Eutrophication in small semiarid reservoirs: rural sanitation, limnological aspects and orbital remote sensing

This investigation addresses two themes of eutrophication in small semiarid reservoirs: the rural sanitation and water quality monitoring. The initial chapter deals with the Green Module Sewage (GMS) as a mitigating measure of the nutrient supply to the reservoirs. This alternative technology considers the reuse of effluents in productive yards. The GMS assessment constructed in Madalena (CE) included test of sanitary quality in the vegetables, sizing proposal, sludge rate produced and estimation of the maintenance time of the system. Vegetables samples showed thermotolerant coliforms values less than 10 UFC,g-1 and absence of Salmonella sp., indicating that products meet the sanitary standards. The proposed design considers water consumption and sewage production in two situations: (R1) with and (R2) without piped water. From these measurements we got the return coefficient (Cr) and the results indicated values of 25% and 3% for R1 and R2 (respectively), which differs from recommended value (of 80%). GSM shows reduced maintenance demand: removal of every five years and three months, in average. The second part of our investigation assessed the chlorophyll-a (Chl-a) dynamics, besides eutrophication level and characterization of Coloured Dissolved Organic Matter (CDOM) in the reservoirs: Marengo (MAR, 15 hm³), Paus Branco (PB, 5,5 hm³) e (São Nicolau, SN, 0,89 hm³), belonging to the Banabuiú river basin, State of Ceará. The water samples were collected between May 2014 and January 2016 and we applied the Trophic State Index (TSI). The CDOM characterization was obtained through the measurements of absorbance (aCDOM 440) and spectral slopes in the UV (S275- 295) and VIS (S350- 500) regions. MAR presented high trophic level during all period studied, reaching up the highest TSI in May 2015, whereas PB and SN showed varying trophic levels. However, all reservoirs presented advanced TSI from September 2015 mainly due to prolonged drought. The results of CDOM ranged between 0,8 m-1 and 12,9 m-1 among the reservoirs, and this different CDOM magnitude may be related to the hydraulic basins sizes. MAR presented higher mean values for spectral slope in UV domain (SUV = 0.03) when compared to the lower results found to PB and SN (SUV = 0.01), suggesting the occurrence of phytoplankton photoinhibition and this fact can be confirmed by low Chl-a concentration in these latter reservoirs. The reservoirs showed a heterogeneous behavior for SVIS indicating shift in the CDOM source. Slope ratio (SUV:SVIS) reinforces the suggestion that MAR can be more influenced by in situ de CDOM production meanwhile PB and SN tended to allochthonous CDOM sources. In the third chapter we applied Landsat-8 and RapidEye imagery data to estimate Chl-a and CDOM. The RapidEye NIR band showed higher sensitivity to estimate Chl-a of MAR (Nash coefficient > 0.6), The Landsat-8 green band presented the best fit for CDOM simulation in the PB and SN reservoirs, with high reliability degree, indicated by Nash = 0.8. Despite the restrictions identified, the satellite products demonstrated potential for monitoring small reservoirs favoring the management of water resources.Esta pesquisa aborda dois eixos da eutrofização de pequenos reservatórios semiáridos: saneamento rural e monitoramento da qualidade das águas. O capítulo inicial trata do Módulo de Fossa Verde (MFV) como uma medida de saneamento rural, mitigadora do aporte de nutrientes aos reservatórios. Essa tecnologia alternativa considera o reúso de efluentes em quintais produtivos. A avaliação dos módulos instalados em Madalena (CE) incluiu teste de qualidade sanitária dos vegetais, proposta de dimensionamento, taxa de acumulação do lodo produzido e estimativa do tempo de manutenção do MFV, As amostras dos vegetais analisados apresentaram valores de coliformes termotolerantes inferiores a 10 UFC,g-1 e ausência de Salmonella sp,, indicando que os produtos atendem aos padrões sanitários. O dimensionamento proposto considera o consumo de água e a produção de esgoto em duas situações: (R1) com e (R2) sem água canalizada. O coeficiente de retorno (Cr) medido foi de 26% e 3% para R1 e R2, respectivamente, o que difere consideravelmente do valor preconizado na literatura (80%). MFV apresenta reduzida demanda de manutenção: remoção do lodo da câmara de digestão a cada cinco anos e três meses. A seguir avaliou-se a dinâmica da concentração de clorofila-a (Chl-a), o nível de eutrofização e a caracterização de matéria orgânica degradada colorida (CDOM) em três reservatórios da bacia do rio Banabuiú, Ceará: Marengo (15,3 hm³), Paus Branco (5,5 hm³) e São Nicolau (0,89 hm³). As amostras foram coletadas entre maio/2014 e janeiro/2016 e aplicou-se o Índice de Estado Trófico (IET). Caracterizou-se CDOM por meio da absorbância (aCDOM440) e das declividades espectrais nas regiões UV (S275- 295) e VIS (S350- 500). O reservatório Marengo apresentou elevado grau trófico durante todo o período estudado, alcançando o maior IET em maio/2015, ao passo que os outros reservatórios apresentaram variados níveis de trofia. Contudo, todos os reservatórios mostraram IET avançados a partir de setembro/2015 devido à seca prolongada. Os resultados de CDOM variaram entre 0,8 m-1 e 12,9 m-1 dentre os pontos amostrados, o que pode estar relacionado ao tamanho das bacias hidráulicas. Marengo apresentou valores de SUV superiores (0,3) quando comparados aos dos demais reservatórios (0,01), indicando ocorrência de fotoinibição fitoplanctônica nesses últimos reservatórios. Valores encontrados para SVIS apresentaram comportamento heterogêneo, sugerindo alteração na fonte de CDOM. A relação entre as declividades espectrais reforça a hipótese de que Marengo está sujeito à produção in situ de CDOM; enquanto os reservatórios menores estão mais influenciados por CDOM de fontes alóctones. O terceiro capítulo aplicou dados dos satélites Landsat-8 e RapidEye para estimar remotamente Chl-a e CDOM. A banda NIR do RapidEye demonstrou maior sensibilidade para estimar Chl-a do Marengo (coeficiente de Nash superior a 0,6). A banda verde do Landsat-8 mostrou o melhor desempenho para simular CDOM, principalmente nos reservatórios menores (Nash superior a 0,8). Apesar das limitações encontradas, os produtos de satélites demonstraram potencial para monitoramento de pequenos reservatórios semiáridos, favorecendo a gestão integrada de recursos hídricos