آلودگی آب یکی از مشکلات زیست محیطی است که بشر با آن سروکار دارد. روش های مختلفی در دنیا برای بررسی آلودگی آب وجود دارد. با توجه به وسعت بالای مناطق آبی روش های نمونه برداری زمینی شاید خیلی مقرون به صرفه و کارامد نباشد. از طرفی آلودگی آب دارای تغییرات زمانی و مکانی بسیاری است. در مقاله آلودگی آب با سنجش از دور در مورد آلودگی آب، منابع آلودگی، نقش سنجش از دوری و سنجنده های مطالبی ارائه شده است. همچنین در پایان نیز لیستی از آموزش های کاربردی در زمینه آلودگی آب با تکنیک سنجش از دور ارائه خواهد شد.
چرا آلودگی آب مهم است
درک پارامترهای کیفیت آب و شناسایی آلاینده‌های مختلف آب در مدیریت آب و حفاظت از اکوسیستم‌های آبی و کل محیط‌زیست مهم است، زیرا آب پاک زیربنای جوامع مرفه را فراهم می‌کند. امروزه آلودگی آب یک معضل بزرگ جهانی است که مستلزم ارزیابی و بازنگری مداوم سیاست های منابع آب در همه سطوح است. علاوه بر این، ما به سمت یک بحران آب می رویم که ناشی از تغییرات آب و هوایی است که بر دریاچه ها و رودخانه ها تأثیر می گذارد.
مرگ و میر و بیماری در سراسر جهان به دلیل آلودگی آب ایجاد می شود و تقریباً 14000 نفر روزانه در اثر آلودگی آب جان خود را از دست می دهند. هم کشورهای توسعه یافته و هم کشورهای در حال توسعه با مشکلات آلودگی آب مواجه هستند. کیفیت آب تحت تأثیر عوامل زیادی مانند بارندگی، آب و هوا، نوع خاک، پوشش گیاهی، زمین شناسی، آب های زیرزمینی و فعالیت های انسانی است.
تکنیک های سنجش از دور می‌تواند به طور موثر به عنوان یک ابزار پایش آلودگی آب مورد استفاده قرار گیرد. سه نوع اصلی آلودگی عبارتند از آلودگی زمین، آلودگی هوا و آلودگی آب. در این تحقیق بر آلودگی آب و نقش سنجش از دور در پایش آلودگی آب تاکید شده است.
تعریف آلودگی آب
آلودگی آب عبارت است از آلودگی آب های طبیعی (مانند دریاچه ها، رودخانه ها، اقیانوس ها) توسط مواد فیزیکی، شیمیایی، بیماری زا، میکروبی یا رادیواکتیو. آلودگی آب زمانی اتفاق می‌افتد که آلاینده‌ها به طور مستقیم یا غیرمستقیم بدون تصفیه کافی برای حذف ترکیبات مضر وارد بدنه های آبی شوند. آلودگی آب نه تنها بر اکوسیستم‌های آبی (یعنی گیاهان و موجودات زنده در این توده‌های آبی) تأثیر می‌گذارد، بلکه به جوامع بیولوژیکی طبیعی که مخازن آب آلوده را احاطه کرده‌اند نیز آسیب می‌رساند.
آب در صورتی آلوده تلقی می شود که برخی از مواد یا شرایط به حدی باشد که نتوان از آب برای هدف خاصی استفاده کرد. اولانیران (1995) آلودگی آب را وجود مقادیر بیش از حد یک خطر (آلاینده) در آب تعریف می‌کند به گونه ای که برای مدت طولانی برای نوشیدن، حمام کردن، پخت و پز یا استفاده های دیگر مناسب نیست.
آلودگی وارد کردن یک آلودگی به محیط است (Webster.com، 2010). آلودگی آب از طریق ضایعات صنعتی و تجاری، شیوه های کشاورزی، فعالیت های روزمره انسان و به ویژه مدل های حمل و نقل ایجاد می شود و در نهایت محیط زیست و زندگی ساکنان آن را تحت الشعاع خود قرار می‌دهد.
منابع آلودگی آب
منابع آلودگی آب به طورکلی به دو دسته قابل تفکیک می‌باشد که در ادامه به آنها پرداخته می‌شود.
منابع آلودگی آب نقطه‌ای
هنگامی که منبع آلودگی آب شناخته شده باشد یا آلاینده هایی که وارد آب می شوند از منبع قابل شناسایی مانند خندق، صنعت لوله، زهکشی طوفان و تصفیه خانه های فاضلاب و غیره باشند، آلودگی به عنوان آلودگی منبع نقطه ای شناخته می شود. می توان آن را از سایر منابع آلودگی متمایز کرد.
منابع آلودگی آب غیر نقطه‌ای
هنگامی که منبع آلودگی آب شناخته نشده باشد یا آلودگی از منبع مجزا ناشی نشود، آلودگی به عنوان آلودگی منبع غیر نقطه ای شناخته می شود. کنترل آن بسیار دشوار است و ممکن است از منابع مختلفی مانند سموم دفع آفات، کودهای زائد صنعتی و غیره ناشی شود. در ادامه مثال‌هایی از منابع آلوده‌کننده آب معرفی شده است.
- نشت فاضلاب
- تراکم جمعیت بالا
- نشت نفت
- زباله های صنعتی که به آب ها ریخته می‌شود.
- آلودگی آب های زیرزمینی از طریق فعالیت های حفاری
- سیل در فصل بارانی که رسوبات و زباله را به آب ها حمل می‌کند.
- رادیوایزوتوپ ها
- دفع زباله های سمی در دریا
- کارخانه فرآوری مواد معدنی (به عنوان مثال تولید زغال سنگ)
- رسوبات فرسایش یافته
- جنگل زدایی
- معدن
- آشغال ریختن
- آفت‌کش ها
- علف‌کش ها و کودها
- مواد شیمیایی خانگی (به عنوان مثال شوینده‌های قوی)
- فضولات حیوانی
از مدرسه سنجش از دور بخوانید: زمین لغزش و نقش سنجش از دور
مخاطرات و انواع آلودگی آب
آلودگی آب‌های زیرزمینی
هنگامی که آلاینده‌های موجود در زمین وارد آب‌های زیرزمینی می‌شوند، باعث آلودگی آب های زیرزمینی می‌شوند. هنگامی که آب مدفوع حاوی عوامل بیماری‌زا به زیر زمین می‌رسد، آن را برای آشامیدن نامناسب می‌کند. آب‌های زیرزمینی آلوده ممکن است حاوی ویروس ها، تک یاخته ها و باکتری ها و به ندرت در برخی موارد تخم کرم‌ها باشد.
مصرف این آب باعث بیماری هایی مانند اسهال و وبا می‌شود. به طور مشابه نیترات همچنین باعث آلودگی آب های زیرزمینی می شود که باعث ایجاد بیماری در کودکان می شود. مشاهده شده است که وقتی غلظت نیترات از بیش از 10 میلی گرم در لیتر (10 پی پی ام) در آب‌های زیرزمینی بیشتر شود، احتمال ابتلا به سندرم بچه آبی افزایش می یابد.
استفاده بیش از حد از کودهای نیتراتی نیز می تواند باعث آلودگی آب شود زیرا مقدار بسیار کمی از نیترات توسط گیاهان استفاده می‌شود که بیشتر آن در خاک تجمع می یابد و بعداً با شسته شدن به آب های زیرزمینی می‌رسد و آن را آلوده می کند. آب های زیرزمینی آلوده به سطوح بالای فلوراید باعث مشکلات دندانی و اسکلتی می شود.
آلودگی کشاورزی
از آنجایی که در مناطق روستایی جمعیت کمتر است، بیشتر حاوی کودها، سموم دفع آفات و خاک فرسوده است و این آلاینده‌ها از طریق بارش باران و سیلاب به آب‌ها می‌رسند. فسفات عامل اصلی اوتروفیکاسیون است که غلظت بالای آن باعث رشد سیانوباکتری ها و جلبک ها می شود که در نهایت باعث کاهش اکسیژن محلول در آب می شود.
سموم مضری که در زنجیره غذایی انباشته می‌شوند توسط شکوفه‌های سیانوباکتری تولید می‌شوند. ترکیبات کود غنی از نیتروژن باعث کمبود اکسیژن محلول در رودخانه ها، دریاچه ها و مناطق ساحلی می شود که اثرات مخربی بر جانوران اقیانوسی دارد. در آمریکا و اروپای شمال غربی استفاده از کود نیتروژن از سال 2006 کنترل شده است.کودهای نیتروژنی دارای حلالیت در آب بالا و افزایش روان و سرعت آبشویی هستند که منجر به آلودگی آب‌های زیرزمینی می‌شود.
آلودگی اتمسفری
این نوع آلودگی به دلیل ذرات کوچک موجود در هوا اتفاق می‌افتد که از طریق باران به بدنه‌های آبی می‌رسد. این ذرات شامل دی‌اکسید‌کربن است که با سوزاندن سوخت های فسیلی تولید می شود، مقدار آن در حال افزایش است که با مولکول های آب ترکیب می شود و اسید سولفوریک را تشکیل می‌دهد.
دی‌اکسید‌گوگرد تولید شده از آتشفشان ها و صنایع نیز با مولکول‌های آب ترکیب می‌شود و اسید سولفوریک را تشکیل می‌دهد. دی‌اکسید‌گوگرد نیز از احتراق زغال سنگ و فرآورده های نفتی تولید می‌شود. به طور مشابه دی اکسید نیتروژن نیز با آب ترکیب می شود و اسید نیتریک را تشکیل می دهد. ذرات نیز نقش بسیار مهمی در انتشار آلودگی آب دارند که این ذرات از طریق باران به بدنه‌های آبی می‌رسند.
عوامل بیماری‌زا
عوامل بیماری‌زا میکروارگانیسم‌هایی هستند که باعث بیماری می‌شوند. بیشتر باکتری‌های موجود در طبیعت غیر بیماری‌زا یا مفید هستند، اما تعداد کمی بیماری‌زا هستند و این باکتری‌های بیماری‌زا آب آشامیدنی را نیز آلوده می‌کنند.
باکتری کلیفرم یک گونه شاخص باکتریایی است که برای شناسایی آلودگی آب استفاده می شود. گونه های باکتریایی بیماری زا شامل کریپتوسپوریدیوم پارووم، بورخولدریا سودومالئی، ژیاردیا لامبلیا، نوروویروس، سالمونلا و کرم های انگلی مانند شیستوزوما هستند.
آفت‌کش‌ها و علف‌کش‌ها
از علف‌کش‌ها و آفت‌کش‌ها برای کنترل علف‌های هرز و آفات استفاده می‌شود. هر دوی آنها نیز در آلودگی آب نقش دارند. شسته شدن آنها نیز آب‌های زیرزمینی را آلوده می‌کند. شستشو تحت تأثیر بافت خاک، خواص آفت‌کش، آبیاری و بارندگی است.
اگر خاک شنی و آفت کش محلول در آب باشد، شسته شدن بیشتر خواهد بود. آفت‌کش‌ها و علف‌کش‌ها نیز به طور مشابه، از طریق دواناب به آب‌های طبیعی می‌رسند. این بقایای آفت‌کش‌ها وقتی به آب‌های طبیعی می‌رسند، زندگی گیاهان و جانوران آنجا را مختل می‌کنند. آفت‌کش‌هایی که به راحتی تجزیه نمی‌شوند یا تجزیه آن زمان می برد، مضرتر هستند.
آلودگی شیمیایی
این مواد از ضایعات کارخانه های مواد شیمیایی مضر به دست می آید، این ماده‌ای است که به عنوان یک محصول جانبی در طول فرآیند تولید به حساب می‌آید و همچنین نقش مهمی در آلودگی آب دارد. زباله های شیمیایی خطرناک ممکن است به صورت جامد، مایع یا گاز باشد.
ویژگی‌هایی که مواد را خطرناک می کند عبارتند از خورندگی، اشتعال پذیری، سمیت و واکنش پذیری. آلودگی شیمیایی آب با شروع انقلاب صنعتی آغاز شد. پسماندهای شیمیایی صنعتی فقط با استفاده از تصفیه خانه های مخصوص پسماند قابل تصفیه هستند و توسط تصفیه خانه‌های فاضلاب قابل تصفیه نیستند.
آلودگی رسوبی
نفوذ آب شور یکی دیگر از عوامل بسیار مهمی است که آب های زیرزمینی را آلوده می کند. زمانی اتفاق می افتد که آب شور دریا وارد آب های زیرزمینی نزدیک مناطق ساحلی می شود. این به طور طبیعی رخ می دهد اما برخی از فعالیت های انسانی مانند پمپاژ آب زیرزمینی شیرین نیز نفوذ آب نمک را افزایش می دهد. کانال های ناوبری، کانال های زهکشی و کانال های کشاورزی نیز نقش مهمی در نفوذ آب نمک دارند.
آلودگی آب با سنجش از دور
تکنیک های سنجش از دور امکانات زیادی را برای درک تعداد زیادی از تغییرات در طبیعت ارائه می دهد و امکان نظارت بر وضعیت مخازن آب، کیفیت و سطح آلودگی آنها را فراهم می کند.
روش های سنجش از دور برای تشخیص آلودگی فیزیکی آب بر اساس سنجش از دور سطح آب است. داده ها را می توان از سطوح مختلف (فضایی، هوایی، بالن و غیره) جمع آوری کرد.
بر اساس بررسی ادبیات تکنیک‌های پایش آب، می‌توان بیان کرد که اکثر مطالعات بر روی آب‌های بزرگ و آزاد، مانند اقیانوس‌ها و دریاها (آب مورد 1) و کمتر بر روی آب‌های داخلی مانند دریاچه‌ها، رودخانه‌ها یا نهرها (مورد 2 آب). این امر به دلیل این واقعیت است که سنجش از دور آب های داخلی با مشکلات بیشتری مواجه می شود که با پیچیدگی بالای میدان‌های آزمایشی همراه است.
برای پایش آلودگی به وسیله فن‌آوری سنجش از دور می‌توان از انواع سنسورهای اپتیک، حرارتی و ماکروویو با توجه به هدف مطالعه استفاده کرد. برای نمونه با استفاده از سنجنده اپتیک رنگ آب، غلظت ذرات معلق و اندازه بسترهای کربنی آب می‌تواند به عنوان نشانگرهای آلودگی مورد استفاده قرار بگیرد. سنسورهای حرارتی می‌توانند در پایش آلودگی آب نقش مهمی ایفا کنند.
این سنسورها تغییرات دما در آب را اندازه‌گیری می‌کنند. آلودگی آب می‌تواند منجر به تغییرات دمایی در آب شود که با استفاده از سنسورهای حرارتی قابل تشخیص است. سنسورهای ماکروویو از امواج رادیویی استفاده می‌کنند تا ویژگی‌های مختلف آب را سنجیده و آلودگی را تشخیص دهند. این سنسورها می‌توانند شدت تابش، نفوذپذیری، جذب نور، و غیره را اندازه‌گیری کنند. با استفاده از این سنسورها، می‌توان میزان آلودگی آب به عناصر شیمیایی مختلف مانند فلزات سنگین را تخمین زد.
ماهواره‌های مناسب پایش آلودگی آب
ماهواره‌های سری MODIS
یک سنجنده‌ی دید از دور است که بر روی سنجنده‌های Terra و Aqua نصب شده است. این ماهواره‌ها توانایی تشخیص آلودگی‌های آبی را دارند و می‌توانند اطلاعاتی در مورد تراکم فیتوپلانکتون، رنگ آب، آلودگی رسوبی، دما و دیگر پارامترهای مهم آبی را دریافت کنند.
ماهواره‌های سری Landsat
تصاویر با وضوح بالا و طیف وسیعی از نور را ارائه می‌دهند. با استفاده از این ماهواره‌ها، می‌توان آلودگی‌های آبی را تشخیص داد و تغییرات آنها را در طول زمان پایش کرد.
ماهواره‌های Sentinel-2
از طیف وسیعی از باندهای نوری استفاده می‌کنند و تصاویر با وضوح بالا را به ماهواره‌نگاری ارائه می‌دهند. این ماهواره‌ها می‌توانند آلودگی‌های آبی را تشخیص داده و اطلاعات مفیدی در مورد کیفیت آب، آلودگی و تغییرات محیطی را ارائه کنند.
ماهواره‌های سری CYGNSS CYGNSS (Cyclone Global Navigation Satellite System)
ماهواره‌هایی هستند که برای پایش آبسه و سطح آب دریاها و اقیانوس‌ها استفاده می‌شوند. این ماهواره‌ها از سیستم GNSS (Global Navigation Satellite System) استفاده می‌کنند تا به‌صورت مستقیم موج‌های راداری را اندازه‌گیری کنند و اطلاعاتی درباره سطح آب، آبسه و شوری آب دریاها را به ماهواره ارسال کنند.
ماهواره‌های سری SMAP (Soil Moisture Active Passive)
یک سنجنده فعال و غیرفعال رطوبت خاک است که بر روی ماهواره‌های سری SMAP نصب شده است. این ماهواره‌ها قادر به اندازه‌گیری رطوبت خاک، تراکم یخ و شوری خاک و آب است. اطلاعات رطوبت خاک و آب می‌توانند به پایش آلودگی آب کمک کنند.
ماهواره‌های سری HY-2: HY-2 (Haiyang-2)
یک ماهواره مخصوص پایش سطح آب دریاها است. این ماهواره قادر به اندازه‌گیری پارامترهایی مانند دما، شوری، ارتفاع موج، سرعت باد و اطلاعات مربوط به آلودگی آبی است.
با استفاده از داده‌های جمع‌آوری شده توسط سنسورهای مختلف، می‌توان نقشه‌های آلودگی آب را تهیه کرد و تغییرات آلودگی را به طور زمانی پیگیری کرد. این اطلاعات می‌توانند به محققان و مسئولان محیط زیست کمک کنند تا آلودگی‌ها را شناسایی و تحلیل کرده و اقدامات مناسب برای حفاظت از منابع آبی را اتخاذ کنند. در این مقاله ما در مدرسه سنجش از دور سعی کردیم که در مورد آلودگی آب، اثرات آن بر محیط زیست و نقش سنجش از دور در مطالعات آلودگی آب و معرفی سنجنده‌های کاربردی در این زمینه مطالبی ارائه دهیم.
منابع
Chaudhry, F.N. and Malik, M.F., 2017. Factors affecting water pollution: a review. J. Ecosyst. Ecography, 7(1), pp.225-231.
Walczykowski, P., Jenerowicz, A. and Orych, A., 2013. A review on remote sensing methods of detecting physical water pollutants. In Proc. Res. Conf. Tech. Discip (Vol. 1, pp. 125-130).
آموزش سنجش از دور در زمینه آلودگی هوا
دوره جامع گوگل ارث انجین در علوم آب
برآورد میزان کلروفیل گیاهی با تصاویر سنتینل 2 در گوگل ارث انجین
