Grey degree and grey prediction of groundwater head

Boundary types and geologic conditions, which possess random and obscure characteristics, produce variations in groundwater heads. In this study, a groundwater flow system was regarded as a grey system and a grey degree defined and quantified those characteristics. Data were obtained from field records in Gao-Shu and De-Xie Stations, which are located in the upper and middle sites of Pingtung Plain, Taiwan, respectively. An estimated interval was used to represent the upper and lower groundwater head limits. The analyses showed that the grey degree in the wet season was smaller than in the dry season. This was due to the greater uncertainty in groundwater pumping and rainfall recharge in the dry season. With high confidence levels, the grey degree of the groundwater heads decreased. Under spatial distribution, the uncertainty of the groundwater pumping and rainfall recharge in the middle zone was greater than in the upper zone because the middle zone included residential districts and agricultural regions. Thus, the grey degree in the upper zone was less than the middle zone. The grey model can be used to predict a groundwater head based on the observed groundwater head data and the random degree in the groundwater head each month can be judged by the grey interval.     

Study on the relationship between lineaments and borehole specific capacity in a fractured and karstified limestone area in Vietnam

For a karstified limestone area in NW Vietnam, the relationship between the distribution of lineaments and borehole specific capacity is determined, resulting in the conclusion that not only the borehole geomorphological-hydrogeological position but also the lineament distribution influences the specific capacity.No significant spatial well yield patterns are evident in this highly fractured-karstified region. The supposition is that lineaments caused by geotectonic activities affect the local variability in borehole specific capacity. Sixteen pumping tests in conjunction with a comprehensive lineament analysis are used to prove this relationship. The boreholes and lineaments are classified into two groups according to their similarity in geomorphological-hydrogeological features. Lineaments tend to be less detectable in discharge areas (lowland, wide and flat valleys) in contrast to the high density in recharge areas (highland narrow-mountainous ravines). In addition, the presence of a stream network in the former can act as a recharge source to the underlain karstic groundwater system. Consequently, boreholes that are in the discharge areas with a lower density of lineaments often produce high yield. For recharge areas with a high density of lineaments, a good correlation is found between lineament density and borehole specific capacity.

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Resumen El resultado ha sido la conclusión de que tanto la distribución de lineamientos como el nivel base local de erosión, i. e. la red de arroyos, influyen el rendimiento de los pozos. No hay ningún patrón evidente significativo de rendimiento de pozos según parámetros espaciales en esta región altamente karstificada y fracturada. La suposición es que los lineamientos causados por actividad geotectónica afectan la variabilidad local de rendimiento de los pozos. Se han utilizado dieciséis pruebas de bombeo en conjunción con un análisis de lineamientos amplio para descubrir la relación. Los pozos y lineamientos se han clasificado en dos grupos de acuerdo con sus similitudes en rasgos geomorfológicos-hidrogeológicos. Se tiende a detectar menos lineamientos en valles anchos y planos en contraste con la alta densidad en áreas de valles montaosos angostos. Adicionalmente, la presencia de una red de arroyos en estos últimos puede actuar como fuente de recarga del sistema de aguas subterráneas kárstico subyacente. En consecuencia, los pozos que se encuentran en el área con una menor densidad de lineamientos pero cercanos a un nivel local base de erosión frecuentemente tienen un rendimiento alto. En el caso de los valles angostos con una alta densidad de lineamientos, se ha encontrado una correlación alta entre densidad de lineamientos y rendimiento de pozos.

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Résumé La relation entre la distribution des linéaments et le rendement des puits est déterminée pour une région dans le nord ouest du Vietnam composée de calcaires karstiques. La conclusion qui résulte de lanalyse de cette relation est que la distribution des linéaments ainsi que leur niveau local dérosion affectent le rendement des puits. Aucune tendance na été observée dans la distribution spatiale des puits selon leur rendement au sein de cette région karstique grandement fracturée. On suppose que les linéaments produits par lactivité géotectonique ont une influence sur la variabilité locale du rendement des puits. Les résultats de seize essais de pompage et une analyse complète des linéaments sont utilisés pour établir la relation. Les puits et les linéaments sont classés en deux groupes selon la similarité de leur caractéristiques géomorphologiques et hydrogéologiques. Les linéaments sont plus difficilement repérables dans les grandes vallées plates que dans les étroites vallées de montagne, qui présentent une densité élevée de linéaments. De plus, la présence de rivières dans les premières peut contribuer à la recharge du système découlement souterrain karstique sous-jacent. Par conséquent, les puits situés dans les régions à faible densité en linéaments, mais qui se trouvent près de linéaments à niveau local dérosion élevé présentent souvent un rendement élevé. Dans les vallées étroites ayant une grande densité de linéaments, il y a généralement une corrélation élevée entre la densité des linéaments et le rendement des puits.

     

The use of temperature,stable isotopes and water quality to determine the pattern and spatial extent of groundwater flow: Nagaoka area,Japan

The purpose of this study was to trace the groundwater flow system in the Nagaoka area using subsurface temperature distribution, stable isotopes and water quality. Temperature-depth profiles were measured four times in observation wells during the period 2000–2002. Water was sampled from both observation and pumping wells during the same period. A combination of tracers was used to conceptualize the groundwater flow system. The flow system appears to be divided into shallow, intermediate and deep systems. It is clear that land use, pumping and the infiltration rate are affecting the shallow flow system.An erratum to this article can be found at     

Hydrochemical tracers in the middle Rio Grande Basin,USA: 2. Calibration of a groundwater-flow model

The calibration of a groundwater model with the aid of hydrochemical data has demonstrated that low recharge rates in the Middle Rio Grande Basin may be responsible for a groundwater trough in the center of the basin and for a substantial amount of Rio Grande water in the regional flow system. Earlier models of the basin had difficulty reproducing these features without any hydrochemical data to constrain the rates and distribution of recharge. The objective of this study was to use the large quantity of available hydrochemical data to help calibrate the model parameters, including the recharge rates. The model was constructed using the US Geological Surveys software MODFLOW, MODPATH, and UCODE, and calibrated using ¹⁴C activities and the positions of certain flow zones defined by the hydrochemical data. Parameter estimation was performed using a combination of nonlinear regression techniques and a manual search for the minimum difference between field and simulated observations. The calibrated recharge values were substantially smaller than those used in previous models. Results from a 30,000-year transient simulation suggest that recharge was at a maximum about 20,000 years ago and at a minimum about 10,000 years ago.

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Resumen La calibración de un modelo de aguas subterráneas con el apoyo de datos hidroquímicos ha demostrado que la recarga relativamente baja en la cuenca media del Río Grande es probablemente responsable de una depresión de aguas subterráneas en el centro de la cuenca y de la presencia de una cantidad considerable de agua del Río Grande en el acuífero del Grupo Santa Fe. Los modelos propuestos con anterioridad para la cuenca tenían dificultades para reproducir estas características ya que no tenían datos hidroquímicos que permitieran delimitar los ritmos y distribución de recarga. El objetivo del presente estudio consistió en utilizar una gran cantidad de datos hidroquímicos disponibles para ayudar a calibrar los parámetros del modelo, incluyendo los ritmos de recarga. El modelo se construyó utilizando los modelos MODFLOW, MODPATH, y UCODE del USGS, mientras que la calibración se realizó en base a concentraciones de ¹⁴C y a la posición de ciertas zonas definidas con los datos hidroquímicos. La estimación de parámetros se realizó en base a una combinación de técnicas de regresiones no lineares y a una búsqueda a viva fuerza del error mínimo entre los datos observados y los simulados. Los valores de recarga calibrados fueron significativamente más bajos que los estimados en los modelos anteriores. Los resultados de una simulación transitoria de 30,000 años sugieren que la recarga durante la última glacial máxima (LGM) fue diez veces el ritmo moderno, pero que la recarga que ocurrió inmediatamente después de la LGM fue más baja que el ritmo moderno.

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Résumé Le calibrage dun modèle hydrogéologique avec laide de données hydrochimiques a démontré que la recharge relativement faible dans le Grand Bassin du Middle Rio est vraisemblablement responsable dune dépression des eaux souterraines dans le centre du bassin et de la présence dune quantité substantielle deau du Rio Grande dans laquifère du Groupe de Santa Fe. Les modèles antérieurs avaient des difficultés à reproduire ses conclusions sans laide de données hydrochimiques pour contraindre les taux et la distribution de la recharge. Lobjectif de cette étude était dutiliser une grande quantité de données hydrochimiques permettant de calibrer les paramètres du modèle, et notamment les taux de recharge. Le modèle a été construit avec les logiciels MODFLOW, MODPATH et UCODE, et calibré en utilisant les concentrations en ¹⁴C et la position de certaines zones définies par les données hydrochimiques. Lestimation de certains paramètres a été réalisée en utilisant une combinaison de techniques de régression non linéaire et une méthode de recherche exhaustive (Brute Force Search) de lerreur minimum entre les résultats des observations et les simulations. Les valeurs de la recharge calibrée sont substantiellement plus basses que celles estimées dans les modèles antérieurs. Les résultats dune simulation en régime transitoire sur 30.000 ans suggèrent que la recharge au maximum de la dernière glaciation (last glacial maximum, LGM) était 10 fois supérieure au taux actuel, mais que la recharge qui a suivit la LGM était plus bas que la recharge actuelle.

     

A comparison of electrical and electromagnetic methods for the detection of hydraulic pathways in a fractured rock aquifer,Clare Valley,South Australia

Within fractured rock, the irregular and often unpredictable distribution and geometry of hydraulically conductive fractures produces large spatial variations in bore yield and groundwater quality. As fractures act as conduits for flow of both groundwater and electrical charge, methods which can efficiently detect the distribution of electrical pathways can be used to infer characteristics of significant hydrological parameters. This study compares the capabilities and limitations of electrical data obtained from direct current (DC) and electromagnetic (EM) surface azimuthal measurements, and from DC borehole-to-surface and cross-borehole measurements, for the interpretation of major hydrological structures in Clare Valley, South Australia. Electrical and EM surface methods are limited by poor depth sensitivity and the presence of conductive overburden, but provide useful tools for determining directional variations in resistivity at sites lacking bedrock exposure and boreholes. Application of borehole-to-surface methods yielded a better-resolved interpretation of sub-vertical fracture strike and was useful in identifying lateral variations in bedrock heterogeneity. Improved flexibility and sensitivity to measurements at depth permitted cross-borehole electrical tomography data to be used in reconstructing the spatial distribution of sub-horizontal, laterally extensive, electrically conductive zones. While the technique is restricted to small-scale sites with multiple boreholes, inferences can be made on fluid connections over a much larger regional scale. It is important to note, however, that while electrical methods provide valuable information about in-situ hydraulic pathways, they do not provide a complete hydraulic characterisation. Such a task requires integration of surface and borehole geophysics, geologic mapping, sampling and pumping tests of wells with packed-off intervals.

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Resumen La geometría, y con frecuencia impredecible, distribución irregular de fracturas hidráulicamente conductivas dentro de roca fracturada genera variaciones espaciales grandes en producción de pozos y calidad de agua subterránea. Debido a que las fracturas actúan como conductos de flujo de agua y carga eléctrica, los métodos que detectan eficientemente la distribución de trayectorias eléctricas pueden utilizarse para inferir las características de parámetros hidrológicos significativos. Este estudio compara las capacidades y limitaciones de datos eléctricos obtenidos de mediciones azimutales superficiales electromagnéticas (EM) y de corriente directa (DC), y de mediciones de DC realizadas en la superficie y pozos así como mediciones realizadas entre pozos para la interpretación de estructuras hidrológicas principales en el Valle Clare, sur de Australia. Los métodos superficiales eléctricos y EM están limitados por sensitividad de profundidad pobre y la presencia de cubierta conductiva, pero aportan herramientas útiles para determinar variaciones direccionales de resistividad en sitios que carecen de pozos y afloramientos rocosos. La aplicación de métodos superficiales y de pozos aportan una mejor interpretación del rumbo de fracturas sub-verticales y fue útil en identificar variaciones laterales en la heterogeneidad del macizo rocoso. El mejoramiento de flexibilidad y sensitividad en las mediciones profundas permitió que los datos de tomografía eléctrica de los pozos fuera utilizado en la reconstrucción de la distribución espacial de zonas eléctricas conductivas, sub-horizontales y lateralmente extensas. Aunque la técnica está restringida a sitios de pequeña escala con múltiples pozos, puede realizarse inferencias sobre relaciones entre fluidos en una escala regional mucho más grande. Sin embargo, es importante notar que aunque los métodos eléctricos aportan información valiosa acerca de las trayectorias hidráulicas in-situ, aún no proporcionan una caracterización hidráulica completa. Esta tarea requiere integrar geofísica superficial y de pozos, mapeo geológico, muestreo y pruebas de bombeo en pozos con intervalos sin empaque.

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Résumé Au sein des roches fracturées, lirrégularité et limprédictible distribution et géométrie des fractures par lesquelles sécoulent leau souterraine produit de larges variations spatiales entre les débits des forages et les paramètres de la qualité de leau. Comme les fractures conduisent et leau et les charges électriques, les méthodes qui peuvent de manière efficiente détecter la distribution des courants électriques peuvent être utilisées pour analyser les caractéristiques des principaux paramètres hydrologiques. Cette étude compare les capacités et les limites des données produites par Courant Direct (DC en Anglais) et par mesure Electromagnétique azimutale de surface (EM en Anglais), et par DC entre surface et forage et entre plusieurs forages, pour linterprétation de la structure hydrologique de la Vallée de Clare, Australie du Sud. Les méthodes électriques et électromagnétiques sont limitées par la faible sensitivité à la profondeur et la présence dune couverture conductrice, mais procure des outils utiles pour déterminer les variations directionnelles en terme de résistivité là où la roche nest pas affleurante et dans les puits. Lapplication de la méthode dinvestigation «forage à surface» apporte une meilleure interprétation des fractures sub-verticales et des hétérogénéités latérales. Les tomographies électriques entre forage bénéficient de la flexibilité et de la sensibilité des mesures en profondeur, et permettent de délimiter lextension latérale des hétérogénéités sub-horizontales de zones conductrices. Alors que la technique est restreinte à de petits sites comprenant de nombreux forages, il est possible de reconstituer les connections hydrauliques à des échelles régionales. Il est important de noter que les méthodes fournissent des informations intéressantes mais pas des caractérisations hydrauliques complètes. Pour cela les données pourraient être complétées par des études plus poussées intégrant les différentes prospections géophysique, les données des cartes géologiques, des échantillonnages et des essais de pompage à différents intervalles de profondeur.

     

Dual-porosity modeling of groundwater recharge: testing a quick calibration using in situ moisture measurements,Areuse River Delta,Switzerland

A simple method for calibrating the dual-porosity MACRO model via in situ TDR measurements during a brief infiltration run (2.8 h) is proposed with the aim of estimating local groundwater recharge (GR). The recharge was modeled firstly by considering the entire 3 m of unsaturated soil, and secondly by considering only the topsoil to the zero-flux plane (0–0.70 m). The modeled recharge was compared against the GR obtained from field measurements. Measured GR was 313 mm during a 1-year period (15 October 1990–15 October 1991). The best simulation results were obtained when considering the entire unsaturated soil under equilibrium conditions excluding the macropore flow effect (330 mm), whereas under non-equilibrium conditions GR was overestimated (378 mm).Sensitivity analyses showed that the investigation of the topsoil is sufficient in estimating local GR in this case, since the water stored below this depth appears to be below the typical rooting depth of the vegetation and is not available for evapotranspiration. The modeled recharge under equilibrium conditions for the 0.7-m-topsoil layer was found to be 364 mm, which is in acceptable agreement with measurements.

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Resumen Se propone un método sencillo para calibrar el modelo de doble porosidad "MACRO" mediante medidas in-situ obtenidas por TDR durante un breve ensayo de infiltración (2,8 horas), con el objetivo de estimar la recarga local al acuífero. Ésta ha sido modelada de dos formas: considerando los 3 m de suelo no saturado y empleando sólo desde la capa superior hasta el plano de flujo nulo (de 0 a 0,70 m). Se compara la recarga modelada con la recarga local medida en campo, la cual fue de 313 mm durante un ciclo anual (del 15 de octubre de 1990 al 15 de octubre de 1991). Las mejores simulaciones corresponden a la hipótesis de columna entera no saturada en condiciones de equilibrio, excluyendo el efecto de macroporos (valor de 330 mm), mientras que el resultado obtenido para condiciones de no equilibrio en la recarga local está sobreestimado (378 mm).Los análisis de sensibilidad muestran que la investigación del horizonte superior del suelo es suficiente para estimar la recarga local en este caso, ya que el agua almacenada por debajo de esta profundidad parece estar fuera del alcance típico de las raíces de la vegetación y no puede ser evapotranspirada. La recarga modelada en condiciones de equilibrio para la capa superior de 0,70 m de espesor es de 364 mm, valor aceptable respecto a las medidas.

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Résumé Une méthode simple pour la calibration du modèle à double porosité MACRO par des mesures TDR in situ durant un bref essai d'infiltration (2.8 h) a été proposée pour l'estimation locale de la recharge de la nappe (RN). La RN a été d'abord simulée en tenant compte de toute la zone non saturée (3 m) et ensuite, en considérant uniquement la couverture du sol entre zéro et le plan du flux nul (0.70 m). La RN simulée a été comparée à la RN observée. La RN mesurée durant une année (15 octobre 1990–15 octobre 1991) était de 313 mm. Les meilleures simulations ont été obtenues en tenant compte de toute la zone non saturée sous les conditions d'équilibre excluant le flux préférentiel (330 mm). Sous les conditions de non équilibre, la RN a été surestimée (378 mm).Les analyses de sensitivité ont montré que l'investigation de la couverture du sol est suffisante pour l'estimation locale de la RN du fait que l'eau traversant le plan du flux nul se trouverait sous la zone des racines et échapperait à l'évapotranspiration. La RN simulée sur les 0.70 m du sol sous les conditions d'équilibre était de 364 mm, ce qui est comparable aux mesures.

     

Water-resources reconnaissance of Île de la Gonâve,Haiti

Île de la Gonâve is a 750-km² island off the coast of Haiti. The depth to the water table ranges from less than 30 m in the Eocene and Upper Miocene limestones to over 60 m in the 300-m-thick Quaternary limestone. Annual precipitation ranges from 800–1,400 mm. Most precipitation is lost through evapotranspiration and there is virtually no surface water. Roughly estimated from chloride mass balance, about 4% of the precipitation recharges the karst aquifer. Cave pools and springs are a common source for water. Hand-dug wells provide water in coastal areas. Few productive wells have been drilled deeper than 60 m. Reconnaissance field analyses indicate that groundwater in the interior is a calcium-bicarbonate type, whereas water at the coast is a sodium-chloride type that exceeds World Health Organization recommended values for sodium and chloride. Tests for the presence of hydrogen sulfide-producing bacteria were negative in most drilled wells, but positive in cave pools, hand-dug wells, and most springs, indicating bacterial contamination of most water sources. Because of the difficulties in obtaining freshwater, the 110,000 inhabitants use an average of only 7 L per person per day.

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Resumen La Isla de la Gonavê, cercana a la costa de Haití, tiene 750 km². La profundidad al nivel freático está comprendida entre menos de 30 m para las calcitas del Eoceno y Mioceno Superior y más de 60 m en el acuífero de calcitas cuaternarias, el cual posee 300 m de espesor. La precipitación anual varía entre 800–1.400 mm, si bien la mayor parte se pierde por evapotranspiración y prácticamente no hay aguas superficiales. Según un balance de masas de cloruros, alrededor del 4% de la precipitación recarga el acuífero kárstico. Las cavidades y manantiales son una fuente habitual de agua. Los pozos excavados proporcionan agua en las áreas costeras. Pocos pozos productivos se han perforado a más de 60 m. El reconocimiento de los análisis de campo indica que las aguas subterráneas son de tipo bicarbonatado-cálcico en el interior, mientras que es de tipo clorurado-sódico en la costa, donde se sobrepasan las concentraciones recomendadas por la Organización Mundial de la Salud para sodio y cloruro. Los ensayos efectuados para detectar la presencia de bacterias productoras de sulfuro de hidrógeno resultaron negativos en la mayoría de los pozos perforados, pero fueron positivos en la muchos manantiales explotados y en todos los manantiales, cavidades y pozos excavados, hecho que indica la contaminación bacteriana de la mayor parte de fuentes de agua. Debido a las dificultades para obtener agua dulce, los 110.000 habitantes utilizan una media de sólo 7 L por persona al día.

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Résumé LÎle de la Gonâve est une île de 750 km² au large de la côte dHaïti. La profondeur de la nappe varie entre moins de 30 m dans les calcaires de lÉocène et du Miocène supérieur à plus de 60 m dans les calcaires quaternaires épais de 300 m. Les précipitations annuelles sont comprises entre 800–1.400 mm. La plus grande partie des précipitations est perdue par évapotranspiration et il ny a pratiquement pas deau de surface. Le bilan de masse des chlorures permet destimer à 4% des précipitations le montant de la recharge de laquifère karstique. Des bassins dans les grottes et des sources sont la source deau courante. Des puits creusés à la main fournissent de leau dans les zones côtières. Quelques puits productifs ont été forés dépassant 60 m de profondeur. Lanalyse des reconnaissances de terrain indique que les eaux souterraines à lintérieur de lîle sont de faciès bicarbonaté calcique, tandis que leau près de la côte a un faciès chloruré sodique dépassant les valeurs recommandées par lOMS pour le sodium et les chlorures. Des tests pour la présence de bactéries productrices dhydrogène sulfuré se sont révélés négatifs dans la plupart des forages, mais positifs dans la plupart des sources captées et tous les autres sources, bassins de grottes et puits creusés à la main, ce qui indique une contamination bactérienne de la plupart des sources deau. Du fait des difficultés pour sapprovisionner en eau douce, les 110.000 habitants utilisent en moyenne seulement 7 L par personne et par jour.

     

Arsenic contamination of groundwater: Mitigation strategies and policies

Contamination of groundwater by arsenic from natural geochemical sources is at present a most serious challenge in the planning of large-scale use of groundwater for drinking and other purposes. Recent improvements in detection limits of analytical instruments are allowing the correlation of health impacts such as cancer with large concentrations of arsenic in groundwater. However, there are at present no known large-scale technological solutions for the millions of people—mostly rural—who are potentially affected in developing countries. An overall framework of combating natural resource degradation is combined with case studies from Chile, Mexico, Bangladesh and elsewhere to arrive at a set of strategic recommendations for the global, national and local dimensions of the arsenic crisis. The main recommendations include: the need for flexibility in the elaboration of any arsenic mitigation strategy, the improvement and large-scale use of low-cost and participatory groundwater quality testing techniques, the need to maintain consistent use of key lessons learned worldwide in water supply and sanitation and to integrate arsenic as just one other factor in providing a sustainable water supply, and the following of distinct but communicable tracks between arsenic-related developments and enhanced, long-term, sustainable water supplies.

To what extent are the fish compositions at nearshore sites along a heterogeneous coast related to habitat type?

This study has tested the following main hypotheses. (1) The composition of fish assemblages in nearshore waters along the lower west coast of Australia will differ significantly among four habitat types (1–4), which could be distinguished quantitatively from each other by differences in the values for a statistically selected suite of enduring environmental variables. (2) The extents of the differences in ichthyofaunal composition among the four habitat types will statistically match those in the suite of environmental variables that distinguish those habitat types. A 60.5 m long seine net, with 9 mm mesh in the bunt, was used seasonally for 2 years to sample fish from sites representing each of the four nearshore habitat types, which differed broadly in their exposure to wave activity and the extent and location of seagrass beds. The compositions of the fish faunas in each habitat type were significantly different from each other in all but one case. Ichthyofaunal composition did not differ significantly between years in any habitat type and differed significantly among seasons in only one habitat type. The arrangement of the rank orders of similarity in matrices constructed from the abundances of the fish species at each site also did not differ between years but did differ among seasons. Moreover, the arrangement of the ranks in the similarity matrices produced from the ichthyofaunal data recorded at the various sites in each season were significantly correlated with that in the distance matrix constructed from the environmental data for those sites, with the correlation (ρ) ranging from 0.476 in winter to 0.696 in autumn. These results thus demonstrate that the extents of the differences in the fish compositions among the various habitat types parallel those in the environmental data for the corresponding habitat types. The subset of species that provided the best correlation with the environmental distance matrix, and which was thus most responsible for distinguishing among the fish compositions at the four habitat types, was also determined for each season.