CAM: un algoritmo per la classificazione delle acque marine.

Michele Scardi ed Eugenio Fresi

Diaprtimento di Biologia, Università di Roma "Tor Vergata"

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Note introduttive.

Il problema della classificazione delle acque marine e, più in generale, della formulazione di un giudizio di qualità sulle stesse è particolarmente sentito da tutti i soggetti che devono gestire attività di monitoraggio su base routinaria. In molti casi, infatti, l'opinione pubblica e/o le Amministrazioni competenti sollecitano una valutazione univoca (e molto spesso semplificata) della qualità delle acque, la quale viene percepita in relazione ad elementi di carattere estetico ed igienico/sanitario. In quest'ottica, qualsiasi giudizo non può che essere formulato su base soggettiva, poichè, se la valutazione estetica è tale per sua stessa natura, quella di tipo igienico/sanitario è basata su valori soglia indicati dalla legge e non da evidenze sperimentali e/o epidemiologiche.

Dal punto di vista oceanografico in senso lato, d'altra parte, il problema della classificazione si pone, su scala spaziale diversa e ben più ampia di quella dei monitoraggi gestiti dalle Amministrazioni competenti, in rapporto alla necessità di riconoscere masse d'acqua di diversa natura e provenienza. In questo caso, tuttavia, sono le grandezze fisiche e quelle chimiche relative alle concentrazioni dei nutrienti ad essere prese in considerazione.

L'algoritmo di classificazione proposto in questa sede (CAM - Classificazione Acque Marine) si propone come uno strumento di sintesi di questi due approcci ed è stato basato, in origine, sui risultati di un'analisi condotta su molte centinaia di campioni superficiali di acque marine tirreniche. In particolare, a differenza di altri approcci che si basano su un sistema più o meno complesso di valutazioni soggettive o sul calcolo di indici (molto spesso anch'esso frutto di elaborazioni soggettive), l'algoritmo CAM è stato concepito in modo da far emergere dai dati disponibili le tipologie più ricorrenti e singificative, lasciando ad un momento successivo l'interpretazione delle loro proprietà.

Anche se la sua applicabilità è stata in un primo momento limitata al Tirreno, l'algoritmo CAM si prestava ad essere ricalibrato per qualsiasi altro sistema, a condizione di poter disporre di una base di dati sufficiente ad una adeguata ricalibrazione. Questa occasione si è presentata quando è stato possibile utilizzare i dati del monitoraggio dell'ambiente marino costiero effettuato dal Ministero dell'Ambiente con la collaborazione delle Regioni. In particolare, è stata allestita una versione estesa del primo algortimo, che è in grado di classificare anche le acque dell'Adriatico, che, come è noto, hanno caratteristiche assai peculiari rispetto agli altri mari italiani.

Ulteriori sviluppi dell'algoritmo CAM sono attualmente allo studio e saranno con tutta probabilità basati su tecniche mutuate dal campo dell'Intelligenza Artificiale ed in particolare sulle reti neurali artificiali.
 

L'algoritmo originale (valido per il solo Tirreno).

Dimostrazione interattiva

Per consentire un agevole accesso all'algoritmo nella sua versione originale (solo Mare Tirreno), ne è stata realizzata una versione in linguaggio Java, che può essere utilizzata direttamente in questa pagina. E' sufficiente inserire dei valori numerici nei campi sottostanti e premere il pulsante "Classifica" per ottenere, nel campo con il fondo grigio, un punteggio intero compreso fra 1 e 6 che identifica una fra altrettante tipologie (se nella finestra sottostante non compaiono i campi dell'applet Java, ma solo una cornice vuota, allora è necessario installare il supporto Java per il vostro browser).
 

Interpretazione dei risultati.

E' ovviamente disponibile anche una precisa descrizione di ciascuna tipologia, ma in linea di massima la qualità è inversamente proporzionale al punteggio (acque ideali corrispondono alle tipologie 1 e 2), mentre il rischio di tipo igienico sanitario, pur aumentando con il punteggio, è maggiore per i punteggi pari. La tabella sottostante sintetizza questo criterio:

Il colore delle celle della tabella fornisce un'altra chiave di lettura, ancor piu' semplificata e basata sulla valutazione dell'assetto trofico:

• azzurro: acque oligotrofici;
• verde: acque con diverso grado di eutrofizzazione, ma ecologicamente produttive e quindi funzionalmente integre;
• giallo: acque eutrofizzate con evidenze di alterazioni ambientali anche di origine antropica.

La classificazione in sole tre classi, con le caratteristiche di cui sopra è quella che è stata poi adottata nella più recente versione del CAM, ovvero per quella utilizzata per i dati del monitoraggio dell'ambiente marino costiero del Ministero dell'Ambiente.

Descrizione delle tipologie di riferimento.

Le sei tipologie di riferimento sono descritte in maniera completa dai vettori che rappresentano la posizione dei relativi centroidi nello spazio definito delle sette variabili utilizzate dall'algoritmo. Tali centroidi sono stati ottenuti effettuando una classificazione non gerarchica di un vasto insieme di osservazioni effettuate nel Tirreno in diverse stagioni ed a diverse distanze dalla costa. E' possibile rappresentare tali centroidi anche in un più semplice spazio bidimensionale, ottenuto mediante un'Analisi delle Corrispondenze effettuata sui dati normalizzati. I centroidi sono indicati dai numeri da 1 a 6 inscritti in una circonferenza e le loro posizioni relative traducono le loro relazioni. Punti vicini corrispondono a tipologie affini.

In questo stesso spazio sono rappresentate anche le sette variabili utilizzate dall'algoritmo. Da sinistra verso destra: salinità, trasparenza (come Disco Secchi), fosfati, clorofilla a, nitrati+nitriti, ammoniaca e silicati. Anche nel caso dì queste variabili le posizioni relative traducono le relazioni che le legano fra loro. Ad esempio, il punto che descrive la salinità (Sal) è vicino al punto che descive la trasparenza (DS). Infatti, è generalmente vero che all'aumentare della salinità e cioè al diminuire degli apporti terrigeni, la trasparenza tende a crescere. Ancora, il punto più lontano da quello che rappresenta la salinità è quello che corrisponde ai silicati (SiO4). Poichè questi ultimi sono un efficace tracciante dell'immissione di acque dolci in ambienti marini, questa disposizione nell'ordinamento è perfettamente logica: salinità e concentrazione di silicati tendono ad essere correlate negativamente (inversamente proporzionali, quindi).

Il colore dello sfondo è stato usato come supporto per l'interpretazione dell'ordinamento. Il blu indica un assetto tipicamente oligotrofico, tipico delle aque del largo o comunque non soggette ad immissioni dalla linea di costa o a perturbazioni di natura antropica. Queste acque sono tipicamente caratterizzate da basse biomasse fitoplanctoniche e scarsità di nutrienti e di particolato organico ed inorganico. Il colore blu è quello che effettivamente osserviamo in mare in queste condizioni!

Il verde, invece, indica una condizione che tende ad un livello di eutrofizzazione più o meno marcato, sotto l'influsso di apporti terrigeni o di altre sorgenti di arricchimento - in termini trofici - delle acque marine costiere. Il verde indica però che queste acque, caratterizzate da una elevata biomassa fitoplanctonica sono anche in grado di produrre nuova biomassa con efficienza. L'arricchimento, dunque, non determina uno squilibrio dell'assetto ecologico del sistema, che è in grado di metabolizzare l'eccesso di nutrienti.

Infine, il giallo ocra indica elevate concentrazioni di particolato organico ed inorganico e di nutrienti. In questo caso le acque sono soggette a fenomeni di eutrofizzazione non marginali e, soprattutto, non sono nelle condizioni di poter produrre nuova biomassa con efficienza. Questo tipo di assetto è quello che caratterizza molte aree di foce di fiumi, che veicolano in mare molti nutrienti ed una elevata quantità di particolato, che riduce la trasparenza ed ostacola l'utilizzo dei nutrienti da parte del fitoplancton, riducendo, quindi, la produttività del sistema. Questa condizione è per ovvi motivi quella più frequentemente (ma non necessariamente!) associata ad un rischio di tipo igienico sanitario.

Le diverse sfumature di questi colori, di conseguenza, corrispondono a situazioni intermedie. Per grandi linee, dunque, si può assumere che il primo asse identifichi un gradiente trofico ed il secondo asse un gradiente di produzione primaria fitoplanctonica, così come mostrato nella figura sottostante.

Ordinamento dei centroidi delle 6 tipologie e delle 7 variabili diagnostiche
(Analisi delle Corrispondenze su dati normalizzati).  

La nuova versione dell'algoritmo (valida per tutti i mari italiani).

Caratteristiche generali

Una nuove versione del CAM è stata sviluppata, riprendendo per l'Adriatico quanto già messo a punto per il Tirreno, quando è stato possibile utilizzare i dati del monitoraggio dell'ambiente marino costiero effettuato dal Ministero dell'Ambiente con la collaborazione delle Regioni. In nessun caso questa nuova versione deve essere considerata come un punto di arrivo, poichè la necessità di ricalibrare il sistema è insita nella stessa natura dell'approccio CAM. Pertanto, l'algoritmo CAM è destinato a crescere sulla stessa base di dati che è chiamato a classificare, sia attraverso una costante ricalibrazione delle tipologie riconosciute (sia per numero che per caratteristiche), sia attraverso una revisione più o meno profonda della sua impostazione computazionale.

La nuova versione del CAM è basata non più su una sola classificazione delle acque, ma su due classificazioni indipendenti. Una, aggiornata rispetto alla versione originale, è valida per il Tirreno e per tutti gli altri mari italiani, compreso il basso Adriatico. L'altra, invece, è stata effettuata soltanto in riferimento all'alto e medio Adriatico.

In entrambi i casi sono state definite 6 tipologie, la cui interpretazione, per grandi linee, ricalca quella già presentata pr la versione originale dell'algoritmo. In breve: le classi da 1 a 6 corrispondono ad un ideale gradiente di eutrofizzazione, con la classe 6 che corrisponde alle acque più arricchite da apporti terrigeni. Inoltre, le classi pari sono quelle che tendono verso un assetto caratterizzato da una scarsa efficienza produttiva del sistema, mentre quelle dispari, a parità di assetto trofico, sono quelle che corrispondono ad un sistema ecologicamente più efficiente.

Poichè disponendo di due criteri di classificazione per altrettante aree geografiche si determinerebbe una sorta di confine fra i due criteri differenti, la classificazione delle acque delle regioni che fanno da cerniera fra tali aree è effettuata in modo da assumere come valida la classificazione più benevola. In termini pratici, tuttavia, ciò consente di classificare correttamente le acque di tali aree, anche se esse hanno a volte caratteristiche tipiche di quelle adriatiche ed a volte quelle che contraddistinguono quelle degli altri mari italiani.

Una classificazione in sole tre classi.

Per semplificare ulteriormente l'interpretazione dei risultati, inoltre, è stata messa a punto anche una classificazione in sole tre tipologie, che sono anche contraddistinte da colori: azzurro per quella che corrisponde ad acque oligotrofiche e tendenzialmente imperturbate, verde per acque di media qualità, il cui arricchimento non determina però squilibri ecologici, ed infine giallo per quelle acque in cui ad una più o meno marcata eutrofizzazione si associano indizi di alterazione funzionale del sistema.

L'assegnazione di una osservazione ad un delle tre classi sintetiche avviene sulla base di quelle effetuate su sei classi. In condizioni ideali, si assegna la tipologia azzurra alle classi 1 e 2, la classe verde a quelle da 3 a 5 e la classe rossa alla sola classe 6. La tabella già presentata a proposito dell'interpretazione dei risultati dell'algoritmo originale mostra chiaramente come viene effettuata la conversione da 6 a 3 classi.

Questa soluzione, tuttavia, può essere troppo rigida e quindi si è deciso di correggerla facendo riferimento alcune semplici regole. Ad esempio, se in condizioni di salinità tipiche delle acque marine superficiali si osserva una elevata torbidità, non associata ad una elevata biomassa fitoplanctonica, è possibile che le misure siano state fatte durante una mareggiata o sulla sua scaduta ed i valori rilevati non sono da considerare anomali. Se invece la bassa trasparenza è associata ad una bassa salinità, allora è verosimile che le acque campionate siano sotto l'influsso diretto di immissioni di acque dolci, con i relativi rischi di tipo igienico/sanitario indotti da queste.

La trasparenza, da parte sua, dipende sia dalla biomassa fitoplanctonica, sia dal particolato di altra natura in sospensione (detrito organico ed inorganico, ad esempio). Il nuovo algoritmo CAM, quindi, incorpora dei modelli empirici che consentono di stimare la trasparenza attesa per una certa concentrazione di clorofilla, sia per l'alto e medio Adriatico, sia per gli altri mari. Se la trasparenza osservata è molto diversa da quella attesa in base alle stime di tali modelli, allora la probabilità che la trasparenza delle acque marine sia ridotta a causa di apporti terrigeni non è trascurabile e la classificazione deve essere effettuata tenendo conto di questo segnale.

Ancora, se il rapporto fra azoto e fosforo inorganico è troppo basso o troppo alto rispetto a quello che caratterizza le acque marine imperturbate, è possibile che l'alterazione del rapporto sia dovuta d un eccesso di fosforo o di azoto inorganici associato ad apporti terrigeni di varia natura. Ovviamente, se il rapporto non è nell'intervallo ritenuto normale, ma le misure dei singoli nutrienti sono basse, allora l'indicazione viene trascurata, poichè quasi certamente è stata determinata da banali errori di campionamento e di determinazione analitica, più importanti, in termini relativi, quando si ha a che fare con le basse concentrazioni tipiche delle condizioni oligotrofiche.

Queste ed altre "regole" vengono dunque utilizzate, con differenti versioni per i differenti bacini, per correggere la classificazione pura e semplice.

Infine, per ciò che riguarda la transizione fra alto e medio Adriatico ed altri mari, il peso delle classificazioni effettuate con criteri tarati sull'Adriatico o sugli altri mari viene modulato opportunamente. Ciò riguarda, in particolare, il Molise a cui è stata assegnata una caratterizzazione intermedia. Alla Puglia, invece, sono state assegnate le caratteristiche proprie non dell'Adriatico, ma degli altri mari italiani.

Il nuovo algoritmo CAM in versione interattiva per Windows.

La nuova versione dell'algortimo CAM può essere scaricata da questo sito ed installata su un qualsiasi PC in ambiente Windows. Il programma che consente di effettuare interattivamente la classificazione non è stato progettato per l'uso da parte di un utente generico e quindi può risultare poco user-friendly ed alquanto criptico in alcuni dei suoi output. Tuttavia, chi avesse letto questa pagina ha tutti gli elementi per comprendere almeno il 90% delle funzioni del programma e potrà sperimentare liberamente il suo comportamento. Nell'ottica di costante sviluppo che è stata menzionata più volte in questa pagine, qualsiasi segnalazione di risposte anomale o di classificazioni poco coerenti sarà la benvenuta (clicca qui per inviare una segnalazione sul CAM) ed aiuterà a mettere a punto uno strumento migliore.

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