Minder dan twee dagen waterkwaliteitsbemonstering op plaatselijke stranden is misschien alles wat nodig is om de ziekte onder miljoenen strandgangers elk jaar te verminderen als gevolg van besmet water. volgens nieuw Stanford-onderzoek. De studie, gepubliceerd in Milieuwetenschap en -technologie , presenteert een modelleringskader dat op betrouwbare wijze de waterkwaliteit op stranden voorspelt na slechts een dag of twee van frequente waterbemonstering. De aanpak, getest in Californië, kan worden gebruikt om de kustgebieden in de gaten te houden die anders niet worden gecontroleerd, die de sleutel is tot het beschermen van het welzijn van strandgangers en bloeiende oceaaneconomieën wereldwijd.

"Dit werk combineert kennis van microbiologie, kustprocessen en datawetenschap om een ​​instrument te produceren om een ​​van onze meest waardevolle hulpbronnen effectief te beheren en de menselijke gezondheid te beschermen, " zei senior auteur Alexandria Boehm, een Stanford-hoogleraar civiele en milieutechniek.

Het meten van concentraties van fecale indicatorbacteriën (FIB) - die duiden op de aanwezigheid van fecale stoffen en kunnen leiden tot onveilige wateromstandigheden - op stranden zorgt voor de gezondheid en veiligheid van het publiek. Hoewel al het oceaanwater tot op zekere hoogte ziekteverwekkers bevat, zoals bacteriën of virussen, ze zijn meestal verdund tot onschadelijke concentraties. Echter, veranderingen in regen, water temperatuur, wind, afvoer, vaarafval, storm riool overloop, nabijheid van afvalverwerkingsinstallaties, dieren en watervogels kunnen leiden tot een instroom van waterverontreiniging. Blootstelling aan deze verontreinigingen kan veel kwalen veroorzaken, waaronder aandoeningen van de luchtwegen en gastro-intestinale aandoeningen, samen met de huid, oog- en oorinfecties voor zwemmers.

Het beschermen van kustwateren en de mensen die ze gebruiken, blijft essentieel voor een groot deel van de 840 mijl lange kustlijn van Californië. Meer dan 150 miljoen mensen zwemmen, surfen, duik en speel jaarlijks op een van de 450 stranden van de staat, meer dan $ 10 miljard aan inkomsten genereren. Volgens de California State Water Resources Control Board, gezondheidsinstanties in 17 provincies, openbare rioolwaterzuiveringsinstallaties, milieugroepen en verschillende burgerwetenschappelijke groepen voeren watermonsters uit in de hele staat. Echter, niet alle wateren worden routinematig gecontroleerd vanwege toegankelijkheidsproblemen, budgetrestricties of het seizoen, ondanks het gebruik ervan door het publiek.

Een ander obstakel voor het beschermen van de volksgezondheid is de vertraging tussen de bemonstering en de resultaten - tot twee dagen - waardoor strandbeheerders beslissingen nemen die de waterkwaliteit in het verleden weerspiegelen. Wanneer gecontroleerde wateren veel bacteriën bevatten en een gezondheidsrisico vormen, strandbeheerders plaatsen waarschuwingsborden of sluiten stranden. De vertraging in de huidige testmethoden kan zwemmers onbewust blootstellen aan ongezond water.

Om deze beperkingen te overwinnen, de onderzoekers combineerden waterbemonstering en milieugegevens met machinale leermethoden om de waterkwaliteit nauwkeurig te voorspellen. Hoewel voorspellende waterkwaliteitsmodellen niet nieuw zijn, ze hebben over het algemeen historische gegevens van meerdere jaren nodig gehad om te worden ontwikkeld.

Het team gebruikte watermonsters die werden verzameld met tussenpozen van 10 minuten gedurende een relatief korte periode van één tot twee dagen op stranden in Santa Cruz, Monterey en Huntington Beach. Van de drie locaties, 244 monsters werden gemeten op FIB-concentraties en gemarkeerd als boven of onder het acceptabele niveau dat door de staat als veilig wordt beschouwd. De onderzoekers verzamelden vervolgens meteorologische gegevens zoals luchttemperatuur, zonnestraling en windsnelheid samen met oceanografische gegevens inclusief getijdenniveau, golfhoogten en watertemperatuur (alle factoren die FIB-concentraties beïnvloeden) over hetzelfde tijdsbestek.

Met behulp van de hoogfrequente waterkwaliteitsgegevens en machine learning-methoden, ze trainden computermodellen om FIB-concentraties op alle drie de stranden nauwkeurig te voorspellen. De onderzoekers ontdekten dat waterbemonstering per uur gedurende 24 uur achter elkaar - waarbij een volledige getijden- en zonnecyclus werd vastgelegd - voldoende bleek voor betrouwbare resultaten. Het voeden van het raamwerk met meteorologische en getijdengegevens van langere tijdsperioden resulteerde in toekomstige waterkwaliteitsvoorspellingen die ten minste een heel seizoen betrouwbaar waren.

"Deze resultaten zijn echt empowerment voor gemeenschappen die willen weten wat er aan de hand is met de waterkwaliteit op hun strand, "Zei Searcy. "Met wat middelen om te beginnen en een dagje proeven, deze gemeenschappen zouden de gegevens kunnen verzamelen die nodig zijn om hun eigen waterkwaliteitsmodelleringssystemen te starten."

De kadercode, die voor het publiek toegankelijk is, zou ook kunnen worden ontwikkeld voor nauwkeurige voorspellingen van andere verontreinigingen zoals schadelijke algen, metalen en voedingsstoffen waarvan bekend is dat ze schade aanrichten aan lokale wateren. De onderzoekers wijzen erop dat er meer analyse nodig is om het exacte tijdsbestek te bepalen waarin deze modellen nauwkeurig blijven en merken op dat het voortdurend beoordelen en bijscholen van de modellen een best practice blijft voor nauwkeurige voorspellingen.