Index-based and compliance assessment of water quality for a Brazilian subtropical reservoir / Avaliação da qualidade da água baseada em índices e da conformidade ao enquadramento de um reservatório subtropical brasileiro

ABSTRACT The Passaúna catchment is part of the Upper Iguaçu watershed and includes a water supply reservoir for over 500,000 inhabitants of Curitiba metropolitan region. The aim of this study was to establish the state of reservoir water quality, and whether it has undergone any recent medium- and long-term variations. A physical-chemical-biological assessment was undertaken using nine indicators and three indexes: Water Quality Index (WQI), Trophic State Index (TSI) and Shannon-Weaver Index (H') for macroinvertebrate diversity. Compliance with the prescribed quality standards for the water body was verified using frequency curves. Two WQI calculation approaches were contrasted to test for conditions of partial data unavailability. Temporal trends in key parameters were assessed using Spearman's rank correlation coefficient. WQI results from 1991-2014 indicated that the water quality may be classified as good and improved in the final decade of such period, while most TSI results were in the oligotrophic/mesotrophic range, but with no significant temporal trend. The biodiversity result of H'=1.6 obtained with data acquired in 2014 indicated a moderately degraded ecosystem that is typically associated with flow regulation and a degree of water quality impairment. Such a multi-indicator integrated physical-chemical-biological monitoring approach comprised a robust framework for assessments of medium-long term aquatic health.

RESUMO A bacia do rio Passaúna situa-se na parte superior da Bacia do Rio Iguaçu e inclui um reservatório de águas de abastecimento público para mais de 500 mil habitantes da região metropolitana de Curitiba. O objetivo deste estudo foi avaliar a qualidade das águas desse reservatório e identificar eventuais ocorrências de tendência temporal de variação. O estudo de características físicas, químicas e biológicas do corpo de água envolveu dados históricos e recém-adquiridos de nove indicadores e três índices: Índice de Qualidade das Águas (WQI), Índice de Estado Trófico (TSI) e Índice de Diversidade de Shannon-Weaver (H') para diversidade de macroinvertebrados. A conformidade aos padrões de qualidade prescritos foi analisada com base em curvas de permanência de qualidade de água. Duas formas de cálculo do WQI foram contrastadas para averiguar o efeito de disponibilidade incompleta de dados. Tendências temporais em parâmetros-chave foram buscadas com o teste de correlação de Spearman. Os resultados do WQI, entre 1991 e 2014, indicaram que a qualidade da água do reservatório pode ser classificada como "boa", apresentando tendência estatisticamente significativa de melhoria na última década de tal período. Os resultados obtidos para o TSI ficaram na faixa oligotrófico/mesotrófico e sem tendência significativa de variação temporal. O resultado de biodiversidade do H'=1,6, obtido com dados adquiridos em 2014, indicou um ecossistema aquático moderadamente degradado, tipicamente associado com o represamento de cursos de água e com um certo grau de comprometimento da qualidade da água. A abordagem integradora multi-indicadores de aspectos físicos, químicos e biológicos adotada neste estudo conferiu robustez à avaliação realizada da qualidade de água do corpo de água no médio-longo prazo.

Avaliação da eficiência de um índice de estado trófico na determinação da qualidade da água de reservatórios para abastecimento público / Assessment of the efficiency of a trophic state index in determining the water quality of public water supply reservoirs

RESUMO O objetivo deste estudo consiste na avaliação da eficácia do uso de um índice de estado trófico (IET) como ferramenta na análise da qualidade das águas de três reservatórios. O IET foi calculado baseado na transparência do reservatório e nas concentrações de clorofila-a e fósforo total (P total). Para identificar a correlação do uso do solo com a poluição aquática das represas, o IET calculado para cada represa foi comparado ao mapeamento temático de cobertura do solo com base em imagens do satélite Landsat TM 5 do ano de 2010. A análise dos componentes principais (ACP), focada na correlação dos dados, foi realizada utilizando o software PAST®, versão 2.16. Inicialmente, o comportamento dos parâmetros associados ao IET foi avaliado de forma isolada (P total, clorofila-a e transparência) sobre os reservatórios. Em seguida, foram aplicados à ACP os demais parâmetros físicos e químicos associados à qualidade da água dos reservatórios (sem o IET). Por fim, todos os parâmetros foram submetidos à ACP (IET e todos os outros parâmetros em conjunção). O IET utilizado nesta pesquisa demonstrou ser autossuficiente na predição da qualidade de água com a utilização de apenas três parâmetros (P total, clorofila-a e transparência). A análise das imagens de satélite, em conjunto com os dados provenientes do IET, foi suficiente para apontar a redução da qualidade das águas por fontes pontuais de poluição, mesmo em ambientes com maior cobertura vegetal preservada.

ABSTRACT The aim of this study consists in the evaluation of the trophic state index (IET) efficacy as a tool in the water quality analysis of three reservoirs. The IET was calculated based on water transparency in the reservoir and on the surface concentrations of chlorophyll-a and total phosphorus (total P). To identify the correlation of the soil use with the reservoir aquatic pollution, the IET calculated for each reservoir was compared to the thematic mapping of land cover based on Landsat TM 5 satellite images from 2010. The main components analysis (ACP), focused on data correlation, was made using the software PAST®, version 2.16. Initially, the behavior of the parameters associated with the IET was evaluated alone (total P, chlorophyll-a and transparency) on the reservoirs. Then, the other chemical and physical parameters associated with the reservoirs water quality (without the IET) were applied to the ACP. Finally, all the parameters underwent the ACP (IET and all the other parameters in conjunction). The IET used in this research seemed to be self-sufficient in the prediction of water quality using only three parameters (total P, chlorophyll-a and transparency). The satellite images analysis, in conjunction with the IET data, was sufficient to point out the water quality reduction by punctual sources of pollution even in environments with larger preserved vegetal coverage.

Análise de variação e comparação de índices de estado trófico: reservatórios dos aproveitamentos hidrelétricos de Rio Bonito e Suíça / Variance analysis and comparison of trophic state indexes: Rio Bonito and Suíça power plants reservoirs

RESUMO Reservatórios têm sido construídos em todo o mundo para regularização de vazões, com vistas à melhoria de condições de uso dos recursos hídricos de bacias hidrográficas para diferentes propósitos, como abastecimento humano e industrial, irrigação e geração de energia elétrica. Águas de rios e córregos, que transportam nutrientes em excesso provenientes de esgotos sanitários e fertilizantes, quando represadas, podem estar sujeitas a grandes alterações qualitativas decorrentes de processos de eutrofização. Diversos índices foram criados por pesquisadores para classificação de estados de trofia de corpos d'água. No presente estudo foram analisados e comparados três índices de estado trófico (IETs) a partir da aplicação aos reservatórios da Pequena Central Hidrelétrica de Rio Bonito e da Usina Hidrelétrica Suíça, localizados na bacia do Rio Santa Maria da Vitória, no estado do Espírito Santo, considerando resultados de monitoramentos de qualidade de água em 20 campanhas realizadas entre outubro de 2008 e julho de 2014. Os reservatórios recebem aporte de nutrientes provenientes de esgotos domésticos, cultivos agrícolas e granjas. Foram considerados, especificamente, índices desenvolvidos por Carlson (1977), Lamparelli (2004) e Cunha, Calijuri e Lamparelli (2013). Concluiu-se que diferentes modelos podem resultar em classificações de estado trófico muito diferentes. O modelo de Carlson (1977), desenvolvido para reservatórios de clima temperado, resultou em classificação mais rigorosa, classificando os reservatórios principalmente como eutróficos e mesotróficos. Os modelos de Lamparelli (2004) e Cunha, Calijuri e Lamparelli (2013), desenvolvidos para reservatórios de clima tropical/subtropical, apresentaram resultados mais próximos, classificando os reservatórios principalmente como oligotróficos. Concluiu-se também que a sazonalidade e as precipitações pluviométricas nas bacias hidrográficas dos reservatórios podem influenciar de forma muito significativa os parâmetros de qualidade de água e a classificação do estado trófico de reservatórios. A grande variedade de classes de estado trófico escolhidas a partir dos diferentes modelos indica a importância da escolha adequada de modelos e índices, de acordo com as condições prevalentes nos corpos hídricos de interesse.

ABSTRACT Reservoirs have been built worldwide to regularize flows for improvement of watersheds water resources use conditions for different purposes, such as human and industrial supply, irrigation and power generation. Waters of rivers and streams that carry excessive nutrients from sewage and fertilizers, when dammed, may be subject to significant qualitative changes resulting from eutrophication processes. Several indexes have been created by researchers for trophic state classification of water bodies. In this study three trophic state indexes (TSIs), developed by Carlson (1977), Lamparelli (2004) and Cunha, Calijuri and Lamparelli (2013), were analyzed and compared, through the application to two power plant reservoirs, denominated Rio Bonito and Suíça, located in the Santa Maria da Vitoria river watershed, Espírito Santo state, Brazil. Results from 20 water quality monitoring campaigns were considered, conducted between October 2008 and July 2014. The reservoirs receive nutrient loads originated from domestic sewage, agricultural crops and chicken farms. It was concluded that application of different models may result in very different trophic state class definition. The application of the Carlson model (1977), developed for temperate climate reservoirs, resulted into higher eutrophic class level, classifying the reservoirs mainly as eutrophic and mesotrophic. Lamparelli (2004) and Cunha, Calijuri and Lamparelli (2013) models, developed for tropical/subtropical climate reservoirs, presented closer results, classifying the reservoirs mostly as oligotrophic. It was also concluded that seasonality and rainfall in reservoirs catchment areas may influence very significantly the reservoirs water quality parameters and trophic state classification. The wide variety of trophic classes chosen for the reservoirs, in this work, indicates the importance of the proper choice of models and indexes, according to the prevailing conditions in the water bodies of interest.

Comparação de dois índices de determinação do grau de trofia nas águas do Baixo Rio São José dos Dourados, São Paulo, Brasil / Comparison of two indexes of determination of the trophic state in the waters of Baixo São José dos Dourados, São Paulo, Brazil

RESUMO Estudo realizado no período de fevereiro de 2010 a janeiro de 2011, no Baixo São José dos Dourados (BSJD), inserido na Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídricos 18 (UGRHI), com o intuito de determinar o grau de trofia da água por meio do cálculo do índice de estado trófico (IET). Os pontos de coletas contemplavam as entradas diretas e difusas no trecho represado do curso d'água (pontos 1 e 2), intermediário (3) e próximo de sua confluência com o Rio Paraná (ponto 4). As amostras coletadas foram superficiais, de meio e de aproximadamente 1 m acima do leito. Em laboratório, foram determinados a clorofila-a, o fósforo total e o ortofosfato; a transparência da água foi determinada no local da coleta. Após determinados os parâmetros necessários foi possível classificar as águas como sendo oligotróficas e ultraoligotróficas.

ABSTRACT This Study conducted from February 2010 to January 2011, in the Baixo São José dos Dourados (BSJD), in the Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídricos (UGRHI) 18, in order to determine the trophic level of the water calculating the trophic state index (TSI) The points of collection were at the direct and diffuse inputs and dammed stretch of the watercourse (points 1 and 2), intermediate (3) and confluence with the Paraná River (point 4). The samples were superficial, medium and approximately 1 m above the riverbed. At the laboratory was determined chlorophyll-a, total phosphorus and orthophosphate, water transparency was determined at the collect place. After those parameters was possible to classify the waters as oligotrophic and ultraoligotrophic.

Influence of rainfall on the trophic status of a Brazilian semiarid reservoir / Influência da chuva no estado trófico de um reservatório do semiárido brasileiro

This study evaluated the trophic conditions of the reservoir located in the urban perimeter of the town General Sampaio, semiarid region of the Ceará State, Brazil and its relationship with seasonal variation in rainfall between 2010 and 2011. It was obtained data for Secchi disk transparency, total phosphorus, and chlorophyll a to calculate the Trophic State Index (TSI), as well as rainfall data. The Trophic State Index (TSI) proposed by Carlson (1977) and modified by Toledo Junior (1990) was used to test the influence of the seasonal variation in rainfall on hydrological variables and on trophic conditions of the reservoir in 2010 and 2011. There was seasonal variability in variables analyzed between climatic periods (rainy and dry) and trophic conditions determined through the trophic index indicated conditions ranging from oligotrophic to eutrophic during the two years analyzed in this reservoir. Under these circumstances, one may conclude that the trophic status is related to seasonal fluctuations in the hydrology of the system controlled by rainfall, which is a common feature of semiarid regions.

Este estudo buscou avaliar as condições tróficas do reservatório situado no perímetro urbano da cidade de General Sampaio, semiárido do Estado do Ceará, Brasil e sua relação com a variação sazonal das chuvas nos anos 2010 e 2011. Foram obtidos dados de transparência do disco de Secchi, fósforo total e clorofila a para calcular o Índice de Estado Trófico (IET), em paralelo com os dados pluviométricos. Foi utilizado o Índice de Estado Trófico (IET), proposto por Carlson (1977), modificado por Toledo Junior (1990), para testar se a variação sazonal de chuva alterou significativamente as variáveis hidrológicas e as condições tróficas das águas do reservatório nos anos 2010 e 2011. Houve variabilidade sazonal nas variáveis analisadas entre os períodos climáticos (chuvoso e seco) e as condições tróficas determinadas por meio do índice trófico indicaram a presença de condições oligotróficas variando as condições eutróficas durante os anos analisados neste reservatório. Conclui-se que o estado trófico deste reservatório está relacionado com as flutuações sazonais na hidrologia do sistema controlado pela chuva, que é uma característica comum de regiões semiáridas.

Qualidade das águas superficiais e avaliação do estado trófico do Rio Arari (Ilha de Marajó, norte do Brasil) / Surface water's quality and trophic status assessment in the Arari River (Marajo Island, Northern Brazil)

A deterioração da qualidade da água pode ser causada tanto por resultado da pressão antrópica sobre os ambientes aquáticos em maiores escalas, como por fatores naturais em menores escalas, tal como ocorre em parte da bacia hidrográfica do Rio Arari (Ilha de Marajó, Pará). Este artigo teve como objetivo a avaliação da qualidade das águas superficiais e o estado trófico do Rio Arari, no trecho entre Santana e Cachoeira do Arari, considerando as variações temporais e espaciais de variáveis físicas, químicas e biológicas da água em dois períodos hidrológicos distintos de 2009: descarga máxima (abril e maio) e descarga mínima (setembro e novembro). Os Índices de Qualidade da Água (IQA) e Estado Trófico (IET) foram determinados simultaneamente em amostras de água superficial durante 12 horas consecutivas nas três estações de coleta ao longo do Rio Arari. Os valores do IQA variaram entre "Ruim" e "Regular", e estão provavelmente relacionadas aos elevados níveis de coliformes fecais, baixas concentrações de oxigênio dissolvido e pH ácido do Rio Arari. Conforme o IET, o rio pode ser classificado como supereutrófico e hipereutrófico, reflexo da grande disponibilidade de nutrientes (e.g. fósforo) e elevada biomassa fitoplanctônica em termos de clorofila a. O Rio Arari está sob um processo de eutrofização natural, visto que as fontes de contaminação antrópica ainda são incipientes, mas elas podem contribuir para um processo de longo prazo de eutrofização artificial.

The deterioration of the water quality may be caused either by the result of human pressure on aquatic environments in larger scales, or by natural factors in smaller scales, such as part of the Arari River basin (Marajó Island, Pará state, Brazil) .This work aimed to evaluate the surface water's quality and the trophic state of the Arari River, between Santana and Cachoeira do Arari localities, taking into account the seasonal and spatial variations of physical, chemical and biological parameters in two different hydrological periods in 2009: the maximum discharge (April to May) and minimum discharge (September to November). The Water Quality Index (WQI) and Trophic State Index (TSI) were determined simultaneously in water surface's samples collected during 12 consecutive hours in three stations along the Arari River. The WQI data ranged from "Poor" and "Regular" and are probably related to the high levels of fecal coliform, low concentrations of dissolved oxygen and acid pH of the Arari River. Regards the TSI, the river may be classified as "supereutrophic" and "hipereutrophic", indicating the wide availability of nutrients (e.g. phosphorus) and high phytoplankton biomass in terms of chlorophyll a content. The Arari River is under a natural eutrophication, since the sources of anthropic contamination are still incipient, although they may contribute to the long-term process of artificial eutrophication.

Temporal and spatial distribution of physico-chemical parameters in an anoxic lagoon, Aitoliko, Greece.

Temporal and spatial distribution of physico-chemical and water quality parameters and their correlation with meteorological and hydrological data, was investigated for anoxic lagoons, in Greece. Monthly variations of parameters like temperature, salinity, dissolved oxygen, chlorophyll-a, total phosphorus etc., along the Aitoliko lagoon water column, were recorded and studied at 14 stations. Throughout the sampling period, in lagoon’s water column three layers were determined: the surface low density layer (11.49-16.15), the layer with the steep density gradient and the deep dense (19.78-20.62) water below the depth of 20 m. The depth of the surface and pycnocline layers depends on seasonal surface salinity (20.53-22.43‰) and temperature (12.48-28.40oC) alterations. Lagoon’s monimolimnion was extended, below the depth of 20 m and had constant temperature and salinity equal to about 13oC and 27‰ respectively. Meteorological conditions control temperature (R2=0.845) and dissolved oxygen (R2=0.576) monthly changes, in lagoon’s epilimnion, while salinity seems to be related with the salt/fresh water budget into Aitoliko lagoon. Epilimnetic chlorophyll-a (3.29-14.89 μg l-1) and total phosphorus (13.33-36.31μg l-1) concentrations classify Aitoliko lagoon as a mesotrophic environment (40<TSI (Chl-a)<55, 40<TSI (TP)<60). The vertical distribution of dissolved oxygen in the water column was always of special interest. During the last decades the Aitoliko lagoon was reported as a permanent anoxic basin. The depth of the anoxic layer gradually decreased and reached 5 m depth during 2003-2004. In the present study, the anoxic layer was limited below the depth of 18 m during summer. The most interesting is the dissolved oxygen presence in lagoon’s monimolimnion during January and February, 2007. In this study, for the first time, Aitoliko lagoon was reported as seasonal anoxic basin.

Evaluation of trophic state of lake Uluabat, Turkey.

Lake Uluabat, which is located in Marmara region, is one of the most productive lakes in Turkey. Due to concerns about potential pollution resulting from watershed sources and adjacent agricultural lands, a study of the trophic state of lake Uluabat was conducted during the period February 2003 to January 2004. Total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), Secchi disc depth (SD) and chlorophyll a (Chl a) were analyzed monthly in order to assess the trophic state of the lake. According to calculated nutrient ratios, phosphorus was found to be the primary limiting nutrient in lake Uluabat. Carlson’s trophic state index values, based on TP, SD and chl a, indicated that lake Uluabat is an eutrophic system.