Combining multivariate statistical analysis with geographic information systems mapping: a tool for delineating groundwater contamination

Abstract

Multivariate Statistical Analysis (MSA) has successfully been coupled with geographic information system (GIS) mapping tools to delineate zones of aquifer contamination potential. While delineating contaminants is key to site remediation, it is often compromised by a poor understanding of hydrogeologic conditions, and by uncertainties in contaminant observations. MSA provides improved estimates of contamination potential by augmenting observed contaminant concentrations with auxiliary information from other water-quality parameters. GIS is useful for organizing and managing water-quality information by visually communicating large amounts of information. The proposed method first establishes appropriate areal extents, GIS coverages, and scales for displaying groundwater contamination concentrations of tritium and the volatile organic contaminants trichloroethylene (TCE) and tetrachloroethylene (PCE) at the Savannah River Site, South Carolina, USA. Principal components analysis is used to group variables that are most indicative of contamination potential. Tritium contamination potential is best represented as the combination of tritium with the cations Al, Mg, Na and total dissolved solids, while PCE contamination potential is predicted using PCE and Cl. Maps of contamination potentials for 1993–1995 geochemical data compare favorably with measured contaminant concentrations during 1999. Cluster analysis of water-quality data groups geochemical and contaminant concentrations into zones of homogeneous behavior.

Résumé

L’Analyse Statistique Multivariée (ASM) a été couplée avec succès avec les outils cartographiques des Sytèmes d’Information Géographique (SIG), afin de délimiter les zones à potentiel de contamination des aquifères. Alors que la connaissance de l’extension des contaminants est primordiale pour la réhabilitation des sites, elle est fréquemment compromise par une compréhension limitée du contexte hydrogéologique, et par les incertitudes sur l’observation des contaminants. L’ASM fournit une meilleure estimation du potentiel de contamination, en complétant les concentrations observées en contaminants par des informations annexes issues d’autres paramètres qualitatifs. Les SIG, par leurs capacités à conjuguer visuellement de grandes quantités d’information, sont utiles pour organiser et gérer les informations sur la qualité de l’eau. La première étape de la méthode proposée consiste à définir les limites spatiales appropriées, les couvertures SIG, ainsi que les échelles de visualisation des concentrations en contaminants des eaux souterraines, soit le tritium et les composés organiques volatiles trichloroéthylène et tetrachloroéthylène, sur le site de la rivière Savannah (Californie du Sud, USA). L’analyse en composantes principales est utilisée afin de regrouper les variables caractérisant de manière optimale le potentiel de contamination. Le potentiel de contamination en tritium est représenté le plus significativement par la combinaison du tritium, des cations Al, Mg et Na, et des solides dissous totaux (TDS). Le potentiel de contamination en tétrachloroéthylène est quant à lui estimé en utilisant le tetrachloroéthylène et Cl. Les cartes des potentiels de contamination établies sur les données géochimiques de la période 1993–1995 renvoient une image comparable aux concentrations en contaminants effectivement mesurées en 1999. Une analyse de groupement des données sur la qualité de l’eau rassemble les concentrations géochimiques et en contaminants dans des zones aux comportements homogènes.

Resumen

El Análisis Estadístico Multivariado (AEM) se ha acoplado con éxito con herramientas cartográficas del Sistema de Información Geográfico (SIG), para delinear zonas de potencial contaminación de acuíferos. En tanto que la delimitación de contaminantes es importante para recuperación del sitio, ella está a menudo amenazada por una comprensión pobre de las condiciones hidrogeológicas, y por las incertidumbres en las observaciones del contaminante. El AEM proporciona estimaciones mejoradas de contaminación potencial al aumentar las concentraciones observadas del contaminante, con la información auxiliar de otros parámetros de calidad de agua. El SIG es útil para organizar y manejar la información de calidad de agua, a través de la comunicación visual de cantidades grandes de información. El método propuesto establece primero magnitudes de área apropiadas, el área cubierta por el SIG, y las escalas para mostrar las concentraciones de contaminación del agua subterránea, a partir de tritio y de contaminantes orgánicos volátiles como tricloroetileno (TCE) y tetracloroetileno (PCE) en el sitio del Río al Savannah, Carolina del Sur, EE.UU. El análisis de componentes principales se usa para agrupar variables que son más indicativas de contaminación potencial. El potencial de contaminación Tritio, se representa mejor como la combinación de tritio con los cationes Al, Mg, Na y los sólidos disueltos totales, mientras la contaminación potencial de PCE se predice usando PCE y Cl. Los mapas de potenciales de contaminación para los datos geoquímicos de 1993–1995 se comparan favorablemente con las concentraciones medidas del contaminante durante 1999. El análisis de racimo hecho en datos de calidad de agua, agrupa concentraciones geoquímicas y concentraciones del contaminante en las zonas de comportamiento homogéneo.