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Jan 25, 2024

Abordagem de aprendizado de máquina para explicar a dinâmica da qualidade da água em um rio urbanizado

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 12346 (2022) Citar este artigo

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As atividades humanas alteram a qualidade e a quantidade da água dos rios, com consequências para os ecossistemas dos rios urbanizados. Quantificar o papel dos motoristas induzidos pelo homem no controle dos padrões espaço-temporais na qualidade da água é fundamental para desenvolver estratégias bem-sucedidas para melhorar a saúde ecológica dos rios urbanos. Aqui, analisamos dados de condutividade elétrica e temperatura de alta frequência coletados no rio Chess, no sudeste da Inglaterra, durante um projeto Citizen Science. Utilizando o aprendizado de máquina, descobrimos que as árvores impulsionadas superam o GAM e descrevem com precisão a dinâmica da qualidade da água com menos de 1% de erro. As explicações do Aditivo SHApley revelam a importância e as (inter)dependências entre as variáveis ​​individuais, como o nível do rio e o escoamento das Obras de Tratamento de Águas Residuais (ETAR). As descargas das ETAR originam variações diurnas da condutividade elétrica, detetáveis ​​ao longo do ano, e um aumento da temperatura média da água de 1 \(\rm{^o}C\) num troço de 2 km a jusante da estação de tratamento de águas residuais durante fluxos baixos. No geral, mostramos como as medições de alta frequência da qualidade da água iniciadas por um projeto Citizen Science, juntamente com técnicas de aprendizado de máquina, podem ajudar a desvendar os principais fatores da dinâmica da qualidade da água em um riacho de giz urbanizado.

Em todo o mundo, as atividades humanas, como a urbanização, estão causando mudanças nos ciclos das bacias hidrográficas que têm impactos profundos na quantidade e qualidade da água e na ecologia dos rios1,2. A urbanização altera a hidrologia de uma bacia hidrográfica de várias maneiras3. A introdução de superfícies impermeáveis, juntamente com sistemas de drenagem artificial, pode aumentar as vazões de pico nos rios3, reduzir os tempos de resposta hidrológica às chuvas4,5 e reduzir o fluxo de base e a recarga das águas subterrâneas6. Em muitos países, os sistemas de esgoto combinados transportam águas residuais domésticas e industriais para estações de tratamento de águas residuais em condições secas, juntamente com a drenagem de águas pluviais de áreas pavimentadas quando chove. A descarga de efluentes tratados pode causar padrões de fluxo distintos em rios ditados pela atividade humana7,8.

As atividades humanas associadas à urbanização também têm impactos na qualidade química da água, com muitos esforços voltados para a caracterização das mudanças na qualidade da água dos rios urbanos durante eventos de tempestades9,10,11 e do fenômeno da primeira descarga12,13. Os transbordamentos combinados de esgoto também podem impactar significativamente a qualidade da água após chuvas intensas quando a capacidade das obras de tratamento de águas residuais é excedida14,15,16,17. Também sabemos que os córregos urbanos tendem a ter maior condutividade elétrica média e maiores concentrações de íons em comparação com suas contrapartes rurais18,19,20, que surgem de uma combinação de fontes de poluição pontuais e difusas. Por exemplo, cloreto, sulfato, sódio e potássio são eletrólitos comuns na urina e, portanto, concentrados em águas residuais19. Determinar as principais fontes de íons individuais em sistemas urbanos, no entanto, provou ser um desafio21. Esses níveis elevados de soluto agora estão levando os ecologistas a formular hipóteses sobre possíveis implicações de concentrações iônicas elevadas para a saúde e resiliência dos ecossistemas de riachos urbanos22.

As atividades humanas estão causando uma degradação generalizada da qualidade da água nos rios com consequências para a saúde ecológica23. Essas atividades levam a mudanças na qualidade da água receptora que opera em escalas de tempo aninhadas de horas (em resposta a eventos de chuva) a ciclos diários, sazonais e interanuais24,25. Para entender completamente o impacto das atividades humanas nos rios, precisamos separar as variações naturais e induzidas pelo homem na qualidade da água. Para fazer isso, precisamos de acesso a dados de monitoramento de alta resolução e de longo prazo de sistemas urbanizados, como os que se tornam disponíveis a partir do uso de sensores de qualidade de água de alta frequência em tempo real26.