Aprendizaje automático para analizar la salinidad y alcalinidad de los ríos

“Para que nuestros ríos lleguen sanos al mar”

El Recurso Hídrico y la Contaminación

Mills River, Pisgah National Forest, Carolina del Norte. (Imagen: Syracus University)

Investigadores de la Universidad de Siracusa y de Texas A&M utilizan modelos informáticos para averiguar las fuentes de salinización y alcalinización de las cuencas hidrográficas estadounidenses.

Desde proteger la biodiversidad hasta garantizar la seguridad del agua potable, la composición bioquímica de los ríos y arroyos de Estados Unidos es fundamental para el bienestar humano y medioambiental. Los estudios han revelado que la actividad humana y la urbanización están provocando la salinización (aumento del contenido de sal) de las fuentes de agua dulce de todo el país. En exceso, la salinidad puede hacer que el agua no sea potable, aumentar el coste del tratamiento del agua y perjudicar a los peces de agua dulce y a la fauna silvestre.

Junto con el aumento de la salinidad, se ha producido también un aumento de la alcalinidad a lo largo del tiempo, e investigaciones anteriores sugieren que la salinización puede potenciar la alcalinización. Pero a diferencia del exceso de salinidad, la alcalinización puede tener un impacto positivo en el medio ambiente debido a su capacidad para neutralizar la acidez del agua y absorber el dióxido de carbono de la atmósfera terrestre, un componente clave para combatir el cambio climático. Por tanto, comprender los procesos que afectan a la salinidad y la alcalinidad tiene importantes implicaciones a nivel medioambiental y sanitario.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Siracusa y la Universidad A&M de Texas ha aplicado un modelo de aprendizaje automático para explorar dónde y en qué medida están contribuyendo las actividades humanas a los cambios hidrogeoquímicos, como el aumento de la salinidad y la alcalinidad en los ríos de Estados Unidos.

El grupo utilizó datos de 226 puntos de seguimiento en ríos de EE.UU. y construyó dos modelos de aprendizaje automático para predecir los niveles mensuales de salinidad y alcalinidad en cada punto. Se seleccionaron estos lugares porque se habían registrado mediciones continuas de la calidad del agua durante al menos 30 años. Desde entornos urbanos a rurales, el modelo exploró una amplia gama de cuencas hidrográficas. Evaluó 32 factores de la cuenca, como la hidrología, el clima, la geología, la química del suelo, el uso y la ocupación del suelo, para determinar los factores que contribuyen al aumento de la salinidad y la alcalinidad. Los modelos del equipo determinaron que las actividades humanas son las que más contribuyen a la salinidad de los ríos estadounidenses, mientras que el aumento de la alcalinidad se atribuyó más a los procesos naturales que a las actividades humanas. Los resultados se han publicado en la revista Science of the Total Environment.

¿Qué impulsa la salinización y la alcalinización?

Los resultados del modelo de predicción de sodio del grupo, que detectó actividades humanas como la aplicación de sal en las carreteras como principales contribuciones a la salinidad de los ríos estadounidenses, coincidían con estudios anteriores. En concreto, este modelo reveló que la densidad de población y el porcentaje de superficie impermeable (superficies artificiales como carreteras) son los dos factores que más contribuyen al aumento del contenido de sal en los ríos estadounidenses.

Por otra parte, el modelo identificó los procesos naturales como los que contribuyen predominantemente a la variación de la alcalinidad de los ríos, en contraste con investigaciones anteriores que identificaron las actividades humanas como el principal contribuyente a la alcalinización (Kaushal et al., 2018). Descubrieron que las condiciones climáticas e hidrogeológicas locales, como la escorrentía, los sedimentos, el pH del suelo y la humedad, eran las características que más afectaban a la alcalinidad de los ríos.

Las implicaciones para el ciclo del carbono

Sus hallazgos tienen importantes implicaciones medioambientales y climáticas, ya que la alcalinidad de los ríos constituye un eslabón vital del ciclo del carbono. Consideremos el movimiento del carbono durante una tormenta. Cuando llueve, el dióxido de carbono de la atmósfera se combina con el agua para formar ácido carbónico. Cuando el ácido carbónico llega al suelo y entra en contacto con determinadas rocas, desencadena una reacción química que extrae dióxido de carbono gaseoso de la atmósfera y lo transporta al océano a través de sistemas acuáticos terrestres como lagos y ríos. Conocido como meteorización de las rocas, este proceso natural erosiona continuamente las rocas y secuestra el CO₂ atmosférico durante millones de años. También es un regulador clave de los gases de efecto invernadero que contribuyen al calentamiento global.

"La meteorización de las rocas es la principal fuente de alcalinidad de las aguas naturales y una de las principales formas de reducir el dióxido de carbono en el aire", explica Wen. Cuando hay demasiado dióxido de carbono en la atmósfera, las temperaturas aumentan, lo que favorece la meteorización de las rocas. Al disolverse más roca en las cuencas hidrográficas, la alcalinidad aumenta y, a su vez, reduce el dióxido de carbono.

"La alcalinidad es un componente esencial del ciclo del carbono", explica Wen. "Aunque hemos descubierto que los procesos naturales son los principales impulsores de la alcalinización, el ser humano puede modificar estos factores naturales. Podemos alterar el nivel de alcalinidad de los ríos modificando los parámetros naturales, por lo que necesitamos invertir más para restaurar las condiciones naturales de las cuencas hidrográficas y abordar el calentamiento global y los cambios climáticos para hacer frente a la alcalinización en los ríos de EE.UU.".

Los resultados del estudio del equipo pueden servir de base para futuras investigaciones sobre la posibilidad de acelerar la meteorización de las rocas, que se trituran y esparcen por los campos. Al distribuir el polvo de roca por grandes áreas, aumenta la cantidad de contacto entre la lluvia y la roca, lo que mejora la eliminación de carbono de la atmósfera. Wen afirma que el modelo del equipo puede ayudar a responder preguntas sobre la evolución de las condiciones naturales en distintas regiones, un paso importante necesario para aplicar la meteorización acelerada de las rocas de forma más eficaz.

Fuente:

Julio, 2023