Ποιοτική παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο με τηλεπισκόπηση μολυσμένων ΄΄σωμάτων΄΄ νερού: Εκροές από λίμνες (δεξαμενές) σταθεροποίησης
Από RemoteSensing Wiki
Συγγραφείς: Gideon Oron, Anatoly Gitelson
Αντικείμενο
Η ποιότητα των λυμάτων, κυρίως όσον αφορά στην περιεκτικότητά τους σε αιωρούμενα σωματίδια και χλωροφύλλη-α (Chl-a), σε μια εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων συνεχόμενων λιμνών σταθεροποίησης μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τεχνικές τηλεπισκόπησης.
Σκοπός
Ο σκοπός αυτής της εργασίας είναι να μελετήσει τα φάσματα ανακλαστικότητας των λυμάτων σε λίμνες σταθεροποίησης, για τον καθορισμό μεθόδων εξ αποστάσεως εκτίμησης της ποιότητας του νερού. Η ποιότητα της εκροής, κυρίως για επαναχρησιμοποίηση, χαρακτηρίζεται από την περιεκτικότητά της σε αιωρούμενα σωματίδια και BOD5 (βιοχημικά απαιτούμενο οξυγόνο). Η γραμμική σχέση μεταξύ των δύο αυτών παραμέτρων καθιστά τα αιωρούμενα σωματίδια ως μια αξιόπιστη ενδεικτική παράμετρο της ποιότητας.
Η καινοτομία αυτής της εργασίας είναι η εξέταση των εκροών στις λίμνες σταθεροποίησης με όρους ανακλαστικότητας. Οι διαφοροποιήσεις στην ανάκλαση του νερού εξαρτώνται από τη σκέδαση και την απορρόφηση των διάφορων περιεχόμενων συστατικών, ειδικότερα, αιωρούμενη και διαλυμένη οργανική και ανόργανη ύλη.
Ποιοτικός έλεγχος λυμάτων
Συνήθως για τον ποιοτικό έλεγχο των λυμάτων σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας γίνεται δειγματοληψία κατά τα διάφορα στάδια. Τα δείγματα μεταφέρονται σε κατάλληλα εξοπλισμένο εργαστήριο όπου και γίνεται η ανάλυση των ποιοτικών χαρακτηριστικών τους. Ωστόσο, η πρακτική αυτή αποτυγχάνει να ανιχνεύσει σημαντικές αλλαγές στην ποιότητα των λυμάτων (κυρίως στα αιωρούμενα σωματίδια και την άλγη), λόγω της εντατικής δραστηριότητας του περιεχόμενου βιολογικού πληθυσμού. Επιπλέον, ορισμένες τυπικές παράμετροι, όπως BOD5 (Βιολογικά Απαιτούμενο Οξυγόνο) , λαμβάνονται μόνο μετά από αρκετές ημέρες. Η εγκυρότητα των μετρήσεων της ποιότητας των λυμάτων και οι λειτουργικές προσαρμογές του συστήματος είναι επομένως εξαρτώμενες από τον χρόνο, ενώ τα αποτελέσματα είναι συχνά διαθέσιμα πολύ αργά.
Επομένως, είναι επιτακτική η ανάγκη ανάπτυξης και προσαρμογής μεθόδων παρακολούθησης και ελέγχου για την αξιολόγηση της ποιότητας των λυμάτων σε πραγματικό χρόνο. Η διαφορά στην περιεκτικότητα σε ανόργανη και βιοδιασπώμενη οργανική ύλη και άλγη φαίνεται στα διαφορετικά οπτικά χαρακτηριστικά των λυμάτων σε κάθε στάδιο επεξεργασίας.
Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να δώσουν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τα χαρακτηριστικά συστατικά των νερών και την αλληλεπίδρασή τους με το φυσικό φως.
Υλικά και μέθοδοι
Τα φάσματα ανάκλασης ελήφθησαν από ένα σύστημα λιμνών σταθεροποίησης λυμάτων με χρήση μεθόδων ραδιομετρίας υψηλής φασματικής ανάλυσης. Τα δεδομένα αυτά αναλύθηκαν περαιτέρω για την ανάκτηση ποσοτικής σύνδεσης μεταξύ της περιεκτικότητας των λιμνών σε Chl-a και ανόργανα αιωρούμενα σωματίδια με τα φασματικά χαρακτηριστικά των λυμάτων. Στη συνέχεια, οι πληροφορίες πεδίου χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση των χωρικών και χρονικών διακυμάνσεων της ποιότητας των λυμάτων κατά μήκος των σταδίων επεξεργασίας, σε ένα σύστημα από συνεχόμενες λίμνες. Οι μετρήσεις ελήφθησαν από ένα σύστημα επεξεργασίας αστικών λυμάτων με λίμνες (καθίζησης, βιολογικής επεξεργασίας, ωρίμανσης) και μια ανοιχτής επιφάνειας δεξαμενή εκροών (reservoir), στην πόλη Beer-Sheva του Ισραήλ.
Ραδιομετρικές Μετρήσεις
Οι μετρήσεις έγιναν με ένα φορητό ραδιόμετρο LICOR LI-1800. Η φασματική περιοχή του οργάνου είναι από 350 έως 1100 nm. Τα περισσότερα από τα δεδομένα που ελήφθησαν βρίσκονται στην περιοχή από 400 έως 850 nm, με φασματική ανάλυση 2nm.
Για τις μετρήσεις ακτινοβολίας ανάβλυσης (L~), το ραδιόμετρο συνδέθηκε με ένα τηλεσκόπιο με γωνία θέασης πεδίου 15°. Το τηλεσκόπιο τοποθετήθηκε περίπου 2 m πάνω από την επιφάνεια των λυμάτων. Η γωνία 15° οπτικών επιτρέπει μια στιγμιαία άποψη επιτόπιας παρακολούθησης περίπου 50 cm επί 50 cm από την επιφάνεια του νερού. Η ακτινοβολία καταβύθισης (Ed) μετρήθηκε με Remote Cosine Receptor. Προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν οι παρεμβολές λόγω φασματικά-ανακλώμενης ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια των μετρήσεων, το τηλεσκόπιο κατευθύνθηκε στην επιφάνεια του σώματος των λυμάτων σε γωνία περίπου 20° ως προς το ναδίρ, σε αντίθετη κατεύθυνση προς το αζιμούθιο του ήλιου (σε αυτό το αζιμούθιο η κατοπτρική ανάκλασης είναι ελάχιστη).
Κάθε μετρούμενο φάσμα ακτινοβολίας κανονικοποιήθηκε αποδίδοντας την ανακλαστικότητα R. Η ανάκλαση επιτρέπει τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης του κάθε οπτικώς ενεργού συστατικού, που περιέχεται στα λύματα.
Οι μετρήσεις πεδίου διεξήχθησαν δύο φορές κατά τη διάρκεια της χρονιάς 1993: μια τυπική μέρα του καλοκαιριού και το φθινόπωρο, χαρακτηριστικό της μεταβατικής περιόδου μεταξύ καλοκαιριού και χειμώνα. Όλες οι αναγνώσεις επαναλήφθηκαν τρεις φορές σε κάθε θέση ελέγχου και η μέση τιμή εξετάστηκε κατά την ανάλυση. Οι ραδιομετρικές μετρήσεις στη δεξαμενή ελήφθησαν από μια γέφυρα (περίπου 30m κοντά στη στεριά), η οποία αποτελεί την έξοδο για τα επεξεργασμένα λύματα από τις λίμνες, αλλά και η είσοδος για λύματα απόσυρσης για επαναχρησιμοποίηση για άρδευση.
Αποτελέσματα
Όσον αφορά στις καλοκαιρινές μετρήσεις, τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στην εικόνα 2.
- Aνιχνεύθηκε χαμηλή ανακλαστικότητα στη φασματική περιοχή των 400-500 nm με ελάχιστες τιμές της τάξης των 480 nm. Υψηλή απορρόφηση φωτός σε αυτά τα μήκη κύματος συσχετίζεται με περιεκτικότητα σε χουμικά και Chl-α.
- Η κορυφή ανάκλασης εμφανίζεται κοντά 570 nm σε όλες τις λίμνες, που είναι η φασματική περιοχή στην οποία η συνολική απορρόφηση από τις περισσότερες φωτοσυνθετικές χρωστικές ουσίες είναι η χαμηλότερη
- Διακύμανση της κλίσης της φασματικής ανακλαστικότητας κοντά 600 nm για τη δεξαμενή εκροών (reservoir) αποτελεί χαρακτηριστικό των ιδιοτήτων απορρόφησης του καθαρού νερό.
- Ελάχιστη ανάκλαση κοντά σε 624 nm αντιστοιχεί σε λίμνες στο μήκος κύματος των 670 nm, όπου η απορρόφηση του κόκκινου από Chl-α είναι μέγιστη.
- Η δεύτερη κορυφή ανάκλασης, σε ένα στενό εύρος μήκους κύματος περίπου 40 nm, ελήφθη στα 720 nm. Το μέγεθος της κορυφής, κυρίως για τη δεξαμενή εκροών και τη λίμνη ωρίμανσης, είναι ακόμη υψηλότερο από το ανάκλαση στην πράσινη περιοχή του φάσματος (κοντά 570 nm).
- Η τοπική κορυφή κοντά το μήκος κύματος 820 nm, κυρίως για την βιολογική επεξεργασία και τη λίμνη ωρίμανσης, οφείλεται πιθανώς σε ελάχιστη απορρόφηση, χαρακτηριστική του καθαρού νερού.
- Μέγιστη ανάκλαση (περίπου 14%) βρέθηκε στη λίμνη καθίζησης. Αυτό είναι πιθανώς λόγω του σχετικά υψηλού κλάσματος μη διασπασμένης ύλης που περιέχεται σε αυτό το στάδιο της επεξεργασίας.
Όσον αφορά στις μετρήσεις του Φθινοπώρου, η μείωση της θερμοκρασίας εκφράζεται με αλλαγές στην ανακλαστικότητα, ειδικά στην δεξαμενή που δέχεται τις εκροές (reservoir). Στην εικόνα 3 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για τη δεξαμενή εκροών τόσο για τις θερινές όσο και για τις φθινοπωρινές μετρήσεις.
Όπως φαίνεται, η ανάκλαση κατά το μήνα Σεπτέμβριο ήταν υψηλότερη πάνω από το ορατό και το εγγύς υπέρυθρο εύρος του φάσματος. Η υψηλότερη ανακλαστικότητα για τον Σεπτέμβριο που λαμβάνεται από αναγνώσεις στη γέφυρα και κοντά στις όχθες υποδεικνύει ότι ποιότητα εκροής στη δεξαμενή το καλοκαίρι ήταν ανώτερη από ότι το φθινόπωρο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που λαμβάνονται στη γέφυρα και κοντά στις όχθες, τα λύματα στη δεξαμενή είναι κακής ποιότητας στη διάρκεια του φθινοπώρου.
Όπως φαίνεται στην εικόνα 4, η χωρική κατανομή ανάκλασης στη δεξαμενή ήταν μη ομοιογενής με πολλά φύκια (άλγες) και αιωρούμενα σωματίδια. Η ποιότητα της εκροής στη δεξαμενή επηρεάζεται από φαινόμενα ανάμειξης και περιγράφεται καλά από τη διαφορά στην ανακλαστικότητα. Οπτικά, περιορισμένη ροή έγινε αντιληπτή στις γωνίες, παρέχοντας υψηλή ανακλαστικότητα. Στάσιμες συνθήκες στις γωνίες της δεξαμενής διεγείρουν την ανάπτυξη των αλγών και την περιεκτικότητα σε Chl-a.
Το κεντρικό τμήμα της δεξαμενής χαρακτηρίζεται από χαμηλή ανακλαστικότητα. Η παρουσία άλγης και αιωρούμενων σωματιδίων είναι πιθανώς λόγω μικτής εισροής των επεξεργασμένων λυμάτων από τις λίμνες ωρίμανσης και των λυμάτων αντλήσεως για άρδευση. Αυτό μπορεί να εξηγήσει τις φασματικές διαφορές, ακόμα και για τη μέτρηση σημείων που είναι μόλις λίγα μέτρα μακριά.
Συζήτηση
Χρησιμοποιώντας τεχνικές τηλεπισκόπησης σε λίμνες σταθεροποίησης μπορούν να διακριθούν δύο μεγάλες ομάδες συστατικών των λυμάτων:
- φυτοπλαγκτόν που περιέχει φωτοσυνθετικές χρωστικές, οι οποίες διατηρούν φασματικά χαρακτηριστικά σε διαφορετικά εύρη του φάσματος, που θα μπορούσε να υποδεικνύει συνθήκες ευτροφισμού και
- αιωρούμενα σωματίδια χωρίς χρωστικές υποδεικνύοντας διαφάνεια νερού.
Τα φάσματα ανακλαστικότητας των λυμάτων σε ένα σύστημα λιμνών σταθεροποίησης έχουν πολλά διακριτά χαρακτηριστικά:
1.Ελάχιστη ανακλαστικότητα στην μπλε περιοχή του φάσματος (400-500 nm) του φάσματος λόγω μέγιστης απορρόφησης από χλωροφύλλες και καροτενοειδή.
2.Μέγιστη ανακλαστικότητα στην πράσινη περιοχή του φάσματος (540 - 580 nm) λόγω της ελάχιστης απορρόφησης από όλες τις φωτοσυνθετικές χρωστικές ουσίες.
3.Αρκετά φασματικά χαρακτηριστικά του φυτοπλαγκτόν μπορούν να προσδιοριστούν στην κόκκινη περιοχή του φάσματος:
- Μία χαμηλή κορυφή στο φάσμα των 620-630 nm, η οποία είναι πιθανόν να οφείλεται σε απορρόφηση από φυκοκυανίνη.
- Ελάχιστες τιμές στα 676 nm, οι οποίες επηρεάζονται από την απορρόφηση Chl-a.
- Τιμές κορυφής κοντά στα 720 nm, οι οποίες αποτελούν συνδυαστικό αποτέλεσμα της απορρόφησης από φύκη και νερό.
Οι επιπτώσεις της συνδυαστικής απορρόφησης από διαλυμένη οργανική ύλη και άλγη (Chl-a) σε μήκη κύματος μικρότερα από 500 nm, καθώς και η αυξημένη σκέδαση σε μικρότερα μήκη κύματος καθιστούν πολύ δύσκολο να γίνει διάκριση μεταξύ της συνεισφορά καθενός από τα συστατικά στην ποιότητα των υδάτων, σε αυτήν την φασματική περιοχή. Κατά συνέπεια, το κόκκινο εύρος του φάσματος, που αποδίδεται σε φυτοπλαγκτόν και περιεκτικότητα σε χρωστική, είναι κατάλληλο για χρήση σε μεθόδους τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της ποιότητας των υδάτων.
Συμπεράσματα
Παρουσιάστηκε η προσέγγιση της παρακολούθησης σε πραγματικό χρόνο της ποιότητας των λυμάτων σε ένα σύστημα διαδοχικών λιμνών σταθεροποίησης. Η μέθοδος βασίζεται σε in-situ ραδιομετρία με κινητό εξοπλισμό. Ένα μόνιμο σύστημα παρακολούθησης θα μπορούσε να εγκατασταθεί στα διάφορα στάδια της επεξεργασίας για άμεση αξιολόγηση της ποιότητας των λυμάτων. Σε επόμενο στάδιο, οι πληροφορίες αυτές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη ενός λεξικού της ποιότητας των λυμάτων, που θα στηρίζεται στο φάσμα ανάκλασης και το εύρος της ακτινοβολίας. Τα αποτελέσματα πεδίου που ελήφθησαν από την εγκατάσταση στην πόλη των Beer-Sheva επιβεβαιώνουν τα οφέλη της σε πραγματικό χρόνο παρακολούθησης της ποιότητας των λυμάτων. Ο έλεγχος της ποιότητας των λυμάτων και του νερού σε πραγματικό χρόνο σε μεγάλα σώματα νερού (λίμνες, δεξαμενές εκροής επεξεργασμένων λυμάτων) μπορεί να αποτελέσει σημαντικό πλεονέκτημα για κατάλληλες και άμεσες τροποποιητικές επεμβάσεις.
