Παρακολούθηση της ποιότητας του νερού από το διάστημα:Διερεύνηση της συγκέντρωσης ιζημάτων στο Green Bay, WI

Οι Μεγάλες Λίμνες αποτελούν σημαντικό πόρο για τον πληθυσμό που ζει στις ΗΠΑ και τον Καναδά. Παρέχουν πόσιμο νερό και τροφοδοτούν τις γεωργικές εκτάσεις. Ωστόσο, η φόρτωση θρεπτικών ουσιών στις Μεγάλες Λίμνες έχει δημιουργήσει πολλά προβλήματα, όπως, ενδεικτικά, η άνθιση των φυκών, η υποβάθμιση της ποιότητας του νερού και τα διαταραγμένα οικοσυστήματα.

Οι Rowe et al. (2017) έχουν δείξει ότι τα θρεπτικά συστατικά έχουν αυξήσει την παραγωγικότητα της λίμνης Μίσιγκαν. Ωστόσο, τα επεμβατικά μύδια quagga έχουν αλλάξει τα χωρικά και χρονικά πρότυπα παραγωγικότητας στη λίμνη. Αυτό έχει αλλάξει σημαντικά τη συγκέντρωση χλωροφύλλης-α στη λίμνη. Έχει παρατηρηθεί ακανόνιστη ανάπτυξη φυκιών στις λίμνες Erie, Michigan και Ontario (Auer et al., 2010; Higgins et al., 2008; Tomlinson et al., 2010). Η άνθιση των φυκιών είναι μια άλλη συνέπεια των υπερβολικών θρεπτικών ουσιών στη λίμνη. Η βιομάζα Cladophora έχει αυξηθεί σημαντικά στην παράκτια ζώνη της λίμνης Μίσιγκαν λόγω της αυξανόμενης συγκέντρωσης φωσφόρου υποβάθρου στη λίμνη που προέρχεται από τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (Bravo et al., 2017; Khazaei et al., 2017).

Ένα πολύ σημαντικό παράδειγμα περιβαλλοντικών ζητημάτων στη λίμνη Μίσιγκαν είναι το Green Bay, που συνδέεται με τη δυτική όχθη της λίμνης Μίσιγκαν. Το Green Bay έχει χαρακτηριστεί ως περιοχή ανησυχίας από την Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος των ΗΠΑ και υποφέρει από προβλήματα ποιότητας του νερού λόγω της υψηλής συγκέντρωσης ιζημάτων στον κόλπο. Τα αιωρούμενα ιζήματα προκαλούν εξάντληση οξυγόνου και υποξία στον Green Bay (Klump et al., 2009) που μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την υδρόβια ζωή. Επιπλέον, η μειωμένη ποιότητα του νερού και το θολό νερό υποστηρίζεται ότι είναι το αποτέλεσμα της υψηλής συγκέντρωσης ιζημάτων στον κόλπο.

Οι αναλύσεις μας δείχνουν ότι η μεταβλητότητα των παραμέτρων ποιότητας του νερού (π.χ. χλωρίδιο, ολικός φώσφορος, ορθοφώσφορος, ολικό άζωτο Kjeldahl, αμμωνία, χλωροφύλλη-α και θολότητα) στο Green Bay και στο στόμιο του ποταμού Fox συσχετίζεται σε μεγάλο βαθμό με τη συγκέντρωση ιζήματος.

Ο Fox River είναι ο μεγαλύτερος ποταμός που ρέει στον Green Bay και είναι γνωστό ότι είναι η κύρια πηγή ιζημάτων/ρύπων στον κόλπο. Έχει μήκος περίπου 320 Km και αποστραγγίζει μια περιοχή 16.651 km. Μεταφέρει ιζήματα από τη λίμνη Winnebago, στο Ουισκόνσιν, και άλλους χερσαίους ρύπους που ενώνονται με τον ποταμό στη μέση του προς το νότιο Green Bay. Λόγω των εταιρειών παραγωγής χαρτιού στην περιοχή, μεγάλες συγκεντρώσεις πολυχλωριωμένων διφαινυλίων (PCB) μπορούν να βρεθούν στις εκβολές του ποταμού Fox (Manchester-Neesvig et al., 1996).

Τα κύματα και τα ρεύματα που προκαλούνται από τον άνεμο στη λίμνη Μίσιγκαν – συμπεριλαμβανομένου του Green Bay – αναλαμβάνουν τη μεγαλύτερη ευθύνη της ανάμειξης (Mortimer 1988, Eadie et al. 1996). Ωστόσο, το Green Bay έχει μικρό βάθος νερού και χαμηλούς ρυθμούς ανάμειξης (Hamidi et al., 2015), που δεν αφήνουν το ίζημα να μεταφερθεί στη λίμνη Μίσιγκαν, γεγονός που έκανε το Green Bay μια αποτελεσματική παγίδα ιζημάτων.

Αυτά τα γεγονότα που αναφέρονται παραπάνω έχουν ξεκινήσει προσπάθειες για την παρακολούθηση της ποιότητας του νερού και της συγκέντρωσης ιζημάτων στο θολό νέφος του Lower Green Bay και του Fox River. Αυτές οι προσπάθειες περιλαμβάνουν παρακολούθηση αρχείων και παρατηρήσεις σε συνδυασμό με μοντελοποίηση και υπολογιστική ανάλυση. Το NEW Water of Green Bay ξεκίνησε το Πρόγραμμα Aquatic Monitoring στα μέσα της δεκαετίας του 1980. Το NEW Water λαμβάνει δείγματα νερού σε 34 σταθμούς που βρίσκονται κατά μήκος του ποταμού Fox, του East River και του Lower Green Bay. Έχουν αναλύσει τα δείγματα και μετρούν TSS από το 1991. Μετρούν και άλλες παραμέτρους ποιότητας του νερού σε αυτόν τον τομέα, π.χ. χλώριο, ολικός φώσφορος, αμμωνία, χλωροφύλλη-α, θολότητα, κ.λπ.

Υπήρξαν έντονες ερευνητικές και υπολογιστικές προσπάθειες από τη δεκαετία του 1980 για την παρακολούθηση της ποιότητας του νερού στο Green Bay και την ανάπτυξη σχεδίων αποκατάστασης. Επιπλέον, υπάρχουν καθημερινές μετρήσεις θολότητας από το 2011 στις εκβολές του ποταμού Fox River από το Αμερικανικό Γεωλογικό Survey. Σε μια συνεχιζόμενη μελέτη, αναπτύσσουμε ένα μοντέλο που μπορεί να μετατρέψει χρονοσειρές θολότητας σε συνεχείς ημερήσιες εκτιμήσεις TSS (Khazaei et al., 2018). Αυτό μπορεί να βοηθήσει να καταλάβουμε τις επιπτώσεις των φορτώσεων του Fox River στην ποιότητα του νερού του Green Bay. Οι αναλύσεις μας δείχνουν ότι ο Fox River απορρίπτει κατά μέσο όρο 300 τόνους ιζημάτων την ημέρα στο Green Bay.

Προφανώς, τα ιζήματα που αιωρούνται στα επιφανειακά ύδατα μπορούν να ανιχνευθούν από δορυφόρους σε τροχιά γύρω από τη γη. Το σχήμα 1. αντιπροσωπεύει δορυφορικές εικόνες του Lower Green Bay. Όπως φαίνεται, το χρώμα του νερού φαίνεται διαφορετικό σε διαφορετικές τοποθεσίες του κόλπου. Τα φωτεινότερα χρώματα στο νότιο τμήμα του κόλπου, όπου βρίσκεται η εκβολή του ποταμού Fox, οφείλονται στην ύπαρξη ιζημάτων.

Hamidi et al. (2017a; 2017b) χρησιμοποίησε αυτό το χαρακτηριστικό των ιζημάτων για να αναπτύξει ένα εργαλείο παρακολούθησης που μπορεί να εκτιμήσει το TSS και τη θολότητα με βάση δεδομένα διαστημικών εικόνων με συσχετίσεις άνω του 80%. Χρησιμοποιώντας εμπειρικές συναρτήσεις, η επιφανειακή ανάκλαση των δεδομένων δορυφορικών εικόνων που αποκτήθηκαν από το Φασματοραδιόμετρο Απεικόνισης Μέτριας Ανάλυσης (MODIS) της NASA αποδόθηκε στις παρατηρήσεις του NEW Water για το TSS και τη θολότητα στην επιφάνεια της λίμνης. Το προτεινόμενο μοντέλο μπορεί να επεκταθεί για να παρέχει επίσης εκτιμήσεις για τη χλωροφύλλη-a, καθώς αυτή είναι μια οπτικά ενεργή μεταβλητή και μπορεί να ανιχνευθεί από δορυφόρους.

Αυτό το μοντέλο έχει παράσχει ένα υπολογιστικό εργαλείο για την παρακολούθηση μοτίβων μεταβλητότητας TSS σε χρόνο και χώρο χωρίς να χρειάζεται να περάσετε από όλες τις προηγούμενες προσπάθειες δειγματοληψίας και μέτρησης. Δεδομένων των παραπάνω και του αυξανόμενου πληθυσμού των δορυφόρων στην τροχιά της Γης, τα δεδομένα τηλεπισκόπησης γίνονται όλο και πιο διαθέσιμα μέρα με τη μέρα. Η προσέγγιση αυτής της μελέτης, που παρουσιάζεται εδώ, μπορεί να επεκταθεί και σε άλλες πτυχές της μοντελοποίησης της ποιότητας του νερού.

Μοντέλα παρόμοιας ουσίας μπορούν να βοηθήσουν προγράμματα περιβαλλοντικής αξιολόγησης παρέχοντας εκτιμήσεις των παραμέτρων ποιότητας του νερού σε μεγάλες γεωγραφικές κλίμακες. Εκτός από τις περιπτώσεις που τα δεδομένα εικόνων είναι μολυσμένα με σύννεφα, τα δεδομένα MODIS είναι διαθέσιμα σε καθημερινές χρονικές αναλύσεις, επομένως μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση των επιθυμητών μεταβλητών όταν υπάρχει κενό στις παρατηρήσεις. Επιπλέον, μερικές φορές οι επιστήμονες ενδιαφέρονται για ένα γεγονός στο παρελθόν και δεν υπάρχουν διαθέσιμα δεδομένα παρατήρησης για αυτό το γεγονός. Σε αυτήν την περίπτωση, τα δορυφορικά δεδομένα, εάν είναι διαθέσιμα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μοντελοποίηση αυτού του συμβάντος.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης MODIS για χαρτογράφηση της χωροχρονικής μεταβλητότητας της ποιότητας του νερού και του θολού ποταμού, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of Coastal Conservation . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Sajad Ahmad Hamidi από το Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα της Πενσυλβάνια, τον Hossein Hosseiny από το Πανεπιστήμιο Villanova, τη Nima Ekhtari από το Πανεπιστήμιο του Χιούστον και τον Bahram Khazaei από το Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Milwaukee.

Αναφορές:

1. 1. Auer, M.T., Tomlinson, L.M., Higgins, S.N., Malkin, S.Y., Howell, E.T. and Bootsma, H.A. 2010. Μεγάλες λίμνες Cladophora στον 21ο αιώνα:ίδια φύκια—διαφορετικό οικοσύστημα. J Great Lakes Res, 36:248–255.
   2. Bravo, H.R., Bootsma, H.A. και Khazaei, B. 2017. Μοντελοποίηση της μεταφοράς και της τύχης του φωσφόρου από μια σημειακή πηγή στη ζώνη της λίμνης Μίσιγκαν κοντά στην όχθη. Πρακτικά του 37ου Παγκόσμιου Συνεδρίου της IAHR, Κουάλα Λουμπούρ, Μαλαισία, 13-18 Αυγούστου
   3. Eadie, B.J., Schwab, D.J., Leshkevich, G.A., Johengen, T.H., Assel, R.A., Hawley, N., Holland, R.E., Lansing, M.B., Lavrentyev, P., Miller, G.S., Morehead, N.R, , J.A., and Van Hoof, P.L. 1996. Επαναλαμβανόμενο παράκτιο λοφίο στη νότια λίμνη Μίσιγκαν. ΕΟΣ, Μτφρ. Amer. Geophys. Ένωση, 77:337–338.
   4. Higgins, S.N., Malkin, S.Y., Howell, E.T., Guildford, S.J., Campbell, L., Hiriart-Baer, ​​V., Hecky, R.E. 2008. Μια οικολογική ανασκόπηση του Cladophora glomerata (Chlorophyta) στις Μεγάλες Λίμνες του Λαυρεντίου. J Phycol, 44:839–854.
   5. Hamidi S.A., Bravo, H.R., Klump, J.V. and Waples, J.T. 2015. Ο ρόλος της κυκλοφορίας και των ροών θερμότητας στον σχηματισμό στρωματοποίησης που οδηγεί σε υποξία στο Green Bay, Lake Michigan. J Great Lakes Res 41(4):1024–1036.
   6. Hamidi, S.A., Hosseiny, H., Ekhtari, N. and Khazaei, B. 2017. Χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης MODIS για χαρτογράφηση της χωροχρονικής μεταβλητότητας της ποιότητας του νερού και του θολού ποταμού. J. Coast. Conserv, 21:939–950.
   7. Hamidi, S.A., Hosseiny, H., Ekhtari, N. and Khazaei, B. 2017. A Satellite Imagery Approach to Monitor Turbidity and Total Suspended Sediments in Green Bay, WI. Περίληψη [GC23B-1066] που παρουσιάστηκε στο Fall Meeting του 2017, AGU, Νέα Ορλεάνη, LA, 11-15 Δεκεμβρίου
   8. Khazaei, B., Bravo, H.R. and Bootsma, H.A. 2017. Χρησιμοποιώντας ένα υδροδυναμικό και βιογεωχημικό μοντέλο για τη διερεύνηση των επιπτώσεων της φόρτωσης θρεπτικών ουσιών από μια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων στη λίμνη Μίσιγκαν. Περίληψη [B43B-2123] που παρουσιάστηκε στο Fall Meeting 2017, AGU, Νέα Ορλεάνη, LA, 11-15 Δεκεμβρίου
   9. Khazaei, B., Nabizadeh, A. and Hamidi, S.A. 2018. An Empirical Approach to Estimate Total Suspended Sediment using Observational Data in Fox River and Southern Green Bay, WI. World Environmental and Water Resources Congress 2018. Protecting and Securing Water and the Environment for Future Generations. ASCE.
   10. Klump, J.V., Fitzgerald, S.A. και Waples J.T. 2009. Βενθικός βιογεωχημικός κύκλος, στοιχειομετρία θρεπτικών ουσιών και ισορροπίες μάζας άνθρακα και αζώτου σε έναν ευτροφικό κόλπο γλυκού νερού. Limnol Oceanogr, 54(3):692–712.
   11. Klump, J.V., Edgington, D.N., Sager, P.E., and Robertson, D.M. 1997. Κύκλος ιζηματογενούς φωσφόρου και ισορροπία μάζας φωσφόρου για το οικοσύστημα του Green Bay (LakeMichigan). Can J Fish Aquat Sci, 54(1):10–26.
   12. Manchester-Neesvig, J.B., Andren, A.W. and Edgington, D.N. 1996. Μοτίβα μαζικής καθίζησης και εναπόθεσης ιζήματος μολυσμένου από PCB στο Green Bay. J Great Lakes Res, 22(2):444–462.
   13. Mortimer, C.H. 1988. Ανακαλύψεις και ελεγχόμενες υποθέσεις που προκύπτουν από εικόνες με έγχρωμο σαρωτή παράκτιας ζώνης της νότιας λίμνης Μίσιγκαν. Limnol Oceanogr, 33:203–266.
   14. Rowe, M.D., Anderson, E.J., Vanderploeg, H.A., Pothoven, S.A., Elgin, A.K., Wang, J. and Yousef, F. 2017. Επίδραση διεισδυτικών μυδιών quagga, φορτίων φωσφόρου και κλίματος σε χωρικά και χρονικά μοτίβα της παραγωγικότητας στη λίμνη Μίσιγκαν:Μια μελέτη βιοφυσικής μοντελοποίησης. Limnol Oceanogr, 62:2629–2649.
   15. Tomlinson, L.M., Auer, M.T., Bootsma, H.A. και Owens, E.M. 2010. The Great Lakes Cladophora Model:Development, testing, and application to Lake Michigan. J Great Lakes Res, 36:287–297.