Ein maschineller Lernansatz zur Süßwasseranalyse

Vom Schutz der Artenvielfalt bis zur Gewährleistung der Trinkwassersicherheit ist die biochemische Zusammensetzung von Flüssen und Bächen in den Vereinigten Staaten von entscheidender Bedeutung für das Wohlergehen von Mensch und Umwelt. Studien haben ergeben, dass menschliche Aktivitäten und Urbanisierung die Versalzung (erhöhter Salzgehalt) von Süßwasserquellen im ganzen Land vorantreiben. Ein übermäßiger Salzgehalt kann Wasser ungenießbar machen, die Kosten für die Wasseraufbereitung erhöhen und Süßwasserfische und Wildtiere schädigen.

Zusammen mit dem Anstieg des Salzgehalts nahm im Laufe der Zeit auch die Alkalität zu, und frühere Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Versalzung die Alkalisierung verstärken kann. Aber im Gegensatz zu übermäßigem Salzgehalt kann sich die Alkalisierung positiv auf die Umwelt auswirken, da sie den Säuregehalt des Wassers neutralisiert und Kohlendioxid aus der Erdatmosphäre absorbiert – eine Schlüsselkomponente zur Bekämpfung des Klimawandels. Daher hat das Verständnis der Prozesse, die den Salzgehalt und die Alkalität beeinflussen, wichtige Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesundheit.

Ein Forscherteam der Syracuse University und der Texas A&M University hat ein Modell des maschinellen Lernens angewendet, um zu untersuchen, wo und in welchem ​​Ausmaß menschliche Aktivitäten zu den hydrogeochemischen Veränderungen beitragen, wie etwa einem Anstieg des Salzgehalts und der Alkalität in US-Flüssen.

Die Gruppe nutzte Daten von 226 Flussüberwachungsstandorten in den USA und erstellte zwei Modelle für maschinelles Lernen, um den monatlichen Salzgehalt und die Alkalität an jedem Standort vorherzusagen. Diese Standorte wurden ausgewählt, weil seit mindestens 30 Jahren kontinuierliche Langzeitmessungen der Wasserqualität aufgezeichnet wurden.

Von städtischen bis hin zu ländlichen Umgebungen untersuchte das Modell eine Vielzahl von Wassereinzugsgebieten, bei denen es sich um Gebiete handelt, in denen das gesamte fließende Oberflächenwasser an einem einzigen Punkt zusammenläuft, beispielsweise einem Fluss oder See. Es wurden 32 Wassereinzugsgebietsfaktoren aus den Bereichen Hydrologie, Klima, Geologie, Bodenchemie, Landnutzung und Landbedeckung bewertet, um die Faktoren zu ermitteln, die zum Anstieg des Salzgehalts und der Alkalität beitragen. Die Modelle des Teams ermittelten, dass menschliche Aktivitäten den größten Anteil am Salzgehalt der US-Flüsse haben, während die steigende Alkalität hauptsächlich natürlichen Prozessen und nicht menschlichen Aktivitäten zugeschrieben wurde.

Zu dem Team gehörten die Forscher Tao Wen von der Syracuse University, Assistenzprofessor am Department of Earth and Environmental Sciences (EES) des College of Arts and Sciences, Beibei E, ein Doktorand in EES, und Charles T. Driscoll, Universitätsprofessor für Umweltsysteme und Distinguished Professor am College of Engineering and Computer Science sowie Shuang Zhang, Assistenzprofessor an der Texas A&M, haben ihre Ergebnisse kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft der gesamten Umwelt.

Was treibt die Versalzung und Alkalisierung voran?

Die Ergebnisse des Natriumvorhersagemodells der Gruppe, das menschliche Aktivitäten wie die Ausbringung von Streusalz als Hauptverursacher des Salzgehalts von US-Flüssen identifizierte, stimmten mit früheren Studien überein. Dieses Modell ergab insbesondere, dass die Bevölkerungsdichte und der Prozentsatz der undurchlässigen Oberfläche (künstliche Oberflächen wie Straßen) die beiden wichtigsten Faktoren für den höheren Salzgehalt in US-amerikanischen Flüssen sind.

Laut Wen war die Genauigkeit des Salzgehaltsmodells ein wichtiger Machbarkeitsnachweis für das Forschungsteam.

„In Bezug auf die Ursachen des Salzgehalts in Flüssen stimmten die Ergebnisse unseres maschinellen Lernmodells mit denen früherer Studien überein, die sich auf Feldbeobachtung, Laborarbeit und statistische Analyse konzentrierten“, sagt Wen. „Das hat bewiesen, dass unser Ansatz funktioniert.“

Nachdem die Salzgehaltsergebnisse die Genauigkeit des Modells des Teams bestätigten, richteten sie ihre Aufmerksamkeit dann auf die Alkalität. Ihr Modell identifizierte natürliche Prozesse, die hauptsächlich zur Variation der Flussalkalität beitragen, im Gegensatz zu früheren Untersuchungen, bei denen menschliche Aktivitäten als Hauptverursacher der Alkalinisierung identifiziert wurden. Sie fanden heraus, dass lokale klimatische und hydrogeologische Bedingungen, einschließlich Abfluss, Sediment, Boden-pH-Wert und Feuchtigkeit, die Merkmale waren, die die Alkalität des Flusses am stärksten beeinflussten.

Entscheidend für den Kohlenstoffkreislauf

Ihre Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf die Umwelt und das Klima, da die Alkalinität in Flüssen ein wichtiges Glied im Kohlenstoffkreislauf darstellt. Betrachten Sie die Bewegung von Kohlenstoff während eines Regensturms. Bei Regen verbindet sich Kohlendioxid aus der Atmosphäre mit Wasser zu Kohlensäure. Wenn die Kohlensäure den Boden erreicht und mit bestimmten Gesteinen in Kontakt kommt, löst sie eine chemische Reaktion aus, die der Atmosphäre gasförmiges Kohlendioxid entzieht und es über Landgewässersysteme wie Seen und Flüsse in den Ozean transportiert. Dieser als Gesteinsverwitterung bekannte natürliche Prozess erodiert über Millionen von Jahren kontinuierlich Gestein und bindet atmosphärisches CO2. Es ist auch ein wichtiger Regulator von Treibhausgasen, die zur globalen Erwärmung beitragen.

„Gesteinsverwitterung ist die Hauptquelle für Alkalität in natürlichen Gewässern und eine der wichtigsten Möglichkeiten, Kohlendioxid in der Luft zu senken“, sagt Wen. Betrachten Sie es als eine Rückkopplungsschleife: Wenn zu viel Kohlendioxid in der Atmosphäre vorhanden ist, steigen die Temperaturen, was zu einer verstärkten Gesteinsverwitterung führt. Da aufgrund der verstärkten Gesteinsverwitterung mehr Gestein in Wassereinzugsgebieten aufgelöst wird, steigt die Alkalität und damit auch der Kohlendioxidgehalt.

„Alkalität ist ein entscheidender Bestandteil des Kohlenstoffkreislaufs“, sagt Wen. „Obwohl wir festgestellt haben, dass natürliche Prozesse die Hauptursache für die Alkalisierung sind, können diese natürlichen Faktoren dennoch vom Menschen verändert werden. Wir können den Alkalinitätsgrad in Flüssen ändern, indem wir die natürlichen Parameter ändern, daher müssen wir mehr investieren, um die natürlichen Bedingungen wiederherzustellen.“ Wassereinzugsgebiete und Bekämpfung der globalen Erwärmung und des Klimawandels, um die Alkalisierung in US-Flüssen zu bekämpfen.“

Die Ergebnisse der Studie des Teams können dazu beitragen, zukünftige Forschungen über verstärkte Gesteinsverwitterungsbemühungen zu informieren, bei denen Gesteine ​​zermahlen und über Felder verteilt werden. Durch die Verteilung von Gesteinsstaub über große Flächen erhöht sich der Kontakt zwischen Regen und Gestein, was die Kohlenstoffentfernung aus der Atmosphäre verbessert. Wen sagt, dass das Modell des Teams dabei helfen kann, Fragen zur Entwicklung natürlicher Bedingungen in verschiedenen Regionen zu beantworten – ein wichtiger Schritt, der erforderlich ist, um eine verbesserte Gesteinsverwitterung effektiver umzusetzen.