Figure 1. Schematic Map along the Donau.
Figure 1. Schematic Map along the Donau.
Table 1. Branches of the Donau.
| country | confluence city | tributary | tributary2 |
|---|---|---|---|
| Germany | Deggendorf | Isar | |
| Austria | Pasau | Inn | |
| Lintz, Wien | |||
| Slovakia | Bratislava | Morava (from Czech) | |
| Komarno | Vah | ||
| Hungary | (no confluence) | Tisza | |
| Budapest | |||
| Yugoslavia | Beograd | Tisza | Sava (from Croatia, Bosnia-Hercegovina) |
| Sme dere vo | Morava(Yugo's) | ||
| Romania | |||
| Black Sea |
ドナウ川はドイツを源流とし，オーストリア，スロヴァキア，ハンガリーなど10カ国以上を通過し，黒海に流れ込む．欧州で2番目に長い国際河川である．Figure 1 にドナウ川とその支流の距離を大まかに捉えるために測定地点の概略を示す．また，ドナウ川に流れ込むそれぞれの支流をTable 1に示す．支流と本流の水質指標の関連を調べることで，汚染の原因を分析する．
OECDレポートにはドナウ川に関して，ドイツ流域（以下，ドイツドナウ川），オーストリア流域（以下，オーストリアドナウ川），ハンガリー流域（以下，ハンガリードナウ川）の3流域の値が公表されている．しかし，さらに下流のユーゴスラビアやルーマニアなどでのDO値の報告はない．
個々の流域について，今回の分析データ数は20年間で最大16個程度（残りの4個は欠測）である．この時,欠測を含むデータを捨ててしまうと,利用できるデータが極端に少なくなり,その解析結果は吉野川の解析の報告[3]でも述べたように,信頼性が無くなってしまう。そこで本研究では、欠測データを補完して解析を行った。このデータ補完はCQSARを用いたが，CQSARの手続きの中で,線形最小二乗法が採用された．1980-1999年の期間は20年間の間に自然環境は大きく変動しており，特に人類の経済発展，経済のグローバル化の必然的結果として，それ以前に比べて変動が大きい．そこで一個の線形関数として20年を区切りにするのでは妥当ではないと判断し，10年を区切りに複数の線形関数で河川の水質データを補完した．今回用いたデータの多くの場合，欠測データが4，5年間連続しているので，データ補完のためにも約10年間程度の期間は必要である．
Figure 2. DO changes of the Donau.
ドナウ川の各流域での回帰直線の傾きと切片とその相関係数をTable 2にまとめた．ドイツドナウ川，オーストリアドナウ川は回帰直線の係数が正なので，この20年間に清浄になってきていることがわかる．ドイツドナウ川の係数に比べて，オーストリアドナウ川の係数は2倍で，ドイツドナウ川に比べてオーストリアドナウ川の清浄化傾向が大きいことがわかる．ハンガリードナウ川の回帰直線の係数は負である．そのため，ハンガリードナウ川は汚染が進行している傾向にあることがわかる．
Table 2. Slope and intercept of Regression Lines, and R squares of the Donau.
| slope | intercept | R square | |
|---|---|---|---|
| Germany | 0.033 | 10.476 | 0.693 |
| Austria | 0.063 | 9.7909 | 0.646 |
| Hungary | -0.046 | 10.598 | 0.381 |
ドイツドナウ川のDO値をより詳細にみると，20年間の中で1995年の値が最も大きい．1991年からは11[mg/L]以上の値となったが，1992年，1994年，1998年にはまた10[mg/L]台に戻った．
オーストリアドナウ川のDO値の場合，1980年から1985年に徐々に清浄になっていたが，1986年と1987年は悪化している．1993年から1994年に汚染が進んだが，その後1997年まで浄化傾向にある．1997年のDO値が20年間の中で最も大きい．1998年は1991年のレベルまで悪化したが，1999年は1996年のレベルまで回復した．
ハンガリードナウ川のDO値の場合，1980年から1994年まで水質は悪化し続けた．1994年のDO値は20年間で最も小さい．その後急激に水質は改善され，1997年のDO値は20年間で最も大きく，清浄であることを示す．しかしまた悪化し，1999年のレベルは1991年のレベルである．
ドイツドナウ川とハンガリードナウ川のDO値は，1980年から1985年までほぼ同等の値である．一方，オーストリアドナウ川のDO値は1980年から1985年までこの２つの流域より小さい．河口からの距離でみると，距離が長い順にドイツドナウ川，オーストリアドナウ川，ハンガリードナウ川である．1980年から1985年と1987年はハンガリードナウ川の値がオーストリアドナウ川の値より大きく，汚染の度合は河口からの距離と対応していない．1986年以降，ハンガリードナウ川の汚染が進んだため，1998年から1996年，1998年，1999年は３つの流域のDO値が示す汚染の度合は河口からの距離と対応している．1997年のDO値はオーストリアドナウ川の方が上流のドイツドナウ川より大きく，オーストリアドナウ川の方が清浄である．1990年代前半に入ると３流域は同様なカーブを描いている．しかし1990年代後半のドイツライン川には下流の２流域と同様な傾向は見られない．これはハンガリードナウ川のDO値は上流のオーストリアドナウ川のそれに大きく影響されていることを示している．
Figure 3にブタベストまでにハンガリードナウ川に流れ込む支流（オーストリアイン川，チェコモラバ川，スロヴァキアヴァハ川）と，ハンガリードナウ川，ハンガリードナウ川下流に位置するハンガリーティサ川（セルビア，ベオグラードでドナウ川と合流）のDO値の経年変化を示す．オーストリアイン川は1981-1984年，1991年，1999年，チェコモラバ川は1981-1984年，スロヴァキアヴァハ川は1981-1984年，1986年，ハンガリーティサ川は1981-1984年が欠測となっていたのでCQSARを用いて補完した．
Figure 3. DO changes of Donau branches (the Inn, the Morava, the Vah) before Budapest, the Hungary Donau, and Hungary Tisza.
オーストリアイン川のDO値をより詳細にみると，1980年から1984年までは緩やかにDO値は改善されていたが，1985年は悪化し，20年間で最も小さい値をとっていた．ところが翌年の1986年より急激に回復し，1987年のDO値は20年間で最も大きい．その後は増減を繰り返しているが，1999年までの5年間は11[mg/L]以上の値である．
チェコモラバ川（スロヴァキア，ブラチスラバでドナウ川と合流）のDO値の場合，1980年から1986年まで徐々に値は小さくなっており，水質は悪化している．1987年から1995年までは浄化傾向がみられる．1995年のDO値は20年間で最も大きい．1996年以降DO値は年々小さくなっており，1999年は1980年と同じ値である．チェコモラバ川の水質改善は1987年以降ハンガリードナウ川より大きいが，これらの効果は本流のドナウ川の水質に反映されなかった。ハンガリードナウ川（測定地点は不明であるが理科年表の測定点から考えておそらくブタベスト）のDO値をチェコモラバ川のDO値と比較すると1980-1987年までは0.6[mg/L]以下の幅の差で大きな違いはみられなかった．その後，1997年を除くと他の年はチェコモラバ川とハンガリードナウ川の差は広がっている．
スロヴァキアヴァハ川のDO値の場合，1980年から1988年までの間で，1981年，1985年，1987年を除くと清浄化傾向がみられる．特に，1988年に急激にDO値が大きくなっていることが目立つ．1989年から1994年まではほとんど変化はないが，それ以降徐々に悪化している．スロヴァキアヴァハ川のDO値は1987年までハンガリードナウ川のDO値より小さく，スロヴァキアヴァハ川はハンガリードナウ川を汚染している．
ハンガリーティサ川のDO値の場合，1980年から1987年までの間で1986年を除くとDOの示す水質は清浄化傾向がみられる．1988年から1990年は水質が悪化しており，1990年のDO値は1986年と同じレベルになった．この20年間で最もDO値が低く汚染が進んでいたのは1996年である．その後、順調に回復している．ハンガリーティサ川はハンガリードナウ川より20年間常に値は大きく，他の河川と比較しても清浄である．この川の経年変化の傾向はハンガリードナウ川と似ている．
1992年以降ハンガリードナウ川の汚染傾向は増加している．これは6で述べるが，ダム完成の影響が考えられる．オーストリアドナウ川およびハンガリードナウ川は1994年に急激に汚染が増加している．ところが，支流には急激な汚染は観測されない．そのため1994年のオーストリアドナウ川およびハンガリードナウ川の急激な汚染の原因は，支流の汚染に拠るものではなく，本流自体の汚染であることがわかる．
Figure 4にハンガリードナウ川と流れ込む河川（オーストリアドナウ川，スロヴァキアヴァハ川，チェコモラバ川）の関係をユークリッド距離で示す．
Figure 4. Euclid distances of DO from the Hungary Donau to the Austria Donau, the Vah, and the Morava, respectively.
オーストリアドナウ川とハンガリードナウ川では1980年から1985年にかけて距離は縮まり，1992年以降距離は離れている．特に1996年と1998年では最も距離が離れている．
チェコモラバ川とハンガリードナウ川では２つの河川の距離は1991年まで類似しているが，1992年以降距離は離れている．1994年に最も距離は長くなり，1997年にかけて距離は短くなっている．1997年にはまたチェコモラバ川とハンガリードナウ川との距離は0になった．
1992年よりオーストリアドナウ川やチェコモラバ川と，その下流に位置するハンガリードナウ川との距離は長くなっている．このことから，1992年以前1988-1989年頃にハンガリードナウ川に何か異変が起こったことが示唆された．これについては6で議論するが，スロヴァキアとハンガリーの間のダム建設とダム湖の完成の影響が考えられる．
スロヴァキアヴァハ川とハンガリードナウ川の距離は1980年から1988年まで増減をくりかえしているが，1988年にはスロヴァキアヴァハ川とハンガリードナウ川との距離は0である．1989年以降も増減を繰り返すが，1987年までと比較するとその増減の幅は小さい．
Figure 5. BOD changes of the Donau.
ドナウ川の回帰直線の傾きと切片とその相関係数をTable 3にまとめた．これらの３つの流域の回帰直線の係数はいずれも負であるので，浄化傾向にある．ハンガリードナウ川の係数は他の２つの流域よりも2倍以上大きく，清浄化が目立つ．
Table 3. Slope and intercept of Regression Lines, and R squares of the Donau.
| slope | intercept | R square | |
|---|---|---|---|
| Germany | -0.051 | 3.284 | 0.639 |
| Austria | -0.060 | 4.201 | 0.312 |
| Hungary | -0.168 | 5.312 | 0.878 |
1985年から1986年はドイツドナウ川の水質汚染が進んでいる．1987年水質は改善されているが，1991年にはまた悪化している．1999年のBOD値は20年間で最も低い．BOD値は20年間で1mg/L改善された．
オーストリアドナウ川は1987年まで汚染が進んでいる．特に1987年の悪化が目立つ．1987年のBOD値はこの20年で最も大きい．1988年以降BOD値が小さくなっているので，オーストリアドナウ川の水質は浄化傾向にある．1996年に1992年と同じレベルまでBOD値は大きくなるが，1997年以降は3mg/L以下である．
ハンガリードナウ川のBOD値は1981年にこの20年で最も大きい値をとる．1986年から1992年にBOD値は急激に小さくなっている．1995年と1999年のBOD値が20年で最も小さい．20年間でハンガリードナウのBOD値は2.6mg/L改善された．1999年のデータでは上流のオーストリアドナウ川のBOD値よりも下流のハンガリードナウ川のそれは小さく，ハンガリードナウ川の水質の方が良いことを示している．
ただし，3でみたように，DO値ではハンガリードナウ川の水質の改善はなされておらず，BOD値の傾向はDO値の傾向とは異なる．
Figure 6. T-P changes of Germany-, Austria-, and Hungary-Donau.
ドナウ川の回帰直線の傾きと切片とその相関係数をTable 4にまとめた．それぞれの回帰直線の係数は負なので，浄化傾向にある．最も上流のドイツドナウ川の係数に比べて中流のオーストリアドナウ川の係数は大きい．さらに下流に位置するハンガリードナウ川の係数は，オーストリアドナウ川の係数より大きい．つまりハンガリードナウ川の浄化傾向が一番大きく，1980年代にはドイツドナウ川からオーストリアドナウ川，ハンガリードナウ川となるにつれて汚染の度合が大きくなっていたが，1999年にはそれらの差は小さくなっている．
Table 4. Slope and intercept of Regression Lines, and R squares of the Donau.
| slope | intercept | R square | |
|---|---|---|---|
| Germany | -0.007 | 0.217 | 0.842 |
| Austria | -0.012 | 0.309 | 0.834 |
| Hungary | -0.014 | 0.366 | 0.903 |
より詳細に見ると，1980年から1984年，1986年から1990年，1992年，1994年，1997年，1999年の14年のデータをみると，上流（ドイツ），中流（オーストリア），下流（ハンガリー）の順にT-P値は大きくなっており，ドナウ川の汚染度の順序は「上流が清浄である」ということと常識的に妥当な結果となっている．しかし1985年，1991年，1993年，1995年，1996年，1998年の汚染度の順序は河口からの距離とは異なっている．
ドイツドナウ川のT-P値は，1981年，1985年，1986年は0.2[mg/L]以上の値を示している．1992年以降は1993年と1995年を除くと0.1[mg/L]以下になった．
オーストリアドナウ川の1996年のT-P値は20年間で最も小さい．だが，1997年には1990年代前半のレベルにまで戻っている．ハンガリードナウ川のT-P値は1980年から1983年まで0.3[mg/L]以上の値を示している．ハンガリードナウ川の観測値の中で1996年の値は20年間で最も小さく，ドイツドナウ川とほぼ同じ値をとっている．
Table 5. Dummy data of dam construction and the lakes.
| year | dam construcrtion | dam lake completion |
|---|---|---|
| 1980 | 0 | 0 |
| 1981 | 0 | 0 |
| 1982 | 0 | 0 |
| 1983 | 0 | 0 |
| 1984 | 0 | 0 |
| 1985 | 0 | 0 |
| 1986 | 0 | 0 |
| 1987 | 1 | 0 |
| 1988 | 1 | 0 |
| 1989 | 1 | 0 |
| 1990 | 1 | 0 |
| 1991 | 1 | 0 |
| 1992 | 1 | 0 |
| 1993 | 0 | 1 |
| 1994 | 0 | 1 |
| 1995 | 0 | 1 |
| 1996 | 0 | 1 |
| 1997 | 0 | 1 |
| 1998 | 0 | 1 |
| 1999 | 0 | 1 |
Table 5のデータとオーストリアドナウ川とチェコモラバ川のDO値、計４種類の記述子を使い、6. 1でハンガリードナウ川のDO値が神経回路網で再現できるかを調べた．同様に6. 2でBOD値についても検証した． この際, 小数点のデータは、最大値を1.0, 最小値を0.0として規格化した。中間層ニューロン数は1万回の学習ごとに0.001以下の結合重みを持つ結合を消去するという条件の再構築学習法により最適化され,１となった．最終的なネットワーク構造は（入力層４，中間層１，出力層１）である。
Figure 7. DO of the Hungary Donau and output DO of a neural network in CQSAR.
また，Table 6にハンガリードナウ川のDO値を再現する際の4種類の記述子の神経間結合の重み（寄与）を示す．
Table 6. Connection weights between neurons.
| descripters | weight matrix |
|---|---|
| dam construction | -9 |
| dam lake | -16 |
| the Morava | 0 |
| the Austria Donau | 13 |
ハンガリードナウ川のDO値を再現する際の寄与は，ダム湖が -16，オーストリアドナウ川（本流の水質）13である．これらの寄与が大きいことがわかる．またダム工事の寄与は -9で， 3番目に大きく，符号は負である．チェコから流れてくる支流のモラバ川の寄与は無い．オーストリアドナウ川の水質は清浄化に大きく寄与し，ダム工事とダム湖の存在は汚染を進めていることを示す．
DO値は大きいと清浄であることを示すので，この係数が正だと清浄化に重要であり，負だと汚染を進めることを示す．
ハンガリードナウ川の水質はDO値から見れば1980年から汚染が進んでいる．その原因はダム建設工事であることが示唆された．
Figure 8. BOD of the Hungary Donau and outputs of CQSAR.
Table 7にハンガリードナウ川のBOD値を再現する際の4種類の記述子の神経間結合の重み（寄与）を示す．CQSARによって再現された値は階段状の線を描いている．これはTable 5に示したダミーデータの影響下にあることを示している．
Table 7. Connection weights between neurons.
| descripters | weight matrix |
|---|---|
| dam construction | -8 |
| dam lake | -18 |
| the Moraba | 0 |
| the Austria Donau | 0 |
BOD値は小さいと清浄であることを示すので，この係数が正だと汚染を進めており，負だと清浄化に重要であることを意味する．ハンガリードナウ川のBOD値を再現する場合の寄与は，ダム工事が -8，湖の寄与が -18と大きく，本流のオーストリアドナウ川，支流のチェコモラバ川の寄与は無い．ハンガリードナウ川の水質はBOD値から見れば，1980年から改善されている．CQSARを用いたBOD値の解析結果はダム建設が水質を改善する傾向にあることを示している．これはダム湖で有機物が分解されたことを示している．
CQSARからは，スロヴァキアとハンガリー間のドナウ川に設けられたダム建設とダム湖の環境に対する影響は，DO値を悪化する傾向にあり，他方BOD値は改善される傾向にあった．
ダム建設によりハンガリードナウの水質が上流や支流と関係しなくなったことは，先のDO値やBOD値の解析からも本解析からも確かである．