Algoritme giver et tidligt varslingssystem til sporing af grundvandsforurening

Grundvandsforurening er i stigende grad anerkendt som et udbredt miljøproblem. Den vigtigste fremgangsmåde involverer ofte langsigtet overvågning. Men hvad er den mest omkostningseffektive måde at overvåge, når forureningsfanerne er store, kompleks, og langsigtet, eller kan en uventet hændelse, såsom en storm, forårsage pludselige ændringer i forureningsniveauer, som kan blive overset ved periodisk prøvetagning?

Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Savannah River National Laboratory har udviklet en billig metode til realtidsovervågning af forurenende stoffer ved hjælp af almindeligt tilgængelige sensorer. Deres studie, "In situ overvågning af grundvandsforurening ved hjælp af Kalman -filteret, "blev offentliggjort for nylig i tidsskriftet, Miljøvidenskab og -teknologi .

"Konventionelle overvågningsmetoder involverer at tage vandprøver hvert år eller hvert kvartal og analysere dem i laboratoriet, " sagde Haruko Wainwright, en Berkeley Lab-forsker, der ledede undersøgelsen. "Hvis der er anomalier eller en ekstrem hændelse, du kan gå glip af de ændringer, der kan øge forureningskoncentrationer eller potentiel sundhedsrisiko. Vores metode tillader kontinuerlig overvågning in situ ved hjælp af proxy -målinger, så vi kan spore fanebevægelser i realtid."

"Analyse af de autonome in situ -data kan hurtigt fjernanalyseres ved hjælp af maskinlæringsmetoder, " tilføjede hun. "Det kan fungere som et tidligt advarselssystem - vi kan opdage pludselige ændringer i forureningsniveauer. Disse ændringer kan indikere et behov for mere eller mindre intervention i forhold til afhjælpningsstrategien, fører ideelt til forbedret såvel som mere omkostningseffektiv oprydning."

Miljøovervågning er blevet vigtigere i de senere år, efterhånden som saneringsmetoderne er blevet flyttet væk fra intensiv grundvandsrensning og jordfjernelse. "Intensiv oprydning har en masse negative miljøpåvirkninger, herunder luftforurening, stort energi-vandforbrug, og affaldsproduktion, " sagde Wainwright. "Så eksperter er begyndt at tænke på et paradigmeskifte fra denne meget intensive rensning til en mere bæredygtig rensning, eller 'grøn afhjælpning, Så vi tænker ikke kun på forureningsniveauet, men vi tænker på nettomiljøpåvirkningen."

Imidlertid, langsigtet overvågning kan blive dyrt over tid for store forureninger. Hvad mere er, nuværende langsigtede overvågningsstrategier overvejer ikke, hvor pludselige eller gradvise ændringer i vejret, såsom hændelser med kraftig regn, kan påvirke fanens adfærd. Dette aspekt er særligt vigtigt, når man overvejer vedvarende faner, såsom dem, der er forbundet med metal- eller radionuklidforurening.

Den nye tilgang starter med sensorer til at spore vandkvalitetsvariabler, der har været bestemt til at være pålidelige indikatorer for forureningsniveauer. Med henblik på denne undersøgelse, forskerne sporede niveauer af tritium og uranium-238 i grundvandet ved Savannah River Site, et tidligere produktionssted for atomvåben i South Carolina, der administreres af DOE.

For dette websted, de målte surhedsgrad (eller pH) niveauer og specifik ledningsevne (et mål for elektrisk ledningsevne); disse variabler blev bestemt til at være pålidelige indikatorer for tritium og uran-238 koncentrationer. Dataene fra de flere sensorer blev derefter ført ind i et Kalman-filter for at estimere forureningskoncentrationer. Et Kalman-filter er ikke et fysisk filter, men snarere en matematisk algoritme, der kan integrere blandede tidsseriedata for at lave estimater. Det er almindeligt anvendt i forskellige områder, såsom trafikforudsigelse og fjernmåling.

Ved at bruge historiske data fra Savannah River Site, forskerne fandt ud af, at deres teknik gav pålidelig information om fanens adfærd gennem de sidste 20 år, hvilket indikerer, at den nye tilgang har et betydeligt løfte som en langsigtet overvågningsstrategi til hurtig vurdering af en forurenings fanestabilitet. En anden fordel i forhold til konventionelle tilgange er, at det kan reducere hyppigheden af ​​manuel grundvandsprøvetagning og laboratorieanalyse, og dermed reducere overvågningsomkostningerne.

Wainwright, som er ekspert i grundvandsforurening og miljødataanalyse, sagde denne metode kan bruges til både overflade- og underjordisk vand. Det kan også potentielt bruges til at spore andre metaller, radionuklider, og organiske forbindelser, der almindeligvis findes i grundvandet, såsom arsen, krom, og brændstoffer.

"Der er så mange forskellige typer sensorer tilgængelige nu, og sensornetværk og hurtig statistisk analyse er ligetil, " sagde hun. "Vi kan sammensætte alle typer in situ sensorer og estimere målkoncentrationen af ​​forurening ved hjælp af denne ramme til dataintegration i realtid."

Hun tilføjede:"Forbedrede overvågningsteknikker er afgørende for at beskytte folkesundheden og økologien. Folk føler sig trygge, hvis de overvåges korrekt. Vores teknik er en måde at overvåge sådanne bæredygtige afhjælpninger - effektivt og billigt."