Satu pasukan penyelidik telah berkembang kaedah baru, kos rendah untuk pemantauan masa nyata pencemaran air bawah tanah. Perkembangan ini dapat memberikan rangsangan kritikal untuk usaha pemulihan "hijau" yang dapat mengurangkan pencemaran air bawah tanah tanpa menjejaskan persekitaran sekitar.

Kajian itu, bertajuk "Di Situ Pemantauan Pencemaran Air Tanah Menggunakan Penapis Kalman, "Adalah hasil kerjasama antara Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley Jabatan Tenaga Amerika Syarikat (Berkeley Lab), yang dikendalikan oleh University of California, dan Makmal Kebangsaan Sungai Savannah.

Keperluan pemulihan

Pencemaran air bawah tanah, yang hampir selalu merupakan hasil daripada bahan buatan manusia dan bahan pencemar yang dilepaskan ke alam sekitar, boleh menyebabkan banyak masalah bagi alam semula jadi dan bagi populasi manusia yang tinggal di kawasan yang terjejas.

Lebih daripada 50 peratus air minuman di Amerika Syarikat diperoleh daripada air bawah tanah. Ia juga merupakan salah satu sumber air yang paling penting untuk pengairan.

Air bawah tanah yang tercemar - sama ada hasil fracking, penggunaan racun perosak, atau sistem septik yang rosak - boleh menjejaskan segala-galanya daripada keselamatan air minum anda kepada kualiti makanan yang anda makan dan kesihatan penduduk kerang-kerangan sekitarnya.

Pertumbuhan pergerakan alam sekitar sejak separuh abad yang lalu telah meningkatkan kesedaran orang ramai mengenai kesan pencemaran air bawah tanah. Kesedaran yang semakin meningkat ini telah menyebabkan banyak usaha untuk membersihkan - atau menyusun semula - air bawah tanah yang tercemar.

"Pemulihan air bawah tanah mempunyai kira-kira tahun sejarah 60," kata penyelidik utama Haruko Wainwright, seorang saintis penyelidikan di Berkeley Lab, yang pakar dalam pencemaran air bawah tanah dan analisis data alam sekitar.

Kelemahan kaedah pemulihan semasa

Malangnya, pemulihan adalah mahal dan sukar dilakukan tanpa sengaja menyebabkan kesan buruk terhadap alam sekitar. Akibatnya, pakar pemulihan semakin beralih daripada pemulihan intensif dan penyingkiran tanah untuk meneruskan lebih banyak strategi "hijau" atau pemulihan pasif.

"Dalam dekad yang lalu, terdapat pengakuan yang semakin meningkat bahawa pemulihan intensif tidak berkesan dan sebenarnya boleh merosakkan alam sekitar, kerana ia menggunakan banyak air dan tenaga, mengeluarkan sisa dan CO2, dan berpotensi mencipta gangguan ekologi dan pencemaran udara, "kata Wainwright .

"Pemulihan pasif atau pelemahan semulajadi kini dianggap lebih mampan dan mempunyai manfaat alam sekitar bersih. Pemantauan air bawah tanah adalah penting untuk memastikan keselamatan orang ramai sementara pendekatan yang berkekalan ini dilaksanakan. "

Seperti yang ditunjukkan Wainwright, strategi pemulihan yang paling berkesan memerlukan pemantauan jangka panjang pencemaran air bawah tanah yang tepat. Tetapi sekali lagi, pemantauan jangka panjang adalah kompleks dan mahal.

"Pemantauan konvensional mengambil sampel air setiap tahun atau setiap suku tahun dan menganalisisnya dalam makmal," kata Wainwright. "Sekiranya terdapat anomali atau peristiwa ekstrim, anda boleh terlepas perubahan yang mungkin meningkatkan konsentrasi cemar atau potensi risiko kesihatan."

Ini memberikan cabaran: bagaimana anda dapat memantau tahap pencemaran secara berterusan dengan kos yang rendah?

Pasukan Wainwright mendapat penyelesaian.

Kaedah baru

"Metodologi kami membolehkan pemantauan berterusan in situ [di tapak] menggunakan pengukuran proksi, jadi kita boleh menjejaki pergerakan bulu secara real time," katanya dalam satu kenyataan. "Analisis data otonom di situ dapat dengan cepat dianalisis secara jauh menggunakan kaedah pembelajaran mesin."

Kaedah baru melibatkan penggunaan sensor untuk mengesan pembolehubah kualiti air yang telah ditentukan untuk menjadi penunjuk yang boleh dipercayai tahap pencemaran. Pembolehubah kualiti air ini berbeza berdasarkan tapak dan pencemaran air bawah tanah tertentu.

Untuk kajian ini, para penyelidik menganalisis air bawah tanah di Tapak Sungai Savannah di South Carolina.

Tapak ini adalah bekas tapak pengeluaran senjata nuklear; Hasilnya, para penyelidik mengesan tahap air bawah tanah tritium pencemar dan uranium-238.

Tahap pencemar ini tidak dapat diukur secara langsung, jadi ia bergantung pada pengukuran tak langsung yang ditentukan untuk menjadi penunjuk yang boleh dipercayai tritium dan uranium-238. Khususnya, mereka mengukur keasidan, atau pH, tahap dan konduktansen tertentu, yang merupakan ukuran konduktans elektrik.

Pengukuran ini kemudian dimasukkan ke dalam penapis Kalman, suatu algoritma yang dapat digunakan untuk mengukur perubahan dalam keadaan sistem dari waktu ke waktu dalam keadaan di mana keadaan sistem tidak dapat diukur secara langsung.

"Penapis Kalman bukan penapis fizikal tetapi algoritma matematik yang boleh menggabungkan data siri masa bercampur untuk membuat anggaran," kata Wainwright. "Ia biasanya digunakan dalam pelbagai bidang, seperti ramalan lalu lintas dan penderiaan jauh."

Di sini, ia membenarkan para penyelidik untuk membuat anggaran tepat mengenai kepekatan kontaminan.

Mereka kemudian menguji teknik mereka terhadap data sejarah dari Tapak Sungai Savannah. Mereka mendapati bahawa algoritma mereka memberikan maklumat yang boleh dipercayai mengenai tingkah laku bulat selama tahun-tahun terakhir 20.

Ini menunjukkan bahawa kaedah itu mungkin berkesan sebagai strategi pemantauan jangka panjang untuk menilai kestabilan plum bagi suatu pencemar.

Ini juga bermakna bahawa kurang diperlukan untuk persampelan air bawah tanah manual dan analisis makmal, yang mahal, serta masa dan intensif buruh.

"Ia boleh bertindak sebagai sistem amaran awal - kita boleh mengesan perubahan mendadak dalam tahap pencemaran," kata Wainwright dalam satu kenyataan. "Perubahan ini mungkin menunjukkan keperluan untuk campur tangan yang lebih atau kurang dari segi strategi pemulihan, dengan ideal membawa kepada pembersihan yang lebih baik dan lebih murah."

Selain itu, kaedah ini juga boleh disesuaikan.

Ia boleh digunakan untuk mengesan pencemar air permukaan dan bawah tanah dan boleh diubahsuai untuk menjejaki pelbagai pencemaran, termasuk logam, radionuklida dan sebatian organik, seperti arsenik, kromium dan bahan api.

Apa yang diperlukan ialah mencari ukuran yang boleh dipercayai di situ. Dari situ, tahap pencemaran boleh dianggarkan menggunakan rangka kerja yang sama.

Adalah mudah untuk membayangkan kaedah ini digunakan secara meluas di laman web di seluruh negara, tetapi pertama, ia perlu dikaji semula dan diluluskan oleh agensi kawal selia.

Sebaik sahaja ia dapat membantu usaha pemulihan.

"Peningkatan teknik pengawasan adalah penting untuk melindungi kesihatan dan ekologi masyarakat," kata Wainwright dalam satu kenyataan. "Teknik kami adalah cara untuk mengawasi pemulihan yang lestari - berkesan dan murah."