Grundwasserstatistik und Trendberechnung

Statistische Aspekte bei der Auswertung von Grundwasserqualitätsdaten nach den Vorgaben der EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL)

Die EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL, 2000/60/EG) beinhaltet neben umfassenden Regelungen im Bereich der Wasserwirtschaft auch Vorgaben zur Auswertung von Grundwasserqualitätsdaten. Die Daten sollen in geeigneter Form aggregiert werden, um den chemischen Zustand des Grundwassers nach den Vorgaben der Richtlinie bestimmen zu können. Darüber hinaus soll mit diesen Daten der statistische Nachweis eines steigenden Trends und einer Trendumkehr möglich sein

 

Zur Ausarbeitung eines geeigneten Auswertealgorithmus für die Zustands- und Trendbestimmung wurde auf Initiative der Europäischen Kommission und unter Leitung des österreichischen Umweltbundesamt eine internationale Arbeitsgruppe gebildet. Die Projektdauer betrug zwei Jahre, Projektbeginn war im Juli 1999 unter Einbindung von Partnern aus 16 europäischen Staaten.

Ziel

Ziel des Projekts war es, konkrete Berechnungsalgorithmen zur Datenaggregierung als Grundlage für die Beurteilung des chemischen Zustandes des Grundwassers sowie für die Bestimmung von signifikanten, umweltrelevanten anhaltenden steigenden Schadstofftrends bzw. den Nachweis einer statistisch signifikanten Trendumkehr  je Grundwasserkörper bzw. Gruppe von Grundwasserkörpern im Sinne der WRRL zu erarbeiten.

 

Die vorzuschlagenden Methoden mussten europaweit anwendbar sein (Implementierung in unterschiedlichen administrativen Systemen und Berücksichtigung der unterschiedlichen hydrogeologischen Bedingungen), sie mussten vom statistischen Standpunkt korrekt und von der Umsetzbarkeit pragmatisch sein.

Ergebnisse

Zur Entwicklung und zum Testen unterschiedlichster Ansätze bediente man sich umfangreicher Testdatensätze von 21 ausgewählten Grundwasserkörpern aus neun Mitgliedstaaten, welche die breite Variabilität hinsichtlich hydrogeologischer Rahmenbedingungen und Belastungssituationen in Europa repräsentierten. Die Firma "quo data" führte die statistische Analyse der Testdatensets ausgewählter Messstellen durch und erarbeitete die statistischen Modelle zur Datenaggregierung und zur Trendberechnung. Insgesamt wurden im Rahmen des Projekts sieben Methoden für die gebietsweise Datenaggregierung, drei für den Nachweis von Trends und drei Methoden für den Nachweis einer Trendumkehr beschrieben, getestet und diskutiert. Schließlich wurden folgende Methoden vorgeschlagen:

 

  • Repräsentative mittlere Konzentration: (gewichteter) arithmetischer Mittelwert und obere Vertrauensgrenze. Alternativ: Kriging Methode zur Korrektur einer ungleichen Messstellenverteilung.
  • Nachweis von Trends: Generalisierter linearer Regressionstest (ANOVA Test) basierend auf dem LOESS smoother.
  •  Nachweis von Trendumkehr: 2-Abschnittsmodell basierend auf einem erweiterten linearen Regressionsmodell, welches die zu untersuchende Zeitreihe in 2 Abschnitte unterteilt und für beide Abschnitte eine lineare Anpassung durchgeführt.

Zusätzlich zu den vorgeschlagenen Methoden wurden Minimumerfordernisse an das Messnetz formuliert und ein Kriterium für die Prüfung dessen Repräsentativität formuliert. Weiters wurden Bedingungen an den Umgang mit Messwerten unterhalb der Bestimmungsgrenze und die Länge der zu betrachteten Zeitreihen definiert.

 

Ein einfaches Software-Tool (GWstat) wurde entwickelt, mit dem die vorgeschlagenen Methoden anhand von eigenen Testdatensätzen getestet werden können. GWstat ist kostenfrei verfügbar.