Folyamatos monitoring és értékelő rendszerek alkalmazása a vízbázisvédelem területén Balatonkenese, november 9-10.

Átírás

1 Országos Környezetvédelmi Konferencia Folyamatos monitoring és értékelő rendszerek alkalmazása a vízbázisvédelem területén Balatonkenese, november KOVÁCS ZSÓFIA tanársegéd Pannon Egyetem, Környezetmérnöki Intézet, Veszprém, Egyetem u. 10

2 BEVEZETÉS 1. EU VÍZ KERETIRÁNYELV, VGT2 2. EGYEDI VÍZMONITORING RENDSZEREK - automata monitoring állomások, bóják, hajók 3. KIÉRTÉKELÉSI MÓDSZER - diszkrét matematikai osztályozó módszer Iteratív Kanonikus Forma (ICF) 4. ÖSSZEFOGLALÁS

3 EU VKI Vízgyűjtő Gazdálkodási Terv2 Az Európai Unió hosszú távú programja a Víz Keretirányelv (2000/60/EK). A VKI célja, a víztestek jó ökológiai és kémiai állapotának/potenciáljának elérése 2017-re vagy 2021-ig. A VKI céljai: Szennyezés megelőzése és csökkentése, Fenntartható vízhasználat, Környezetvédelem, Vízi ökoszisztémák megóvása Árvizek és aszályok hatásainak mérséklése A JÓ ÁLLAPOT elérése kötelező, intézkedési tervek alkalmazása. Az emisszió (kibocsátási) és az immissziós (befogadó határértéken alapuló) szabályozás összehangolása.

4 FOLYAMATOS MONITORING RENDSZEREK HAGYOMÁNYOS SZABVÁNYOS MÓDSZER off line A szabványos laboratóriumi mérések nagyon pontos eredményeket szolgáltatnak Széles spektrumú kémiai paraméterek mérése lehetséges. - Ritka mintavételi gyakoriság - Átfutási idő hosszú - Nagy költség és HR erőforrás igény ON-LINE MONITORING Korai előrejelzés, távfelügyelet, beavatkozások módja Megelőzés: illegális szennyezés felderítése, és további szennyezések megállítása Folyamatos (akár 15 perces) adatgyűjtés, BigData Egyszeri beruházás Fenntartási kérdőjelek (pl. karbantartás, fenntartás) Rohamos fejlődés, új lehetőségek

5 STRATÉGIA MEGVALÓSÍTÁS ESZKÖZEI MÉRÉS Alkalmazott eszközpark Fix pont: konténer, szondák, analizátor, bója Mozgás: GPS koordináták alapján hajó Módszerek Kézi mérések On-line mérések ADATGYŰJTÉS Automata Vízminőség Monitoring / adatgyűjtő rendszer kommunikációs felület központi adatbázis nyitott platform (bővíthető) ÉRTÉKELÉS Felhasználói felület Vezérelhető: weben keresztül, SMS, mobiltelefon, tablet Felhasználók: hatóságok, szervezetek, kutatók, lakosság Adat publikálás Célok: eredmények, riasztás Formája: riportok, diagramok, térképek, fotók Elemzés: szabványok, határérték

6 EGYÜTTMŰKÖDÉS TRIPLE HELIX MODELL Pannon Egyetem, Környezetmérnöki Intézetének egyik fő iránya a vízmonitoring területére fókuszál. Együttműködés egyetemekkel, hatóságokkal Együttműködés ipari partnerekkel Környezetvédelem Környezetmérnöki Intézet, Pannon Egyetem Fejér Megyei Kormányhivatal, Környezetvédelmi és Természetvédelmi Főosztály Miskolci Egyetem, Eötvös József Főiskola MTA Ökológiai Kutatóközpont IT (Information Technology), Klaszterek Résztvevők: Apertech Informatikai Kft, Combit Számítástechnikai Zrt. Műszerfejlesztők Résztvevők: Aqua-Terra Kft. Aquacontrol Kft; AquaConcorde Water Analysis and Technology

7 STANDARD MÓDSZEREK HAGYOMÁNYOS MINTAVÉTEL Cél: az élhető környezet, vagyis a jó minőségű felszíni vizek elérése. Ehhez ismernünk a víztestek állapotát, amihez információra (adat) van szükségünk. Több helyről de adott időpillanatra van információ. Víz mintavétel Fizikai-kémiai paraméterek mérése a terepen Hőmérséklet, ph, vezetőképes ség, DO, zavarosság klorofill-a, PAH Minta szállítása Minta szállítása (standard hőmérséklet 4 C) Átadás Laboratóriumi elemzés Titrálás (COD, HCO 3-, CO 3 2-, SO 4 2-, Spektro fotométer: PO 4 3-, NH 4+, NO 3-, NO 2 - ICP-OES: Na +, Ca 2+, Mg 2+, K +, Si 4+ AAS: Cd 2+, Co 2+, Cr 3+, Ni 2+, Zn 2 - Sok mintavétel - eszköz - HR - idő - pénz

8 VESZPRÉMI-SÉD VÍZMINŐSÉGÉNEK MEGHATÁROZÁSA Részletes felmérés készült 2009-ben utána a jelentős kibocsátási pontokat viszgáltam. 1) Balaton Volán kibocsátása 2) Városi csapadékelvezető csatorna 4 5 3) Állatkerti befolyó 4) Békatói-árok (mellékvízfolyás) 5) Szennyvíztisztító telep kifolyója Nitrát-N koncentráció változás (2009) Város utáni szakasz A Veszprémi-Séd városi szakaszán végzett mérések alapján megállapítottam, hogy a fizikai-kémiai paraméterek alapján nem éri el a jó állapotot (2009, 2010, 2012, 2013, 2015), amit a komponens csoportok közül a növényi tápanyagok okozzák.

9 MÓDSZERTAN FOLYAMATOS MONITORING HÁLÓZATOK Monitoring hálózatok tervezésének módszertana: 1. Háttér információ gyűjtése 2. Szennyező források feltérképezése a vízgyűjtő területen 4. Mérési paraméterek kiválasztása 5. Mérési gyakoriság meghatározása 6. Mérési eszközrendszer 3. Mérési helyek kiválasztása Az on-line vízmonitoring rendszerek biztosítják a szennyezési csúcsok detektálását, amelyek 1-2 óráig tartanak és leginkább éjszaka és hétvégén jelentkeznek. SZENNYEZŐ INDIKÁTOR PARAMÉTEREK Tó FORRÁSOK Ipar ph, vezetőképesség Település Klorid WWTP Ortofoszfát-P Ortofoszfát-P Thermálfürdő Hőmérséklet Állattartó telep Ammónium-N Mezőgazdasági terület Nitrát-N Ipar területek Települések Mezőgazdasági területek Indikátor fizikai-kémiai paraméterek ph, vezetőképesség, klorid, toxicitás) Szennyvíztisztító telep(wwtp) Ammónium-N, ortofoszfát-p, klorofill-a Termálfürdő (hőmérséklet) Csapadékelvezető csatornák, Autószerelő telep (olajszennyezés, PAH) Állattartó telep(nitrát-n, ammónium-n) Monitoring állomások A vízgyűjtő terület felmérése és a vizsgálandó, indikátor paraméterek kiválasztása

10 EGYEDI VÍZMONITORING RENDSZEREK MÉRÉS Alkalmazott eszközpark Fix pont: konténer, szondák, analizátor, bója Mozgás: GPS koordináták alapján hajó Módszerek Kézi On-line MODULÁRIS RENDSZER Akkreditálható Vízminőség Távmérő Rendszer Automata vízmonitoring (AVITAR) állomások /adatgyűjtő rendszer (konténer) kommunikációs felület ADATGYŰJTÉS központi adatbázis Fejlesztő: PE Környezetmérnöki Intézet, Aqua-Terra Lab Kft. nyitott platform (bővíthető) Egy-két paraméter mérésére Felhasználói alkalmas felület Adat publikálás szonda Fejlesztő: PE Környezetmérnöki Vezérelhető: Intézet weben keresztül, SMS, Célok: eredmények, riasztás EREDMÉNYE mobiltelefon, tablet Formája: riportok, diagramok, Bója K Felhasználók: hatóságok, szervezetek, térképek, fotók kutatók, lakosság Elemzés: szabványok, határérték Fejlesztő:BME-Innfokom Kft., Aqua-Terra Lab Kft. Adatkiértékelés: PE Környezetmérnöki Intézet Robot hajó Fejlesztő: Aqua-Terra Lab Kft.

11 MODULÁRIS RENDSZER Standard paraméterek hőmérséklet, ph, vezetőképesség, oldott oxigén, zavarosság, klorofill-a, kékalga, KOI,TOC, PO 4 3-, NH 4+, NO 2-, NO 3 - BŐVÍTÉS Bővített paraméter lista: Poliaromás szénhidrogének(pah), SO 2-4, Na +, Ca 2+, Mg 2+, K +, Zn, Cd, Co, Fe, Pb, Cu, Ni, Mn, Cr,, peszticidek, gyógyszermaradványok Speciális paraméter sugárzás mérés Víz Keretirányelv monitoring rendszerével Biológiai monitoring INTEGRÁLÁS

12 TARTALOM - 3 ESETTANULMÁNYOK EGYEDI VÍZMONITORING RENDSZEREK AUTOMATA MONITORING ÁLLOMÁSOK, BÓJÁK, HAJÓ

13 KISMÉRETŰ VÍZMONITORING ÁLLOMÁS VESZPRÉMI-SÉD PROJEKT KISMÉRETŰ MOBIL VÍZMINŐSÉG VIZSGÁLÓ MÉRŐÁLLOMÁS Folyamatos mérés Veszprémi-Séden. Két személy könnyen telepíti (80X80cm), Automatikus működés 12 VDC akkumulátorról. Műszerpark: standard paraméterek mérése mellett digitális és analóg elektródák, hűtött vízmintavevő, áramlásmérő telepítése lehetséges. Eredményeket GPRS vagy WLAN kapcsolaton keresztül az adatbázis szerverre küldi illetve ipari PC tárolja. Határérték túllépés és lopás esetén SMS-t küld. Az adatok megjelenítése és értékelése web portálon. PAH szonda Automata mintavevő Ipari PC Akkumulátor Ponsel szondák: ph/redox, vezetőképesség, zavarosság, DO, T Környezetmérnöki Intézet, PE Aqua-Terra Lab Kft.

14 KISMÉRETŰ VÍZMONITORING ÁLLOMÁS ADATGYŰJTÉS - KIÉRTÉKELÉS Központi adatbázis

15 KISMÉRETŰ VÍZMONITORING ÁLLOMÁS LÁZBÉRCI VÍZTÁROZÓ SZENZOROK ALKALMAZÁSA A LÁZBÉRCI TÁROZÓNÁL (távvezérlés): Adatgyűjtés és vezérlés ipari PC keresztül történik. Az adat továbbítása GPRS kapcsolaton keresztül. Az adatok megjelenítése és értékelése a web portálon. Adat gyűjtés és továbbítás GPRS/ interneten keresztül Ponsel szenzor: Hőmérséklet, ph, vezetőképesség, DO, zavarosság Eredmények online nyomonkövetése / publikáció a web portálon

16 NAGYMÉRETŰ VÍZMONITORING ÁLLOMÁS NAGYMÉRETŰ VÍZMONITORING ÁLLOMÁS Folyamatos mérés a Veszprémi-Séden, szennyvíztisztító telepen. Temperált konténer. 230 V tápfeszültség működéshez, Mérendő paraméterek száma korlátlan. A kommunikációs modulok lehetővé teszik a készülék hálózatba kötését, vezeték nélküli adatátvitelt, ill. a mérési eredmények központi adatbázisba való tárolását. NAGY MOBIL MÉRŐÁLLOMÁS FELÉPÍTÉSE Légkondicionáló Villamos szekrény PONSEL elektróda (ph, vezetőképesség, zavarosság, oldott oxigén) Analizátor (TOC stb.) Desztillált víz Kifolyó Robot Analizátor (RWA) Szűrő (0,45µm) Befolyó minta (felszíni víz) Környezetmérnöki Intézet, PE Aqua-Terra Lab Kft.

17 ÚSZÓBÓJA-IPOLY PROJEKT Wireless Sensor Network for water quality monitoring Folyamatosan monitorozza a víztestet, automatikus működés 12 VDC akkumulátorról és napelemről Mérési paraméterek (ph, DO, vezetőképesség) Mérési eredményeket tárolja és GPRS kapcsolaton keresztül az adatbázis szerverre továbbítja, ill. riasztást küld SMS-ben. Szakértői feladatok elvégzése (PE KMI) Vízgyűjtőterület kiválasztása, vízminőségi állapotának felmérése, szennyező források azonosítása, telepítési engedélyek egyeztetése a magyar-szlovák féllel Tesztállomás és az eredmények validálása, riasztási határértékek beállítása, kiugró, hibás értékek szűrése Telepített hálózat validálása, kommunikáció ellenőrzése, jegyzőkönyvek készítése Ipoly monitoring állomások Magyarország-Szlovákia Határon Átnyúló Együttműködési Program (HUSK-ETE) program keretében megvalósuló HUSK/1101/1.2.1/0091 számú projekt. BME-Infokom Innovátor Kft., Technical University of Kosice

18 ÚSZÓBÓJA IPOLY PROJEKT Vízminőség ellenőrző bója Összemérés kalibrált terepi készülékkel Napelem Fotókat készítette: Kovács Zsófia

19 ROBOT HAJÓ Vízpartról kézi irányítású/automatikus üzemmód, Mintavétel és mérés (ph, DO, vezetőképesség, hőmérséklet, zavarosság, klorofill-a, kékalga, KOI) 10 m mélységben. Egy kifutással 6 L víz mintavétel Mérési eredmények rögzítése és WLAN kapcsolaton keresztül azonnal továbbítja az adatokat az operátor felé. Egy feltöltéssel 8 órán keresztüli működés Vízminőség ellenőrző robot hajó Fejlesztő: Aqua-Terra Lab. Kft.

20 TARTALOM - 4 VÍZTEST MINŐSÍTÉS KIÉRTÉKELÉSI MÓDSZEREK ITERATÍV KANONIKUS FORMA (ICF)

21 VGT2 Víztest minősítés metodikája Hazánk egységes szemléletű, ökológiai alapokon nyugvó állapotértékelési módszert vezetett be. EQR:0-1 Vízfolyásainkra elkészült a típusterhelés specifikus minősítési rendszer. Tagországok számára jelentős szakmai kihívást jelent, a pontos vízminőségi osztályhatárok kijelölése. Osztályhatárok meghúzása súlyos gazdasági következményeket von maga után. A nem megfelelő állapotban lévő vízestek lehatárolása kiemelkedően fontos! cink, réz, króm, arzén Határérték megfelelés

22 VÍZTESTEK CSOPORTOSÍTÁSA VKI ALAPJÁN Régió szintű vízminőség elemzés Régió szintű vízminőség elemzés: Tájegységenként mutatja, hogy melyik területen, mely fizikai-kémiai paraméter mérésére kellene fókuszálni. Észak-Magyarország KTVF Észak-Dunántúli KTVF Tiszántúli KTVF Közép-Dunántúli KTVF Közép-Dunavölgyi KTVF Dél-dunántúli KTVF Alsó-Tiszavidéki KTVF

23 VGT2 Minősítésnél felmerült kérdések Jelenleg a magyarországi folyóvizek minőségének értékeléséhez többnyire sokváltozós statisztikai módszereket használnak. Problémái: A hiányzó értékeket (pl. klorid) nem kezeli a jó és a nem megfelelő állapot határán lévő víztestek elkülönítésére kevésbé érzékeny. A minősítési folyamat során alkalmazott csoportátlag képzések minimumával kapott minősítési eredményt egy összesített szám reprezentálja, ami azt vonja maga után, hogy sok fontos részletinformáció elveszhet.

24 CÉLUNK Problémamegoldás Eszközünk a korábban kifejlesztett és a biológiában (pl. DNS/RNS és fehérje szekvenciák összehasonlító elemzése) már sikeresnek bizonyult ICF alapú osztályozó módszer adaptálása a felszíni vízfolyások vízkémiai minősítésének területére és a módszerre épülő BOOL-AN szoftver vízminősítési moduljának kidolgozása.

25 ÉRTÉKELÉSI MÓDSZER ITERATÍV KANONIKUS FORMA (ICF) Az ICF eredetileg diszkrét elemekből álló objektumok osztályozására, valamint logikai hálózatok, kódátalakítók, programozható logikai modulok tervezésére került kifejlesztésre (Jakó, 1983). A biológiában (pl. DNS/RNS és fehérje szekvenciák összehasonlító elemzése) már sikeresen használt diszkrét matematikán alapuló Boole-függvények Iteratív Kanonikus Formájának (ICF) módszerét alkalmaztam a felszíni vizek vízkémiai minősítésének területén. Fő lépései az ICF módszernek Veszprémi-Séd: ACCTCFG

26 Kiértékelés Eredmények vizualizációja Az ICF módszer tesztelését a rendelkezésre álló 2010 évi átlag értékekre végeztem el. A BOOL-AN modulja által generált dendrogramon a jó és a nem megfelelő víztestek megkülönböztetésre kerültek, ill. kiemelte a kritikus fizikai-kémiai paraméter értékekkel rendelkező vízfolyásokat. ICF dendogram (380 víztest) ICF dendogram 3D ábrázolása (380 víztest)

27 Kiértékelés Egy problémás eset kiemelve Határértékek és határesetek kezelése - Tapolca-patak és Kétöles-patak minden paraméter esetében megegyezik - Császárvíz-alsó két paraméterben különbözik de ezek befolyásolták a minőségét ICF dendrogram (Közép-Dunántúli KTVF)

28 ÖSSZEFOGLALÁS A BOOL-AN programmodul alkalmazásával kapott eredmények megfelelő vízminőségi osztályozásokat eredményezett és jól kiemelte a problémás eseteket. Az ICF gráf egyedi ujjlenyomatát adja a vízfolyásoknak, amely segíti a vízfolyások vízminőségének értékelését. Az ICF alapú osztályozás fontos előnye továbbá, hogy az ismert osztályozó algoritmusoknál lényegesen gyorsabb és viszonylag nagyobb volumenű input adat feldolgozására alkalmas. További célunk, bővíteni az ICF módszer elemeit (biológiai, hidromorfológia, elsőbbségi anyagok, veszélyes anyagok), amelyek szükségesek az ökológiai állapot meghatározásához.

29 ÖSSZEFOGLALÁS A jelenleg elérhető monitoring rendszerek biztosítják azt az utat, hogy valós idejű információval rendelkezzünk a vizeink állapotáról. A kihelyezésre került on-line monitoring rendszerek segítségével egyrészt sikerült detektálni szennyező hullámok levonulását másrészt a szélsőséges időjárás okozta terheléseket. További követelmény, hogy a monitoring állomások emberi beavatkozás nélkül folyamatosan és megbízhatóan működjenek, ezért a berendezések és eszközök karbantartását és reagens igényét optimalizálni kell. A folyamatos monitoring rendszereknél nem a beruházási költség döntő hanem az üzemeltetési és fenntartási költségek. A kialakított monitoring rendszer különböző területekhez kapcsolható úgy mint: VKI monitoring, biológiai, toxikológiai monitoring, terhelések közvetlen vizsgálata, passzív mintavétel, trendelemzés, early warning system. A kialakított monitoring rendszerekkel képesek vagyunk biztosítani hosszú távú adatsorokat a vízminőség változásról, amely információk támogatják a vízfolyások jó állapotának elérése érdekében kidolgozott intézkedési tervek sikeres megvalósítását.

30 Köszönöm a figyelmet! Kovács Zsófia Pannon Egyetem zsofiakovacs@almos.uni-pannon.hu