Managing the impacts of extreme climatic events related to inputs of organic matter on the ecosystem services provided by water supply reservoirs

Abstract

ENG- Drinking water supply, one of the key ecosystem services provided by rivers, lakes and reservoirs, is under threat due to impacts of extreme climatic events (ECEs) mediated by climate change. The occurrence of ECEs has the potential to exacerbate dissolved organic matter (DOM) concentration in source water, resulting in the provision of unsafe water to the public. This thesis generally aims at providing insights on how source waters in lakes could be managed to ameliorate effects of DOM mediated by ECEs, in order to preserve the provision of drinking water supply. We demonstrate 1) how extreme events are coupled with generic source water quality in causal relationships; 2) how molecular signatures of DOM change during drinking water chlorination; and 3) the role of water age, seasonality and thermal stratification in modulating the formation of disinfection by-products (DBPs) in source waters. We achieve our overarching goal through a combination of various approaches: First, we apply advanced statistical techniques of non-linear dynamics and extreme value theory to a long term (55 years), low frequency dataset, generated from the Sau Reservoir (North East Spain), to establish causal links between the occurrence of ECEs and the concomitant response of reservoir water quality. Second, we sampled from a river-reservoir interconnected system of Ter-Sau-Susqueda-Pasteral, in autumn, winter and summer to profile how water age, thermal stratification and seasonality influence the formation of DBPs; and to gain insights into how water chlorination changes the molecular signatures of DOM in water through the use of non-targeted application of High Resolution Mass Spectrometry (HRMS) and DBP formation potential experiments.

Causality and ECE impact analyses, reported in Paper I, show that droughts decreased dissolved oxygen concentration and increased ammonium concentration and temperature, whereas extreme wetness increased concentration of dissolved oxygen and nitrate, while lowering concentration of ammonium and total phosphorus. Also, adverse effects of ECEs were mostly being felt in the deeper water layers of the reservoir and when the reservoir was deemed eutrophic, suggesting that impacts of ECEs were modulated by reservoir trophic state. Results reported in Paper II indicate that chlorination altered DOM by decreasing the number and intensity of peaks in the lignin-like and lipid-like regions, while creating new halogenated and non-halogenated signals in the same regions and produced new highly oxidized molecules in the tannin-like region. Also, chlorination altered the condensed hydrocarbon region, where several new halogenated and non-halogenated features appeared, and the tannin-like region where several new oxidized features appeared. Paper III reports that when the three factors of water age, thermal stratification and seasonality were considered in isolation, total trihalomethanes (TTHMs) formation potential increased from Ter River to Pasteral, whereas the formation of nitrogenous DBPs decreased across the same spatial continuum, highlighting the role of water age in shaping the DBP formation patterns. However, when all factors were considered together, seasonality was the main driver that shaped DBP formation. The formation potential of trichloromethane (TCM), bromodichloromethane (BDCM) and Dichloroacetonitrile (DCAN) generally peaked in autumn, followed by summer and were lowest in winter. The formation potential of N-nitrosodimethylamine (NDMA) peaked in summer and winter but was lowest in autumn, in major reservoirs of the system. The results also indicate that seasonality might affect, differently, the formation of constituents of the same class of DBPs, as observed in the disparity between the formations of DCAN and NDMA.

Overall, this thesis demonstrates that hydroclimatic extremes are intense in the Ter Watershed, and are negatively impacting reservoir water quality, but that such impacts are modulated by reservoir trophic state. Thus, relentlessly reducing eutrophication can lessen the adverse impacts of ECEs on lakes while also reducing the formation potential of DBPs in source waters that are used for drinking water supply, through reduced endogenous DOM production

CAT- El subministrament d'aigua potable, un dels serveis ecosistèmics clau proporcionats per rius, llacs i embassaments, es troba amenaçat a causa dels impactes dels esdeveniments climàtics extrems (ECEs) mediatitzats pel canvi climàtic. La presència d'ECEs té el potencial d'exacerbar la concentració de matèria orgànica dissolta (DOM) en les aigües naturals, amb el resultat de proporcionar aigua no segura al públic. Aquesta tesi té com a objectiu general proporcionar idees sobre com podrien gestionar-se les aigües naturals als llacs per mitigar els efectes de la DOM mediatitzada pels ECEs, per tal de preservar el subministrament d'aigua potable. Demostrem 1) com els esdeveniments extrems estan relacionats amb la qualitat de l'aigua en embassaments fent servir relacions causals genèriques; 2) com canvien les signatures moleculars de la DOM durant la cloració de l'aigua potable; i 3) el paper de l'edat de l'aigua, l’estació i l'estratificació tèrmica en la modulació de la formació de productes de desinfecció (DBPs) en les aigües naturals potabilitzades. Aconseguim el nostre objectiu principal a través d'una combinació de diversos enfocaments: primer, apliquem tècniques estadístiques avançades de dinàmica no lineal i teoria dels valors extrems a un conjunt de dades de llarg termini (55 anys) i baixa freqüència, generat del pantà de Sau (Catalunya), per establir vincles causals entre la presència d'ECEs i la resposta concomitant de la qualitat de l'aigua del pantà. En segon lloc, vam recollir mostres del sistema riu-embassaments Ter-Sau-Susqueda-Pasteral, a la tardor, l'hivern i l'estiu, per perfil·lar com l'edat de l'aigua, l'estratificació tèrmica i l’estació influeixen en la formació de DBPs; i per entendre com la cloració de l'aigua canvia les signatures moleculars de la DOM a l'aigua mitjançant l'ús de l'aplicació no dirigida de l'espectrometria de masses d'alta resolució (HRMS) i els experiments de potencial de formació de DBP. Anàlisis de causalitat i impacte d'ECE, informats a la Publicació I, mostren que les sequeres van disminuir la concentració d'oxigen dissolt i van augmentar la concentració d'amoni i temperatura, mentre que l'extrema humitat va augmentar la concentració d'oxigen dissolt i nitrats, alhora que disminuïa la concentració d'amoni i fòsfor total. També, els efectes adversos dels ECEs es van sentir principalment a les capes més profundes de l'embassament i quan l'embassament es considerava hipereutròfic, suggerint que els impactes dels ECEs eren modulats per l'estat tròfic de l'embassament. Els resultats de la Publicació II indiquen que la cloració va alterar la DOM disminuint el nombre i la intensitat de pics a les regions semblants a lignina i lípids, alhora que creava nous senyals halogenats i no halogenats en les mateixes regions i produïa noves molècules altament oxidades a la regió semblant a tanins. També, la cloració va alterar la regió d'hidrocarburs condensats, on van aparèixer diverses noves característiques halogenades i no halogenades, i la regió semblant a tanins on van aparèixer diverses noves característiques oxidades. La Publicació III informa que quan es van considerar els tres factors de l'edat de l'aigua, l'estratificació tèrmica i l’estació de manera aïllada, el potencial de formació de triclorometans (TTHMs) va augmentar des del riu Ter fins al Pasteral, mentre que la formació de DBPs nitrogenats va disminuir en el mateix continu espacial, destacant el paper de l'edat de l'aigua en la conformació dels patrons de formació de DBP. No obstant això, quan es van considerar tots els factors junts, l’estació va ser el principal conductor que va configurar la formació de DBP. El potencial de formació de triclorometà (TCM), bromodiclorometà (BDCM) i dicloroacetonitril (DCAN) generalment va assolir el pic a la tardor, seguit de l'estiu i va ser el més baix a l'hivern. El potencial de formació de N-nitrosodimetilamina (NDMA) va assolir el pic a l'estiu i l'hivern, però va ser el més baix a la tardor, als principals embassaments del sistema. Els resultats també indiquen que l’estació pot afectar, de manera diferent, la formació de constituents de la mateixa classe de DBP, com es va observar en la disparitat entre les formacions de DCAN i NDMA. En general, aquesta tesi demostra que els extrems hidroclimàtics són intensos a la conca del Ter, i estan impactant negativament en la qualitat de l'aigua de l'embassament, però que aquests impactes estan modulats per l'estat tròfic de l'embassament. Així, reduir l'eutrofització pot disminuir els impactes adversos dels ECEs als llacs alhora que també es redueix el potencial de formació de DBP en les aigües naturals que s'utilitzen per al subministrament d'aigua potable, mitjançant la reducció de la producció endògena de DOM