Загрязнение подземных вод все чаще признается широко распространенной экологической проблемой. Наиболее важный курс действий часто включает в себя долгосрочный мониторинг. Но каков наиболее экономичный способ мониторинга, когда шлейфы загрязняющих веществ являются большими, сложными и долгосрочными, или неожиданное событие, такое как шторм, может вызвать внезапные изменения уровней загрязнения, которые могут быть упущены при периодическом отборе проб?
Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) и Национальной лаборатории Саванна-Ривер разработали недорогой метод мониторинга загрязняющих веществ в реальном времени с использованием общедоступных датчиков. Их исследование «Мониторинг загрязнения грунтовых вод на месте с использованием фильтра Калмана» было недавно опубликовано в журнале «Environmental Science & Technology».
«Обычные методы мониторинга включают отбор проб воды каждый год или каждый квартал и их анализ в лаборатории», - говорит Харуко Уэйнрайт, исследователь из лаборатории Беркли, руководившая исследованием. «Если есть аномалии или экстремальные явления, вы можете пропустить изменения, которые могут увеличить концентрацию загрязняющих веществ или потенциальный риск для здоровья. Наша методология позволяет проводить непрерывный мониторинг на месте с использованием косвенных измерений, поэтому мы можем отслеживать движение шлейфа в режиме реального времени».
«Анализ автономных данных на месте можно быстро проанализировать удаленно с использованием методов машинного обучения», - добавила она.«Он может действовать как система раннего предупреждения - мы можем обнаруживать внезапные изменения уровней загрязнения. Эти изменения могут указывать на необходимость большего или меньшего вмешательства с точки зрения стратегии восстановления, что в идеале приводит к улучшению, а также к более рентабельной очистке."
Экологический мониторинг стал более важным в последние годы, поскольку методы восстановления отходят от интенсивной очистки подземных вод и удаления почвы. «Интенсивная очистка имеет множество негативных последствий для окружающей среды, включая загрязнение воздуха, большое потребление энергии и воды и образование отходов», - сказал Уэйнрайт. «Поэтому эксперты начали думать о смене парадигмы от этой очень интенсивной реабилитации к более устойчивой реабилитации, или «зеленой реабилитации», поэтому мы думаем не только на уровне загрязняющих веществ, но и о чистом воздействии на окружающую среду».
Однако долгосрочный мониторинг больших загрязнений со временем может оказаться дорогостоящим. Более того, текущие стратегии долгосрочного мониторинга не учитывают, как резкие или постепенные изменения погоды, такие как проливные дожди, могут повлиять на поведение шлейфов. Этот аспект особенно важен при рассмотрении устойчивых шлейфов, связанных, например, с загрязнением металлами или радионуклидами.
Новый подход начинается с датчиков для отслеживания переменных качества воды, которые были определены как надежные индикаторы уровней загрязнения. В целях этого исследования исследователи отслеживали уровни трития и урана-238 в грунтовых водах на Саванна-Ривер-Сайт, бывшей площадке по производству ядерного оружия в Южной Каролине, находящейся под управлением Министерства энергетики..
Для этого сайта они измерили уровни кислотности (или pH) и удельную электропроводность (показатель электропроводности); эти переменные были определены как надежные индикаторы концентраций трития и урана-238. Затем данные с нескольких датчиков вводились в фильтр Калмана для оценки концентрации загрязняющих веществ. Фильтр Калмана - это не физический фильтр, а скорее математический алгоритм, который может интегрировать данные смешанных временных рядов для получения оценок. Он широко используется в различных областях, таких как прогнозирование трафика и дистанционное зондирование.
Используя исторические данные участка Саванна-Ривер, исследователи обнаружили, что их метод дает достоверную информацию о поведении шлейфа за последние 20 лет, указывая на то, что новый подход имеет значительные перспективы в качестве долгосрочной стратегии мониторинга для быстрой оценки устойчивость шлейфа загрязнения. Еще одно преимущество по сравнению с традиционными подходами заключается в том, что он может сократить частоту ручного отбора проб подземных вод и проведения лабораторных анализов и, таким образом, снизить стоимость мониторинга.
Уэйнрайт, эксперт в области загрязнения подземных вод и анализа данных об окружающей среде, сказал, что эту методологию можно использовать как для поверхностных, так и для подземных вод. Его также потенциально можно использовать для отслеживания других металлов, радионуклидов и органических соединений, обычно встречающихся в подземных водах, таких как мышьяк, хром и топливо.
«Сейчас доступно так много различных типов датчиков, а объединение датчиков в сеть и быстрый статистический анализ очень просты», - сказала она.«Мы можем объединить все типы датчиков на месте и оценить целевую концентрацию загрязняющих веществ, используя эту структуру для интеграции данных в режиме реального времени».
Она добавила: «Усовершенствованные методы мониторинга необходимы для защиты общественного здоровья и экологии. Люди чувствуют себя в безопасности, если они должным образом контролируются. Наш метод - это способ контролировать такое устойчивое восстановление - эффективно и дешево».