Optimal resolutions for modeling and monitoring the water quality dynamics of Passaúna's reservoir

Abstract

Resumo: As investigações para otimizar as resoluções de monitoramento do reservatório de Passaúna revelaram que o monitoramento de Fósforo Total (FT) no afluente principal (Rio Passaúna) durante as vazões medias e altas fornece mais informações sobre a entrada de carga do FT do que o monitoramento em maior frequência durante vazões menores do rio. O reservatório Passaúna foi monitorado de fevereiro de 2018 ate abril de 2019, em 11 campanhas de campo, compostas por amostragem de água, medições in situ com sensores e análises laboratoriais. Alem disso, medições de alta resolução temporal foram realizadas por sensores ópticos fornecendo concentrações de nitrato, carbono orgânico dissolvido e clorofila-a. Os dados obtidos foram processados e utilizados como condição inicial para o período de simulação, para calibrar e validar um modelo zero dimensional de qualidade da água do reservatório de Passaúna. O reservatório de Passaúna foi assumido como um sistema completamente misto, e um modelo de reator completamente misturado foi aplicado e testado com soluções em estado permanente e não-permanente para a variável FT. A solução de estado permanente apresentou boa concordância com os dados medidos em escala anual, e a solução de estado não-permanente apresentou boa concordância com medidas em resolução mensal. Os resultados de simulações dos cenários reduzindo a resolução temporal dos dados de entrada para medições menos frequentes resultou em resoluções temporais trimestrais para monitoramento de dados FT no reservatório de Passaúna. Adicionalmente, a partir dos dados processados de monitoramento e aplicação em um modelo de qualidade de água com dimensão zero, a frequência ótima de monitoramento em termos de gestão também foi avaliada com estratégias propostas para otimizar as resoluções de monitoramento considerando a integração espaço-temporal. A integração da dinâmica espaço-temporal da qualidade da água no período de monitoramento foi avaliada por meio de mapas comparativos usando dados monitorados de FT, clorofila-a e Nitrogênio Total (TN) classificados de acordo com o Índice de Qualidade da Água de Reservatórios (IQAR). Os resultados indicaram que o monitoramento da variável TN deve ser realizada no mínimo com frequência sazonal no reservatório de Passaúna. Além disso, uma avaliação dos efeitos na carga de entrada de FT devido a eventos de precipitação revelou que a fim de obter cálculos de carga de fósforo mais realistas, os programas de monitoramento devem se concentrar em eventos de precipitação no que se refere ao FT. Por fim, a variabilidade identificada em serie de dados de clorofila com resolução temporal de 15 minutos indicou que o dia da medição pode ser decisivo na classificação do status ecológico do reservatório. Destes dados, a analise de frequência de distribuição de ocorrência resultou em monitoramento bimestral das concentrações de clorofila-a para se obter controle e gestão preventiva mais adequada da qualidade da água do reservatório do Passaúna.

Abstract: The investigations of optimizing monitoring resolutions of Passaúna's reservoir revealed that monitoring Total Phosphorus (TP) at the main tributary (Passaúna's river) during mid-range and high flows provides more information regarding TP load input than the higher frequency at a large number of locations during base flow. Passaúna reservoir was monitored from February 2018 until April 2019, in 11 field campaigns, composed by monthly water sampling, in-situ measurements with sensors, and laboratory analyses. Additionally, high-temporal-resolution measurements were performed by optical sensors providing concentrations of nitrate, Dissolved Organic Carbon (DOC), and Chlorophyll-a (Chl-a). Data obtained were processed and used as the initial condition for the simulation period, to calibrate, and validate a zero-dimensional water quality model of Passaúna's reservoir. Passaúna reservoir was assumed as a completely mixed system, and a Continuously Stirred Tank Reactor (CSTR) model was applied and tested as steady and unsteady state solutions for TP concentrations. The steady-state solution resulted in good agreement with measured data an annual scale, and the unsteady-state solution presented a good agreement with monthly resolution measured data. Results from scenarios simulations based on decreasing the temporal resolution of input data to less frequent measurements, indicated quarterly temporal resolutions for monitoring TP at the reservoir to be a proper frequency. Additionally, from the monitoring processed data and application in a zero-dimensional water quality model, the optimal monitoring frequency in terms of management was also assessed with strategies proposed to optimize monitoring resolutions considering spatial-temporal integration. The integration of spatial-temporal water quality dynamics in the monitoring period was evaluated using comparative maps, using monitored data of TP, Chl-a, and Total Nitrogen (TN) classified according to the Water Quality Index of Reservoirs. The results indicated at least seasonally TN monitoring along Passaúna's reservoir. Moreover, an evaluation of effects in TP input loading due to storm events revealed that phosphorus monitoring programs should focus on storm events, to achieve more realistic phosphorus input calculations. Lastly, variability identified in 15 minutes and daily resolution' Chl-a data series indicated that the measurement date can be decisive in classifying the reservoir's WQIR status, results from the percentage of occurrence analysis show that a bimonthly frequency monitoring chlorophyll-a concentrations are more suitable for control and preventive management of water quality purposes.

Zusammenfassung: Die Untersuchungen zur Optimierung der Überwachungsauflösungen des Passauna-Stausees ergaben, dass die Überwachung des Gesamtphosphors (TP) am Hauptzufluss (Passaunas-Fluss) während mittlerer und hoher Abflüsse mehr Informationen über den TP-Lasteintrag liefert als die höhere Frequenz an einer großen Anzahl von Standorten während Grundfluss. Das Passauna-Reservoir wurde von Februar 2018 bis April 2019 in 11 Feldkampagnen überwacht, die sich aus monatlichen Wasserproben, In-situ-Messungen mit Sensoren und Laboranalysen zusammensetzten. Zusätzlich wurden Messungen mit hoher zeitlicher Auflösung durch optische Sensoren durchgeführt, die Konzentrationen von Nitrat, DOC und Chlorophyll-a (Chl-a) lieferten. Die erhaltenen Daten wurden verarbeitet und als Anfangsbedingung für den Simulationszeitraum verwendet, um ein nulldimensionales Wasserqualitätsmodell des Stausees von Passauna zu kalibrieren und zu validieren. Das Passauna-Reservoir wurde als vollständig gemischtes System angenommen, und ein Continuously Stirred Tank Reactor (CSTR)-Modell wurde angewendet und als stationäre und instationäre Lösungen getestet. Die stationäre Lösung ergab eine gute Übereinstimmung mit gemessenen Daten auf Jahresskala, und die instationäre Lösung zeigte eine gute Übereinstimmung mit gemessenen in monatlicher Auflösung. Ergebnisse von Szenariensimulationen auf der Grundlage der Verringerung der zeitlichen Auflösung von Eingabedaten auf weniger häufige Messungen zeigten, dass vierteljährliche zeitliche Auflösungen für die Überwachung von TP am Reservoir eine angemessene Frequenz sind. Darüber hinaus wurde anhand der verarbeiteten Überwachungsdaten und der Anwendung in einem nulldimensionalen Wasserqualitätsmodell die optimale Überwachungshäufigkeit in Bezug auf die Bewirtschaftung bewertet, wobei Strategien vorgeschlagen wurden, um die Überwachungsauflösungen unter Berücksichtigung der räumlich-zeitlichen Integration zu optimieren. Die Integration der räumlich-zeitlichen Dynamik der Wasserqualität im Überwachungszeitraum wurde anhand von Vergleichskarten von TP, Chl-a und Gesamtstickstoff (TIN) bewertet, die nach dem Wasserqualitätsindex der Stauseen klassifiziert wurden. Die Ergebnisse deuteten auf eine zumindest saisonale TN-Überwachung entlang des Stausees von Passauna hin. Darüber hinaus ergab eine Bewertung der Auswirkungen auf die TP-Eintragsbelastung aufgrund von Sturmereignissen, dass sich Phosphor Überwachungs programme auf Sturmereignisse konzentrieren sollten, um realistischere Berechnungen des Phosphoreintrags zu erreichen. Schließlich deutete die Variabilität, die in den Chl-a-Datenreihen mit 15-minütiger und täglicher Auflösung identifiziert wurde, darauf hin, dass das Messdatum entscheidend für die Klassifizierung des WQIR-Status des Reservoirs sein kann. Ergebnisse aus der Analyse des Prozentsatzes des Auftretens zeigen, dass eine zweimonatliche Häufigkeitsüberwachung der Chl-a Konzentrationen höher ist geeignet für die Kontrolle und das vorbeugende Management der Wasserqualität.