Water quality issues in rivers, lakes and reservoirs in Asian countries: an approach to the problems and the methodologies

• Author(s): Jing, Tian
• Date: 2013
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.21/3081
• Origin: Repositório Científico do Instituto Politécnico de Lisboa
• Subject(s): Qualidade da água; Metodologias; Water quality; Methodologies
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Barbosa, Ana Estela Azevedo Camacho Vasconcelos; Santos, João Alfredo Ferreira dos
• Contributor(s): RCIPL

Description

Water covers over 70% of the Earth's surface, and is vital for all known forms of life. But only 3% of the Earth's water is fresh water, and less than 0.3% of all freshwater is in rivers, lakes, reservoirs and the atmosphere. However, rivers and lakes are an important part of fresh surface water, amounting to about 89%. In this Master Thesis dissertation, the focus is on three types of water bodies – rivers, lakes and reservoirs, and their water quality issues in Asian countries. The surface water quality in a region is largely determined both by the natural processes such as climate or geographic conditions, and the anthropogenic influences such as industrial and agricultural activities or land use conversion. The quality of the water can be affected by pollutants discharge from a specific point through a sewer pipe and also by extensive drainage from agriculture/urban areas and within basin. Hence, water pollutant sources can be divided into two categories: Point source pollution and Non-point source (NPS) pollution. Seasonal variations in precipitation and surface run-off have a strong effect on river discharge and the concentration of pollutants in water bodies. For example, in the rainy season, heavy and persistent rain wash off the ground, the runoff flow increases and may contain various kinds of pollutants and, eventually, enters the water bodies. In some cases, especially in confined water bodies, the quality may be positive related with rainfall in the wet season, because this confined type of fresh water systems allows high dilution of pollutants, decreasing their possible impacts. During the dry season, the quality of water is largely related to industrialization and urbanization pollution. The aim of this study is to identify the most common water quality problems in Asian countries and to enumerate and analyze the methodologies used for assessment of water quality conditions of both rivers and confined water bodies (lakes and reservoirs). Based on the evaluation of a sample of 57 papers, dated between 2000 and 2012, it was found that over the past decade, the water quality of rivers, lakes, and reservoirs in developing countries is being degraded. Water pollution and destruction of aquatic ecosystems have caused massive damage to the functions and integrity of water resources. The most widespread NPS in Asian countries and those which have the greatest spatial impacts are urban runoff and agriculture. Locally, mine waste runoff and rice paddy are serious NPS problems. The most relevant point pollution sources are the effluents from factories, sewage treatment plant, and public or household facilities. It was found that the most used methodology was unquestionably the monitoring activity, used in 49 of analyzed studies, accounting for 86%. Sometimes, data from historical databases were used as well. It can be seen that taking samples from the water body and then carry on laboratory work (chemical analyses) is important because it can give an understanding of the water quality. 6 papers (11%) used a method that combined monitoring data and modeling. 6 papers (11%) just applied a model to estimate the quality of water. Modeling is a useful resource when there is limited budget since some models are of free download and use. In particular, several of used models come from the U.S.A, but they have their own purposes and features, meaning that a careful application of the models to other countries and a critical discussion of the results are crucial. 5 papers (9%) focus on a method combining monitoring data and statistical analysis. When there is a huge data matrix, the researchers need an efficient way of interpretation of the information which is provided by statistics. 3 papers (5%) used a method combining monitoring data, statistical analysis and modeling. These different methods are all valuable to evaluate the water quality. It was also found that the evaluation of water quality was made as well by using other types of sampling different than water itself, and they also provide useful information to understand the condition of the water body. These additional monitoring activities are: Air sampling, sediment sampling, phytoplankton sampling and aquatic animal tissues sampling. Despite considerable progress in developing and applying control regulations to point and NPS pollution, the pollution status of rivers, lakes, and reservoirs in Asian countries is not improving. In fact, this reflects the slow pace of investment in new infrastructure for pollution control and growing population pressures. Water laws or regulations and public involvement in enforcement can play a constructive and indispensable role in environmental protection. In the near future, in order to protect water from further contamination, rapid action is highly needed to control the various kinds of effluents in one region. Environmental remediation and treatment of industrial effluent and municipal wastewaters is essential. It is also important to prevent the direct input of agricultural and mine site runoff. Finally, stricter environmental regulation for water quality is required to support protection and management strategies. It would have been possible to get further information based in the 57 sample of papers. For instance, it would have been interesting to compare the level of concentrations of some pollutants in the diferente Asian countries. However the limit of three months duration for this study prevented further work to take place. In spite of this, the study objectives were achieved: the work provided an overview of the most relevant water quality problems in rivers, lakes and reservoirs in Asian countries, and also listed and analyzed the most common methodologies.

A água cobre mais de 70% da superfície da Terra e é vital para todas as formas de vida conhecidas. Contudo, apenas 3% da água na Terra é doce e menos de 0.3% de toda a água doce encontra-se nos rios, lagos, albufeiras e na atmosfera. Apesar disso, os rios e os lagos são uma fração importante da água doce disponível à superfície, atingindo cerca de 89% dessa parcela. Esta dissertação de mestrado debruça-se sobre três tipos de massas de água em países asiáticos – rios, lagos e albufeiras – nos problemas associados à qualidade da água das mesmas e nas principais metodologias utilizadas nos estudos efetuados nos últimos 13 anos. A qualidade da água de uma dada região é grandemente influenciada por processos naturais (tais como a precipitação e a erosão do solo), pela ação antropogénica, pelas atividades industriais e agrícolas e pela crescente exploração dos recursos hídricos. A qualidade da água pode ser afetada pela descarga de poluentes num determinado ponto específico, como a descarga dum coletor de águas residuais, mas também pela drenagem de áreas de cultivo ou zonas urbanas localizadas na bacia hidrográfica. Assim, as fontes de poluição hídrica podem dividir-se em duas categorias: fontes pontuais e fontes difusas de poluição, sendo que a escala de análise espacial pode transformar fontes pontuais em difusas. A qualidade da água é atualmente um assunto preocupante na Ásia, como no resto do mundo. O objectivo deste estudo é identificar quais os problemas mais comuns de qualidade da água em países asiáticos, bem como identificar e analisar as metodologias utilizadas na avaliação da qualidade da água, quer em rios, quer em massas de água confinadas (lagos e albufeiras). As variações sazonais da precipitação e do escoamento superficial têm influência direta no caudal escoado nos rios e na concentração de poluentes nas massas de água. Por exemplo, na estação pluviosa, a precipitação intensa e persistente causa erosão do solo, o caudal escoado aumenta podendo incorporar diversos tipos de poluentes antes de encaminhar-se para as massas de água. Em alguns casos, particularmente de massas de água confinadas, a qualidade da água pode ter relação direta com a precipitação durante a estação pluviosa, pois as albufeiras permitem uma grande diluição de poluentes, diminuindo os seus impactos. Durante a estação seca, a qualidade da água é fortemente condicionada pela poluição de origem industrial e urbana. Com base na avaliação de uma amostra de 57 publicações científicas, datadas entre 2000 e 2012, verificou-se que na última década a qualidade da água em rios, lagos e albufeiras de países em desenvolvimento está a degradar-se. A poluição da água e a destruição de ecossistemas aquáticos tem causado enormes danos nas funções e na integridade dos recursos hídricos. Em países asiáticos, as fontes de poluição difusas mais vulgares e com maior impacto espacial são as escorrências urbanas e a agricultura. Localmente, a lixiviação de explorações mineiras e de arrozais podem ser fontes importantes de poluição difusa. Por outro lado, as fontes mais relevantes de poluição pontual são os efluentes de indústrias, de estações de tratamento de águas residuais e os efluentes urbanos. Da análise realizada, pode afirmar-se que as causas principais para a degradação da qualidade da água em países asiáticos são a pressão demográfica e a industrialização. Nos artigos analisados verificou-se que a metodologia mais comum era, sem qualquer dúvida, a monitorização do meio hídrico, utilizada em 49 dos estudos analisados, respondendo por 86% dos casos. Os autores recorrem, por vezes, a registos históricos de bases de dados. Constatou-se que a recolha de amostras na massa de água e a posterior análise em laboratório (análise química) é importante porque fornece informação precisa sobre a qualidade da água. Em 6 das publicações (11%) os autores utilizaram um método que combina monitorização de dados e modelação. Em outras 6 publicações (11%) aplicou-se apenas um modelo para estimar a qualidade da água. A modelação pode ser um recurso útil quando o orçamento é limitado pois alguns modelos são de uso gratuito e facilmente acessíveis via internet. Verificou-se que vários dos modelos utilizados são originários dos EUA, tendo por isso, objetivos e características adaptadas à realidade desse país. Este aspecto realça a necessidade de prudência na utilização desses modelos noutros países, sendo crucial uma discussão crítica dos resultados fornecidos pelos mesmos. 5 das publicações (9%) analisadas recorrem a uma metodologia que combina a monitorização, a análise estatística e a modelação. Com efeito, quando existe uma grande matriz de dados, os investigadores necessitam de uma forma eficiente de interpretação da informação, algo que é possível recorrendo à estatística. Em 3 das publicações (5%) é utilizada uma metodologia que combina a monitorização, a análise estatística e a modelação. Todos estes métodos são válidos para a avaliação da qualidade da água, embora requerendo diferentes recursos materiais e humanos para a sua implementação. Verificou-se que a avaliação da qualidade da água por vezes também é feita utilizando outro tipo de amostragem, além da água e que estas técnicas permitem angariar informação útil para a compreensão das condições na massa de água. Estas quatro outras técnicas de monitorização incluem a amostragem do ar; a recolha de sedimentos, de fitoplâncton e de tecidos de animais aquáticos. Antes de se analisar a qualidade da água um rio, lago ou albufeira, é importante considerar as condições ambientais na bacia hidrográfica. Deve ter-se em consideração as condições gerais climáticas, geográficas e de uso do solo da área em estudo. É importante caracterizar a precipitação anual (dados de precipitação podem ser obtidos de postos udométricos da bacia hidrográfica ou adjacentes a esta), a temperatura média anual (valor que pode ser recolhido nos registos dum instituto meteorológico), quais os diferentes padrões na estação seca e na estação pluviosa, a duração da monção em cada região, etc. Por exemplo, durante a época das chuvas, a descarga de poluentes é influenciada principalmente pelo escoamento superficial. Na fase inicial da chuvada, o pico da concentração de poluentes surge antes do pico do caudal correspondente a essa chuvada. Este aspeto evidencia a necessidade de caracterizar e gerir a descarga inicial quando se pretende controlar poluentes de origem difusa. É ainda necessário compreender as condições geográficas particulares da zona em estudo. Por exemplo, para se avaliar o efeito das atividades humanas deve-se identificar a existência de complexos industriais, núcleos habitacionais e de exploração mineira. Entretanto, é importante detetar a presença de fontes de poluição difusa. Por exemplo, as parcelas de cultivo de arroz construídos em zonas baixas representam um risco para o ambiente durante a época das chuvas uma vez que esses talhões, quando inundados, transbordam directamente para as massas de água adjacentes. Por outro lado, os fatores naturais que controlam a qualidade da água, como a natureza dos afloramentos rochosos expostos à interação com a água, também condicionam a composição química da água. Apesar do progresso considerável no desenvolvimento e aplicação de regulamentação para controlar a poluição de origem pontual e difusa, o estado de poluição em rios, lagos e albufeiras de países asiáticos não tem melhorado. Isto traduz o ritmo lento de investimento em novas infra-estruturas para controlo da poluição e a crescente pressão demográfica. As leis e regulamentos relativos à água e o envolvimento da população na sua aplicação podem ter um papel relevante e construtivo na proteção do meio ambiente. Num futuro próximo, para proteger os recursos hídricos asiáticos de maior degradação, será extremamente necessária uma ação rápida no controlo das diversas origens de poluentes duma dada região. É essencial fomentar medidas de recuperação ambiental bem como o tratamento de efluentes industriais e de águas residuais domésticas. É também importante evitar a entrada direta de escorrências agrícolas ou de lixiviados de explorações mineiras. Por último, é igualmente necessária uma regulamentação ambiental mais rigorosa destinada a garantir a qualidade da água, apoiando as estratégias de proteção e gestão ambiental. Teria sido possível extrair mais informações através da análise da amostra de 57 artigos utilizada. Por exemplo, teria sido interessante comparar o nível de concentrações de determinados poluentes nos diferentes países Asiáticos. No entanto, o limite de 3 meses para a duração do estudo impediu a execução deste tipo de análise. Apesar disso, os objectivos foram atingidos, tendo-se conseguido um enquadramento dos problemas de qualidade da água mais frequentes em países asiáticos, bem como conhecer as metodologias mais utilizadas para a avaliação dessa mesma qualidade.