Мониторинг окружающей среды описывает процессы и действия, которые необходимо предпринять для характеристики и мониторинга качества окружающей среды. Экологический мониторинг используется при подготовке оценок воздействия на окружающую среду , а также во многих случаях, когда деятельность человека несет в себе риск вредного воздействия на природную среду . Все стратегии и программы мониторинга имеют причины и обоснования, которые часто предназначены для установления текущего состояния окружающей среды или выявления тенденций изменения параметров окружающей среды. Во всех случаях результаты мониторинга будут рассмотрены, статистически проанализированы и опубликованы. Поэтому при разработке программы мониторинга необходимо учитывать окончательное использование данных до начала мониторинга.
Экологический мониторинг включает в себя мониторинг качества воздуха , почвы и воды .
Загрязнители воздуха – это атмосферные вещества как природного, так и антропогенного происхождения , которые потенциально могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду и здоровье организма . С развитием новых химических веществ и промышленных процессов произошло увеличение количества загрязняющих веществ в атмосфере, а также экологические исследования и нормативные акты, увеличивающие спрос на мониторинг качества воздуха. [1]
Мониторинг качества воздуха сложно реализовать, поскольку он требует эффективной интеграции множества источников экологических данных, которые часто поступают из различных экологических сетей и учреждений. [2] Эти проблемы требуют специализированного наблюдательного оборудования и инструментов для определения концентраций загрязнителей воздуха, включая сенсорные сети, модели географических информационных систем (ГИС) и Службу сенсорных наблюдений (SOS), веб-сервис для запроса данных датчиков в реальном времени. [2] Модели рассеивания воздуха , которые объединяют топографические данные, данные о выбросах и метеорологические данные для прогнозирования концентрации загрязняющих веществ в воздухе, часто оказываются полезными при интерпретации данных мониторинга воздуха. Кроме того, рассмотрение данных анемометра в зоне между источниками и монитором часто дает представление об источнике загрязнителей воздуха, регистрируемых 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 предполагает 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, который рассеивает загрязнители воздуха в сорбирующую среду. Преимущество пассивных пробоотборников, таких как диффузионные трубки , заключается в том, что они обычно небольшие, бесшумные и просты в развертывании, и они особенно полезны при исследованиях качества воздуха, которые определяют ключевые области для будущего непрерывного мониторинга. [13]
Загрязнение воздуха также можно оценить с помощью биомониторинга с помощью организмов, которые биоаккумулируют загрязнители 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 путем измерения накопленных соединений, репрезентативных для окружающей среды, из которой они произошли. Однако необходимо внимательно отнестись к выбору конкретного организма, способу его распространения и отношению к 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 связанного с ней качества , компонентов и физического состояния для определения или гарантии ее пригодности для использования. Почва сталкивается со многими угрозами, включая уплотнение , загрязнение , потерю органических материалов , утрату 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 человека. [19]
Оценка этих угроз и других рисков для почвы может быть сложной задачей из-за множества факторов, включая неоднородность и сложность почвы, нехватку данных о токсичности , отсутствие понимания судьбы загрязнителя и изменчивость уровней проверки почвы. [19] Это требует подхода к оценке рисков и методов анализа, которые отдают приоритет защите окружающей среды, снижению риска и, при необходимости, методам восстановления. [19] Мониторинг почвы играет важную роль в этой оценке риска, помогая не только выявить подверженные риску и пострадавшие районы, но также и установить базовые фоновые значения почвы. [19]
Мониторинг почвы исторически был сосредоточен на более классических условиях и загрязнителях, включая токсичные элементы (например, ртуть , свинец и мышьяк ) и стойкие органические загрязнители (СОЗ). [19] Исторически тестирование этих и других аспектов почвы, однако, имело свои собственные проблемы, поскольку отбор проб в большинстве случаев носит разрушительный характер и требует многократного отбора проб с течением времени. Кроме того, могут возникнуть процедурные и аналитические ошибки из-за различий в источниках и методах, особенно с течением времени. [20] Однако по мере развития аналитических методов и распространения новых знаний об экологических процессах и воздействии загрязнителей фокус мониторинга, вероятно, со временем будет расширяться, а качество мониторинга будет продолжать улучшаться. [19]
Двумя основными типами отбора проб почвы являются самосборные пробы и смешанные пробы. Одноразовый отбор предполагает сбор отдельной пробы в определенное время и в определенном месте, тогда как составной отбор предполагает сбор гомогенизированной смеси нескольких отдельных проб либо в определенном месте в разное время, либо в нескольких местах в определенное время. [21] Отбор проб почвы может осуществляться как на мелководье, так и глубоко в земле, при этом методы сбора варьируются в зависимости от уровня, с которого был собран грунт. Совки, шнеки, колонковые бочки, пробоотборники со сплошными трубками и другие инструменты используются на неглубоких уровнях земли, тогда как на глубоких грунтах можно использовать методы с разъемной трубкой, сплошной трубкой или гидравлические методы. [22]
.jpg/1280px-20180221-OSEC-LSC-0055_(39518128545).jpg)
Мониторинг загрязнения почвы помогает исследователям выявить закономерности и тенденции в осаждении, перемещении и воздействии загрязняющих веществ. Антропогенное давление, такое как туризм, промышленная деятельность, разрастание городов , строительные работы и неадекватные методы ведения сельского/лесного хозяйства, может способствовать и усугублять загрязнение почвы и приводить к тому, что почва становится непригодной для использования по назначению. Как неорганические, так и органические загрязнители могут попадать в почву, оказывая самые разнообразные пагубные последствия. Поэтому мониторинг загрязнения почвы важен для выявления зон риска, установления исходных показателей и определения загрязненных зон для восстановления. Усилия по мониторингу могут варьироваться от местных ферм до общенациональных усилий, таких как те, что были предприняты Китаем в конце 2000-х годов [19] с предоставлением таких подробностей, как природа загрязнителей, их количество, воздействие, характер концентрации и осуществимость устранения. [23] Оборудование для мониторинга и анализа в идеале должно 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 помощью хроматографии и спектрометрии , геофизические методы могут оценивать физические свойства больших территорий, а биологические методы могут использовать конкретные организмы для измерения не только уровня загрязнения, но и побочных продуктов биоразложения загрязнителей. Эти и другие методы становятся все более эффективными, а лабораторное оборудование становится более точным, что приводит к более значимым результатам мониторинга. [25]
Мониторинг эрозии почвы помогает исследователям выявить закономерности и тенденции в движении почвы и отложений. Программы мониторинга на протяжении многих лет менялись: от долгосрочных академических исследований на университетских участках до рекогносцировочных исследований биогеоклиматических территорий. Однако в большинстве методов основное внимание уделяется выявлению и измерению всех доминирующих эрозионных процессов на данной территории. [26] Кроме того, мониторинг эрозии почвы может попытаться количественно оценить влияние эрозии на урожайность сельскохозяйственных культур, хотя это и сложно, «из-за многих сложностей во взаимоотношениях между почвами и растениями и управлении ими в условиях переменного климата». [27]
Мониторинг засоления почвы помогает исследователям выявить закономерности и тенденции в содержании солей в почве. Как естественный процесс проникновения морской воды , так и антропогенные процессы ненадлежащего управления почвой и водными ресурсами могут привести к проблемам засоления почвы, от которых во всем мире пострадало до одного миллиарда гектаров земли (по состоянию на 2013 год). [28] Мониторинг засоления на местном уровне может внимательно изучить корневую зону, чтобы оценить воздействие засоления и разработать варианты управления, тогда как на региональном и национальном уровне мониторинг засоления может помочь выявить районы, подверженные риску, и помочь политикам в решении этой проблемы до оно распространяется. [28] Сам процесс мониторинга может осуществляться с использованием таких технологий, как дистанционное зондирование и географические информационные системы (ГИС) для определения солености по зелености, яркости и белизне на уровне поверхности. Прямой анализ почвы с близкого расстояния, включая использование методов электромагнитной индукции , также может использоваться для мониторинга засоления почвы. [28]
Мониторинг качества воды бесполезен без четкого и однозначного определения причин проведения мониторинга и целей, которым он будет отвечать. Почти весь мониторинг (за исключением, возможно, дистанционного зондирования ) в некоторой степени является инвазивным для изучаемой среды, а обширный и плохо спланированный мониторинг несет в себе риск нанесения ущерба окружающей среде. Это может иметь решающее значение в дикой природе или при мониторинге очень редких организмов или тех, которые не любят присутствия человека. Некоторые методы мониторинга, такие как использование жаберных сетей для оценки популяций, могут нанести большой ущерб, по крайней мере, местному населению, а также могут подорвать доверие общественности к ученым, проводящим мониторинг.
Почти все основные проекты мониторинга окружающей среды являются частью общей стратегии мониторинга или области исследований, и эти области и стратегии сами по себе вытекают из целей или стремлений высокого уровня организации. Если отдельные проекты мониторинга не впишутся в более широкую стратегическую структуру, результаты вряд ли будут опубликованы, а понимание окружающей среды, полученное в результате мониторинга, будет потеряно. [29] [30]
см. также параметры качества окружающей среды пресной воды.
Диапазон химических параметров, которые потенциально могут повлиять на любую экосистему, очень широк, и во всех программах мониторинга необходимо ориентироваться на набор параметров, основанный на местных знаниях и прошлой практике для первоначального анализа. Список может быть расширен или сокращен в зависимости от развития знаний и результатов первоначальных опросов.
Пресноводная среда тщательно изучается на протяжении многих лет, и во многих странах мира существует четкое понимание взаимодействия между химией и окружающей средой. Однако по мере разработки новых материалов и возникновения новых проблем потребуется пересмотр программ мониторинга. За последние 20 лет кислотные дожди , синтетические аналоги гормонов , галогенированные углеводороды , парниковые газы и многие другие 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 при более общем мониторинге окружающей среды многие животные выступают в качестве надежных индикаторов качества окружающей среды, с которым они сталкиваются или испытывали в недавнем прошлом. [31] Одним из наиболее известных примеров является мониторинг численности лососевых рыб, таких как кумжа или атлантический лосось, в речных системах и озерах с целью выявления медленных тенденций неблагоприятного воздействия на окружающую среду. Резкое сокращение популяций лососевых рыб было одним из первых признаков проблемы, которая позже стала известна как кислотные дожди .
В последние годы гораздо больше внимания уделяется более целостному подходу, при котором состояние экосистем оценивается и используется в качестве самого инструмента мониторинга. [32] Именно этот подход лежит в основе протоколов мониторинга Рамочной водной директивы в Европейском Союзе .
Радиационный мониторинг включает измерение дозы радиации или радионуклидного загрязнения по причинам, связанным с оценкой или контролем воздействия ионизирующего излучения или радиоактивных веществ, и интерпретацию результатов. [33] «Измерение» дозы часто означает измерение величины эквивалента дозы в качестве заменителя (т.е. заменителя) величины дозы, которую невозможно измерить напрямую. Также отбор проб может быть предварительным этапом измерения содержания радионуклидов в окружающей среде. Методические и технические детали проектирования и эксплуатации программ и систем мониторинга различных радионуклидов, сред окружающей среды и типов объектов приведены в Руководстве по безопасности МАГАТЭ RS-G-1.8 [34] и в Отчете МАГАТЭ по безопасности № 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 исследования также проводятся такими организациями, как Группа поддержки ядерных чрезвычайных ситуаций .
Бактерии и вирусы являются наиболее часто наблюдаемыми группами микробиологических организмов, но даже они имеют большое значение только в тех случаях, когда вода в водной среде впоследствии используется в качестве питьевой воды или когда практикуется отдых, контактирующий с водой, например, плавание или гребля на каноэ .
Хотя основное внимание уделяется патогенам , основные усилия по мониторингу почти всегда направлены на гораздо более распространенные виды-индикаторы , такие как Escherichia coli [36] , дополненные общим количеством колиформных бактерий . Обоснование этой стратегии мониторинга заключается в том, что большинство патогенов человека происходят от других людей через поток сточных вод . Многие очистные сооружения не имеют конечной стадии стерилизации и поэтому сбрасывают сточные воды , которые, хотя и имеют чистый вид, все же содержат многие миллионы бактерий на литр, большинство из которых являются относительно безвредными бактериями группы кишечной палочки. Подсчет количества безвредных (или менее вредных) канализационных бактерий позволяет сделать вывод о вероятности присутствия значительного количества патогенных бактерий или вирусов. Если уровни E. coli или колиформных бактерий превышают заранее установленные триггерные значения, тогда начинается более интенсивный мониторинг, включая специальный мониторинг патогенных видов.
Стратегии мониторинга могут давать ошибочные ответы при подсчете видов или присутствии или отсутствии определенных организмов, если не учитывать размер популяции. Понимание динамики популяций наблюдаемого организма имеет решающее значение.
Например, если присутствие или отсутствие определенного организма на площади 10 км2 является мерой, принятой стратегией мониторинга, то сокращение популяции с 10 000 на квадрат до 10 на квадрат останется незамеченным, несмотря на очень значительное воздействие, испытываемое организмом. .
Весь научно достоверный экологический мониторинг осуществляется в соответствии с опубликованной программой. Программа может включать общие цели организации, ссылки на конкретные стратегии, которые помогают достичь цели, а также детали конкретных проектов или задач в рамках этих стратегий. Ключевой особенностью любой программы является перечень того, что контролируется и как этот мониторинг осуществляется. что произойдет, и сроки, в течение которых все это должно произойти. Как правило, а зачастую и в виде приложения, программа мониторинга содержит таблицу мест, дат и методов отбора проб, которые предлагаются и которые, если они будут реализованы в полном объеме, обеспечат опубликованную программу мониторинга.
Существует ряд коммерческих пакетов программного обеспечения , которые могут помочь в реализации программы, отслеживать ее ход и выявлять несоответствия или упущения, но ни один из них не может стать ключевым строительным блоком, которым является сама программа.
Учитывая разнообразие типов, растущие объемы и важность данных мониторинга, коммерческое программное обеспечение «Системы управления экологическими данными» (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 обычно автоматизированы. Типичная функция опроса позволяет сравнивать наборы данных как во временном, так и в пространственном отношении. Они также будут составлять нормативные и другие отчеты.
Одна официальная схема сертификации существует специально для программного обеспечения для управления экологическими данными . Это обеспечивается Агентством по охране окружающей среды 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 самом простом случае образец может наполнять чистую бутылку речной водой и отправлять ее на обычный химический анализ. В более сложном случае выборочные данные могут быть получены с помощью сложных электронных сенсорных устройств, отбирающих подвыборки в течение фиксированных или переменных периодов времени.
Методы отбора проб включают оценочную выборку, простую случайную выборку, стратифицированную выборку , систематическую и сеточную выборку, адаптивную кластерную выборку , отдельные выборки, полунепрерывный мониторинг и непрерывный, пассивный отбор проб , дистанционное наблюдение, дистанционное зондирование , биомониторинг и другие методы отбора проб.
При выборочном отборе выбор единиц выборки (т. е. количества, места и/или времени сбора проб) основан на знании исследуемого признака или состояния и на профессиональном суждении. Выборка на основе суждений отличается от выборки, основанной на вероятности, тем, что выводы основаны на профессиональном суждении, а не на научной статистической теории. Таким образом, выводы о целевой группе населения ограничены и полностью зависят от обоснованности и точности профессионального суждения; вероятностные утверждения о параметрах невозможны. Как описано в последующих главах, экспертное заключение также может использоваться в сочетании с другими схемами выборки для создания эффективной выборки для обоснованных решений. [40]
При простой случайной выборке определенные единицы выборки (например, места и/или время) выбираются с использованием случайных чисел, и все возможные выборы заданного количества единиц равновероятны. Например, можно взять простую случайную выборку из набора барабанов, пронумеровав все барабаны и случайным образом выбрав номера из этого списка, или выбрав выборку области с использованием пар случайных координат. Этот метод легко понять, а уравнения для определения размера выборки относительно просты. Простая случайная выборка наиболее полезна, когда исследуемая совокупность относительно однородна; т.е. не ожидается каких-либо крупных схем загрязнения или «горячих точек». Основными преимуществами данной конструкции являются:
В некоторых случаях реализация простой случайной выборки может быть более сложной, чем некоторые другие типы планов (например, сеточные выборки) из-за сложности точного определения случайных географических местоположений. Кроме того, простая случайная выборка может оказаться более дорогостоящей, чем другие планы, если трудности с получением проб из-за местоположения требуют дополнительных усилий. [40]
При стратифицированном отборе проб целевая совокупность разделяется на непересекающиеся слои или субпопуляции, которые известны или считаются более однородными (по отношению к окружающей среде или загрязняющему веществу), так что существует тенденция к меньшим различиям между единицами выборки в одной и той же страте, чем среди единиц выборки в разных стратах. Страты могут быть выбраны на основе пространственной или временной близости единиц или на основе ранее существовавшей информации или профессионального суждения о площадке или процессе. Преимущества этой схемы выборки заключаются в том, что она позволяет добиться большей точности оценок среднего значения и дисперсии, а также позволяет рассчитывать надежные оценки для подгрупп населения, представляющих особый интерес. Большую точность можно получить, если интересующее измерение сильно коррелирует с переменной, используемой для создания страт. [40]
При систематическом и сеточном отборе пробы отбираются через равные промежутки времени в пространстве или времени. Начальное местоположение или время выбираются случайным образом, а затем определяются остальные места отбора проб таким образом, чтобы все местоположения находились через равные промежутки времени по площади (сетке) или времени (систематически). Примеры Систематическая выборка по сетке — квадратная сетка Систематическая выборка по сетке — треугольные сетки Систематические сетки включают квадратные, прямоугольные, треугольные или радиальные сетки. Cressie, 1993. При случайном систематическом отборе проб первоначальное место (или время) отбора проб выбирается случайным образом, а остальные места отбора проб определяются таким образом, чтобы они располагались по регулярному шаблону. Случайная систематическая выборка используется для поиска горячих точек и определения средних значений, процентилей или других параметров, а также полезна для оценки пространственных закономерностей или тенденций с течением времени. Такая конструкция обеспечивает практичный и простой метод определения мест отбора проб и обеспечивает равномерное покрытие участка, подразделения или процесса. [40]
Ранжированный набор отборов проб — это инновационный метод, который может быть очень полезным и экономически эффективным для получения более точных оценок средних уровней концентрации в почве и других средах окружающей среды за счет явного включения профессионального суждения исследователя или метода полевого скрининга для выбора конкретных мест отбора проб. в поле. Ранжированная совокупная выборка использует двухэтапную схему выборки, которая определяет наборы местоположений, использует недорогие измерения для ранжирования местоположений в каждом наборе, а затем выбирает одно местоположение из каждого набора для выборки. При ранжированной выборке наборов m наборов (каждый размером r) местоположений идентифицируются с использованием простой случайной выборки. Места ранжируются независимо внутри каждого набора с использованием профессионального суждения или недорогих, быстрых или суррогатных измерений. Затем из каждого набора отбирается одна единица выборки (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 такая схема приводит к получению более репрезентативной выборки и, следовательно, к более точным оценкам параметров совокупности. Ранжированная совокупная выборка полезна, когда затраты на определение местоположения и ранжирование мест на местах невелики по сравнению с лабораторными измерениями. Это также целесообразно, когда доступна недорогая вспомогательная переменная (основанная на экспертных знаниях или измерениях) для ранжирования единиц генеральной совокупности по интересующей переменной. Чтобы эффективно использовать эту схему, важно, чтобы метод ранжирования и аналитический метод были тесно связаны. [40]
При адаптивной кластерной выборке выборки отбираются с использованием простой случайной выборки, а дополнительные выборки отбираются в местах, где измерения превышают некоторое пороговое значение. Может потребоваться несколько дополнительных раундов отбора проб и анализа. Адаптивная кластерная выборка отслеживает вероятности отбора на более поздних этапах выборки, так что можно рассчитать несмещенную оценку среднего значения совокупности, несмотря на избыточную выборку в определенных областях. Примером применения адаптивного кластерного отбора проб является определение границ шлейфа загрязнения. Адаптивная выборка полезна для оценки или поиска редких характеристик в популяции и подходит для недорогих и быстрых измерений. Это позволяет очертить границы «горячих точек», а также использовать все собранные данные с соответствующим взвешиванием для получения объективных оценок среднего значения численности населения. [40] [41]
Отбор проб — это пробы, взятые из однородного материала, обычно воды , в одном сосуде. Наполнение чистой бутылки речной водой — очень распространенный пример. Взятые пробы обеспечивают хорошее мгновенное представление о качестве отобранной среды в момент отбора проб и во время отбора проб. Без дополнительного мониторинга результаты невозможно экстраполировать на другое время или на другие части реки, озера или грунтовых вод. [41] : 3
Для того чтобы можно было рассматривать дночерпательные пробы или реки как репрезентативные, необходимо провести повторные поперечные и продольные разрезные исследования, проводимые в разное время суток и в разное время года, чтобы установить, что место взятия проб является настолько репрезентативным, насколько это возможно. Для крупных рек такие исследования также должны учитывать глубину отбора проб и способы наилучшего управления местами отбора проб во время наводнений и засух. [41] : 8–9
В озерах относительно просто взять пробы с помощью глубинных пробоотборников, которые можно опустить на заранее определенную глубину, а затем закрыть, улавливая фиксированный объем воды с необходимой глубины. Во всех озерах, кроме самых мелких, происходят серьезные изменения в химическом составе озерной воды на разной глубине, особенно в летние месяцы, когда многие озера расслаиваются на теплый, хорошо насыщенный кислородом верхний слой ( эпилимнион ) и прохладный лишенный кислорода нижний слой. ( гиполимнион ).
В пробах морской среды открытого моря можно установить широкий диапазон базовых параметров, таких как соленость и диапазон концентраций катионов и анионов. Однако там, где изменяющиеся условия являются проблемой, например, вблизи рек или сбросов сточных вод, вблизи последствий вулканизма или вблизи районов поступления пресной воды в результате таяния льда, взятая отдельно взятая проба может дать лишь очень частичный ответ.
Существует широкий спектр специализированного оборудования для отбора проб, которое можно запрограммировать на отбор проб через фиксированные или переменные промежутки времени или в ответ на внешний сигнал. Например, автосамплер можно запрограммировать на начало отбора проб реки с 8-минутными интервалами, когда интенсивность осадков превысит 1 мм/час. Триггером в этом случае может быть удаленный дождемер, связывающийся с пробоотборником с помощью сотового телефона или технологии метеоритного взрыва [42] . Пробоотборники могут также отбирать отдельные дискретные пробы при каждом отборе проб или объединять пробы в составные, так что в течение одного дня такой пробоотборник может производить 12 составных проб, каждая из которых состоит из 6 подвыборок, взятых с 20-минутными интервалами.
Непрерывный или квазинепрерывный мониторинг предполагает наличие автоматизированного аналитического объекта вблизи контролируемой среды, чтобы при необходимости результаты можно было просматривать в режиме реального времени. Такие системы часто создаются для защиты важных запасов воды, например, в системе 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 обычно 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 изучения широкого спектра потенциальных органических загрязнителей. Во всех примерах автоматизированного берегового анализа требуется перекачка воды из реки на станцию мониторинга. Выбор места для впуска насоса так же важен, как и выбор места для взятия пробы из реки. Конструкция насоса и трубопроводов также требует тщательного проектирования, чтобы избежать появления артефактов в процессе перекачивания воды. Концентрацию растворенного кислорода трудно поддерживать с помощью насосной системы, и оборудование ГЖХ/МС может обнаружить микроорганические загрязнения из трубопроводов и сальников .
Использование пассивных пробоотборников значительно снижает стоимость и потребность в инфраструктуре в месте отбора проб. Пассивные пробоотборники являются полуодноразовыми и могут производиться по относительно низкой цене, поэтому их можно использовать в больших количествах, что позволяет лучше прикрыть и собрать больше данных. Благодаря небольшим размерам пассивный пробоотборник также можно спрятать, что снижает риск вандализма. Примерами пассивных устройств для отбора проб являются пробоотборники с диффузионными градиентами в тонких пленках (DGT), Chemcatcher , интегративные пробоотборники для полярных органических химических веществ (POCIS), полупроницаемые мембранные устройства (SPMD), стабилизированные жидкие мембранные устройства (SLMD) и насос для отбора проб воздуха .
Хотя сбор данных на месте с использованием электронного измерительного оборудования является обычным явлением, многие программы мониторинга также используют удаленное наблюдение и удаленный доступ к данным в режиме реального времени. Для этого необходимо, чтобы оборудование мониторинга на объекте было подключено к базовой станции через телеметрическую сеть, стационарную линию, сеть сотовой связи или другую систему телеметрии, такую как Meteor Burst. Преимущество удаленного наблюдения заключается в том, что многие потоки данных могут поступать на одну базовую станцию для хранения и анализа. Он также позволяет устанавливать триггерные уровни или уровни оповещения для отдельных объектов мониторинга и/или параметров, чтобы можно было инициировать немедленные действия в случае превышения триггерного уровня. Использование дистанционного наблюдения также позволяет установить очень дискретное оборудование для мониторинга, которое часто можно закопать, замаскировать или привязать на глубине в озере или реке, оставив лишь короткую штыревую антенну . Использование такого оборудования снижает уровень вандализма и краж 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 излучается или отражается наблюдаемым объектом или окружающей территорией. Отраженный солнечный свет является наиболее распространенным источником излучения, измеряемым пассивными датчиками, а при дистанционном зондировании окружающей среды используемые датчики настроены на определенные длины волн от дальнего инфракрасного диапазона до частот видимого света и дальнего ультрафиолета . Объемы данных, которые можно собрать, очень велики и требуют специальной вычислительной поддержки. Результатом анализа данных дистанционного зондирования являются изображения в искусственных цветах, которые различают небольшие различия в радиационных характеристиках контролируемой среды. Умелый оператор, выбирающий определенные каналы, может усилить различия, незаметные для человеческого глаза. В частности, можно различить тонкие изменения в концентрациях хлорофилла а и хлорофилла b в растениях и показать области окружающей среды с немного отличающимся режимом питания.
Активное дистанционное зондирование излучает энергию и использует пассивный датчик для обнаружения и измерения излучения, которое отражается или обратно рассеивается от цели. LIDAR часто используется для получения информации о топографии территории, особенно если территория большая и ручная съемка будет непомерно дорогой или сложной.
Дистанционное зондирование позволяет собирать данные об опасных или недоступных территориях. Приложения дистанционного зондирования включают мониторинг обезлесения в таких районах, как бассейн Амазонки , влияние изменения климата на ледники , арктические и антарктические регионы, а также глубинное зондирование прибрежных и океанских глубин.
Орбитальные платформы собирают и передают данные из разных частей электромагнитного спектра , что в сочетании с более масштабными воздушными или наземными зондированием и анализом предоставляет информацию для мониторинга таких тенденций, как Эль-Ниньо и других природных долгосрочных и краткосрочных явлений. 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 множество преимуществ. Организмы, обитающие в исследуемой среде, постоянно подвергаются физическому, биологическому и химическому воздействию этой среды. Организмы, склонные к накоплению химических веществ, часто могут накапливать значительные количества веществ в очень низких концентрациях в окружающей среде. Мхи использовались многими исследователями для мониторинга концентрации тяжелых металлов из-за их склонности избирательно адсорбировать тяжелые металлы. [45] [46]
Точно так же угри использовались для изучения галогенированных органических химикатов, поскольку они адсорбируются в жировых отложениях внутри угря. [47]
Экологический отбор проб требует тщательного планирования, чтобы быть репрезентативным и максимально неинвазивным. Для лугов и других низкорослых мест обитания часто используется квадрат – квадратная рамка площадью 1 метр – с подсчетом количества и типов организмов, растущих в пределах каждого квадрата [48].
Отложения и почвы требуют использования специальных инструментов для отбора проб, чтобы гарантировать репрезентативность извлеченного материала. Такие пробоотборники часто предназначены для сбора определенного объема материала, а также могут быть предназначены для сбора отложений или живой биоты почвы [49], например, пробоотборник Экмана .
Интерпретация экологических данных, полученных в результате хорошо разработанной программы мониторинга, является большой и сложной темой, которой посвящено множество публикаций. К сожалению, иногда случается так, что ученые подходят к анализу результатов, имея в виду заранее заданный результат, 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 экологического мониторинга.
С момента начала научно обоснованного мониторинга окружающей среды был разработан ряд показателей качества, которые помогут классифицировать и прояснить значение значительных объемов задействованных данных. Заявление о том, что участок реки относится к «классу B», вероятно, будет гораздо более информативным, чем утверждение, что этот участок реки имеет средний БПК 4,2, среднее содержание растворенного кислорода 85% и т. д. В Великобритании Агентство по охране окружающей среды официально использовало система под названием «Общая оценка качества» (GQA), которая классифицирует реки по шести буквенным категориям качества от A до F на основе химических критериев [50] и биологических критериев. [51] Агентство по охране окружающей среды и его автономные партнеры в Уэльсе (Сельский совет Уэльса, CCW) и Шотландии (Шотландское агентство по охране окружающей среды, SEPA) теперь используют систему биологической, химической и физической классификации рек и озер, соответствующую требованиям ЕС. Рамочная директива по водным ресурсам. [52]
В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .