Согласно новым исследованиям Стэнфорда, менее двух дней отбора проб воды на местных пляжах может быть достаточно, чтобы уменьшить количество заболеваний среди миллионов пляжников каждый год из-за загрязненной воды. Исследование, опубликованное в журнале Environmental Science & Technology, представляет собой основу моделирования, которая надежно предсказывает качество воды на пляжах всего через один - два дня частого отбора проб воды. Этот подход, опробованный в Калифорнии, может быть использован для наблюдения за другими неконтролируемыми прибрежными районами, что является ключом к защите благополучия пляжников и процветающей океанской экономики во всем мире.

"Эта работа сочетает в себе знания микробиологии, прибрежных процессов и науки о данных, чтобы создать инструмент для эффективного управления одним из наших самых ценных ресурсов и защиты здоровья человека", - сказала старший автор Александрия Бем, профессор Стэнфордского университета гражданской и экологической инженерии.

Измерение концентрации фекальных индикаторных бактерий (FIB), которые обозначают наличие фекалий и могут привести к небезопасным водным условиям, на пляжах обеспечивает здоровье и безопасность населения. Хотя вся океанская вода содержит некоторую степень патогенов, таких как бактерии или вирусы, они обычно разбавляются до безвредных концентраций. Однако изменения в количестве осадков, температуре воды, ветре, стоке, отходах лодок, переполнении ливневой канализации, близости к очистным сооружениям, животным и водоплавающим птицам могут привести к притоку загрязнения воды. Воздействие этих загрязняющих веществ может вызвать у пловцов множество заболеваний, включая респираторные и желудочно-кишечные заболевания, а также кожные, глазные и ушные инфекции.

Защита прибрежных вод и людей, которые ими пользуются, по-прежнему имеет важное значение для большей части Калифорнийского побережья протяженностью 840 миль. Более 150 миллионов человек ежегодно плавают, занимаются серфингом, ныряют и играют на одном из 450 пляжей штата, принося более 10 миллиардов долларов дохода. По данным Управления по контролю за водными ресурсами штата Калифорния, медицинские учреждения в 17 округах, государственные очистные сооружения, экологические группы и несколько групп граждан-ученых проводят отбор проб воды по всему штату. Однако не все воды регулярно проверяются из-за проблем доступности, нехватки бюджетных ресурсов или сезона, несмотря на их использование общественностью.

Еще одно препятствие на пути охраны здоровья населения заключается в запаздывании времени между отбором проб и получением результатов—до двух дней-что вынуждает руководителей пляжей принимать решения, отражающие прошлые условия качества воды. Когда контролируемые воды содержат высокий уровень бактерий и представляют опасность для здоровья, пляжные менеджеры вывешивают предупреждающие знаки или закрывают пляжи. Задержка в современных методах тестирования может неосознанно подвергнуть пловцов воздействию нездоровых вод.

Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи объединили отбор проб воды и экологические данные с методами машинного обучения для точного прогнозирования качества воды. Хотя прогнозные модели качества воды не новы, для их разработки обычно требуются исторические данные, охватывающие несколько лет.

Команда использовала пробы воды, собранные с 10-минутными интервалами в течение относительно короткого периода времени от одного до двух дней на пляжах Санта-Крус, Монтерей и Хантингтон-Бич. Среди этих трех участков 244 пробы были измерены на содержание фибрилляции предсердий и помечены как превышающие или ниже допустимого уровня, считающегося безопасным государством. Затем исследователи собрали метеорологические данные, такие как температура воздуха, солнечная радиация и скорость ветра, а также океанографические данные, включая уровень прилива, высоту волн и температуру воды (все факторы, влияющие на концентрацию фибрилляции предсердий) за тот же период времени.

Используя высокочастотные данные о качестве воды и методы машинного обучения, они обучили компьютерные модели точному прогнозированию концентрации фибробластов на всех трех пляжах. Исследователи обнаружили, что ежечасный отбор проб воды в течение 24 часов подряд—захват всего приливного и солнечного цикла—оказался достаточным для получения надежных результатов. Подача рамочных метеорологических и приливных данных из более длительных периодов времени привела к будущим прогнозам качества воды, которые были надежны, по крайней мере, в течение всего сезона.

"Эти результаты действительно расширяют возможности общин, которые хотят знать, что происходит с качеством воды на их пляже", - сказал Сирси. "Имея некоторые ресурсы для начала работы и день отбора проб, эти сообщества могли бы собрать данные, необходимые для запуска своих собственных систем моделирования качества воды."

Рамочный кодекс, который является общедоступным, также может быть разработан для точного прогнозирования других загрязняющих веществ, таких как вредные водоросли, металлы и питательные вещества, которые, как известно, наносят ущерб местным водам. Исследователи отмечают, что требуется больше анализа, чтобы лучше определить точные временные рамки, в течение которых эти модели остаются точными, и отмечают, что постоянная оценка и переподготовка моделей остается лучшей практикой для точных прогнозов.

ИСТОЧНИК