Grundvattenförorening erkänns alltmer som ett utbrett miljöproblem. Det viktigaste tillvägagångssättet är ofta långtidsövervakning. Men vad är det mest kostnadseffektiva sättet att övervaka när föroreningsplymerna är stora, komplex, och långsiktigt, eller kan en oväntad händelse som en storm orsaka plötsliga förändringar i föroreningsnivåer som kan missas vid periodisk provtagning?

Forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Savannah River National Laboratory har utvecklat en lågkostnadsmetod för realtidsövervakning av föroreningar med hjälp av allmänt tillgängliga sensorer. Deras studie, "In situ övervakning av grundvattenförorening med Kalman -filtret, " publicerades nyligen i tidskriften, Miljövetenskap och teknik .

"Konventionella metoder för övervakning innebär att man tar vattenprover varje år eller varje kvartal och analyserar dem i labbet, " sa Haruko Wainwright, en Berkeley Lab-forskare som ledde studien. "Om det finns avvikelser eller en extrem händelse, du kan missa de förändringar som kan öka föroreningskoncentrationerna eller potentiell hälsorisk. Vår metodik tillåter kontinuerlig övervakning på plats med hjälp av proxymätningar, så vi kan spåra plymrörelser i realtid."

"Analys av den autonoma in situ-datan kan snabbt analyseras på distans med hjälp av maskininlärningsmetoder, ", tillade hon. "Det kan fungera som ett tidigt varningssystem - vi kan upptäcka plötsliga förändringar i föroreningsnivåer. Dessa förändringar kan tyda på ett behov av mer eller mindre ingripanden vad gäller saneringsstrategin, leder idealiskt till förbättrad såväl som mer kostnadseffektiv sanering."

Miljöövervakning har blivit viktigare de senaste åren eftersom saneringsmetoderna har flyttats bort från intensiv grundvattenrening och markborttagning. "Intensiv sanering har många negativa miljöpåverkan, inklusive luftföroreningar, stor energivattenanvändning, och avfallsproduktion, " sa Wainwright. "Så experter har börjat fundera på ett paradigmskifte från denna mycket intensiva sanering till en mer hållbar sanering, eller 'grön sanering, Så vi tänker inte bara på föroreningsnivån utan vi tänker på nettomiljöpåverkan."

Dock, långtidsövervakning kan bli kostsam över tid för stora föroreningar. Vad mer, nuvarande långsiktiga övervakningsstrategier överväger inte hur plötsliga eller gradvisa väderförändringar, såsom kraftiga regn, kan påverka plymens beteenden. Denna aspekt är särskilt viktig när man överväger ihållande plymer, såsom de som är förknippade med metall- eller radionuklidkontamination.

Det nya tillvägagångssättet börjar med sensorer för att spåra vattenkvalitetsvariabler som har fastställts vara tillförlitliga indikatorer på föroreningsnivåer. För syftet med denna studie, forskarna spårade nivåer av tritium och uran-238 i grundvattnet vid Savannah River Site, en tidigare kärnvapenproduktionsanläggning i South Carolina som förvaltas av DOE.

För denna webbplats, de mätte surhetsgrad (eller pH) nivåer och specifik konduktans (ett mått på elektrisk konduktans); dessa variabler fastställdes vara tillförlitliga indikatorer för tritium- och uran-238-koncentrationer. Data från de flera sensorerna matades sedan in i ett Kalman -filter för att uppskatta föroreningskoncentrationer. Ett Kalman-filter är inte ett fysiskt filter utan snarare en matematisk algoritm som kan integrera blandade tidsseriedata för att göra uppskattningar. Det används ofta inom olika områden, som trafikprognoser och fjärranalys.

Med hjälp av historiska data från Savannah River Site, forskarna fann att deras teknik gav tillförlitlig information om plymens beteende under de senaste 20 åren, vilket indikerar att det nya tillvägagångssättet har ett betydande lovande som en långsiktig övervakningsstrategi för att snabbt bedöma en förorenings plymstabilitet. En annan fördel jämfört med konventionella metoder är att det kan minska frekvensen av manuell grundvattenprovtagning och laboratorieanalys, och därmed minska övervakningskostnaden.

Wainwright, som är expert på grundvattenföroreningar och miljödataanalys, sade att denna metodik kan användas för både yt- och underjordiskt vatten. Det kan också potentiellt användas för att spåra andra metaller, radionuklider, och organiska föreningar som vanligtvis finns i grundvatten, såsom arsenik, krom, och bränslen.

"Det finns så många olika typer av sensorer tillgängliga nu, och sensornätverk och snabb statistisk analys är enkel, ", sa hon. "Vi kan sätta ihop alla typer av in situ-sensorer och uppskatta målkoncentrationen av föroreningar med hjälp av detta ramverk för dataintegration i realtid."

Hon tillade:"Förbättrad övervakningsteknik är avgörande för att skydda folkhälsan och ekologin. Människor känner sig trygga om de övervakas ordentligt. Vår teknik är ett sätt att övervaka sådana hållbara saneringar - effektivt och billigt."