Bei einem kürzlichen tragischen Vorfall kamen in Afrika etwa 100 Elefanten aufgrund des unzureichenden Zugangs zu Wasser ums Leben. Das Umweltprogramm der Vereinten Nationen (UNEP) warnte, dass bis 2025 rund 2,5 Milliarden Menschen weltweit von Wasserknappheit betroffen sein könnten. Angesichts der Wasserknappheit, die die menschliche Gesellschaft und die gesamte ökologische Gemeinschaft aufgrund der Klimakrise beeinträchtigt, wird es von entscheidender Bedeutung, umfassende Maßnahmen zu ergreifen Management der Wasserqualität und -menge, um solch dringende Herausforderungen abzuwenden.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Jonghun Kam und Ph.D. Kandidat Kwang-Hun Lee von der Abteilung für Umweltwissenschaften und -technik der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) hat eine fortschrittliche Technik implementiert, bei der ein unbemanntes Oberflächenfahrzeug eingesetzt wird, um gleichzeitig die Wassertiefen des Reservoirs und die Nitratkonzentration (NO3) im Reservoir zu bewerten Wasseroberfläche. Die Ergebnisse ihrer Forschung waren vorgestellt im Tagebuch Wasserressourcenforschung.
Die Überwachung der verfügbaren Wassermenge und -qualität erfolgt anhand von Indikatoren wie Wassertiefe und Nitratkonzentration. Nitrate, die aus atmosphärischen Nährstoffen und Bodennährstoffen stammen, gelangen über verschiedene Wege in Bäche und stellen eine potenzielle Bedrohung für aquatische Ökosysteme und die Artenvielfalt dar, wenn ihre Werte zu hoch werden. Schwankungen des Niederschlags und des Wasserverbrauchs wirken sich zusätzlich auf die Wasserqualität aus, und steigende Wassertemperaturen tragen zu einer Verringerung des gelösten Sauerstoffs bei, was zu einer verminderten Wasserqualität führt.
Eine wirksame Bewirtschaftung der Wasserressourcen erfordert die doppelte Überwachung der Nitratkonzentration und der Wassertiefe. Allerdings können diese Messungen je nach Zeitpunkt und Ort der Beurteilung erheblich variieren. Herkömmliche Wassertiefenmessungen, die typischerweise an einem einzigen Punkt durchgeführt werden, führen zu Unsicherheiten bei der Schätzung des gesamten Wasservolumens des Reservoirs.
In jüngster Zeit wurden zur Bewältigung dieser Herausforderung ungeschraubte Geräte oder Instrumente eingeführt, doch die gleichzeitige Messung der Nitratkonzentration und der Wassertiefe hat sich als Herausforderung erwiesen.
Dem Forschungsteam gelang die gleichzeitige Messung der Nitratkonzentration und der Wassertiefe mithilfe eines unbemannten Oberflächenfahrzeugs. Im Laufe eines Jahres, beginnend im Jahr 2021, wurde ein unbemanntes Boot, das mit elektrochemischen Sensoren und akustischen Doppler-Stromprofilsensoren ausgestattet war, eingesetzt, um die Nitratkonzentration und die Wassertiefe in einem Stausee (Daljeonji) in Pohang, Provinz Nord-Gyeongsang in Südkorea, zu messen.
Die 30 Messungen ergaben saisonale Schwankungen mit Nitratwerten zwischen 1 und 4 Tonnen. Nach starken Regenfällen lag die beobachtete Nitratmenge aufgrund der schnellen Wasserausdehnung um bis zu 17 % unter den vorherigen Messwerten. Dies unterstreicht, wie wichtig es ist, bei der Beurteilung der Wasserqualität den Zeitpunkt und die Wetterbedingungen zu berücksichtigen, da Messungen zu Über- oder Unterschätzungen führen können.
Darüber hinaus erstellte das Team erfolgreich eine hochauflösende Karte, die den kumulierten Nitratgehalt im Daljeonji-Reservoir auf der Grundlage der vom unbemannten Überwasserfahrzeug gesammelten Daten veranschaulicht. Trotz eines einjährigen Messzeitraums und der Beschränkung der Studie auf Pohang liegt ihre Bedeutung in der unabhängigen Entwicklung einer Technologie, die eine gleichzeitige Messung der Nitratkonzentration und der Wassertiefe ermöglicht.
Professor Jonghun Kam, der die Forschung leitete, erklärte: „Unsere Studie hat sowohl die Möglichkeiten als auch die Einschränkungen des Einsatzes unbemannter Robotik in der Wasserumweltforschung aufgezeigt.“ Er fügte hinzu: „Es ist vorgesehen, dass diese Forschung einen Orientierungsrahmen für die Entwicklung der nächsten Generation des koreanischen nationalen Wasserressourcenmanagementsystems liefern wird, indem fortschrittliche Technologien wie unbemannte Luftfahrzeuge genutzt werden, um die Vorhersagegenauigkeit zu verbessern und das Wassermanagement zu optimieren.“
Mehr Informationen:
Kwang-Hun Lee et al., Hochauflösende Kartierung der Nitratfrachten eines Reservoirs mithilfe eines unbemannten Oberflächenfahrzeugs: Mögliche Chancen und Herausforderungen, Wasserressourcenforschung (2023). DOI: 10.1029/2023WR034665