Mathematical modeling of water quality in small rives (nutrients, pesticides and other chemical properties)

Abstract

Nutrients, pesticides and other chemical properties along with the predictor variables were measured every fortnight in 24 resp. 22 small river basins from November 1972 through November 1974. The river basins belong to three different natural regions namely 1) the Eifel mountains with devonian quartzites, shales, greywacke and carbonaceous rocks, 2) triassic hills with sandstones and limestones and 3) loess plains. The part of grassland and forests decreases from the mountains towards the loess plain whereas the part of cropland and settlement area increases. In particular the following chemical properties of the water were measured: orthophosphate, nitrate, ammonia, sulfate, chloride, Na, Ca, K, conductivity, pH, oxygen, turbidity and suspended matter as well as total organic bound halogen, α and γ-benzene hexachloride. By means of predictor variables like area of cropland, forests, industrial activities etc. it was tried to predict the above mentioned chemical properties of the river water. The prediction models use multivariate discriminant analysis together with a classification procedure, statistical methods by which an event of water quality may be associated to one of several predetermined groups. The groups are found by means of a cluster analysis or a plot. Multivariate tests of significance and use to show the power of discrimination or prediction. Finally an attempt was made to classify behaviour and water quality. Nährstoffe, Pestizide und andere Variablen der Wassergüte wurden gemeinsam mit möglichen Prediktorvariablen alle 14 Tage in 24 bzw. 22 kleinen Flüssen von November 1972 bis November 1974 gemessen. Die Flußeinzugsgebiete gehören zu drei verschiedenen naturräumlichen Einheiten: 1. der Eifel mit devonischen Quarziten, Tonschiefern, Grauwacke und Kalksteinen, ferner 2. triassischen Randbergen mit Sandsteinen und Kalksteinen und schließlich 3. der meist lößbedeckten Börde. Die Landnutzung wechselt von vorwiegend Wäldern und Grasland im Bergland zu Ackerland in der dichter besiedelten Börde. Vor allem folgende Variablen der Wassergüte wurden gemessen: Orthophosphat, Nitrat, Ammoniak, Sulfat, Chlorid, Na, Ca, K, elektrolytische Leitfähigkeit, pH, Sauerstoff, Trübe und Schweb, ferner organisch gebundenes Halogen sowie α- und γ-Hexachlorcyclohexan. Mit Hilfe von Prediktorvariablen wie Ackerfläche, Wald, wirtschaftlichen Tätigkeiten usf. wurde versucht, die Variablen der Wassergüte vorherzusagen. Als Vorhersagemodell dient die mehrdimensionale Diskriminanzanalyse zusammen mit einem Zuordnugsverfahren. Damit ist es möglich, ein Wassergüteereignis einer von mehreren zuvor bestimmten Gruppen zuzuordnen. Die Gruppengrenzen wurden mit Hilfe einer Clusteranalyse oder graphisch festgelegt. Multivariate Signifikanztests weisen die Trennschärfe nach. Zum Abschluß wurde der Versuch unternommen, eine Wassergüteklassifikation vorzunehen.