SPATIAL AND TEMPORAL CONSOLIDATION OF DRAINAGE WATER QUALITY MONITORING NETWORKS: A CASE STUDY FROM THE EL-SALAM CANAL PROJECT IN EGYPT

RÄUMLICHE UND ZEITLICHE KONSOLIDIERUNG IN DER ABWASSER-QUALITÄTSÜBERWACHUNG: EINE FALLSTUDIE AUS DEM EL-SALAM KANAL-PROJEKT IN ÄGYPTEN

  • El-Salam Canal Project aims at increasing the Egyptian agricultural productivity through agricultural and stock development by irrigating about 263,500 ha gross of new lands. In order to stretch the limited water supply to cover these reclaimed areas, fresh River Nile water is augmented with agriculture drainage water from Hadus and Lower Serw drains to meet crop requirements, especially during summer months (peak demand). With a growing population and intensified industrial and agricultural activities, water pollution is spreading in Egypt, especially in main drains, which receive almost all kinds of wastes (municipal, rural, domestic and industrial wastes). The medical records indicate that significant numbers of waterborne-disease cases (bilharzias, typhoid, paratyphoid, diarrhoea, hepatitis A, B and C) have been reported in many areas in Egypt (MOHP, 2000). The National Water Quality Monitoring Program (NWQMP) in Egypt covers the Nile River, irrigation canals, drains and groundwater aquifers to assess the status of water quality for different water uses and users. The overall objective of this research is to introduce a rationalization technique for the drainage water quality-monitoring network for Hadus drain as a main feeder of El-Salam Canal Project. Later on, this technique can be applied for other parts in the NWQMP. The rationalization process started firstly with assessing and reformulating the current objectives of the network. Then, the monitoring locations were identified using integrated logical and statistical approaches. Finally, a sampling frequency regime was recommended to facilitate proper and integrated information management. The monitoring objectives were classified into three classes: design oriented, short-term and long-term deductible objectives. Mainly, the objectives “assess compliance with standards”, “define water quality problems”, “determine fate and transport of pollutants”, “make waste-load allocations” and “detect possible trends” were considered in the redesign process of the network. A combination of uni-, bi-, and multi-variate statistical techniques supported by spatial and temporal analysis for the important tributaries (key players) in Hadus drain system, were used for locating the monitoring sites. The key players analysis was carried out in the light of monitoring objectives. As a result, the monitoring network was divided into three priority levels (Layers I, II and III) as following: Layer I: It has the highest priority level and includes eight monitoring locations Layer II: It has the second priority level and includes three monitoring locations Layer III: It has the lowest priority level and includes five monitoring locations Using the method proposed by Lettenmaier (1976), the sampling frequencies were initially estimated and then evaluated for 36 water quality parameters, which were collected on monthly basis during the period from August 1997 to January 2005. The evaluation process was carried out by generating new data sets (subsets) from the original data. Then, the common required statistics from the monitoring network were extracted. The information obtained from different data sets was assessed using visual and statistical comparisons. Three integrated validation methods were employed to ensure that any decisions concerning the proposed program would not affect its ability to accomplish the monitoring objectives. These validation methods employed: descriptive statistics, regression analysis and linear multiple regression in an integrated approach. The validation results ensured that excluding the monitoring locations in layer III did not significantly affect the information produced by the monitoring network. Therefore, a monitoring network including only 11 sites (out of 16) representing the layers I and II was recommended. Based on the evaluation of sampling frequencies, it is recommended to have 6 (instead of 12) samples per year for 18 water quality parameters (COD, TSS, TVS, N-NO3, Pb, Ca, Na, Cl, Visib, BOD, Cu, Fe, Mn, pH, TDS, K, SO4_m and DO). The measured parameter SO4m will automatically replace the SO4 (calculated). SAR and Adj. SAR also can be calculated from the other parameters. For the other fifteen parameters (Mg, EC, Br, Ni, Sal, Cd, TN, TP, Temp, Fecal, Coli and N-NH4, Zn, P and Turb), it is recommended to continue with twelve samples per year. These recommendations may ensure significant reduction in the total cost of the monitoring network. This facilitates a fiscal resource, which is a key prerequisite in developing a successful program. The rescued budget can be redirected to achieve better performance in terms of improving the current resources. In addition, a frame of stakeholders-participation mechanism was proposed to not only facilitate a better coordination among the Egyptian Ministries involved in the water sector but also guarantee effective landowners/farmers involvement. However, applying such a mechanism requires more detailed studies of all the previous experiences gained by many projects trying to achieve better integration between objectives, plans and activities for the different environmental institutions in Egypt.
  • Ziel des El-Salam-Kanal-Projekts ist die Steigerung der Leistungsfähigkeit von Ackerbau und Viehzucht in Ägypten durch landwirtschaftliche Entwicklung und Grundlagenverbesserung. Der Schlüssel hierzu liegt in der Bewässserung eines Gesamtgebietes von rund 263,500 ha neu gewonnenen Landes. Zur Versorgung dieses neu gewonnenen Landes wird das nur begrenzt zur Verfügung stehende Frischwasser aus dem Nil mit Wasser aus den landwirtschaflichen Entwässerungskanälen Hadus und Lower Serw gestreckt, um den Bedarf der Pflanzen, insbesondere während der Spitzenzeiten in den Sommermonaten zu decken. Durch das Bevölkerungswachstum in Ägypten und dem damit verbundenen Wachstum von Industrie und Landwirtschaft, nimmt auch die Wasserverschmutzung zu, vor allem in den Entwässerungskanälen, wo sich praktisch alle Arten der Verschmutzungen (kommunaler, landwirtschaftlicher, privathaushaltlicher und industrieller Herkunft) nachweisen lassen. Medizinische Aufzeichnungen weisen darauf hin, dass eine nicht unerhebliche Anzahl von Krankheiten, die mit Wasser in engem Zusammenhang stehen (z. B. Bilharziose, Typhus, Paratyphus, Hepatitis A, B und C) in vielen Gebieten Ägyptens bezeugt sind (MOHP, 2000). Das staatliche “National Water Quality Monitoring Program” (NWQMP) überwacht den Wasserzustand des Nils, der Be- und Entwässerungskanäle und der Grundwasserreserven und bewertet die Wasserqualität je nach Verbraucher und Verwendungszweck. Hauptziel der vorliegenden Untersuchung ist die Entwicklung von Rationalisierungsmaßnahmen des Netzwerkes zur Wasserqualitätsüberwachung im Hadus-Kanal, einer Hauptzufuhr des El-Salam-Kanal-Projekts. Die vorgestellten Maßnahmen können später auch in anderen Teilen des NWQMP Anwendung finden. Im Rationalisierungsprozess wurden zunächst die gegenwärtigen Ziele des Projekts bewertet und neu formuliert. Im zweiten Schritt wurden die Kontrollpunkte unter einheitlich logischen Gesichtspunkten und unter Heranziehung von statistischen Ansätzen festgelegt. Um ein einheitliches und zweckdienliches Informationsmanagement zu gewährleisten, wurde schließlich ein Messfrequenzsystem vorgeschlagen. Die Ziele der Qualitäskontrolle wurden klassifiziert nach zweckbezogenen und kurz- bzw. langfristig daraus ableitbaren Zielen. Folgende Ziele fanden bei der Neuformulierung des Netzwerks Berücksichtigung: Bewertung der Standardkonformität, Definition der Probleme der Wasserqualität, Bestimmung von Herkunft Stärke, Transport und Verbleib der Verschmutzungen sowie mögliche Trends. Zur Festlegung der Kontrollpunkte wurden uni-, bi- und multilvariable statistische Methoden zur Auswertung der räumlichen und zeitlichen Analyse der wichtigsten Zweigkanäle (Schlüsselkanäle) im Kanalsystem Hadus gewählt. Die Auswertung der Schlüsselkanäle fand unter dem Gesichtspunkt der Kontrollziele statt. Das Ergebnis war ein Kontrollnetzwerk, das in drei Prioritätsebenen eingeteilt werden kann: Ebene I mit höchste Priörität, sie umfasst acht Kontrollpunkte Ebene II mit nachgeordneter Priorität, sie umfasst drei Kontrollpunkte Ebene III mit der geringsten Priorität, sie umfasst fünf Kontrollpunkte Nach der von Lettenmaier (1976) vorgeschlagen Methode wurde die Häufigkeit der Probennahmen anfänglich geschätzt und dann anhand der Messungen von 36 Wasserqualitätsparametern, die in monatlichen Messungen in der Zeit von August 1997 bis Januar 2005 erhoben wurden, ausgewertet. Bei diesem Prozess wurden aus den ursprünglichen Daten neue Datensätze (Teilmengen) gewonnen. Daraufhin wurden die allgemein erforderlichen Statistiken aus dem Kontrollnetzwerk abgeleitet. Die Informationen aus den verschiedenen Datensätzen wurden mit Hilfe von optischen und statistischen Vergleichen bewertet. Um sicher zu stellen, dass eine getroffenen Entscheidung hinsichtlich des vorgeschlagenen Programms nicht die Fähigkeit der Entscheidung, die Kontrollziele zu erfüllen, beeinflussen würde, wurden drei zusammenhängende Methoden zur Prüfung der Stichhaltigkeit angewandt. Diese Methoden verwenden beschreibende Statistiken, Regressionsanalyse und lineare multiple Regression durch integrale Annäherung. Die Ergebnisse der Stichhaltigkeitsprüfung garantieren, dass die Weglassung der Kontrollpunkte aus Ebene III die aus dem Kontrollnetzwerk gewonnenen Informationen nicht entscheidend beeinflussen. Auf dieser Grundlage wird ein Kontrollnetzwerk vorgeschlagen mit nur 11 von insgesamt 16 Punkten, die die Ebenen I und II repräsentieren. Die Evaluierung der Messfrequenz legt eine Erhebung von 6 statt 12 Messungen pro Jahr für 18 Wasserqualitätsparameter (COD, TSS, TVS, N-NO3, Pb, Ca, Na, Cl, Visib, BOD, Cu, Fe, Mn, pH, TDS, K, SO4_m und DO) nahe. Der gemessene Wert für SO4_m ersetzt automatisch den errechneten Wert SO4. SAR und Adj. SAR können aus den anderen Parametern errechnet werden. Für die anderen fünfzehn Parameter (Mg, EC, Br, Ni, Sal, Cd, TN, TP, Temp, Fecal, Coli und N-NH4, Zn, P und Turb) wird empfohlen, mit zwölf Proben pro Jahr fortzufahren. Diese Empfehlungen stellen eine deutliche Verringerung der Gesamtkosten des Kontrollnetzes dar, was wiederum eine Grundvoraussetzung für die Entwicklung eines erfolgreichen Programms ist. Die Einsparungen im Etat können zur Verbesserung der momentanen Ressourcen wiedereingesetzt werden. Darüber hinaus wird ein Rahmenprogramm für alle beteiligten Interessengruppen vorgeschlagen, das einerseits die Kommunikation zwischen den im Bereich Wasser engagierten ägyptischen Ministerien verbessern soll, andererseits eine effiziente Einbindung der Landbesitzer und Bauern garantiert. Die Einführung eines solchen Systems verlangt jedoch detaillierte Studien auf der Grundlage der Erfahrungen aus vielen vorausgegangenen Projekten, die sich mit der Verbesserung zwischen Zielen, Plänen und Aktivitäten der verschiedenen Umweltinstitutionen in Ägypten befasst haben.

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Metadaten
Author:Mohamed Shaban Mohamed Abu-Salama
URN:urn:nbn:de:gbv:luen4-opus-110789
URL: https://pub-data.leuphana.de/frontdoor/index/index/docId/531
Advisor:Wolfgang Ruck (Prof. Dr.)
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2007
Date of Publication (online):2007/12/13
Publishing Institution:Leuphana Universität Lüneburg
Granting Institution:Leuphana Universität Lüneburg, Nachhaltigkeit
Date of final exam:2007/07/13
Release Date:2007/12/13
Tag:Multivariable Statistische Evaluierung; Network Konsolidierung; Umweltüberwachung; Wasserwirtschaft; Wasserzyklus
Environmental Monitoring; Multivariate Statistical Evaluation; Network Consolidation; Water Recycling; Water Resources Management
GND Keyword:Umweltüberwachung; Wasserwirtschaft; Multivariate Analyse; Abwasseranalyse
Institutes:Universität / Frühere Fachbereiche
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften