Proposal for a trophic status index for brazilian semi-arid reservoirs

Silva, Thiago T. da; Saraiva, Marianna de A.; Becker, Helena

doi:10.1590/1983-21252024v3712405rc

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Sumário

Scientific Article • Rev. Caatinga 37 • 2024 • https://doi.org/10.1590/1983-21252024v3712405rc copy

Proposal for a trophic status index for brazilian semi-arid reservoirs

Proposta de índice de estado trófico para reservatórios semiáridos brasileiros

Authorship SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

ABSTRACT

The Brazilian semi-arid region, which is characterized by high climate vulnerability, intense and frequent droughts, and irregular rainfall, has a restricted quantity of water in its reservoirs and low quality at several points. Regarding quality, the literature presents indexes that evaluate eutrophication in different conditions, using specific expressions that may not be applied universally. To assist in decision-making and minimize this problem in the semi-arid region, the present work proposes a new trophic state index (TSI) taking into account data and conditions of reservoirs in the semi-arid region of Ceará. In total, 18 variables and the correlations between them were evaluated. In the years 2014-2022, data was made available by COGERH for 25 reservoirs managed by the company. Descriptive statistics were performed for each variable data set, removing outlier values to analyze trends. An exploratory investigation was also carried out, studying correlations between variables and transparency. Phosphorus, nitrogen, chlorophyll a, and turbidity presented the most significant correlations for the composition of the proposed TSI. An adaptation was made in the base expression of the TSI, which is associated with the values obtained in the semi-arid region of Ceará. Trophic classes were suggested for this new TSI along with their respective expressions. The proposed index yielded comparable results in certain classifications when compared with other established indexes. High concentrations of cyanobacteria occurred in reservoirs classified as eutrophic. To enhance the robustness of this novel index, it is recommended to extend its application to additional reservoirs within the semi-arid region.

Keywords:
Trophic level; Monitoring; Ceará reservoirs; Correlation

Parameter	Unit	Analysis method
Total alkalinity	mg L^-1	Titrimetry (2320 B)
Calcium	mg L^-1	Titrimetry with EDTA (3500-Ca B)
Chloride	mg L^-1	Argentimetric (4500-Cl B)
Chlorophyll a (CHL)	µg L-¹	Spectrophotometric (10200 H)
True color	mg L^-1	Visual comparison method (2120 B)
Iron	mg L^-1	Phenanthroline (3500-Fe B)
Total phosphorus (TP)	mg L^-1	Persulfate Method for Simultaneous Determination (4500-P J) and Ascorbic Acid Method (4500-P E)
Magnesium	mg L^-1	Calculation method (3500-Mg B)
Total nitrogen (TN)	mg L^-1	Persulfate method for simultaneous determination (4500-P J) and Cadmium Reduction Method (4500-NO3- E)
Sodium	mg L^-1	Flame Emission Photometry (3500-Na B)
Total Dissolved Solids (TDS)	mg L^-1	Gravimetry (2540 D) and calculation
Turbidity (TURB)	NTU	Nephelometric (2130 B)

Authors	Climatic condition	Equations
Carlson (1977)CARLSON, R. E. A trophic state index for lakes 1. Limnology and Oceanography, 22: 361-369, 1977.	Seasoned	$TSI (TP) = 10 {6 - [\frac{\ln ({}^{48} /_{TP})}{\ln 2}]}$ $TSI (CHL) = 10 {6 - [\frac{(2.04 - 0.68 \times \ln CHL)}{\ln 2}]}$ $TSI (Mean) = \frac{TSI (TP) + TSI (CHL)}{2}$
Toledo Jr. (1990)TOLEDO JR, A. P. Informe preliminar sobre os estudos para a obtenção de um índice para a avaliação do estado trófico de reservatórios de regiões quentes tropicais. São Paulo, SP: CETESB, 1990. 12 p.	Tropical	$TSI (TP) = 10 {6 - [\frac{\ln ({}^{80.32} /_{TP})}{\ln 2}]}$ $TSI (CHL) = 10 {6 - [\frac{(2.04 - 0.695 \times \ln CHL)}{\ln 2}]}$ $TSI (Mean) = \frac{TSI (TP) + TSI (CHL)}{2}$
Lamparelli (2004)LAMPARELLI, M. C. Graus de trofia em corpos d'água do estado de São Paulo: avaliação dos métodos de monitoramento. 2004. 238 f. Tese (Doutorado em Ciencias: Área de Concentração em Ecossistemas Terrestres e Aquáticos) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2004.	Subtropical	$TSI (TP) = 10 {6 - [\frac{1.77 - 0.42 \times \ln TP}{\ln 2}]}$ $TSI (CHL) = 10 {6 - [\frac{(0.92 - 0.34 \times \ln CHL)}{\ln 2}]}$ $TSI (Mean) = \frac{TSI (TP) + TSI (CHL)}{2}$
Cunha, Calijuri and Lamparelli (2013)CUNHA, D. G. F.; CALIJURI, M. C.; LAMPARELLI, M. C. A trophic state index for tropical/subtropical reservoirs (TSItsr). Ecological Engineering, 60: 126-134, 2013.	Tropical/Subtropical	$TSI (TP) = 10 {6 - [\frac{1.33 - 0.28 \times \ln TP}{\ln 2}]}$ $TSI (CHL) = 10 {6 - [\frac{(0.84 - 0.25 \times \ln CHL)}{\ln 2}]}$ $TSI (Mean) = \frac{TSI (TP) + TSI (CHL)}{2}$

Trophic state	Average TSI value	TN (mg L^-1)	TP (µg L^-1)	CHL (µg L^-1)	TURB (NTU)
Oligotrophic	TSI ≤ 29.7	TN ≤ 0.74	TP ≤ 39	Chl ≤ 8.33	Turb ≤ 3.54
Mesotrophic	29.7 < TSI ≤ 32.4	0.74 < TN ≤ 1.10	39 < TP ≤ 57	8.33 < Chl ≤ 18.82	3.54 < Turb ≤ 6.88
Eutrophic	32.4 < TSI ≤ 34.4	1.10 < TN ≤ 1.54	57 < TP ≤ 79	18.82 < Chl ≤ 33.65	6.88 < Turb ≤ 11.29
Supereutrophic	34.4 < TSI ≤ 36.3	1.54< TN ≤ 2.10	79 < TP ≤ 116	33.65 < Chl ≤ 56.21	11.29 < Turb ≤ 17.10
Hypereutrophic	TSI > 36.3	TN > 2.10	TP > 116	Chl > 56.21	Turb > 17.10

	Authors	Average TSI	TP (µg L^-1)	Chl (µg L^-1)
Ultraoligotrophic	Toledo Jr. (1990)TOLEDO JR, A. P. Informe preliminar sobre os estudos para a obtenção de um índice para a avaliação do estado trófico de reservatórios de regiões quentes tropicais. São Paulo, SP: CETESB, 1990. 12 p.	TSI ≤ 24	-	-
	Lamparelli (2004)LAMPARELLI, M. C. Graus de trofia em corpos d'água do estado de São Paulo: avaliação dos métodos de monitoramento. 2004. 238 f. Tese (Doutorado em Ciencias: Área de Concentração em Ecossistemas Terrestres e Aquáticos) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2004.	TSI ≤ 47	TP ≤ 8	Chl ≤ 1.17
	Cunha, Calijuri and Lamparelli (2013)CUNHA, D. G. F.; CALIJURI, M. C.; LAMPARELLI, M. C. A trophic state index for tropical/subtropical reservoirs (TSItsr). Ecological Engineering, 60: 126-134, 2013.	TSI ≤ 51.1	TP ≤ 15.9	Chl ≤ 2
	This work	-	-	-
Oligotrophic	Toledo Jr. (1990)TOLEDO JR, A. P. Informe preliminar sobre os estudos para a obtenção de um índice para a avaliação do estado trófico de reservatórios de regiões quentes tropicais. São Paulo, SP: CETESB, 1990. 12 p.	24 < TSI ≤ 44	6.6 < TP ≤ 26.5	0.5 < Chl ≤ 3.8
	Lamparelli (2004)LAMPARELLI, M. C. Graus de trofia em corpos d'água do estado de São Paulo: avaliação dos métodos de monitoramento. 2004. 238 f. Tese (Doutorado em Ciencias: Área de Concentração em Ecossistemas Terrestres e Aquáticos) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2004.	27 < TSI ≤ 52	8 < TP ≤ 19	1.17 < Chl ≤ 3.24
	Cunha, Calijuri and Lamparelli (2013)CUNHA, D. G. F.; CALIJURI, M. C.; LAMPARELLI, M. C. A trophic state index for tropical/subtropical reservoirs (TSItsr). Ecological Engineering, 60: 126-134, 2013.	51.1 < TSI ≤ 53.1	15.9 < TP ≤ 23.8	2 < Chl ≤ 3.9
	This work	TSI ≤ 29.7	TP ≤ 39	Chl ≤ 8.33
Mesotrophic	Toledo Jr. (1990)TOLEDO JR, A. P. Informe preliminar sobre os estudos para a obtenção de um índice para a avaliação do estado trófico de reservatórios de regiões quentes tropicais. São Paulo, SP: CETESB, 1990. 12 p.	44 < TSI ≤ 54	26.5 < TP ≤ 53	3.8 < Chl ≤ 10.3
	Lamparelli (2004)LAMPARELLI, M. C. Graus de trofia em corpos d'água do estado de São Paulo: avaliação dos métodos de monitoramento. 2004. 238 f. Tese (Doutorado em Ciencias: Área de Concentração em Ecossistemas Terrestres e Aquáticos) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2004.	52 < TSI ≤ 59	19 < TP ≤ 52	3.24 < Chl ≤ 11.03
	Cunha, Calijuri and Lamparelli (2013)CUNHA, D. G. F.; CALIJURI, M. C.; LAMPARELLI, M. C. A trophic state index for tropical/subtropical reservoirs (TSItsr). Ecological Engineering, 60: 126-134, 2013.	53.1 < TSI ≤ 55.7	23.8 < TP ≤ 36.7	3.9 < Chl ≤ 10
	This work	29.7 < TSI ≤ 32.4	39 < TP ≤ 57	8.33 < Chl ≤ 18.82
Eutrophic	Toledo Jr. (1990)TOLEDO JR, A. P. Informe preliminar sobre os estudos para a obtenção de um índice para a avaliação do estado trófico de reservatórios de regiões quentes tropicais. São Paulo, SP: CETESB, 1990. 12 p.	54 < TSI ≤ 74	53 < TP ≤ 211.9	10.3 < Chl ≤ 76.1
	Lamparelli (2004)LAMPARELLI, M. C. Graus de trofia em corpos d'água do estado de São Paulo: avaliação dos métodos de monitoramento. 2004. 238 f. Tese (Doutorado em Ciencias: Área de Concentração em Ecossistemas Terrestres e Aquáticos) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2004.	59 < TSI ≤ 63	52 < TP ≤ 120	11.03 < Chl ≤ 30.55
	Cunha, Calijuri and Lamparelli (2013)CUNHA, D. G. F.; CALIJURI, M. C.; LAMPARELLI, M. C. A trophic state index for tropical/subtropical reservoirs (TSItsr). Ecological Engineering, 60: 126-134, 2013.	55.7 < TSI ≤ 58.1	36.7 < TP ≤ 63.7	10 < Chl ≤ 20.2
	This work	32.4 < TSI ≤ 34.4	57 < TP ≤ 79	18.82 < Chl ≤ 33.65
Supereutrophic	Toledo Jr. (1990)TOLEDO JR, A. P. Informe preliminar sobre os estudos para a obtenção de um índice para a avaliação do estado trófico de reservatórios de regiões quentes tropicais. São Paulo, SP: CETESB, 1990. 12 p.	-	-	-
	Lamparelli (2004)LAMPARELLI, M. C. Graus de trofia em corpos d'água do estado de São Paulo: avaliação dos métodos de monitoramento. 2004. 238 f. Tese (Doutorado em Ciencias: Área de Concentração em Ecossistemas Terrestres e Aquáticos) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2004.	63 < TSI ≤ 67	120 < TP ≤ 233	30.55 < Chl ≤ 69.05
	Cunha, Calijuri and Lamparelli (2013)CUNHA, D. G. F.; CALIJURI, M. C.; LAMPARELLI, M. C. A trophic state index for tropical/subtropical reservoirs (TSItsr). Ecological Engineering, 60: 126-134, 2013.	TSI > 58.1	TP > 63.7	Chl > 20.2
	This work	34.4 < TSI ≤ 36.3	79 < TP ≤ 116	33.65 < Chl ≤ 56.21
Hypereutrophic	Toledo Jr. (1990)TOLEDO JR, A. P. Informe preliminar sobre os estudos para a obtenção de um índice para a avaliação do estado trófico de reservatórios de regiões quentes tropicais. São Paulo, SP: CETESB, 1990. 12 p.	TSI > 74	TP > 211.9	Chl > 76.1
	Lamparelli (2004)LAMPARELLI, M. C. Graus de trofia em corpos d'água do estado de São Paulo: avaliação dos métodos de monitoramento. 2004. 238 f. Tese (Doutorado em Ciencias: Área de Concentração em Ecossistemas Terrestres e Aquáticos) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2004.	TSI > 67	TP > 233	Chl > 69.5
	Cunha, Calijuri and Lamparelli (2013)CUNHA, D. G. F.; CALIJURI, M. C.; LAMPARELLI, M. C. A trophic state index for tropical/subtropical reservoirs (TSItsr). Ecological Engineering, 60: 126-134, 2013.	-	-	-
	This work	TSI > 36.3	TP > 116	Chl > 56.11

Reservoir	TP (µg L-¹)	Chl (µg L-¹)	TN (mg L^-1)	Turb (NTU)	TSI_T	TSI_L	TSI_C	TSI_P
Aracoiaba	50	20.12	0.963	8.42	56.9 E	59.8 E	57.7 E	32.5 E
Araras	55	5.56	0.688	1.48	51.2 M	56.9 M	55.5 M	28.3 O
Atalho	12	3	0.15	1.7	37.1 O	50.8 O	51.3 O	24.7 O
Banabuiú	127	58.68	1,613	23.3	69.0 E	65.3 S	61.5 S	36.8 H
Castanhão	141	16.18	0.913	8.81	63.3 E	62.4 E	59.4 S	33.8 E
Caxitoré	80	10.2	1.1	3.53	56.9 E	59.6 E	57.4 E	31.2 M
Edson Queiroz	61	18.55	1.25	4.11	57.9 E	60.2 E	57.9 E	31.7 M
Figueiredo	55	14.09	0.938	3.09	55.8 E	59.2 E	57.2 E	30.6 M
Flor do Campo	64	18.14	1,275	4.62	58.2 E	60.3 E	58.0 E	31.9 M
Gameleira	120	21.08	0.82	7.03	63.5 E	62.6 E	59.5 S	33.3 E
Gangorra	73	68.77	2,513	20.27	65.8 E	64.0 S	60.6 S	36.2 S
General Sampaio	50	9.07	0.59	3.84	52.9 M	57.9 M	56.2 E	30.1 M
Itaúna	34	3.24	0.588	1.91	45.0 M	54.2 M	53.6 M	27.5 O
Jaburu I	200	43.02	2.15	17.7	70.7 E	65.9 S	61.8 S	37.0 H
Jaburu II	34	15.02	0.963	4.21	52.7 M	57.9 M	56.4 E	30.5 M
Lima Campos	64	79.89	2	11.07	65.6 E	63.9 S	60.6 S	34.9 S
Missi	82	12.54	0.9	4.03	58.1 E	60.1 E	57.8 E	31.5 M
Orós	57	13.91	0.788	6.33	56.0 E	59.3 E	57.3 E	31.7 M
Pacajus	86	23.93	0.825	5.99	61.7 E	61.9 E	59.1 S	32.7 E
Pacoti	88	18.53	2,575	5.45	60.6 E	61.3 E	58.7 S	33.2 E
Pedras Brancas	127	41.76	2,063	12.67	67.3 E	64.4 S	60.9 S	35.7 S
Pentecoste	128	103.3	2,375	12.3	71.9 E	66.7 S	62.5 S	36.5 H
Snt.Ant. de Russas	36	7.17	0.638	5.32	49.4 M	56.3 M	55.1 M	30.1 M
Taquara	70	14.18	0.938	4.81	57.6 E	60.0 E	57.7 E	31.7 M
Trussu	64	40.29	1.8	18	62.2 E	62.3 E	59.4 S	35.1 S

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[1] *Corresponding author: <thiagorrmf@yahoo.com.br>