Räumliche Interpolation von Grundwasserqualitätsparametern mit Hilfe von Copulas und Sekundärinformation

Claus Haslauer1, Heißerer Theresia2, Bárdossy András2, Schneider Burkhard3, Hildenbrand Emil3, Feuerstein Wolfgang3
1 Universität Tübingen
2 Universität Stuttgart
3 LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg

O 9.4 in Nitrat im Grundwasser - Eintrag, Abbau und Prognose

14.04.2016, 11:00-11:15, Plank Hörsaal, Geb. 40.32

Basierend auf Punktmessungen soll die Grundwasserqualität (z.B. Nitrat) auf regionaler Skala an Stellen geschätzt werden, an denen keine Messdaten vorliegen. Für diese Aufgabe existieren typischerweise Modelle, die den räumlichen Zusammenhang basierend auf der Geometrie des Messnetzes beschreiben.

Dieser Vortrag stellt Methoden vor, die zusätzlich folgende Eigenschaften berücksichtigen: die statistische Verteilung der Messwerte, einen unterschiedlich starken Zusammenhang in unterschiedlichen Quantilen, zensierte Werte (Messwerte unterhalb der Nachweisgrenze), und die Zusammensetzung von kategorischer Zusatzinformation in der Nachbarschaft.

Vorhandene Daten zeigten, dass die Zusammensetzung und die Größe der Nachbarschaft um einen Messpunkt herum einen gewissen Einfluss auf den Messwert haben. Diese Eigenschaft ist über lokal gemischte Verteilungen abbildbar: An jedem Interpolationspunkt wird eine vollständige lokale Verteilung aus den puren Verteilungen der Grundwasserqualität innerhalb der Landnutzungskategorien gemischt. Diese puren Verteilungen für eine bestimmte Nachbarschaftsgröße sind a priori nicht bekannt und werden gemeinsam geschätzt, für alle Gruppen von Sekundärinformation. Bei diesem Vorgehen lässt sich ein Informationsgehalt der Sekundärinformation ermitteln, der Qualitätsparameter-spezifisch und räumlich verteilt ist, und mit dessen Hilfe die Nützlichkeit der Sekundärinformation vor der eigentlichen Interpolation abgeschätzt werden kann.

Der räumliche Zusammenhang wird multivariat mit Hilfe von Copulas beschrieben, die die Randverteilungen mit der multivariaten Verteilung koppeln. Dadurch kann der Prozess der Infiltration über die gemischten lokalen Randverteilungen beschrieben werden, der Prozess des horizontalen Gelöststofftransports über die multivariate räumliche Zusammenhangstruktur.

 

Die verbesserten geostatistischen hydrogeologischen Modelle werden anhand Messwerten eines großen Messnetzes (~2500 Probenahmestellen) in Baden-Württemberg (~36.000 km2) anhand der Parameter Nitrat, Chlorid und Barium analysiert, kreuzvalidiert und mit traditionellen geostatistischen Methoden verglichen. Die Sekundärinformation Landnutzung ist als kategorische Variable in einem 30m x 30m Raster verfügbar. Wir zeigen, dass die neuen Methoden nicht nur bessere Schätzwerte liefern, z.B. im Sinn eines mittleren quadratischen Fehlers, sondern auch eine wesentlich realistischere räumliche Struktur der Unsicherheit. Damit sind die vorgestellten Modelle besser als bisherige Modelle.



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