Подход машинного обучения к анализу пресной воды

Новости сегодня - Подход машинного обучения к анализу пресной воды

От защиты биоразнообразия до обеспечения безопасности питьевой воды биохимический состав рек и ручьев в Соединенных Штатах имеет решающее значение для благополучия человека и окружающей среды. Исследования показали, что деятельность человека и урбанизация вызывают засоление (повышение содержания соли) источников пресной воды по всей стране. Избыток солености может сделать воду непригодной для питья, увеличить стоимость очистки воды и нанести вред пресноводным рыбам и диким животным.

Наряду с повышением солености также наблюдается увеличение щелочности с течением времени, и прошлые исследования показывают, что засоление может усилить подщелачивание. Но в отличие от чрезмерного засоления, подщелачивание может оказать положительное влияние на окружающую среду благодаря своей способности нейтрализовать кислотность воды и поглощать углекислый газ в атмосфере Земли — ключевой компонент борьбы с изменением климата . Таким образом, понимание действующих процессов, влияющих на соленость и щелочность, имеет важные последствия для окружающей среды и здоровья.

Группа исследователей из Сиракузского университета и Техасского университета A&M применила модель машинного обучения , чтобы выяснить, где и в какой степени деятельность человека способствует гидрогеохимическим изменениям, таким как повышение солености и щелочности рек США.

Группа использовала данные с 226 участков мониторинга рек в США и построила две модели машинного обучения для прогнозирования ежемесячных уровней солености и щелочности на каждом участке. Эти участки были выбраны потому, что долгосрочные непрерывные измерения качества воды были зарегистрированы в течение как минимум 30 лет.

От городских до сельских условий модель исследовала широкий спектр водоразделов, то есть областей, где все текущие поверхностные воды сходятся в одной точке, например, в реке или озере. Он оценил 32 фактора водораздела, начиная от гидрологии, климата, геологии, химического состава почвы, землепользования и растительного покрова, чтобы точно определить факторы, способствующие повышению солености и щелочности. Модели группы определили, что деятельность человека является основным источником солености рек США, в то время как повышение щелочности в основном связано с естественными процессами, а не с деятельностью человека.

Группа, в которую входили исследователи Сиракузского университета Тао Вэнь, доцент кафедры наук о Земле и окружающей среде (EES) Колледжа искусств и наук, Бэйбэй Э., аспирант EES, Чарльз Т. Дрисколл, университетский профессор экологических систем и заслуженный профессор Колледжа инженерии и компьютерных наук, а также доцент Техасского A&M Шуан Чжан недавно опубликовали свои выводы в журнале Science of the Total Environment.

Что вызывает засоление и подщелачивание?

Результаты разработанной группой модели прогнозирования натрия, которая выявила, что деятельность человека, такая как применение дорожной соли, как основной вклад в соленость рек США, согласуются с предыдущими исследованиями. Эта модель специально выявила плотность населения и процент непроницаемой поверхности (искусственные поверхности, такие как дороги) как два наиболее важных фактора, влияющих на более высокое содержание соли в реках США.

По словам Вена, точность модели солености стала важным доказательством концепции для исследовательской группы.

«Что касается причин засоления рек, результаты нашей модели машинного обучения совпали с результатами предыдущих исследований, которые были сосредоточены на полевых наблюдениях, лабораторных работах и ​​статистическом анализе», — говорит Вэнь. «Это доказало, что наш подход работает».

Когда результаты солености подтвердили точность модели команды, они обратили внимание на щелочность. Их модель определила, что естественные процессы в основном способствуют изменению щелочности рек, в отличие от предыдущих исследований , в которых деятельность человека была определена как основной фактор, способствующий подщелачиванию. Они обнаружили, что местные климатические и гидрогеологические условия, включая сток, наносы, pH почвы и влажность, больше всего влияют на щелочность рек.

Критично для углеродного цикла

Их выводы имеют важное значение для окружающей среды и климата, поскольку щелочность рек является важным звеном в углеродном цикле . Рассмотрим движение углерода во время ливня. Когда идет дождь, углекислый газ из атмосферы соединяется с водой, образуя угольную кислоту. Когда углекислота достигает земли и вступает в контакт с определенными породами, она запускает химическую реакцию, которая извлекает газообразный углекислый газ из атмосферы и переносит его в океан через наземные водные системы, такие как озера и реки. Этот естественный процесс , известный как выветривание горных пород, постоянно разрушает горные породы и улавливает CO _{2 из атмосферы.}на протяжении миллионов лет. Он также является ключевым регулятором выбросов парниковых газов, способствующих глобальному потеплению.

«Выветривание горных пород является основным источником щелочности природных вод и одним из основных способов снижения содержания углекислого газа в воздухе», — говорит Вэнь. Думайте об этом как о цикле обратной связи: когда в атмосфере слишком много углекислого газа, температура повышается, что приводит к усилению выветривания горных пород. Чем больше горных пород растворяется в водоразделах из-за усиленного выветривания горных пород, тем выше щелочность и, в свою очередь, снижается содержание углекислого газа .

«Щелочность — важнейший компонент углеродного цикла», — говорит Вен. «Хотя мы обнаружили, что естественные процессы являются основными движущими силами подщелачивания, эти естественные факторы все еще могут быть изменены человеком. Мы можем изменить уровень щелочности в реках, изменив естественные параметры, поэтому нам нужно больше инвестировать для восстановления естественных условий водоразделы и бороться с глобальным потеплением и изменениями климата, чтобы справиться с подщелачиванием рек США».

Результаты исследования группы могут помочь в будущих исследованиях об усилении усилий по выветриванию горных пород, когда горные породы измельчаются и распределяются по полям. Распределяя каменную пыль по большим площадям, он увеличивает количество контактов между дождем и камнем, что увеличивает удаление углерода из атмосферы. Вэнь говорит, что модель команды может помочь ответить на вопросы об эволюции природных условий в разных регионах — важный шаг, необходимый для более эффективного внедрения усиленного выветривания горных пород.

Новости партнеров: