Mapa auto-organizável para avaliação de processos biogeoquímicos e variações temporais na qualidade da água de um reservatório subtropical

Abstract

A qualidade da água nos reservatórios é muitas vezes comprometida em várias regiões do mundo por nutrientes e metais-traço. Isso exige monitoramento contínuo, no entanto, análises de grandes conjuntos de dados coletados durante o monitoramento regular continuam sendo uma tarefa difícil. As técnicas multivariadas oferecem uma abordagem rápida e robusta para a interpretação de resultados complexos. O objetivo deste estudo foi verificar a eficácia de mapa auto-organizável (self-organizing map, SOM) como uma ferramenta para investigar processos biogeoquímicos. Essa ferramenta também pode ajudar a ilustrar influências dos padrões de uso da terra na qualidade da água dos reservatórios. Aqui usamos o reservatório de Itupararanga (São Paulo, Brasil) como um exemplo subtropical. Os perfis verticais foram amostrados de sete locais no reservatório, em um total de sete campanhas, ao longo de 24 meses. Junto aos parâmetros físico-químicos na coluna de água (oxigênio dissolvido [OD], Eh, pH e temperatura), níveis de nutrientes (NO3-, NO2−, NH4+ e PO43-), metais de transição e traços (Al, Ba, Ca, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni e Zn) e clorofila-a (Cl-a) foram medidos. Essas variáveis foram correlacionadas com o uso da terra usando o SOM. Com esta técnica, as amostras foram classificadas em 17 grupos distintos, que mostraram influências da heterogeneidade espacial e sazonalidade. As análises ajudaram a revelar um período de estratificação sazonal, onde Fe, Mn e P foram liberados dos sedimentos. Os nutrientes e alguns insumos metálicos (Al e Fe) foram relacionados às áreas agrícola, urbana e de grama / pastagem ao redor do reservatório. A abordagem também ajudou a explicar a sazonalidade física e biogeoquímica no reservatório.

Water quality in reservoirs is often compromised in many regions worldwide by nutrients and trace-metals. This demands continuous monitoring, however analyses of large data sets collected during regular monitoring remain a difficult task. Multivariate techniques offer a fast and robust approach for interpreting complex results. The objective of this study was to check the efficacy of self-organizing maps (SOM) as a tool to investigate biogeochemical processes. This tool can also help to illustrate influences of land use patterns on the water quality of reservoirs. Here we use the Itupararanga Reservoir in Brazil as a subtropical example. Vertical profiles were sampled from seven sites in the reservoir in a total of seven campaigns over 24 months. Next to physicochemical parameters in the water column (dissolved oxygen [DO], Eh, pH and temperature), levels of nutrients (NO3-, NH4+ and PO43-), transition and trace metals (Al, Ba, Ca, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni and Zn) and chlorophyll-a (Chla) were measured. These variables were correlated with land use using SOM. With this technique samples were classified into 17 distinct groups that showed distinct influences of spatial heterogeneity and seasonality. The analyses helped to reveal a seasonal stratification period, where Fe, Mn and P were released from sediments. Nutrients and some metal inputs (Al and Fe) were related to agricultural, urban and grass/pasture areas around the reservoir. Our approach also helped to explain physical and biogeochemical seasonality in the reservoir.