Αξιολόγηση της ποιότητας του πόσιμου νερού της Αθήνας, με στόχο την ολοκληρωμένη διαχείρισή του, μέσω στατιστικών μεθόδων

Abstract

The aim of this thesis was to explore statistical methods for the integrated analysis of the water quality parameters at all stages (raw water – treated water). Α great variety of statistical methods were extensively explored and then applied to the water quality data of the complicated water supply system of Athens with a view to gaining insight knowledge of the water quality behavior and the system’s integrated management. The study of seasonality and trend analysis of the toxicity data (2000-2006), for each raw water reservoir, resulted in no statistical significance. No statistical significant difference for the toxicity between the reservoirs was observed. The microbial load of the rivers that flow into the reservoirs was investigated by means of seasonal and local variability as well as trend analysis tests for the bacteria indicators of enterococci (1997-2009). Two of the rivers were characterized by exceptionally small microbial load and one by high amount of censored data at the highest reporting limit of the method. No trends for the enterococci were found in the rest of the rivers. Multivariate statistical techniques (Principal components Analysis / Factor Analysis, Cluster Analysis, Discriminant Analysis, Classification and Regression Trees) were applied to physical-chemical data (16 parameters) of each reservoir to explain the data structure and to assess temporal variations in the water quality. The resulting models presented high accuracy and allowed a reduction in the dimensionality of the complex dataset, delineating a few indicator parameters responsible for the variations in temporal water quality. Significant differences in the treated water physical-chemical characteristics due to different sources of surface water and differences in the water treatment facilities and operational procedures were observed. Discriminative models were developed for the treated water produced at the water treatment plants. Moreover, the predictive models were evaluated for the discrimination of network water samples according to their theoretically expected origin. The prediction of the water origin in network was very satisfactory (97.8% for the best model). Therefore, the model can be used in the establishment of safety protocols in the case of an emergency, where a possible deterioration of water quality in one of the plants could degrade the water quality of the related water supply network sections. Finally, control charts were constructed for the data that were obtained from the daily toxicological analysis of treated water from the treated-water tanks. The time-series based method captured the dynamic structure of the data and gave reasonable control charts that can be useful tools for the improvement of the water quality.

Σκοπός της διατριβής ήταν η ανάπτυξη μεθοδολογίας για την εκτίμηση της ποιότητας του νερού, μέσω ολοκληρωμένης στατιστικής ανάλυσης των χημικών, μικροβιολογικών και τοξικολογικών παραμέτρων του, από την ακατέργαστη μέχρι και την επεξεργασμένη μορφή του, με στόχο την ολοκληρωμένη αξιολόγηση και διαχείριση ενός πολύπλοκου συστήματος υδατικών πόρων όπως αυτό της Αθήνας. Στην παρούσα διατριβή, διερευνήθηκε η αποτελεσματικότητα, η επάρκεια και οι αναγκαίες προσαρμογές, λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των ποιοτικών παραμέτρων του νερού, ενός μεγάλου αριθμού σύνθετων στατιστικών μεθόδων. Η κατανόηση των μηχανισμών που επηρεάζουν την ποιότητα του νερού από την ακατέργαστη πρωταρχική του μορφή έως την τελική του που προορίζεται για ανθρώπινη κατανάλωση, αποτέλεσε τον κύριο στόχο της έρευνας. Η ενδελεχής στατιστική ανάλυση των μηνιαίων τιμών τοξικότητας (2000-2006) στους ταμιευτήρες, κατέληξε σε έλλειψη εποχικότητας και μη στατιστικά σημαντική ανοδική ή πτωτική τάση. Μεταξύ των ταμιευτήρων δεν παρουσιάστηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές στην τοξικότητα. Τα μηνιαία δεδομένα (1997-2009) των βακτηρίων – δεικτών μικροβιακής φόρτισης enterococci των ποταμών που εκβάλουν στους ταμιευτήρες, διερευνήθηκαν για εποχικότητα, ύπαρξη τάσεων και ομοιογένεια των πιθανών τάσεων. Δύο από τους ποταμούς χαρακτηρίζονται ως χαμηλού μικροβιακού φορτίου και ένας παρουσίασε πολύ υψηλό ποσοστό άνω περικεκομμένων τιμών. Σε καμία από τις υπόλοιπες θέσεις δειγματοληψίας δεν εντοπίστηκε στατιστικά σημαντική ανοδική τάση για τους enterococci. Διερευνήθηκε εκτενώς η χρησιμότητα των πολυμεταβλητών στατιστικών τεχνικών (ανάλυση κύριων συνιστωσών / παραγοντική ανάλυση, ανάλυση κατά συστάδες, διαχωριστική ανάλυση, δέντρα ταξινόμησης και παλινδρόμησης) στην ερμηνεία της δομής 16 φυσικών-χημικών ποιοτικών παραμέτρων του νερού κάθε ταμιευτήρα και στην αποτίμηση των χρονικών διακυμάνσεων της ποιότητάς του. Επιτεύχθηκε σημαντική μείωση των διαστάσεων του πολύπλοκου σετ δεδομένων και αναδείχθηκαν λίγες μόνο παράμετροι ως κύριες υπεύθυνες για τις διακυμάνσεις στην ποιότητα του νερού στη διάρκεια του χρόνου. Διερευνήθηκε η χρησιμότητα των πολυμεταβλητών στατιστικών μεθόδων στη διάκριση του επεξεργασμένου νερού των διαφορετικών Μονάδων Επεξεργασίας Νερού (ΜΕΝ), βάσει 9 φυσικών-χημικών παραμέτρων, καθώς και στην πρόβλεψη της προέλευσης του νερού του δικτύου ύδρευσης ως προς τη ΜΕΝ από την οποία προέρχεται. Κατασκευάστηκε μοντέλο, βάσει των δειγμάτων νερού ΜΕΝ, το οποίο παρείχε 97,8% ορθή ταξινόμηση των δειγμάτων νερού του δικτύου ύδρευσης. Η υψηλή ακρίβεια του μοντέλου επιτρέπει τη χρησιμοποίησή του ως μέσον περιγραφής των δικτύων διανομής και πρόβλεψης της προέλευσης του νερού, παρέχοντας χρήσιμες πληροφορίες στους διαχειριστές των δικτύων, με αποτέλεσμα την αύξηση του βαθμού ασφαλείας. Με χρήση μοντέλων χρονολογικών σειρών, κατασκευάστηκαν ρεαλιστικά διαγράμματα ελέγχου της τοξικότητας του επεξεργασμένου νερού των ΜΕΝ, τα οποία αποτελούν χρήσιμα εργαλεία για τη βελτίωση της ποιότητας του πόσιμου νερού, και δίνουν τη δυνατότητα για βραχυχρόνιες προβλέψεις των τιμών της τοξικότητας και την επαναπροσαρμογή της διεργασίας εάν κρίνεται απαραίτητο και είναι εφικτό.