Departament d’EcologiaUniversitat de Barcelona

Ter River influence on Sau Reservoir limnologyEmpirical and watershed-scale modeling

La influencia del riu Ter en la limnologia de l’embassament de SauModelitzacio empırica i a escala de conca

Rafael Marce Romero

TESI DOCTORALDepartament d’EcologiaUniversitat de Barcelona

Programa de doctorat: Ecologia Fonamental i AplicadaBienni 2000–2002

Ter River influence on Sau Reservoir limnologyEmpirical and watershed-scale modeling

Memoria presentada per Rafael Marce Romero per optar al grau de Doctor per laUniversitat de Barcelona

Rafael Marce RomeroBarcelona, a 26 de marc de 2007

Vist i plau del director de la TesiDr. Joan Armengol Bachero

Catedratic del Departament d’EcologiaUniversitat de Barcelona

Proleg

Quan finalment s’enllesteix la redaccio d’una Tesi Doctoral i tota la feina previa que aixo implica es quanun se n’adona del veritable merit de tota persona amb grau de Doctor: un dia va haver d’acabar una Tesi.Sembla obvi, pero no ho es del cert fins que s’ha passat aquest trangol. I es que finalitzar una Tesi no esnomes agafar allo que tens a sobre de la taula i posar-ho negre sobre blanc. Vol dir un munt de coses mes,des d’agafar l’escopeta i comencar a fer caure la majoria dels coloms que un s’ha dedicat a fer volar durantanys malgrat els savis avisos del seu director de Tesi, fins acceptar que, de fet, aixo de la Tesi es un treballde formacio.

I es que fer una Tesi vol dir basicament aixo: aprendre de que va exactament aixo de fer ciencia. Malau-radament, fent aquest camı es perd una visio pot ser romantica o pot ser ingenua de la recerca. I es que unaviat se n’adona que les presses i pressions de la Tesi nomes son el primer plat, ja que a la nostra generacioens han canviat la carrera cientıfica per la cursa cientıfica.

En definitiva, aquestes pagines son el resultat de sis anys de recerca, encara que no tots ocupatsıntegrament a investigacions directament relacionades amb el contingut d’aquesta Tesi. Hem intentat in-cloure sempre que ens ha estat possible i hem sigut capacos una visio original del tema que tractavem. Aixoha implicat, especialment en la segona part de la Tesi, entrar a fons en temes que no son propis de l’Ecologia,pero que varem considerar importants, i que l’esforc pagava la pena.

Haig d’agrair sincerament l’ajuda prestada i el temps dedicat per moltes persones durant aquest anys,especialment al Dr. Joan Armengol, que ha dirigit aquesta Tesi. Li agraeixo de forma particular la franquesaamb que sempre m’ha tractat, i la confianca que va anar dipositant en les meves propostes. Aquesta franquesatambe l’aplica sempre que calia treure’m del cap alguna insensatesa, cosa que ara li agraeixo de tot cor. LaTesi s’ha beneficiat molt de l’amplia visio de la limnologia que te en Joan. I tambe li vull reconeixer l’interesi preocupacio que sempre mostra pels membres del seu equip de treball. Nomes com a exemple, el seu esforcha permes que jo pogues demorar dos anys mes dels previstos la redaccio d’aquest treball.

Dues persones son culpables de que estigui intentant dedicar-me a aixo de la recerca: la Marta Comerma ien Juan Carlos Garcıa. Ells em van transmetre la il·lusio i rigor amb que treballaven, i aixo em va fer decidira intentar-ho. Amb en Constantin Cazacu vaig compartir els primers mesos de la Tesi, quan tot es un ferbullir l’olla que ell s’encarregava d’omplir amb idees i mes idees. El Capıtol 1 de la Tesi es consequenciadirecta d’aixo. La Claudia Feijoo tambe em va ajudar molt al principi. La Mary Gallegos va comencar detecnica al laboratori poc despres de comencar jo la Tesi, i m’ha ajudat tant que practicament l’hauria designar amb mi. Amb el Jaime i el Gonzalo tinc un gran deute per la comprensio que han tingut durant aquestdarrer any i escaig, en el que ells han hagut de fer-se carrec de molta feina que em pertocava. Amb l’Enrique

v

vi

Moreno (menos Ostos) he compartit el darrers dos anys de Tesi, en els que m’he beneficiat de les seves ideesi capacitat de treball. La seva ajuda amb els materials de la primera part de la Tesi ha sigut fonamental. LaPilar Lopez m’ha ajudat molt durant el darrer any de la Tesi, especialment amb els capıtols de la primerapart.

Aquesta Tesi es basa en moltes dades que no he recollit jo. Vull esmentar de forma destacada el tre-ball d’Antoni Vidal, que va treballar durant trenta anys a l’embassament de Sau. Aixo s’ha de fer extensiua l’empresa d’abastament Aigues Ter Llobregat (ATLL), que sempre s’ha mostrat interessada en els nos-tres suggeriments, i que ens ha permes accedir als arxius de l’Antoni Vidal. Moltes dades d’aquesta Tesiprocedeixen del programa de seguiment limnologic que financia ATLL. Tambe voldria agrair aquı l’ajudad’Antoni Gazquez, del Servei Metorologic de Catalunya, i de Lluıs Gode, de l’Agencia Catalana de l’Aigua.Algunes dades de l’embassament de Foix son fruit de l’esforc del Dr. David Balayla.

Per fer la Tesi vaig gaudir d’un beca predoctoral del Programa de Formacion de Profesorado Universitario,del Ministerio de Educacion, Cultura y Deportes, que em va permetre fer dues estades al USACE amb enCarlos E. Ruiz, a qui haig d’agrair que em fes sentir com a casa ni mes ni menys que a Mississippi. EnRobert Kennedy em va encoratjar amb els models de conca, sempre m’ha ajudat en tot el que ha pogut, i enles poques ocasions que hem coincidit personalment, m’ha tractat com un veritable amic. La Dolors Planasem va convidar a anar a Montreal, on em va fer poc menys que de mare i on vaig tenir la sort de gaudir del’extraordinari ambient cientıfic que es respira a la ciutat. Alla en Jerome Marty, Serge Paquet i tota la gentdel GEOTOP em van ajudar moltıssim. A mes de la beca, aquesta Tesi s’ha beneficiat de diferents contractesfinancats per institucions publiques: el contracte N62558-02-M-6007 de l’European Research Office de l’USArmy, i els projectes REN2001-2185-CO2-O2/HID i CGL2004-05503-CO2-01 del Ministerio de Educaciony Ciencia.

Pel que fa al Departament voldria esmentar tothom, pero no ho podre fer sense oblidar algu. Tot i aixı, novoldria deixar d’esmentar la Susana Bernal, amb qui he compartit molts bons moments, i que seguramentes l’unica persona del Departament que ha hagut d’aguantar-me els dolents. A veure si en un futur podemtreballar en alguna cosa plegats, perque despres d’explicar-nos les Tesis durant anys, te tela que no tinguemni un arxiu EXCEL amb dades d’alguna idea compartida. Tambe vull esmentar la Bet Vilalta, que va passarpel nostre costat com un coet. Voldria agrair els bons moments a l’Eusebi, el Biel, l’Ainhoa, la Rosa, laMireia, el Julio, la Marta, el Luciano, la Tura, el Vicenc, el Salva, el Manuel, el Xavi de Pedro, l’Olga, a totala meva generacio del DEA encara no esmentats, i moltıssima altra gent que perdonara la meva mandra i elmeu oblit.

Altres persones vinculades al Departament o altres centres de recerca han proposat idees, o si mes nosempre han tingut un moment per escoltar-me. Voldria esmentar Fede Bartomeus, Guillermo Mendoza,Andrea Butturini, Francisco Rueda, Joan Luıs Riera, Santi Sabate, Jaume Piera, Josep Anton Morguı, XavierRodo, Joan Goma, i tots els integrants del grup de recerca FLUMEN.

Aquesta aventura no hagues sigut el mateix sense la companyia de gent com el Miquel Angel Rodrıguez,l’Esther Gaya, el Miquel de Caceres, el Pere Renom i el Quique Navarro. Amb ells he apres moltes coses,i he gaudit d’innombrables converses sense que perdessin la paciencia amb mi, que no es difıcil. Esperoque la cursa cientıfica no ens impedeixi retrobar-nos tots junts sovint. Al Miquel Angel li haig d’agrair demanera particular totes les hores que ha hagut d’aguantar escoltant histories al voltant d’aquesta Tesi, encaraque en gran part ja li vaig pagar deixant-me guanyar de tant en tant a l’esquaix...

Tot el temps que aquesta Tesi s’ha emportat ha generat un deute enorme amb molta gent. Voldria esmentarespecialment Lucas Bolado, Nacho Pons, Jaume Puigagut, Cesc Fortea, Josep Aniol Esteban i Jordi Peig,que malgrat la meva nefasta costum de no agafar mai el telefon per trucar sempre han tingut un moment permi si ho he necessitat.

Els meus pares i els meus germans i germanes sempre s’han preguntat que era exactament el que feia.

vii

Espero que aquesta Tesi els ajudi a fer-se’n una idea. La Tesi tambe s’ha emportat un munt de temps queels hi corresponia. Els meus pares i els meus germans i germanes grans sempre varen acceptar que treballesunes hores menys alla al taller de vidre per intentar l’aventura de la Tesi. Tenint en compte que molts d’ellsvan haver de renunciar als seus estudis quan les coses no eren tan facils, podrıem dir que aquesta Tesi hasigut de fet un esforc familiar corporatiu. A aquest esforc familiar es va afegir des del principi de la Tesila meva nova famılia a Berga. Tambe espero que aquesta Tesi els ajudi a entendre en que dimonis he estatocupat tot aquest temps, en el que el seu suport en molts moments ha sigut fonamental.

A la Nuria li dec tantes coses que qualsevol enumeracio que pogues escriure ara aquı seria una injustıcia.La seva generositat sense lımits ha fet possible aquesta Tesi, que vaig comencar a l’hora que comencavemplegats, i que aixo fos compatible amb l’arribada de la Mariona i de l’Assua. Es necessitaria molta mestraca que la que tinc per poder expressar el meu sentiment de deute per tota l’atencio que aquest doctorat liha manllevat. Tampoc li vull dedicar aquesta Tesi, perque el que realment tinc ganes de dedicar-li es tot elmeu temps.

Barcelona, 26 de marc de 2007

Contents

Resum 3

0 General introduction 25Reservoirs in the global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Dynamic models in the context of reservoir limnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Sau Reservoir-Ter Watershed system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Objectives of this study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Remarks on data acquisition and thesis structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

I RIVER INFLUENCE ON RESERVOIR LIMNOLOGY 35

1 A neuro-fuzzy modeling tool to estimate fluvial nutrient loads in watersheds under time-varying human impact 371.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.2 Materials and Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1.2.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Ter River watershed: eutrophication of Sau Reservoir . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Mississippi watershed: hypoxia in the Gulf of Mexico . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1.2.2 Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40FLUX software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Multivariate rating curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42ANFIS implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

1.3 Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451.3.1 Nutrient concentration time-series comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451.3.2 Nutrient load time-series comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461.3.3 Performance of the ANFIS estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471.3.4 Ecological interpretation of ANFIS parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

1.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

ix

x CONTENTS

1.5 Comments and Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2 The role of river inputs on the hypolimnetic chemistry of a productive reservoir: implicationsfor management of anoxia and total phosphorus internal loading 552.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.2 Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.2.1 Study site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572.2.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.3.1 The temporal development of the river load to Sau Reservoir . . . . . . . . . . . . . 602.3.2 Hypolimnion chemistry influenced by the river . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.4 Discussion and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3 The role of allochthonous inputs of dissolved organic carbon on the hypolimnetic oxygen con-tent of reservoirs 693.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.2 Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.2.1 Study sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.2.2 Chloride as a proxy of labile DOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.2.3 Data collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.2.4 Empirical regressions with hypolimnetic oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753.2.5 Oxygen consumption in the hypolimnion as a first order process . . . . . . . . . . . 753.2.6 Anoxic Factor modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773.3.1 Allochthonous DOC and hypolimnetic O2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773.3.2 AF modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

II WATERSHED SCALE MODELING 87

4 Using spatially distributed parameters and multi-response objective functions to solve param-eterization of complex applications of semidistributed hydrological models 894.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.2 The study site and the model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904.3 Calibration strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.3.1 Objective function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944.3.2 Regularization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.4 Numerical analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.5.1 Spatial distribution of adjustable parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974.5.2 Relevance of data types on the calibration process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.5.3 Relevance of data types on the uncertainty of baseflow calculations . . . . . . . . . 101

4.6 Discussion and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

CONTENTS xi

5 Modeling river water temperature in semidistributed water quality applications using deter-ministic, empirical, and hybrid formulations 1075.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075.2 Study site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085.3 Modeling framework and advective heat inputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.4 Non-advective heat exchanges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1115.5 Calibration strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1135.6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.6.1 Models performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1145.6.2 Heat exchanges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

6 Scaling nutrient in-stream processes from the reach to the watershed using nutrient spirallingmetrics 1236.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1236.2 Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

6.2.1 Study Site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1256.2.2 Modeling framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1256.2.3 Point sources and diffuse inputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1266.2.4 In-stream model definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1276.2.5 Calibration strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

6.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1296.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

General conclusions 137

III APPENDIXES 141

A Neuro-fuzzy load estimation: MATLAB codes, usage, and examples 143A.1 User Manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

A.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143A.1.2 MATLAB files management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144A.1.3 Data preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Main data file . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144Continuous input file . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

A.1.4 Structure identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145A.1.5 Parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Generating Training and Checking files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146Calculating loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

A.1.6 Results files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147A.1.7 Performance analisys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149A.1.8 Special error message . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

A.2 MATLAB codes and example files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152A.2.1 Anfispaper.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

xii CONTENTS

A.2.2 Performance.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158A.2.3 Resampler.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161A.2.4 acorf.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163A.2.5 acovf.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164A.2.6 kendallrank.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165A.2.7 kolmogorov.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167A.2.8 normcdf.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169A.2.9 stdncdf.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170A.2.10 regressr.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171A.2.11 runsrf.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172A.2.12 Data.dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173A.2.13 Coninput.dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

B Cohn’s equation with a cubic fit to time 177

C Fuzzy Regression as an exploratory data analysis 181

References 185

List of Figures

1 Principals arees urbanes i cursos fluvials a la conca del Ter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1 Main urban areas and rivers in the Ter watershed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.1 (A) Location of the Ter River watershed and Sau Reservoir. (B) Location of the MississippiRiver watershed and of sampling points. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1.2 Observed time-series of river nutrient concentration and flow in (A) the Ter River, and (B)the Mississippi River. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

1.3 Steps during fuzzy reasoning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441.4 Flow-normalized annual nutrient loads and standard deviation calculated through ANFIS,

FLUX, and Cohn’s procedures. (A) Results for Ter River and (B) for Mississippi River. . . . 471.5 Graphical representation of the if-and-then fuzzy rule structure obtained during nutrient load

calculations in (A) the Ter River, and (B) the Mississippi River. . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.1 Schematic diagram showing the relative importance of vertical and horizontal processeson hypolimnetic nutrient cycling and oxygen content in (A) natural lakes and (B) canyon-shaped reservoirs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.2 Location (A) and bathymetric map (B) of Sau Reservoir. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572.3 Schematic representation of the circulation of the Ter River water in the lacustrine section

of the Sau Reservoir. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.4 (A) Annual water inflow to Sau Reservoir from the Ter River, and box-whisker plots for the

calculation of the flow-normalized T N (B), T P (C), and DOC (C) load to the reservoir . . . 612.5 Box-whisker plots for the calculation of the flow-normalized ammonia (A) and nitrate (B)

load to the reservoir. (C) Box-whisker plots for the ammonia:nitrate molar ratio in river loadduring the studied period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.6 (A) Evolution of the volume-normalized PT and Chl-a concentration in the summer epil-imnion of Sau Reservoir, and (B) evolution of the volume-normalized oxygen concentrationin the summer hypolimnion of Sau Reservoir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.7 Volume-normalized oxygen concentration observed in the hypolimnion of Sau Reservoir insummer against DOC concentration in the river inflow during summer. . . . . . . . . . . . . 63

xiii

xiv LIST OF FIGURES

2.8 The relationship between (A) DOCin f low and the volume-normalized SAS, (B) SAS andT Phypo, (C) NO−

3 in f low and the volume-normalized NO−3 hypo, and (D) NO−

3 hypo and T Phypo. . 64

3.1 C : N ratio in organic matter against chloride concentration in the river tributaries of the fourreservoirs included in this study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.2 Annual flow and box-whisker plots for measured T P, T N, and DOC concentration in the TerRiver (Sau Reservoir tributary, left), and in the Foix River (Foix Reservoir tributary, right) . 78

3.3 Time trace of epilimnetic T P and Chl-a concentrations (top), and hypolimnetic oxygen con-tent (bottom) in Sau Reservoir (left), and Foix Reservoir (right) . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.4 Thermocline and river insertion depth for an average year in Sau Reservoir (left) and FoixReservoir (right) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.5 DOC load from the Ter River against estimated oxygen consumption in Sau Reservoir hy-polimnion in monthly or bimonthly periods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.6 AF predictions (regression line and 95% confidence intervals) in (A, B) Foix Reservoir, (C,D) Sau Reservoir, (E, F) Brownlee Reservoir, and (G) Pueblo Reservoir . . . . . . . . . . . 84

4.1 Ter watershed location and subbasins delineated for HSPF simulation, lithological zones,and land uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.2 (A) WEEK and (B) BASE observed values and prediction during the validation period. (C)HOUR observed values and prediction during the calibration period . . . . . . . . . . . . . 95

4.3 (A) TRIM and (B) DURC observed values and prediction during the validation period . . . . 994.4 Box-whisker plots of the normalized range of the 25 sensitive parameters after completion

of five calibration runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.5 Modelled mean baseflow and associated uncertainty during the validation period after com-

pletion of five calibration runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.1 Ter watershed map showing stream network (dark line), temperature sampling point, andmeteorological stations used in this study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

5.2 Scale-reduction factor evolution for all parameters involved in the models tested during cal-ibration with the SCEM-UA algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.3 Marginal posterior distribution for all parameters involved in the models tested during cali-bration with the SCEM-UA algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

5.4 Observed average and minimum daily water temperature values and prediction range formodel DET+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.5 Detrended modeled values against detrended observed values using results from TEQ andDET+ models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.6 Monthly box-whisker plot for observed daily river temperature range, and results obtainedwith DET+ and TEQ models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.7 Insertion depth of Ter River in Sau Reservoir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1195.8 (A) temperature of advective inputs from groundwater, interflow, and surface runoff. (B) Air

temperature measured near the sampling point, range of equilibrium temperature modeled,and observed water temperature. (C) Net non-advective heat balance calculated with theTEQ model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

5.9 Non-advective heat exchange components modeled with (A) DET model, and (B) DET+model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

LIST OF FIGURES xv

5.10 Net non-advective heat exchange for models DET and DET+. A combination of several heatexchange components for model DET+ are also shown for reference . . . . . . . . . . . . . 121

6.1 (A) River T P sampling points and T P point sources in the Ter River watershed. (B) Mainwatercourses and land uses in the catchment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

6.2 A) Observed and modeled discharge at Roda de Ter for T P sampling dates. (B) Observedand modeled mean daily river temperature at Roda de Ter for T P sampling dates . . . . . . 127

6.3 Power relationship between T P concentration and discharge at Roda de Ter . . . . . . . . . 1296.4 Observed T Pc values and model outcomes at Roda de Ter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1306.5 Observed versus modeled T Pc values at Roda de Ter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1316.6 Median T P values observed in the different ACA sampling stations against modeled values . 1316.7 Discharge versus Sw for pristine and nutrient enriched streams . . . . . . . . . . . . . . . . 133

C.1 SETAR results compared to Hudson’s Bay data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181C.2 SETAR and Fuzzy Regression results compared to Hudson’s Bay data . . . . . . . . . . . . 182C.3 Non-parametric regressions relating RTURB, RCLOUD, and leaf Carbon gain . . . . . . . . 183

List of Tables

1.1 FLUX methods implemented during simulation of each period considered in the series ofRivers Ter and Mississippi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

1.2 Performance of the tested methods predicting daily river nutrient concentrations in the Terand Mississippi rivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

1.3 Performance of ANFIS estimation in Ter and Mississippi River scenarios. . . . . . . . . . . 49

2.1 Sau Reservoir main morphometric and hydrological data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.2 Analytical methods used to characterize Ter River and Sau Reservoir water samples. . . . . 602.3 Results of correlations between volume-normalized oxygen concentrations observed in the

hypolimnion of Sau Reservoir during summer against a set of selected key variables mea-sured in the epilimnion of the reservoir and the Ter River (also during the summer period). . 62

3.1 Selected limnological features of the four reservoirs and tributaries included in this study.For some magnitudes standard deviation are given in brackets. . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.2 Spearman’s τ correlation of volume-normalized mean summer oxygen concentration in thehypolimnion of Sau and Foix reservoirs against selected independent variables (see text fordetails). P Value′ stands for the Bonferroni corrected P Value. Significance levels below0.05 are highlighted for clarity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.3 Spearman’s τ correlation between independent variables involved in significant correlationsin Table 3.2, and the summer inflow. The upper side of both correlation matrices containsthe sample size in brackets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.4 AF modeling results for the four reservoirs considered. All significance levels in this tablewere calculated with permutation test. Significance levels below 0.05 are highlighted forclarity. Equation 14 was included to avoid confusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.1 Parameters of the Hydrological Simulation Program-Fortran (HSPF) model. . . . . . . . . . 924.2 Response-specific Nash-Sutcliffe Coefficients for the different calibration runs. . . . . . . . 984.3 Parameter sensitivity and uncertainty for the run 6f. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

xvii

xviii LIST OF TABLES

5.1 Parameters and prior ranges used in the definition of the three different model formulationsfor river temperature. Equation numbers refer to equations in the text. . . . . . . . . . . . . 112

5.2 Performance of tested models fitting average (ADT ) and minimum (MDT ) daily river watertemperature during calibration and validation periods. The Akaike’s information criterionand Akaike’s weights calculated pooling both periods are also shown. . . . . . . . . . . . . 116

6.1 Prior ranges and final adjusted values during calibration of parameters used in the definitionof the T P model. Equation numbers refer to equations in the text. . . . . . . . . . . . . . . . 127

6.2 Sw and discharge for different nutrient retention experiments in pristine and impaired streams 132

Resum

Introduccio general

El embalse es un hıbrido de rıo y lago,y su estudio se ha de basar en unavision completa de la limnologıa.

Por otra parte, los embalses son ecosis-temas muy conectados con los ecosis-temas terrestres perifericos y apenasse gana nada en modelarlos indepen-dientemente.

Ramon Margalef, 1983

Aquestes frases estan extretes del capıtol dedi-cat als embassaments en la Limnologıa de Margalef(1983), y resumeixen dos temes cabdals en la lim-nologia dels embassaments. La influencia del riu enla dinamica dels embassaments ha sigut reconegudafa temps (Imberger 1979), y ha motivat l’interesdels limnolegs pels gradients associats a l’adveccio.Aixo va arribar al seu maxim amb els treballs deKimmel (1990), que definı tres zones teoriques alsembassaments (i.e. advectiva, de transicio i la-custre) depenent de la interaccio entre l’entradadel riu y algunes regularitats en aspectes geomor-fologics dels embassaments. El merit de la carac-teritzacio de Kimmel fou aplegar en un marc comumoltes observacions sobre aspectes diversos, in-cloent hidrologia, ambient lumınic, gradients longi-tudinals quımics, balancos metabolics i aspectes dequalitat de l’aigua. Encara que no totalment equiva-

lent, aquesta caracteritzacio pot comparar-se amb elRiver Continuum Concept (Vannote et al. 1980), enel sentit que va dotar als limnolegs d’embassamentsun marc conceptual util i convenient on acomodarobservacions i noves hipotesis. Com qualsevol grangeneralitzacio, la zonacio de Kimmel te els seusinconvenients (per exemple, nomes embassamentsamb formes allongades i amb una sola entrada deriu important son susceptibles d’acomplir el model),pero va motivar gran part de la recerca posterior re-specte la heterogeneıtat biologica en embassaments,junt amb els avencos teorics durant els anys noranta(Straskraba et al. 1993).

La segona idea de Margalef expressada a l’inicid’aquesta introduccio remarca el fet que la mateixaentrada del riu que genera la heterogeneıtat longi-tudinal en embassaments tambe defineix un vinclemolt fort entre l’embassament i la seva conca (perexemple, Matias and Boavida 2005). Normalment,aquest vincle ha sigut conceptualitzat en formade models empırics de carrega-resposta (Ulhmann1980; Kennedy 1999), o aproximacions de balancde massa (Tomaszek and Koszelnik 2003). Curiosa-ment, els investigadors de corrents empıriques con-sideren els embassaments com reactors homogenisen la majoria dels casos, ignorant la heterogeneıtatespacial present en practicament tot els processos.

Per tant, mentre que la heterogeneıtat horit-zontal en embassaments s’ha considerat com unnou estandard en limnologia (es a dir, acomo-dat en el marc teoric proposat per Kimmel), larelacio entre els embassaments i la seva conca

3

4 RESUM

ha sigut normalment considerada com una sim-ple extensio de models desenvolupats per llacs(Istvanovics and Somlyody 1999; Vidal and Om1993). En la meva opinio, aixo provoca un bi-aix en la manera que els limnolegs s’aproximena l’estudi dels embassaments. Per alguna rao, lamıstica de la heterogeneıtat concentra l’atencio delscientıfics, y caracterıstiques fonamentals com eltemps de residencia o l’entrada de materials pelriu (Straskraba 1999a) son considerades nomes comgeneradores d’heterogeneıtat (per exemple, Masınet al. 2003). D’aquesta manera, i malgrat els avisosde Margalef (1983), Uhlmann (1998), Straskraba(1999b), Straskraba and Tundisi (1999), Tundisi etal. (1999), and Kennedy (2005), els investigadorstenen tendencia a considerar els llacs com a mod-els pels embassaments. De totes maneres, aixo esun error, ja que la comparacio amb un riu es igual-ment pertinent i adequada. Un embassament esun riu que ha patit canvis profunds en les sevescaracterıstiques geomorfologiques, i considerant elsfluxos de material i energia no esta clar si un em-bassament s’assembla mes a un riu o a un llac.Es un embassament un sistema subsidiari com unriu, o els fluxos d’energia estan dominats per laproduccio de materia organica al·loctona? Aque-sta mena de preguntes no han rebut ni de bon trosl’atencio que han merescut els processos relacionatsamb l’heterogeneıtat espacial, i segons ens constaromanen basicament sense contestar. Efectivament,estem d’acord amb el punt de vista de Kennedy etal. (2003) i Kennedy (2005), que sostenen que lamancanca mes significativa en la recerca sobre lalimnologia dels embassaments es un coneixement aescala de conca o de sistema del rol dels embassa-ments en els paisatges hidrologics. Llavors, estemd’acord que els embassaments son sistemes hıbrids,pero no nomes en el sentit maniqueu que son riustransformant-se en llacs, generant per tant hetero-geneıtat espacial. Els embassaments son sistemeshıbrids en un sentit molt mes profund, reflectit prob-ablement tambe en el seu funcionament com eco-sistema. Per tant, les dos idees de Margalef ex-pressades al principi del capıtol expressen de fet lamateixa idea. Els embassaments son rius modifi-cats, per tant cal no oblidar-se del que es important

pels rius: la seva conca.La discussio anterior pot semblar una consid-

eracio purament estetica, pero te importants impli-cacions practiques. Per exemple, molts programesde seguiment de la qualitat de l’aigua que es de-senvolupen actualment en embassaments es con-centren en els processos a nivell de l’aigua embas-sada, sense cap atencio per les entrades de materi-als des del riu. Aquesta forma de plantejar l’estudid’un embassament arrela en la impressio erronia deque els gestors seran capacos d’explicar els fets ob-servats amb les eines que es fan servir per resol-dre problemes similars plantejats en llacs. Finsi tot, sempre hi ha diners a l’abast per estudiarla volguda (i important) heterogeneıtat, pero no hiha mai pressupost per mostrejar l’entrada del riu.Des d’un punt de vista de la gestio d’un embassa-ment, un programa de qualitat de l’aigua que no in-clogui un punt de mostreig als principals tributarisde l’embassament es pot comparar a l’estudi d’unllac que no considera l’hipolımnion: podras tenircerta informacio, pero oblidat de la visio global!

Els embassaments a escala planetaria

Malgrat que molts embassaments no tenen labellesa inalterada de molts llacs, els limnolegs hanestudiat intensivament els embassaments per di-verses raons. A part de ser sistemes molt dinamics,ideals per estudiar acoblaments entre processosfısics i biologics, molts paısos arids i semiarids nocompten gaire llacs, pero si que disposen de moltsembassaments. Els embassaments s’han convertiten la principal font d’abastament d’aigua en moltesregions, y son susceptibles d’albergar una quanti-tat enorme d’activitats de lleure. Per tant, els prob-lemes de qualitat de l’aigua en embassaments sonde considerable rellevancia.

Avui dia, tenim mes de 45 000 grans embassa-ments al mon (Icold 1998). Encara que la taxa deconstruccio de nous embassaments ha caigut durantels darrers anys en els paısos desenvolupats (Gle-ick 2003), es practicament inevitable un ressorgi-ment en la construccio de preses donades les fu-tures dependencies d’abastament d’aigua i el creix-ement economic de paısos en desenvolupament.

RESUM 5

(World Commission on Dams 2000). Com fan notarKennedy et al. (2003) acuradament, les regions endesenvolupament son les que acumulen major po-tencial pel creixement de l’energia hidroelectrica,mentre que el nostre coneixement de la limnologia il’ecologia dels embassaments es basa en dades rec-ollides en sistemes temperats de l’hemisferi Nord(essent la majoria llacs naturals!). Aixo posara alslimnolegs en una situacio molt compromesa, perquela correcta gestio dels nous recursos dependra d’unaprediccio correcta dels processos limnologics. Pertant, es certament urgent un marc teoric per la lim-nologia dels embassaments a nivell d’ecosistema,arrelat en observacions fetes en embassaments, yd’estudis no tant mediatitzats per la forma de tre-ballar en llacs.

Un altre punt rellevant parlant del rol dels embas-saments a escala global es el seu paper en l’emissiode gasos d’efecte hivernacle. Pot ser una micatard, pero el Panel Intergovernamental pel CanviClimatic va reconeixer en les seves lınies guia del2006 els embassaments com a emissors per elabo-rar inventaris de gasos, i les emissions dels embas-saments tambe van ser reconegudes com un prob-lema al principi del 2006 pel la taula de govern delMecanisme de Desenvolupament Net, el principalsistema de comerc d’emissions de carboni del Pro-tocol de Kioto (International Rivers Network 2006).Una de les raons per aquest endarreriment fou ladiscussio polıticament interferida sobre la fiabili-tat de les estimes d’emissio de gasos dels embas-saments tropicals, disputa que va poder ser seguidaen les pagines de Climatic Change (veure Fearnside[2006]). Encara que emissions des d’embassamentss’han mesurat principalment en sistemes boreals itropicals, on grans quantitats de meta son alliber-ades a l’atmosfera (Fearnside 1995; Giles 2006),molts embassaments temperats tambe semblen seremissors nets (Soumis 2004). Aquest darrer de-scobriment suggereix que no nomes embassamentsque inunden grans arees de vegetacio terrestres po-den ser fonts d’emissio de gasos d’efecte hivernacle.Aixo posa sobre la taula la pregunta de quins son elsembassaments temperats que son susceptibles de seremissors nets de gasos a l’atmosfera, una preguntaque ha de ser contestada amb mesures d’intercanvi

de gasos fetes in situ, pero tambe amb estudis delbalanc metabolic en aquests sistemes. Encara queaquesta Tesi no inclou cap data sobre emissions degasos d’efecte hivernacle, si que conte capıtols so-bre el consum d’oxigen a l’hipolımnion dels em-bassaments, una questio que esta directament rela-cionada amb el balanc metabolic de l’ecosistema, ila produccio de CO2.

Els models dinamics en el context dela limnologia dels embassaments

Diversos factors han motivat que la limnologiad’embassaments sigui un dels camps de l’ecologiaon els models dinamics s’han aplicat extensivament.Frequentment, decisions sobre enginyeria o gestioen embassaments depenen de parametres de quali-tat de l’aigua (Kennedy 1999b). Per tant, l’us desistemes d’adquisicio contınua de dades es frequenten embassaments. Gestors i enginyers normal-ment demanen resultats que transcendeixen l’estudidel cas, ja que necessiten informacio que cobreixiun ampli espectre de situacions, i que sigui utilper prendre decisions a curt termini. Aixo, sumata la inherent complexitat associada als processosecologics en embassaments, acaba amb problemesque excedeixen la capacitat de les aproximacionsempıriques pures. Aixı que han sigut diversos els in-tents de desenvolupar models per simular processoshidrobiogeoquımics en embassaments en escales es-pacials i temporals curtes. Deixant de banda mod-els desenvolupats per aplicacions molt concretes, lesaplicacions mes esteses son la famılia CE-QUAL(Cole and Buchak 1995), DYRESM (Imberger andPatterson 1981), CAEDYM (Romero et al. 2004), iWASP (Wool et al. 2003).

Pero no nomes els processos dintre dels embas-saments han centrat l’atencio dels investigadors.Donat que els embassaments son sistemes moltoberts i molt influenciats pels materials procedentsde la conca de drenatge, han sigut nombrososels intents d’ajustar models de conca amb modelsd’embassaments per explorar l’origen dels materialsque entren a l’embassament, i per testar com esce-naris alternatius a la conca poden afectar la limnolo-gia de l’embassament. Encara que el modelatge de

6 RESUM

conques es un tema interessant per ell mateix, les in-vestigacions sobre la interaccio conca-embassamenthan jugat un paper fonamental en el desenvolupa-ment de models a escala de conca. Pot ser el mil-lor exemple es el treball realitzat a l’EnvironmentalLaboratory de l’US Army Corps of Engineers (US-ACE) a Vicksburg (USA), on el model CE-QUALva ser dissenyat, i el model HSPF (Hydrologi-cal Simulation Program-Fortran) parcialment de-senvolupat, amb els embassaments de l’USACEcom a protagonistes de la major part de les aplica-cions. En aquest sentit, es pot dir que els investi-gadors involucrats en models han entes millor el rolde la conca en la limnologia dels embassaments queels investigadors centrats en recerca empırica. Hiha un nombre immens d’aproximacions a la mod-elitzacio de conques, encara que per aplicacionsde qualitat de l’aigua els models mes usuals sonels semidistribuıts. HSPF (Bicknell et al. 2001),SWAT (Srinivasan et al. 1993), INCA (Whiteheadet al. 1998) i AGNPS (Young et al. 1995) son elsmodels favorits si s’han de reproduir processos bio-geoquımics.

Finalment, el canvi climatic es un bon marc perdesenvolupar models dinamics per explorar tant lesimplicacions per la dinamica de nutrients i d’altrescomponents a escala de conca, com les implicacionsdirectes del canvi climatic en els embassaments. Detotes maneres, es important fer notar que existeixenaproximacions empıriques prou eficients per sim-ular ambdues coses, les importacions de materialsdes de la conca i l’exploracio d’escenaris climaticsalternatius (Alexander et al. 2002b). Pero aquestesaproximacions nomes son utils si n’hi ha prou ambresultats a escales anuals o mes grans.

A part de l’estructura del model, les hipotesis enles que es basa, la facilitat d’us, i d’altres consid-eracions, el que es rellevant per un investigador esque representa un model. Un model numeric nomeses una formulacio matematica afegida de aprior-ismes, inferencies i dades (hipotesis auxiliars en lesparaules de Hempel and Oppenheim [1948]). Do-nat que els sistemes naturals son oberts (en el sen-tit aplicat al raonament logic), cap marc concep-tual expressat com un model matematic, malgrat laseva complexitat, pot demostrar la veritat de cap

proposicio (Oreskes et al. 1994). A mes a mes,mes d’una configuracio d’un model pot ajustar ambles nostres dades (el problema del resultat no-unic).Per tant, un model que ajusta a unes dades no esun model cert, es nomes una definicio matematicaprobable del proces que hi ha darrere.

Ja que un dels majors problemes dels modelscomplexos es el del resultat no-unic, s’han pro-posat diverses metodologies per descriure el graud’aquest problema per una aplicacio donada, i pertreballar-hi en contra. En el primer cas, els avencosde la estadıstica Bayesiana permeten als investi-gadors ajustar models d’una forma probabilıstica,obtenint una distribucio de parametres i de respostesdel model, en comptes d’un joc de parametres unicsi una resposta tambe unica. En el segon cas, laestrategia habitual (a part d’aconseguir el millormodel disponible) es l’us de diversos tipus de dadesper ajustar el model, per evitar que l’algorisme decalibracio disposi de massa flexibilitat per assignarvalors als parametres. Aquesta Tesi mostrara ex-emples d’aquests problemes i de les solucions apli-cades en el context d’un model biogeoquımic a es-cala de conca.

De la discussio anterior en surt una conclusio: nopodem validar un model. Aquesta es uns desafortu-nada expressio habitual en treballs on es fan servirmodels complexos, perque sembla implicar que sinosaltres validem un model (es a dir, la comparaciode les sortides del model amb dades no fetes servirdurant la calibracio es positiva), el model es una rep-resentacio veritable de la realitat. Pero si una bonacalibracio no definia un model com cert, el mateixraonament es pot aplicar al concepte de validacio.La validacio ens informa sobre la confianca que enspoden mereixer uns resultats d’un model quan elscomparem amb dades reals, pero de cap manera ensconfirma o testa la veracitat del model (Oreskes etal. 1994), ja que no hi ha una diferencia real entreel proces de validacio i el de calibracio. Per tant, elprincipal valor dels models es com a eina heurıstica:els models son representacions, utils per esperonarrecerca, pero no son susceptibles de provar res. Detotes maneres, en moltes parts d’aquesta Tesi es faservir el terme validacio en el sentit que es suscep-tible d’esser publicat en una revista amb revisio ex-

RESUM 7

terna. Es a dir, com un test independent del model.

El sistema Embassament deSau-Conca del Ter

La major part de les dades incloses en aquesta tesicorresponen a l’embassament de Sau (Espanya) i alseu principal tributari, el riu Ter. La conca del riuTer (nomes l’area aigues amunt de l’embassamentde Sau sera considerada en aquesta Tesi) te 1380km2, i es una regio poblada (109 persones km-2),molt influenciada per l’activitat humana. El riu Terneix a 2400 m.s.n.m. als Pirineus, recorrent 111km fins arribar a la presa de Sau (Figura 1). ElRiu Ter rep tres tributaris principals: el riu Fressera la capcalera, el Riu Gurri a l’area agrıcola i ra-madera al voltant de Vic, i la Riera Major a la concapropia de l’embassament. Per una descripcio detal-lada de la conca del Ter es pot consultar Sabater etal. (1995).

Les caracterıstiques de la conca varien al llarg del’eix del riu. La capcalera flueix sobre roca silıcica,a traves de prats alpins, matollars de muntanya iboscos de conıferes. Encara que el clima a la concaes Mediterrani temperat, aquı el clima te influen-cies alpines, amb precipitacions entre 1000 i 1500mm. Diverses ciutats de menys de 4000 habitantsmantenen una activitat industrial i ramadera mod-erada. Des de Ripoll (10 600 habitants) fins aTorello (12 300 habitants) la major part del ter-reny es ocupat per boscos de conıferes de mitjamuntanya i boscos de fulla caduca segons la ori-entacio del vessant. Aquı l’activitat industrial va enaugment, i el substrat es calcari, amb betes de guix.L’area compresa entre Torello i el comencament del’embassament de Sau es una plana elevada a 500m.s.n.m., on cultius de seca i grans arees urbanes(100 000 habitants) dominen el paisatge. La pre-cipitacio anual varia entre 700 i 800 mm. L’activitatindustrial i ramadera es aquı molt important (ca 1milio de porcs). La major part dels purins proce-dents de les granges d’engreix es fa servir com a fer-tilitzant en els cultius adjacents. Finalment, l’areaal voltant de l’embassament es un terreny de mitjamuntanya amb una cobertura vegetal mixta (veg-etacio caduca i perenne, conıferes, matollars), i amb

Figure 1 – Principals arees urbanes i cursos fluvialsa la conca del Ter. Els colors representen diferentsusos del sol (Blanc: cultius; Verd: bosc de conıferes;Taronja: bosc caducifoli mixt; Violeta: matollars iprats alpins; Gris: terreny sense cobertura vegetal)

densitat humana baixa.La hidrologia mostra un patro anual forca irreg-

ular tıpic de les contrades mediterranies, modulatper la influencia dels Pirineus. El cicle anual tedos perıodes de maxim cabal al maig i al novembre,governats per desgel i la pluja de tardor, respecti-vament (Armengol et al. 1991). La variabilitat in-teranual es molt conspıcua, seguint la variabilitat enla precipitacio. El cabal del riu Ter calculat usantdades a llarg termini es de 10 m3 s-1.

Les propietats quımiques de l’aigua del riu Ter esel resultat d’un complex mosaic d’usos del sol i ac-tivitats humanes (Sabater et al. 1990). Encara queles activitats humanes estan disseminades per totala conca (especialment les minicentrals electriques),l’area al voltant de Vic acumula les aportacions de

8 RESUM

fosfor al riu. Els abocaments industrials i les depu-radores d’aigues residuals son nombrosos en aque-sta zona. Aixo s’ha d’afegir al fosfor afegit alscultius amb l’aplicacio de purins, que arriba a 200kg P ha-1 any-1. Els cursos d’aigua mes afectats sonels afluents de Ter al voltant de Vic (Riu Gurri, RiuSorreig i Riu Ges). Malgrat que el riu Ter dilueix enpart les aportacions d’aquest tributaris, la concen-tracio de fosfor total a l’estacio d’aforament a Rodade Ter sobrepassa frequentment els 0.20 mg L-1. Es-tudis de la qualitat de l’aigua i recerca en el con-text de l’ecologia al riu Ter son abundants (Sabaterand Armengol 1986; Butturini and Sabater 1988;Sabater 1988; Sabater et al. 1989; Sabater et al.1990; Sabater et al. 1991; Sabater and Sabater1992; Sabater et al. 1992; Sabater et al. 1995;Espadaler et al. 1997; Guasch and Sabater 1998;Romanı and Sabater 2000; Sabater et al. 2000; Ro-manı and Sabater 2001; Butturini and Sabater 2002;Navarro et al. 2002; Fernandez-Turiel et al. 2003;Martı et al. 2004; Prat et al. 2004; Cespedes et al.2006).

La presa de l’embassament de Sau fou con-struıda al 1963, 20 km aigues avall de Roda de Ter,definint un embassament amb una capacitat de 165hm3 quan l’embassament es ple. Des de llavors,l’embassament de Sau ha generat una gran varietatd’activitats al seu voltant: generacio d’electricitat,abastament d’aigua per agricultura i per usos hu-mans i industrials, i activitats recreatives. Men-trestant, l’aigua de l’embassament ha patit un procesimportant d’eutrofitzacio (Vidal and Om 1993),provocat per diverses activitats humanes a la conca:us intensiu de fertilitzants, desenvolupament de laramaderia intensiva i arees industrials, i canvis enels usos del sol (Sabater et al. 1990; Sabater et al.1991; Vidal and Om 1993; Sabater et al. 1995; Es-padaler et al. 1997). L’embassament passa d’unestat de moderada eutrofia durant els anys 70, auna eutrofitzacio severa durant els darrers anys 80.La construccio de depuradores d’aigues residualsen les principals ciutats de la conca va provocaruna lleugera millora de la qualitat de l’aigua del’embassament (Vidal and Om 1993).

L’embassament de Sau ha resultat ser un excel-lent marc per estudis dins l’ambit de l’ecologia,

incloent estudis sobre l’heterogeneıtat espacial dela produccio primaria i l’activitat bacteriana (Som-maruga et al. 1995; Simek et al. 1998; Armen-gol et al. 1999; Simek et al. 2000; Comerma etal. 2001; Simek et al. 2001; Gasol et al. 2002;Comerma et al. 2003; Comerma et al. 2004; Ne-doma et al. 2006), estudis empırics sobre proces-sos d’eutrofitzacio (Vidal 1969; Armengol and Vi-dal 1988; Vidal and Om 1993), evolucio de les car-acterıstiques dels materials sedimentats (Armengolet al. 1986), modelitzacio de processos fısics (Hanet al. 2000; Vidal et al. 2005; Rueda et al. 2006), lesconsequencies de la construccio de preses sobre elsrius (Puig et al. 1987), comunitats de peixos (Carolet al. 2006), i acoblaments fısics-biologics (Marceet al. 2007). L’embassament tambe va ser inclosen els dos estudis regionals sobre la limnologia delsembassaments espanyols (Margalef et al. 1976; Ri-era 1993).

Objectius d’aquest estudi

L’antecedent basic d’aquest treball es el procesd’eutrofitzacio de l’embassament de Sau. Lacompanyia d’abastament d’aigua Aigues Ter Llo-bregat (ATLL) enceta l’estudi limnologic del’embassament de Sau des de la seva posada enfuncionament en 1963, acumulant dades que vanservir per diversos estudis sobre l’estat trofic del’embassament. El mes complert fou el treball deVidal and Om (1993), que cobreix 20 anys de dadesfins el comencament de la decada dels 90. En aquesttreball van demostrar que el contingut de clorofil·laper unitat d’area a l’embassament (mesurat en mit-janes anuals) es relaciona proporcionalment amb lacarrega de fosfor des del riu i el grau d’estratificaciotermica durant els mesos d’estiu (p-value = 0.0004,R2=0.89):

Cloro f il · la-a (mg m2) = 27.8×LSRP

+35507.8×SMET S−46.6(1)

on LSRP es la carrega de fosfor reactiu solublenormalitzada per la superfıcie de l’embassament(g P m-2), i SMET S l’estabilitat termica maxima

RESUM 9

a l’estiu (g m3). Aquest descobriment es nomesl’aplicacio del model de Dillon (1975) desenvolu-pat per llacs.

Mes tard, foren construıdes depuradores d’aiguesresiduals en els principals nuclis urbans i industrialsde la conca durant els anys noranta, i s’esperava queaixo redundes en una disminucio de les carreguesde nutrients a l’embassament i una millora enl’estat trofic de l’embassament. Pero, tot i que lescarregues de nutrients van disminuir, aixo nomesva redundar en una minsa millora en la qualitat del’aigua, principalment canvis en la composicio de lacomunitat fitoplanctonica. A mes a mes, recerca al’embassament ha emfatitzant el rol del bucle mi-crobia a l’epilımnion de Sau (Comerma 2003), iel paper cabdal de la limitacio de P i els enzimshidrolıtics durant l’assimilacio de nutrients per laproduccio primaria (Nedoma et al. 2006). A mes, lapossibilitat de tenir carregues internes des del sedi-ment no ha sigut estudiada en detall. Tota aquestainformacio suggereix que necessitem alguna cosames que les carregues de fosfor per entendre elproces d’eutrofitzacio de l’embassament.

OBJECTIU GENERAL 1. En aquestaTesi volem explorar la dinamica trofica del’embassament des d’un punt de vista original (esa dir, sense massa influencia de la recerca fetaen llacs). Donat que es obvi que la reduccio deles carregues de fosfor no va assolir els resultatesperats en quant la millora de l’estat trofic del’embassament, hem explorat el paper d’altres com-postos en el desenvolupament de l’anoxia en lescapes fondes, ja que aixo es un tret comu d’aigueseutrofiques. Aquest objectiu definira la primera partde la Tesi, desenvolupada en tres capıtols.

Capıtol 1. Donat que la carrega externa es un fac-tor clau en els models empırics d’eutrofitzacio dellacs i embassaments, revisem aquı els metodes mescomuns de calcul de carregues de nutrients, i pro-posem un nou metode especialment dissenyat pelcalcul de carregues en conques que han patit unapressio humana fluctuant.

Capıtol 2. En aquest capıtol explorem els factorsque controlen l’anoxia i la carrega interna de fosfora l’embassament.

Capıtol 3. Considerant els resultats del Capıtol 2,proposem un nou paradigma pel desenvolupamentde l’anoxia en embassaments, fent servir dades deSau i d’altres sistemes de diferents parts del mon.

Ja que l’embassament de Sau es un sistema in-volucrat en l’abastament d’aigua potable, i do-nat que nosaltres estavem convencuts a prioride la importancia de la conca en la limnolo-gia de l’embassament a qualsevol escala espa-cial i temporal, el nostre segon objectiu va serconstruir un model a escala de conca que in-clogues la dinamica de l’aigua i dels nutrients.Aixo permetra en el futur estudis sobre l’efectede practiques alternatives de gestio a la conca enl’estat trofic de l’embassament, l’estudi i predicciodels efectes ecologics d’esdeveniments sobtats alriu a l’embassament, i l’estudi de les respostes del’embassament al canvi climatic. Evidentment, al-guns d’aquests objectius demanen la construcciod’un model dinamic de l’embassament connectatal model de conca, cosa que es fora de l’abastd’aquesta Tesi. Per tant, aquests son plans de re-cerca futurs, i no seran desenvolupats en el marcd’aquesta Tesi.

OBJECTIU GENERAL 2. Volem construir unmodel a escala de conca pel riu Ter aigues amuntde l’embassament de Sau, incloent hidrologia, tem-peratura de l’aigua del riu i la concentracio defosfor total, com un primer pas per construir unmodel biogeoquımic complert. De totes maneres,volem anar mes enlla del simple exercici de con-struir un model ad hoc explorant tant la capacitatde noves eines i estrategies de calibracio de models,com la conveniencia dels models com a plataformesheurıstiques on comparar hipotesis. Aquest objec-tiu definira la segona part de la Tesi, desenvolupadatambe en tres capıtols.

10 RESUM

Capıtol 4. Aquest capıtol mostra la construcciodel model hidrologic, testant la competencia demetodes de calibracio amb multiples objectius enescenaris de modelitzacio complexos.

Capıtol 5. Desenvolupament del model de tem-peratura de l’aigua. Aquesta seccio fa servir la mod-elitzacio com a plataforma per comparar hipotesisalternatives, i explora la conveniencia dels metodesd’ajust de models basats en estadıstica Bayesiana.

Capıtol 6. Finalment, definim el model per laconcentracio de fosfor total al riu, comparant lesformulacions del model amb informacio procedentde recerca empırica.

Sobre l’adquisicio de dades iestructura de la tesi

La major part de les dades d’aquesta Tesi prove-nen del programa de seguiment limnologic i dela qualitat de l’aigua de l’embassament de Sau.La companyia Aigues Ter Llobregat (ATLL) hafinancat aquest programa des de que l’embassamentva ser omplert el 1963. Des de 1994 el seguiment esfa en col·laboracio amb l’equip de recerca liderat pelDr. Joan Armengol al Departament d’Ecologia dela Universitat de Barcelona. Algunes dades inclosesen aquesta Tesi van ser mostrejades en campanyesde camp que, obviament, no poden ser atribuıdes al’autor. L’autor ha recollit dades a l’embassamenti el riu Ter des del 2001 fins al present. Infor-macio previa prove principalment de l’esforc mon-umental d’Antoni Vidal (ATLL), que va conduir lacaracteritzacio limnologica de l’embassament desde 1963 fins el 1994, i tambe de treball de campde Marta Comerma i Juan Carlos Garcıa. L’autortambe es responsable de les dades recents recollidesa l’embassament de Foix, encara que algunes dadesprevies al 1999 i de l’any 2002 varen ser recol-lides per Marta Comerma, Juan Carlos Garcıa, JoanGoma i David Balayla.

Una quantitat considerable de dades inclosesen aquesta tesi no van ser recollides per l’autor,sino que van ser obtingudes de bases de dadescomputeritzades, accessibles en xarxa de man-

era gratuıta, o de diposits publics, principalmentl’Agencia Catalana de l’Aigua i el Servei Mete-orologic de Catalunya. La seccio de Materials iMetodes del cada capıtol dona els detalls sobre lametodologia pertinents per al capıtol.

Volem avisar als lectors que aquesta Tesi esta es-tructurada en capıtols independents. Nomes les re-ferencies bibliografiques i els apendixs han sigutcol·locats en seccions comuns al final del docu-ment. Per tant, el lector pot veure’s destorbat peralgunes reiteracions en les introduccions o la de-scripcio dels metodes a cada capıtol. Ens disculpemsincerament per aquest inconvenient. El Capıtol 1(inclosos els apendixs A i B) es una versio lleuger-ament modificada d’un article publicat a Limnologyand Oceanography: Methods (Marce et al. 2004).La resta de capıtols estan en revisio en diferents re-vistes amb avaluacio externa.

RESUM 11

CAPITOL 1. Una eina demodelitzacio neuro-difusa pelcalcul de carregues denutrients en conques ambimpacte huma fluctuant

L’eutrofitzacio de llacs i embassaments es unproblema d’abast global (Walsh 1991; Alexanderet al. 2000; McIsaac et al. 2001), i una de lesprincipals causes es l’exces de nutrients que arribendes dels tributaris (Vollenweider 1968; Heaney etal. 1992; Reynolds 1992). Per tant, una avalu-acio acurada dels materials transportats pels rius esfonamental per a una gestio correcta dels recursosaquatics.

Frequentment les carregues de nutrients es cal-culen per llargs perıodes de temps, el que permetals gestors definir objectius realistes en quant a ladisminucio de nutrients, i tambe tenir una idea de lahistoria de l’impacte huma en l’ecosistema. Aque-stes carregues es calculen amb dades hidrologiquesque solen ser de qualitat i molt nombroses, peroaixo no se sol complir en el cas de les concen-tracions de nutrients, dades que solen ser molt es-casses. En aquestes situacions diverses aproxima-cions han sigut proposades, sent les rating curves iels ratio estimators (Cohn 1995) els metodes mesfrequentment emprats. De totes maneres, en situa-cions on la relacio entre el cabal i la concentraciode nutrients varia en el temps degut al canvi en lapressio humana en la conca, aquest metodes tenenmolts inconvenients, que poden ser resolts nomesparcialment amb estrategies de calcul adequades.

En aquest capıtol es proposa un nou metode percalcular carregues en aquesta situacio, que es basaen la caracteritzacio de la relacio entre el cabal delriu i la concentracio de nutrients mitjancant la logicadifusa.

Material i metodes

S’han calculat les carregues anuals de fosfor totala l’embassament de Sau des del riu Ter pel perıode1973-2001, i les carregues anuals de nitrat al riu

Mississippi (USA) durant el perıode 1955-1998,fent servir tres metodologies diferents: estimacionsamb el software FLUX (ratio estimators), amb larating curve proposada per Cohn et al. (1992), iamb el nou metode proposat aquı.

Resultats

Els resultats de les carregues de nutrients hansigut similars en els tres casos, encara que el noumetode ha evitat un dels problemes mes importantsassociats a l’us de les altres dues metodologies:l’aparicio d’artefactes en les series de carregues an-uals en forma de salts interanuals no realistes. Aixoes degut a que amb les metodologies classiques elcalcul de carregues s’ha de dividir en diferents por-cions (i.e. grups d’anys), cosa que inclou discon-tinuıtats que es posen en evidencia quan es dibuixala serie de carregues sencera. Com el nou metodees capac de calcular correctament les carreguessense necessitat de dividir la serie en grups d’anys,l’esmentat artefacte no apareix a les series finals.

D’altra banda, la caracteritzacio de la relacio en-tre el cabal i la concentracio de nutrients amb el noumetode es molt satisfactoria, el que permet la re-construccio de les concentracions al llarg del tempsamb una precisio que supera la dels altres metodesd’una forma clara. Un analisi de recombinatoriatambe ha mostrat que les carregues de nutrients cal-culades amb el nou metode no mostren cap biaixsignificatiu.

Discussio

El nou metode de calcul de carregues ha mostratun comportament estadıstic molt satisfactori, i totesles comparacions amb els metodes classics han sigutfavorables al nostre metode. Per tant, es pot consid-erar que la nova metodologia hauria de ser aplicadasempre que es sospiti que la relacio entre el cabali la concentracio de nutrients hagi patit variacionsal llarg del perıode d’estudi. El nou metode pot seraplicat a la serie sencera encara que la relacio ca-bal versus concentracio sigui molt no linear, i en-cara que les variacions d’aquesta relacio al llarg deltemps siguin molt importants.

12 RESUM

D’altra banda, un avantatge del nou metode esque a l’aplicar un sol ajust a tota la serie, elsparametres de la relacio difusa entre el cabal i laconcentracio del nutrient poden ser interpretats desd’un punt de vista dinamic. Aixo es una carac-terıstica molt interessant, ja que no nomes podenservir per entendre com la variacio en l’impactehuma sobre el sistema ha afectat la carrega de nu-trients, sino que converteix el nou metode en unapotent eina d’analisi exploratoria.

Tot aixo fa de la logica difusa una eina atractivano nomes per calcular carregues en rius, on ha de-mostrat funcionar de manera optima, sino tambe enqualsevol ambit de l’ecologia on necessitem una re-gressio no lineal variable en el temps o en l’espai.

RESUM 13

CAPITOL 2. El paper de lesentrades des del riu en laquımica de l’hipolımnion d’unembassament productiu.Implicacions per a la gestio del’anoxia i la carrega interna defosfor

Normalment la capa hipolimnetica que es formaal fons dels llacs ha sigut considerada una capaaıllada de la interaccio directa amb l’atmosfera iamb les aportacions dels rius. Aixo es degut aque la importancia del component advectiu en elsllacs sol ser petita, i l’estabilitat termica sol serprou efectiva per aıllar aquesta capa durant elsmesos d’estiu (Margalef 1983). Als embassaments,pero, la situacio es diferent. En aquests sistemesel component advectiu te un rol molt mes desta-cat, que ajuda a definir un gradient molt clar enles caracterıstiques de l’aigua entre l’entrada del’embassament i les aigues properes a la presa (Kim-mel et al. 1990).

Pero el component advectiu en embassamentsno nomes es important per les implicacions enquant a la heterogeneıtat del sistema. Donat quela inercia termica d’un riu i d’un sistema lenıticpot ser prou diferent, la temperatura i la densitatde l’aigua del riu i de l’aigua que emmagatzemal’embassament pot mostrar diferencies importants(Ford 1990). Aixo pot provocar la presencia delriu com a corrents de densitat en capes fondes del’embassament, establint aixı una connexio directaentre l’hipolımnion i els materials que arrossega elriu.

En aquest capıtol s’investiga la interaccio entreels materials que transporta el riu Ter i la con-centracio d’oxigen i nutrients a l’hipolımnion del’embassament de Sau, com a factor clau en elproces d’eutrofitzacio de l’embassament.

Material i metodes

S’ha estudiat la concentracio de nutrients alriu Ter, i la concentracio d’oxigen i nutrients al’hipolımnion i l’epilımnion de l’embassament deSau durant els estius del perıode 1995-2005. Ad-dicionalment, s’han calculat les carregues de nutri-ents des del riu Ter, amb la metodologia presentadaal Capıtol 1. Finalment, s’ha descrit el patro an-ual de circulacio del riu Ter a l’embassament de Saumitjancant informacio sobre la densitat de l’aiguadel riu i de la columna de l’aigua de l’embassament.

Resultats

L’evolucio mensual de la circulacio de l’aiguadel riu Ter a l’embassament de Sau ha mostrat quedurant l’estiu el riu entra a l’embassament comun corrent de densitat, per arribar directament al’hipolımnion durant la major part de l’estiu. Lescarregues de nutrients a l’embassament des del riuTer van patir una reduccio des de l’any 1999, quanles depuradores d’aigues residuals a la conca vanser millorades amb cicle biologic. Aquesta reducciova afectar de manera significativa les carreguesd’amoni i carboni organic dissolt, pero no va afec-tar les carregues de fosfor total, i les carreguesde nitrat fins i tot van augmentar. Aixo es deguta que el fosfor ja era retirat dels efluents de lesestacions depuradores amb els tractament fısico-quımics, mentre que els nous tractament biologicsafavoreixen la presencia als efluents del nitrat endetriment de les formes mes reduıdes de nitrogen,principalment amoni.

Pel que fa a la relacio entre els materials queentren al riu i els que trobem a l’hipolımnionde l’embassament, trobem que existeix una fortarelacio inversa entre la concentracio de carboniorganic dissolt al riu i la concentracio d’oxigen al’hipolımnion, mentre que cap variable epilimneticava mostrar correlacio significativa amb l’oxigenhipolimnetic.

Per altra banda el carboni organic dissolt con-trola la superfıcie de sediment anoxic que tenim al’embassament, i aquesta variable, juntament ambla concentracio de nitrat a l’hipolımnion, controla laconcentracio de fosfor total a l’hipolımnion. Final-

14 RESUM

ment, la concentracio de nitrat a l’hipolımnion estafortament correlacionada amb la concentracio de ni-trat al riu.

Discussio

Els resultats d’aquest estudi demostren que elsmodels classics de carrega-resposta desenvolupatsals llacs (en el que la carrega de nutrients desdel riu controla la biomassa fitoplanctonica, quea l’hora sera la responsable del consum d’oxigenhipolimnetic quan aquests materials sedimentin),no tenen perque ser necessariament valids enl’embassament de Sau (i per extensio a molts em-bassaments). A l’embassament de Sau la con-centracio d’oxigen hipolimnetic no depen d’aquestmecanisme de sedimentacio de materials epil-imnetics, sino que depen directament dels materi-als que entren des del riu a l’hipolimnion, concreta-ment del carboni organic dissolt. Aixo suposa unadiferencia fonamental respecte el funcionament delsllacs, i hauria d’ajudar a redefinir les estrategies degestio de la qualitat de l’aigua dels embassamentsquan l’anoxia hipolimnetica es un dels problemes aresoldre.

Per altra banda, la concentracio de fosfor total al’hipolımnion depen tant de la superfıcie de sed-iment anoxic com de la concentracio de nitrat al’hipolımnion. Donat que aquestes dues variablesdepenen al seu torn dels materials que entren des delriu, es pot afirmar que la carrega interna de fosfora l’embassament tambe es controlada pels materi-als que entren des del tributari. El mecanisme pro-posat consisteix en un control del carboni organicdissolt sobre la superfıcie de sediment anoxic, quedelimita l’area on es pot donar carrega interna defosfor. Per altra banda, si tenim concentracionshipolimnetiques de nitrat elevades, aixo afavoreixels desnitrificadors, que inhibiran altres processosmetabolics que farien baixar els potencials redoxfins a nivells que afavoririen la carrega interna defosfor.

Per tant, tant l’anoxia com la carrega interna defosfor poden estar controlades pels materials queentren des del riu, sense intervencio de proces-sos relacionats amb l’epilımnion. Aixo suposa un

canvi important en la forma que fins ara s’abordavenaquest problemes.

RESUM 15

CAPITOL 3. El paper delcarboni organic dissoltal·locton en el contingutd’oxigen hipolimnetic enembassaments

Els models empırics per la prediccio del con-tingut d’oxigen en l’hipolımnion dels llacs s’habasat tradicionalment en l’assumpcio que els nutri-ents que provenen de fora del sistema afavoriranla produccio de biomassa epilimnetica. Aquestabiomassa, al sedimentar, sera la principal respons-able del consum d’oxigen en les capes fondes. Pertant, aquests models consideren sempre alguna vari-able mesurada a l’epilımnion per predir el contingutd’oxigen de l’hipolımnion (Reckhow and Chapra1983; Nurnberg 1984; Nurnberg 1995; Livingstonand Imboden 1996).

Pero tal i com s’ha demostrat en el capıtol ante-rior, la situacio en embassaments pot ser ben difer-ent, per que en aquests sistemes les entrades delriu son molt mes importants, i poden entrar comuna corrent de densitat per arribar directament al’hipolımnion.

En aquest capıtol es vol demostrar que esnecessaria una revisio dels models empırics per laprediccio del contingut d’oxigen a l’hipolımniondels embassaments. Fins ara s’han aplicat elsmodels desenvolupats en llacs, que inclouen unssuposits que poden no ser realistes treballant ambembassaments. Per aixo es fan servir dades del’embassament de Sau, pero tambe d’altres sis-temes.

Materials i metodes

La revisio dels models empırics per la predicciodel contingut d’oxigen s’ha fet aplicant diversesmetodologies. Primer s’ha testat la veracitat de lesassumpcions dels models empırics desenvolupats enllacs fent servir dades de l’embassament de Saui de l’embassament de Foix. Aixo s’ha fet apli-cant regressions empıriques entre diverses variablesmesurades al riu i a l’epilımnion d’aquests embas-

saments i el seu contingut d’oxigen a l’hipolımnion.Despres, s’ha estudiat en detall si la quantitat decarboni organic que entra per perıodes mensuals al’embassament des del riu guarda relacio amb laquantitat d’oxigen consumit a l’hipolımnion. Fi-nalment, hem modelat l’Anoxic Factor (Nurnberg1995) en els dos embassaments esmentats i dos messituats als USA, incloent en les equacions variablesrelacionades amb els materials transportats pel riu.

Resultats

Els resultats de l’estudi amb els embassamentde Sau i Foix han demostrat que la concentraciod’oxigen hipolimnetica depen del contingut de car-boni organic dissolt en els rius respectius. Capvariable relacionada amb l’epilımnion ha mostratuna correlacio significativa. Per altre banda,l’analisi del consum d’oxigen a l’hipolımnion i dela quantitat de carboni organic dissolt que entra pelriu ha demostrat que existeix una relacio 1:1 enl’embassament de Sau. Aixo dona un clar suporta la hipotesi que es el carboni organic al·locton i noels materials d’origen epilimnetic els que controlenla concentracio d’oxigen a l’hipolımnion. Els resul-tats a l’embassament de Foix han sigut en la mateixalınia, encara que en aquest cas el nombre de casoses molt mes petit, aixı que es difıcil ser categoric alrespecte.

Pel que fa a la modelitzacio de l’Anoxic Factor,ha quedat pales que l’efecte del carboni organic dis-solt en el contingut d’oxigen s’esvaeix a mesura quel’impacte huma sobre la conca de l’embassament vadisminuint. D’aquesta manera, als embassamentsde Sau i Foix els materials al·loctons tenen moltpes en les equacions predictives, mentre que en em-bassaments amb baixa influencia humana l’efected’aquests materials en el contingut d’oxigen no essignificatiu, i gran part de la variabilitat s’explicaamb variables hidrologiques.

Discussio

Els resultats d’aquest capıtol demostren que elsmodels empırics desenvolupats per llacs no tenenper que ser valids en embassaments, especialment

16 RESUM

aquells que suporten una pressio antropica consid-erable. Aixo hauria d’esperonar la recerca en em-bassaments per construir un cos teoric i empıric in-dependent del que ja tenim pels llacs. Aixo es certpel contingut d’oxigen a l’hipolımnion, pero hau-ria de ser igualment valid per altres processos quedepenen directament o indirecta de la concentraciod’oxigen a l’hipolımnion. Per exemple, molts mod-els empırics desenvolupats a llacs prediuen la re-siliencia de l’eutrofitzacio en base a mecanismes decarrega interna de fosfor que en darrer terme estancontrolats per la biomassa epilimnetica. Es evidentque en molts embassaments aixo no seria cert, i lacarrega interna estaria mes relacionada amb els ma-terials procedents del riu. Aixo podria explicar al-guns dels fracassos en la recuperacio de sistemeseutrofics despres de programes de millora basats ex-clusivament en la reduccio de la carrega de nutri-ents, sense tenir en compte els materials organicsque el riu tambe pot transportar.

L’efecte en els embassaments de la materiaorganica al·loctona dependra del temps deresidencia, ja que en aquests sistemes el temps deresidencia sol ser molt curt (per sota d’un any).Aixo fa que nomes les fraccions mes labils delcarboni organic tindran un efecte significatiu en elmetabolisme del sistema. Per tant, embassamentsque reben efluents procedents d’activitats humaneso ramaderes, rics en compostos organics facilmentdegradables, i amb temps de residencia moderats oalts haurien de ser molt sensibles a aquesta entradade materials des del riu.

Finalment, sembla urgent un estudi de llarg abastsobre l’influencia dels materials organics dissolts enllacs i embassaments. Malgrat que en principi aixoja ha esta testat pel cas dels llacs (Nurnberg’s 1995),una mirada crıtica a aquest treball ens fa concloureque ni tant sols en aquest sistemes l’efecte dels ma-terials organics dissolts sobre el metabolisme delsllacs esta testat definitivament.

RESUM 17

CAPITOL 4. L’us de parametresdistribuıts espacialment ifuncions-objectiumultiresposta per a lacalibracio d’aplicacionscomplexes de modelshidrologics semidistribuıts

Els models semidistribuıts son la tria mes usualquan s’ha de modelar la qualitat de l’aigua a escalade conca, ja que representen un bon compromıs en-tre la qualitat i la resolucio dels resultats i l’esforcnecessari per obtenir-ho. Una aplicacio hidrologicaque hagi de servir per nodrir un model biogeoquımicno nomes ha de simular el cabal del riu de man-era adequada, sino que a mes ha d’escalar els fluxossubsuperficials de forma optima. Malauradament,molts cops la informacio disponible no permet unacorrecta determinacio d’aquests fluxos, i aquest im-portant punt en la calibracio del model hidrologicresta sense comprovar, amb els efectes negatius queaixo pot comportar pel model biogeoquımic.

Durant el darrers anys s’ha posat molt d’esforcper trobar sistemes automatics i estrategies de cal-ibracio per intentar solucionar aquests problemes.Una de les maneres es treballar amb funcions ob-jectiu que incloguin diverses caracterıstiques de lesdades de camp (Madsen 2000). Tambe s’ha trebal-lat en la via de calibrar els models no cap a un solpunt, sino cap al espai de Pareto sencer (Gupta etal. 1998; Vrugt et al. 2003). Finalment, diversesestrategies de regularitzacio s’han desenvolupat perpermetre treballar amb parametres distribuıts espa-cialment, sense que aixo impliqui un problema ir-resoluble numericament.

En aquest capıtol calibrarem un model hidrologicper a la conca del Ter fins a l’embassament de Sau,demostrant que es pot calibrar adequadament unmodel molt complex fins i tot amb dades de camplimitades. Per aconseguir-ho, combinarem una es-trategia de regularitzacio adequada amb una funcioobjectiu composta.

Materials i metodes

Hem fet servir el model Hydrological SimulationProgram-Fortran (HSPF) per simular la hidrologiaen la conca del Ter. Informacio meteorologica,d’usos del sol, geologica i geomorfologica s’hacombinat per generar un seguit de subconques iunitats de resposta hidrologica, que son les unitatsbasiques de treball del model. El perıode consideratha sigut des de 1999 fins a 2004.

El model s’ha calibrat assignant valors bib-liografics a alguns parametres, i ajustant au-tomaticament amb un algorisme de calibracio per laresta. Per la calibracio dels parametres ajustables,s’ha fet servir una funcio objectiu que combina elscabals del riu diaris, horaris i trimestrals a Roda deTer, a mes d’incloure altres aspectes de les dades,com la distribucio de frequencies i la contribucioper flux basal estimada. A mes, s’ha imposat uncriteri de homogeneıtat en els parametres distribuıtsespacialment, penalitzant l’heterogeneıtat durant elproces de calibracio.

Addicionalment, hem estudiat l’efecte de la in-clusio dels diferents tipus de dades en la funcioobjectiu en la capacitat del model per modelar lahidrologia de la conca, amb calibracions succes-sives amb diferents tipus de dades incloses en elproces.

Resultats

L’ajust del model a les dades de camp va sermolt satisfactori, fins i tot a escala horaria. Diversesmesures de l’ajust del model a les diferents carac-terıstiques de les dades incloses en la funcio objectiuvan donar resultats bons, i son totalment compara-bles als resultats obtinguts en d’altres treballs.

L’estrategia de calibracio va permetre calibrar di-versos parametres amb heterogeneıtat espacial, es-pecialment aquells relacionats amb la litologia. Finsi tot alguns parametres van ser ajustats a valors vari-ables al llarg del temps.

La inclusio de diferents respostes en la funcioobjectiu va provocar canvis evidents en la capaci-tat del model per simular adequadament la hidrolo-gia de la conca. Remarcablement, l’efecte sobre lafuncio objectiu d’un tipus de dades depen dels tipus

18 RESUM

de dades que ja son presents en la funcio objectiu,el que fa molt difıcil decidir a priori quin tipus dedades es mes convenient afegir a la funcio objectiu.Finalment, la inclusio de diferents tipus de dades enla funcio objectiu va tenir efectes molt positius en laincertesa de la separacio de fluxos entre superficialsi subsuperficials.

Discussio

Els resultats d’aquest capıtol exemplifiquen al-guns dels problemes associats a l’us de modelsmatematics molt complexos, quan aquests no vanacompanyat de dades de camp abundants. De totesmaneres, un us adequat de les dades disponiblespot ser determinant a l’hora de calibrar amb exitun model complex. Aixo no nomes es refereixa la qualitat de l’ajust, sino tambe a l’incertesadels resultats i la possibilitat d’assignar a al-guns parametres valors diferents segons les carac-terıstiques de diferents regions de la conca.

RESUM 19

CAPITOL 5. Simulant latemperatura de l’aigua en riusen models de qualitat de l’aiguasemidistribuıts fent serviraproximacionsdeterminıstiques, empıriques ihıbrides

La temperatura de l’aigua en rius no nomes con-trola la velocitat dels processos bioquımics, sinoque tambe afecta de manera essencial la densitat del’aigua, aspecte que pot ser molt important quan esvol determinar l’efecte d’un riu sobre un embassa-ment aigues avall.

La simulacio de la temperatura de l’aigua enmodels a escala de conca sol aconseguir-se amb for-mulacions que tenen en compte tots els processosfısics normalment implicats en els intercanvis decalor entre l’aigua i l’atmosfera. De totes maneres,existeixen aproximacions empıriques que relacio-nen la temperatura del riu i la de l’aigua que simpli-fiquen la tasca de modelitzacio, i que demanen unaquantitat de dades mes realista, tenint en compte lainformacio a l’abast en la majoria de casos en ques’estudia la temperatura del riu nomes com un pasper a l’estudi de la qualitat de l’aigua des del puntde vista quımic o biologic.

En aquest capıtol estudiem la capacitat de tresformulacions dels intercanvis de calor entre l’aiguai l’atmosfera (una empırica, una altra deterministai, finalment, una formulacio hıbrida amb aspectesde les dues anteriors) per simular la temperaturade l’aigua del riu Ter a Roda de Ter, i la fondariad’insercio del riu a l’embassament de Sau.

Material i metodes

Prenent de base dades de la temperatura del’aigua horaries a Roda de Ter entre 2001 i 2004,s’han intentar simular les temperatures mitjanes imınimes diaries, aixı com la fondaria d’insercio delriu Ter a l’embassament de Sau. Les dades provenend’una estacio automatica gestionada per l’Agencia

Catalana de l’Aigua.La temperatura de les entrades advectives des de

la conca s’ha modelat amb les formulacions accessi-bles al programa Hydrological Simulation Program-Fortran (HSPF), mentre que pels intercanvis decalor no-advectius s’han implementat diverses for-mulacions modificant el codi de HSPF. Una formu-lacio es la que es troba per defecte a HSPF, i es potconsiderar una formulacio determinista. Despress’ha programat una formulacio basada en la temper-atura d’equilibri, i finalment una formulacio hıbridaque inclou aspectes de totes dues formulacions.

Els models s’han calibrat amb l’algorismeSCEM-UA.

Resultats

El model que ha donat els millors resultats tanten el perıode de calibracio com en el de validacioha sigut el model hıbrid, seguit pel model empıric.El model determinista ha resultat ser el menys efi-cient. L’adequacio dels models no es depenent de lacomplexitat del model, tal i com un analisi amb elcriteri de Akaike ha deixat pales.

De totes formes, els intercanvis de calor definitspel model hıbrid han resultat ser no realistes en re-ferencia al que les formulacions matematiques enprincipi expressen. Els intercanvis de calor delmodel empıric tampoc semblen ser del tot satisfac-toris.

Discussio

El fet que el model hıbrid hagi donat millors re-sultats que la resta d’alternatives suggereix que lesdades meteorologiques que s’han fet servir per ali-mentar el model no son optimes. Encara que aque-sta informacio prove de estacions meteorologiquesd’alt estandard, la seva ubicacio no sempre les faadients per mesurar les particulars condicions mi-croclimatiques que es produeixen a prop del riu. Pertant, s’ha d’anar amb molt de compte a l’hora de ferservir dades d’estacions meteorologiques pensadesper recollir informacio regional per alimentar mod-els de temperatura en rius.

El model hıbrid sembla constituıt per un modul

20 RESUM

d’intercanvi de calor regulat per la temperaturad’equilibri, que donaria un cicle anual clar. Aixoes veuria modulat per intercanvis de calor suposada-ment deterministes, pero que en aquesta formulaciotenen un sentit fısic dubtos.

Per concloure, sembla que per aplicacions a es-cala de conca, on la informacio meteorologica nosol provenir d’estacions meteorologiques situades ala vora dels rius, els models que funcionen millorson aquells que fan servir la temperatura de l’airecom a principal variable explicativa.

RESUM 21

CAPITOL 6. Dimensionant ladinamica de nutrients als riusdes del tram fins a la concafent servir metriques del’espiral de nutrients

Els models biogeoquımics en rius solen incloureformulacions mes o menys deterministes per sim-ular el comportament de nutrients al canal. Aixoinclou equacions per un gran nombre de processos,des de l’assimilacio per part dels productors fins al’alliberament de nutrients durant la descomposiciode la materia organica, i fins i tot processos fısicsd’adsorcio en fraccions minerals. Per tant, aquestsmodels poden incloure fins a desenes de parametresinvolucrats en la dinamica de nutrients.

Si aquestes formulacions formen part d’un modela escala de conca la situacio es encara mes com-plicada, ja que les caracterıstiques fısiques i deles comunitats biologiques del riu poden variardramaticament al llarg de l’eix del riu. En aquestasituacio, el nombre de parametres present al modelpot ser realment molt alt, i difıcilment es podra dis-posar de tota la informacio necessaria per poderparametritzar el model sense necessitat d’un procesde calibracio molt complex, i sense garanties d’exit.

En aquest capıtol assagem la conveniencia de ferservir la informacio procedent de dades empıriquesrecollides seguint el concepte de l’espiral de nutri-ents per la parametritzacio de models a escala deconca, i que fan servir el tram de riu com a unitattopologica de treball.

Material i metodes

A partir de les formulacions per la simulaciodel cabal i de la temperatura al riu desenvolu-pades en els capıtols anteriors, s’ha incorporat ladinamica del fosfor total a la conca. Per simpli-ficar el problema, nomes s’han tingut en compte elsperıodes sense aportacions per escorrentıa superfi-cial. La dinamica de nutrients s’ha simulat en HSPFmodificant el codi del programa per formular unproces d’assimilacio de fosfor de primer ordre, fent

servir la velocitat d’assimilacio com a parametreajustable. Les aportacions de fosfor subsuperfi-cials s’han modelat suposant dinamiques de dilucioamb el cabal, i les aportacions puntuals s’han inclossegons dades de l’Agencia Catalana de l’Aigua.

Durant el proces de calibracio, la serie observadade concentracio de fosfor a Roda de Ter ha sigutcorregida per la diferencia de cabals simulats i ob-servats, considerant que el fosfor total segueix unadinamica de dilucio amb el cabal. El model ha sigutcalibrat amb un algorisme de remostreig. S’handeixat un seguit de dades fora de la calibracio pelproces de validacio, incloent dades de qualitat in-certa extretes de les bases de dades publiques del’Agencia Catalana de l’Aigua, recollides en difer-ents punts de la conca.

Resultats

L’ajust entre les dades observades i el model aRoda de Ter ha sigut satisfactori, encara que es ev-ident cert biaix en moments de concentracio baixa.La comparacio amb les dades de l’Agencia Catalanade l’Aigua a la conca tambe ha sigut positiva.

Per altre banda, el valor ajustat de velocitatd’assimilacio de fosfor total ha sigut molt realista,i comparable a valors trobats en sistemes afectatsper aportacions humanes trobats a la conca del Ter isistemes similars a Catalunya.

Discussio

Els resultats d’aquest treball demostren que la in-formacio empırica sobre els processos del riu obtin-guda a escala de tram pot ser molt util a l’hora deformular models a escala de conca, ja que es fa co-incidir l’escala a la que es recullen les dades ambl’escala de funcionament del model, es a dir, el tram.

De fet, la velocitat d’assimilacio obtinguda ambel model es ben comparable a les obtingudes ar-reu del mon en sistemes influenciats per aporta-cions puntuals d’aigues residuals. Llavors, encaraque es un argument circular i, per tant, no serveixcom a prova, la coincidencia entre el model i lesdades empıriques recolzen la idea que els rius afec-tats per aportacions puntuals tenen una eficiencia de

22 RESUM

retencio de nutrients disminuıda. A l’hora, aque-sta coincidencia reforca la idea que la informacioobtinguda a escala de tram es pot fer servir perla construccio de models a escala de conca. Aixosimplifica el proces de modelitzacio, ja que passemde treballar amb una multitud de processos ambdinamiques incertes, a un proces a escala de tramrelativament facil de caracteritzar, i a mes que sem-bla generalitzable.

RESUM 23

Conclusions generals

CONCLUSIO GENERAL 1. Algunescaracterıstiques del proces d’eutrofitzacio del’embassament de Sau (es a dir, el contingutd’oxigen a l’hipolımnion i la carrega interna defosfor) estan ıntimament lligades a la qualitat del’aigua del riu Ter. Pero tot i les hipotesis de partidadels models empırics classics, no hi ha cap procesepilimnetic que hi jugui un paper determinant. Aixono es un cas particular, sino que es tracta d’unadiferencia fonamental entre els sistemes dominatsper l’adveccio i la majoria de llacs.

Respecte la tecnica neuro-difusa de calcul decarregues. El nou metode de calcul de carregueses superior a les aproximacions classiques, i evitaels inconvenients mes importants associats a la sevaaplicacio. El nou metode tambe ha mostrat propi-etats interessants que fan d’ell una possible einad’analisi exploratoria per problemes no lineals.

Respecte la quımica a l’hipolımnion del’embassament de Sau. L’oxigen i el contingut enfosfor a l’hipolımnion depen del carboni organicdissolt i del nitrat aportat pel riu Ter, sense capintervencio significativa de processos epilimnetics.

Respecte el contingut d’oxigen a l’hipolımniondels embassaments. El contingut d’oxigen al’hipolımnion dels embassaments esta molt influen-ciat per la carrega de carboni organic dissolt al riu.Donat que el temps de residencia en embassamentses curt, els efectes del material organic al·loctonsera mes conspicu en sistemes que rebin una fortacarrega de carboni organic dissolt labil d’origenhuma. Aquests resultats haurien de motivar la for-mulacio d’un nou paradigma per a la modelitzacioempırica del contingut d’oxigen i la resiliencia a laeutrofia en embassaments.

CONCLUSIO GENERAL 2. L’estat de laciencia i la informacio disponible per rius i con-ques de Catalunya fan possible l’aplicacio de mod-

els hidrologics i biogeoquımics complexes a escalade conca. Els nous metodes de calibracio i de gestiode les dades permeten la implementacio d’aquestesaplicacions fins i tot tenint en compte la escassetatde dades de camp.

Respecte la simulacio hidrologica. Una com-binacio adequada d’una estructura de model i unacalibracio multiobjectiu es essencial per a la im-plementacio d’un model hidrologic semidistribuıt aescala de conca. Si la calibracio es fa amb cura,fins i tot es pot assignar a alguns parametres hetero-geneıtat espacial. De totes maneres, en un escenaride modelitzacio complex pot ser difıcil decidir a pri-ori quines seran les dades de camp mes utils durantel proces de calibracio.

Respecte la simulacio de la temperatura del riu.Quan les uniques dades disponibles com a entradespel model son dades meteorologiques d’estacionssituades lluny dels cursos fluvials, models empıricso hıbrids que incloguin formulacions basades en larelacio entre la temperatura de l’aire i de l’aiguahaurien de ser prioritzades.

Respecte la simulacio del fosfor total al riu.La informacio empırica a escala de tram recollidaseguint el marc teoric del concepte de l’espiral denutrients es una informacio molt interessant per ferfuncionar models a escala de conca. Encara que elsexercicis de modelitzacio d’aquesta Tesi no podenprovar hipotesis, els resultats recolzen la idea querius amb fortes aportacions d’aigues residuals sonmenys eficients que els rius de capcalera a l’hora deretenir fosfor.

Chapter 0

General introduction

The reservoir is a hybrid between riverand lake, and its study must befounded on a complete picture of lim-nology.

On the other hand, reservoirs are ecosys-tems strongly linked with the sur-rounding terrestrial ecosystems, andit is hardly useful to model them in-dependently.

Ramon Margalef, 1983

The above sentences come from the chapterdevoted to reservoirs in Margalef’s (1983) Lim-nologıa, and summarize two important topics inreservoir limnology. The long recognized influ-ence of the river inflow on reservoir dynamics (Im-berger 1979) fueled the interest of limnologists inthe gradients associated to advection. This reachedits maximum with the seminal work by Kimmel(1990), who defined three theoretical zones in reser-voirs (i.e. riverine, transitional, and lacustrine) de-pending on the expected interaction between theriver inflow and some commonalities in the geo-morphologic traits of reservoirs. The merit of Kim-mel’s characterization was to gather in a commonframework many observations concerning a vari-

ety of processes, including hydrology, light ambi-ent, chemical longitudinal gradients, metabolic bal-ances, and water quality issues. Although not totallyequivalent, this characterization could be comparedwith the River Continuum Concept (Vannote et al.1980), in the sense that it offered to reservoir lim-nologists a useful and convenient explanatory framein which place observations and new hypotheses.Like any vast generalization, Kimmel’s zonation hasits drawbacks (e.g. only canyon-shaped, single in-flow reservoirs are prone to follow expectations),but it motivated much of the subsequent research onbiological heterogeneity in reservoirs, in conjunc-tion with the theoretical developments during the1990s (Straskraba et al. 1993).

The second Margalef’s idea expressed in the headof this chapter emphasizes the fact that the sameriverine input that fuels the longitudinal heterogene-ity in reservoirs also defines a strong link betweenthe reservoir and its watershed (e.g. Matias andBoavida 2005). This link has been conceptual-ized mostly in the form of load-response empir-ical models (Ulhmann 1980; Kennedy 1999), ormass-balance approaches (Tomaszek and Koszelnik2003). Curiously, empirical modelers usually con-sider reservoirs as stirred reactors, ignoring the lon-gitudinal spatial heterogeneity present in almost allprocesses.

25

26 CHAPTER 0. GENERAL INTRODUCTION

Thus, whereas longitudinal heterogeneity inreservoirs has been considered as a new standardin limnology (i.e. accommodated in the Kimmel’stheoretical framework), the relationship betweenreservoirs and their surroundings has usually beenworked as an extension of models coming fromlakes (Istvanovics and Somlyody 1999; Vidal andOm 1993). In my opinion, this promotes a struc-tural bias in the way limnologists approach reser-voirs. For some reason, the mystic of heterogeneityfocuses the attention of researchers, and key lim-nological features like residence time or the riverinflow (Straskraba 1999a) are often invoked onlyas generators of heterogeneity (e.g. Masın et al.2003). In this way, and despite the wise warningsby Margalef (1983), Uhlmann (1998), Straskraba(1999b), Straskraba and Tundisi (1999), Tundisi etal. (1999), and Kennedy (2005), researchers tend totake lakes as models for reservoirs. However, thisis a misconception because the comparison with ariver is equally justified and pertinent. A reservoir isa river undergoing very profound changes in its geo-morphologic settings, and considering material andenergy flows in the ecosystem it is not clear whethera reservoir is more resembling a river or a lake. Isit a reservoir a subsidized ecosystem like a river, orthe energy flows are dominated by autochthonousproduction of organic matter? This kind of ques-tions has not received nearly the attention that het-erogeneity related issues, and to our knowledge theyremain mostly unanswered. Effectively, we agreewith the view of Kennedy et al. (2003) and Kennedy(2005), who pleaded that one of the most importantresearch needs in reservoir limnology is a catchmentor system-level understanding of the role of reser-voirs on the dynamics of hydrologic landscapes. Soyes, reservoirs are hybrid systems, but not only inthe manichaean sense that they are rivers transform-ing into lakes, and thus generating longitudinal het-erogeneity. Reservoirs are hybrid systems in a muchmore profound sense, probably also reflected in itsfunctioning as a whole ecosystem. Thus, Margalef’ssentences above expresses in fact the same idea: areservoir is a modified river, so do not forget whichis important for rivers: the watershed.

The above discussion could seem just an aestheti-

cal dispute, but it has very important practical impli-cations. For example, many water quality programscurrently developing in reservoirs are focused onwhat is happening in the water column of the reser-voir, without regard of what is happening in the in-flow to the water body. This is grounded in the falseimpression that managers will be able to explain ob-servations with the lake tool kit. Even, some moneyis often available to sample the reservoir in search ofthe loved (and important) heterogeneity, but fund-ing is never there to sample the river inflow. From amanagement point of view, a reservoir water qualitymonitoring program lacking a sampling point in theriver inflow (or inflows if applicable) could be com-pared to a lake survey missing the hypolimnion: youwill have some information, but forget the completepicture!

Reservoirs in the global

Although most reservoirs lack the untouchedbeauty of most lakes, limnologists have turned toreservoirs for several reasons. A part from beingvery dynamical systems very well suited to studyphysic-biological coupling, most arid and semiaridcountries cannot count lakes, but reservoirs. Reser-voirs have become a principal component of the wa-ter supply in many regions, and they have a great ca-pacity to appeal a myriad of leisure activities. Thus,water quality issues in reservoirs are of considerableimportance.

Nowadays, we have more than 45 000 large damsin the world (Icold 1998). Although the rate of con-struction of dams have declined during last yearsin developed countries (Gleick 2003), resurgence indam construction is almost inevitable due to futuredependencies on water supply and the economic andpopulation growth in developing countries (WorldCommission on Dams 2000). As appropriatelynoted by Kennedy et al. (2003), developing regionskeep the greatest potential for hydropower develop-ment, while our understanding of reservoir limnol-ogy and ecology is based on data collected on Northtemperate systems (and mostly natural lakes!). Thislack of information will pose reservoir limnologists

27

in a very demanding situation, because proper man-agement of the new resources will rely on a correctprediction of limnological processes. Thus, it is cer-tainly urgent a theoretical framework for reservoirlimnology at the system-level, grounded in observa-tions collected at reservoirs, and from studies not soinfluenced by the lake-view of the problem.

Another relevant point concerning reservoirs at aglobal scale is their role on green house gas emis-sions. Maybe late, but the Intergovernmental Panelon Climate Change recognized in its 2006 guide-lines on greenhouse gas inventories that reservoirsare a source of emissions, and reservoir emissionswere also recognized as an issue of concern in early2006 by the governing board of the Clean Develop-ment Mechanism, the Kyoto Protocol’s main car-bon trading system (International Rivers Network2006). One of the reasons for this delay was apolitical interfered dispute about the reliability ofdata on green house gases emissions from trop-ical reservoirs, argument that could be followedin the pages of Climatic Change (see Fearnside[2006]). Although reservoir emissions have beenmeasured mainly in boreal and tropical regions,where huge amounts of methane are released tothe atmosphere (Fearnside 1995; Giles 2006), manytemperate reservoirs appear to be net sources as well(Soumis 2004). This last finding suggests that notonly reservoirs flooding vast areas of terrestrial veg-etation may be net sources of green house gases.This poses the question of which kind of temperatereservoirs are prone to release green house gases tothe atmosphere, a question that should be answeredfrom in situ measurements of gases exchange, butalso from regional information about the metabolicbalance in these water bodies. Although this disser-tation do not contain any data on green house gasesemissions, it do contain chapters devoted to oxy-gen consumption in the hypolimnion of reservoirs,a matter that is directly related to the metabolic bal-ance of the ecosystem and the production of CO2.

Dynamic models in the contextof reservoir limnology

Several facts have motivated reservoir limnologybeing one of the fields of ecology where dynamicalmodels have been extensively applied. Frequently,management and engineering decisions in reser-voirs rely on water quality considerations (Kennedy1999b). Thus, the use of continuous data adqui-sition systems is frequent in reservoirs. Man-agers and engineers usually demand answers be-yond the study-case, because they need informa-tion covering a wide range of situations, and use-ful for decision-making in short time and spatialscales. This, summed to the inherent complexityassociated with ecological processes in reservoirs,ends with problems that exceed the capacity of pureempirical approximations. Thus, several tools havebeen developed to simulate hydrobiogeochemicalprocesses in reservoirs at short time and spatialscales. Apart from site-specific models, principalwidespread applications are the CE-QUAL family(Cole and Buchak 1995), DYRESM (Imberger andPatterson 1981), CAEDYM (Romero et al. 2004),and WASP (Wool et al. 2003).

Not only the in-reservoir processes have focusedthe attention of modelers. Since reservoirs areopen systems highly influenced by materials com-ing from the watershed, there have been numer-ous efforts to link watershed models and reservoirmodels to explore the origin of incoming materials,and how alternative scenarios in the basin could af-fect reservoir limnology. Although watershed mod-eling is an interesting topic by itself, people in-volved in reservoir-watershed interaction researchhave played a fundamental role in developing water-shed models. Maybe the best example is the Envi-ronmental Laboratory of the US Army Corps of En-gineers (USACE) at Vicksburg (USA), where CE-QUAL was designed, and the Hydrological Simula-tion Program-Fortran (HSPF) was partially devel-oped, with USACE reservoirs as major targets ofmodeling efforts. In this sense, it could be said thatmodelers understand the importance of watershedinteractions in reservoir limnology better that many

28 CHAPTER 0. GENERAL INTRODUCTION

limnologists involved in empirical research. Thereare a huge number of approximations to watershedmodeling, although for water quality purposes dy-namical semidistributed applications are the usualchoice. HSPF (Bicknell et al. 2001), SWAT (Srini-vasan et al. 1993), INCA (Whitehead et al. 1998),and AGNPS (Young et al. 1995) are the favoritemodels if biogeochemical process must be repro-duced.

Finally, climate change concerns are a verygood framework to develop dynamic models to ex-plore both, implications for nutrient and other con-stituents fate in watersheds, and direct effects of cli-mate change on reservoirs. However, it is worthy tomention that empirical approximations exist that arevery useful tools for calculating export of materialsfrom watersheds and alternative climatic scenariosassessment (Alexander et al. 2002b). But these ap-proaches are only valid if results at annual or longertime steps suffice.

Apart from the model structure, underlying hy-pothesis, user-friendliness, and other considera-tions, what is relevant for modelers is what a modelmeans. A numerical model is just a mathemati-cal formulation feed with assumptions, inferences,and input data (auxiliary hypotheses in the wordsof Hempel and Oppenheim [1948]). Since natu-ral systems are open systems (in the sense appliedin logic reasoning), any modeling framework, de-spite its complexity, cannot demonstrate the truthof any proposition (Oreskes et al. 1994). More-over, more than one model construction can matchobservational data (the problem of non-uniqueness).Thus, a model fitting data is not a true model, is justa probable mathematical definition of the underly-ing process.

Since one of the major problems with complexmodels in the non-uniqueness, several methodolo-gies have been proposed to describe the degree ofthis problem for a given application, and to workagainst it. In the first case, the advances in Bayesianstatistics allow modelers to fit models in a proba-bilistic way, obtaining a distribution of parametersand model responses, rather than a unique param-eter set and model outcomes. In the second case,the usual strategy (apart from having the best model

as possible) is to use several kinds of data duringmodel calibration to avoid too much flexibility inparameter values. This dissertation will show exam-ples of these problems and intended solutions in thecontext of a watershed-scale biogeochemical model.

From the above statements, a conclusion arises:we cannot validate a model. This is a common mis-leading term used in modeling contexts, becauseit seems to imply that if we validate a model (i.e.the comparison of model outcomes against observa-tional data not used during calibration is positive),the model is a true representation of reality. Butif a good fit to calibration data does not define amodel as true, the same reasoning applies to vali-dation data. The validation step informs us aboutthe reliability of the model outcomes when com-pared with real data, but in any way confirms ortests the veracity of the model (Oreskes et al. 1994),and there is no real difference between the calibra-tion and validation step. Thus, the primary value ofmodels is heuristic: models are representations, use-ful for guiding further research but not susceptibleto proof. However, in many parts of this thesis weused the term validation in the sense that is suscep-tible to be published by most peer-review journals,i.e. as an independent test of the model.

Sau Reservoir-Ter Watershedsystem

Most data included in this dissertation come fromSau Reservoir (Spain) and its main tributary, theTer River. Ter River watershed (only the area up-stream the Sau Reservoir Dam will be considered inthis dissertation) is a 1380 km2 populated area (109people km-2), strongly influenced by human activ-ity. The Ter River rises at 2400 m.a.s.l. in the Pyre-nees, flowing 111 km to reach the Sau Dam (Fig-ure 1). It receives three main tributaries: FresserRiver in the headwaters, Gurri river in the agricul-tural and farming area around Vic, and Riera Majorin the reservoir basin. For a comprehensive descrip-tion of the Ter River basin see Sabater et al. (1995).

Watershed characteristics vary along the river.Headwaters flow over siliceous bedrock, through

29

Figure 1 – Main urban areas and rivers in the Terwatershed. Colors represent different land covers(White: crops; Green: conifer forest; Orange: decid-uous mixed forest; Violet: shurbs and alpine mead-ows; Grey: barren land)

alpine meadows, mountain shrubs, and conifer for-est communities. Although climate in the water-shed is temperate Mediterranean, here climate hasalpine influence, with annuals rains ranging from1000 to 1500 mm. Several towns not exceeding4000 inhabitants maintain a moderate industrial andfarming activity. From Ripoll (10 600 inhabitants)to Torello (12 300 inhabitants) most of the land isaccounted by mid-mountain conifer and deciduousforest communities, with an increasing industrialactivity. The substrate is mostly calcareous withgypsum entrainments. The area comprised betweenTorello and the reservoir upstream waters is a plainlocated at 500 m.a.s.l., where non-irrigated cropfields and urban settlements (100 000 inhabitants)dominate the landscape. Annual rainfall ranges be-

tween 700 and 800 mm. The industrial and farm-ing activity is very important (ca 1 million pigs).Most part of manures from livestock is used as fer-tilizer for the nearby crops. Finally, the area aroundthe reservoir is a mid-mountain terrain with a veg-etal mixture (evergreen, deciduous, conifers, shrub-land), and low human density.

The hydrology shows an irregular annual patterntypical from Mediterranean rivers modulated by theinfluence of the Pyrenees. The annual cycle has twoperiods of maximum water flow in May and Novem-ber, governed by snow melting and autumn rainfall,respectively (Armengol et al. 1991). The interan-nual variability is very conspicuous, following vari-ability in rainfall. Ter River long-term median flowat Sau Reservoir is 10 m3 s-1.

The Ter River water chemistry is the result of acomplex mosaic of land covers and human activi-ties (Sabater et al. 1990). Although human activitiesare spread throughout the basin (specially the ubiq-uitous small hydropower canalizations), the areaaround Vic accumulates the phosphorus sources. In-dustrial spills and wastewater treatment plant efflu-ents are numerous in this area. This should be addedto the phosphorus from manure application on thecrops, that amounts 200 kg P ha-1 yr-1. The mostimpaired reaches are the tributaries in the Vic area(Gurri, Ges, and Sorreig streams). But, despite TerRiver water dilutes loads from those streams, totalphosphorus concentration at the gauge station nearRoda de Ter frequently exceeds 0.20 mg L-1. Waterquality assessment studies and ecological researchon the Ter River and tributaries are found elsewhere(Sabater and Armengol 1986; Butturini and Sabater1988; Sabater 1988; Sabater et al. 1989; Sabater etal. 1990; Sabater et al. 1991; Sabater and Sabater1992; Sabater et al. 1992; Sabater et al. 1995; Es-padaler et al. 1997; Guasch and Sabater 1998; Ro-manı and Sabater 2000; Sabater et al. 2000; Ro-manı and Sabater 2001; Butturini and Sabater 2002;Navarro et al. 2002; Fernandez-Turiel et al. 2003;Martı et al. 2004; Prat et al. 2004; Cespedes et al.2006).

Sau Reservoir Dam was built in 1963 20 kmdownstream from Roda de Ter, defining a reser-voir with 165 hm3 of maximum capacity. Since

30 CHAPTER 0. GENERAL INTRODUCTION

then, Sau Reservoir water has held a variety of in-terests: hydroelectric power generation, agriculturalirrigation, domestic and industrial water supply tometropolitan areas, and recreational activities. Inthe meantime, the water body experienced a pro-cess of increasing eutrophication (Vidal and Om1993), fed by several human activities in the basin:intensive use of fertilizers, pig and stock farmingdevelopment, proliferation of industrial areas, andchanges in land use (Sabater et al. 1990; Sabater etal. 1991; Vidal and Om 1993; Sabater et al. 1995;Espadaler et al. 1997). The reservoir went frommoderately eutrophic during the 1970s, to severeeutrophication in the late 1980s. Wastewater treat-ment plants were built in main urban and industrialareas during the 1990s (Vidal and Om 1993), lead-ing to a moderate improvement of the water qualityof the reservoir.

Sau Reservoir has proven to be an excellentframework for ecological studies, including spatialheterogeneity of primary production and bacterialactivity (Sommaruga et al. 1995; Simek et al. 1998;Armengol et al. 1999; Simek et al. 2000; Com-erma et al. 2001; Simek et al. 2001; Gasol et al.2002; Comerma et al. 2003; Comerma et al. 2004;Nedoma et al. 2006), empirical studies of eutroph-ication processes (Vidal 1969; Armengol and Vi-dal 1988; Vidal and Om 1993), sediment diagene-sis (Armengol et al. 1986), physical modeling (Hanet al. 2000; Vidal et al. 2005; Rueda et al. 2006),ecological consequences of damming rivers (Puig etal. 1987), fish assemblages (Carol et al. 2006), andphysical-biological coupling (Marce et al. 2007).The reservoir was also included in the two regionalstudies of reservoir limnology conducted in Spain(Margalef et al. 1976; Riera 1993).

Objectives of this study

The basic antecedent of this work is the eutroph-ication process in Sau Reservoir. The water sup-ply company Aigues Ter Llobregat (ATLL) startedthe Sau Reservoir limnological program since it wasfirst filled in 1963, gathering data that allowed sev-eral assessments of the trophic state of the reser-

voir. The most complete is the Vidal and Om (1993)study, which covers 20 years of data until the begin-ning of the 1990s. In this work they demonstratedthat the areal chlorophyll content in the reservoir(measured as annual means) is directly related tothe areal phosphorus load and the degree of strati-fication during summer months (p-value = 0.0004,R2=0.89):

Chlorophyll-a (mg m2) = 27.8×LSRP

+35507.8×SMET S−46.6(1)

where LSRP is the areal normalized soluble reactivephosphorus load (g P m-2), and SMET S the summermaximum epilimnetic thermal stability (g m3). Thisfinding is just the application of the Dillon’s (1975)model developed for lakes.

Later, wastewater treatment plants were built inmain urban and industrial areas during the 1990s,and the expectation was that the reduction in nutri-ent loads would decrease eutrophy in the reservoir.However, although nutrient loads actually moder-ated, this only led to slight improvements in waterquality, mainly changes in the composition of phy-toplankton community. In addition, research in thereservoir has stressed the role of the microbial loopin the epilimnion (Comerma 2003), and the princi-pal role of P limitation and of hydrolytic enzymesduring nutrient uptake for primary production (Ne-doma et al. 2006). Also, the possibility of havinginternal load of phosphorus has not been adequatelyassessed. All these findings suggest that we needmore than nutrient input to understand the trophicdynamics of the reservoir.

MAIN OBJECTIVE 1. In this dissertation wewant to explore the trophic dynamics of the reser-voir from an original point of view (i.e. avoiding be-ing much influenced by lake-based research). Sinceit is obvious that reduction in phosphorus load didnot achieve the expected results concerning trophicstate, we explored the role of other compounds inthe development of anoxia in the bottom layers,which is a common feature of eutrophic water bod-

31

ies. This objective will define the first part of thethesis, developed in three chapters.

Chapter 1. Since the external load is a keyfactor for empirical models of lake and reservoireutrophication, we review here the common ap-proaches to calculate nutrient loads, and propose anew method especially suited to deal with water-sheds under time-varying human impact.

Chapter 2. In this chapter we explore the drivingfactors of anoxia and phosphorus internal loading inthe reservoir.

Chapter 3. Considering results in Chapter 2, wepropose a new paradigm for the development ofanoxia in reservoirs, using data from Sau Reservoirand other systems in the world.

Due to the fact that Sau Reservoir is a system in-volved in drinking water supply, and because wewere a priori convinced that the watershed has aparamount influence on reservoir limnology at ev-ery time and spatial scale, our second aim was tobuilt a watershed scale model including water andnutrients fate. This will permit future assessmentof the effects of alternative watershed managementscenarios on the trophic state of the reservoir, thestudy and prediction of ecological effects of short-term river pulses on the reservoir, and the study ofthe reservoir response to climate change. Of course,these endeavors ask for a dynamical reservoir modellinked to the watershed model, purpose that is be-yond the scope of this dissertation. Thus, theseare future research plans and will not be developedwithin the thesis.

MAIN OBJECTIVE 2. We want to built a wa-tershed model for the Ter River basin upstream SauReservoir, including hydrology, river water temper-ature, and total phosphorus river concentration asa first step to a complete biogeochemical model.However, we want to go beyond the simple exerciseof building an ad hoc application exploring both, the

performance of new model fitting strategies to dealwith complex problems, and the capacity of modelsto work as heuristic platforms for hypotheses com-parison. This objective will define the second partof the thesis, also developed in three chapters.

Chapter 4. This chapter shows the developmentof the hydrological model, testing the performanceof multiobjective fitting procedures in a complexmodeling scenario.

Chapter 5. River temperature model develop-ment. This section uses modelization as a plat-form for alternative hypotheses comparison, and ex-plores the performance of Bayesian-based fitting al-gorithms.

Chapter 6. Finally, we define a total phosphorusmodel for the river, and compare model formula-tions with information coming from empirical basedresearch.

Remarks on data acquisitionand thesis structure

Most part of data included in this study comesfrom the Sau Reservoir water quality monitoringprogram. The water supply company Aigues TerLlobregat (ATLL) has funded the Sau Reservoirlong-term limnological program since it was firstfilled in 1963. Since 1994 this program is due inagreement with the research team lead by Joan Ar-mengol at the Department of Ecology of the Uni-versity of Barcelona. Some data included in thisdissertation were collected during fieldwork that ob-viously cannot be attributed to the author. The au-thor has collected data in Sau Reservoir and TerRiver from 2001 to the present. Previous informa-tion comes mainly from the outstanding effort byAntoni Vidal (ATLL), who led the reservoir charac-terization from 1963 to 1994, and from fieldtrips byMarta Comerma and Juan Carlos Garcıa. The au-thor also collected the most recent data from FoixReservoir included in this study, but previous data

32 CHAPTER 0. GENERAL INTRODUCTION

come from fieldwork by Marta Comerma, Juan Car-los Garcıa, Joan Goma, and David Balayla.

An appreciable amount of data included in thisdissertation were not collected by the author, butobtained from on-line, free-access computerizeddatabases, or from public depositories, mainly theAgencia Catalana de l’Aigua and the Servei Mete-orologic de Catalunya. The Material and Methodssection inside each chapter gave detailed commentson relevant data acquisition.

We warn readers that this dissertation is struc-tured in independent chapters. Only bibliographi-cal references and appendixes were placed in com-mon sections at the end of the document. Thus,the reader may feel a sense of annoyance becausea few methodological and introductory remarks areredundant. We sincerely apologize for this incon-venience. Chapter 1 (including Appendixes A andB) is a slightly modified version of a paper alreadypublished in Limnology and Oceanography: Meth-ods (Marce et al. 2004). The rest of the chapters arein review in different peer-reviewed journals.