Non point source pollution assessment based on event driven influence

Abstract

Resumo: A ocorrencia de eventos de chuva causa a lavagem das areas super?ciais de uma bacia hidrogra?ca e, consequentemente, o carreamento de poluentes para o corpo hidrico. Esta forma de fonte de poluicao e chamada de fonte nao pontual (FNP) e, devido a sua relacao com a ocorrencia de chuvas pode ser considerada mais dificil de ser monitorada do que as fontes pontuais. O tipo de poluente introduzido em um corpo hidrico pela FNP esta relacionado com as caracteristicas de uso do solo da bacia, assim como a forma que estes poluentes serao carreados esta relacionado com as caracteristicas hidrologicas dos eventos de chuva. Portanto, uma das formas de avaliar a contribuicao de poluicao por FNP e associando a concentracao (mg L?1) com a vazao (m3 s?1) e assim fazendo estimativas de carga (kg d?1) da dinamica dos poluentes, usando da estrategia de monitoramento integrado de chuva e vazao. As diferencas de uso do solo de cada area de drenagem da bacia re?etem diferentemente na qualidade da agua dos rios sendo, tambem, propagadas a jusante. Assim, realizar o monitoramento de dois locais consecutivos de uma bacia hidrogra?ca, considerando a dinamica de transporte de poluentes por FNP entre eles, ainda nao e efetivamente explorado na literatura. Assim, o objetivo deste trabalho e avaliar quali-quantitativamente a poluicao de FNP in?uenciada pelos eventos de chuva em dois pontos de monitoramento consecutivos. Alem disso tambem, sera feita a avaliacao da magnitude do aporte de poluente durante os eventos de chuva em comparacao com o per?l de base do rio. Estes objetivos estao baseados na hipotese de que as distintas con?guracoes de uso do solo em cada area de drenagem exercem in?uencia signi?cativa na contribuicao da poluicao carreada pelo escoamento super?cial na bacia hidrogra?ca durante os eventos de chuva. Assim, a estrategia usada foi i) o uso de amostradores automaticos para coletar amostras de agua do rio durante a ascensao e recessao dos hidrogramas, ii) o monitoramento de dois pontos consecutivos no rio (entrada e saida) e iii) a quanti?cacao de distintos conjuntos de parametros de qualidade da agua. A area de estudo foi a Bacia do Rio Barigui, na sua porcao norte, em que os pontos estao localizados em Almirante Tamandare (BA1) e no Parque Tingui (BA2). Para a coleta dos eventos de chuva, foram utilizados amostradores automaticos, con?gurados especi?camente para cada ponto de monitoramento. Os conjuntos de parametros de qualidade da agua (PQA) analisados foram: (i) tradicional (nitrogenio, fosforo, solidos e carbono), (ii) materia organica dissolvida (MOD), (iii) contaminantes emergentes (CE) e (iv) metais. Alem disso, foram realizadas coletas sem a ocorrencia de chuvas para delinear o ?uxo de base dos rios, fazendo a analise dos mesmos conjuntos de parametros. Como resultado, foram monitorados 8 eventos de chuva, dos quais 3 eventos ocorreram em BA1 e 5 eventos em BA2. Portanto, existem 3 eventos de chuva que representam a entrada e saida entre os pontos BA1-BA2, denominado de in?uencia da area incremental. De maneira geral, os resultados mostraram que as caracteristicas dos eventos de chuva tem grande in?uencia no carreamento dos poluentes, dos quais se destacam a intensidade da chuva, principalmente no ponto BA1, e a quantidade de dias secos antecedentes, principalmente no ponto BA2. Em termos quantitativos, os PQA indicam que o ponto BA2 recebe maior aporte de poluentes que o ponto BA1, onde BA1 recebe in?uencia de FNP de poluicao como lavagem de areas vegetadas e/ou de agricultura, processos erosivos e formacao geologica do solo, enquanto o ponto BA2, alem de receber a in?uencia de montante, recebe contribuicoes da lavagem das areas urbanizadas, galerias e descarga de estacao de tratamento de esgoto. Os parametros tradicionais mais relevantes medidos foram COD and SS, que respectivamente representam uma carga introduzida de 74.10 ton day?1 e 196.27 ton day?1 em BA1, e 903.95 ton day?1 e 5,332.87 ton day?1 em BA2. A dinamica da MOD mostrou que os eventos de chuva favorecem o carreamento de material com caracteristicas mais refratarias para o corpo hidrico. Os CEs indicaram a in?uencia da ocupacao antropica onde a cafeina e farmacos foram os contaminantes de maior ocorrencia durante os eventos de chuva (100% de ocorrencia para cafeina e naproxeno, e 42-100% de ocorrencia para ibuprofeno). Os elementos inorganicos, ou metais analisados na fracao dissolvida tiveram maiores concentracoes medidas durante o escoamento de base do que durante os eventos de chuva, indicando a in?uencia da formacao geologica da regiao; enquanto para os elementos da fracao total apresentaram maiores concentracoes durante os eventos de chuva, indicando o potencial transporte de poluentes aderidos as particulas para jusante. Desta forma, a principal contribuicao desta tese foi veri?car e con?rmar a in?uencia das mudancas de uso do solo ocorrida entre os pontos BA1 e BA2, com a diminuicao de areas vegetadas e o aumento de areas urbanizadas, pela analise dos multiplos PQA considerando a estrategia de analise da area incremental. Assim, destaca-se que os processos de FNP de poluicao exercem in?uencia na qualidade da agua dos rios e devem ser considerados para a melhoria da gestao dos recursos hidricos. Palavras-chaves: Monitoramento e Avaliacao. Qualidade da agua. Gestao de Recursos Hidricos. Fonte nao pontual de poluicao. Area incremental.

Abstract: Rainfall episodes occurrence causes surface wash-off in the watershed and, consequently, pollutant carrying into the water bodies. This kind of pollution source is called a non-point source (NPS) and, due to its relation with rainfall occurrence, it can be considered more difficult to monitor than point sources. The type of pollutant introduced into the water body by NPS is related to the watershed land use, as well as, pollutants transport that will be carried in is related to the hydrological characteristics of rainfall events. Therefore, one of the ways to assess the contribution of NPS pollution is to associate the concentration (mg L?1) with the ?ow (m3 s?1) and them to produce load estimation (kg d?1) of pollutant dynamics, using rainfall and ?ow integrated monitoring strategy. The differences in land use in each drainage area re?ect differently on the river water quality, and consequently, they are propagated downstream. Thus, monitoring two consecutive locations in a watershed, considering the pollutant dynamics of transport by FNP between them, is not yet effectively explored in the literature. Thus, the main aim of this research is to assess quali-quantitatively NPS pollution in?uenced by rainfall events at two consecutive monitoring points. In addition, an assessment will be made of the magnitude of the pollutant input during rain events compared to the base pro?le of the river. These objectives are based on the hypothesis that the different land use, in each drainage area, have a signi?cant in?uence on the pollution contribution carried by runoff in the watershed during rainfall events. Thus, the strategy used was i) to use automatic samplers to collect water samples from the river during the hydrographs rising and recession, ii) to monitor two consecutive sites in the river (input and output), and iii) to quantify distinct water quality parameters. The study area was Barigui River Watershed, in its northern portion, where monitoring points were located in Almirante Tamandare (BA1) and Parque Tingui (BA2). For rainfall discretization, automatic samplers were used, con?gured speci?cally for each monitoring point. The sets of water quality parameters (WQP) analyzed were: (i) traditional (nitrogen, phosphorus, solids and carbon); (ii) dissolved organic matter (DOM); (iii) emerging contaminants (EmerC) and (iv) metals. Additionally, campaigns without rainfall occurrence were performed, to outline river base ?ow. As a result, 8 rain events were monitored, of which 3 events occurred in BA1 and 5 events in BA2. Therefore, there are 3 rainfall episodes that represent the input and output between points BA1-BA2, called of incremental area in?uence. In general, results showed that hydrological characteristics had a great in?uence on pollutants behavior of which rainfall intensity especially at point BA1, and antecedent dry days especially at point BA2. In quantitative terms, WQP indicates that point BA2 receives a greater contribution of pollutants than point BA1, where BA1 is in?uenced by NPS pollution, such as washing-off from vegetated areas and/or agriculture, erosion processes and geological formation of the soil, while point BA receives upstream in?uence, washing-off from urbanized areas, galleries, and wastewater treatment plant discharge. The most relevant traditional parameters measured were COD and SS, which respectively represent an introduced load of 74.10 ton day?1 and 196.27 ton day?1 in BA1, and 903.95 ton day?1 and 5,332.87 ton day?1 in BA2. The DOM dynamics showed that rainfall events favor the carrying of material with more refractory characteristics for the water body. The EmerC indicated human activities in?uence, where caffeine and pharmaceuticals were the most frequent contaminants during rainfall events (100 % occurrence for caffeine and naproxen, and 42-100 % occurrence for ibuprofen). The inorganic elements, or metals analyzed in the dissolved fraction, had higher concentrations during the base?ow than during rainfall events, indicating geological formation in?uence of the region; while for the total fraction had greater magnitude during rainfall events, indicating the potential transport of pollutants adhered to the particles downstream. Thus, the overall contribution is to proper assess the impact of changes in the incremental land use between two monitoring sites , with vegetated areas decrease and urbanized areas increase, by the analysis of multiple WQP, especially from anthropic in?uence to highlight the relevance of adequate assessment of NPS pollution on river water quality that should be considered to improve water resources management. Key words: Monitoring and Assessment. Water Quality. Water Resources Management. Non point sources of pollution. Incremental Area.