ISM  Incremental Sampling Methodology (ISM)

Details

Last Updated: Tuesday, 12 November 2024 10:08

Published: Friday, 31 May 2019 21:37

Incremental sampling methodology (ISM) är en metodik för representativ jordprovtagning som utvecklats av Interstate Technology Regulatory Council (ITRC) i USA, baserat på provtagningsteorin för partikulära material. 2020 kom en reviderad version av metodiken som finns på ITRC:s hemsida. Där beskrivs detaljerat provtagningsteori, tillämpningar, vägledningar och praktikfall.

ISM-provtagning är framtagen för att hantera den variation i föroreningshalter som alltid finns i olika jordmatriser och beaktar alla led av provtagningskedjan, från konceptuell modell med framtagande av beslutsenheter, utförande av provtagning i fält, provhantering och provberedning i laboratorium till en kvantitativ och praktisk kvalitetssäkring.

ISM-provtagning kan användas för flera olika frågeställningar. I Sverige har ISM-provtagning huvudsakligen använts för få en säker och repeterbar avfallsklassning av förorenade jordmassor inför exempelvis schaktsanering och exploatering. Metodiken är dock tillämpbar för alla situationer då man med hög säkerhet önskar bestämma medelhalten i en jordvolym för att jämföra med ett riktvärde eller åtgärdsmål. Exempel på sådana frågeställningar finns vid riskbedömning av förorenade områden, bestämning naturliga bakgrundshalter i mark, verifiering av att åtgärdsmålen uppnåtts i samband med sanering etc. Metodiken kan även användas för bestämning av föroreningshalter i uppschaktade högar. ISM-provtagning används främst för icke-flyktiga föroreningar men kan, med en anpassning av provhanteringen, även användas för flyktiga ämnen.

Övergripande beskrivning

ISM-provtagning bygger på att ett stort antal, ofta 30–100, [enskilda delprov (”inkrement”)], tas ut systematiskt på ett enhetligt sätt inom en i förväg definierad beslutsenhet. Inkrementen homogeniseras och därefter skapas ett ISM-prov A. Proceduren upprepas ytterligare minst två gånger i nya provpunkter så att minst tre ISM-prover (x, o och Δ) erhålls från samma beslutsenhet, se exempel i Figur 1 nedan. Det finns även andra typer av provtagningsdesigner som presenteras i detalj på ITRC:s hemsida.

Figur 1. Exempel på ytlig ISM-provtagning. Här tas 60 inkrement i tre omgångar för att skapa ISM-proverna x, o och Δ. Figuren illustrerar även provberedning inför analys som ger analysresultaten x̄1, x̄ 2 och x̄3. (ITRC 2022)

ISM-proverna x, o och Δ lämnas till ett laboratorium där varje prov bereds noggrant (homogenisering, malning, neddelning etc.) och därefter analyseras önskade parametrar. Resultaten för x, o och Δ kan sedan jämföras med varandra.

När skillnaden i resultat är liten mellan x, o och Δ är detta en bra indikation på att provtagningen är representativ i all led och att den verkliga medelhalten för beslutsenheten har kunnat bestämmas med stor säkerhet.  

Om resultaten för proverna avviker kraftigt från varandra är detta en tydlig indikation på att något är fel i provtagningskedjan, exempelvis i den konceptuella modellen och indelningen i beslutsenheter, utförande av provtagningen, provhantering eller provberedning på laboratorium.

Ju större variabiliteten, dvs. variationen i föroreningshalter, är inom en beslutsenhet, desto mer motiverat är det med ISM-provtagning. Exempel på föroreningssituationer med stor variabilitet är dioxinförorenade områden och områden utfyllda med överskottsmassor från stadsmiljöer (rivningsrester, byggavfall m.m.).

Genomförande

Genomförande av ISM-provtagning beskrivs detaljerat i vägledningen (ITRC, 2020). En provtagning med tillhörande utvärdering genomförs i fem steg enligt nedan.

I. Formulering av konceptuell modell och definition av beslutsenheter  

För att kunna utföra en ISM-provtagning krävs en konceptuell modell där förväntad föroreningssituation, platsspecifika förhållanden och syftet med provtagningen används som underlag för att definiera lämpliga beslutsenheter/volymer, se avsnitt 3, Systematic Planning  (ITRC, 2020). Storlek, form, djup, typ av förorening samt syftet med provtagningen definieras redan i planeringsstadiet. Volymen på en beslutsenhet kan variera, från enstaka kubikmeter upp till flera tusen kubikmeter, beroende på frågeställning och platsförhållanden. (se frågor och svar).

Att dela in området i beslutsenheter är ofta den mest kritiska delen av provtagningen och kräver god erfarenhet och kunskap. Äldre undersökningar, historik, inventeringsresultat och annan kunskap används tillsammans med syftet för provtagningen till att ta fram en konceptuell modell. Det är dock ingen principiell skillnad med att planera för en ISM-provtagning jämfört med andra mer traditionella provtagningsstrategier. Även för dessa bör beslutsenheter och syftet med provtagningen definieras innan provtagningen utförs. Skillnaden är att en ISM-provtagning i praktiken blir omöjlig att utföra om detta arbete inte har utförts.

Vid indelning av beslutsenheter gäller följande:

• Det är nästan alltid en volym som avses, dvs. beslutsenheten är i praktiken en beslutsvolym som ska redovisas i tre dimensioner (area och djup).
• En avgränsning bör göras så att inte olika jordartstyper blandas. Exempelvis bör aldrig ytlig mulljord tas med i samma beslutsenhet som underliggande sand/morän/lera eller fyllnadsmassor.
• Processen som gett upphov till föroreningen bör vara densamma inom beslutsenheten. Förorening orsakad av exempelvis läckande cisterner bör inte tas med i samma beslutsenhet som fyllnadsmassor med rivningsrester eller jord som förorenats diffust av atmosfäriskt nedfall.
• Kända eller förmodade områden/volymer med avvikande halter eller egenskaper bör alltid hanteras som egna beslutsenheter.

Stöd för att planera ISM-provtagningen, dvs. ta fram den konceptuella modellen, samt definiera beslutsenheterna, finns i ISM-vägledningen, se hemsidan avsnitt 3, Systematic Planning and DU Design (ITRC, 2020), men även i SGI-rapport 40 ”Klassning av förorenade jordmassor in situ”.

II. Bedömning av nödvändigt antal inkrement, replikat samt provmängd  

Hur många inkrement och replikat som behövs varierar från fall till fall. Enkelt uttryckt beror detta på hur stor variabiliteten är, hur nära den verkliga medelhalten som haltkriteriet (vanligen riktvärdet) ligger samt vilket krav på noggrannhet man har. Stor variabilitet, kort avstånd mellan verklig medelhalt och jämförvärde samt höga krav på noggrannhet gör att fler inkrement och replikat behövs. Antal inkrement, replikat och provmängd kan beräknas statistiskt eller bedömas kvalitativt se även avsnitt 3.1.5.4 ”Considerations for determining the number of increments and sample mass” och avsnitt 4.2.3 ”Increment Sizing” i ISM-vägledningen ITRC, 2020)

Inkrementen ska placeras så att hela beslutsenheten representeras systematiskt-slumpmässigt, se exemplet i Figur 1 ovan.

En tumregel är att ta 30–100 inkrement per provtagningsomgång och att genomföra minst tre provtagningsomgångar (replikat). Om variabiliteten är mycket stor, som den ofta är i exempelvis vissa dioxinförorenade områden, och det finns behov av en noggrann bestämning av den verkliga medelhalten kan ännu fler inkrement och replikat behövas.  

III. Fältarbete 

Jordprovtagningen i fält, se avsnitt 4.2 ”Field Planning"(ITRC, 2020)  syftar till att samla in så likartade inkrement som möjligt för att skapa representativa ISM-prover. Inkrementen ska tas ut på samma sätt och de individuella inkrementen ska helst vara av samma vikt, kornstorlek osv. I USA har olika typer av provtagningsverktyg tagits fram för inkrementell provtagning, se exempelvis avsnitt 4.4 ”Sampling Tools and Methods” i ISM-vägledningen (ITRC, 2020).  

Mängden jord i varje inkrement är vanligtvis mellan 20 och 60 gram och varje ISM-prov kommer därmed att väga mellan 0,5 och 2,5 kg.

ISM-provtagning kan även användas för flyktiga föroreningar med en metodik som konserverar proverna direkt i fält med hjälp av större metanolvialer, se avsnitt 4.6.2 ”Sample handling and mass reduction for volatile analysis". Metoden är under utveckling i Sverige och behöver anpassas tillsammans med de laboratorier som ska analysera proverna.   

IV. Provhantering och provberedning  

En ISM-provtagning kräver noggrann provberedning i laboratorium av de ISM-prover som samlats in i fält. Exakt hur provberedningen bör göras beror på typ av förorening och provtagningsmatris, men den utförs lämpligen i ett laboratorium. Beredningen omfattar alltid neddelning av ISM-provet och kan även inkludera torkning, siktning, malning osv., se avsnitt 5 ”Sample Processing and Analysis” i ISM-vägledningen (ITRC, 2020). Några av de kommersiella laboratorierna i Sverige har idag erfarenhet av provberedning enligt ISM-metodiken. Kontakt med laboratoriet ska alltid tas i samband med planering av provtagningen.

V. Utvärdering av resultaten    

Syftet med ISM-provtagningen är att få en säker och representativ bestämning av medelhalten inom en väl definierad beslutsenhet. Medelhalten kan sedan jämföras med olika typer av jämförvärden, exempelvis ett riskbaserat riktvärde eller mätbart åtgärdsmål vid en sanering.  

Ett ISM-prov kan vara tillräckligt i de fall den verkliga medelhalten är väsentligt högre eller lägre än haltkriteriet. För att kunna utvärdera precision och fel i provtagningskedjan krävs dock minst tre ISM-prover (A, B och C) från samma beslutsenhet. Det finns även metoder för att beräkna konfidensintervall för medelhalten, se avsnitt 6.2.1 ”Evaluation of DU results” i ISM-vägledningen (ITRC, 2020). 

Utvärderingen inleds genom att den relativa standardavvikelsen (variationskoefficienten, CV) beräknas för ISM-proverna. Om det är stor variation mellan ISM-proverna är detta en indikation på att heterogeniteten är större än förväntat inom beslutsenheten eller att det finns felkällor i något av provtagningsstegen. Detta kan bero på att för få inkrement tagits, att en okänd ”hotspot” påträffats, eller att något gått fel vid avgränsning av beslutsenheten, vid fältprovtagningen eller i laboratoriearbetet. I de fall ISM-provernas halter är väsentligt högre eller lägre jämfört med haltkriteriet har den stora variationen mindre betydelse, men om halterna är nära kriteriet blir det problematiskt och en förnyad provtagning kan behövas.  

Vanliga frågor

Vilka typer av frågeställningar kan ISM-provtagning användas för?

ISM-provtagning kan användas för flera olika frågeställningar. I Sverige har ISM-provtagning främst använts för få en säker och repeterbar avfallsklassning av förorenade jordmassor inför exempelvis schaktsanering och exploatering. Metodiken är dock tillämpbar för alla situationer då man med hög säkerhet önskar bestämma medelhalten i en jordvolym. Exempel på sådana frågeställningar är riskbedömning av förorenade områden (jämförelse med olika riktvärden), bestämning naturliga bakgrundshalter i mark, verifiering av att åtgärdsmålen uppnåtts i samband med sanering etc. Metodiken kan även användas för bestämning av föroreningshalter i uppschaktade högar.  

SGI tog 2018 fram rapporten ”Klassning av förorenade jordmassor in situ” (SGI, 2018) som huvudsakligen inriktar sig mot frågeställningen hur bra medelhalten i en beslutsenhet kan bestämmas med olika metoder, bland annat ISM, och hur sannolikt det är att beslutsenheten klassas fel.  

När bör ISM-provtagning inte användas?

ISM-provtagning kräver en förhållandevis omfattande fältinsats och provberedning hos laboratoriet. Därför är metodiken inte kostnadseffektiv för beslutsenheter som är uppenbart kraftigt förorenade över ett haltkriterium eller för matriser som är förväntat rena och homogena, exempelvis en naturligt avsatt lera eller sediment. Metodiken är inte heller lämplig för att söka efter förväntade hotspots inom undersökningsområdet eller vid besvärliga markförhållanden som försvårar uttaget av många inkrement. Tillämpning av metodiken på stora djup kan även vara utmanande rent tekniskt.

ISM-provtagning kan kombineras med mer traditionell provtagning. Ett sådant exempel är undersökning av dioxiner vid sågverk med doppning. Kring ett doppkar med klorfenolbaserade träskyddsmedel räcker ofta några enstaka riktade prover för att verifiera om det finns ett källområde med mycket höga halter eller inte, men den exakta halten är antagligen inte nödvändig att bestämma för beslut om åtgärd. Inom övriga upplagsytor förväntas mycket stor variation i dioxinhalterna och halterna ligger troligen betydligt närmare de haltkriterier som används vid riskbedömning eller åtgärder. Här är en ISM-provtagning effektiv för att med stor säkerhet bestämma dioxinhalter som underlag till riskbedömning och åtgärdsutredning.  

Vad skiljer ISM från traditionell samlingsprovtagning?

ISM-provtagning ska inte förväxlas med den form av traditionell samlingsprovtagning där man tar ett fåtal delprover utspridda över en stor yta och sedan slår samman dessa till ett samlingsprov. De mest avgörande skillnaderna är att:

• För ISM-provtagning krävs en konceptuell modell med indelning i beslutsenheter innan provtagningen utförs.
• För ISM-provtagning krävs en specifik och repeterbar provtagningsmetodik, både i fält och i labororatoriet.
• För ISM-provtagning erhålls en direkt kvalitetskontroll av hela provtagningskedjan genom användandet av replikatprover och efterföljande utvärdering. 

Hur stora bör beslutsenheterna vara?

Det beror på syftet med provtagningen, områdets förutsättningar samt föroreningssituationen. Ett typiskt exempel är en hälsoriskbedömning för oralt intag av jord i en mindre villaträdgård. I detta fall är beslutsenheten riskbaserad och kan vara i storleksordningen 10 m³ eller mindre. Ett annat exempel är ett större sammanhängande utfyllt område med liknande egenskaper som ska grävas ur och avfallsklassas i samband med exploatering. Då kan beslutsenhetens volym vara 1000-tals m³.

Hur gör man på djupet?

Eftersom ett stort antal inkrement ska tas flera gånger för att få en god representativet är det rent praktiskt enklare att genomföra en ytlig ISM-provtagning jämfört med en djup provtagning.  

I de fall man ändå vill genomföra ISM-provtagning på större djup så kan provtagningsinsatsen och kostnaderna bli omfattande. Det kan då vara mer kostnadseffektivt att välja någon alternativ strategi som har ISM som grund men med förenklingar för att hålla nere kostnaderna. Vid utvärderingen måste förenklingarna beaktas.

Djup provtagning kan göras genom att ett större antal borrningar utförs inom beslutsenheten och prover samlas från önskade intervall. För att kunna konstruera ISM-proverna A, B och C kan tre enskilda prover tas ut från varje intervall och borrning. Vid utvärderingen måste man beakta att proverna i detta fall inte representerar variabiliteten inom hela beslutsvolymen, utan endast jorden i respektive borrpunkt/intervall.

Figur 2. Exempel på djup provtagning med borrning, från avsnitt 3.1.6 ”Examples illustrating planning and design for ISM” (ITRC, 2020).

På liknande sätt kan provgropsgrävningar utföras och samlingsprover konstrueras på jord från groparna. Då storleken på en provgrop är mycket större jämfört med en borrning kan normalt färre gropar grävas, men antalet gropar får inte bli för få och hela beslutsvolymen måste täckas in med groparna.  Minst ett 10-tal provgropar grävs inom en beslutsvolym och tre prover från respektive intervall per grop används för att konstruera samlingsprover för vidare hantering i laboratorium. Samlingsproverna kommer endast att representera jorden i groparna snarare än hela beslutsenheten. Om för få provgropar grävs blir provtagningen inte representativ och variationen inom beslutsenheten kan således inte utvärderas. Denna typ av provtagning avviker från ISM och den totala osäkerheten kan inte kvantifieras. Detta måste beaktas vid val av provgropsgrävning.  För kontroll av osäkerheten behöver samlingsproverna tas från olika provgropar inom beslutsenheten och halten jämföras med prover från andra provgropar inom beslutsenheten, på samma sätt som ISM-metodiken i Figur 1.

Späds inte föroreningarna ut med samlingsprover?

All provtagning, analys och bedömning av halter av förorenad jord innebär att man försöker bestämma medelhalten hos en viss jordvolym, dvs. den volym provet representerar. Detta gäller vid såväl riskbedömning när man jämför med olika riktvärden som vid miljökontroll för en sanering. Variationen inom den enskilda jordvolymen är då ointressant. Om det finns en oro över höga halter inom små jordvolymer så är beslutsvolymen för stor och bör minskas.

Vid ISM har ovanstående formaliserats genom att den volym som provet ska representera definieras som en beslutsenhet. Det är medelhalten inom beslutsenheten som ska bestämmas och enskilda höga halter eller variationen inom beslutsenheten är i praktiken inte styrande för beslutet. Skulle man ändå vara orolig över höga halter inom beslutsenheten så innebär det att beslutsenheten bör definieras om redan i ett tidigt skede, se även SGI (2) sid 28.  

Om det inom en given beslutsenhet finns en okänd hotspot av betydelse är sannolikheten att man träffar den med provpunkterna ofta större med en ISM-provtagning jämfört med traditionella provtagningsstrategier, helt enkelt beroende på att fler punkter normalt undersöks vid en ISM-provtagning. I praktiken syns detta genom att avvikelsen mellan A, B och C-proverna blir stor, vilket då kan kräva att ISM-provtagningen görs om med ny konceptuell modell, reviderade beslutsenheter osv.

Om man har indikationer på att det kan finnas områden eller volymer som signifikant avviker och har högre halter jämfört med andra delar inom en beslutsenhet ska detta beaktas redan initialt och hänsyn tas vid planeringen. Det finns en variant av ISM-provtagning (3) där varje provpunkt koordinatsätts och ett enskilt prov sparas från varje provpunkt innan ISM-provet skapas. Då finns det möjlighet att i efterhand gå tillbaka och analysera enskilda prover för att på så sätt lokalisera och eventuellt avgränsa hotspoten. Förfarandet är dock arbetsintensivt men kan i visa situationer vara ett alternativ till traditionella sökbaserade strategier.

Kan ISM användas för flyktiga föroreningar?

ISM-provtagning kan även användas för flyktiga föroreningar   med en metodik som konserverar proverna direkt i fält med hjälp av stora metanolvialer, se se avsnitt 4.6.2 ”Sample handling and mass reduction for volatile analysis".  Detta har testats i några projekt i Sverige, men metoden är under utveckling.

Krävs en speciell provberedning för analyserna?

Ja, provberedning i laboratoriet är en mycket viktig komponent i ISM som har stor inverkan på slutresultatet. Flera av de kommersiella laboratorierna erbjuder idag provberedning enligt ISM. Stäm alltid av provberedningen med laboratoriet innan en ISM-provtagning utförs.

För- och nackdelar

De viktigaste fördelarna med ISM är:

1. Metodiken är framtagen för att hantera den variation i föroreningshalter som alltid finns i förorenad jord. Det stora antalet inkrement ger ofta representativa prover och en säker haltbestämning av medelhalten hos aktuell beslutsvolym.

2. Metodikens oberoende replikatprover gör att repeterbarheten kan bedömas och man erhåller ett mått på felet i hela provtagningskedjan, från konceptuell modell till laboratoriearbetet.

3. Genom att tillämpa ISM kan det totala antalet laboratorieanalyser inom en beslutsenhet reduceras. Det är fullt möjligt att med tre ISM-prover få en säker och repeterbar klassning av beslutsenheter med en volym på flera tusen kubikmeter, under förutsättning att de är enhetliga.

Nackdelarna med ISM är:

1. Metodiken är fortfarande relativt ny i Sverige, med ett fåtal konsulter, myndigheter, laboratorier, entreprenörer etc. som har erfarenhet av ISM-provtagningar. Det saknas delvis svenska tillämpningar för vissa frågeställningar, exempelvis flyktiga ämnen och hantering av stora metanolvialer.

2. ISM-provtagning är svårare att utföra på djup jord jämfört med ytlig jord.

3. Är ej lämplig för avgränsning av föroreningar.

Referenser

(1) ITRC (Interstate Technology & Regulatory Council). 2012. Incremental Sampling Methodology. ISM-1. Washington, D.C.: Interstate Technology & Regulatory Council, Incremental Sampling Methodology Team. www.itrcweb.org 2022.
(2) SGI, 2018. Klassning av förorenade jordmassor in situ. Publikation 40, Statens geotekniska institut, Linköping.

(3) Crumbling, D, 2014. Hot Spots: Incremental Sampling Methodology (ISM) FAQs