Phương pháp mới dự báo chất lượng nước biển

Phương pháp này được thử nghiệm ở California, có thể được sử dụng để theo dõi các khu vực ven biển không có sự giám sát, nhằm bảo vệ sức khỏe cho du khách và người dân nơi đây và phát triển nền kinh tế biển. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Environmental Science & Technology.

"Công trình nghiên cứu này kết hợp kiến thức về vi sinh học, các quá trình ven biển và khoa học dữ liệu để tạo ra một công cụ quản lý hiệu quả một trong những nguồn tài nguyên quý giá nhất và bảo vệ sức khỏe con người", Alexandria Boehm, giáo sư kỹ thuật dân dụng và môi trường và là đồng tác giả nghiên cứu nói.

Đo nồng độ vi khuẩn chỉ thị trong phân (FIB) thể hiện sự hiện diện của chất trong phân dẫn đến tình trạng nước không an toàn tại các bãi biển. Dù nước biển chứa một số mầm bệnh như vi khuẩn hoặc virus, nhưng thường được pha loãng đến nồng độ vô hại.

Tuy nhiên, thay đổi về lượng mưa, nhiệt độ nước, gió, dòng chảy, chất thải tàu thuyền, tràn cống thoát nước mưa gần nhà máy xử lý chất thải có thể gây ô nhiễm nguồn nước. Tiếp xúc với các chất ô nhiễm sẽ gây nhiều bệnh như bệnh đường hô hấp và đường tiêu hóa, cùng với các bệnh nhiễm trùng da, mắt và tai cho du khách.

Hơn 150 triệu người bơi, lướt sóng, lặn và vui chơi tại một trong 450 bãi biển của bang California hàng năm, tạo ra doanh thu hơn 10 tỷ USD. Theo Ban Kiểm soát tài nguyên nước California, các cơ quan y tế tại 17 quận, các nhà máy xử lý nước thải thuộc sở hữu công, các nhóm môi trường và một số nhóm khoa học công dân thực hiện lấy mẫu nước trên toàn bang.

Tuy nhiên, không phải tất cả các thủy vực đều được kiểm tra thường xuyên do khả năng tiếp cận và nguồn ngân sách hạn chế. Khi các vùng nước được giám sát chứa hàm lượng vi khuẩn cao và gây nguy hiểm cho sức khỏe, các nhà quản lý bãi biển sẽ treo biển cảnh báo hoặc đóng cửa các bãi biển. Sự chậm trễ của các phương pháp thử nghiệm hiện tại có thể vô tình gây ảnh hưởng đến sức khỏe của du khách.

Để khắc phục hạn chế này, các nhà nghiên cứu đã kết hợp lấy mẫu nước và dữ liệu môi trường với các phương pháp máy học để dự báo chính xác chất lượng nước. Mặc dù các mô hình dự báo về chất lượng nước không phải là mới, nhưng thường cần sử dụng dữ liệu vài năm trở lại đây.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các mẫu nước được thu thập cứ 10 phút 1 lần trong khoảng thời gian tương đối ngắn từ một đến hai ngày tại các bãi biển ở Santa Cruz, Monterey và Huntington Beach. Trong số ba địa điểm, 244 mẫu được đo nồng độ FIB và được đánh dấu là trên hoặc dưới mức chấp nhận được mà tiểu bang cho là an toàn.

Sau đó, các nhà nghiên cứu thu thập dữ liệu khí tượng như nhiệt độ không khí, bức xạ mặt trời và tốc độ gió cùng với dữ liệu hải dương học bao gồm mực nước thủy triều, độ cao của sóng và nhiệt độ nước (tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ FIB) trong cùng một khung thời gian.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu chất lượng nước tần số cao và phương pháp học máy để đào tạo cho các mô hình máy tính khả năng dự báo chính xác nồng độ FIB ở cả ba bãi biển. Các nhà nghiên cứu nhận thấy việc lấy mẫu nước hàng giờ trong 24 giờ liên tục - ghi lại toàn bộ chu kỳ thủy triều và mặt trời - đủ để cho kết quả đáng tin cậy. Việc cung cấp dữ liệu khí tượng và thủy triều trong khung thời gian dài hơn sẽ đưa ra dự báo chất lượng nước đáng tin cậy trong ít nhất một mùa.

Mã khung cũng có thể được phát triển để dự đoán chính xác các chất gây ô nhiễm khác như tảo có hại, kim loại và dưỡng chất được biết đến tàn phá vùng biển địa phương. Các nhà nghiên cứu cho rằng cần phải phân tích sâu hơn để xác định khung thời gian mà các mô hình này vẫn chính xác và lưu ý rằng việc liên tục đánh giá và đào tạo lại các mô hình vẫn là cách tốt nhất để cung cấp những dự báo chính xác.