Grondwaterverontreiniging wordt steeds meer erkend als een wijdverbreid milieuprobleem. De belangrijkste manier van handelen is vaak langdurige monitoring. Maar wat is de meest kosteneffectieve manier om te controleren wanneer de verontreinigingspluimen groot zijn, complex, en lange termijn, of een onverwachte gebeurtenis zoals een storm plotselinge veranderingen in de verontreinigingsniveaus kan veroorzaken die door periodieke bemonstering gemist kunnen worden?

Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en het Savannah River National Laboratory hebben een goedkope methode ontwikkeld voor realtime monitoring van verontreinigende stoffen met behulp van algemeen beschikbare sensoren. hun studie, "In situ monitoring van grondwaterverontreiniging met behulp van het Kalman-filter, " werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift, Milieuwetenschap en -technologie .

"Conventionele monitoringmethoden omvatten het nemen van watermonsters elk jaar of elk kwartaal en deze analyseren in het laboratorium, " zei Haruko Wainwright, een Berkeley Lab-onderzoeker die de studie leidde. "Als er afwijkingen zijn of een extreme gebeurtenis, u zou de veranderingen kunnen missen die de concentraties van verontreinigende stoffen of een potentieel gezondheidsrisico kunnen verhogen. Onze methodologie maakt continue monitoring in situ mogelijk met behulp van proxy-metingen, zodat we de pluimbeweging in realtime kunnen volgen."

"Analyse van de autonome in situ-gegevens kan op afstand snel worden geanalyseerd met behulp van machine learning-methoden, " voegde ze eraan toe. "Het kan fungeren als een systeem voor vroegtijdige waarschuwing - we kunnen plotselinge veranderingen in verontreinigingsniveaus detecteren. Deze veranderingen kunnen erop wijzen dat er meer of minder moet worden ingegrepen in de saneringsstrategie, idealiter leidend tot verbeterde en meer kosteneffectieve opruiming."

Milieumonitoring is de laatste jaren belangrijker geworden doordat saneringsmethoden zijn verschoven van intensieve grondwaterzuivering en bodemverwijdering. "Intensieve schoonmaak heeft veel negatieve gevolgen voor het milieu, inclusief luchtvervuiling, groot energie-waterverbruik, en afvalproductie, " aldus Wainwright. "Dus experts zijn begonnen na te denken over een paradigmaverschuiving van deze zeer intensieve sanering naar een duurzamere sanering, of 'groene sanering, ' dus we denken niet alleen op het niveau van verontreinigende stoffen, maar we denken aan de netto milieu-impact."

Echter, monitoring op lange termijn kan in de loop van de tijd kostbaar zijn voor grote verontreinigingen. Bovendien, huidige monitoringstrategieën voor de lange termijn houden geen rekening met hoe abrupte of geleidelijke veranderingen in het weer, zoals zware regenval, pluimgedrag kan beïnvloeden. Dit aspect is vooral belangrijk bij het overwegen van aanhoudende pluimen, zoals die welke verband houden met metaal- of radionuclidenbesmetting.

De nieuwe aanpak begint met sensoren om waterkwaliteitsvariabelen te volgen waarvan is vastgesteld dat ze betrouwbare indicatoren zijn voor verontreinigingsniveaus. Voor de doeleinden van deze studie, de onderzoekers volgden niveaus van tritium en uranium-238 in het grondwater op de Savannah River Site, een voormalige productielocatie voor kernwapens in South Carolina, beheerd door de DOE.

Voor deze website, ze maten de zuurgraad (of pH) en specifieke geleiding (een maat voor elektrische geleiding); deze variabelen bleken betrouwbare indicatoren te zijn voor tritium- en uranium-238-concentraties. De gegevens van de meerdere sensoren werden vervolgens in een Kalman-filter ingevoerd om de verontreinigingsconcentraties te schatten. Een Kalman-filter is geen fysiek filter, maar eerder een wiskundig algoritme dat gemengde tijdreeksgegevens kan integreren om schattingen te maken. Het wordt vaak gebruikt op verschillende gebieden, zoals verkeersvoorspelling en teledetectie.

Met behulp van historische gegevens van de Savannah River Site, de onderzoekers ontdekten dat hun techniek betrouwbare informatie opleverde over het pluimgedrag van de afgelopen 20 jaar, wat aangeeft dat de nieuwe aanpak veelbelovend is als een langetermijnmonitoringstrategie voor het snel beoordelen van de pluimstabiliteit van een verontreinigende stof. Een ander voordeel ten opzichte van conventionele benaderingen is dat het de frequentie van handmatige grondwaterbemonstering en laboratoriumanalyse kan verminderen, en zo de controlekosten te verminderen.

Wainwright, die een expert is in grondwaterverontreiniging en analyse van milieugegevens, zei dat deze methodiek kan worden gebruikt voor zowel oppervlakte- als ondergronds water. Het kan mogelijk ook worden gebruikt om andere metalen te volgen, radionucliden, en organische verbindingen die vaak worden aangetroffen in grondwater, zoals arseen, chroom, en brandstoffen.

"Er zijn nu zoveel verschillende soorten sensoren beschikbaar, en sensornetwerken en snelle statistische analyse is eenvoudig, " zei ze. "We kunnen alle soorten in situ sensoren samenstellen en de concentratie van de beoogde verontreiniging schatten met behulp van dit raamwerk voor gegevensintegratie in realtime."

Ze voegde eraan toe:"Verbeterde monitoringtechnieken zijn essentieel om de volksgezondheid en de ecologie te beschermen. Mensen voelen zich veilig als het goed wordt gecontroleerd. Onze techniek is een manier om dergelijke duurzame sanering effectief en goedkoop te monitoren."