Statistical Approaches Link Sources of Sediment Contamination in Subtropical Reservoirs to Land Use: an Example from the Itupararanga Reservoir (Brazil)

Abordagens estatísticas relacionam fontes de contaminação de sedimentos em reservatórios subtropicais ao uso do solo: um exemplo do reservatório de Itupararanga (Brasil)

ABSTRACT

The identification and characterisation of diffuse pollutant sources in reservoirs remain a challenge due to the complexity of catchments with their variety of land use types. A sediment fingerprinting approach was used in this investigation for determining the sources of contaminants in sediments.

By using this approach, we demonstrated how the effects of land use on pollution load of the subtropical Itupararanga Reservoir in Brazil can be de-convoluted. Sediments were collected at seven sampling sites (S1–S7) over the length of the reservoir.

This was matched by eight sampling sites (P1–P8) of soils from different land use types (agriculture, urban and forest). Investigated parameters included grain size, total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), total carbon (TC), organic matter by loss on ignition (OM), total sulphur (TS), and major ions and metals (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, NH₄⁺_, SO₄²⁻, Cl⁻, NO₃⁻, As, Al, Ba, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni and Zn).

Our fingerprinting approach helped to outline horizontal spatial heterogeneities (categorised as riverine, transitional and lacustrine areas) that were attributed mainly to sand (> 26.7%), Si (569 g kg⁻¹) and Cr (336 mg kg⁻¹) at S1 (riverine area).

Moreover, fine particles of silt and clay leached from agricultural activities were enriched with OM, TP, TN, TC, As and Cr. These types of sediments were deposited into transitional and lacustrine areas. Furthermore, urban soils were a source of sand and phosphorus to sediments. The fingerprinting method reduced the number of relevant parameters for source identification and helped to identify non-point sources of sediments.

Keywords: Sediment fingerprinting approach, Land use, Subtropical reservoirs, Spatial heterogeneity, Non-point pollution sources

RESUMO

A identificação e caracterização de fontes difusas de poluentes em reservatórios continuam sendo um desafio devido à complexidade das bacias hidrográficas com sua variedade de tipos de uso do solo. Uma abordagem de impressão digital de sedimentos foi usada nesta investigação para determinar as fontes de contaminantes em sedimentos. Usando esta abordagem, demonstramos como os efeitos do uso do solo na carga de poluição do reservatório subtropical de Itupararanga no Brasil podem ser desconstruídos.

Os sedimentos foram coletados em sete pontos de amostragem (S1–S7) ao longo do reservatório. Isso foi combinado por oito pontos de amostragem (P1–P8) de solos de diferentes tipos de uso do solo (agrícola, urbano e florestal). Os parâmetros investigados incluíram tamanho de grão, nitrogênio total (NT), fósforo total (TP), carbono total (TC), matéria orgânica por perda por ignição (MO), enxofre total (TS) e principais íons e metais (Ca ²⁺ , g ²⁺ , Na ⁺ , K ⁺ , NH ₄ ⁺ _, SO ₄ ²⁻ , Cl ⁻ , NO ₃ ⁻ , As, Al, Ba, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni e Zn).

Nossa abordagem de fingerprinting ajudou a delinear heterogeneidades espaciais horizontais (categorizadas como áreas ribeirinhas, de transição e lacustres) que foram atribuídas principalmente à areia (> 26,7%), Si (569 g kg ⁻¹ ) e Cr (336 mg kg ⁻¹ ) em S1 (área ribeirinha). Além disso, partículas finas de silte e argila lixiviadas de atividades agrícolas foram enriquecidas com MO, TP, TN, TC, As e Cr.

Esses tipos de sedimentos foram depositados em áreas de transição e lacustres. Além disso, os solos urbanos eram uma fonte de areia e fósforo para os sedimentos. O método de impressão digital reduziu o número de parâmetros relevantes para a identificação da fonte e ajudou a identificar fontes difusas de sedimentos.

Palavras-chave: Abordagem de identificação de sedimentos, Uso da terra, Uso da terra, Reservatórios subtropicais, Heterogeneidade espacial, Fontes de poluição difusa