样本量要求河岸macrolitter鉴定
Sjoukje即德兰格
1
*,
伊薇特Mellink
1,
保罗Vriend
2,
保罗•f•Tasseron
1,<我mg class="pr5" src="https://f96a1a95aaa960e01625-a34624e694c43cdf8b40aa048a644ca4.ssl.cf2.rackcdn.com/Design/Images/newprofile_default_profileimage_new.jpg">芬恩Begemann却1,
Rahel霍克
1,<我mg class="pr5" src="https://f96a1a95aaa960e01625-a34624e694c43cdf8b40aa048a644ca4.ssl.cf2.rackcdn.com/Design/Images/newprofile_default_profileimage_new.jpg">本意Aalderink1,
埃里克·哈默尔
3,<我mg class="pr5" src="https://f96a1a95aaa960e01625-a34624e694c43cdf8b40aa048a644ca4.ssl.cf2.rackcdn.com/Design/Images/newprofile_default_profileimage_new.jpg">彼得很1,<我mg class="pr5" src="https://f96a1a95aaa960e01625-a34624e694c43cdf8b40aa048a644ca4.ssl.cf2.rackcdn.com/Design/Images/newprofile_default_profileimage_new.jpg">Nonna艾伯1,<我mg class="pr5" src="https://f96a1a95aaa960e01625-a34624e694c43cdf8b40aa048a644ca4.ssl.cf2.rackcdn.com/Design/Images/newprofile_default_profileimage_new.jpg">Ansje j . Lohr4,
露美Lotcheris
1,
路易丝Schreyers
1,<我mg class="pr5" src="https://f96a1a95aaa960e01625-a34624e694c43cdf8b40aa048a644ca4.ssl.cf2.rackcdn.com/Design/Images/newprofile_default_profileimage_new.jpg">薇薇安。沃斯1和
蒂姆·h·m·范Emmerik
1
- 1水文和定量水管理集团,瓦赫宁根大学,荷兰瓦赫宁根
- 2基础设施和水资源管理,海牙,荷兰
- 3建筑环境,Zuyd应用科学大学,荷兰海尔伦
- 4环境科学、开放大学,荷兰海尔伦
陆地和淡水系统的人为垃圾随处可见,并且可以具有重大的经济和生态的影响。监测和建模的人为垃圾带有很大不确定性是因为各种各样的垃圾的特点,包括大小,质量,项目类型。目前尚不清楚什么样本集的影响大小是垃圾项目统计数据的可靠性和代表性。需要可靠的项目统计数据(1)改进监测策略,(2)参数化垃圾在运输模型,和(3)将垃圾数量为股票和质量通量的计算。在这篇文章中,我们量化样本集规模要求河岸垃圾特性,使用数据库超过14000 macrolitter物品(> 0.5厘米),采样为1年8沿着荷兰莱茵河岸的位置,艾塞尔河,和默兹河。我们使用这个数据库来执行基于蒙特卡洛的引导分析项目统计,确定样本容量之间的关系和变化均值和中位数的值。在此基础上,我们提出样本集规模需求,选择相应的不确定性和信心的水平。最适条件采样工作和信息增益之间建议(根据可接受的不确定性水平),这是一个垃圾的函数类型的异质性。我们发现垃圾的特征项的异质性变化之间的不同的垃圾分类,并证明所需的最小样本集的大小取决于垃圾分类的异质性。这意味着更多的条目的异构垃圾类别需要抽样比异构项目类别统计项达到同样的不确定性水平。 For example, to describe the mean mass the heterogeneous category soft fragments (>2.5 cm) with 90% confidence, 990 items were needed, while only 39 items were needed for the uniform category metal bottle caps. Finally, we use the heterogeneity within litter categories to assess the sample size requirements for each river system. All data collected for this study are freely available, and may form the basis of an open access global database which can be used by scientists, practitioners, and policymakers to improve future monitoring strategies and modeling efforts.
1。介绍
人为垃圾(以下简称垃圾)是无所不在的自然环境中,主要的经济后果,如损害血管,和生态影响包括摄入和纠缠(刘et al ., 2020;van Emmerik和施瓦兹,2020年)。制造垃圾的定义是任何固体废物项进入环境通过有意或无意的不当处理(麦考密克和Hoellein, 2016)。为了应对这些威胁许多一直努力减少垃圾的自然环境。理解和量化垃圾来源、运输、和积累过程可能会增加预防和减少工作的有效性。先前的研究已经表明,垃圾在水中的运输和积累,在垂直和水平维度,很大程度上取决于流体动力学之间的交互和垃圾的特点(Morales-Caselles et al ., 2021;Kuizenga et al ., 2022)。例如,垃圾在水中的沉降速度和运输是受密度的影响,表面积和垃圾的大小(Kukulka et al ., 2012;Chubarenko et al ., 2016;科瓦尔斯基et al ., 2016;施瓦兹et al ., 2019)。Pedrotti et al。(2016)观察到在地中海大量的高密度聚合物减少当远离海岸。此外,风吹动的陆地运输垃圾强烈依赖于密度、形状和大小的垃圾物品(Garello et al ., 2021;Mellink et al ., 2022 a,b)。最后,垃圾的保留(河岸)植被的大小和形状取决于垃圾(Cesarini Scalici, 2022)。改善我们的理解垃圾的行为在自然环境中,如垃圾运输途径和命运,并改善垃圾监测和建模,所以有必要识别可变性垃圾特性和相应的统计,和这对抽样变异性的影响工作。
垃圾是一种异构的实体(Roebroek et al ., 2021),因为它有许多形状(Ballerini et al ., 2022),不同大小,质量,密度,它随时间降低的速率(Delorme et al ., 2021)。时就会出现不确定性广义价值,如平均,用于表示一个异构变量如垃圾(施瓦兹et al ., 2019)。然而,目前还不清楚之间的关系是样本集规模和统计数据的可靠性和代表性。可靠的项目统计数据需要提高监控效率,在确定多少项需要采样描述一个系统。此外,运输模型应与可靠的参数化项目类别统计,因为垃圾运输和保留动态强烈依赖于材料的特点。Roebroek et al。(2022)表明,垃圾运输模型不确定性降低几个数量级的增加垃圾数据的可用性。因此,垃圾运输的模型不准确捕获垃圾异质性、不可避免的特性更大程度的不确定性。此外,垃圾异质性在转换中引入了额外的不确定性的垃圾数量(和通量)质量(单位时间内),反之亦然(范熔炉和Van Emmerik, 2019年)。这种转换通常依靠广义垃圾质量将观察到的条目的数量总质量(Vriend et al ., 2020 b)。为特定的河流可以好几个数量级的不确定性(Roebroek et al ., 2022)。由于垃圾的异构特性,基于广义广义转换因子垃圾质量,导致更高的不确定性,因此每窝代表值类型是理想的需要。
每窝获得代表值类型,代表性样本大小是必要的。许多科学学科注意样本大小之间的关系和一些测量误差(例如,瘸腿的和Defize, 1993;Cardini和埃尔顿,2007;亨尼希和库珀,2011;Maggio和富兰克林,2020年)和样本容量确定被认为是一个重要的步骤在协议设计(披散下来,2001)。矮小的研究产生无用的结果,超大号的研究使用超过实际需要的资源(披散下来,2001)。特别是在高度动态的河的环境中,不确定性会增加如果样本量不够大,而资源投资有限公司(Droppo Jaskot, 1995;Bartsch et al ., 1998)。此外,潜在的测量错误增加需要更大的样本量(弗里德曼et al ., 1990)。在垃圾的研究中这可能包括诸如误解或错误误分类对象的观察者。所有研究注意减少误差或不确定性当样本容量的增加,和大多数的研究支持一个更大的样本量。决定样本大小和所需统计确定性之间的权衡,需要技术、统计和科学知识(披散下来,2001)。因此,一种描述所需最小样本容量是必要的。评估的方法,会比较“真实价值”所需的参数,对样品和研究结果偏差的一个子集的参数值(Cardini和埃尔顿,2007),它可以使用蒙特卡罗引导调查分析(例如,鲍尔,1958;金正日,2012;江诗丹顿et al ., 2021)。然而,从未有过这样的分析垃圾研究和建议的样本大小没有了。本研究提出了一种方法来确定样本容量需要代表和可靠的垃圾数据,基于蒙特卡罗分析引导。这个分析是基于一个数据集包含特征(项目类别,长度,宽度,和质量)超过14000河岸的垃圾物品。我们发现增加样本集大小减少垃圾采样数据的不确定性。然而,人们发现通过增加样本集规模,减少不确定性水平超过一定的样本集的大小。我们还发现,垃圾的特征项的异质性变化不同垃圾分类和证明所需的最小样本集的大小取决于垃圾分类的异质性。与本研究中给出的数据集和分析我们的目标是为提高垃圾的效率监测策略,垃圾运输模型的准确性,垃圾项目计数转换为股票和垃圾质量通量的计算。
2。方法
2.1。研究区域
的集雨研究河流莱茵河,艾塞尔河和默兹(图1),是高度工业化和人口密集(~ 300居民/公里2)(van der Wal et al ., 2013)。河流莱茵河(Bovenrijn)在Spijk进入荷兰,从河口161公里。在147公里莱茵河分成瓦尔(67%的排放),Nederrijn(22%),和艾塞尔河(11%)(Schielen et al ., 2007)。瓦尔和Nederrijn然后在河口42公里收敛。在Eijsden默兹河进入荷兰,250公里从河口,排放10%的平均放电Rhine-system(230和2200米3分别为/ s)。附近的海岸(~ 80公里从海上),莱茵河和默兹系统收敛的树枝和交织在一起。最终,Rhine-Meuse系统流入北海,而艾塞尔河河水流入湖艾塞尔河后125公里。
图1。研究区(一)样本地区(谷歌地球;陆地卫星和哥白尼)。(B)白色的线的长度为100米。补充材料B提供更详细的信息在河岸上。抽样地点选择在荷兰的上游和下游端河莱茵(R)的一部分,战壕(M),艾塞尔河(IJ)。默兹河有一个额外的中点测量,莱茵河边有一个额外的取样区域以外的第一次重大分歧。在奈梅亨抽样地区(R1;桑迪;130公里的嘴),阿纳姆(R2;桑迪;130公里的嘴),鹿特丹(R3;石头;从口30公里)描述河流莱茵河,阿纳姆(IJ1; sandy; 125 km from the mouth) and Kampen (IJ2; vegetated; 16 km from the mouth) characterize the river IJssel, and the river Meuse was sampled at a location in Maastricht (M1; vegetated; 250 km from the mouth), Ravenstein (M2; vegetated; 138 km from the mouth), and Moerdijk (M3; vegetated; 56 km from the mouth).
抽样地点选在上游和下游的河流莱茵河的荷兰部分(R),默兹(M),和艾塞尔河(IJ) (图1)。补充材料了提供了一个抽样地区的详细描述。抽样地区在奈梅亨(R1)和鹿特丹(R3)是位于莱茵河边,而阿纳姆(R2)位于Nederrijn超出了莱茵河的首次重大分歧。阿纳姆(IJ1)和Kampen (IJ2)坐落在河上艾塞尔河,在默兹河采样在马斯特里赫特(M1)的位置,Ravenstein (M2),和Moerdijk (M3)。M3坐落位置之外的河流莱茵河和默兹合并,因此受到河流系统的影响。位置M3和R3在潮汐区,因此可以双向电流。
2.2。样品采集和处理
河岸macrolitter每月收集一次在2021年1月和12月之间八河岸网站。位置R2采样只有1月和12月,M1和位置没有采样1月由于样本收集和处理能力有限。采样区域的宽度定义为高水线水线的距离,有一个最大值的25米(范Emmerik et al ., 2020)。这里定义的水线是河,河岸之间的接口。高水线可以识别领域的一个比例的有机物质漂浮在河的表面沉积在这个海拔在水浒传一旦洪峰开始消退。抽样进行直到下列标准之一了:(1)覆盖100米的长度,(2)收集材料相当于80 L,或(3)采样时间超过90分钟。这些限制是基于可用性测量师的样本收集、河岸的状态(所需的采样时间可以相当高的如果有茂密的植被),为后续实验室分析和可用容量的样本材料。取样位置的宽度变化1和10 m和长度之间的10至100米。应该注意,河岸抽样偏向大项目,因为较小的项目更加难以识别(汉克et al ., 2019),因此统计数据较小macrolitter物品(< 1厘米)应该谨慎对待。
收集样本分析在实验室对水和泥沙动力学在瓦赫宁根大学。首先,物品是手工和表面清洁的沉积物和有机残骸采样保存的状态。物品可能分散在运输,这可能导致更多的垃圾物品比原采样在实验室被分析。第二,物品分类使用River-OSPAR协议(补充材料B),由北海基金会(范Emmerik et al ., 2020)。这个协议是基于OSPAR海滩垃圾监测指南(OSPAR委员会,2010),类别调整以更好地适应经常项目(荷兰)河流中找到。协议包括111个具体项目类别,分歧(即九父类别。、塑料、橡胶、纺织、纸张、木材、金属、玻璃、卫生和医疗项目)。River-OSPAR分类系统给出了一个详细的概述的大量的各种类型的垃圾。促进与其他分类方法在未来的研究直接比较努力,我们包括“换算表”(辅料F)发布的另一个快速re-categorization分类方法(纳et al ., 2017;基斯林et al ., 2019;施瓦兹et al ., 2019;Vriend et al ., 2020 a;舰队et al ., 2021)。
最后,我们确定质量、长度和宽度之间的14052件样本1月和5月,8月和11月。由于资源有限,项目没有分析其他几个月。质量是重规模(0.01 g的准确性)。在个别项目没有达到最低可检测质量,同一类的多个项目重集体,和中值分配给每个。项长度和宽度的两个最长轴与0.1厘米精度测量。
2.3。数据分析
2.3.1。确定项目类别的异质性
类别异质性Ψ[-]是用来评估项目类别差异。这代表了归一化标准差(也称为变异系数)和被定义为
σ的标准差和μ是意味着某些类别的参数,如项目长度或质量。
2.3.2。测定样本集规模的需求
物品的数量需要准确地代表类别统计取决于类别异质性。我们研究统计不确定性和样本容量之间的关系,可用于确定需要多少物品的代表和可靠的价值意味着项目质量在所有河岸(样本集规模要求,SSR)。人口的代表值意味着子集准确地反映整个人口的特点,而可靠的值意味着该方法来确定这个值一直有相同的结果。为此,我们随机抽出一个子集的设置和计算总平均质量。子集的大小范围从一个项目中所有项目的总集合。其次,基于蒙特卡罗的引导分析10000乘以每个子集的大小确定数据集的子集的偏差的意思。从这些运行时,我们计算了50,75年,90年,95%的置信区间。这些模拟运行使用所有垃圾分类集中在一起,并为每个单项与10多个采样项目类别(59 111项类别,项目占总数的89%)。这样,项目需要给代表的数量估计(在一定置信区间)的意思是可以确定一个项目类别的质量。5的偏差、10或实际平均值的20%(平均质量基于整个类别)。所有后续分析的90%置信区间为10%离均差,结果可能会改变为不同的组合。 Finally, the same analysis was carried out to calculate the values for median mass and mean length for all items, and as an example for two item categories (soft fragments >2.5 cm and metal bottle caps). This analysis could be performed for other item variables (e.g., length, width) and statistics (median) as well, but was considered out of scope for the present study.
2.3.3。确定河流系统的异构性
垃圾异质性的概念和SSRs的每项类别可以高档河岸的位置,甚至整个河流系统,允许不同尺度下异质性的特征。异质性的位置或河流系统是基于发现的物品在此系统中,和相应的SSRs的。基于SSR的90%置信区间和10%的偏差的意思是,一个项目类别被定义为均匀,异构的、或混合基于中位数SSR, SSR,中位数和均值SSR的类别:
μ是均值和ηSSR的中值我。苏维埃社会主义共和国我项目类别的样本集规模要求我,而SSR所有代表了SSRs的整个人口。
最后,如果收集不到10项,没有SSR计算,项目异质性被定义。所有项目在一个系统分类,随后之间的比例均匀,混合,异构和未定义的物品在多个尺度上决定。这使得河岸的位置之间的比较,在默兹之间,莱茵河,艾塞尔河河流系统。
3所示。结果与讨论
3.1。河岸macrolitter分类
总共16488件(184公斤)收集和分类八河岸超过12个月,其中14052(85%)称量。详细描述的长度分布的项目,看到的补充材料E。大多数项目是塑料(项数的70%,占总质量的33%),主要由无法辨认的塑料碎片(50%的所有项目)(表1)。这个结果符合的结果范Emmerik et al。(2020),他们发现55.8%的河岸垃圾物品碎片荷兰Rhine-Meuse系统。虽然塑料收集项目计数(占主导地位表1),当地的空间变化存在(图2)。这主要可以导致河岸的类型和使用(补充材料了),扮演一个角色在项目被困和留存(Liro et al ., 2022)。例如,休闲区,如R1、显示比例较低的塑料物品(例如只有15%的项目计数R1),由消费者主导的项目,如香烟过滤器、金属瓶盖、玻璃瓶子。
表1。所有的垃圾收集统计信息。
图2。地图的八个沿着荷兰莱茵河岸的位置(R1、R2和R3),默兹(M1和M2),和艾塞尔河(IJ1和IJ2)河流。对于每一个位置,垃圾物品的总数饼图(左)和垃圾物品的总质量(饼图)发现的九父垃圾分类(塑料、橡胶、纺织品、纸张、木材、金属、玻璃、卫生,和医学)。饼图的直径表示物品的总量和质量。
项目平均质量11.1克塑料(6.1克),和质量中值为0.55 g(塑料0.53 g) (表1)。总结统计每项类别中可以找到补充材料C。均值和中位数质量之间的差异表明一个高度积极的偏态分布与许多轻物品和相对较少的重离群值。大量的片段(例如软片段,片段,泡沫碎片)负责这个skewedness (图3一)。沉重的离群值包括废金属,如自行车,和金属管道(图3 b)。偏态分布可能有深远的影响建立一个质量平衡只使用总结统计。例如,漂浮塑料通量的估算,基于项目每小时(这是后来每年转化为质量),可以相差一个数量级当使用均值或中位数为这种转换质量(范Emmerik et al ., 2022)。
图3。十大最常见的项目列表的基础上(一)项目数量和(B)质量。项目类别被定义为<我>均匀(斜体)异构(粗体显示),混合(正常),或未定义(灰色)基于以下分析。
十大最常见项目(图3)项目占总量的56%和总质量的65%。20个最丰富的项目占项目总数的66%和总质量的87%,分别。前十项不同强烈当考虑物品的数量或质量证明图3。在频率方面,塑料碎片、食品包装、和项目相关耗材和香烟过滤器是最丰富的类别(图3一)。在质量方面,前十项主要包括人口密度较高的项目,如金属(意味着质量41 g),木材质量(平均176 g),和玻璃(意味着质量27 g) (图3 b)。丰度之间的这种差异数和强调质量的重要性,质量可靠的统计数据估计垃圾质量平衡。虽然积累材料河岸通常表示表面积计算每项,项目质量/表面积是关闭质量平衡更相关。考虑到项目由于碎片可能会随着时间的增加,我们认为每表面积更合适的项目质量指标河岸垃圾积累。
3.2。项目类别的异质性
项目特征的数据集之间的内部和垃圾分类上可以有很大的不同。能给一个准确的意思是,中位数,和标准偏差的垃圾物品类别(补充材料C),样本容量必须足够大来捕获质量和长度的变化在一个类别。物品的数量需要准确地代表类别统计(在一定的不确定性水平),取决于类别的异质性。River-OSPAR系统聚合类别(如软碎片大于2.5厘米),可能会有大变化项目质量和大小。相对统一的项目组成的类别(例如,香烟过滤器)这可能是相反的。可变性在一个类别可以被一个类别特征异质性Ψ(方程1),提出了直方图的长度和质量(图4)。更广泛的分布,如软、硬的片段,属于更多的异构项目类别,这反映在Ψ(分别为1.03和0.92项的长度)。注意x轴的轴规模打破图4 f j,这表明一个更广泛的比推断从可见的直方图直方图。窄分布,如香烟过滤器和金属瓶盖被类别异质性较低(Ψ= 0.08和Ψ= 0.14项的长度,分别)。项目异质性是最重要的因素之一,它决定了多少项应取样获得代表项目统计和这些SSRs下面讨论。
图4。(j)长度(左列,绿色)和质量(右列,紫色)最常见的五个项目,分布异构Ψ及其对应的类别。的规模在x轴面板显示更广泛的比推断从可见的直方图直方图。
3.3。样本集的尺寸要求
通过收集更多的垃圾项目,项目统计数据(如中值和平均质量或长度)变得更加不确定,这是特别相关的异构垃圾分类。统计不确定性减少的数量和增加样本容量,这意味着结果的均值或中位数的可能范围从子集,不同人口越来越少。然而,不确定性显示了一个逆与样本容量指数降低。大样本大小仅在小程度上减少静电的不确定性在一定阈值。这个阈值代表了最小数量的项目所需样品为了获得代表数量(在一定置信界限)质量和长度的统计数据。
来描述所有垃圾的平均质量样品位置,最大偏差均值的10%基于总人口90%的信心,至少8900件需要采样和测量(重物品的总量的63%)。捕捉代表平均长度1200件(9%)需要收集,而只有173件(1%)需要描述质量中值(图5模拟)。异构项类别越多,需要收集更多的样品获得代表质量和长度的统计数据。一个例子的SSR的同构和异构的子类给出了异构类别“软碎片大于2.5厘米,990件(全样本的42%)是需要找到一个意味着质量(意味着质量基于全人口的10%)与90%的信心(图5情况)。在确定的平均质量均匀的项目类别,如“金属瓶盖”(图5我),只有38(6%的全样本)项目足够了。
图5。取样大小的例子基于所有项目的要求(模拟)、软碎片> 2.5厘米(情况),瓶盖(我)。抽样规模要求显示的准确表示的意思是质量(B, F, J),中等质量(C、G、K),指的是长度H (D, L)基于95%置信区间,表示为一个偏离值基于完整的数据集。冲水平线显示±10%。在(A, E, I)物品的分布显示,包括标准偏差(std)偏态(sk)和峰度(科尔),表明项目类同质性。
样本收集和测量的数量取决于接受信心边界和最大程度的总人口的平均偏差。在上述例子中,被允许的最大偏差10%,估计有90%的信心。这些条件的精确表示的意思是食品包装的质量达到150件时测量。然而,如果允许偏差为±20%,只有110件需要达到所需的不确定性。同样,如果50%的信心边界是允许的,只需要95项代表的意思是质量(±10%)。水平的信心和最大程度的偏差允许因此影响SSR。
我们展示的SSR 59项类别有超过10项表2,这可能是用于之间找到一个平衡统计抽样努力在未来不确定性和监测工作。这59项分类收集物品的占总数的89%。意味着SSR = 158件,而中位数等于40项。数据集不包含足够的样本为所有类别提供估计的质量在选定的边界和偏差的信心意味着在这个研究。当项目需要的数量代表的意思是质量等于项目收集的总数(红色阴影表2),或者当一个水平的不确定性(信心边界和平均偏差)从来没有达到(由N / a表2),它提供一个SSR是不可能的。最高的信心边界(95%)和最低离均差(5%),这是37项类别。表2也显示了每个条目的类别异质性类别,基于可用的数据集计算,即使它不是足够大足够确定SSRs的。演示了在上述例子中,获得相同的河岸mass-size统计的不确定性水平垃圾、SSRs的异构项目类别是高于同类项目类别。这是强调SSR和类别之间的相关性(平方)异质性对这些59项类别,平均是0.45,但是0.12和0.60之间变化。
表2。样本集规模需求(项目)基于意味着质量选择的类别与超过10项研究数据库。
SSRs可以基线监测协议设计和作为一个经验法则或指示进行初步设计。如果需要,SSR分析可以扩展计算SSR基于中间地块,意思是,中等长度和平均或中等宽度,基于这个数据集。自从SSR分析取决于使用物品分类方法,我们包括“换算表”(辅料F)的另一个快速re-categorization发表垃圾分类方法(纳et al ., 2017;基斯林et al ., 2019;施瓦兹et al ., 2019;Vriend et al ., 2020 a;舰队et al ., 2021)。
3.4。河流系统的异质性
SSRs的垃圾物品可以用来评估特定位置的异质性或整个河流。这个应用程序所示图6基于项目计数,显示了垃圾异质性在莱茵河(R1, R2, R3),默兹(M1, M2, M3)和艾塞尔河(IJ1 IJ2)河流,假设90%置信区间的最大偏差为10%。默兹河的河岸上的垃圾和艾塞尔河主要属于不同类别,如大量的硬性和软性塑料碎片> 2.5厘米(SSR分别在1300年和1000年)。与之相反的河流莱茵河河岸包含主要是均匀的类别。当缩放location-level异质性(表3),很明显,R1占这个位置。位置R1基本上可描述为一个均匀采样位置,导致大量的同类项目位置R1 (表311),比如香烟过滤器(SSR)和金属瓶盖38 (SSR) (补充材料D)。每个取样点的异质性(假设90%置信区间的最大偏差10%)所示表3强烈对应的异质性前10项(补充材料D)。
图6。河流系统异质性基于90%置信界限和10%的平均偏差,在河里莱茵(R1, R2, R3)(一),默兹(M1, M2, M3)(B)和艾塞尔河(IJ1 IJ2)(C)。均匀:苏维埃社会主义共和国类别≤SSR中值所有(40项)。异构;苏维埃社会主义共和国类别≥意味着苏维埃社会主义共和国所有(158件)。混合:中位数苏维埃社会主义共和国所有<苏维埃社会主义共和国类别<意思是苏维埃社会主义共和国所有。定义:SSR无法确定。
表3。垃圾异质性每个示例站点,基于意味着质量90%信心边界和10%的平均偏差,在河里莱茵(R1, R2, R3),默兹(M1, M2, M3)和艾塞尔河(IJ1 IJ2)。
之间的异质性和SSRs相差很大,河流,它强调河和网站数据采集的需要。例如,为异构系统应该收集更多的数据。因此,识别垃圾异质性/系统可以给一个指示准确捕获系统所需的资源投资河岸垃圾。当执行蒙特卡罗引导分析河流系统内所有项目发现,90%信心边界和10%的偏差,河流莱茵河可以通过测量采样3000件(所有项目发现莱茵河边的78%)。同样的,6900件(71%)是必要的默兹河,河艾塞尔河和2000年(96%)。这些东西会给足够的数据来得出代表的意思是质量统计数据,但它不提供任何时空信息。艾塞尔河河流组成的SSR几乎所有的物品在我们的数据库,和更多的条目应该收集确认计算SSR。较小的SSR的河流莱茵河表明其均匀的特点,而较大的SSR默兹河再次证实了其更多的异构的特点。此外,由于在异构产品固有的不确定性,不确定性垃圾数据永远是更大的比更多的同质系统异构系统。
4所示。合成和前景
本研究量化的样本量要求人为垃圾物品和评估他们的异质性,基于超过14000河岸物品。我们的结果表明,统计不确定性降低增加样本集的大小,可以预料,但是信息增益量逐渐减少时,增加样本量。因此,确定合适的样本量需要之间找到一个最佳的可接受的不确定性和必要的取样工作。此外,结果表明,非均匀垃圾项目类别需要更大的样本集大小比均匀类别为了获得相似的大小和质量统计数据的不确定性水平。
垃圾异质性的决心和派生的样本集的大小是至关重要的优化垃圾监控协议的效率。样本集规模需求可以提高数据采集效率,众所周知的项目种类多和少项目需要收集和分析。SSR可以作为限制数据收集,避免浪费资源收集数据不确定性水平超出了研究问题的范围使用的数据。本研究提供一种方法来估计SSR,给人的第一迹象的数量级的物品数量应该为某些不确定性水平采样为特定的垃圾物品。本研究中所采用的方法可以转移到其他系统,和结果可以作为其他河流系统作为研究的起点。例如,收集齐次项类别细节可以表现在低于测量未来异构类监测活动。此外,需要优化监测分析在这些不同的系统可以从这项研究中采用。开始收集非常详细的数据,收集后续样品可以缩减规模,以确保更有效的监控。这可能需要一个迭代的过程,在此期间,在任何时候在这项研究中,数据需要可以重新执行基于蒙特卡洛的引导分析。
垃圾运输和命运模型可以受益于包括垃圾统计生成的在这个研究。例如,模型用于研究垃圾的运输行为可能包括具体项目的质量和大小类别。这些参数影响垃圾行为与浮力或风敏感性(Kuizenga et al ., 2022;Mellink et al ., 2022 a)。因此包括参数将有助于解释基本运输和保留行为不同的垃圾分类在河流系统,并有可能改善模型的结果。
同样,在这项研究中给出的数据可以用来改善模型用于估算的大规模运输垃圾在河流为例梅耶尔et al ., 2021)。最近的见解Roebroek et al。(2022)表明item-mass转换模型的不确定性是一个重要的因素在这种类型的模型。我们的数据集items-specific mass-statistics因此可以用来更精确地执行这种转换,减少不确定性模型的结果。质量统计垃圾分类可以进一步用于改善项count-to-mass转换研究中目前不包括质量。包括在这些数据集质量允许数据环境垃圾污染与垃圾生产相比,泄漏,和运输,因为所有的数据然后用相同的单位表示单位时间(质量)。这使得这些通量之间的关系研究。例如,我们可以使用litter-statistics在以前收集的数据集包括质量item-count基础研究(例如,Crosti et al ., 2018;Gonzalez-Fernandez et al ., 2021;Morales-Caselles et al ., 2021)。这个现在可以直接与数据从大众化研究相比,例如浪费塑料生产和传输(例如,Lebreton Andrady, 2019;Borrelle et al ., 2020;梅耶尔et al ., 2021)。包括质量统计数据的研究中,我们的研究也会减少不确定性执行item-to-mass转换使用有限的数据(例如,范Emmerik et al ., 2018;Vriend et al ., 2020 b)。
可以采取几个步骤评估和提高数据的适用性提出了研究。首先,它应该探索SSR决定是否从当前数据是河流系统特定的或相关的参数,比如item-specific SSRs的质量是否可转让的河流系统之间。我们的研究结果很可能适用于河边的系统类似的气候特征和类似的工业和消费的模式。消费的差异,活动(那里提取et al ., 2021)、废物管理、河岸形态和植被(Liro et al ., 2022)可能会导致其他类型的垃圾存在和不同大小和质量统计数据在其他河流环境。通过将我们的方法应用到现有的垃圾数据集(例如,Tramoy et al ., 2019)或通过收集新数据集的不同类型的河流系统,可以评估我们SSRs的普遍性。如果结果具有可比性之间不同类型的河流系统,本研究的样本容量需求为未来的研究可以作为指导方针从而指导将来的抽样工作的规模。
其次,本研究中给出的数据集可以形成一个开放的全球的基础数据库。这对改善垃圾监测和建模工作至关重要。尽管全球建模研究是极其相关了解垃圾通量,垃圾数据变化在本地(施瓦兹et al ., 2019),本地数据是必要的,以减少不确定性的结果。这种本地数据反过来可以高档区域或全球域。建议开放数据库可以通过科学家、决策者和利益相关者来改善未来的监控、决策和解决方案的设计。
5。结束语
我们提出一个方法来确定样本容量要求具体项目类别和河流系统。这些可以用来优化数据收集工作,优先收集和分析项目具有较大的异质性。同样大小的项目类别和河流系统之间的需求相差很大。等异构条目类软碎片大于2.5厘米,990件需要描述意味着质量有90%的信心,并在确定的平均质量统一的项目,如金属瓶盖,只有39项是必要的。至少8900件必须抽样为了描述所有垃圾项目的平均质量在所有位置的置信水平为90%,最高10%的平均偏差。流域规模代表汇总统计,1645年,2065年,2033件必须取样莱茵河,默兹,和艾塞尔河。收集的数据都是公开的,可以用来优化未来的监测工作,并限制模型参数。未来监控策略可以受益于这项工作,采用类似的策略,详细的数据收集和随后的引导分析,会导致后续的降尺度样本集合。一个例子可以减少抽样工作均匀类别。本文,我们的目标是为减少垃圾监测和建模不确定性,为了更好地理解和量化垃圾丰富,运输、命运,和影响。
数据可用性声明
所有的数据都是通过公开可用https://doi.org/10.4121/191881314你的存储库。
作者的贡献
国营电视台和SL:概念、方法和资金收购。SL:正式的分析和调查。SL和PT:可视化。SL, YM, PV:原创作品。国营电视台:项目管理。SL, YM, PV、PT、国营电视台,FB, RH, VV,呃,新泽西,和LS: writing-review和编辑。作者:所有数据收集。所有作者的文章和批准提交的版本。
资金
本研究部分是由荷兰的基础设施和水资源管理,公共工程和水资源管理董事会(Rijkswaterstaat)。国营电视台的工作是像支持的研究项目,这条河塑料监测项目与项目编号为18211,这是(部分)由荷兰研究委员会(NWO)。YM收到了来自海洋的资金清理。
确认
作者感谢所有帮助的志愿者的实地考察和实验室测量:艾琳Looijen,安娜•施瓦茨美女Holthuis,大褂Mekonen,波阿斯Kuizenga, Dana负责人Evelien Castrop,吉斯。Roosen Joel Kampen Joshua Leusink Khoa Thi, Kryss Waldschlager,劳拉·威尔逊Lianita Suryawinata, Lisanne Middelbeek,孤独的丹尼尔·Maartje Wadman,尼尔斯·詹森,奥尔加·Dondoli罗伊·弗林斯RL,鲁斯Kolkman,罗莎莉Mussert,玫瑰平托,Siebolt Folkertsma, Tijme Rijkers,蒂姆•范德Kuijl Titus Kruijssen,汤姆Barendse,韦塞尔范德梅尔先生和张Jiaheng。作者感谢Paul Torfs提供反馈的统计和尼克·华伦斯坦建议早期版本的手稿。此外,我们感谢所有审阅人员。本文在一定程度上是基于技术报告试点监测drijvend zwerfafval en macroplastics rivieren: Jaarmeting 2021 (https://doi.org/10.18174/566475)。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
补充材料
本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/frwa.2022.1085285/full补充材料
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关键词:macroplastic抽样,莱茵河,战壕,异质性,样本集规模需求,人为垃圾、数据库
引用:德兰格SI, Mellink Y, Vriend P, Tasseron PF, Begemann却F,霍克R, Aalderink H,哈默尔E,简颂P,艾伯N, Lohr AJ, Lotcheris R, Schreyers L, Vos V和van Emmerik三卤甲烷(2023)样本量要求河岸macrolitter鉴定。<我>前面。水4:1085285。doi: 10.3389 / frwa.2022.1085285
收到:2022年10月31日;接受:2022年12月19日;
发表:2023年1月19日。
编辑:
Banu Ormeci加拿大卡尔顿大学版权©2023德兰格,Mellink、Vriend Tasseron, Begemann却霍克,Aalderink,哈默尔,简颂,艾伯,Lohr, Lotcheris Schreyers Vos, van Emmerik。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。
*通信:Sjoukje德兰格,<我mg src="//www.thespel.com/files/Articles/1085285/frwa-04-1085285-HTML/image_n/frwa-04-1085285-i001.gif" style="float:none;margin:0" alt="是的">sjoukje.delange@wur.nl