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Jan 25, 2024

Approccio di machine learning per spiegare le dinamiche della qualità dell'acqua in un fiume urbanizzato

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12346 (2022) Citare questo articolo

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Le attività umane alterano la qualità e la quantità dell’acqua fluviale, con conseguenze sugli ecosistemi dei fiumi urbanizzati. Quantificare il ruolo dei fattori indotti dall’uomo nel controllo dei modelli spazio-temporali della qualità dell’acqua è fondamentale per sviluppare strategie di successo per migliorare la salute ecologica dei fiumi urbani. Qui, analizziamo i dati di conduttività elettrica e temperatura ad alta frequenza raccolti dal fiume Chess nel sud-est dell'Inghilterra durante un progetto di Citizen Science. Utilizzando l’apprendimento automatico, abbiamo scoperto che gli alberi potenziati superano il GAM e descrivono accuratamente le dinamiche della qualità dell’acqua con un errore inferiore all’1%. Le spiegazioni aggiuntive di SHpley rivelano l'importanza e le (inter)dipendenze tra le singole variabili, come il livello del fiume e il deflusso delle opere di trattamento delle acque reflue (WWTW). I deflussi delle acque reflue danno luogo a variazioni diurne della conduttività elettrica, rilevabili durante tutto l'anno, e ad un aumento della temperatura media dell'acqua di 1 \(\rm{^o}C\) in un tratto di 2 km a valle degli impianti di trattamento delle acque reflue durante i flussi bassi. Nel complesso, mostriamo come le misurazioni della qualità dell’acqua ad alta frequenza avviate da un progetto Citizen Science, insieme alle tecniche di apprendimento automatico, possono aiutare a districare i fattori chiave delle dinamiche della qualità dell’acqua in un ruscello di gesso urbanizzato.

In tutto il mondo le attività umane, come l’urbanizzazione, stanno causando cambiamenti nei cicli dei bacini idrici che hanno profondi impatti sulla quantità dell’acqua, sulla qualità e sull’ecologia dei fiumi1,2. L’urbanizzazione modifica l’idrologia di un bacino in molteplici modi3. L’introduzione di superfici impermeabili, insieme a sistemi di drenaggio artificiale, può aumentare i picchi di portata nei fiumi3, ridurre i tempi di risposta idrologica alle precipitazioni4,5 e ridurre il deflusso di base e la ricarica delle falde acquifere6. In molti paesi i sistemi fognari combinati trasportano le acque reflue domestiche e industriali agli impianti di trattamento delle acque reflue in condizioni asciutte, insieme al drenaggio delle acque piovane dalle aree pavimentate quando piove. Lo scarico degli effluenti trattati può causare modelli di flusso particolari nei fiumi dettati dall'attività umana7,8.

Le attività umane associate all'urbanizzazione hanno anche un impatto sulla qualità chimica dell'acqua, con molti sforzi concentrati sulla caratterizzazione dei cambiamenti della qualità dell'acqua nei fiumi urbani durante gli eventi temporaleschi9,10,11 e il fenomeno del "first flush"12,13. Gli straripamenti combinati delle fognature possono anche avere un impatto significativo sulla qualità dell'acqua a seguito di precipitazioni intense quando la capacità degli impianti di trattamento delle acque reflue è stata superata14,15,16,17. Sappiamo anche che i corsi d'acqua urbani tendono ad avere una conduttività elettrica media più elevata e maggiori concentrazioni di ioni rispetto alle loro controparti rurali18,19,20, il che deriva da una combinazione di fonti di inquinamento puntuali e diffuse. Ad esempio, cloruro, solfato, sodio e potassio sono elettroliti comuni nelle urine e quindi concentrati nelle acque reflue19. Determinare le principali fonti di ioni individuali nei sistemi urbani, tuttavia, si è rivelato impegnativo21. Livelli così elevati di soluti stanno ora portando gli ecologisti a ipotizzare le potenziali implicazioni di elevate concentrazioni ioniche per la salute e la resilienza degli ecosistemi dei corsi d’acqua urbani22.

Le attività umane stanno causando un diffuso degrado della qualità dell’acqua nei fiumi, con conseguenze sulla salute ecologica23. Queste attività portano a cambiamenti nella qualità dell'acqua delle acque riceventi che operano su scale temporali annidate che vanno da ore (in risposta a eventi di pioggia) a cicli giornalieri, stagionali e interannuali24,25. Per comprendere appieno l’impatto delle attività umane sui fiumi dobbiamo distinguere le variazioni naturali e indotte dall’uomo nella qualità dell’acqua. Per fare ciò abbiamo bisogno dell’accesso a dati di monitoraggio ad alta risoluzione e a lungo termine dei sistemi urbanizzati, come quelli resi disponibili dall’utilizzo di sensori di qualità dell’acqua ad alta frequenza in tempo reale26.