Ein Modell zur Vorhersage des Sauerstoffgehalts im Wasser, das vom Forscher Omar Abdul-Aziz von der West Virginia University entwickelt wurde, gibt Bürgerwissenschaftlern im ganzen Land ein Instrument an die Hand, um Maßnahmen gegen die Verschmutzung von Flüssen zu ergreifen.
„Ich schaue mir seit 20 Jahren Daten zur Wasserqualität an“, sagte Abdul-Aziz, außerordentlicher Professor am Benjamin M. Statler College of Engineering and Mineral Resources. „Ich kann Ihnen sagen, dass ein großer Prozentsatz der Bäche in den Vereinigten Staaten verschmutzt ist. Städtische Bäche werden von Müllcontainern abgelassen, Regenwasser trägt Rasendünger und Müll. Kläranlagen behandeln nicht unbedingt den gelösten organischen Kohlenstoff, die Nährstoffe und die Pharmazeutika, die wir haben in unser Abwasser setzen.
Das Modell von Abdul-Aziz stützt sich nur auf die Wassertemperatur und den pH-Wert, ein Maß für den Säuregehalt, um ein genaues Maß für den Zustand jedes Süßwasserstroms in den angrenzenden Vereinigten Staaten zu geben, wie er durch die im Wasser gelöste Sauerstoffmenge dargestellt wird. Sauerstoff ist für die Gesundheit von Flüssen von grundlegender Bedeutung, und sein Modell ist von Bedeutung, da es auf der Grundlage einer kleinen Menge leicht erhältlicher Daten vorhersagt, wie viel Sauerstoff sich an jedem Ort und zu jeder Zeit im Wasser eines bestimmten Flusses befindet.
„Sobald wir den Sauerstoffgehalt in diesen Bächen kennen, können wir Interventionsmaßnahmen wie die Wiederherstellung von Bächen ergreifen und umweltfreundliche technische Lösungen wie die Erhöhung der Wassereinzugsgebiete und der Vegetation am Flussufer einsetzen“, sagte er.
Abdul-Aziz präsentiert das Model in einem gemeinsam mit dem WVU-Doktoranden Aron Gebreslase verfassten Artikel, der in veröffentlicht wurde Wasserressourcenforschung.
Das Modell von Abdul-Aziz enthält Informationen zur Wasserqualität, die zwischen 1998 und 2015 von 86 Überwachungsstationen in 32 Bundesstaaten gesammelt wurden. Dieser große Datensatz umfasst gemäßigtes, kontinentales, trockenes und mediterranes Klima sowie Landbedeckungen und -nutzungen, die so unterschiedlich sind wie Wälder, Weideland und Parkplätze.
Die Informationen, die das Modell bereitstellt, können dabei helfen festzustellen, wie die Environmental Protection Agency einen Strom klassifiziert und ob die EPA ein Projekt zulässt, das einen bestimmten Strom betrifft.
„Dieses Tool wird der EPA helfen, den Clean Water Act umzusetzen, der für nicht städtische Bäche vorschreibt, dass der „gelöste Sauerstoff“ – die Menge an Sauerstoff im Wasser – mindestens fünf Milligramm pro Liter betragen muss“, sagte Abdul-Aziz . „Gelöster Sauerstoff ist wichtig, denn wenn der Sauerstoffgehalt in diesen Strömen unter die Fünf-Milligramm-Grenze sinkt, wird es für Fische und andere Wassertiere schwierig zu atmen, und der Strom wird normalerweise als beeinträchtigt angesehen.“
Die Einstufung eines Baches als beeinträchtigt kann die Projektgenehmigung durch die EPA behindern, die die entscheidende Rolle betont hat, die Bäche bei der Bereitstellung von sauberem Trinkwasser, dem Schutz vor Überschwemmungen und Erosion, der Grundwasserversorgung, der Verringerung der Umweltverschmutzung und der Erleichterung wirtschaftlicher Aktivitäten wie Landwirtschaft, Fertigung und Outdoor spielen Erholung.
„Das Tool ist ein einfaches mathematisches Modell, das nur die Wassertemperatur und den pH-Wert verwendet, um den Sauerstoffgehalt im Wasser vorherzusagen“, sagte Abdul-Aziz. „Die Leute können ihre Temperatur, die leicht verfügbare Daten sind, und ihren pH-Wert eingeben – oder wenn sie keinen pH-Wert haben, biete ich auch ein Modell nur mit der Temperatur an. Dann können sie sehen, wie sich die Wasserqualität unter verschiedenen Klimaszenarien ändern wird , also Temperatur und sich ändernde Landnutzung.“
Neben der Wassertemperatur und dem pH-Wert tragen viele Faktoren zur Gesundheit eines Baches bei. Sonnenlicht, atmosphärischer Druck, Durchfluss, Breite, Tiefe, die Rauheit des Bachbetts und die Steilheit der Ufer, die Flora und Fauna des Gebiets und ob das Land urbanisiert, landwirtschaftlich oder industriell ist, sind Faktoren, aber ihre Messungen sind nicht erforderlich das Werkzeug, um genau zu sein. Die Wassertemperatur ist der entscheidende Datenpunkt für Vorhersagen, idealerweise ergänzt um pH-Werte.
„Je höher die Temperatur, desto weniger Sauerstoff im Wasser“, erklärt Abdul-Aziz. „Dasselbe passiert uns an einem heißen Tag. Wenn die Luft weniger Sauerstoff enthält, kann es schwierig sein zu atmen.“
Hohe Wassertemperaturen erschweren die Auflösung von Sauerstoff im Wasser. Höhere Temperaturen fördern auch die Zersetzung und Oxidation von organischem Material und erhöhen die mikrobielle Atmung, Prozesse, die Sauerstoff verbrauchen.
Wenn unzureichender Sauerstoff zum Tod von Wasserlebewesen führt, „reichen die Probleme für den Menschen von Nahrungsmittelknappheit bis hin zu Gesundheitsrisiken“, sagte er. „Gelöster Sauerstoff ist ein zentraler Indikator für die Gesamtqualität des Wassers und des Ökosystems.“
Das Tool ist vollständig skalierbar und funktioniert daher für alle Süßwasserströme in den USA, mit Ausnahme einiger Bäche im bergigen Westen, die erhebliche geothermische Effekte erfahren, wie die im Yellowstone-Nationalpark. Es kann verwendet werden, um die Bedingungen in der Vergangenheit zu verstehen, ein aktuelles Verständnis des Zustands eines Baches zu erhalten oder die Zukunft anhand von Wassertemperaturschätzungen vorherzusagen, um zu bewerten, wie sich verschiedene Klimawandelszenarien auf aquatische Ökosysteme auswirken würden.
„Mit Landwirtschaft, Holzeinschlag, Bergbau und chemischen Verarbeitungsanlagen haben die meisten besiedelten Gebiete unseres Landes jetzt verunreinigte Flüsse, und dieses Modell ermöglicht es den Menschen, etwas dagegen zu tun“, sagte Abdul-Aziz.
Mehr Informationen:
Omar I. Abdul-Aziz et al, Emergent Scaling of Dissolved Oxygen (DO) in Freshwater Streams Across Contiguous USA, Wasserressourcenforschung (2023). DOI: 10.1029/2022WR032114