Noves tecnologies per a la determinació de la qualitat ecològica de l'aigua en embassaments.

Roderic Mòbil

Home non-mobile view

Noves tecnologies per a la determinació de la qualitat ecològica de l'aigua en embassaments.

Mostra el registre parcial de l'element

dc.contributor.advisor Durán Lalaguna, Concha
dc.contributor.advisor Vicente Pedrós, Eduardo
dc.contributor.advisor Soria García, Juan Miguel
dc.contributor.author Soria Perpiñá, Javier
dc.contributor.other Màster en Biodiversitat: Conservació i Evolució es_ES
dc.date.accessioned 2017-05-30T06:50:02Z
dc.date.available 2017-05-31T04:45:07Z
dc.date.issued 2017 es_ES
dc.date.submitted 26-05-2017 es_ES
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10550/58698
dc.description.abstract La qualitat de les aigües superficials i subterrànies té un protagonisme creixent, ja que l’aigua és un element essencial per a la vida i, amb l’augment de la població, la contaminació, i les conseqüències del canvi global, està convertint-se en un be escàs. Especialment a l’Europa meridional, on els models climàtics preveuen un augment dels períodes de sequera i unes pluges més concentrades i torrencials. Aquesta situació provocarà que els embassaments de zones amb dèficit hídric, amb gran importància per a la provisió d’aigua potable, siguen encara més indispensables per a la població, i en conseqüència siga fonamental mantenir la qualitat ecològica dels embassaments en el millor estat possible a través d’estudis i seguiments de control de la qualitat de l’aigua. En aquest sentit és la Directiva Marc de l’Aigua (DMA) qui ha obligat als estats membres a establir programes de seguiment de l’estat de les aigües superficials, directiva transposada a la legislació espanyola mitjançant l’Ordre ARM/2656/2008, de 10 de setembre, que aprova la instrucció de planificació hidrològica (IPH), i el Reial Decret 817/2015, de 11 de setembre, per el que s’estableixen els criteris de seguiment i avaluació de l’estat de les aigües superficials i les normes de qualitat ambiental. Programes de seguiment i avaluació que s’han d’ajustar a les condicions regionals i locals millorant les tècniques de mostreig i seguiment per al control de la qualitat de les aigües, intentant ser el més eficients i eficaços possible en l’anàlisi. Partint d’aquest punt, el que es pretén és què per al seguiment de la qualitat de l’aigua dels embassaments per a l’acompliment de la legislació, les anàlisis es duguen a terme amb el menor nombre de mostres necessàries i mínim processat per a obtenir la màxima informació possible, que ens ajude tant en el propòsit de determinar l’estat ecològic de la massa d’aigua com en la presa de decisions en la seua gestió hídrica. Aquest estat ecològic s’anomena potencial ecològic (PE) quan es fa referència a les masses molt modificades assimilables a llacs, categoria en la que es classifiquen els embassaments i en la que el PE s’estableix mitjançant el càlcul d’indicadors fisicoquímics, biològics i hidromorfològics. Un dels paràmetres fisicoquímics es la transparència de l’aigua, que influència directament els indicadors biològics, i actua com a factor limitant en la producció primària i distribució dels organismes en una massa d’aigua. Per aquest motiu als anàlisis s’utilitza la mostra integrada de la zona fòtica (zona on es produeix en general la major part de la producció primària) per a determinar la qualitat de les masses d’aigua, seguint les indicacions de la “Metodología para el establecimiento del estado ecológico según la Directiva Marco del Agua en la Confederación Hidrográfica del Ebro” elaborat per Vicente et al. (2005). Mentre que un dels principals paràmetres biològics és la clorofil·la a, ja que la seua concentració a l’aigua ens dona una aproximació sobre la biomassa del fitoplàncton (productors primaris), l’augment del qual reflexa signes simptomàtics d’alteració dels cicles dels nutrients i l’estructura de la xarxa tròfica relacionats amb l’eutrofització, un dels principals problemes de les aigües superficials. Un altre paràmetre poc utilitzat per a la determinació de la qualitat de l’aigua, però relacionat amb el metabolisme dels ecosistemes, i que té una importància creixent per la seua influència en el canvi climàtic és la concentració de carboni orgànic dissolt (DOC), les fluctuacions del qual poden repercutir en l’estat ecològic de l’aigua. A més, la presència de DOC en l’aigua per a abastiment pot derivar en problemes greus, ja que de la cloració d’aigua rica en DOC es formen com a resultat subproductes clorats cancerígens. L’aspecte interesant és què la concentració de DOC podria determinar-se a través del seu component òpticament actiu, el CDOM (matèria orgànica dissolta acolorida). L’estudi d’aquestes variables es va dur a terme durant els períodes estivals de l’any 2010 fins a l’any 2015 en 59 embassaments de la conca del riu Ebre, aprofitant els projectes de seguiment de les masses d’aigua molt modificades de la Confederació Hidrogràfica de l’Ebre (CHE). Aquests projectes tenen l’objectiu de determinar la qualitat ecològica dels embassaments i dur a terme la comparació de mètodes per poder traslladar avanços teòrics a marcs metodològics d’avaluació operatius. Respecte al primer paràmetre estudiat, la transparència, el protocol de mostreig de fitoplàncton en llacs i embassaments estableix l’obtenció de la profunditat de la zona fòtica com el resultat de la multiplicació d’una constant general (2,5), per la mesura de la profunditat de visió del disc de Secchi. Però, amb l’ús d’una constant única per a totes les masses d’aigua podríem estar distorsionant la profunditat real de la zona fòtica. Un mètode molt més exacte per a obtenir la profunditat de la capa fòtica és l’ús d’un luxòmetre per a mesurar la quantitat de llum que penetra a cada profunditat. Així, per a augmentar la fiabilitat en la determinació de la profunditat de la zona fòtica, es van calcular una relació d’equacions empíriques relacionades amb el càlcul de la profunditat de la zona fòtica per a un lloc i una època de l’any determinats, per a revisar el multiplicador actual i determinar si seria necessari l’ús d’un o diversos multiplicadors nous. Els resultats obtinguts van determinar que per millorar el càlcul de la profunditat de la zona fòtica a partir de la profunditat del disc de Secchi seria necessari utilitzar diversos multiplicadors, els calculats en funció de la tipologia dels embassaments elaborada per a determinar els rangs de cada classe de PE dels paràmetres de qualitat, recomanant per tant el seu ús en el seguiment estival a la demarcació de la CHE. En segon lloc, la concentració de clorofil·la a és un paràmetre que s’ha aplicat àmpliament a la majoria d’índexs per determinar l’estat dels ecosistemes d’aigua dolça, però generalment no s’especifica quin mètode utilitzar per al seu càlcul, tot i que hi ha mètodes més sensibles que altres. Per aquest motiu, es van comparar diversos mètodes d’obtenció de la concentració de la clorofil·la a, per a constatar si l’aplicació d’un o altre mètode per al càlcul de la concentració de la clorofil·la a influïa en el càlcul dels índexs de qualitat biològica, i poder determinar quin és el més eficaç i eficient en termes econòmics i laborals per a dur a terme treballs de control de qualitat en embassaments. Els resultats mostren que els mètodes de mesura de la concentració de clorofil·la a, espectrofotomètric, fluorimètric i cromatogràfic, ofereixen resultats comparables dins de la zona fòtica, que el mètode cromatogràfic és el que proporciona els valors més baixos i que els fluorímetres de camp sobreestimen les mostres de fons on les concentracions són molt baixes i hi ha major presència de productes de degradació. L’aplicació d’índexs de qualitat amb els valors dels tres mètodes emprats, indica que l’existència o absència de diferències es deu a la quantitat de paràmetres que es consideren als índexs. De manera que en la pràctica rutinària d’anàlisis de seguiment puntual per al control de la qualitat es recomana l’ús de la fluorimetria de camp per la seua eficiència i volum d’informació, ja que podem determinar on es troba el màxim de concentració de clorofil·la a del perfil vertical, el que ens serviria per a adaptar la gestió hídrica a les condicions de l’embassament i millorar la seua qualitat. Al mateix temps que s’agafaven les mostres que marca el protocol de mostreig, es va analitzar la concentració de matèria orgànica a través del DOC i el CDOM per a buscar una relació entre ambdues concentracions per a una regió (conca hidrogràfica del riu Ebre) i una estació (període estival) determinades, ja que l’aproximació només es pot fer si existeix una relació constant de CDOM i DOC, i és coneix per a unes regions i estacions determinades. A més de la relació directa entre les dos variables, per a definir les condicions en les que aquesta relació és més significativa, es van usar quatre paràmetres que condicionen les concentracions de la matèria orgànica dissolta i per tant, estan relacionades amb l’impuls del cicle del carboni dins dels ecosistemes. Així, també es van classificar els embassaments en funció de la mida de la seua conca drenant, el temps de residència hidràulica (TRH), la concentració de sòlids en suspensió i la concentració de clorofil·la a, i així poder observar i determinar com la relació entre el DOC i el CDOM es veia influenciada per aquests paràmetres. Els resultats indiquen que els perfils verticals de DOC i CDOM són contraris, el DOC disminueix mentre que el CDOM augmenta en profunditat, de manera que si es vol estudiar una relació entre les dues variables s’ha de buscar amb mostres de superfície o de la zona fòtica. La concentració de clorofil·la a, com a font de matèria orgànica autòctona, i el TRH, com a determinant de la matèria orgànica al·lòctona, són les variables que influeixen més fortament en la relació entre el DOC i el CDOM per a l’estació i àmbit d’estudi, relació que es veu minvada en augmentar tant la concentració de clorofil·la a com el TRH. Aquests tres paràmetres estan relacionats amb les propietats òptiques inherents a l’aigua, que són: les propietats òptiques de l’aigua (transparència), el fitoplàncton (clorofil·la a), el CDOM i el trípton. I, per tant, són paràmetres que afecten a l’espectre de reflectància de l’aigua, podent ser determinats a través de sensors remots, la qual cosa pot proporcionar major informació de manera contínua amb un menor esforç de mostreig en camp i d’aquesta manera augmentar la resolució espacial i temporal de les variables estudiades (profunditat del disc de Secchi, concentració de clorofil·la a i CDOM). Així, mitjançant l’ús de sensors satel·litaris es podria calcular l’estat de la qualitat de totes les masses d’aigua de la CHE en només uns dies, la qual cosa ajudaria a complementar els programes de mostreig in situ sense necessitat d’elevades despeses econòmiques. I, com demostren els resultats, els algoritmes obtinguts són adequats per a augmentar la resolució espacial dels paràmetres estudiats mitjançant l’ús de sensors satel·litaris, per al període i àmbit d’estudi. A més, la variabilitat espacial de les variables observades als mapes temàtics ha demostrat la asimetria característica dels embassaments entre la presa i la cua. Per tant, la determinació de la qualitat de l’aigua limitada a una mostra prop de la presa ens dona informació de l’aigua que extraurem de l’embassament, important per a la gestió hídrica, però no de l’estat ecològic al llarg d’aquest. En síntesi, tenint en compte la finalitat i les exigències dels anàlisis de seguiment de masses d’aigua molt modificades, el protocol dels mostreigs periòdics es veuria modificat en primer lloc en la determinació de la profunditat de la zona fòtica, on es seguiria fent servir el disc de Secchi però utilitzant els nous multiplicadors per tipus d’embassament. I en segon lloc, l’obtenció de la concentració de clorofil·la a es duria a terme amb fluorímetres de camp, recomanant un sensor conduït i amb sensor de profunditat, i utilitzant per al calibratge mostres puntuals de zones on el perfil és constant. Obtenint així, a més de la concentració de la zona fòtica, la situació de la concentració màxima dins del perfil vertical, element indispensable per a dur a terme una adequada gestió hídrica dels embassaments, essencial per a mantenir un adequat estat ecològic de les masses d’aigua. I utilitzar la teledetecció per augmentar la resolució espacial i temporal de la informació. Juntament amb aquests canvis metodològics, pensem que s’hauria d’afegir el seguiment de la matèria orgànica amb la realització de perfils verticals i l’elaboració de mapes temàtics, ja que el seguiment del CDOM ens podria ajudar a prevenir i reduir la presència de matèria orgànica als embassaments, la qual cosa repercutiria en l’estalvi de costos en la potabilització d’aigües per a abastiment i en la reducció d’emissions de gasos d’efecte hivernacle a l’atmosfera. En definitiva, la següent tesi pretén contribuir en l’estudi i la millora de la metodologia emprada en l’anàlisi de la qualitat d’un recurs tan important com és l’aigua. Fent servir les tecnologies més avançades bé siga per a millorar altres mètodes més fàcils i econòmics d’utilitzar, com per a introduir-ne de nous que faciliten i milloren els protocols de seguiment. Amb la finalitat d’utilitzar el menor nombre de mostres necessàries i mínim processat, i obtenir el major nombre d’informació possible per a determinar tant l’estat ecològic de la massa d’aigua com per a prendre decisions sobre la gestió hídrica. es_ES
dc.format.extent 261 p. es_ES
dc.language.iso ca es_ES
dc.subject Qualitat de l'aigua es_ES
dc.subject Embassaments es_ES
dc.subject Teledetecció es_ES
dc.subject Transparència es_ES
dc.subject Clorofil·la a es_ES
dc.subject Matèria orgànica es_ES
dc.title Noves tecnologies per a la determinació de la qualitat ecològica de l'aigua en embassaments. es_ES
dc.type info:eu-repo/semantics/doctoralThesis es_ES
dc.subject.unesco UNESCO::CIENCIAS TECNOLÓGICAS::Ingeniería y tecnología del medio ambiente::Control de la contaminación del agua es_ES
dc.description.abstractenglish The quality of shallow and underground waters has a growing prominence, considering that water is an essential element for life and, with the rise of population, pollution and the consequences of the global change, is becoming a scarce asset. Primarily on southern Europe, where the climatic models forecast a rise of draught periods and more concentrated and heavy rains. This situation will cause that reservoirs from zones with hydrological deficit, with great importance for the supply of drinking water, will be even more essential for the population, and as a consequence keeping the ecological quality of reservoirs in their best possible state through studies and monitoring of water's quality control will be fundamental. In this regard it is the Water Framework Directive (DMA) that has compelled member states to establish programmes for the monitoring of the state of shallow waters. Programmes that have to adjust to regional and local conditions improving the sampling and monitoring techniques for the water's quality control, trying to be as efficient and effective as possible in the analysis. Starting from this point, what it is envisaged is for the monitoring of the reservoir's water quality for the accomplishment of the DMA, the analyses are carried out with the lesser number of samples necessary and the minimum processing in order to obtain the larger amount of information possible, so as to help determining the ecological state of the water mass as in the decision making about its hydrological management. This ecological state in the DMA is called ecological potential (PE) when it is referred to very modified masses considered as lakes, category under which reservoirs are classified and where the PE is established by the calculation of a physiochemical, biological and hydromorphological indicators. One of the physiochemical parameters is water transparency, which influences directly the biological indicators and acts as a limiting factor in the primary production and distribution of organisms in a water mass. For this reasons the analysis uses the integrated sample of the photic zone (zone where the major part of primary production is produced in general) for determining the quality of water masses. Being one of the main biological parameters the chlorophyll a, since its concentration in water gives us an approximation about the abundance of phytoplankton (primary producers), whose growth reflects symptomatic signs of alteration of the nutrients' cycles and the trophic network's structure related to eutrophication, one of the main problems of shallow waters. Another parameter less used for the determination of water's quality, but related to the ecosystems' metabolism, and one that has a growing importance for its influence in climate change is the concentration of melted organic carbon (DOC), whose fluctuations can impact water's ecological state. Besides, the presence of DOC in supply water can lead to grave problems, since from water cloration rich in DOC are formed as a result carcinogenic chlorate byproducts. The interesting aspect is that the DOC concentration could be determined through its optically active component, the CDOM (coloured dissolved organic matter). The study of these variables was carried out during summertime periods from 2010 until 2015 in 59 reservoirs in the Ebro river basin. Using monitoring projects of very modified water masses from the Ebro River Basin Authority (CHE), carried out with the purpose of determining the ecological quality in application of the DMA in order perform the comparison between methods and being able to transfer theoretical advances to operational assessment methodological frameworks. As for the first parameter studied, transparency, the sampling protocol for the phytoplankton analysis in lakes and reservoirs, establishes the obtention of the depth of the photic zone as a result of the multiplication of a general constant (2'5), by the measure of the depth of view of the Secchi disk. But, with the use of a unique constante for every water masses we could be distorting the real depth of the photic zone. A much more exact method for obtaining the depth of the photic layer is the use of a luxmeter to measure the quantity of light that pierces at each depth. Thus, to increase the reliability in the determination of the photic zone's depth, a relation of empirical equations related to the estimation of the photic zone's depth for a determined season and place were calculated, in order to revise the current multiplier and determine the necessity for one or several new multipliers. The results obtained determined that in order to improve the estimation of the photic zone's depth from the depth of Secchi's disk would be necessary to use several multipliers, the ones estimated according to the typology of the reservoirs devised to determine the rank of each PE class of the quality parameters, thus recommending its use in the summertime monitoring in the area of the CHE. Secondly, the concentration of chlorophyll a is a parameter applied broadly to the majority of indices to determine the state of the fresh water ecosystems, but generally it is not specified which method to use for its calculation, despite being more sensible methods than others. for this reason, several methods for obtaining the chlorophyll a concentration were compared in order to verify if the application of one or another method for calculation chlorophyll a concentration influenced the calculation of biological quality indices, and being able to determine which one is the most effective and efficient in labour and economic terms to carry out quality control works in reservoirs. The results show that the methods for measuring the chlorophyll a concentration (spectrophotometric, fluorimetric and chromatographic) offer comparable results inside the photic zone, that the chromatographic method is the one that presents the lower values and that field fluorimeters overvalue the depth samples where the concentrations are very low and there is a higher presence of degradation products. The application of quality indices with values of the three used methods indicates that the existence or absence of differences is due to the quantity of parameters that are considered in the indices. Therefore, in the routine practice of isolated monitoring analyses for quality control it is recommended the use of field fluorimetry for its efficiency and volume of information, since we can determine where the maxiumum concentration of chlorophyll a in the vertical profile is found, which would enable us for adapting the hydrological management to the conditions of the reservoir and to improve its quality. At the same time that the samples in compliance with the rules of the sampling protocol, the concentration of organic matter through the DOC and CDOM was analysed in order to find a relation between both concentrations for a region -Ebro river basin- and a season -summertime- since the estimate can only be made if it exists a constant relation of CDOM to DOC and is known for specific regions and seasons. Besides the direct connection between both variables, in order to define the conditions in which this connection is more significative four parameters that condition the dissolved organic matter concentrations were used and therefore are related to the impulse of the carbon cycle inside the ecosystems. Thus, also the reservoirs were classified according to the size of its draining basin, the hydraulic residence time (TRH), the concentration of solids in suspension and the concentration of chlorophyll a in order to be able to observe and determine how the relation between the DOC and the CDOM was influenced by these paramters. The results indicate that the DOC and CDOM vertical profiles are contrary, the DOC decreases while the CDOM increases in depth, so if we want to study a relation between both variables we have to search for it with surface samples or from the photic zone. The concentration of chlorophyll a, as a source of native organic matter, and the TRH, as a determinant of the non-native organic matter, are the variables that influence more strongly in the relation between DOC and CDOM for the season and field of research, relation that is diminished with such an increase of chlorophyll a concentration and the TRH. These three parameters are related with the optical properties inherent to water: optical properties of water (transparency), phytoplankton (chlorophyll a), the CDOM and the tripton. Thus, are parameters that affect the reflective spectrum of water, and can be determined through remote sensors which can provide us with greater information constantly with a lesser sampling effort in the field. This way, to increase the temporal and spatial resolution of the studied variables (depth of Secchi's disk, concentration of chlorophyll a and CDOM) through satellite sensors to be able to calculate the state of the quality of every water mass of the CHE, in just a few days, would help to supplement on-site sampling programmes without the need for high economic expenses. And as the results show, the algorythms obtained are adequate for increasing the spatial resolution of the studied parameters with the use of satellite sensors for the period and field of research. Besides, the spacial variability of the variables observed in thematic maps has proven the assymetry charactertic of reservoirs between the dam and the tail end. Therefore, the determination of water quality limited to a sample near the dam gives us information about the water to be extracted from the reservoir, important for the hydrological management, but not for the ecological state along it. To sum up, taking into account the purpose and demands of the monitoring analyses of very modified water masses, the periodical sampling protocol would be modified firstly in the determination of the depth of the photic zone, where Secchi's disk would continue to be used but using the new multipliers by reservoir type. Secondly, the extraction of chlorophyll a concentration would be carried out with field fluorimeters, recommending a driven sensor with depth sensor, and using for the calibration isolated samples of zones where the profile is constant. Obtaining thus, besides the concentration of the photic zone, the situation of the maximum concentration inside the vertical profile, an essential element to carry out an adequate hydrological management of reservoirs, key to keep an adequate ecological state of the water masses. And to use remote sensing to increase the spatial and temporal resolution of the information. Together with these methodological changes, we think that the monitoring of organic matter should be added with the execution of vertical profiles and the production of thematic maps, since the monitoring of CDOM could help us to prevent and reduce the presence of organic matter in reservoirs, which could have an affect on the cost-saving in the purification of water supplies and in the reduction of greenhouse gas emissions to the atmosphere. In essence, the following thesis intends to contribute to the study and the improvement of the methodology used in the analysis of the quality of such an importante resource as water. Using the most advanced technologies whether to improve other easier and inexpensive methods as to introduce new ones that facilitate and improve the monitoring protocols with the purpose of using the minimum number of samples needed and minimum processing, and to obtain as many information as possible to determine the ecological state of the water mass as well as taking decisions about the hydrological management. es_ES
dc.embargo.terms 0 days es_ES


Fitxers en aquest element

Aquest element apareix en la col·lecció o col·leccions següent(s)

Mostra el registre parcial de l'element

Veure lloc complet

Roderic Mòbil