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Mantendo a qualidade da água do sul da Flórida com o Minitab

O Southeast Environmental Research Center usou o Minitab Statistical Software para analisar anos de dados sobre qualidade das águas do sul da Flórida, como da Marathon Island, em Florida Keys, da foto acima.

As águas oceânicas e dos rios são fundamentais para a economia da Flórida, gerando empregos por meio da recreação, da pesca e do turismo. A proteção dessas águas ajuda a proteger a saúde econômica da Flórida, mas decisões efetivas sobre administração ambiental devem ser feitas com base em uma pesquisa fundamentada. O Southeast Environmental Research Center (SERC), localizado no principal campus da Florida International University, reúne pesquisadores de diversas áreas para conduzir investigações científicas em ambientes ameaçados do sul da Flórida e do sul dos Estados Unidos. Os projetos do centro de pesquisa em Biscayne National Park, Big Cypress National Preserve, Everglades National Park, Florida Bay, the Florida Keys e no Florida Keys National Marine Sanctuary forneceram uma base para decisões de gerenciamento para sustentar esses recursos frágeis. A combinação de dados de todos os projetos do centro deu aos pesquisadores uma oportunidade de desenvolver uma visão única de alto nível sobre as condições das águas do sul da Flórida, mas unir e analisar vinte anos de dados coletados sobre a qualidade de água de centenas de estação de monitoramento foi um desafio grande. Eles precisavam compreender o que essa quantidade enorme de dados sobre a saúde da água revelava sobre as águas da Flórida. Para isso, os pesquisadores do SERC confiaram no Minitab Statistical Software.

A criação dessa visão geral das águas da Flórida era parte da iniciativa do National Park Service para apoiar o Departamento de Proteção Ambiental da Flórida e a Agência de Proteção Ambiental dos EUA no desenvolvimento de critérios de qualidade para a água visando a proteção da vida aquática e da saúde humana. Anos de monitoramento de dados já tinham fornecido algumas ideias sobre a relação entre níveis de nutriente da água e poluição. Por exemplo, níveis aumentados de nutrientes, como fósforo e nitrogênio, produziam um rápido crescimento de algas. O rápido crescimento das algas tornavam as águas turvas e reduzia o nível de oxigênio da coluna de água, causando a morte de cardumes. Os pesquisadores do SERC queriam investigar mais para descobrir exatamente quais níveis de nutrientes causariam a reprodução indesejada de algas nas águas do sul da Flórida.

Um Gráfico de Probabilidade Censurada do Minitab do NOx poluente presente na Central Florida Bay facilitou para os pesquisadores do SERC visualizar como os níveis de contaminante mudaram com o tempo.

O Dr. Henry Briceño, pesquisador do FIU e Investigador Principal do SERC, comandou o projeto. Ele e sua equipe enfrentaram a tarefa de analisar literalmente milhões de pontos de dados com amostras coletadas de 350 estações do sul da Flórida.

Os parâmetros de qualidade da água monitorados em cada estação incluíam nutrientes dissolvidos, como nitrito, nitrato, amônia, nitrogênio inorgânico e fósforo reativo. As concentrações totais de nitrogênio, nitrogênio orgânico, fósforo e carbono orgânico também eram medidas, assim como a clorofila-A, a atividade de fosfatase alcalina, a salinidade, o oxigênio dissolvido, a temperatura, o pH e a turvação. Todos os parâmetros foram medidos na superfície da água e na parte inferior da coluna de água.

Um Boxplot de Probabilidade Censurada do Minitab do NOx poluente presente na Central Florida Bay facilitou para os pesquisadores do SERC visualizar como os níveis de contaminante mudaram com o tempo.

Algumas dessas observações não detectaram nada, o que significa que os contaminantes dessas amostras caía abaixo dos limites relatados dos instrumentos de medição. É importante considerar as não detecções, pois mesmo os níveis baixos de contaminantes podem ser parte integrante dos dados como um todo. Isso representou um desafio para os pesquisadores, pois não estava claro como deveriam considerar as não detecções usando procedimentos estatísticos padrão, especificamente diante da grande quantidade de dados envolvidos.

Para ajudar, o SERC aliou o expertise do Dr. Dennis Helsel, proprietário e cientista chefe da Practical Stats (PracticalStats.com), uma empresa de consultoria e treinamento de estatística ambienta. Dr. Helsel é especializado em estatísticas de dados com baixos níveis de contaminantes. Para esse projeto, ele usou o Minitab Statistical Software e seu eficiente recurso Macros para manipular com eficiência os cálculos estatísticos dos conjuntos de dados que continham não detecção.

Uma Macro do Minitab consiste em um conjunto de comandos armazenados em um arquivo baseado em texto que pode ser adequado para atender às necessidades específicas do analista. Com um único clique, cada comando da macro é executado instantaneamente e a análise é concluída. As macros economizam tempo e são usadas com frequência para automatizar tarefas repetitivas e realizar rapidamente grandes manipulações de dados. E para tarefas especializadas como essa, as macros também podem expandir a funcionalidade da Minitab computando procedimentos estatísticos personalizados. Usando os métodos que ele realçou no seu livro Nondetects and Data Analysis, o Dr. Helsel escreveu macros que se adaptavam às técnicas de dados censuradas do Minitab – as técnicas que ajudam a dar conta de dados ausentes ou não detectáveis – para trabalhar com os dados de qualidade do SERC. Isso facilitou para os pesquisadores do SERC transformar a enorme quantidade de dados nas estatísticas necessárias para análise.

A análise multivariada do Minitab ajudou pesquisadores a reduzir as grandes quantidades de dados sobre qualidade de água em variáveis mais administráveis para classificação. Os pesquisadores do SERC puderam agrupar estações de monitoramento em zonas geográficas por tipo de água, como a ilustração acima.

O Dr. Helsel treina cientistas como o Dr. Briceño para realizar estatísticas durante a pesquisa e aplaude o Minitab por sua "facilidade de uso". "É muito fácil ensinar com o Minitab", ele diz. "Os Cientistas podem aprender e usar o software imediatamente".

O Dr. Briceño não é estatístico de formação, e usou facilmente as macros do Dr. Helsel e o Minitab para calcular as estatísticas necessárias para analisar a qualidade de água em toda a estação de monitoramento. As estações de monitoramento com resultados estatísticos semelhantes foram reunidas em grupos com características comuns, com uma combinação das ferramentas de Análises Multivariadas do Minitab. A análise multivariada é usada para reduzir os grandes conjuntos de dados em dados menores de componentes, tornando mais eficiente para os pesquisadores se restringirem a variáveis especificas. O SERC pôde então agrupar as estações de monitoramento em "tipos de água" diferentes e fazer mapas detalhados de sua distribuição geográfica (Fig. 2). Com os corpos de água classificados, os níveis de concentração, ou limites, de fósforo e nitrogênio que causariam a reprodução mortal de algas foram avaliados para cada tipo de água. Isso foi obtido com a identificação de gráficos de soma cumulativa de clorofila A e gradientes de nutrientes no Minitab. Esses gráficos facilitaram para os pesquisadores a leitura rápida dos níveis de limite diretamente, sem mais análise.

Os gráficos de soma cumulativa do Minitab ajudaram pesquisadores a identificar facilmente os níveis de limite de fósforo e nitrogênio que causam a reprodução mortal das algas.

Os pesquisadores do SERC puderam formular metodologias inovadoras para derivar critérios protetores de nutriente para cada corpo de água específico. O conhecimento obtido com os estudos da FIU e do SERC e a análise do Minitab ajudará os cientistas a planejarem a conservação e a restauração contínuas. Melhor de tudo, as informações aprendidas no sul da Flórida podem ser benéficas para cientistas que trabalham para corrigir a poluição em todo o mundo. Essas metodologias estão sendo consideradas no momento para disseminação pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos.

O Dr. Briceño afirma que este projeto mostrou que a qualidade da água do sul da Flórida é excelente e muito disso ocorre devido ao foco consistente em pesquisa para proteger esses recursos naturais críticos. E quando se trata de coleta de dados e análises subjacentes à pesquisa, o "Minitab forneceu ferramentas inestimáveis para aprimorar nossa pesquisa", afirma Briceño. As macros do Dr. Helsel estão disponíveis gratuitamente online em practicalstats.com/nada.

As macros do Dr. Helsel estão disponíveis gratuitamente online em www.practicalstats.com/nada.

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