Determining spatial and temporal changes of surface water quality using principal component analysis

a speci
fic trend in the sampling points. BOD, COD, Na and NH
4
+
parameters also showed an increasing trend in the downstream. The
DO average values varied in the range of 8.84
–11 ppm along the river. For the other parameters, EC, Cl
−
, Ca, K, TN and Mg values
increased in SH5 and SH6. Fe source was in relation with geological formations. It should be noted that there was no industrial source
with high Fe concentration sewage along the river
’s buffer zone. NO
3
−
values also increased gradually in the downstream, suggesting
that the results were associated with increasing agricultural lands. NO
3
−
values decreased in most stations in winter months. TUR
was in direct relation with river
flow rate. The measured TUR values had an increasing trend in downstream, especially at SH4, which
seems to be a result of suspended matter load from rural zone (Band region) and recreational region impacts at the Shahr Chai
upstream. The Band region is located between SH2 to SH4 stations. The measured TUR in water samples resulted were of high values
in the last three downstream stations (SH4, SH5 and SH6). Domestic wastewater discharged high TUR values which is over and above
agricultural water use standards. The presence of coliform was due to discharge into the river via surface runo
ff of domestic waste.
According to
Bolstad and Swank (1997)
, the transport of coliform primarily occurs through the soil or via direct input by warm-
blooded animals (e.g. livestock). The maximum FC and TC values were measured after SH3 by increasing population and rural waste
evacuation. FC values were the highest component in SH4 especially in autumn. Lack of the necessary infrastructures to control the
domestic wastewater and animal waste eventuated in high FC and TC values (
Table 3
).
Along with studies by
Zhang et al. (2014)
and
KurunÇ et al. (2005)
, it was expected to observe a higher concentration of water
quality parameters during low-
flow periods. On the other hand, reduced river flows and increased pollution values and agricultural
drainage water depletions have caused critical situation in water quality of the Shahr Chai River downstream. Concentration of most
parameters at SH1 and SH2 stations were signi
ficantly lower than the recommended standards. However, the TUR and FC parameters
should be considered for the Shahr Chai river quality assessment, especially in the last 3 stations.
3.3. Parameter selection by the PCA analysis
In the PCA method, eigenvalues are normally used to determine the principal components (PCs). A scree plot for the eigenvalues
obtained in this study shows a noticeable change of slope after the fourth eigenvalue.
Vega et al. (1998)
suggested using all the PCs
including the
first set before the fracture in the scree plot. Therefore, the first four PCs were used for further analysis (
Olsen et al.,
2012
). The
first four PCs had eigenvalues close to unity. The eigenvalues explained 78.6%, 74.7%, 70.8% and 80% of the total
variance of information contained in the original data set in spring, summer, autumn, and winter respectively.
Fig. 3
shows that the
first two principal components provided a general view on the temporal and spatial variations of water quality parameters.
In spring, the
first principal component (PC1) explained 42.5% of the total variance. The spring section of
Fig. 3
showed that the
samples from SH5 were positively and largely a
ffected by the physical parameters (T, EC), the chemical parameters (SO
4
−2
) and the
biologic parameters (TC, FC). The concordance of such parameters and SH4 may be speci
fically associated with the impacts of
livestock breeding activities in the area where the study was conducted. PC1 was also negatively a
ffected by physical parameters such
as DO, which was closely related to the samples from SH3. Therefore, this component seems to measure the preponderance of T and
EC over the other physical water quality parameters (DO).
Spring
’s second principle component (PC2) explained 16.8% of the total variance on which biologic (BOD and COD) and nutrient
(NH
4
+
) parameters were positively and largely in
fluential. It was also negatively and largely affected by physical and nutrient
Table 3
Changes of water quality variables (Data are means ± SD of 12 monthly replicates.).
Parameter
Unit
SH1
SH2
SH3
SH4
SH5
SH6
pH
–
8.5 ± 0.3
8.5 ± 0.2
8.5 ± 0.3
8.5 ± 0.3
8.6 ± 0.1
8.1 ± 0.4
T
°C
6.6 ± 4.2
7.0 ± 4.7
9.2 ± 3.0
9.8 ± 4.4
10.8 ± 6.4
6.4 ± 7.5
TUR
NTU
16.8 ± 19.8
28.9 ± 37.4
12.6 ± 7.2
73.8 ± 46.5
117.1 ± 131.9
131.8 ± 62.3
EC
mhos cm
μ
/
246.8 ± 51.3
252.3 ± 55.2
253.2 ± 23.8
277.1 ± 39.5
347.8 ± 189.9
489.9 ± 183.0
Q
L/s
3966.5 ± 5520.4
5264.2 ± 5910.3
3256.2 ± 3185.5
2359 ± 2457.5
1698.8 ± 1382.0
1151.9 ± 1411.1
DO
ppm
10.8 ± 1.5
11.0 ± 1.6
10.4 ± 1.0
10.1 ± 1.5
9.53 ± 1.5
9.22 ± 2.6
BOD
5
ppm
1.4 ± 1.6
1.5 ± 1.8
1.6 ± 1.9
6.8 ± 12.4
15.5 ± 21.2
21.2 ± 17.9
COD
ppm
8.7 ± 6.9
8.3 ± 8.8
9.3 ± 6.6
14.6 ± 14.6
25.1 ± 23.8
23.7 ± 19.1
SO
4
−
ppm
20.6 ± 10.2
21.3 ± 10.9
19.4 ± 6.0
22 ± 7.2
27.8 ± 5.3
5.3 ± 8.1
Cl
−
ppm
42.1 ± 12.8
46.8 ± 18.2
41.9 ± 13.5
44.3 ± 16.1
54.2 ± 32.9
32.8 ± 44.6
CO
3
ppm
4.9 ± 9.6
1.3 ± 3.1
6.3 ± 11.8
4.6 ± 7.2
1.3 ± 3.2
3.2 ± 0.0
HCO
3
ppm
79.7 ± 19.7
79.7 ± 15.3
76.8 ± 18.5
76.6 ± 13.9
84.6 ± 27.0
27.0 ± 46.8
Ca
ppm
39.5 ± 5.6
39.4 ± 10.4
38.6 ± 6.9
37.4 ± 5.8
42.4 ± 12.1
12.1 ± 14.4
Na
ppm
7.3 ± 2.3
5.7 ± 1.7
6 ± 1.4
7.1 ± 1.6
15.2 ± 23.6
25.8 ± 25.2
K
ppm
1.4 ± 0.9
1.4 ± 0.8
1.4 ± 1.2
1.4 ± 0.9
2.0 ± 1.5
2.8 ± 2.4
Mg
ppm
12.3 ± 3.6
12.3 ± 3.2
10.4 ± 2.6
12.7 ± 2.8
12.5 ± 5.3
5.3 ± 8.0
NO
3
−
ppm
2.8 ± 2.2
3.3 ± 3.2
3.6 ± 3.1
3.9 ± 2.3
3.9 ± 1.7
1.7 ± 1.8
TN
ppm
2.4 ± 1.6
2.0 ± 1.2
2.3 ± 1.1
2.1 ± 1.2
3.0 ± 1.3
1.3 ± 1.8
TP
ppm
0.1 ± 0.1
0.1 ± 0.0
0.1 ± 0.0
0.1 ± 0.1
0.1 ± 0.1
0.06 ± 0.1
NH
4
+
ppm
0.1 ± 0.1
0.02 ± 0.0
0.04 ± 0.0
0.05 ± 0.1
0.5 ± 1.0
0.9 ± 1.9
Fe
ppm
0.1 ± 0.1
0.1 ± 0.1
0.1 ± 0.1
0.1 ± 0.1
0.2 ± 0.1
0.2 ± 0.1
FC
colonies/100 mL
22.2 ± 16.4
33.8 ± 30.3
20.9 ± 40.9
326.3 ± 345.1
588.6 ± 778.2
592.4 ± 729.4
TC
colonies/100 mL
88.8 ± 72.5
90.2 ± 82.5
85.2 ± 93.6
1195.7 ± 603.9
1409.2 ± 619.3
1488.2 ± 723.0
K. Zeinalzadeh, E. Rezaei

tải về 0.71 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: