Zuweisung von Quellen chemischer Stoffe von neuem Interesse entlang eines städtischen Flusses mit inverser Modellierung

Die Konzentrationen von Chemikalien im Flusswasser liefern entscheidende Informationen zur Bewertung der Umweltbelastung und Risiken durch Düngemittel, Pestizide, Schwermetalle, illegale Drogen, Pathogene, Arzneimittel, Kunststoffe und perfluorierte Substanzen, unter anderem. Die Verwendung von entlang von Gewässern (z.B. aus Grabproben) gemessenen Konzentrationen zur Identifizierung von Quellen von Schadstoffen und zum Verständnis ihres Schicksals wird jedoch durch die Mischung von Chemikalien stromabwärts aus verschiedenen diffusen und punktuellen Quellen (z.B. landwirtschaftlicher Abfluss, Kläranlagen) kompliziert. Um diese Herausforderung anzugehen, wird ein neuartiger Ansatz zur inversen Modellierung vorgestellt. Unter Verwendung der Topologie des Gewässernetzes quantifiziert er Standorte und Konzentrationen von Schadstoffquellen stromaufwärts, indem er die in Wasserproben gemessenen Konzentrationen umkehrt. Er ist rechenintensiv effizient und quantifiziert Unsicherheiten. Der Ansatz wird für 13 Chemikalien von neuem Interesse (CECs) in einem städtischen Bach, dem R. Wandle (London, UK), demonstriert. Es wurde angenommen, dass die Mischung (das Vorwärtsproblem) konservativ ist, und der Standort von Quellen sowie deren Konzentrationen wurden als Unbekannte behandelt, die identifiziert werden sollten. Berechnete CEC-Quellkonzentrationen, die von unterhalb der Nachweisgrenze (einige ng/L) bis zu 1 μg/L reichten, wurden verwendet, um Konzentrationen von Chemikalien stromabwärts vorherzusagen. Mit diesem Ansatz wurden >90 % der Daten innerhalb der Beobachtungsunsicherheit vorhergesagt. Die Hauptkomponentenanalyse der berechneten Quellkonzentrationen zeigte Signaturen von zwei unterschiedlichen chemischen Quellen. Erstens wurden Arzneimittel und Insektizide mit einem Teilgebiet in Verbindung gebracht, das eine bekannte Punktquelle von behandeltem Abwasser aus einer Kläranlage enthielt. Zweitens wurden illegale Drogen und Salicylsäure mit mehreren Quellen in Verbindung gebracht, die als Zufluss aus unbehandeltem Abwasser, einschließlich gemischter Abwasserüberläufe (CSOs), Fehlanschlüssen, Abfluss und direkter Entsorgung im gesamten Einzugsgebiet interpretiert wurden. Schließlich wurde ein einfacher algorithmischer Ansatz entwickelt, der die Netzwerk-Topologie einbezieht, um Probenahmekampagnen zu entwerfen, die die Auflösung der Quellenzuweisung verbessern. Die inverse Modellierung von Schadstoffmessungen kann objektive Mittel zur Zuweisung von Quellen in Gewässern aus punktuellen Proben in großen Maßstäben bieten.