Metoda obliczeniowa działa wstecz, począwszy od obserwacji, w celu wyśledzenia podmiotów zanieczyszczających rzeki

Nowa metoda obliczeniowa opracowana przez naukowców z Uniwersytetu Oksfordzkiego i Imperial College w Londynie wykorzystuje nową, innowacyjną technikę do śledzenia źródeł zanieczyszczeń rzek. Metoda może działać wstecz, bazując na obserwacjach zanieczyszczonej wody rzecznej, co czyni ją prostym podejściem, które można zastosować na skalę ogólnokrajową.

W studium przypadku model zidentyfikował źródło szkodliwego pestycydu neonikotynoidowego – którego stosowanie w rolnictwie jest zakazane – w rzadkim siedlisku strumienia kredy. Rozwinęli się także badacze z Oksfordu www.sewagemap.co.uk, popularne narzędzie powszechnie stosowane przez społeczeństwo do identyfikacji rzek zanieczyszczonych ściekami w czasie rzeczywistym.

Ostatnie miesiące widziały narodowe oburzenie nad przedsiębiorstwami wodnymi dopuszczającymi zanieczyszczenie ścieków w rzekach do przekroczenia dopuszczalnych limitów. W połączeniu z zanieczyszczeniem nawozami rolniczymi i chemikaliami doprowadziło to do tego, że zaledwie 14% rzek w Anglii osiąga obecnie „dobry” stan ekologiczny. Jednak do chwili obecnej nie opracowano solidnej metody identyfikacji prawdopodobnych źródeł zanieczyszczenia rzek, co sprawia, że ​​skuteczne rozwiązanie problemu jest prawie niemożliwe.

Badanie badawcze którego współautorem są naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego, zapewnia obecnie nowe podejście. Wykorzystuje to „modelowanie odwrotne”, które działa wstecz, począwszy od obserwacji zanieczyszczeń w rzekach, śledząc je aż do prawdopodobnego źródła. Artykuł ukazuje się w czasopiśmie Nauka o środowisku całkowitym.

Kontrastuje to z obecnymi metodami „modelowania przyszłości”, które rozpoczynają się od przyjętego zestawu źródeł zanieczyszczeń i biegną dalej w celu oszacowania ostatecznego rozmieszczenia i zasięgu substancji zanieczyszczających. Ma to jednak kilka krytycznych wad, a mianowicie to, że potencjalne źródła muszą być znane z wyprzedzeniem i często opierają się na dużych założeniach i niepewnych danych.

Współkierownik badania, dr Alex Lipp (Wydział Nauk o Ziemi i Merton College na Uniwersytecie Oksfordzkim), powiedział: „Pierwszym krokiem w kierunku złagodzenia skutków zanieczyszczonej rzeki jest ustalenie, gdzie leży problem. Te nowe matematyczne, „odwrotne” metody zapewniają obiektywny sposób określić, gdzie i w jaki sposób zanieczyszczenia przedostają się do sieci rzecznych na podstawie samych danych z monitorowania”.

Nową technikę przetestowano na rzece Wandle, kredowym strumieniu w południowo-zachodnim Londynie co wywołało lokalne oburzenie w związku z niedawnym składowaniem ścieków. Niedawno w rzece Wandle wykryto pestycyd neonikotynoidowy, imidachlopryd, mimo że jego stosowanie na polach w Wielkiej Brytanii od 2018 r. jest nielegalne.

Korzystając z nowego modelu odwrotnego, naukowcy doszli do wniosku, że w przeważającej mierze imidachlopryd w rzece Wandle pochodzi z małej części rzeki, przez którą przepływa oczyszczalnia ścieków.

Współautor dr Gareth Roberts (Wydział Nauk o Ziemi i Inżynierii, Imperial College w Londynie) powiedział: „To potwierdza tezę, że imidaklopryd w naszych rzekach może pochodzić z jego stosowania jako leku dla zwierząt domowych i przedostawać się do systemów kanalizacyjnych po spłukaniu go do ścieków i unikanie usuwania w oczyszczalniach ścieków.”

Obywatele wezwani, aby zostali „strażnikami rzek”

Po wykazaniu mocy podejścia opartego na modelowaniu odwrotnym dr Lipp pragnie, aby zostało ono zwiększone na większą skalę i ostatecznie stało się kluczową częścią przyszłości monitorowania jakości wody.

„Jednym z zastosowań tego podejścia, które mnie bardzo interesuje, jest analiza danych pochodzących z nauki obywatelskiej” – dodał dr Lipp. „Obywatelskie grupy prowadzące kampanie często generują obecnie fantastyczne, gęste zbiory danych na temat substancji zanieczyszczających rzeki, takich jak fosfor i azotany, a to odwrotne podejście można zastosować, aby przekształcić te dane w przydatne spostrzeżenia”.

Dane obywateli wykorzystano już w ramach krajowych kampanii rzecznych. Na przykład badania jakości wody przeprowadzone przez naukowców-obywateli z River Action wykazały wysoki poziom bakterii E. coli wzdłuż Tamizy przed regatami Henley Royal Regatta. To nowe podejście do modelowania mogłoby wyposażyć ochotniczych „strażników rzek” w podejmowanie bardziej ukierunkowanych działań przeciwko zanieczyszczającym.

Dyrektor generalny Akcja rzeczna James Wallace powiedział: „Recydywiści, tacy jak przedsiębiorstwa wodociągowe i rolnictwo na skalę przemysłową, często próbują zrzucić na siebie ciężar odpowiedzialności, obwiniając innych za błoto, które pozwalają swobodnie przedostawać się do naszych rzek. Jednak podejścia do modelowania, takie jak ten nowy algorytm, mogłyby ostatecznie wzmocnić pozycję legionu Naukowcy-obywatele z całej Wielkiej Brytanii, aby zlokalizować źródła zanieczyszczeń, nie pozostawiając sprawcom miejsca na ukrycie”.

„Agencja Środowiska musi teraz dokładniej zbadać potencjał nowych metod i nauki obywatelskiej w ramach ścigania sprawców zanieczyszczania i nakładania kolejnych kar, czemu towarzyszyć będzie odpowiednie finansowanie rządowe w nadchodzącym budżecie, aby umożliwić organowi regulacyjnemu egzekwowanie prawa. Zwiększanie siły zanieczyszczeń monitorowanie wysyła potężny sygnał – zanieczyszczaj na własne ryzyko, a nie dla zysku”.

Robienie zmian dzięki danym

Nowe badanie opiera się na opartym na danych podejściu dr Lippa do rozwiązywania „kryzysu rzecznego”. W 2023 r. wraz ze swoim współpracownikiem Jonathanem Dawe z British Antarctic Survey opracował www.sewagemap.co.ukbezpłatna witryna internetowa o otwartym kodzie źródłowym, która wyświetla w czasie rzeczywistym informacje o odcinkach rzek, na które mogą mieć wpływ zrzuty nieoczyszczonych ścieków do dorzecza Tamizy.

Odbywa się to za pomocą modelu, który łączy w czasie rzeczywistym odpływy ścieków z dolnymi odcinkami rzeki. Strona cieszy się już popularnością wśród grup zajmujących się dzikimi pływaniami i naukowców-obywateli, którzy wykorzystują ją do identyfikowania w czasie rzeczywistym lokalnych rzek zanieczyszczanych ściekami.

Jeremy Watson, pływak na świeżym powietrzu w Londynie, który regularnie korzysta z SewageMap, powiedział: „Dzięki SewageMap łatwo jest uzyskać rozsądne oszacowanie stanu ścieków w rzece w określonym miejscu w dniu, w którym chcesz się kąpać. Na przykład ja sprawdziłem to po słonecznym tygodniu i pokazało tylko jeden wyciek, 90 km w górę rzeki, więc poszedłem popływać w pobliżu Pałacu Hampton Court.

„Kiedy po kilku deszczowych dniach spojrzałem ponownie, okazało się, że nagle pojawiły się dziesiątki wycieków ścieków w górę rzeki – więc zamiast tego poszedłem na basen! To wielki przywilej znaleźć coś, co tak daleko spełnia publiczną potrzebę przedstawiania informacji w w bardzo przystępny sposób. Dla mnie wspaniale jest również widzieć, że oprogramowanie jest udostępniane otwarcie przez zespół, który ma energię i entuzjazm, aby powitać nowych współpracowników”.

Model stanowiący podstawę mapy ścieków opiera się na publicznych danych opublikowanych przez Thames Water na temat zrzutów ścieków. Ponieważ żadne inne przedsiębiorstwo wodociągowe nie udostępnia obecnie tych informacji, modelu nie można jeszcze rozszerzyć na resztę Wielkiej Brytanii. Dr Lipp podsumował: „Dlatego tak ważne jest, aby przedsiębiorstwa wodociągowe poszły w ślady Thames Water i udostępniały dane środowiskowe w formacie dostępnym dla społeczeństwa i naukowców”.

Studium przypadku dotyczące rzeki Wandle, „Wykorzystanie optymalizacji wypukłej do efektywnego rozdzielania źródeł znaczników i substancji zanieczyszczających na podstawie obserwacji stężeń punktowych”, zostało opublikowany W Badania zasobów wodnych.