GIS Unearths the Root of Arsenic in Drinking Water
Карты и возможности геоинформационных технологий помогают департаменту общественного здравоохранения округа Cерро Гордо заботиться о здоровье жителей. Без ГИС, используемой для 3D анализа и отображения распространения мышьяка в грунтовых водах, выявления и оповещения владельцев водозаборных скважин, сотни людей в этом округе до сих пор пили бы воду, отравленную мышьяком.
Восемь стаканов воды в день излечивают от всех болезней. Примерно так думала Сэнди Дейвис, жительница округа Серро Гордо, штат Айова. Но в 2004 году она узнала, что причиной ее трясущихся рук и проблем с неврологией было то, что она по неведению употребляла воду с высоким содержанием мышьяка из собственной скважины. И что еще обиднее — она давно бы не принимала этот опасный канцероген, если бы своевременно сделала простой химический анализ этой воды.
И Дейвис не единственный человек, чье здоровье оказалось под угрозой из-за употребления воды с содержанием мышьяка, превышающим максимально допустимую норму в 10 ppb (частей на миллиард). В действительности 15 процентов жителей округа (около 7000 человек) ежедневно употребляют в быту воду из частных скважин и колодцев, которая может не соответствовать санитарным требованиям.
Здравоохранение в отсутствие регулирования
Департамент общественного здравоохранения округа Серро Гордо поставил целью защитить таких, как Дейвис, от угрозы отравления вредными веществами из частных источников подземной воды. На практике государственные учреждения часто сталкиваются с трудностями при решении подобных задач.
ГИС-координатор и специалист по санитарному состоянию окружающей среды София Уолш записывает параметры скважины, тестируемой на содержание мышьяка в воде, поступающей в сборную камеру.
Пробурившие частную скважину или выкопавшие колодец землевладельцы сами отвечают за безопасность собственного водоснабжения. Государственные учреждения, такие как департамент общественного здравоохранения округа Серро Гордо, не имеют полномочий и ресурсов для регулярных проверок качества грунтовой воды перед тем, как она направляется в водопроводные краны домов.
К сожалению, случай с Дейвис был не первым примером обнаружения повышенного содержания мышьяка в питьевой воде. В 2003 году, после того как Геологическая служба Айовы и Геологическая служба США обнаружили его присутствие во всех крупных водоносных слоях в пределах штата, департамент решил повысить информированность общественности о наличии мышьяка в воде.
С этой целью специалисты по санитарному состоянию окружающей среды департамента разработали картографический инструмент, показывающий присутствие мышьяка в частных водозаборах. Используя технологию географических информационных систем (ГИС) компании Esri, команда скомбинировала данные о таких водозаборах с результатами тестов воды на мышьяк и затем нанесла на карту каждую скважину и колодец в округе, в которых было обнаружено повышенное содержание мышьяка. Это позволило ясно увидеть на карте «зону мышьяка» и получить подсказку, в каких частных водозаборах он скорее всего присутствует. Используя данные и результаты анализа, проведенного с помощью функций и инструментов ArcGIS for Desktop, чиновники подготовили в 2007 году новое административное предписание, которое ужесточило правила бурения скважин и тестирования воды.
Спустя три года, после случая с Дейвис и ввиду явной угрозы для здоровья других жителей округа, чиновники департамента поняли, что нужен еще один превентивный шаг. Они снова обратились к ГИС — на этот раз чтобы определить местоположение подземного источника мышьяка и разработать целевой план охраны здоровья жителей.
Карты дают подсказку
Департамент пригласил к сотрудничеству доктора Дага Шнобелена из университета Айовы, Пола ван Дорпа и Чеда Филдса из департамента природных ресурсов Айовы, лабораторию гигиены штата Айова и компанию Shawver Well Company, оператора бурения частных скважин. Объединенная команда подала заявку и получила грант Центров по контролю и профилактике заболеваний (CDC) на проведение исследования с целью определить, сконцентрированы ли водозаборы с отравленной мышьяком водой в какой-то определенной части округа. Получив финансирование, чиновники из департамента общественного здравоохранения и их партнеры приступили к выполнению трехлетней программы исследований. Сначала команда создала выборку скважин и собрала по ним геологическую информацию и данные о глубине бурения и обсадки, местоположении и питающем водоносном горизонте.
Образцы воды собираются из водопроводного крана и анализируются в лаборатории на содержание мышьяка.
Затем команда дважды в год собирала данные по 70 скважинам. По каждому водозабору проводилось определение pH, растворенного кислорода, окислительно-восстановительного потенциала, содержания сульфида, полного содержания мышьяка, минералогического состава и ряда других компонентов, от которых может зависеть содержание мышьяка. Команда также проанализировала образцы коренных пород из всех вновь пробуренных скважин. Половина всех протестированных частных водозаборов имела детектируемые уровни мышьяка в воде, причем в трети из них содержание мышьяка превышало максимально допустимое значение (10 ppb).
Департамент нанес полученные данные на карту в ArcGIS for Desktop, чтобы показать географическое распределение мест, где брались пробы, и соответствующие уровни содержания мышьяка. К удивлению исследователей, они не нашли четких свидетельств того, что отравленные мышьяком водозаборы были сконцентрированы в каком-то определенном месте. Но когда с помощью дополнительного модуля ArcGIS 3D Analyst в этот набор добавили третье измерение, чтобы увидеть ситуацию под землей, на карте предстала совсем иная картина.
Вниз под землю
Приложение ArcScene в модуле ArcGIS 3D Analyst позволило команде визуализировать и начать работать с геопространственными данными в 3D. Наложив уровни мышьяка на данные о глубине скважин, обсадки и залегания водоносных слоев, исследователи создали интерактивную 3D карту, которая позволила понять главную причину. Проблема была не в местоположении землевладения, а в питающем водозабор водоносном слое.
Обсадка скважины похожа на длинную соломинку, воткнутую в землю; забор воды возможен только там, где она оканчивается. Департамент общественного здравоохранения округа Серро Гордо использовал ArcGIS for Desktop и приложение ArcScene в ArcGIS 3D Analyst для визуализации глубины обсадки каждой скважины и глубин залегания подземных источников воды. Этот метод помог команде идентифицировать источник воды для каждого водозабора — слой Известкового ручья (Lime Creek Aquifer) или слой Кедровой долины (Cedar Valley Aquifer).
С помощью модуля 3D Analyst команда исследовала взаимосвязь между водоносными слоями и пробуренными скважинами. После просмотра данных в 3D команда поняла, что все источники воды с устойчиво высоким содержанием мышьяка питались из одного водоносного горизонта — слоя Известкового ручья.
3D карта позволила обнаружить, что в скважинах, собирающих воду из слоя Кедровой долины, обнаруживаемые уровни мышьяка были значительно ниже уровней в скважинах, пробуренных в слой Известкового ручья. Хотя примерно половина водозаборов на территории округа была заражена мышьяком, в воде из слоя Известкового ручья вероятность повышенного содержания мышьяка была гораздо больше.
Самое высокое измеренное содержание мышьяка в воде, поступающей из водоносного слоя Кедровой долины, было меньше 10 ppb, максимально допустимого уровня для муниципального водоснабжения. С этими данными резко контрастировало среднее содержание мышьяка 11,4 ppb в образцах коренной породы в слое Известкового ручья — примерно в 10 раз больше среднего содержания в образцах коренных пород из слоя Кедровой долины (1,2 ppb).
«Визуализация данных в 3D позволила нам увидеть то, что невозможно заметить в 2D среде», – говорит София Уолш, ГИС-координатор и специалист по санитарному состоянию окружающей среды в департаменте общественного здравоохранения округа Серро Гордо.
Геопространственные данные меняют все
Теперь у Департамента общественного здравоохранения были необходимые данные, чтобы понять, кто из жителей подвергается высокому риску употребления опасной для людей воды. Используя данные о земельных участках, команда геокодировала в ArcGIS колодцы в зоне риска.
Обсадки скважин, которые оканчивались в слое Кедровой долины, предотвратили использование воды из слоя Известкового ручья, что существенно уменьшило риск отравления мышьяком.
Затем был разработан план целевого оповещения жителей о потенциальной опасности употребления воды из их скважин и колодцев. Команда разослала почтовые открытки и листовки владельцам с рекомендациями протестировать воду на мышьяк. Сотрудники департамента связались с жителями, чтобы убедиться, что они получили и правильно поняли информацию. Проведенный опрос показал, что 99 процентов из них намерены принять меры по снижению потребления мышьяка, например, за счет дополнительной обработки воды из скважин или перехода на другой источник водопотребления. «ГИС в этом проекте помогла решить две задачи, – говорит Уолш. – В плане исследования ГИС позволила понять, из какого водоносного слоя поступает мышьяк, и построить соответствующую модель. В плане охраны здоровья жителей ГИС позволила найти и таргетировать владельцев скважин и колодцев в зоне риска, чтобы разослать им информацию о вероятности повышенного содержания мышьяка в воде и предложить протестировать потребляемую ими воду. Без ГИС, используемой для анализа распространения мышьяка в грунтовых водах и выявления владельцев скважин, в нашем округе сотни людей до сих пор пили бы воду, отравленную мышьяком».
Вперед с ГИС
На этом перемены не закончились. Благодаря знанию, которую дала ГИС, округ Серро Гордо принимает меры по изменению практики бурения скважин в округе. Начиная с 1 июля 2015 года, все новые водозаборы должны использовать воду только из водоносного слоя Кедровой долины.
Округ также подал заявку на получение финансирования от Национальных институтов здравоохранения для разработки модели веб-ГИС и прогнозной базы данных на платформе ArcGIS. Команда ГИС считает, что картографический веб-инструмент поможет более полно информировать общественность о глубине бурения скважин, необходимой для снижения риска отравления мышьяком.
Дополнительную информацию можно получить у Софии Уолш (Sophia Walsh), ГИС-координатора и специалиста по санитарному состоянию окружающей среды департамента общественного здравоохранения округа Серро Гордо, e-mail: swalsh@cghealth.com.
