Ionic structure modeling of surface water from reservoirs in Metropolitan basin of Ceará State, Brazil using multiple linear regression

Abstract

The main goal of this work was to develop and validate multiple regression models to estimate the electrical conductivity of the surface water reservoir in the basin Metropolitan Ceará State, based on the concentration of the each investigated ion. The influence of ions on the values of EC formed by each group from a hierarchical cluster analysis – HCA was determined. The data were provided by the Company of Water Resources Management of Ceará and cover the period of 1998/2009. A total of 290 samples from seven reservoirs were used. The parameters evaluated were: Electrical conductivity of water (EC), Sodium (Na+), calcium (Ca+2), magnesium (Mg+2), chloride (Cl- ) and bicarbonate (HCO3-). The results showed that the HCA formed two distinct groups and the values of all parameters studied in the group 2 always presented with average highest than the group 1. The reservoirs in the group 1 (Castro and Pompeu Sobrinho) have the highest level of salinity in the Metropolitan basin. Chloride was present in the both models developed and it was the main ion responsible for the ionic composition of the EC. The statistical models developed had simulated values very close to those observed and this indicates a good accuracy of the models. According to the indices applied, calibrated and validated models showed good accuracy with indices Trusts (c) greater than 0.71, and with the indexes Willmott (id) greater than 0.85. This fact show a good performance of the models applied in this work. Resumo - Este trabalho foi realizado com o objetivo de desenvolver e validar modelos de regressão múltipla em que a condutividade elétrica das águas superficiais de reservatórios na bacia Metropolitana do Ceará, pudesse ser estimada com base na concentração de cada íon pesquisado, determinando, assim, a ordem de influência dos íons nos valores da CE, isso para cada grupo formado a partir de uma análise multivariada de agrupamento hierárquico - AAH. Os dados utilizados foram fornecidos pela Companhia de Gestão dos Recursos Hídricos do Ceará e contemplam o período de 1998/2009, com um total de 290 amostras de 7 reservatórios. As características avaliadas foram: Condutividade elétrica da água (CE), Sódio (Na+), Cálcio (Ca+2), Magnésio (Mg+2), Cloreto (Cl-) e Bicarbonato (HCO3-). Os resultados mostram que a AAH deu origem a dois grupos distintos, sendo que os valores de todas variáveis estudadas do grupo 2 apresentaram-se sempre com maiores médias em relação aos valores do grupo 1, mostrando que, os açudes que compõem esse grupo (Castro e Pompeu Sobrinho) apresentam maiores nível de salinidade na bacia Metropolitana. O cloreto se fez presente nos dois modelos desenvolvidos, sendo o principal íon responsável pela composição iônica da CE. Os modelos estatísticos desenvolvidos apresentaram valores simulados bem próximos dos observados, o que indica boa acuracidade de tais modelos. Pelos índices aplicados, os modelos calibrados e validados apresentaram boa precisão, com índices de confianças (c) superiores a 0,71; e índices de Willmott (id) maiores que 0,85; indicando bom desempenho dos modelos.

Keywords

• Irrigation
• Water salinity
• Ionic Composition
• Multivariate Statistics
• Semiarid