Мониторинг окружающей среды — это процессы и действия, которые выполняются для характеристики и описания состояния окружающей среды. Он используется при подготовке оценок воздействия на окружающую среду и во многих обстоятельствах, когда деятельность человека может оказывать вредное воздействие на природную среду . Стратегии и программы мониторинга, как правило, предназначены для установления текущего состояния окружающей среды или для установления исходных данных и тенденций в параметрах окружающей среды. Результаты мониторинга обычно рассматриваются, статистически анализируются и публикуются. Программа мониторинга разрабатывается вокруг предполагаемого использования данных до начала мониторинга.
Мониторинг окружающей среды включает в себя мониторинг качества воздуха , почвы и воды .
Загрязнители воздуха — это атмосферные вещества, как естественного, так и антропогенного происхождения , которые могут потенциально оказывать негативное воздействие на окружающую среду и здоровье организма . С развитием новых химических веществ и промышленных процессов произошло появление или повышение уровня загрязняющих веществ в атмосфере, а также экологические исследования и нормативные акты, что увеличило спрос на мониторинг качества воздуха. [1]
Мониторинг качества воздуха является сложной задачей, поскольку он требует эффективной интеграции нескольких источников экологических данных, которые часто исходят из различных экологических сетей и учреждений. [2] Эти проблемы требуют специализированного оборудования и инструментов для наблюдения, чтобы установить концентрации загрязняющих веществ в воздухе, включая сенсорные сети, модели географической информационной системы (ГИС) и Службу наблюдения датчиков (SOS), веб-сервис для запроса данных датчиков в реальном времени. [2] Модели рассеивания воздуха , которые объединяют топографические, эмиссионные и метеорологические данные для прогнозирования концентраций загрязняющих веществ в воздухе, часто полезны при интерпретации данных мониторинга воздуха. Кроме того, рассмотрение данных анемометра в области между источниками и монитором часто дает представление об источнике загрязняющих веществ в воздухе, зарегистрированных монитором загрязнения воздуха.
Мониторы качества воздуха используются гражданами, [3] [4] [5] регулирующими органами, [6] [7] неправительственными организациями [8] и исследователями [9] для изучения качества воздуха и последствий загрязнения воздуха. Интерпретация данных мониторинга окружающего воздуха часто включает рассмотрение пространственной и временной репрезентативности [10] собранных данных, а также последствий для здоровья, связанных с воздействием контролируемых уровней. [11] Если интерпретация выявляет концентрации нескольких химических соединений, в результате анализа данных может возникнуть уникальный «химический отпечаток» конкретного источника загрязнения воздуха. [12]
Пассивный или «диффузионный» отбор проб воздуха зависит от метеорологических условий, таких как ветер, рассеивающий загрязняющие вещества в сорбирующую среду. Пассивные пробоотборники, такие как диффузионные трубки , имеют преимущество в том, что они обычно небольшие, бесшумные и простые в установке, и они особенно полезны в исследованиях качества воздуха, которые определяют ключевые области для будущего непрерывного мониторинга. [13]
Загрязнение воздуха также можно оценить с помощью биомониторинга с использованием организмов, которые биоаккумулируют загрязняющие вещества воздуха, таких как лишайники , мхи, грибы и другая биомасса. [14] [15] Одним из преимуществ этого типа отбора проб является то, как количественная информация может быть получена с помощью измерений накопленных соединений, репрезентативных для среды, из которой они поступили. Однако необходимо тщательно продумать выбор конкретного организма, способа его распространения и его соответствия загрязняющему веществу. [15]
Другие методы отбора проб включают использование денудера, [16] [17] игольчатых ловушек и методов микроэкстракции . [18]
.jpg/1280px-Soil_samples_(15083707144).jpg)
Мониторинг почвы включает сбор и/или анализ почвы и ее связанного качества , компонентов и физического состояния для определения или гарантии ее пригодности к использованию. Почва сталкивается со многими угрозами, включая уплотнение , загрязнение , потерю органического материала , потерю биоразнообразия , проблемы устойчивости склонов , эрозию , засоление и подкисление . Мониторинг почвы помогает охарактеризовать эти угрозы и другие потенциальные риски для почвы, окружающей среды, здоровья животных и здоровья человека. [19]
Оценка этих угроз и других рисков для почвы может быть сложной из-за множества факторов, включая неоднородность и сложность почвы, нехватку данных о токсичности , отсутствие понимания судьбы загрязняющего вещества и изменчивость уровней скрининга почвы. [19] Для этого требуется подход к оценке риска и методы анализа, которые отдают приоритет защите окружающей среды, снижению риска и, при необходимости, методам рекультивации. [19] Мониторинг почвы играет важную роль в этой оценке риска, не только помогая в выявлении подверженных риску и пострадавших территорий, но и в установлении базовых фоновых значений почвы. [19]
Мониторинг почвы исторически был сосредоточен на более классических условиях и загрязняющих веществах, включая токсичные элементы (например, ртуть , свинец и мышьяк ) и стойкие органические загрязнители (СОЗ). [19] Однако исторически тестирование этих и других аспектов почвы имело свой собственный набор проблем, поскольку отбор проб в большинстве случаев носит деструктивный характер и требует многократного отбора проб с течением времени. Кроме того, могут быть внесены процедурные и аналитические ошибки из-за изменчивости ссылок и методов, особенно с течением времени. [20] Однако по мере развития аналитических методов и распространения новых знаний об экологических процессах и воздействии загрязняющих веществ фокус мониторинга, вероятно, со временем расширится, а качество мониторинга будет продолжать улучшаться. [19]
Два основных типа отбора проб почвы — это выборочный и составной отбор. Выборочный отбор включает в себя сбор отдельного образца в определенное время и в определенном месте, в то время как составной отбор включает в себя сбор гомогенизированной смеси нескольких отдельных образцов либо в определенном месте в разное время, либо в нескольких местах в определенное время. [21] Отбор проб почвы может происходить как на неглубоких уровнях земли, так и глубоко в земле, причем методы сбора различаются в зависимости от уровня, с которого собирают пробу. Совки, шнеки, керноприемники и пробоотборники со сплошной трубкой, а также другие инструменты используются на неглубоких уровнях земли, тогда как методы с разделенной трубкой, сплошной трубкой или гидравлические методы могут использоваться в глубоком грунте. [22]
.jpg/1280px-20180221-OSEC-LSC-0055_(39518128545).jpg)
Мониторинг загрязнения почвы помогает исследователям выявлять закономерности и тенденции в отложении, перемещении и воздействии загрязняющих веществ. Такие антропогенные факторы, как туризм, промышленная деятельность, разрастание городов , строительные работы и неадекватные методы ведения сельского хозяйства/лесоводства, могут способствовать загрязнению почвы и усугублять его , а также приводить к тому, что почва становится непригодной для предполагаемого использования. В почву могут попадать как неорганические, так и органические загрязнители, оказывая широкий спектр пагубных последствий. Поэтому мониторинг загрязнения почвы важен для выявления зон риска, установления исходных показателей и выявления загрязненных зон для рекультивации. Усилия по мониторингу могут варьироваться от местных ферм до общенациональных усилий, таких как те, которые были предприняты Китаем в конце 2000-х годов [19], предоставляя такие сведения, как характер загрязняющих веществ, их количество, воздействие, закономерности концентрации и осуществимость рекультивации. [23] Мониторинговое и аналитическое оборудование в идеале будет иметь высокое время отклика, высокий уровень разрешения и автоматизации, а также определенную степень самодостаточности. [24] Химические методы могут использоваться для измерения токсичных элементов и СОЗ с использованием хроматографии и спектрометрии , геофизические методы могут оценивать физические свойства больших территорий, а биологические методы могут использовать определенные организмы для измерения не только уровня загрязнения, но и побочных продуктов биодеградации загрязняющих веществ. Эти и другие методы становятся все более эффективными, а лабораторные приборы становятся более точными, что приводит к более значимым результатам мониторинга. [25]
Мониторинг эрозии почвы помогает исследователям выявлять закономерности и тенденции в движении почвы и отложений. Программы мониторинга менялись на протяжении многих лет: от долгосрочных академических исследований на университетских участках до разведывательных обследований биогеоклиматических зон. Однако в большинстве методов основное внимание уделяется выявлению и измерению всех доминирующих процессов эрозии в данной области. [26] Кроме того, мониторинг эрозии почвы может попытаться количественно оценить влияние эрозии на урожайность сельскохозяйственных культур, хотя это и сложно «из-за множества сложностей во взаимоотношениях между почвами и растениями и их управлением в условиях изменчивого климата». [27]
Мониторинг засоленности почвы помогает исследователям выявлять закономерности и тенденции в содержании солей в почве. Как естественный процесс проникновения морской воды , так и вызванные человеком процессы неправильного управления почвой и водными ресурсами могут привести к проблемам засоленности почвы, при этом во всем мире пострадало до одного миллиарда гектаров земли (по состоянию на 2013 год). [28] Мониторинг засоленности на местном уровне может внимательно следить за корневой зоной, чтобы оценить воздействие засоленности и разработать варианты управления, тогда как на региональном и национальном уровнях мониторинг засоленности может помочь в выявлении зон риска и помочь политикам в решении проблемы до того, как она распространится. [28] Сам процесс мониторинга может выполняться с использованием таких технологий, как дистанционное зондирование и географические информационные системы (ГИС), для определения засоленности по зелени, яркости и белизне на уровне поверхности. Прямой анализ почвы вблизи, включая использование методов электромагнитной индукции , также может использоваться для мониторинга засоленности почвы. [28]
Мониторинг качества воды бесполезен без четкого и недвусмысленного определения причин мониторинга и целей, которым он будет соответствовать. Почти весь мониторинг (за исключением, возможно, дистанционного зондирования ) в какой-то мере является инвазивным по отношению к изучаемой среде, а обширный и плохо спланированный мониторинг несет риск нанесения ущерба окружающей среде. Это может быть критически важным соображением в диких районах или при мониторинге очень редких организмов или тех, которые не любят присутствия человека. Некоторые методы мониторинга, такие как ловля рыбы жаберными сетями для оценки популяций, могут быть очень разрушительными, по крайней мере, для местного населения, а также могут подорвать доверие общественности к ученым, проводящим мониторинг.
Почти все основные проекты мониторинга окружающей среды являются частью общей стратегии мониторинга или исследовательской области, и эти области и стратегии сами по себе вытекают из целей или стремлений высокого уровня организации. Если отдельные проекты мониторинга не вписываются в более широкие стратегические рамки, результаты вряд ли будут опубликованы, а экологическое понимание, полученное в результате мониторинга, будет потеряно. [29] [30]
см. также Параметры качества пресноводной среды
Диапазон химических параметров, которые могут потенциально влиять на любую экосистему, очень велик, и во всех программах мониторинга необходимо нацеливаться на набор параметров, основанных на местных знаниях и прошлой практике для первоначального обзора. Список может быть расширен или сокращен на основе развивающихся знаний и результатов первоначальных обследований.
Пресноводные среды широко изучались в течение многих лет, и существует четкое понимание взаимодействия между химией и окружающей средой во многих частях мира. Однако, поскольку разрабатываются новые материалы и возникают новые давления, потребуются пересмотры программ мониторинга. За последние 20 лет кислотные дожди , синтетические аналоги гормонов , галогенированные углеводороды , парниковые газы и многое другое потребовали изменений в стратегиях мониторинга.
При экологическом мониторинге стратегия и усилия по мониторингу направлены на растения и животных в рассматриваемой среде и специфичны для каждого отдельного исследования.
Однако в более общем экологическом мониторинге многие животные выступают в качестве надежных индикаторов качества окружающей среды, которую они испытывают или испытывали в недавнем прошлом. [31] Одним из наиболее известных примеров является мониторинг численности лососевых рыб, таких как ручьевая форель или атлантический лосось в речных системах и озерах, для обнаружения медленных тенденций неблагоприятных экологических последствий. Резкое сокращение популяции лососевых рыб было одним из ранних признаков проблемы, которая позже стала известна как кислотные дожди .
В последние годы гораздо больше внимания уделяется более целостному подходу, в котором здоровье экосистемы оценивается и используется как само по себе инструмент мониторинга. [32] Именно этот подход лежит в основе протоколов мониторинга Рамочной директивы по водным ресурсам в Европейском Союзе .
Радиационный мониторинг включает измерение дозы облучения или радионуклидного загрязнения по причинам, связанным с оценкой или контролем воздействия ионизирующего излучения или радиоактивных веществ, а также интерпретацией результатов. [33] «Измерение» дозы часто означает измерение эквивалентной величины дозы в качестве заместителя (т. е. замены) величины дозы, которая не может быть измерена напрямую. Кроме того, отбор проб может быть включен в качестве предварительного шага к измерению содержания радионуклидов в окружающей среде. Методологические и технические детали проектирования и эксплуатации программ и систем мониторинга для различных радионуклидов, окружающей среды и типов установок приведены в Руководстве по безопасности МАГАТЭ RS–G-1.8 [34] и в Отчете по безопасности МАГАТЭ № 64. [35]
Радиационный мониторинг часто осуществляется с использованием сетей стационарных и развертываемых датчиков, таких как Radnet Агентства по охране окружающей среды США и сеть SPEEDI в Японии. Воздушные обследования также проводятся такими организациями, как Группа поддержки ядерных чрезвычайных ситуаций .
Бактерии и вирусы являются наиболее часто отслеживаемыми группами микробиологических организмов, но даже они имеют большое значение только там, где вода в водной среде впоследствии используется в качестве питьевой или где практикуется отдых, связанный с контактом с водой, например, плавание или гребля на каноэ .
Хотя патогены находятся в центре внимания, основные усилия по мониторингу почти всегда направлены на гораздо более распространенные индикаторные виды, такие как Escherichia coli [36] , дополненные общим количеством колиформных бактерий . Обоснованием этой стратегии мониторинга является то, что большинство человеческих патогенов происходят от других людей через сточные воды. Многие очистные сооружения не имеют конечной стадии стерилизации и поэтому сбрасывают сточные воды , которые, хотя и имеют чистый вид, все еще содержат много миллионов бактерий на литр, большинство из которых являются относительно безвредными колиформными бактериями. Подсчет количества безвредных (или менее вредных) бактерий в сточных водах позволяет сделать вывод о вероятности присутствия значительного количества патогенных бактерий или вирусов. Когда уровни E. coli или колиформных бактерий превышают предварительно установленные пороговые значения, затем инициируется более интенсивный мониторинг, включая специальный мониторинг патогенных видов.
Стратегии мониторинга могут давать вводящие в заблуждение ответы, когда опираются на подсчеты видов или присутствие или отсутствие определенных организмов, если не принимается во внимание размер популяции. Понимание динамики популяции отслеживаемого организма имеет решающее значение.
Например, если в качестве меры, принятой в стратегии мониторинга, используется присутствие или отсутствие определенного организма в пределах квадрата площадью 10 км, то сокращение популяции с 10 000 на квадрат до 10 на квадрат останется незамеченным, несмотря на весьма существенное воздействие, оказываемое организмом.
Весь научно обоснованный экологический мониторинг выполняется в соответствии с опубликованной программой. Программа может включать общие цели организации, ссылки на конкретные стратегии, которые помогают достичь цели, и подробности конкретных проектов или задач в рамках этих стратегий. Ключевой особенностью любой программы является перечень того, что контролируется, и как этот мониторинг должен проводиться, а также временные рамки, в течение которых все это должно происходить. Обычно, а часто и в качестве приложения, программа мониторинга предоставляет таблицу мест, дат и методов отбора проб, которые предлагаются и которые, если будут выполнены в полном объеме, представят опубликованную программу мониторинга.
Существует ряд коммерческих программных пакетов, которые могут помочь в реализации программы, отслеживать ее ход и выявлять несоответствия или упущения, но ни один из них не может предоставить ключевой строительный блок, которым является сама программа.
Учитывая множественность типов и растущие объемы и важность данных мониторинга, коммерческое программное обеспечение Environmental Data Management Systems (EDMS) или E-MDMS все чаще используется регулируемыми отраслями. Они предоставляют средства управления всеми данными мониторинга в одном центральном месте. Проверка качества, проверка соответствия, проверка получения всех данных и отправка оповещений, как правило, автоматизированы. Типичная функциональность опроса позволяет сравнивать наборы данных как временно, так и пространственно. Они также будут генерировать нормативные и другие отчеты.
Одна официальная схема сертификации существует специально для программного обеспечения управления экологическими данными . Она предоставляется Агентством по охране окружающей среды в Великобритании в рамках его Схемы сертификации мониторинга (MCERTS). [37] [38] [39]
Существует широкий спектр методов отбора проб , которые зависят от типа окружающей среды, отбираемого материала и последующего анализа пробы. В простейшем случае образец может быть заполнен чистой бутылкой речной водой и представлен для обычного химического анализа. В более сложном случае данные пробы могут быть получены сложными электронными сенсорными устройствами, отбирающими подвыборки в течение фиксированных или переменных периодов времени.
Методы отбора проб включают в себя оценочную выборку, простую случайную выборку, стратифицированную выборку , систематическую и сеточную выборку, адаптивную кластерную выборку , выборочные выборки, полунепрерывный и непрерывный мониторинг, пассивную выборку , дистанционное наблюдение, дистанционное зондирование , биомониторинг и другие методы отбора проб.
При оценочной выборке выбор единиц выборки (т. е. количество и местоположение и/или время сбора образцов) основан на знании исследуемой особенности или состояния и на профессиональном суждении. Оценочная выборка отличается от вероятностной выборки тем, что выводы основаны на профессиональном суждении, а не на статистической научной теории. Поэтому выводы о целевой популяции ограничены и полностью зависят от обоснованности и точности профессионального суждения; вероятностные утверждения о параметрах невозможны. Как описано в последующих главах, экспертное суждение также может использоваться в сочетании с другими планами выборки для получения эффективной выборки для принятия обоснованных решений. [40]
При простой случайной выборке конкретные единицы выборки (например, местоположения и/или время) выбираются с использованием случайных чисел, и все возможные выборки заданного количества единиц одинаково вероятны. Например, простая случайная выборка набора бочек может быть получена путем нумерации всех бочек и случайного выбора номеров из этого списка или путем выборки области с использованием пар случайных координат. Этот метод прост для понимания, а уравнения для определения размера выборки относительно просты. Простая случайная выборка наиболее полезна, когда интересующая популяция относительно однородна; т. е. не ожидается никаких основных схем загрязнения или «горячих точек». Основные преимущества этой конструкции:
В некоторых случаях реализация простой случайной выборки может быть сложнее, чем некоторые другие типы конструкций (например, сеточные выборки) из-за сложности точного определения случайных географических местоположений. Кроме того, простая случайная выборка может быть более затратной, чем другие планы, если трудности в получении образцов из-за местоположения приводят к затратам дополнительных усилий. [40]
При стратифицированной выборке целевая популяция разделяется на неперекрывающиеся страты или субпопуляции, которые известны или считаются более однородными (по отношению к среде окружающей среды или загрязняющему веществу), так что между единицами выборки в одной и той же страте наблюдается меньшая вариация, чем между единицами выборки в разных стратах. Страты могут быть выбраны на основе пространственной или временной близости единиц или на основе уже существующей информации или профессионального суждения о месте или процессе. Преимущества этого дизайна выборки заключаются в том, что он имеет потенциал для достижения большей точности в оценках среднего значения и дисперсии, и что он позволяет вычислять надежные оценки для подгрупп населения, представляющих особый интерес. Большая точность может быть получена, если интересующее измерение сильно коррелирует с переменной, используемой для создания страт. [40]
При систематической и сеточной выборке образцы отбираются через равные интервалы в пространстве или времени. Начальное местоположение или время выбираются случайным образом, а затем определяются оставшиеся места отбора проб таким образом, чтобы все местоположения находились через равные интервалы в области (сетка) или во времени (систематический). Примеры Систематическая сеточная выборка - квадратная сетка Систематическая сеточная выборка - треугольная Сетки систематических сеток включают квадратные, прямоугольные, треугольные или радиальные сетки. Cressie, 1993. При случайной систематической выборке начальное местоположение (или время) отбора проб выбирается случайным образом, а оставшиеся места отбора проб указываются таким образом, чтобы они были расположены в соответствии с регулярной схемой. Случайная систематическая выборка используется для поиска горячих точек и для вывода средних значений, процентилей или других параметров, а также полезна для оценки пространственных моделей или тенденций с течением времени. Такая конструкция обеспечивает практичный и простой метод обозначения мест отбора проб и обеспечивает равномерное покрытие участка, единицы или процесса. [40]
Ранжированный набор выборки — это инновационный дизайн, который может быть очень полезным и экономически эффективным для получения лучших оценок средних уровней концентрации в почве и других средах окружающей среды путем явного включения профессионального суждения полевого исследователя или метода полевого скринингового измерения для выбора конкретных мест отбора проб в поле. Ранжированный набор выборки использует двухфазный дизайн выборки, который определяет наборы полевых местоположений, использует недорогие измерения для ранжирования местоположений внутри каждого набора, а затем выбирает одно место из каждого набора для отбора проб. При ранжированном наборе выборки m наборов (каждый размером r) полевых местоположений определяются с помощью простой случайной выборки. Места ранжируются независимо внутри каждого набора с помощью профессионального суждения или недорогих, быстрых или суррогатных измерений. Затем выбирается одна единица выборки из каждого набора (на основе наблюдаемых рангов) для последующего измерения с использованием более точного и надежного (следовательно, более дорогого) метода для интересующего загрязнителя. По сравнению с простой случайной выборкой этот дизайн приводит к получению более репрезентативных выборок и, таким образом, к более точным оценкам параметров популяции. Ранжированная выборка полезна, когда стоимость определения местоположения и ранжирования местоположений в полевых условиях низкая по сравнению с лабораторными измерениями. Она также подходит, когда доступна недорогая вспомогательная переменная (основанная на экспертных знаниях или измерениях) для ранжирования единиц популяции относительно интересующей переменной. Для эффективного использования этой конструкции важно, чтобы метод ранжирования и аналитический метод были тесно связаны. [40]
При адаптивной кластерной выборке образцы отбираются с помощью простой случайной выборки, а дополнительные образцы отбираются в местах, где измерения превышают некоторое пороговое значение. Может потребоваться несколько дополнительных раундов выборки и анализа. Адаптивная кластерная выборка отслеживает вероятности отбора для более поздних фаз выборки, чтобы можно было рассчитать несмещенную оценку среднего значения популяции, несмотря на избыточную выборку определенных областей. Примером применения адаптивной кластерной выборки является очерчивание границ шлейфа загрязнения. Адаптивная выборка полезна для оценки или поиска редких характеристик в популяции и подходит для недорогих, быстрых измерений. Она позволяет очерчивать границы горячих точек, а также использовать все собранные данные с соответствующим взвешиванием, чтобы дать несмещенные оценки среднего значения популяции. [40] [41]
Выборочные пробы — это пробы, взятые из однородного материала, обычно воды , в одном сосуде. Наполнение чистой бутылки речной водой — очень распространенный пример. Выборочные пробы дают хорошее моментальное представление о качестве отобранной среды в точке отбора проб и во время отбора проб. Без дополнительного мониторинга результаты нельзя экстраполировать на другие времена или на другие части реки, озера или грунтовых вод. [41] : 3
Для того чтобы можно было считать выборочные пробы или реки репрезентативными, требуются повторные поперечные и продольные трансектные исследования, проводимые в разное время суток и года, чтобы установить, что место выборочной пробы является настолько репрезентативным, насколько это возможно. Для крупных рек такие исследования должны также учитывать глубину пробы и то, как лучше всего управлять местами отбора проб во время наводнений и засух. [41] : 8–9
В озерах относительно просто брать пробы с помощью глубинных пробоотборников, которые можно опустить на заданную глубину, а затем закрыть, чтобы захватить фиксированный объем воды с требуемой глубины. Во всех озерах, кроме самых мелких, наблюдаются значительные изменения в химическом составе озерной воды на разных глубинах, особенно в летние месяцы, когда многие озера расслаиваются на теплый, хорошо насыщенный кислородом верхний слой ( эпилимнион ) и прохладный, лишенный кислорода нижний слой ( гиполимнион ).
В открытом море отбор проб может установить широкий диапазон базовых параметров, таких как соленость и диапазон концентраций катионов и анионов. Однако, когда изменчивые условия являются проблемой, например, вблизи речных или канализационных сбросов, вблизи последствий вулканизма или вблизи областей поступления пресной воды из тающего льда, отбор проб может дать лишь очень частичный ответ, если он взят сам по себе.
Существует широкий спектр специализированного оборудования для отбора проб, которое можно запрограммировать на отбор проб с фиксированными или переменными интервалами времени или в ответ на внешний триггер. Например, автосэмплер можно запрограммировать на начало отбора проб реки с 8-минутными интервалами, когда интенсивность осадков превышает 1 мм/час. Триггером в этом случае может быть удаленный дождемер, взаимодействующий с пробоотборником с помощью сотового телефона или технологии метеоритного взрыва [42] . Пробоотборники также могут отбирать отдельные дискретные пробы при каждом отборе проб или объединять пробы в композитные, так что в течение одного дня такой пробоотборник может производить 12 композитных проб, каждая из которых состоит из 6 подвыборок, отобранных с 20-минутными интервалами.
Непрерывный или квазинепрерывный мониторинг подразумевает наличие автоматизированного аналитического объекта вблизи контролируемой среды, чтобы результаты можно было, при необходимости, просматривать в режиме реального времени. Такие системы часто устанавливаются для защиты важных источников водоснабжения, таких как система регулирования реки Ди, но также могут быть частью общей стратегии мониторинга на крупных стратегических реках, где раннее предупреждение о потенциальных проблемах имеет важное значение. Такие системы регулярно предоставляют данные о таких параметрах, как pH , растворенный кислород , проводимость , мутность и аммиак с помощью зондов. [43] Также возможно использовать газожидкостную хроматографию с технологиями масс-спектрометрии (ГЖХ/МС) для исследования широкого спектра потенциальных органических загрязнителей. Во всех примерах автоматизированного анализа на берегу существует требование, чтобы вода перекачивалась из реки на станцию мониторинга. Выбор места для впускного отверстия насоса так же важен, как и выбор места для отбора пробы из реки. Конструкция насоса и трубопровода также требует тщательного проектирования, чтобы избежать появления артефактов в результате перекачивания воды. Концентрацию растворенного кислорода трудно поддерживать с помощью насосной системы, а установки ГЖХ/МС могут обнаруживать микроорганические загрязнители из трубопроводов и сальников .
Использование пассивных пробоотборников значительно снижает стоимость и потребность в инфраструктуре на месте отбора проб. Пассивные пробоотборники являются полуодноразовыми и могут быть произведены по относительно низкой цене, поэтому их можно использовать в большом количестве, что позволяет лучше охватывать территорию и собирать больше данных. Благодаря небольшому размеру пассивный пробоотборник также можно спрятать, тем самым снижая риск вандализма. Примерами пассивных пробоотборников являются пробоотборник с диффузионными градиентами в тонких пленках (DGT), Chemcatcher , полярный органический химический интегративный пробоотборник (POCIS), полупроницаемые мембранные устройства (SPMD), стабилизированные жидкостные мембранные устройства (SLMD) и воздушный пробоотборный насос .
Хотя сбор данных на месте с использованием электронного измерительного оборудования является обычным делом, многие программы мониторинга также используют удаленное наблюдение и удаленный доступ к данным в режиме реального времени. Для этого требуется, чтобы оборудование для мониторинга на месте было подключено к базовой станции через телеметрическую сеть, наземную линию, сотовую телефонную сеть или другую телеметрическую систему, такую как Meteor burst. Преимущество удаленного наблюдения заключается в том, что множество потоков данных могут поступать на одну базовую станцию для хранения и анализа. Оно также позволяет устанавливать уровни срабатывания или оповещения для отдельных участков мониторинга и/или параметров, чтобы можно было немедленно предпринять меры в случае превышения уровня срабатывания. Использование удаленного наблюдения также позволяет устанавливать очень дискретное оборудование для мониторинга, которое часто можно закопать, замаскировать или привязать на глубине в озере или реке, при этом торчит только короткая штыревая антенна . Использование такого оборудования, как правило, снижает вандализм и кражи при мониторинге в местах, легко доступных для общественности.
Дистанционное зондирование окружающей среды использует БПЛА , самолеты или спутники для мониторинга окружающей среды с помощью многоканальных датчиков.
Существует два вида дистанционного зондирования. Пассивные датчики обнаруживают естественное излучение, которое испускается или отражается наблюдаемым объектом или окружающей средой. Отраженный солнечный свет является наиболее распространенным источником излучения, измеряемого пассивными датчиками, а в дистанционном зондировании окружающей среды используемые датчики настроены на определенные длины волн от дальнего инфракрасного диапазона через видимые световые частоты до дальнего ультрафиолета . Объемы данных, которые могут быть собраны, очень велики и требуют специальной вычислительной поддержки. Выходными данными анализа данных дистанционного зондирования являются изображения в ложных цветах, которые различают небольшие различия в характеристиках излучения контролируемой среды. При умелом выборе оператором определенных каналов можно усилить различия, которые незаметны для человеческого глаза. В частности, можно различать тонкие изменения в концентрациях хлорофилла a и хлорофилла b в растениях и показывать области среды с несколько отличающимися режимами питания.
Активное дистанционное зондирование излучает энергию и использует пассивный датчик для обнаружения и измерения излучения, которое отражается или рассеивается от цели. LIDAR часто используется для получения информации о топографии местности, особенно когда территория большая, а ручная съемка была бы чрезмерно дорогой или сложной.
Дистанционное зондирование позволяет собирать данные об опасных или недоступных районах. Приложения дистанционного зондирования включают мониторинг вырубки лесов в таких областях, как бассейн Амазонки , влияние изменения климата на ледники и Арктику и Антарктику, а также зондирование глубин прибрежных и океанических глубин.
Орбитальные платформы собирают и передают данные из разных частей электромагнитного спектра , что в сочетании с более масштабным воздушным или наземным зондированием и анализом, предоставляет информацию для мониторинга тенденций, таких как Эль-Ниньо и другие природные долгосрочные и краткосрочные явления. Другие области применения включают различные области наук о Земле, такие как управление природными ресурсами , планирование землепользования и охрана природы. [44]
Использование живых организмов в качестве инструментов мониторинга имеет много преимуществ. Организмы, живущие в изучаемой среде, постоянно подвергаются физическому, биологическому и химическому влиянию этой среды. Организмы, которые имеют тенденцию накапливать химические виды, часто могут накапливать значительные количества материала из очень низких концентраций в среде. Мхи использовались многими исследователями для мониторинга концентраций тяжелых металлов из-за их тенденции избирательно адсорбировать тяжелые металлы. [45] [46]
Аналогичным образом угри использовались для изучения галогенированных органических химикатов, поскольку они адсорбируются в жировых отложениях внутри угря. [47]
Экологическая выборка требует тщательного планирования, чтобы быть репрезентативной и максимально неинвазивной. Для лугов и других низкорослых местообитаний часто используется квадрат – квадратная рамка размером 1 метр – с подсчетом количества и типов организмов, растущих в пределах каждого квадрата [48]
Для отложений и почв требуются специальные инструменты для отбора проб, чтобы обеспечить репрезентативность извлеченного материала. Такие пробоотборники часто предназначены для отбора определенного объема материала, а также могут быть предназначены для отбора биоты, живущей в отложениях или почве [49], например, граблер Экмана .
Интерпретация данных об окружающей среде, полученных в результате хорошо разработанной программы мониторинга, является большой и сложной темой, затрагиваемой во многих публикациях. К сожалению, иногда бывает так, что ученые подходят к анализу результатов с заранее задуманным результатом и используют или неправильно используют статистику, чтобы продемонстрировать, что их собственная точка зрения верна.
Статистика остается инструментом, который одинаково легко использовать или неправильно использовать для демонстрации уроков, извлеченных из мониторинга окружающей среды.
С момента начала научно обоснованного мониторинга окружающей среды был разработан ряд индексов качества, помогающих классифицировать и прояснить значение значительных объемов вовлеченных данных. Утверждение, что участок реки относится к «классу B», вероятно, будет гораздо более информативным, чем утверждение, что этот участок реки имеет средний БПК 4,2, средний уровень растворенного кислорода 85% и т. д. В Великобритании Агентство по охране окружающей среды официально использовало систему под названием Общая оценка качества (GQA), которая классифицировала реки по шести буквенным диапазонам качества от A до F на основе химических критериев [50] и биологических критериев. [51] Агентство по охране окружающей среды и его децентрализованные партнеры в Уэльсе (Countryside Council for Wales, CCW) и Шотландии (Scottish Environmental Protection Agency, SEPA) теперь используют систему биологической, химической и физической классификации для рек и озер, которая соответствует Рамочной директиве ЕС по водным ресурсам. [52]
В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .