Experimental application of the concept of Total Maximum Daily Load in the watershed planning under the Water Framework Directive

Abstract

The Water Framework Directive 2000/60/CE (WFD) was enacted in order to maintain and improve the aquatic environment of the Union. The protection of waters, in terms of quality and quantity, is one of the key aspects of the Directive, which requires the achievement of “good ecological status” for all water bodies by 2015. In many European countries the process of implementation of the WFD has required important changes in the development of the water management plans. The River Basin Management Plan was indicated as the process to adopt for investigates the current status of the water bodies and define the “Programme of Measures” that permit to reach the objective of “good ecological status”. This dissertation can be part of the definition process of a “Programme of Measures” for impaired waters through the application of a scientifically based method in order to define the “objective” to achieve, identify the measures to be taken and then evaluate their effectiveness. The method applied fulfills the requirement of the WFD within the directive to manage both types, punctual and diffuse, of pollution sources causing the deterioration of the ecological status of all European water bodies. The management of punctual and diffuse sources requires to establish a link between input loads and the water quality standards of the receiving water bodies. In this dissertation, the use of the concept of the “Total Maximum Daily Load” (TMDL) was applied for an Italian river. The TMDL is an instrument required in the Clean Water Act in U.S.A for the management of water bodies classified impaired. The TMDL calculates the maximum amount of a pollutant that a waterbody can receive and still safely meet water quality standards. It permits to establish a scientifically-based strategy on the regulation of the emission loads control according to the characteristic of the watershed/basin. The implementation of the TMDL is a process analogous to the Programmes of Measures required by the WFD, the main difference is the analysis of the linkage between loads of different sources and the water quality of water bodies. The TMDL calculation was used in this study for the Candelaro River, an intermittent Italian river, classified impaired in the first steps of the implementation of the WFD. The “Load Duration Curves” methodology was adopted for the calculation of nutrient TMDLs due to the more robust approach than the expression based on average long term flow conditions. This methodology permits to establish the maximum allowable loads across to the different flow conditions of a river. This methodology allowed: to evaluate the allowable loading of a water body; to identify the sources and estimate their loads; to estimate the total loading that the water bodies can receives meeting the water quality standards established; to link the effects of point and diffuse sources on the water quality status and finally to individuate the reduction necessary for each type of sources. The loads reductions were calculated for total nitrogen, total phosphorus and ammonia. The measures simulated gave results that show a remarkable ability to reduce the pollutants, for the Candelaro River. This reduction, anyway, is not enough to achieve the objective of water suitable for fish life. The use of a mathematical model on a watershed scale, the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), was applied in order to obtain a daily flow dataset of the Candelaro River and a daily water quality for a longer period than the measured data. The use of the model permitted to obtain a robust assessment of the present and future water quality status overcoming the lack of measured data. The results highlighted the critical condition of water quality particularly during the dry periods and the necessity to adopt specific measures for each flow conditions, not related to the seasonality, to restore the water surface quality status of the Candelaro River.

La Direttiva Quadro Europea sulle Acque (2000/60/CE) (Water Framework Directive - WFD) è emanata allo scopo di mantenere e migliorare l’ambiente acquatico del territorio dell’Unione. La protezione delle acque, dal punto di vista qualitativo e quantitativo, riveste uno degli aspetti basilari della Direttiva, che richiede il raggiungimento di un buono stato ecologico di tutti i corpi idrici Europei entro il 2015. Per molti Stati Europei il processo di implementazione della WFD ha richiesto l’attuazione di sostanziali modifiche nella predisposizione dei Piani di Gestione delle Acque. Il Piano di Gestione del Bacino Idrografico è indicato come lo strumento da adottare nel processo di pianificazione, in esso è riportata la valutazione dello stato attuale delle acque ed è definito un “Programma di Misure” che permetterà di raggiungere l’obiettivo di “buono stato ecologico”. Questo studio s’inserisce nell’ambito della definizione di un “Programma di Misure”, per un bacino italiano, attraverso l’applicazione di un metodo scientifico che stabilisce gli obiettivi da raggiungere, individua le misure da adottare e ne valuta l’efficacia. Il metodo sperimentato risponde al principio guida della WFD nell’ambito della gestione integrale delle fonti inquinanti che determinano il deterioramento dello stato ecologico dei corpi idrici dell’Unione. Introducendo la necessità di gestire anche le fonti diffuse, non più solo quelle puntuali, in ciascun bacino idrografico degli Stati membri diviene importante mettere in relazione i carichi derivanti da ciascuna fonte e gli standard di qualità definiti per il corpo idrico recettore. In questo studio è stato valutato l’utilizzo del concetto di “Total Maximum Daily Load” (TMDL), ovvero carico massimo totale giornaliero, uno strumento richiesto dal Clean Water Act, negli U.S.A, per la gestione dei corpi idrici inquinati. Il concetto base del TMDL è di valutare i carichi totali derivanti, sia dalle fonti diffuse sia da quelli puntuali, che un corpo idrico può ricevere pur mantenendo gli standard di qualità per esso stabiliti. Tale metodo permette di definire una strategia, scientificamente basata, per il controllo delle emissioni dei carichi, in relazione alle caratteristiche del bacino. Il processo di implementazione del TMDL è analogo a quello del Programma di Misure richiesto dalla WFD, la sostanziale differenza si riscontra nel processo di analisi che mette in relazione i carichi derivanti dalle diverse fonti inquinanti e la qualità dei corpi idrici. In questo studio è stato utilizzato il calcolo del TMDL per il Candelaro, un fiume intermittente Italiano, classificato altamente inquinato durante i primi processi di attuazione della WFD. Per il calcolo del TMDL di nutrienti è stata adottata la metodologia della “Curva di Carico” che permette di definire un carico massimo accettabile in relazione alle diverse condizioni di portata di un fiume, un fattore di particole rilievo nel caso di fiumi intermittenti che mostrano notevoli variazioni di portata durante l’anno. L’utilizzo della metodologia del TMDL ha consentito di: di identificare le fonti inquinanti e stimare i carichi da esse derivanti; di valutare il carico totale inquinante ammissibile che il corpo idrico può ricevere in base alla destinazione finale assegnata; di individuare quali sono gli effetti che ciascun tipo di fonte ha sulla qualità del corpo idrico e infine di individuare e calcolare le riduzioni necessarie per ciascun tipo di fonte inquinante al fine di raggiungere l’obiettivo stabilito. I risultati hanno mostrato una notevole capacità di riduzione degli inquinanti ma l’inefficacia a raggiungere uno stato delle acque idonee alla vita dei pesci. Un modello matematico a scala di bacino, Soil and Water Assessment Tool (SWAT), è stato utilizzato per ottenere una serie di dati giornalieri di portata e di qualità delle acque per un periodo più lungo di quello dei dati misurati disponibili. L’utilizzo del modello ha permesso di effettuare una valutazione più rappresentativa dello stato attuale e futuro del corpo idrico caratterizzato da una assenza o scarsità di dati misurati. I risultati hanno rilevato le condizioni critiche dello stato qualitativo delle acque particolarmente durante i periodi secchi e la necessità di adottare misure diverse in relazioni alle condizioni di portata e non di stagionalità per migliorare lo stato qualitativo delle acque del Candelaro.