Une approche d’apprentissage automatique pour l’analyse de l’eau douce

De la protection de la biodiversité à la garantie de la sécurité de l’eau potable, la composition biochimique des rivières et des ruisseaux aux États-Unis est essentielle pour le bien-être humain et environnemental. Des études ont montré que l’activité humaine et l’urbanisation entraînent la salinisation (augmentation de la teneur en sel) des sources d’eau douce à travers le pays. En excès, la salinité peut rendre l’eau non potable, augmenter le coût du traitement de l’eau et nuire aux poissons et à la faune d’eau douce.

Parallèlement à l’augmentation de la salinité, il y a également eu une augmentation de l’alcalinité au fil du temps, et des recherches antérieures suggèrent que la salinisation peut améliorer l’alcalinisation. Mais contrairement à l’excès de salinité, l’alcalinisation peut avoir un impact positif sur l’environnement en raison de sa capacité à neutraliser l’acidité de l’eau et à absorber le dioxyde de carbone dans l’atmosphère terrestre, un élément clé de la lutte contre le changement climatique. Par conséquent, la compréhension des processus en jeu qui affectent la salinité et l’alcalinité a d’importantes implications environnementales et sanitaires.

Une équipe de chercheurs de l’Université de Syracuse et de l’Université A&M du Texas a appliqué un modèle d’apprentissage automatique pour explorer où et dans quelle mesure les activités humaines contribuent aux changements hydrogéochimiques, tels que l’augmentation de la salinité et de l’alcalinité dans les rivières américaines.

Le groupe a utilisé les données de 226 sites de surveillance des rivières à travers les États-Unis et a construit deux modèles d’apprentissage automatique pour prédire les niveaux mensuels de salinité et d’alcalinité sur chaque site. Ces sites ont été sélectionnés parce que des mesures continues à long terme de la qualité de l’eau ont été enregistrées pendant au moins 30 ans.

Des milieux urbains aux milieux ruraux, le modèle a exploré une gamme variée de bassins versants, qui sont des zones où toutes les eaux de surface qui s’écoulent convergent vers un seul point, comme une rivière ou un lac. Il a évalué 32 facteurs de bassin versant allant de l’hydrologie, du climat, de la géologie, de la chimie des sols, de l’utilisation des terres et de la couverture terrestre pour identifier les facteurs contribuant à l’augmentation de la salinité et de l’alcalinité. Les modèles de l’équipe ont déterminé que les activités humaines étaient les principaux contributeurs à la salinité des rivières américaines, tandis que l’augmentation de l’alcalinité était principalement attribuée davantage aux processus naturels qu’aux activités humaines.

L’équipe, qui comprenait des chercheurs de l’Université de Syracuse Tao Wen, professeur adjoint au Département des sciences de la Terre et de l’environnement (EES) du Collège des arts et des sciences, Beibei E, un étudiant diplômé en EES, Charles T. Driscoll, professeur universitaire de systèmes environnementaux et professeur émérite au Collège d’ingénierie et d’informatique, et le professeur assistant Texas A&M Shuang Zhang, ont récemment vu leurs découvertes publiées dans la revue Science de l’environnement total.

Qu’est-ce qui entraîne la salinisation et l’alcalinisation ?

Les résultats du modèle de prédiction du sodium du groupe, qui a détecté des activités humaines telles que l’application de sel de voirie comme des contributions majeures à la salinité des rivières américaines, étaient cohérents avec les études précédentes. Ce modèle a spécifiquement révélé la densité de population et le pourcentage de surfaces imperméables (surfaces artificielles telles que les routes) comme les deux contributeurs les plus importants à une teneur en sel plus élevée dans les rivières américaines.

Selon Wen, la précision du modèle de salinité a fourni une preuve de concept importante pour l’équipe de recherche.

« En ce qui concerne les causes de la salinité dans les rivières, les résultats de notre modèle d’apprentissage automatique correspondaient à ceux d’études précédentes qui se concentraient sur l’observation sur le terrain, le travail en laboratoire et l’analyse statistique », explique Wen. « Cela a prouvé que notre approche fonctionnait. »

Les résultats de salinité confirmant la précision du modèle de l’équipe, ils se sont ensuite tournés vers l’alcalinité. Leur modèle a identifié les processus naturels comme contribuant principalement à la variation de l’alcalinité des rivières, contrairement aux recherches précédentes qui identifiaient les activités humaines comme le principal contributeur à l’alcalinisation. Ils ont constaté que les conditions climatiques et hydrogéologiques locales, y compris le ruissellement, les sédiments, le pH et l’humidité du sol, étaient les caractéristiques qui affectaient le plus l’alcalinité des rivières.

Critique pour le cycle du carbone

Leurs découvertes ont d’importantes implications environnementales et climatiques, car l’alcalinité des rivières constitue un lien vital dans le cycle du carbone. Considérez le mouvement du carbone pendant une tempête de pluie. Lorsqu’il pleut, le dioxyde de carbone de l’atmosphère se combine avec l’eau pour former de l’acide carbonique. Lorsque l’acide carbonique atteint le sol et entre en contact avec certaines roches, il déclenche une réaction chimique qui extrait le dioxyde de carbone gazeux de l’atmosphère et le transporte vers l’océan via des systèmes hydriques terrestres comme les lacs et les rivières. Connu sous le nom d’altération des roches, ce processus naturel érode continuellement les roches et séquestre le CO2 atmosphérique pendant des millions d’années. C’est aussi un régulateur clé des gaz à effet de serre qui contribuent au réchauffement climatique.

« L’altération des roches est la principale source d’alcalinité dans les eaux naturelles et l’un des principaux moyens de réduire le dioxyde de carbone dans l’air », explique Wen. Considérez cela comme une boucle de rétroaction : lorsqu’il y a trop de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, les températures augmentent, ce qui entraîne une altération accrue des roches. Avec plus de roches dissoutes dans les bassins versants en raison de l’altération accrue des roches, l’alcalinité augmente et, à son tour, réduit le dioxyde de carbone.

« L’alcalinité est une composante essentielle du cycle du carbone », explique Wen. « Bien que nous ayons constaté que les processus naturels sont les principaux moteurs de l’alcalinisation, ces facteurs naturels peuvent encore être modifiés par l’homme. Nous pouvons modifier le niveau d’alcalinité des rivières en modifiant les paramètres naturels, nous devons donc investir davantage pour restaurer les conditions naturelles de bassins versants et lutter contre le réchauffement climatique et les changements climatiques pour faire face à l’alcalinisation des rivières américaines.

Les résultats de l’étude de l’équipe peuvent aider à éclairer les recherches futures sur les efforts accrus d’altération des roches, où les roches sont broyées et réparties dans les champs. En répartissant la poussière de roche sur de vastes zones, il augmente la quantité de contact entre la pluie et la roche, ce qui améliore l’élimination du carbone de l’atmosphère. Wen dit que le modèle de l’équipe peut aider à répondre aux questions sur l’évolution des conditions naturelles dans différentes régions, une étape importante nécessaire pour mettre en œuvre plus efficacement l’altération améliorée des roches.