Aplicació de diferents metodologies d'anàlisi i representació de dades per a l'avaluació de la qualitat ambiental d'una conca hidrogràfica

Abstract

[cat] En aquesta tesi doctoral es proposa la integració de metodologies de tipus quimiomètric i determinista per a l'avaluació la qualitat ambiental d'una conca hidrogràfica. Amb aquesta integració es busca ampliar el coneixement sobre la distribució espacial i temporal de les principals fonts de contaminació que existeixen dins de l'àmbit d'una determinada conca. Les fonts de contaminació poden ser identificades mitjançant mètodes quimiomètrics i de l'estadística multivariant. En concret, en aquesta tesi s'ha posat especial èmfasi en l'aplicació de dos mètodes diferents: l'Anàlisi de Components Principals (PCA) i la Resolució Multivariant de Corbes per Mínims Quadrats Alternats (MCR-ALS). Mentre que PCA és un mètode àmpliament utilitzat en l'anàlisi exploratòria de dades, l'aplicació d' MCR-ALS per a l'estudi de taules de dades ambientals és més incipient. En aquest treball es realitza la validació d'MCR-ALS per a l'estudi de la contaminació en aigües superficials i, a més, s'estén la seva utilització al cas d'altres compartiments ambientals com són les aigües subterrànies, els sòls i els sediments. Un cop identificades mitjançant mètodes quimiomètrics, les fonts de contaminació poden ser modelitzades amb l'aplicació de models deterministes, que facilitaran la presa de decisions respecte a les possibles mesures de gestió per al control i millora de la qualitat ambiental de l'àrea d'estudi. No obstant, això requerirà l'adaptació dels models deterministes a l'estudi de factors multivariables, com són les fonts de contaminació, enlloc d'aplicar-los a l'estudi de variables individuals, com s'ha fet fins al moment. Aquesta tesi recull l'estudi de diferents conques i problemàtiques ambientals: a) contaminació per metalls pesants, compostos orgànics i productes farmacèutics en diferents compartiments ambientals de la conca del riu Ebre; b) contaminació per compostos orgànics en aigües superficials del delta de l'Ebre; i c) contaminació per compostos orgànics en aigües superficials de la conca del riu Llobregat. Addicionalment, es proposa la utilització d'un índex fisicoquímic per a l'avaluació de la qualitat de les aigües superficials que pugui ser aplicat sobre dades generades per xarxes automàtiques de presa de mostra. Les xarxes automàtiques acostumen a mesurar simultàniament diverses variables a diferents localitzacions amb una elevada resolució temporal. L'índex del Canadian Council of Ministers of the Environment (CCME WQI) ha estat seleccionat per a la categorització de la qualitat de les aigües a partir de dades de les estacions automàtiques, gràcies a la seva flexibilitat en la selecció de les variables utilitzades en el seu càlcul, així com per la llibertat en la fixació dels objectius màxims i mínims segons l'ús final específic assignat a la massa d'aigua. D'altra banda, el procediment Combined Monitoring-based and modelling-based Priority Setting scheme (COMMPS) de la Comunitat Europea, ha estat adaptat per a l'establiment d'una llista de substàncies prioritàries de risc de contaminació a l'àmbit de Catalunya. En base a aquest índex també s'ha elaborat un índex prioritari de contaminació a les localitzacions, el qual permet obtenir una indicació de les localitzacions considerades de risc més elevat pel que fa a la contaminació per substàncies químiques orgàniques, tenint en compte els seus efectes toxicològics sobre humans i sobre l'ecosistema aquàtic.

[eng] The integration of chemometric and deterministic methods is proposed in this work to evaluate the environmental quality of river basins. This integration allows improving current knowledge about the spatial and temporal distribution of the main contamination sources existing in the river basin under study. The application of Principal Component Analysis (PCA) and Multivariate Curve Resolution using Alternating Least Squares (MCR-ALS) methods is presented. While PCA is a widely-used method for exploratory data analysis purposes, MCR-ALS application to the study of environmental data tables is more incipient. In this work, validation of MCR-ALS for the study of contamination in surface water is performed, and its usage is also extended to other environmental compartments such as groundwater, soil and sediment. Once identified, contamination sources can be modelled by the application of deterministic models. This makes the procedure of decision-making easier in the sense of possible management measures to be applied for improvement of the environmental quality in the study area. However, the adaptation of deterministic models to the study of multivariate factors will be needed in this case. Additionally, a physico-chemical index has been used for the evaluation of surface water quality using data obtained from automated sampling networks (which measure different variables simultaneously at high temporal resolution). The index of the Canadian Council of Ministers of the Environment (CCME) has been selected as the most suitable one for categorization of water quality in this case. The procedure of Combined Monitoring-based and Modelling-based Priority Setting scheme (COMMPS) from the European Community, has been adapted to establish a list of priority substances of contamination risk in Catalunya. Based on it, a priority contamination index at locations has been obtained in order to identify those locations with a higher risk by contamination for organic substances, according to toxicological effects over humans and aquatic ecosystems.