Time series analyses of hydrological parameter variations and their correlations at a coastal area in Busan, South Korea

Abstract

Monitoring and time-series analysis of the hydrological parameters electrical conductivity (EC), water pressure, precipitation and tide were carried out, to understand the characteristics of the parameter variations and their correlations at a coastal area in Busan, South Korea. The monitoring data were collected at a sharp interface between freshwater and saline water at the depth of 25 m below ground. Two well-logging profiles showed that seawater intrusion has largely expanded (progressed inland), and has greatly affected the groundwater quality in a coastal aquifer of tuffaceous sedimentary rock over a 9-year period. According to the time series analyses, the periodograms of the hydrological parameters present very similar trends to the power spectral densities (PSD) of the hydrological parameters. Autocorrelation functions (ACF) and partial autocorrelation functions (PACF) of the hydrological parameters were produced to evaluate their self-correlations. The ACFs of all hydrologic parameters showed very good correlation over the entire time lag, but the PACF revealed that the correlations were good only at time lag 1. Crosscorrelation functions (CCF) were used to evaluate the correlations between the hydrological parameters and the characteristics of seawater intrusion in the coastal aquifer system. The CCFs showed that EC had a close relationship with water pressure and precipitation rather than tide. The CCFs of water pressure with tide and precipitation were in inverse proportion, and the CCF of water pressure with precipitation was larger than that with tide.

Résumé

Un suivi et des analyses des séries chronologiques de paramètres hydrologiques, tels que la conductivité électrique (CE), la pression de l’eau, les précipitations et la marée ont été effectués, afin de comprendre les caractéristiques des variations des paramètres et leurs corrélations dans la zone côtière de Busan, en Corée du Sud. Les données du suivi ont été collectées au niveau de l’interface abrupte entre l’eau douce et l’eau salée à une profondeur de 25 m sous la surface du sol. Deux diagraphies en forage ont montré que l’intrusion d’eau de mer s’est largement répandue (à l’intérieur des terres), et a fortement impacté la qualité des eaux souterraines dans l’aquifère côtier constitué de roches sédimentaires tufacées au cours d’une période de 9 ans. Selon les séries chronologiques, les périodogrammes des paramètres hydrologiques montrent des tendances similaires aux densités spectrales de puissance (DSP) des paramètres hydrologiques. Les fonctions d’autocorrélation (FAC) et les fonctions d’autocorrélation partielle (FACP) des paramètres hydrologiques ont été obtenues pour évaluer leurs corrélations. Les FAC de tous les paramètres hydrologiques ont montré de très bonnes corrélations sur l’ensemble des décalages temporels, mais les FACP ont mis en évidence de bonnes corrélations uniquement pour le décalage temporel 1. Les fonctions de corrélation croisée (FCC) ont été utilisées pour évaluer les corrélations entre les paramètres hydrologiques et les caractéristiques de l’intrusion saline dans le système aquifère côtier. Les FCC ont montré que la CE est étroitement corrélée avec la pression de l’eau et les précipitations, plutôt qu’avec la marée. Les FCC de la pression de l’eau avec la marée et les précipitations sont inversement proportionnelles, et la FCC de la pression de l’eau est plus grande que celle avec la marée.

Resumen

Se realizó un monitoreo y el análisis de series de tiempo de los parámetros hidrológicos, conductividad eléctrica (EC), presión del agua, precipitación y marea, para comprender las características de las variaciones en los parámetros y sus correlaciones en una zona costera en Busan, Corea del Sur. Los datos de monitoreo se recolectaron en una nítida interfaz entre agua dulce y agua salina a una profundidad de 25 m bajo el nivel del terreno. Los registros de dos perfiles de pozos mostraron que la intrusión de agua de mar se expandió ampliamente (avanzó hacia el interior) y afectó en gran medida a la calidad del agua subterránea en un acuífero costero de rocas sedimentarias tufáceas durante un período de 9 años. Según los análisis de las series temporales, los periodogramas presentan tendencias muy similares a las densidades espectrales de potencia (DPS) de los parámetros hidrológicos. Para evaluar las autocorrelaciones de los parámetros hidrológicos se generaron las funciones de autocorrelación (ACF) y de autocorrelación parcial (PACF). Las ACF de todos los parámetros hidrológicos mostraron muy buena correlación durante todo el intervalo de tiempo, pero las PACF revelaron que las correlaciones eran buenas solo en el desfase temporal 1. Las funciones de correlación cruzada (CCF) se utilizaron para evaluar las correlaciones entre los parámetros hidrológicos y las características de la intrusión de agua de mar en el sistema acuífero costero. Las CCF mostraron que la CE tenía una estrecha relación con la presión del agua y la precipitación más que con la marea. Las CCF de la presión del agua con la marea y la precipitación fueron en proporción inversa, y las CCF de la presión del agua con la precipitación fue mayor que con la marea.

نبذة مختصرة.

تم إجراء عمليات رصد وتحليل لسلاسل المعامِلات الهيدرولوجية الزمنية: التوصيل الكهربائي (EC)، والضغط المائي، ونسبة امتصاص الأمطار، والمد والجزر لفهم التغيرات التي تطرأ على خصائص هذه المعامِلات وارتباطاتها في احدى المناطق الساحلية في بوسان بكوريا الجنوبية. وقد جُمعت بيانات الرصد في الحد الفاصل بين المياه العذبة والمالحة على عمق 25 متراً تحت سطح الأرض، حيث أظهر تسجيل القراءات في بئرين أن مياه البحر المالحة توسعت بشكل كبير (تقدمت باتجاه اليابسة)، مما أدى الى تأثيرها بصورة ملحوظة على جودة المياه الجوفية لخزان ساحلي مكون من صخور التف الرسوبية لفترة تمتد الى 9 سنين. وطبقاً لتحليل السلاسل الزمنية فان تمثيل الفترات الزمنية للمعامِلات الهيدرولوجية يُفصح عن اتجاهات متماثلة لكثافة القدرة الطيفية (PDS) لهذه المعامِلات. تم ايضاً توليد دوال الارتباط الذاتي (ACF)، ودوال الارتباط الذاتي الجزئي (PACF) للمعامِلات الهيدرولوجية بغرض التقييم الذاتي للارتباطات. وقد أظهرت دوال الارتباط الذاتي (ACF) لجميع المعامِلات الهيدرولوجية ارتباطاتٍ جيدة جداً على طول الفارق الزمني، بينما أظهرت دوال الارتباط الذاتي الجزئي (PACF) أن الارتباطات كانت جيدة في الفارق الزمني الأول فقط. تم أيضاً استخدام دوال الارتباط المتبادل (CCF) لتقييم الارتباطات بين المعامِلات الهيدرولوجية وخصائص مياه البحر المالحة التي تقدمت واخترقت الخزان الساحلي. وقد أظهرت دوال الارتباط المتبادل (CCF) أن التوصيل الكهربائي (EC) له علاقة وثيقة مع الضغط المائي ونسبة امتصاص الأمطار مقابل علاقته مع المد والجزر، وأظهرت دوال الارتباط المتبادل (CCF) للضغط المائي علاقة تناسب عكسي مع المد والجزر ونسبة امتصاص الأمطار، حيث أن دوال الارتباط المتبادل (CCF) للضغط المائي مع نسبة امتصاص الأمطار كانت أكبر منها مع المد والجزر.

সারকথা

বুসান, দক্ষিণ কোরিয়া উপকূলীয় অঞ্চলে প্যারামিটার বৈচিত্র এবং তাদের পারস্পরিক সম্পর্কের বৈশিষ্ট্যগুলি বোঝার জন্য জলবাহী প্যারামিটারের তড়িৎ পরিবাহিতা (ইসি), জল চাপ, বৃষ্টিপাত এবং জোয়ার নিরীক্ষণ এবং সময়-সিরিজ বিশ্লেষণ করা হয়েছিল। মাটির নীচের ২৫ মিটার গভীরতার মধ্যে তাজা জল এবং লবণাক্ত জল এর মধ্যে একটি ধারালো ইন্টারফেসে পর্যবেক্ষণকৃত তথ্য সংগ্রহ করা হয়েছিল। দুটি ভাল লগিং প্রোফাইলে দেখিয়েছে যে সমুদ্রপৃষ্ঠের ঘিরে ব্যাপকভাবে বিস্তৃত (অভ্যন্তরীণ প্রগতিশীল) বিস্তৃত, এবং ৯ বছরের সময়ের মধ্যে টফ্রেসিয়াস পাললিক শিলা উপকূলীয় জীবাশ্মে ভূগর্ভস্থ পানির গুণমানকে ব্যাপকভাবে প্রভাবিত করেছে। সময় সিরিজের বিশ্লেষণ অনুযায়ী, জলবিদ্যুৎ প্যারামিটারের সময়সীমার জলড্রালিয়াল প্যারামিটারগুলির বিদ্যুৎ বর্ণালী ঘনত্ব (পি এস ডি) তে খুব অনুরূপ প্রবণতা উপস্থাপন করে। স্বায়ত্তশাসন ফাংশন (এ সি এফ) এবং জলবাহী প্যারামিটারের আংশিক স্বায়ত্তশাসন ফাংশন (পি এসি এফ) তাদের আত্ম-সম্পর্কের মূল্যায়ন করতে উত্পাদিত হয়। সমস্ত হাইড্রোলজিক পরামিতিগুলির (এ সি এফ) পুরো সময়কালের মধ্যে খুব ভাল সম্পর্ক দেখিয়েছে, কিন্তু পিএসিএফ জানায় যে, সম্পর্কগুলি কেবল সময়ের ব্যবধানে ভাল ছিল ১. জল সম্পর্কীয় প্যারামিটার এবং বৈশিষ্ট্যগুলির মধ্যে পারস্পরিক সম্পর্ক নির্ণয় করার জন্য ক্রস ক্রস ক্রসনলেশন ফাংশন (সি সি এফ) ব্যবহৃত হয়েছিল উপকূলীয় জলজ প্রাণী সিস্টেমের মধ্যে সমুদ্রপৃষ্ঠের অনুপ্রবেশের। সিসিএফস দেখিয়েছে যে “ই সি” এর জোয়ার চাপের পরিবর্তে জল চাপ এবং বৃষ্টিপাতের সাথে ঘনিষ্ঠ সম্পর্ক রয়েছে। জোয়ার এবং বৃষ্টিপাতের সঙ্গে জল চাপ “সি সি এফ” বিপরীত অনুপাত ছিল, এবং বৃষ্টিপাতের সঙ্গে জল চাপ সিসিএফ জোয়ার সঙ্গে যে চেয়ে বড় ছিল।.

摘要

进行了水文参数电导率、水压、降水和潮汐监测和时序分析,目的就是了解韩国南部Busan沿海地区参数变化特征及其相关性。收集了地下25米处淡水和咸水界面的监测数据。两个录井剖面显示海水入侵大幅扩张(趋向陆地),在过去九年期间大大影响了凝灰质沉积岩沿海含水层的地下水水质。根据时序分析,水文参数周期图显示出与水文参数能谱密度非常类似的趋势。得出了水文参数自相关函数和部分自相关函数用来评估他们的自相关性。所有的水文参数自相关函数在整个时间滞后上显示出非常好的相关性,但是部分自相关函数显示相关性只有在时间滞后1上非常好。交叉相关性函数用来评估沿海含水层系统的水文参数和海水入侵特征之间的相关性。交叉相关性函数显示,电导率与水压和降水而不是潮汐有非常紧密的关系。水压与潮汐和降水的交叉相关性函数呈反比,水压与降水的交叉相关性函数比其与潮汐的交叉相关性函数要大。

सार

बुसान, दक्षिण कोरिया के तटीय इलाके में पैरामीटर विविधताओं की विशेषताओं और उनके संबंधों की विशेषताओं को समझने के लिए, जलविद्युत पैरामीटर, विद्युत चालकता (ईसी), जल दबाव, वर्षा और ज्वार की निगरानी और समय-श्रृंखला विश्लेषण किया गया। निगरानी के आंकड़े ताजे पानी और खारा पानी के बीच एक तेज अंतर पर जमीन से नीचे २५ मीटर की गहराई पर एकत्र किए गए थे। दो अच्छी तरह से लॉगिंग प्रोफाइल ने दिखाया है कि समुद्री जल घुसपैठ ने बड़े पैमाने पर विस्तार किया (अंतर्देशीय प्रगतिशील) है, और नौ साल की अवधि में तफ़सील तलछटी रॉक के तटीय जलीय जल में भूजल की गुणवत्ता को बहुत प्रभावित किया है। समय श्रृंखला के विश्लेषण के अनुसार, जल विज्ञान मापदंडों के कालक्रमों में हाइड्रोलॉजिकल मापदंडों की शक्ति वर्णक्रमीय घनत्व (पी एस डी) के लिए बहुत समान रुझान मौजूद हैं। हाइड्रॉलॉजिकल मापदंडों के आटोोकोरेरलिलेशन फ़ंक्शन (ए सी एफ) और आंशिक ऑटोोकोर्रेलेशन फ़ंक्शन (पीएसीएफ) को उनके स्वयं-सहसंबंधों का मूल्यांकन करने के लिए तैयार किया गया था। सभी हाइड्रोलोजी मापदंडों के एसीएफ पूरे समय के अंतराल पर बहुत अच्छा संबंध दिखाते हैं, लेकिन पीएसीएफ ने बताया कि सहसंबंध केवल समय के अंतराल पर अच्छा थे १. जल संबंधों के कार्यों (सी सी एफ) का उपयोग जल-संबंधी मापदंडों और विशेषताओं के बीच के संबंधों का मूल्यांकन करने के लिए किया गया था तटीय जलविस्फोट प्रणाली में समुद्री जल का घुसपैठ सीसीएफ ने दिखाया कि ईसी का पानी के दबाव के साथ घनिष्ठ संबंध था और ज्वार की बजाय वर्षा होती थी। ज्वार और वर्षा के साथ पानी के दबाव के सीसीएफ व्युत्क्रम अनुपात में थे, और वर्षा के साथ पानी के दबाव का सीसीएफ ज्वार के मुकाबले बड़ा था।.

초록

전기전도도, 수압, 강수량 및 조석 등의 수문인자에 대한 모니터링과 시계열분석이 대한민국 부산의 해안지역에서 그 인자들의 변동특성과 상관성을 파악하기 위하여 수행되었다. 관측 자료는 해수와 담수의 경계면이 위치하는 25 m 심도에서 수집되었다. 2개의 지하수공 검층 자료에 의하면 9년 동안에 해수침투가 크게 확장되어 응회암질 퇴적암 대수층내의 해안 지하수 수질에 크게 영향을 주었다. 시계열자료 분석에 의하면, 수문인자들의 주기도는 파우어스펙트럭밀도(PSD)와 매우 유사하다. 수문인자들의 자기상관함수(ACF)와 편자기상관함수(PACF)가 자기유사성을 평가하기 위하여 만들어졌는 데, 모든 수문자료의 자기상관함수는 전 시차에서 매우 좋은 상관성을 나타내었으나, 편자기함수는 시차 1에서만 좋은 상관성을 나타내었다. 교차상관함수(CCF)가 또한 수문인자와 해안대수층에 대한 해수침투와의 상관성을 파악하기 위하여 이용되었다. 교차상관함수에 의하면 전기전도도는 조석보다는 수압과 강수량에 밀접한 관련이 있다. 수압과 조석 및 강수량과의 관계는 역의 상관성이 있으며, 수압은 조석보다는 강수량에 상관성이 더 큰 것으로 나타났다.

Resumo

Monitoramento e análise de series temporais dos parâmetros hidrológicos condutividade elétrica (CE), pressão da água, precipitação e marés foram conduzidos para entender as características da variação dos parâmetros e suas correlações em uma área costeira em Busan, Coréia do Sul. Os dados de monitoramento foram coletados na superfície abrupta entre as águas doces e as águas salinas a uma profundidade de 25 m abaixo da superfície. Dois perfis geofísicos de poços mostraram que a intrusão de água do mar foi largamente expandida (progressão ao continente), e afetou amplamente a qualidade das águas subterrâneas em um aquífero costeiro de rocha sedimentar tufosa ao longo de um período de 9 anos. De acordo com a análise de séries temporais, os periodogramas dos parâmetros hidrológicos apresentaram tendências muito similares às densidades espectrais (PSD) dos parâmetros hidrológicos. Funções de autocorrelação (FAC) e funções de autocorrelação parciais (FACP) dos parâmetros hidrológicos foram produzidas para avaliar as próprias correlações. As FAC de todos os parâmetros hidrológicos mostraram uma correlação muito boa em todo o intervalo de tempo, mas as FACP revelaram que as correlações eram boas apenas no intervalo de tempo 1. As funções de correlação cruzada (FCC) foram utilizadas para avaliar as correlações entre os parâmetros hidrológicos e as características de intrusão de água do mar no sistema aquífero costeiro. As FCC mostraram que a CE teve uma relação estreita com a pressão da água e a precipitação ao invés da maré. As FCC da pressão da água com maré e precipitação estavam em proporção inversa, e a FCC da pressão da água com precipitação foi maior que o da maré.

Özet

Güney Kore, Busan sahilindeki bir alanda, parametre değişkenliklerinin ve bunların korelasyonlarının özelliklerini anlamak için, elektrik iletkenliği (EC), su basıncı, yağış ve gelgit gibi hidrolojik parametreler izlenmiş ve zaman serileri analizi gerçekleştirilmiştir. İzleme verileri, tatlı su ile tuzlu su arasındaki keskin bir ara yüzden ve yüzeyden 25 m derinlikten toplanmıştır. İki kuyu logu profili, deniz suyu girişiminin büyük oranda genişlediğini (kıyı içine ilerlediğini) ve dokuz yıllık bir süre içinde tüflü sedimanter kayadan oluşan kıyı akiferinde, yeraltı sularının kalitesini büyük ölçüde etkilediğini göstermiştir. Zaman serileri analizlerine göre, hidrolojik parametrelerin periyodogramları, hidrolojik parametrelerin güç spektral yoğunluğuna (PSD) çok benzer trendler sunmaktadır. Öz-korelasyonlarını değerlendirmek için, hidrolojik parametrelerin otokorelasyon fonksiyonları (ACF) ve kısmi otokorelasyon fonksiyonları (PACF) üretilmiştir. Bütün hidrolojik parametrelerin ACF’leri, tüm gecikme (lag) süresi boyunca çok iyi korelasyon göstermiş; ancak PACF, korelasyonların sadece lag 1’de iyi olduğunu ortaya koymuştur. Hidrolojik parametreler ve kıyı akifer sisteminde görülen deniz suyu girişiminin özellikleri arasındaki korelasyonları değerlendirmek için çapraz korelasyon fonksiyonları (CCF) kullanılmıştır. CCF’ler, EC’nin gelgitten ziyade, su basıncı ve yağış ile yakın ilişkili olduğunu göstermiştir. Su basıncı ile gelgit ve yağışın CCF’lerinin ters orantılı olduğu, su basıncı ile yağışın CCF’sinin ise, su basıncı ile gelgitin CCF’sinden daha büyük olduğu belirlenmiştir.

Trừu tượng

Theo dõi và phân tích chuỗi thời gian của các thông số thuỷ văn dẫn điện, áp suất nước, lượng mưa và thủy triều đã được thực hiện, để hiểu được đặc điểm của các biến số, tham số và tương quan của chúng tại các khu vực ven biển ở Busan, Hàn Quốc. Các dữ liệu giám sát được thu thập ở một điểm tiếp xúc giữa nước ngọt và nước mặn ở độ sâu 25 m dưới mặt đất. Hai hồ sơ cho thấy sự xâm nhập của nước biển đã được mở rộng (đã tiến triển trong nội địa) và đã ảnh hưởng lớn đến chất lượng nước ngầm trong một bể chứa đá trầm tích thạch anh trong 9 năm. Theo phân tích chuỗi thời gian, các khoảng thời gian của các thông số thuỷ văn có xu hướng rất giống với mật độ phổ công suất (PSD) của các tham số thuỷ văn. Các chức năng tự tương quan (ACF) và các chức năng tự tương quan một phần (PACF) của các thông số thuỷ văn đã được tạo ra để đánh giá sự tương quan của chúng. ACFs của tất cả các thông sốthuỷ văn cho thấy mối tương quan rất tốt trong suốt thời gian trễ, nhưng PACF cho thấy tương quan chỉ tốt ở thời gian trễ 1. Các chức năng tương quan chéo (CCF) được sử dụng để đánh giá mối tương quan giữa các tham số thuỷ văn và các đặc tính xâm nhập của nước biển trong hệ thống tầng nước ngầm ven biển. Các CCFs cho thấy EC đã có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất nước và lượng mưa hơn là thủy triều. Các CCF của áp suất nước với thủy triều và lượng mưa có tỷ lệ ngược, và CCF của áp suất nước với lượng mưa lớn hơn so với thủy triều.