Eine Computermethode geht von Beobachtungen aus rückwärts, um Flussverschmutzer aufzuspüren

Eine neue Berechnungsmethode, die von Forschern der Universität Oxford und des Imperial College London entwickelt wurde, nutzt eine innovative neue Technik, um Quellen von Flussschadstoffen zu lokalisieren. Die Methode kann von Beobachtungen verschmutzten Flusswassers aus rückwirkend angewendet werden, was sie zu einem einfachen Ansatz macht, der landesweit ausgeweitet werden könnte.

In einer Fallstudie identifizierte das Modell die Quelle eines schädlichen Neonicotinoid-Pestizids – das für landwirtschaftliche Zwecke verboten ist – in einem seltenen Kreidebach-Lebensraum. Oxford-Forscher haben außerdem www.sewagemap.co.uk entwickelt, ein beliebtes Tool, das von der Öffentlichkeit häufig genutzt wird, um mit Abwasser verschmutzte Flüsse in Echtzeit zu identifizieren.

In den letzten Monaten gab es einen landesweiten Aufschrei gegen die Wasserversorger, die zuließen, dass die Abwasserverschmutzung in Flüssen akzeptable Grenzwerte überschreitet. In Kombination mit der Verschmutzung durch landwirtschaftliche Düngemittel und Chemikalien hat dies dazu geführt, dass derzeit nur 14 % der Flüsse Englands einen „guten“ ökologischen Zustand erreichen. Bisher gibt es jedoch keine zuverlässige Methode zur Identifizierung wahrscheinlicher Quellen der Flussverschmutzung, was eine wirksame Lösung des Problems nahezu unmöglich macht.

Eine von Wissenschaftlern der Universität Oxford mitverfasste Studie bietet nun einen neuen Ansatz. Hierbei kommt eine „umgekehrte Modellierung“ zum Einsatz, die ausgehend von Beobachtungen der Verschmutzung in Flüssen rückwärts arbeitet und diese auf die wahrscheinliche Quelle zurückführt. Der Artikel wird in der Zeitschrift veröffentlicht Gesamtumweltwissenschaft.

Dies steht im Gegensatz zu aktuellen „Vorwärtsmodellierungsmethoden“, die von einem angenommenen Satz von Schadstoffquellen ausgehen und dann die mögliche Verteilung und das Ausmaß von Schadstoffen abschätzen. Diese Methode weist jedoch mehrere kritische Mängel auf, nämlich dass potenzielle Quellen im Voraus bekannt sein müssen und sie häufig auf weitreichenden Annahmen und unsicheren Daten beruht.

Dr. Alex Lipp (Department of Earth Sciences und Merton College, University of Oxford), Co-Leiter der Studie, sagte: „Der erste Schritt zur Eindämmung der Verschmutzung eines Flusses besteht darin, festzustellen, wo das Problem liegt.“ Diese neuen „inversen“ mathematischen Methoden ermöglichen eine objektive Analyse. Mittel, um allein anhand von Überwachungsdaten zu bestimmen, wo und wie Schadstoffe in Flusssysteme gelangen. »

Die neue Technik wurde am Fluss Wandle getestet, einem kalkhaltigen Wasserweg im Südwesten Londons, der wegen der jüngsten Abwasserverschmutzungen lokale Empörung ausgelöst hat. Kürzlich wurde im Fluss Wandle das Neonicotinoid-Pestizid Imidacloprid entdeckt, obwohl sein Einsatz auf Feldern im Vereinigten Königreich seit 2018 illegal ist.

Mithilfe der neuen inversen Modellierung kamen die Forscher zu dem Schluss, dass der überwiegende Teil des Imidacloprids im Wandle River aus einem kleinen Teil des Flusses stammt, der Abwässer aus einer Kläranlage enthält.

Co-Hauptautor Dr. Gareth Roberts (Department of Earth Sciences and Engineering, Imperial College London) sagte: „Dies stützt die Annahme, dass Imidacloprid in unseren Flüssen aus seiner Verwendung als Haustierarzneimittel stammen könnte und nach dem Abwaschen in die Kanalisation gelangt.“ Abfluss und Vermeidung der Entsorgung in Abwasseraufbereitungsanlagen.

Bürger werden aufgerufen, „Wächter des Flusses“ zu werden

Nachdem Dr. Lipp die Leistungsfähigkeit des inversen Modellierungsansatzes unter Beweis gestellt hat, möchte er ihn erweitern und letztendlich zu einem Schlüsselelement für die Zukunft der Wasserqualitätsüberwachung werden.

„Eine Anwendung dieses Ansatzes, die mich sehr interessiert, ist die Analyse von Citizen-Science-Daten“, fügte Dr. Lipp hinzu. „Bürgerinitiativen generieren mittlerweile häufig fantastische, hochdichte Datensätze zu Schadstoffen wie Phosphor und Nitraten in Flüssen, und dieser umgekehrte Ansatz könnte verwendet werden, um diese Daten in umsetzbare Erkenntnisse umzuwandeln.“

Bürgerdaten wurden bereits im Rahmen nationaler Flusskampagnen genutzt. Beispielsweise stellten Bürgerwissenschaftler von River Action bei Wasserqualitätstests entlang der Themse im Vorfeld der Henley Royal Regatta eine hohe Konzentration an E. coli-Bakterien fest. Dieser neue Modellierungsansatz könnte es ehrenamtlichen „Flusswächtern“ ermöglichen, gezielter gegen Umweltverschmutzer vorzugehen.

James Wallace, CEO von River Action, sagte: „Wiederholungstäter wie Wasserunternehmen und industrielle Landwirtschaft versuchen oft, die Verantwortung für den Dreck, den sie ungehindert in unsere Flüsse gelangen lassen, auf andere zu schieben. Aber Modellierungsansätze wie dieser neue Algorithmus könnten letztendlich eine Legion von Bürgerwissenschaftlern im gesamten Vereinigten Königreich in die Lage versetzen, Verschmutzungsquellen zu identifizieren, sodass sich die Täter nirgendwo verstecken können. »

„Das Potenzial neuer Methoden und Citizen Science muss nun von der Umweltbehörde bei der Verfolgung von Umweltverschmutzern und den daraus resultierenden Sanktionen weiter erforscht werden, ergänzt durch entsprechende staatliche Mittel im nächsten Haushalt, um dies zu ermöglichen.“ Die Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Verschmutzungsüberwachung sendet eine starke Botschaft: Verschmutzen Sie die Umwelt auf eigenes Risiko und nicht aus Profitgründen.“

Machen Sie mit Daten einen Unterschied

Die neue Studie baut auf Dr. Lipps datengesteuertem Ansatz zur Bewältigung der „Flusskrise“ auf. Im Jahr 2023 entwickelte er zusammen mit seinem Mitarbeiter Jonathan Dawe vom British Antarctic Survey www.sewagemap.co.uk, eine kostenlose und offene Website. Quellen-Website, die Echtzeitinformationen zu Flussabschnitten anzeigt, die von der Einleitung unbehandelter Abwässer in das Einzugsgebiet der Themse betroffen sein könnten.

Dies geschieht mithilfe eines Modells, das die Abwasserströme in Echtzeit mit den flussabwärts gelegenen Flussabschnitten in Beziehung setzt. Die Website ist bereits bei Wildschwimmgruppen und Bürgerwissenschaftlern beliebt, die damit in Echtzeit lokale Flüsse identifizieren, die durch Abwasser verschmutzt sind.

Jeremy Watson, ein Outdoor-Schwimmer in London, der SewageMap regelmäßig nutzt, sagte: „Mit SewageMap ist es einfach, eine vernünftige Schätzung des Abwasserstatus in einem Fluss an einem bestimmten Ort für den Tag zu erhalten, an dem Sie schwimmen möchten.“ Ich habe es nach einer sonnigen Woche überprüft und es zeigte nur eine Verschüttung, 90 km flussaufwärts, also ging ich in der Nähe von Hampton Court Palace schwimmen.

„Als ich nach ein paar Regentagen noch einmal nachsah, stellte ich fest, dass es plötzlich Dutzende verschütteter Abwässer flussaufwärts gab. Also ging ich stattdessen ins Schwimmbad! Es ist ein großes Privileg, etwas zu finden, das so weit geht, den Bedürfnissen der Öffentlichkeit gerecht zu werden.“ Ich finde es auch großartig zu sehen, dass die Software von einem Team offen zur Verfügung gestellt wird, das die nötige Energie und Begeisterung hat, um neue Mitwirkende willkommen zu heißen.

Das Modell hinter Sewage Map basiert auf öffentlichen Daten, die von Thames Water über Abwassereinleitungen veröffentlicht wurden. Da derzeit keine anderen Wasserversorger diese Informationen zur Verfügung stellen, kann das Modell noch nicht im Rest des Vereinigten Königreichs eingeführt werden. Dr. Lipp kam zu dem Schluss: „Deshalb ist es so wichtig, dass Wasserunternehmen dem Beispiel von Thames Water folgen und Umweltdaten in einem Format veröffentlichen, das für die Öffentlichkeit und Wissenschaftler zugänglich ist.“

Die Wandle River-Fallstudie „Verwendung konvexer Optimierung zur effizienten Zuordnung von Tracer- und Schadstoffquellen aus Beobachtungen von Punktkonzentrationen“ wurde in veröffentlicht Wasserressourcenforschung.