Monitoring środowiska - Environmental monitoring
| Część serii na |
| Zanieczyszczenie |
|---|
 |
| WikiProject Środowisko WikiProject Ekologia |
Monitorowanie środowiska opisuje procesy i działania, które muszą mieć miejsce, aby scharakteryzować i monitorować jakość środowiska. Monitoring środowiska wykorzystywany jest przy sporządzaniu ocen oddziaływania na środowisko , a także w wielu sytuacjach, w których działalność człowieka niesie ze sobą ryzyko szkodliwego wpływu na środowisko naturalne . Wszystkie strategie i programy monitoringu mają powody i uzasadnienia, które często mają na celu ustalenie aktualnego stanu środowiska lub ustalenie trendów parametrów środowiskowych. We wszystkich przypadkach wyniki monitoringu będą przeglądane, analizowane statystycznie i publikowane. Projekt programu monitorowania musi zatem uwzględniać ostateczne wykorzystanie danych przed rozpoczęciem monitorowania.
Monitoring środowiska obejmuje monitoring jakości powietrza , gleb i wody .
Monitorowanie jakości powietrza
Zanieczyszczenia powietrza to substancje atmosferyczne – zarówno występujące naturalnie, jak i antropogeniczne – które potencjalnie mogą mieć negatywny wpływ na środowisko i zdrowie organizmu . Wraz z ewolucją nowych chemikaliów i procesów przemysłowych nastąpiło wprowadzanie lub podnoszenie się zanieczyszczeń do atmosfery, a także badania i regulacje środowiskowe, zwiększające zapotrzebowanie na monitorowanie jakości powietrza.
Monitorowanie jakości powietrza jest trudne do wprowadzenia, ponieważ wymaga skutecznej integracji wielu źródeł danych środowiskowych, które często pochodzą z różnych sieci i instytucji środowiskowych. Wyzwania te wymagają specjalistycznego sprzętu i narzędzi obserwacyjnych do określania stężeń zanieczyszczeń powietrza, w tym sieci czujników, modeli systemu informacji geograficznej (GIS) oraz usługi Sensor Observation Service (SOS), usługi internetowej do przeszukiwania danych z czujników w czasie rzeczywistym. Modele dyspersji powietrza, które łączą dane topograficzne, emisje i meteorologiczne w celu przewidywania stężeń zanieczyszczeń powietrza, są często pomocne w interpretacji danych z monitoringu powietrza. Dodatkowo uwzględnienie danych z anemometru w obszarze między źródłami a monitorem często zapewnia wgląd w źródło zanieczyszczeń powietrza rejestrowane przez monitor zanieczyszczenia powietrza.
Monitory jakości powietrza są obsługiwane przez obywateli, agencje regulacyjne i naukowców w celu badania jakości powietrza i skutków zanieczyszczenia powietrza. Interpretacja danych z monitoringu otaczającego powietrza często wiąże się z rozważeniem przestrzennej i czasowej reprezentatywności zebranych danych oraz skutków zdrowotnych związanych z narażeniem na monitorowane poziomy. Jeżeli interpretacja wykaże stężenia wielu związków chemicznych, z analizy danych może wyłonić się unikalny „chemiczny odcisk palca” określonego źródła zanieczyszczenia powietrza.
Pobieranie próbek powietrza
Pasywne lub „dyfuzyjne” pobieranie próbek powietrza zależy od warunków meteorologicznych, takich jak wiatr, w celu rozproszenia zanieczyszczeń powietrza do ośrodka sorbentu . Próbniki pasywne mają tę zaletę, że są zwykle małe, ciche i łatwe do wdrożenia, i są szczególnie przydatne w badaniach jakości powietrza, które określają kluczowe obszary dla przyszłego ciągłego monitorowania.
Zanieczyszczenie powietrza można również ocenić poprzez biomonitoring z organizmami, które bioakumulują zanieczyszczenia powietrza, takie jak porosty , mchy, grzyby i inna biomasa. Jedną z korzyści tego typu pobierania próbek jest możliwość uzyskania informacji ilościowych poprzez pomiary nagromadzonych związków, reprezentatywnych dla środowiska, z którego pochodzą. Jednak należy starannie rozważyć wybór konkretnego organizmu, sposób jego rozproszenia i związek z zanieczyszczeniem.
Inne metody pobierania próbek obejmują użycie denuder , pułapek igłowych i technik mikroekstrakcji .
Monitorowanie gleby
.jpg)
Monitorowanie gleby obejmuje gromadzenie i/lub analizę gleby i związanej z nią jakości , składników i stanu fizycznego w celu określenia lub zagwarantowania jej przydatności do użytku. Gleba napotyka wiele zagrożeń oraz zagęszczanie , zanieczyszczenia , organicznego materiału straty, różnorodności biologicznej straty , stabilności nachylenia problemów, erozji , zasolenie i zakwaszania . Monitorowanie gleby pomaga scharakteryzować te zagrożenia i inne potencjalne zagrożenia dla gleby, otaczającego środowiska, zdrowia zwierząt i zdrowia ludzi.
Ocena tych zagrożeń i innych zagrożeń dla gleby może być trudna ze względu na wiele czynników, w tym niejednorodność i złożoność gleby , niedobór danych dotyczących toksyczności , brak zrozumienia losu zanieczyszczenia oraz zmienność poziomów badań przesiewowych gleby. Wymaga to podejścia do oceny ryzyka i technik analizy, które traktują priorytetowo ochronę środowiska, redukcję ryzyka oraz, w razie potrzeby, metody naprawcze. Monitorowanie gleby odgrywa znaczącą rolę w tej ocenie ryzyka, pomagając nie tylko w identyfikacji zagrożonych i dotkniętych obszarów, ale także w ustaleniu podstawowych wartości tła gleby.
W przeszłości monitorowanie gleby koncentrowało się na bardziej klasycznych warunkach i zanieczyszczeniach, w tym pierwiastkach toksycznych (np. rtęć , ołów i arsen ) oraz trwałych zanieczyszczeniach organicznych (POP). Historycznie rzecz biorąc, testowanie tych i innych aspektów gleby miało jednak swoje własne wyzwania, ponieważ pobieranie próbek w większości przypadków ma charakter destrukcyjny i wymaga wielu próbek w czasie. Dodatkowo błędy proceduralne i analityczne mogą być wprowadzane ze względu na zmienność odniesień i metod, szczególnie w czasie. Jednak wraz z rozwojem technik analitycznych i rozpowszechnianiem się nowej wiedzy o procesach ekologicznych i skutkach zanieczyszczeń, zakres monitorowania prawdopodobnie z czasem się poszerzy, a jakość monitorowania będzie się nadal poprawiać.
Pobieranie próbek gleby
Dwa podstawowe rodzaje pobierania próbek gleby to pobieranie próbek i pobieranie próbek zbiorczych. Pobieranie próbek polega na pobraniu pojedynczej próbki w określonym czasie i miejscu, podczas gdy pobieranie próbek złożonych obejmuje pobranie zhomogenizowanej mieszaniny wielu pojedynczych próbek w określonym miejscu w różnym czasie lub w wielu lokalizacjach w określonym czasie. Pobieranie próbek gleby może odbywać się zarówno na płytkich poziomach gruntu, jak i głęboko w gruncie, przy czym metody pobierania różnią się w zależności od poziomu pobranego z niego. Szufelki, ślimaki, rdzeniówki i próbniki z rurą litą oraz inne narzędzia są używane na płytkich poziomach gruntu, podczas gdy metody z rurą dzieloną, rurą litą lub hydrauliczne mogą być stosowane w głębokim gruncie.
Programy monitorujące
.jpg)
Monitorowanie zanieczyszczenia gleby
Monitorowanie zanieczyszczenia gleby pomaga naukowcom identyfikować wzorce i trendy w odkładaniu się, przemieszczaniu i działaniu zanieczyszczeń. Presje ze strony człowieka, takie jak turystyka, działalność przemysłowa, niekontrolowany rozwój miast, prace budowlane i nieodpowiednie praktyki rolnicze/leśne mogą przyczyniać się do skażenia gleby i go pogarszać oraz prowadzić do tego, że gleba staje się niezdatna do zamierzonego wykorzystania. Zanieczyszczenia zarówno nieorganiczne, jak i organiczne mogą przedostać się do gleby, powodując różnorodne szkodliwe skutki. Monitorowanie skażenia gleby jest zatem ważne, aby zidentyfikować obszary ryzyka, ustalić punkty odniesienia i zidentyfikować skażone strefy do remediacji. Wysiłki monitorowania mogą obejmować zarówno lokalne farmy, jak i wysiłki ogólnokrajowe, takie jak te podjęte przez Chiny pod koniec 2000 roku, dostarczając szczegółowych informacji, takich jak charakter zanieczyszczeń, ich ilość, skutki, wzorce koncentracji i wykonalność remediacji. Idealnie byłoby, gdyby sprzęt monitorujący i analityczny charakteryzował się krótkim czasem reakcji, wysokim poziomem rozdzielczości i automatyzacji oraz pewnym stopniem samowystarczalności. Techniki chemiczne mogą być stosowane do pomiaru pierwiastków toksycznych i TZO za pomocą chromatografii i spektrometrii , techniki geofizyczne mogą oceniać właściwości fizyczne dużych obszarów, a techniki biologiczne mogą wykorzystywać określone organizmy do pomiaru nie tylko poziomu zanieczyszczeń, ale także produktów ubocznych biodegradacji zanieczyszczeń. Te i inne techniki stają się coraz bardziej wydajne, a oprzyrządowanie laboratoryjne staje się coraz bardziej precyzyjne, co skutkuje bardziej znaczącymi wynikami monitorowania.
Monitorowanie erozji gleby
Monitorowanie erozji gleby pomaga naukowcom identyfikować wzorce i trendy w ruchu gleby i osadów. Programy monitorowania zmieniały się na przestrzeni lat, od długoterminowych badań akademickich na działkach uniwersyteckich po badania rozpoznawcze obszarów biogeoklimatycznych. Jednak w większości metod główny nacisk kładziony jest na identyfikację i pomiar wszystkich dominujących procesów erozji na danym obszarze. Ponadto monitorowanie erozji gleby może próbować określić ilościowo wpływ erozji na wydajność upraw, chociaż stanowi wyzwanie „ze względu na wiele zawiłości relacji między glebami i roślinami oraz zarządzaniem nimi w zmiennym klimacie”.
Monitorowanie zasolenia gleby
Monitorowanie zasolenia gleby pomaga naukowcom identyfikować wzorce i trendy w zawartości soli w glebie. Zarówno naturalny proces wnikania wody morskiej, jak i wywołane przez człowieka procesy niewłaściwego gospodarowania glebą i wodą mogą prowadzić do problemów z zasoleniem gleby, na które na całym świecie wpłynie do miliarda hektarów ziemi (stan na 2013 r.). Monitorowanie zasolenia na poziomie lokalnym może dokładnie przyjrzeć się strefie korzeniowej, aby ocenić wpływ zasolenia i opracować opcje zarządzania, podczas gdy na poziomie regionalnym i krajowym monitorowanie zasolenia może pomóc w identyfikacji zagrożonych obszarów i pomóc decydentom w rozwiązaniu problemu, zanim się rozprzestrzeni. Sam proces monitorowania można przeprowadzić przy użyciu technologii takich jak teledetekcja i systemy informacji geograficznej (GIS) w celu identyfikacji zasolenia poprzez zieleń, jasność i biel na poziomie powierzchni. Bezpośrednia analiza gleby z bliska, w tym zastosowanie technik indukcji elektromagnetycznej , może być również wykorzystywana do monitorowania zasolenia gleby.
Monitorowanie jakości wody
Projektowanie programów monitoringu środowiska
Monitoring jakości wody jest mało przydatny bez jasnego i jednoznacznego określenia powodów prowadzenia monitoringu oraz celów, które ma on spełnić. Prawie cały monitoring (z wyjątkiem być może teledetekcji ) jest w części inwazyjny dla badanego środowiska, a szeroko zakrojony i źle zaplanowany monitoring niesie ze sobą ryzyko szkód w środowisku. Może to mieć kluczowe znaczenie na obszarach dzikiej przyrody lub podczas monitorowania bardzo rzadkich organizmów lub tych, które są niechętne obecności człowieka. Niektóre techniki monitorowania, takie jak sieciowanie skrzelowe ryb w celu oszacowania populacji, mogą być bardzo szkodliwe, przynajmniej dla lokalnej populacji, a także mogą obniżyć zaufanie publiczne do naukowców prowadzących monitorowanie.
Prawie wszystkie projekty monitorowania środowiska głównego nurtu stanowią część ogólnej strategii monitorowania lub pola badawczego, a te dziedziny i strategie same w sobie wywodzą się z celów lub aspiracji wysokiego poziomu organizacji. O ile poszczególne projekty monitorowania nie pasują do szerszych ram strategicznych, wyniki prawdopodobnie nie zostaną opublikowane, a zrozumienie środowiska uzyskane w wyniku monitorowania zostanie utracone.
Parametry
zobacz także parametry jakości środowiska wody słodkiej
Chemiczny
Zakres parametrów chemicznych, które mogą mieć wpływ na dowolny ekosystem, jest bardzo duży i we wszystkich programach monitorowania konieczne jest określenie zestawu parametrów w oparciu o lokalną wiedzę i dotychczasową praktykę do wstępnego przeglądu. Lista może zostać rozszerzona lub skrócona w oparciu o rozwój wiedzy i wyniki wstępnych badań.
Środowiska słodkowodne są intensywnie badane od wielu lat i istnieje dogłębna wiedza na temat interakcji między chemią a środowiskiem na wielu obszarach świata. Jednak w miarę opracowywania nowych materiałów i pojawiania się nowych nacisków konieczne będą zmiany w programach monitorowania. W ciągu ostatnich 20 lat kwaśne deszcze , syntetyczne analogi hormonów , chlorowcowane węglowodory , gazy cieplarniane i wiele innych wymagały zmian w strategiach monitorowania.
Biologiczny
W monitoringu ekologicznym strategia i działania monitoringu są ukierunkowane na rośliny i zwierzęta w środowisku objętym przeglądem i są specyficzne dla każdego indywidualnego badania.
Jednak w bardziej ogólnym monitorowaniu środowiska wiele zwierząt działa jako solidne wskaźniki jakości środowiska, którego doświadczają lub doświadczyli w niedalekiej przeszłości. Jednym z najbardziej znanych przykładów jest monitorowanie liczebności ryb łososiowatych, takich jak pstrąg potokowy lub łosoś atlantycki w systemach rzecznych i jeziorach, w celu wykrycia powolnych tendencji niekorzystnych skutków dla środowiska. Gwałtowny spadek populacji ryb łososiowatych był jedną z pierwszych oznak problemu, który później stał się znany jako kwaśne deszcze .
W ostatnich latach dużo więcej uwagi poświęcono bardziej holistycznemu podejściu, w którym stan ekosystemu jest oceniany i wykorzystywany jako samo narzędzie monitorowania. To właśnie to podejście leży u podstaw protokołów monitoringu Ramowej Dyrektywy Wodnej w Unii Europejskiej .
Radiologiczny
Monitoring radiacyjny polega na pomiarze dawki promieniowania lub skażenia radionuklidami ze względów związanych z oceną lub kontrolą narażenia na promieniowanie jonizujące lub substancje promieniotwórcze oraz interpretacją wyników. „Pomiar” dawki często oznacza pomiar wielkości równoważnika dawki jako zamiennik (tj. substytut) wielkości dawki, której nie można zmierzyć bezpośrednio. Jako wstępny etap pomiaru zawartości radionuklidów w mediach środowiskowych może być również zaangażowane pobieranie próbek. Metodologiczne i techniczne szczegóły projektowania i działania programów i systemów monitorowania dla różnych radionuklidów, mediów środowiskowych i typów obiektów podano w Przewodniku Bezpieczeństwa MAEA RS-G-1.8 oraz w Raporcie Bezpieczeństwa MAEA nr 64.
Monitoring promieniowania jest często przeprowadzane przy użyciu sieci stacjonarnych i rozmieszczenia czujników takich jak US Environmental Protection Agency „s Radnet a SPEEDI sieci w Japonii. Ankiety lotnicze są również przeprowadzane przez organizacje takie jak Nuclear Emergency Support Team .
Mikrobiologiczne
Bakterie i wirusy są najczęściej monitorowanymi grupami organizmów mikrobiologicznych, a nawet one mają duże znaczenie tylko wtedy, gdy woda w środowisku wodnym jest następnie wykorzystywana jako woda pitna lub gdzie uprawia się rekreację w kontakcie z wodą, taką jak pływanie lub kajakarstwo .
Chociaż w centrum uwagi znajdują się patogeny , główny wysiłek monitorowania jest prawie zawsze skierowany na znacznie częstsze gatunki wskaźnikowe, takie jak Escherichia coli , uzupełnione ogólną liczbą bakterii z grupy coli . Uzasadnieniem tej strategii monitorowania jest to, że większość ludzkich patogenów pochodzi od innych ludzi poprzez strumień ścieków . Wiele oczyszczalni ścieków nie ma końcowego etapu sterylizacji i dlatego odprowadzane są ścieki, które chociaż mają czysty wygląd, nadal zawierają wiele milionów bakterii na litr, z których większość to stosunkowo nieszkodliwe bakterie z grupy coli. Obliczenie liczby nieszkodliwych (lub mniej szkodliwych) bakterii ściekowych pozwala ocenić prawdopodobieństwo obecności znacznej liczby bakterii chorobotwórczych lub wirusów. Tam, gdzie poziomy E. coli lub bakterii z grupy coli przekraczają wstępnie ustalone wartości wyzwalające, inicjowane jest bardziej intensywne monitorowanie, w tym monitorowanie specyficzne dla gatunków patogennych.
Populacje
Strategie monitorowania mogą dawać mylące odpowiedzi, gdy opierają się na liczbie gatunków lub obecności lub nieobecności określonych organizmów, jeśli nie bierze się pod uwagę wielkości populacji. Zrozumienie dynamiki populacji monitorowanego organizmu ma kluczowe znaczenie.
Na przykład, jeśli miarą przyjętą przez strategię monitorowania jest obecność lub nieobecność określonego organizmu w obrębie 10 km kwadratowych, wówczas zmniejszenie populacji z 10 000 na metr kwadratowy do 10 na metr kwadratowy pozostanie niezauważone, pomimo bardzo znaczącego wpływu, jakiego doświadcza organizm .
Programy monitorujące
Cały wiarygodny naukowo monitoring środowiska jest prowadzony zgodnie z opublikowanym programem. Program może zawierać ogólne cele organizacji, odniesienia do konkretnych strategii, które pomagają osiągnąć cel, oraz szczegóły konkretnych projektów lub zadań w ramach tych strategii, kluczową cechą każdego programu jest wykaz tego, co jest monitorowane i jak to monitorowanie jest ma się odbyć i skalę czasową, w której to wszystko powinno się wydarzyć. Zazwyczaj, a często jako dodatek, program monitorowania zawiera tabelę proponowanych lokalizacji, dat i metod pobierania próbek, które, jeśli zostaną podjęte w całości, dostarczą opublikowany program monitorowania.
Istnieje wiele komercyjnych pakietów oprogramowania , które mogą pomóc we wdrożeniu programu, monitorować jego postęp i sygnalizować niespójności lub pominięcia, ale żaden z nich nie może zapewnić kluczowego elementu konstrukcyjnego, jakim jest sam program.
Systemy zarządzania danymi monitoringu środowiskowego
Biorąc pod uwagę różnorodność typów i rosnące ilości oraz znaczenie danych monitorowania, komercyjne oprogramowanie Systemy zarządzania danymi środowiskowymi (EDMS) lub E-MDMS są coraz powszechniej stosowane w branżach podlegających regulacji. Umożliwiają zarządzanie wszystkimi danymi monitorowania w jednym centralnym miejscu. Walidacja jakości, sprawdzanie zgodności, weryfikacja wszystkich otrzymanych danych i wysyłanie alertów są zazwyczaj zautomatyzowane. Typowa funkcjonalność odpytywania umożliwia porównywanie zbiorów danych zarówno czasowo, jak i przestrzennie. Będą również generować raporty regulacyjne i inne.
Jeden formalny system certyfikacji istnieje specjalnie dla oprogramowania do zarządzania danymi środowiskowymi . Jest to zapewniane przez Agencję Środowiska w Wielkiej Brytanii w ramach jej Systemu Certyfikacji Monitoringu (MCERTS).
Metody pobierania próbek
Istnieje szeroki zakres metod pobierania próbek , które zależą od rodzaju środowiska, materiału, z którego pobierane są próbki oraz późniejszej analizy próbki. W najprostszym przypadku próbką może być napełnienie czystej butelki wodą rzeczną i przekazanie jej do konwencjonalnej analizy chemicznej. Na bardziej złożonym końcu dane próbki mogą być wytwarzane przez złożone elektroniczne urządzenia czujnikowe pobierające podpróbki w stałych lub zmiennych okresach czasu.
Metody próbkowania obejmują próbkowanie oparte na osądzie, proste próbkowanie losowe, próbkowanie warstwowe, próbkowanie systematyczne i siatkowe, adaptacyjne próbkowanie skupione, pobieranie próbek, monitorowanie półciągłe i ciągłe, pasywne próbkowanie , zdalny nadzór, teledetekcję , biomonitoring i inne metody próbkowania.
Pobieranie próbek z osądu
W przypadku próbkowania opartego na osądzie, wybór jednostek próbkowania (tj. liczba i lokalizacja i/lub czas pobierania próbek) opiera się na znajomości badanej cechy lub stanu oraz na profesjonalnym osądzie. Próbkowanie oparte na osądzie różni się od próbkowania opartego na prawdopodobieństwie tym, że wnioski są oparte na profesjonalnym osądzie, a nie na statystycznej teorii naukowej. Dlatego wnioski dotyczące populacji docelowej są ograniczone i zależą wyłącznie od trafności i dokładności profesjonalnego osądu; probabilistyczne stwierdzenia dotyczące parametrów nie są możliwe. Jak opisano w kolejnych rozdziałach, ocenę ekspercką można również wykorzystać w połączeniu z innymi projektami pobierania próbek w celu uzyskania skutecznego pobierania próbek w celu uzasadnienia decyzji.
Proste losowe pobieranie próbek
W prostym losowaniu losowym poszczególne jednostki doboru próby (na przykład miejsca i/lub czasy) są wybierane za pomocą liczb losowych, a wszystkie możliwe wybory danej liczby jednostek są równie prawdopodobne. Na przykład, prostą losową próbkę zestawu bębnów można pobrać, numerując wszystkie bębny i losowo wybierając liczby z tej listy lub próbkując obszar za pomocą par losowych współrzędnych. Ta metoda jest łatwa do zrozumienia, a równania określające wielkość próby są stosunkowo proste. Przykład pokazano na rysunku 2-2. Ten rysunek ilustruje możliwą prostą próbkę losową dla kwadratowej powierzchni gleby. Proste losowe pobieranie próbek jest najbardziej przydatne, gdy populacja będąca przedmiotem zainteresowania jest stosunkowo jednorodna; tzn. nie oczekuje się żadnych większych wzorców zanieczyszczenia lub „gorących punktów”. Główne zalety tego projektu to:
- Dostarcza statystycznie nieobciążonych szacunków średniej, proporcji i zmienności.
- Jest łatwy do zrozumienia i łatwy do wdrożenia.
- Obliczenia wielkości próbki i analiza danych są bardzo proste.
W niektórych przypadkach wdrożenie prostej próby losowej może być trudniejsze niż niektórych innych rodzajów projektów (na przykład próbek siatkowych) ze względu na trudność w precyzyjnej identyfikacji losowych lokalizacji geograficznych. Ponadto proste losowe pobieranie próbek może być droższe niż inne plany, jeśli trudności w uzyskaniu próbek ze względu na lokalizację powodują dodatkowy wysiłek.
Próbkowanie warstwowe
W przypadku próbkowania warstwowego populacja docelowa jest dzielona na nienakładające się warstwy lub subpopulacje, o których wiadomo lub uważa się, że są bardziej jednorodne (w stosunku do medium środowiskowego lub zanieczyszczenia), tak że istnieje tendencja do występowania mniejszej zmienności między jednostkami próbkowania w w tej samej warstwie niż wśród jednostek próbkowania w różnych warstwach. Warstwy mogą być wybrane na podstawie przestrzennej lub czasowej bliskości jednostek lub na podstawie wcześniej istniejących informacji lub profesjonalnej oceny miejsca lub procesu. Zaletą tego projektu próbkowania jest możliwość uzyskania większej precyzji w oszacowaniu średniej i wariancji oraz możliwość obliczenia wiarygodnych szacunków dla podgrup populacji o szczególnym znaczeniu. Większą precyzję można uzyskać, jeśli pomiar będący przedmiotem zainteresowania jest silnie skorelowany ze zmienną użytą do utworzenia warstw.
Próbkowanie systematyczne i siatkowe
W systematycznym i siatkowym próbkowaniu próbki są pobierane w regularnych odstępach czasu lub przestrzeni. Początkową lokalizację lub czas wybiera się losowo, a następnie określa się pozostałe lokalizacje pobierania próbek, tak aby wszystkie lokalizacje znajdowały się w regularnych odstępach na obszarze (siatka) lub czasie (systematycznie). Przykłady Systematyczne próbkowanie siatki — kwadratowa siatka Systematyczne próbkowanie siatki — trójkątne Siatki systematycznych siatek obejmują siatki kwadratowe, prostokątne, trójkątne lub promieniowe. Cressie, 1993. W losowym systematycznym pobieraniu próbek początkowe miejsce pobierania próbek (lub czas) jest wybierane losowo, a pozostałe miejsca pobierania próbek są określane w taki sposób, aby były zlokalizowane zgodnie z regularnym wzorcem. Losowe próbkowanie systematyczne służy do wyszukiwania gorących punktów i wnioskowania o średnich, percentylach lub innych parametrach, a także jest przydatne do szacowania wzorców przestrzennych lub trendów w czasie. Taka konstrukcja zapewnia praktyczną i łatwą metodę wyznaczania lokalizacji próbek i zapewnia jednolite pokrycie miejsca, jednostki lub procesu.
Pobieranie próbek według zestawu rankingowego to innowacyjny projekt, który może być bardzo przydatny i opłacalny w uzyskiwaniu lepszych szacunków średnich poziomów stężenia w glebie i innych mediach środowiskowych poprzez wyraźne uwzględnienie profesjonalnej oceny badacza terenowego lub metody pomiaru przesiewowego w terenie w celu wybrania określonych miejsc pobierania próbek na polu. Próbkowanie zestawu rankingowego wykorzystuje dwufazowy projekt próbkowania, który identyfikuje zestawy lokalizacji w terenie, wykorzystuje niedrogie pomiary do uszeregowania lokalizacji w każdym zestawie, a następnie wybiera jedną lokalizację z każdego zestawu do próbkowania. W losowaniu zbioru rangowanego, m zbiorów (każdy o rozmiarze r) lokalizacji pól identyfikuje się za pomocą prostego losowania. Lokalizacje są klasyfikowane niezależnie w każdym zestawie przy użyciu profesjonalnej oceny lub niedrogich, szybkich lub zastępczych pomiarów. Następnie z każdego zestawu wybierana jest jedna jednostka próbkowania (na podstawie zaobserwowanych rang) do kolejnych pomiarów przy użyciu dokładniejszej i bardziej wiarygodnej (a więc droższej) metody dla badanego zanieczyszczenia. W porównaniu z prostym losowym próbkowaniem, ten projekt daje bardziej reprezentatywne próbki, a tym samym prowadzi do bardziej precyzyjnych szacunków parametrów populacji. Próbkowanie zestawu rankingowego jest przydatne, gdy koszt lokalizacji i rankingu lokalizacji w terenie jest niski w porównaniu z pomiarami laboratoryjnymi. Jest to również właściwe, gdy dostępna jest niedroga zmienna pomocnicza (oparta na wiedzy eksperckiej lub pomiarach) do uszeregowania jednostek populacji w odniesieniu do zmiennej będącej przedmiotem zainteresowania. Aby efektywnie korzystać z tego projektu, ważne jest, aby metoda rankingowa i metoda analityczna były silnie skorelowane.
Adaptacyjne próbkowanie klastra
W adaptacyjnym próbkowaniu klastrowym próbki są pobierane za pomocą prostego próbkowania losowego, a dodatkowe próbki są pobierane w miejscach, w których pomiary przekraczają pewną wartość progową. Może być potrzebnych kilka dodatkowych rund pobierania próbek i analiz. Adaptacyjne próbkowanie skupień śledzi prawdopodobieństwa wyboru dla późniejszych faz próbkowania, dzięki czemu można obliczyć bezstronne oszacowanie średniej populacji pomimo nadmiernego próbkowania niektórych obszarów. Przykładem zastosowania adaptacyjnego próbkowania skupień jest wytyczenie granic smugi skażenia. Adaptacyjne pobieranie próbek jest przydatne do szacowania lub wyszukiwania rzadkich cech w populacji i jest odpowiednie do niedrogich i szybkich pomiarów. Umożliwia wytyczenie granic gorących punktów, a także wykorzystanie wszystkich zebranych danych z odpowiednią wagą w celu uzyskania obiektywnych szacunków średniej populacji.
Pobierz próbki
Próbki pobrane to próbki pobrane z jednorodnego materiału, zwykle wody , w jednym naczyniu. Napełnianie czystą butelkę z rzeki wody jest bardzo częstym przykładem. Pobrane próbki zapewniają dobry widok migawkowy jakości próbkowanego środowiska w momencie pobierania próbek i w czasie pobierania próbek. Bez dodatkowego monitorowania wyników nie można ekstrapolować na inne czasy ani na inne części rzeki, jeziora lub wód gruntowych.
Aby umożliwić traktowanie pobranych próbek lub rzek jako reprezentatywnych, wymagane są powtórne poprzeczne i wzdłużne badania transektów wykonywane o różnych porach dnia i porze roku w celu ustalenia, czy lokalizacja pobieranych próbek jest tak reprezentatywna, jak to jest racjonalnie możliwe. W przypadku dużych rzek takie badania powinny również uwzględniać głębokość próbki i najlepsze zarządzanie miejscami pobierania próbek w czasie powodzi i suszy.
W jeziorach pobieranie próbek jest stosunkowo proste za pomocą próbników głębokościowych, które można opuścić na określoną głębokość, a następnie zamknąć, wychwytując stałą objętość wody z wymaganej głębokości. We wszystkich jeziorach, z wyjątkiem najpłytszych, występują duże zmiany w składzie chemicznym wody jeziornej na różnych głębokościach, szczególnie w miesiącach letnich, kiedy wiele jezior rozwarstwia się na ciepłą, dobrze natlenioną warstwę górną ( epilimnion ) i chłodną, odtlenioną warstwę dolną ( hipolimnion ).
Próbki pobierane w środowisku morskim na otwartym morzu mogą ustalić szeroki zakres podstawowych parametrów, takich jak zasolenie oraz zakres stężeń kationów i anionów. Jednak tam, gdzie problemem są zmieniające się warunki, na przykład w pobliżu zrzutów rzek lub ścieków, w pobliżu skutków wulkanizmu lub w pobliżu obszarów napływu słodkiej wody z topniejącego lodu, pobrana próbka może dać tylko bardzo częściową odpowiedź, jeśli zostanie pobrana samodzielnie.
Monitorowanie półciągłe i ciągłe
Dostępna jest szeroka gama specjalistycznego sprzętu do pobierania próbek, który można zaprogramować do pobierania próbek w stałych lub zmiennych odstępach czasu lub w odpowiedzi na zewnętrzny wyzwalacz. Na przykład próbnik można zaprogramować tak, aby rozpoczynał pobieranie próbek rzeki w odstępach 8-minutowych, gdy natężenie opadów wzrośnie powyżej 1 mm/godz. Wyzwalaczem w tym przypadku może być zdalny deszczomierz komunikujący się z próbnikiem za pomocą telefonu komórkowego lub technologii meteor burst . Próbniki mogą również pobierać indywidualne próbki dyskretne przy każdej okazji pobierania próbek lub łączyć próbki w całość, tak aby w ciągu jednego dnia taki próbnik mógł wytworzyć 12 próbek złożonych, z których każda składa się z 6 podpróbek pobranych w 20-minutowych odstępach.
Ciągłe lub quasi-ciągłe monitorowanie polega na posiadaniu zautomatyzowanego obiektu analitycznego w pobliżu monitorowanego środowiska, tak aby wyniki można było, w razie potrzeby, przeglądać w czasie rzeczywistym. Takie systemy są często tworzone w celu ochrony ważnych zasobów wodnych, takich jak system regulacji rzeki Dee, ale mogą również stanowić część ogólnej strategii monitorowania dużych rzek strategicznych, gdzie wczesne ostrzeganie o potencjalnych problemach jest niezbędne. Takie systemy rutynowo dostarczają danych na temat parametrów takich jak pH , tlen rozpuszczony , przewodność , zmętnienie i barwa, ale możliwe jest również stosowanie chromatografii gazowo-cieczowej z technologiami spektrometrii mas (GLC/MS) w celu zbadania szerokiego zakresu potencjalnych zanieczyszczeń organicznych . We wszystkich przykładach zautomatyzowanej analizy brzegowej istnieje wymóg pompowania wody z rzeki do stacji monitoringu. Wybór lokalizacji wlotu pompy jest równie ważny jak wybór lokalizacji dla próbki pobieranej z rzeki. Konstrukcja pompy i rurociągów wymaga również starannego zaprojektowania, aby uniknąć wprowadzania artefaktów podczas pompowania wody. Stężenie rozpuszczonego tlenu jest trudne do utrzymania przez system z pompą, a urządzenia GLC/MS mogą wykrywać zanieczyszczenia mikroorganiczne z rurociągów i gruczołów .
Próbkowanie pasywne
Zastosowanie próbników pasywnych znacznie zmniejsza koszty i potrzebę infrastruktury w miejscu pobierania próbek. Próbniki pasywne są częściowo jednorazowego użytku i mogą być produkowane stosunkowo niskim kosztem, dzięki czemu mogą być stosowane w dużych ilościach, co pozwala na lepsze pokrycie i gromadzenie większej ilości danych. Dzięki niewielkim rozmiarom pasywny sampler można również ukryć, co zmniejsza ryzyko wandalizmu. Przykładami pasywnych urządzeń do pobierania próbek są gradienty dyfuzyjne w próbnikach cienkowarstwowych (DGT), Chemcatcher , Polar organic Chemical integrative sampler (POCIS), urządzenia z membraną półprzepuszczalną (SPMD), urządzenia z stabilizowaną cieczą membranową (SLMD) oraz pompa do pobierania próbek powietrza .
Zdalny nadzór
Chociaż gromadzenie danych na miejscu za pomocą elektronicznego sprzętu pomiarowego jest powszechne, wiele programów monitorujących wykorzystuje również zdalny nadzór i zdalny dostęp do danych w czasie rzeczywistym. Wymaga to podłączenia sprzętu monitorującego na miejscu do stacji bazowej za pośrednictwem sieci telemetrycznej, sieci naziemnej, sieci telefonii komórkowej lub innego systemu telemetrycznego, takiego jak Meteor burst. Zaletą zdalnego nadzoru jest to, że wiele strumieni danych może przychodzić do jednej stacji bazowej w celu przechowywania i analizy. Umożliwia również ustawienie poziomów wyzwalania lub poziomów alarmowych dla poszczególnych monitorowanych lokalizacji i/lub parametrów, dzięki czemu można rozpocząć natychmiastowe działanie w przypadku przekroczenia poziomu wyzwalania. Zastosowanie zdalnego nadzoru pozwala również na instalację bardzo dyskretnego sprzętu monitorującego, który często może być zakopany, zakamuflowany lub uwiązany na głębokości w jeziorze lub rzece, z wystającą tylko krótką anteną . Korzystanie z takiego sprzętu ma tendencję do ograniczania wandalizmu i kradzieży podczas monitorowania w miejscach łatwo dostępnych dla publiczności.
Teledetekcja
Teledetekcja środowiskowa wykorzystuje samoloty lub satelity do monitorowania środowiska za pomocą czujników wielokanałowych.
Istnieją dwa rodzaje teledetekcji. Czujniki pasywne wykrywają naturalne promieniowanie, które jest emitowane lub odbijane przez obserwowany obiekt lub otaczający obszar. Odbite światło słoneczne jest najczęstszym źródłem promieniowania mierzonego przez czujniki pasywne, a w teledetekcji środowiskowej stosowane czujniki są dostrojone do określonych długości fal od dalekiej podczerwieni poprzez częstotliwości światła widzialnego do dalekiego ultrafioletu . Woluminy danych, które można zebrać, są bardzo duże i wymagają dedykowanego wsparcia obliczeniowego. Wynikiem analizy danych z teledetekcji są obrazy w fałszywych kolorach, które rozróżniają niewielkie różnice w charakterystyce promieniowania monitorowanego środowiska. Mając umiejętny operator dobierający konkretne kanały można wzmocnić różnice niezauważalne dla ludzkiego oka. W szczególności możliwe jest rozróżnienie subtelnych zmian stężeń chlorofilu a i chlorofilu b w roślinach i pokazanie obszarów środowiska o nieco innych reżimach żywieniowych.
Aktywna teledetekcja emituje energię i wykorzystuje czujnik pasywny do wykrywania i pomiaru promieniowania odbitego lub rozproszonego od celu. LIDAR jest często używany do pozyskiwania informacji o topografii terenu, zwłaszcza gdy teren jest duży, a ręczne pomiary byłyby zbyt kosztowne lub trudne.
Teledetekcja umożliwia zbieranie danych o obszarach niebezpiecznych lub niedostępnych. Zastosowania teledetekcji obejmują monitorowanie wylesiania w obszarach takich jak dorzecze Amazonki , wpływu zmian klimatycznych na lodowce oraz regiony arktyczne i antarktyczne, a także sondowanie głębokości przybrzeżnych i oceanicznych.
Platformy orbitalne gromadzą i przesyłają dane z różnych części widma elektromagnetycznego , które w połączeniu z wykrywaniem i analizą z powietrza lub naziemną na większą skalę dostarczają informacji do monitorowania trendów, takich jak El Niño i innych naturalnych zjawisk długo- i krótkoterminowych. Inne zastosowania obejmują różne obszary nauk o Ziemi, takie jak zarządzanie zasobami naturalnymi , planowanie użytkowania gruntów i ochrona.
Biomonitoring
Wykorzystanie żywych organizmów jako narzędzi monitoringu ma wiele zalet. Organizmy żyjące w badanym środowisku są stale narażone na fizyczne, biologiczne i chemiczne wpływy tego środowiska. Organizmy, które mają tendencję do akumulacji gatunków chemicznych, często mogą gromadzić znaczne ilości materiału z bardzo niskich stężeń w środowisku. Mchy były używane przez wielu badaczy do monitorowania stężenia metali ciężkich ze względu na ich tendencję do selektywnej adsorpcji metali ciężkich.
Podobnie, węgorze zostały wykorzystane do badania chlorowcowanych organicznych substancji chemicznych, ponieważ są one adsorbowane w złogach tłuszczu w węgorze.
Inne metody pobierania próbek
Pobieranie próbek ekologicznych wymaga starannego planowania, aby było reprezentatywne i jak najbardziej nieinwazyjne. Dla łąk i inne siedliska niskiej rosnących Zastosowanie Quadrat - 1-metr kwadratowy rama - często stosuje się do liczby i rodzaju organizmów rosnące w obrębie każdego obszaru kwadrat liczonych
Osady i gleby wymagają specjalistycznych narzędzi do pobierania próbek, aby zapewnić reprezentatywność odzyskanego materiału. Takie próbniki są często zaprojektowane do odzyskiwania określonej objętości materiału i mogą być również zaprojektowane do odzyskiwania żyjącej bioty osadu lub gleby, jak również próbnik chwytakowy Ekmana .
Interpretacje danych
Interpretacja danych środowiskowych pochodzących z dobrze zaprojektowanego programu monitoringu to obszerny i złożony temat poruszany w wielu publikacjach. Niestety czasami zdarza się, że naukowcy podchodzą do analizy wyników z myślą o z góry ustalonym wyniku i wykorzystują lub nadużywają statystyki, aby wykazać, że ich własny punkt widzenia jest poprawny.
Statystyka pozostaje narzędziem, które jest równie łatwe w użyciu lub nadużywaniu w celu wykazania wniosków wyciągniętych z monitoringu środowiska.
Wskaźniki jakości środowiska
Od początku naukowego monitorowania środowiska opracowano szereg wskaźników jakości, które pomagają klasyfikować i wyjaśniać znaczenie znacznych ilości danych. Stwierdzając, że odcinek rzeki jest w „klasy B” jest prawdopodobnie znacznie bardziej pouczające niż stwierdzając, że ten odcinek rzeki ma średnią BZT 4,2, średnie rozpuszczonego tlenu 85% etc. W Wielkiej Brytanii Agencji Środowiska formalnie zatrudniała system o nazwie General Quality Assessment (GQA), który klasyfikuje rzeki na sześć pasm jakościowych od A do F na podstawie kryteriów chemicznych i biologicznych. Agencja Środowiska i jej zdecentralizowani partnerzy w Walii (Countryside Council for Wales, CCW) i Szkocji (Scottish Environmental Protection Agency, SEPA) stosują obecnie system klasyfikacji biologicznej, chemicznej i fizycznej rzek i jezior, który odpowiada ramowej dyrektywie wodnej UE .
Zobacz też
- Monitoring bioróżnorodności , np. Biodiversity Monitoring Switzerland
- Monitorowanie węgla
- Profilowanie węgla
- Citizen Science , projekty porządkowe, w których ludzie mogą brać udział.
- Mapowanie tłumu
- Bezzałogowy statek powietrzny § Zastosowania : drony mogą być wykorzystywane do różnego rodzaju monitoringu środowiska
Bibliografia