Hoe voorspelt men de waterkwaliteit op stranden? Een overzicht van voorspellingsmodellen en technieken in het beheer van zwemwaterkwaliteit

De voorspelling van de waterkwaliteit op stranden is een complex proces dat afhankelijk is van verschillende factoren, waaronder windsnelheden en -richting, getijdencondities (voor kustlocaties), golfhoogten, seizoen, watertemperaturen en het aantal droge dagen sinds de laatste regenval. Wanneer er veel variabelen in het spel zijn, worden besluitvormingsondersteunende tools, zoals besluitbomen, soms ingezet om het besluitvormingsproces te vergemakkelijken. Een voorbeeld van hoe deze benadering in de praktijk werkt, wordt geïllustreerd door de Schotse situatie.

Wanneer de bronnen van vervuiling goed begrepen en redelijk gelokaliseerd zijn, bestaat de mogelijkheid om een meer procesgerichte benadering te ontwikkelen. Zo kan bijvoorbeeld een advectie-dispersiemodel voor riviertransport en een gedistribueerd stroomgebiedmodel worden gebruikt om verontreinigingsladingen te schatten, gecombineerd met hydrodynamische modellen voor meren, reservoirs of kustwateren. In Kopenhagen, Denemarken, wordt bijvoorbeeld een driedimensionaal hydrodynamisch model gebruikt om de concentraties van Escherichia coli op verschillende strandlocaties rondom de stad te schatten. Als kritische drempelwaarden worden overschreden, worden waarschuwingen verzonden via een website, sms-berichten en smartphone-applicaties.

In Hongkong wordt in een andere toepassing een vergelijking gemaakt tussen lineaire regressie en hydrodynamische modellering voor acht stranden. In het Verenigd Koninkrijk omvatten technische mogelijkheden voor verbeteringen onder andere verbeterde ruimtelijke en temporele monitoring, beter gebruik van nu-voorspellingen en ensemble-regenvoorspellingen. Hydrodynamische modellen kunnen ook offline worden gebruikt om opzoektabellen of grafieken voor real-time gebruik af te leiden. In New York-New Jersey-Connecticut, bijvoorbeeld, werd een driedimensionaal model gebruikt om meerdere scenario’s te draaien voor 29 lozingslocaties en 53 stranden en schelpdiergebieden. De output van dit model werd vervolgens gebruikt om een snel referentietool te ontwikkelen die het mogelijk maakt om de concentraties van totale coliformen te schatten na een lozing bij een van de discharge locaties. Na enkele jaren van gebruik werd de initiële versie verbeterd om meerdere lozingslocaties voor een breder geografisch gebied te overwegen, en ook enterokokkenbacteriën en conservatieve tracers zoals metalen op te nemen.

Schotland, dat bekend staat om zijn schone wateren en mooie stranden, hanteert een systeem waarbij de Scottish Environment Protection Agency (SEPA) de waterkwaliteit op meer dan 80 aangewezen zwemlocaties gedurende het zwemseizoen monitort, van begin juni tot half september. Deze monitoring wordt gebruikt om een algehele jaarlijkse waterkwalificatie te verstrekken en gedurende het seizoen potentiële problemen te identificeren. De belangrijkste controle is op Escherichia coli en intestinale enterokokken, maar er wordt ook gecontroleerd op een scala van andere mogelijke problemen zoals cyanobacteriën, mariene fytoplankton en overtollig zeewier. Frequentere controles kunnen plaatsvinden tijdens een vervuilingsincident, terwijl sommige sites in aanmerking komen voor verminderde bemonstering door blijvende verbeteringen in waterkwaliteit.

Naast de reguliere monitoring biedt SEPA dagelijks waterkwaliteitsvoorspellingen voor 30 zwemlocaties. Deze voorspellingen worden in real-time weergegeven op elektronische variabele berichtenborden en zijn ook beschikbaar via de SEPA-website. De voorspellingen zijn gebaseerd op historische correlaties tussen bacteriële concentraties en regenval gemeten door een uitgebreid netwerk van regenmeters. Warnings worden gedefinieerd door regenval die plaatsvond in de voorgaande 1-6 dagen, samen met voorspellingen van regenval voor de huidige dag. Deze aanpak heeft tussen 2004 en 2007 een detectiekans van 80% bereikt, hoewel er veel valse alarmen waren. Variaties in de omstandigheden van het stroomgebied, getijden en het huidige opslagniveau in het rioleringsnetwerk kunnen de nauwkeurigheid beïnvloeden.

Bovendien worden radargebaseerde regenvoorspellingen steeds vaker onderzocht als alternatieven of aanvullen van regenmeterdata, omdat deze de detectie van regenval tijdens lokale convectieve regenvalgebeurtenissen kunnen verbeteren. Verder wordt onderzocht hoe de nauwkeurigheid kan worden verhoogd door gebruik te maken van regenvallen op uurlijkse basis en gemiddelde catchment-regenvallen in de regressieverhoudingen, naast informatie over getijden, zonnestraling en windsnelheid/-richting. Het gebruik van een bredere implementatie van een besluitboomaanpak kan ook bijdragen aan nauwkeurigere waterkwaliteitsvoorspellingen.

In de toekomst kunnen we een toenemende rol verwachten voor hydrodynamische modellen en geavanceerde voorspellingsmethoden bij het beheren van de waterkwaliteit op stranden. Dit zal niet alleen helpen bij het beter voorspellen van vervuiling, maar ook bij het voorkomen van gezondheidsrisico’s door vervuiling van het zwemwater, vooral in gebieden die gevoelig zijn voor regenval en andere verontreinigingsbronnen.

Hoe worden sneeuwdiepte en waterkwaliteit nauwkeurig gemeten in hydrologische studies?

Sneeuwdiepte en sneeuwwater equivalent zijn essentiële parameters in de hydrologie, met name in bergachtige gebieden waar smeltwater een cruciale rol speelt in waterbeheer en overstromingsvoorspelling. Een belangrijke methode voor het meten van deze parameters zijn metalen containers gevuld met een antivriesvloeistof, die door het verplaatsen van vloeistof reageren op het gewicht van de sneeuw die zich ophoopt. Deze techniek vormt de kern van het SNOwpack TELemetry (SNOTEL)-netwerk, beheerd door het Amerikaanse ministerie van landbouw, met meer dan 900 meetlocaties in afgelegen, hooggelegen gebieden in het westen van de Verenigde Staten. Naast sneeuwmetingen worden daar vaak ook sensoren geïnstalleerd voor bodemvocht, windsnelheid en luchttemperatuur, om een holistisch beeld van de omstandigheden te verkrijgen.

Alternatieve technologieën omvatten solid-state load-cell sensoren die nauwkeurig het gewicht van sneeuwlagen meten, en gamma-stralingsdetectoren die door de attenuatie van straling een indicatie geven van sneeuwdiepte en water equivalent. Verticaal gerichte radarsystemen zijn eveneens in gebruik om sneeuwniveaus te detecteren. Innovatieve meetmethoden zoals warmtestraling-gebaseerde neerslagmeters bieden potentie voor het meten van de neerslagsnelheid, terwijl passieve gamma- en elektromagnetische sensoren boven de sneeuwlaag veranderingen in achtergrondstraling detecteren, die correleren met sneeuwdikte. Ook kosmische straalneutronensensoren, oorspronkelijk bedoeld voor bodemvochtmetingen, kunnen gebruikt worden om sneeuwparameters af te leiden. Grondpenetrerende radarmethoden worden ingezet op vaste trajecten, vanuit de lucht of voortgetrokken door sneeuwscooters, waarbij gegevens over sneeuwdiepte, dichtheid en water equivalent worden verkregen.

Satellietwaarnemingen zijn een gevestigde methode voor het schatten van sneeuwbedekking via zichtbare en infrarode beelden, alsook passieve microgolfmetingen. Het afleiden van sneeuwdiepte en water equivalent vanuit satellietdata blijft echter complex, en is een actief onderzoeksveld. Hierbij worden technieken zoals synthetische apertuurradars en scatterometers gecombineerd met reflectantie-algoritmen om onderscheid te maken tussen natte sneeuw, bosbedekking en droge grond. Multisensorproducten integreren diverse waarnemingen om zo nauwkeurig mogelijk informatie te verschaffen.

Naast directe metingen kunnen ook waterbalans- en conceptuele modellen ingezet worden om sneeuwwater equivalent en smelt te schatten. Bij overstromingswaarschuwingen worden vaak rivierpeilmetingen stroomafwaarts van gebieden met sneeuwsmelt gebruikt als extra zekerheid, mocht het model falen. Wereldwijd worden operationele producten samengesteld uit een combinatie van grond-, lucht- en satellietwaarnemingen, ondersteund door fysisch-gebaseerde sneeuwmodellen, zoals het Snow Data Assimilation System (SNODAS) van NOAA.

De keuze uit deze verschillende meetmethoden wordt ondersteund door intercomparatie-experimenten en richtlijnen van organisaties als de WMO. Campagnes zoals NASA’s SnowEx onderzoeken verbeterde technieken voor het waarnemen van sneeuwkenmerken in uiteenlopende landschappen, met het oog op toekomstige satellietmissies.

Waterkwaliteit vormt een ander belangrijk aspect in milieu- en ecologische voorspellingen. Historisch waren waterkwaliteitsmetingen arbeidsintensief, afhankelijk van handmatige bemonstering die kortdurende verontreinigingen kon missen. Moderne automatisering en betrouwbare multiparameter sensoren maken continue monitoring mogelijk, waarbij parameters als ammonium, chlorofyl-a, geleidbaarheid, opgeloste zuurstof, nitraat, fosfaat, pH, temperatuur en troebelheid in realtime worden geregistreerd. Sommige verontreinigingen kunnen via optische eigenschappen ook op afstand worden waargenomen.

Continue monitoring omvat vaak dataloggers die gegevens via telemetrie doorsturen naar een basisstation. Demonstratieprojecten in het Verenigd Koninkrijk tonen aan dat het mogelijk is om diffuse vervuiling uit landbouwgebieden te volgen met een breed scala aan sensoren, waaronder automatische analyzers voor voedingsstoffen, turbidity probes en regengauges. Deze meetdata worden aangevuld met laboratoriumanalyses van water- en bodemmateriaal en ecologische indicatoren zoals diatomeeën.

Bij het ontwerpen van meetnetwerken is het van belang rekening te houden met het grote aantal mogelijke parameters. De VN Global Environment Monitoring System Water Programme beveelt aan om ruim zestig kernvariabelen te meten om problemen zoals organisch afval, eutrofiëring, verzilting, agrochemische vervuiling, industriële afvalstoffen en mijnbouwverontreiniging in kaart te brengen. Deze factoren beïnvloeden waterkwaliteit op mondiaal en regionaal niveau en vereisen uitgebreide monitoring om adequate voorspellingen en beheersmaatregelen mogelijk te maken.

Het inzicht in zowel de methoden als de context van sneeuw- en waterkwaliteitsmetingen stelt onderzoekers en waterbeheerders in staat om risico’s beter in te schatten en duurzaam om te gaan met waterbronnen. Daarnaast is het cruciaal te beseffen dat technologische vooruitgang gepaard gaat met toenemende datacomplexiteit, waardoor integratie van diverse databronnen en modellen noodzakelijk blijft om betrouwbare en bruikbare informatie te verkrijgen.

Hoe Innovaties in Waarschuwingssystemen de Reactie op Natuurrampen Verbeteren

In de context van natuurrampen is het essentieel dat nationale meteorologische en hydrologische diensten (NMHS's) beschikken over de juiste expertise, middelen en kennis om effectieve diensten te leveren. Dit omvat onder andere demografische gegevens, crowdsourcingtechnieken, geografische informatiesystemen (GIS), interoperabiliteit, en de integratie van gegevens van derden. Door samen te werken met diverse partners kunnen NMHS's essentiële diensten aanbieden die ze anders niet zelf kunnen realiseren. Een belangrijk aspect hiervan is de bijdrage van gemeenschappen die het meest kwetsbaar zijn voor rampen, die belangrijke informatie leveren voor het waarschuwingssysteem.

Op het gebied van humanitaire hulp hebben impact-gebaseerde voorspellingen de deur geopend voor het concept van Forecast-based Financing (FbF), zoals gedefinieerd door de International Federation of Red Cross and Red Crescent Societies (IFRC). Dit concept kan worden omschreven als een anticiperende benadering waarbij vooraf overeengekomen financiële middelen beschikbaar worden gesteld voor activiteiten die gericht zijn op het voorkomen of verminderen van de impact van een naderende ramp. In 2007 geïntroduceerd door de Rode Kruis- en Rode Halve Maanbeweging, richt FbF zich op het anticiperen op rampen zoals tropische cyclonen, met als doel de impact ervan te verminderen of te voorkomen en menselijke schade en verlies te beperken.

Het proces omvat meestal het opstellen van Early Action Protocols, waarin belangrijke belanghebbenden voorspellingdrempels afspreken waarop financiële middelen en andere hulpbronnen vroegtijdig worden vrijgegeven. Deze middelen worden vaak direct aan de meest kwetsbaren verstrekt, zoals bijvoorbeeld cashbetalingen aan boeren om vee te redden of gereedschappen en opgeslagen graan te beschermen. De effectiviteit van dit systeem wordt momenteel getest in pilootstudies op verschillende locaties in Afrika, de Amerika's en Azië-Pacific.

In Bangladesh, een land dat regelmatig wordt getroffen door overstromingen, is het Cycloonvoorbereidingsprogramma van 1972 een voorbeeld van hoe langdurige samenwerking tussen de overheid en de Rode Halve Maan samen met meer dan 70.000 gemeenschapsvrijwilligers levens heeft gered. Het programma heeft bijgedragen aan verbeteringen in risicokennis, monitoring en voorspelling, communicatie van waarschuwingen en de responscapaciteit. Desondanks blijven er uitdagingen bestaan, vooral als het gaat om het bereiken van de meest kwetsbare en afgelegen gebieden.

Practical Action, een internationale ontwikkelingsorganisatie, heeft sinds 2018 innovatieve benaderingen geïntroduceerd in het district Faridpur, een van de meer dan twee miljoen inwoners tellende gebieden van Bangladesh. De organisatie heeft verschillende waarschuwingskanalen opgezet om de achtergestelde gemeenschappen effectief te bereiken. Een van de belangrijkste innovaties is het gebruik van spraakberichten in plaats van tekstberichten. Dit helpt om de uitdagingen van analfabetisme, lokale dialecten en het ontbreken van de nieuwste smartphone-technologie te overwinnen. Deze berichten worden automatisch naar de mobiele telefoons van de risicogebieden gestuurd, wat de toegang tot cruciale informatie vergemakkelijkt.

Hoewel de eigendom van mobiele telefoons in Bangladesh relatief hoog is (72,31% volgens de volkstelling van 2022), zijn er nog steeds kwetsbare groepen die geen toegang hebben tot deze technologie. Daarom zijn digitale weerborden een ander belangrijk onderdeel van het waarschuwingssysteem. Deze borden worden geïnstalleerd in lokale overheidscentra en bieden een informatiehub voor omliggende dorpen. Ze geven weers- en overstromingsinformatie weer en gebruiken afbeeldingen en video's om de boodschap begrijpelijker te maken voor de breedste mogelijke doelgroep. Deze publieke-private samenwerking draagt bij aan de duurzaamheid van het systeem.

Daarnaast speelt de ‘Disaster Alert for BD’-app een belangrijke rol bij het verbeteren van de coördinatie van de respons. Deze app biedt updates over het weer, voorzorgsmaatregelen voor rampen, en waarschuwingen voor risicogebieden. Bovendien stelt het de gebruikers in staat om in noodgevallen hulpdiensten te bereiken of vrijwilligers te mobiliseren.

Local resilience agents zijn de laatste schakel in dit systeem, en hun rol is cruciaal. Deze vrijwilligers begrijpen de specifieke behoeften van kwetsbare en gemarginaliseerde groepen en zorgen ervoor dat waarschuwingen en hulp snel en effectief worden verspreid. Ze zijn ook goed opgeleid om informatie van verschillende kanalen zoals spraakberichten, digitale weerborden en apps te interpreteren en door te geven aan de gemeenschap.

Daarnaast biedt het Flood Resilience Portal, een webplatform beheerd door de Zurich Flood Resilience Alliance, een schat aan informatie voor degenen die zich inzetten voor het verbeteren van de weerbaarheid van gemeenschappen in overstromingsgevoelige gebieden. De toegankelijkheid van deze informatie is van cruciaal belang, vooral voor de ontwikkeling van gerichte strategieën die de veerkracht van kwetsbare gemeenschappen kunnen versterken.

In het geval van Bangladesh en elders is het noodzakelijk om voortdurend sociale onderzoeken uit te voeren om te begrijpen hoe kwetsbare groepen reageren op en handelen naar waarschuwingen. Hierbij is bijzondere aandacht nodig voor genderkwesties en voor de specifieke behoeften van gemarginaliseerde gemeenschappen. Methoden zoals de "Missing Voices Approach", waarmee men vertrouwelijk en anoniem de meningen van deze groepen verzamelt, zijn waardevolle instrumenten voor het verkrijgen van diepgaande inzichten.

De betrokkenheid van gemeenschappen in het waarschuwingssysteem is dus niet alleen van cruciaal belang voor het vergroten van de effectiviteit van rampenbeheer, maar biedt ook een platform voor het versterken van de veerkracht van kwetsbare bevolkingsgroepen. Deze aanpak stelt hen in staat om meer controle te krijgen over hun eigen veiligheid en welzijn, en om weloverwogen beslissingen te nemen op basis van tijdige en betrouwbare informatie.