Representative water quality parameters in a critical water basin: elements for planning and management

Almeida, Camila de Carvalho; Peixoto, Luís Otávio Miranda; Sieciechowicz, Marianne Schaefer França; Fernandes, Cristovão Vicente Scapulatempo; Azevedo, Julio César Rodrigues De; Centeno, Jorge Antonio Silva

doi:10.1590/2318-0331.282320230035

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Sumário

Scientific/Technical Article • RBRH 28 • 2023 • https://doi.org/10.1590/2318-0331.282320230035 copy

Representative water quality parameters in a critical water basin: elements for planning and management

Parâmetros de qualidade da água representativos de uma bacia hidrográfica crítica: elementos para planejamento e gestão

Authorship SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

ABSTRACT

Changes in water quality are a consequence of water and land use dynamics. Measuring these relationships is challenging, especially when looking at distinct variables such as traditional organic matter constituents and emerging compounds. Although monitoring is necessary for proper water resource planning and management strategies, a comprehensive methodological approach is in general time-consuming and costly, which discourages decision-makers. The goal of the study was to establish consistent water quality elements based on a statistical analysis to identify the most representative parameters of a critical urban basin. The results highlighted BOD, nitrogen, and phosphorus series as chemical representative parameters; and conductivity, turbidity, and total dissolved solids as the physical parameters. In this context, these parameters represent the most significant uses of the studied area and define a more effective monitoring system that will subsidize decision-making and water resources planning and management.

Keywords:
Monitoring; Principal component analysis; Urban basins; Water resources management

Project	Time Period	Sources
Critical Watersheds (Bacias Críticas)	2005-2008	Fernandes et al. (2010)Fernandes, C. V. S., Knapik, H. G., Brites, A. P. Z., Dombroski, L. F., Ribeiro, D. A., & Formigoni, Y. (2010). Projeto Integra - Disponibilidade Hídrica para Aplicação dos Instrumentos de Gestão de Recursos Hídricos: Quantidade e Qualidade de Água. Relatório de Avaliação (No. 01). Curitiba., França (2009)França, M. S. (2009). Análise multivariada dos dados de monitoramento de qualidade de água da Bacia do Alto Iguaçu: uma ferramenta para a gestão dos recursos hídricos (Dissertação de mestrado). Universidade Federal do Paraná, Curitiba., Knapik (2009)Knapik, H. G. (2009). Reflexões sobre monitoramento, modelagem e calibração na gestão de recursos hídricos: Estudo de caso da qualidade da água da bacia do Alto Iguaçu (Dissertação de mestrado). Universidade Federal do Paraná. Curitiba.
Integra I	2008-2012	Fernandes et al. (2010)Fernandes, C. V. S., Knapik, H. G., Brites, A. P. Z., Dombroski, L. F., Ribeiro, D. A., & Formigoni, Y. (2010). Projeto Integra - Disponibilidade Hídrica para Aplicação dos Instrumentos de Gestão de Recursos Hídricos: Quantidade e Qualidade de Água. Relatório de Avaliação (No. 01). Curitiba., Coelho (2013)Coelho, M. (2013). Estratégia de monitoramento da qualidade da água para a gestão de recursos hídricos em bacias urbanas (Dissertação de mestrado). Universidade Federal do Paraná, Curitiba., Knapik (2014)Knapik, H. G. (2014). Organic matter characterization and modeling in polluted rivers for water quality planning and management (Tese de doutorado). Universidade Federal do Paraná, Curitiba., Kramer et al. (2015)Kramer, R. D., Mizukawa, A., Ide, A. H., Marcante, L. J. O., Santos, M. M., & Azevedo, J. C. R. (2015). Determinação de anti-inflamatórios na água e sedimento e suas relações com a qualidade da água na bacia do Alto Iguaçu, Curitiba-PR. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, 20(3), 657-667.
Integra II	2012-2017	Osawa et al. (2015)Osawa, R. A., Sampaio, N. M. F. M., & Azevedo, J. C. R. (2015). Determinação de fármacos anti-hipertensivos em águas superficiais na região metropolitana de Curitiba. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, 20(4), 1039-1050., Coelho et al. (2017)Coelho, M., Fernandes, C. V. S., Detzel, D. H. M., & Mannich, M. (2017). Statistical validity of water quality time series in urban watersheds. Brazilian Journal of Water Resources, 22, e51. http://dx.doi.org/10.1590/2318-0331.0217160071. http://dx.doi.org/10.1590/2318-0331.0217... , Ide et al., (2017)Ide, A. H., Osawa, R. A., Marcante, L. O., Da Costa Pereira, J., & De Azevedo, J. C. R. (2017). Occurrence of pharmaceutical products, female sex hormones and caffeine in a subtropical region in Brazil. Clean (Weinheim), 45, 1600437., Mizukawa et al. (2018), Mizukawa et al. (2019)Mizukawa, A., Filippe, T. C., Peixoto, L. O. M., Scipioni, B., Leonardi, I .R., & Azevedo, J. C. R. (2019). Caffeine as a chemical tracer for contamination of urban rivers. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, 24, e29. http://dx.doi.org/10.1590/2318-0331.241920180184. http://dx.doi.org/10.1590/2318-0331.2419... , Coelho (2019)Coelho, M. (2019). Uncertainty analysis in the statistical and stochastic context of water quality time series. (Tese de doutorado). Universidade Federal do Paraná, Curitiba.

Water quality parameter	Mean	Standard deviation	Variance	Coefficient of variation
NO₂ (mg/L)	0.14	0.19	0.04	1.36
Q (m³/s)	21.9	24.23	587.29	1.11
BOD (mg/L)	15.17	16.55	273.84	1.09
TP (mg/L)	0.58	0.58	0.34	0.99
N-Org (mg/L)	1.26	1.24	1.54	0.98
DO (mg/L)	2.86	2.27	5.16	0.79
NO₃ (mg/L)	0.38	0.3	0.09	0.78
SS (mL/L)	0.16	0.12	0.01	0.75
NH₄ (mg/L)	4.91	3.55	12.58	0.72
TURB (NTU)	15.89	11.5	132.35	0.72
TOC (mg/L)	12.81	8.2	67.22	0.64
TTS (mg/L)	27.41	16.29	265.34	0.59
COD (mg/L)	26.34	14.93	222.78	0.57
TDS (mg/L)	127.25	72.86	5308.69	0.57
COND (μS/cm)	105.08	53.1	2819.3	0.51
Secchi (cm)	43.97	18.7	349.67	0.43
TEMP (ºC)	18.08	2.87	8.25	0.16
pH	6.98	0.32	0.11	0.05

PC	Eigenvalue	Explained variance (%)	Accumulated explained variance (%)	Correlation ≥ \|0.7\|
1	5.40	30.02	30.02	DO (+), TDS (-), NH₄ (-), TP (-), TOC (-), COND (-), pH (-)
2	3.46	19.25	49.27	TSS (+), N-Org (+), TURB (+)
3	2.26	12.53	61.81	TEMP (+)
4	1.70	9.47	71.28	None
5	1.26	7.00	78.27	None

Water quality parameter	Mean	Standard deviation	Variance	Coefficient of variation
BOD (mg/L)	16.22	17.21	296.33	1.06
TDS (mg/L)	143.03	181.82	33057.77	1.27
NH₄ (mg/L)	5.75	8.72	76	1.52
NO₂ (mg/L)	0.28	0.4	0.16	1.45
NO₃ (mg/L)	1.47	2.85	8.15	1.94
TP (mg/L)	1.03	2.12	4.51	2.06
TURB (mg/L)	43.48	53.51	2863.52	1.23
DO (mg/L)	3.76	2.36	5.57	0.63
pH	7.15	0.56	0.32	0.08

PC	Eigenvalue	Explained Variance (%)	Accumulated explained variance (%)	Correlations ≥ \|0.5\|
1	2.21	42.91	42.91	TDS (+), BOD (-), NH₄ (-) and TURB (+)
2	1.49	20.04	62.95	TDS (+) and TURB (+)
3	1.16	10.86	73.81	pH (+)

Water quality parameter	Mean	Standard deviation	Variance	Coefficient of variation
BOD	16.29	16.07	265.6	1.01
DOC	5.37	7.91	28.9	0.68
NH₄	8.89	5.87	79.2	1.52
NO₂	0.33	0.22	0.11	1.51
NO₃	2.10	0.94	0.11	1.51
N-Org	4.97	2.81	24.7	1.77
TN	11.1	9.50	123.4	1.17
TP	1.38	0.79	1.91	1.76
PO₄	1.30	0.46	1.68	2.81
DO	2.27	3.39	5.14	0.67
COD	31.1	21.0	440.7	0.68
TFS	111.8	63.9	4087	0.57
TVS	61.5	37.4	1396	0.61
FDS	77.0	50.8	2575	0.66
VDS	43.3	34.1	1160	0.79
FSS	35.2	41.8	1748	1.19
VSS	18.6	16.9	285.3	0.91
SS	0.32	0.75	0.57	2.38
TC	2556887	5220714	2.10¹⁴	2.01
FC	564061	17073333	2.10¹³	3.03
COND	40.3	38.9	1511	0.96
TURB	182.5	119.8	14339	0.66
TEMP	19.2	3.20	10.2	0.16
pH	7.1	0.54	0.29	0.08
CAF	4.61	2.75	21.3	1.68
E1	0.70	0.65	0.49	1.08
EE1	0.79	0.52	0.63	1.54

PC	Eigenvalue	Explained Variance (%)	Accumulated explained variance (%)	Correlations ≥ \|0.7\|
1	1.07	43.64	43.64	BOD (+), N-Org (+), NO2(+), DOC (+), DO (-)
2	0.62	24.26	67.90	NO2(+), NH₄(+), TP (+)
3	0.52	10.21	78.11	NO₃(+)
4	0.33	7.02	85.16	None

PC	Eigenvalue	Explained Variance (%)	Accumulated explained variance (%)	Correlations ≥ \|0.7\|
1	1.19	36.63	36.63	COD (+), TVS (+), COND (+), SS (+), VSS (+)
2	0.35	15.24	51.87	VDS (-), TC (+)
3	0.30	10.61	62.48	FDS (+)
4	0.30	9.64	72.12	None
5	0.26	6.25	78.37	None

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