). I dessa fall måste provtagningsfrekvensen bestämmas. Vid valet av provtagningsfrekvens måste hänsyn tas till hur noggrant variationerna ska studeras över tid. Tätare provtagning är befogad om som undersöks kan variera både uppåt och nedåt, exempelvis yt- eller grundvattennivåer. Vid långsammare förlopp, till exempel nedbrytning av organiska föroreningar, kan en betydligt lägre provtagningsfrekvens användas.

Referenser

Back P.E., 2000. Sampling strategies and data worth analysis for contaminated land. A literature review. SGI Varia 500, Statens geotekniska institut, Linköping.

Back P.E., 2003. On uncertainty and data worth in decision analysis for contaminated land. Licentiatuppsats, Chalmers Tekniska Högskola, Göteborg.

Engelke F., Norrman J., Starzec P., Andersen L., Grøn C., Overgaard J. & Refsgaard A., 2009. Inventering av provtagningsstrategier för jord, grundvatten och porgas. Rapport 5894, Naturvårdsverket, Stockholm.

Ferguson, C.C., 1992. The statistical basis for spatial sampling of contaminated land. Ground Engineering, June 1992: 34-38.

International Organization for Standardization (ISO), 2018. Soil quality – Sampling – Part 104; Strategies. ISO 18400-104:2018(E).

ITRC, 2012. Incremental sampling methodology. Technical and rugulatory guidance. Interstate Technology & Regulatory Council, Washington DC.

Norrman J., Back P.E., Engelke F., Sego L. & Wik O., 2009a. Provtagningsstrategier för förorenad jord. Rapport 5888, Naturvårdsverket, Stockholm.

Norrman, J., Purucker, T., Back, P.E., Engelke, F., Stewart, R., 2009b. Metodik för statistisk utvärdering av miljötekniska undersökningar i jord. Kunskapsprogrammet Hållbar Sanering. Rapport 5932, Naturvårdsverket, Stockholm.

Pitard F., 1993. Pierre Gy's Sampling Theory and Sampling Practice. Heterogeneity, sampling correctness, and statistical process control. CRC Press.

Rosén, L., Norrman, J., Norberg, T., 2009. Kurs i statistisk dataanalys och tolkning av resultat. Kunskapsprogrammet Hållbar Sanering. Rapport 5932, Naturvårdsverket, Stockholm.

SGF, 2013. Fälthandbok. Undersökningar av förorenade områden. Rapport 2:2013, Svenska Geotekniska Föreningen, Stockholm.

SGI, 2018. Klassning av förorenade jordmassor in situ, Information och råd, SGI Publikation 40 Utgåva 2, november 2018, Statens geotekniska institut, SGI, Linköping.

Swedish Standards Institute (SIS), 2005. Characterization of waste – Sampling of waste materials. Framework for the preparation and application of a sampling plan. SS-EN 14899:2005.