Predicting sediment and nutrient loads in tropical watersheds in Puerto Rico

Abstract

High and resilient sediment and nutrient concentrations in streams are precursors or indicators of stream impairment. According to recent estimates by USEPA (2001), about 40% of the monitored national water supplies do not meet quality standards to support designated uses. A similar situation is observed in Puerto Rico. The 2002 water quality inventory of Puerto Rico reports that 67% of the monitored river miles were impaired (JCA, 2002). In this study water quality parameters were sampled during the 2004-2005 water year in four sub watersheds of the Río Grande de Arecibo watershed, located in the central part of Puerto Rico. The objective of this thesis research was to determine sediment and nutrient loads and to propose mathematical relationships to relate sediment and nutrient loads to physiographic and hydrologic properties of the sub watersheds. Sampled variables included pH, temperature, conductivity, salinity, water velocity, total suspended sediment, chlorophyll-a, total Kjeldahl nitrogen (TKN), total phosphorus (TP) and dissolved phosphorus (DP) loads. Sediment loads and yields from storm events ranged from 3,041 metric tons/event, 32.45 metric tons/km2 (Río Limón) to 29.99 metric tons/event, 1.69 metric tons/km2 (Río Jauca). Nutrient concentrations range, from 6.49 to 1.11 mg/L of TKN, 1.82 to 0.05 mg/L of TP and 0.24 to 0.05 mg/L of DP. A method for developing predictive equations of nutrient and sediment loads for tropical sub watersheds is presented in this thesis research. TSS, TKN, TP and DP annual load predictive equations were generated and calibrated using the Partial Least Square regression method in the statistical software MINITAB version 14. The predicted R2 values for the TSS, TKN, TP and DP annual loads using a 2-component model are 0.74, 0.95, 0.97 and 0.99.

Altas y persistentes concentraciones de sedimentos y nutrientes en las corrientes de agua son indicadores o precursores de deterioro en las corrientes. De acuerdo a estimados recientes de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de América (2001), el 40% del agua abastecida a nivel nacional no cumple los requisitos necesarios para respaldar los usos designados. Una situación similar se observa en Puerto Rico. El inventario de calidad de agua de Puerto Rico del 2002, reporto que el 67% de las aguas monitoreadas estaban contaminadas (Junta Calidad Ambiental, 2002). En este estudio diferentes parámetros de calidad de agua fueron examinados durante el año de agua 2004-2005 en cuatro vertientes del Río Grande de Arecibo, localizado en la parte central de Puerto Rico. El objetivo de esta investigación fue determinar las cargas de sedimentos y nutrientes en las vertientes y proponer relaciones matemáticas para determinar la carga anual de estos contaminantes en función de los parámetros fisiográficos y hidrológicos de las vertientes. Las variables observadas fueron pH, temperatura, conductividad, salinidad, velocidad del agua, concentración total de sedimentos suspendidos (TSS), clorofila a, nitrógeno total Kjeldahl (TKN), fósforo total (TP) y fósforo disuelto (DP). La carga y rendimiento de sedimentos para eventos de tormenta varia respectivamente desde 3,040 toneladas métricas por evento, 32.45 toneladas métricas por Km2 (Río Limón) hasta 29.99 toneladas métricas por evento, 1.69 toneladas métricas por km2 (Río Jauca). La concentración de nutrientes varia respectivamente desde 6.49 hasta 1.11 mg/L de TKN, 1.82 hasta 0.05 mg\L de TP y 0.24 a 0.05 mg\L de DP. En este trabajo se utilizó el método de regresión de Cuadrados Parciales Mínimos (PLS) para generar ecuaciones de predicción de sedimentos y nutrientes. Se generaron ecuaciones de predicción para carga anual de TSS, TKN, TP y DP, estas ecuaciones fueron evaluadas y calibradas utilizando el método de calibración de PLS en el programa estadístico MINITAB versión 14. Los valores de predicción de R2 para TSS, TKN, TP, y DP utilizando un modelo de 2- componentes son 0.74, 0.95, 0.97 y 0.99.