1.2. LIMNOLOGIA EM ECOSSISTEMAS AQUÁTICOS LÊNTICOS
1.2.2. Características e processos físicos dominantes
As dimensões físicas de um lago natural ou artificial interagem fortemente com os fatores meteorológicos para determinar a natureza do lago como um ambiente e, em consequência, a de seus habitantes. Entre as principais características morfométricas de interesse encontram-se:
profundidade, comprimento, largura, área de superfície líquida, área de drenagem, volume e comprimento das margens, parâmetros estes que são utilizados para prever o comportamento hidrológico do manancial. Resultados obtidos em batimetria (curvas cota-área e cota-volume) sintetizam essas informações (Nogueira, 1991).
Outra característica de fundamental importância para a determinação da qualidade das águas é o Tempo de Residência (Tr) ou Tempo de Detenção Hidráulica, que indica o intervalo de tempo em que uma determinada massa de água permanece no lago ou reservatório desde a sua chegada até a saída. O tempo de residência relaciona o volume do lago (V) à vazão afluente (Qa), pela expressão (1):
Qa
Tr= V (1)
Conforme Nogueira (1991), esta equação representa uma condição teórica média, visto que as atividades químicas e biológicas dependem do tempo de residência efetivo, que é variável e subordinado às condições reais das descargas de entrada e saída dos reservatórios. O tempo de residência pode estar subordinado às regras de operação da barragem, afetando diretamente os seguintes processos: a) reciclagem e acúmulo de nutrientes no sedimento e na água; b) crescimento do fitoplâncton, que requer 2 a 3 semanas; c) crescimento e desenvolvimento de macrófitas aquáticas; d) concentração e acúmulo de elementos químicos dissolvidos; e) o estado trófico do reservatório.
A estratificação térmica em lagos e reservatórios é resultado do balanço de calor entre a água armazenada e as contribuições externas, incluindo radiação solar, troca indutiva de calor entre a atmosfera e a água, e o calor dos tributários. A perda de calor pode ser por emissão de radiação da superfície do lago de volta para a atmosfera, por evaporação, condução ou através das vazões efluentes. Como os processos de aquecimento e resfriamento ocorrem em uma camada superficial relativamente fina, se não houver mistura vertical para destruir o gradiente de calor, ocorrerá estratificação térmica. Outros fatores que influenciam diretamente a natureza da estratificação térmica e de densidade são o vento e a precipitação (Nogueira, 1991).
Von Sperling (1996) demonstra que o perfil vertical de temperaturas varia com as estações do ano, fazendo com que existam camadas distintas dentro do corpo de água (Figura 2).
Figura 2: Perfis de lagos em condições de estratificação e de inversão térmica.
(Fonte: Von Sperling, 1996).
Durante o verão e os meses mais quentes, a temperatura da camada superficial é bem mais alta que a temperatura do fundo, com isto a densidade da água superficial torna-se inferior à da camada do fundo e a estratificação química também pode ser observada em parâmetros como oxigênio dissolvido (OD). As camadas que se diferenciam são assim denominadas:
¾ epilímnio – camada superior, mais quente, menos densa, com maior circulação;
¾ termoclina – camada de transição;
¾ hipolímnio – camada inferior, mais fria e mais densa, com maior estagnação.
Entre o epilímnio e o hipolímnio, se estabelece uma camada caracterizada por uma forte descontinuidade térmica designada por metalímnio, onde se localiza a termoclina, ou plano de taxa máxima de descida da temperatura em relação à profundidade (Wetzel, 1993).
Como resultado da estratificação térmica e de densidade da água, ocorre estratificação de outros parâmetros, como OD, condutividade elétrica (CE), etc. Sendo assim, a variação de temperatura afeta não somente a densidade da água, mas também a capacidade de mistura do corpo de água como um todo.
As interações entre os processos físicos e hidrodinâmicos determinam como as substâncias serão transportadas e distribuídas dentro do corpo de água, e as características hidrodinâmicas podem ser decisivas para a resposta ecológica do sistema. As maiores trocas no ciclo do fósforo, por exemplo, ocorrem tanto quando o hipolímnio do reservatório fica anóxico quanto no momento em que o oxigênio atinge os sedimentos. A presença de OD pode ser decisiva para a precipitação de P nos sedimentos, podendo se tornar um fator preponderante para o nível de fertilização das águas em reservatórios.
1.2.2.1. Estimativas de circulação da água
As condições climáticas, juntamente com as características físicas dos reservatórios, são importantes parâmetros a serem considerados no que diz respeito ao seu comportamento limnológico. Em latitudes subtropicais, os ventos são normalmente fortes, possibilitando a mistura completa nos reservatórios rasos ou a mistura do epilímnio naqueles de maior profundidade, contrastando com uma camada inferior relativamente mais calma. Nos reservatórios onde a estratificação não se estabelece ou em locais em que ocorre a entrada de
frentes frias, típicas do clima subtropical, a principal forçante meteorológica para a circulação da água é a tensão do vento junto à superfície.
Nestas regiões, especialmente à noite, a superfície da água esfria, originando a movimentação de pequenas parcelas de água por convecção, que terminam por misturar a superfície da água como um todo. Com as temperaturas baixas, é menor a tendência de estratificação ao longo do ano, mas nos meses que se sucedem entre a primavera e o outono (com o clímax no verão), a estratificação geralmente acontece.
Nas regiões de clima tropical, por outro lado, é comum ocorrer estratificação por longos períodos de tempo, podendo até chegar a permanecer constante. Em decorrência da temperatura, as taxas de decomposição em reservatórios tropicais são de 4 a 9 vezes maiores do que a 5º C. A combinação de fatores como permanência da estratificação e elevadas taxas de decomposição dão origem a condições anaeróbias em quase todos os hipolímnios tropicais, fato que, isoladamente, não deve ser tomado como indicativo de eutrofização (Nogueira, 1991), mas confere características particulares quanto à circulação da água e dos componentes químicos.
A descrição quantitativa do regime hidrodinâmico em um determinado tempo constitui um instrumento de aproximação do regime dinâmico e serve para colocar os dados limnológicos em um contexto físico apropriado. Os processos de mistura e transporte dentro de um corpo hídrico determinam a resposta ecológica do sistema às forçantes meteorológicas e aos fluxos de entrada e saída.
A ocorrência de circulação da água hipolimnética e o conseqüente transporte de substâncias do hipolímnio para as camadas superiores pode ser testada através de números adimensionais que caracterizam feições do regime hidrodinâmico. Entre essas metodologias, algumas se destacam pela simplicidade de cálculo e restrita necessidade de obtenção de dados, entre as quais Número de Burger, Número de Wedderburn e Número de Lago, onde os dados de batimetria e temperatura da água em perfil vertical são suficientes para sua aplicação. A seguir, uma breve exposição destes parâmetros é apresentada.
N° de Burger (Si)
Em lagos grandes a rotação da Terra é um parâmetro que pode influenciar o movimento do lago. Cada partícula viaja numa trajetória que acompanha a rotação da Terra direcionada ou induzida pela força de Coriolis. O Número de Burger corresponde à razão entre o tempo de percurso de uma onda interna (L/ci) e o tempo de rotação sobre o eixo (f). Este número
de percurso de ondas internas, tamanho e latitude do lago (Antenucci & Imberger, 2001).
(2) Onde: Si - Número de Burger; ci - velocidade da fase da onda; L - largura na altura da termoclina;
f - freqüência inercial na latitude do lago (constante).
H h h ci g' 1 2
= (3)
Onde: g’ - gravidade reduzida; h1, h2 - profundidade das camadas superior e inferior, supondo estratificação em duas camadas; H - profundidade total (m).
g
g ⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
=
1 1
' 2
ρ ρ
ρ (4)
Onde: ρ1, ρ2 - densidade média da água nas camadas superior e inferior; g - aceleração da gravidade.
Quando Si < 1, a rotação afeta a dinâmica e as ondas internas têm características de oscilações inerciais com a maior parte da energia das ondas dada pela energia cinética. Quando Si
> 1, as oscilações internas possuem características de seiches gravitacionais.
Número de Wedderburn
Quando o vento sopra sobre a superfície da água de um lago, as águas se movem, num primeiro momento, na mesma direção, resultando em afloramento da termoclina na mesma direção e afundamento na direção oposta ao vento. Quando cessa o vento, o volume de água é arrastado no sentido contrário, causando afundamento da termoclina a favor do vento. O número de Wedderburn (Thompson & Imberger, 1980) representa a força restauradora da baroclina
f L
ci
= ⋅ Si
(gradiente de pressão) em relação ao distúrbio induzido pelo vento ou, a resposta da coluna de água estratificada à velocidade friccional induzida pelo vento.
Onde: W – Número de Wedderburn; g.δ’ = (δρ/ρ)g. δρ - é a densidade diferencial através da termoclina superficial diurna em h (profundidade da termoclina diurna); LL - largura do lago, u* - velocidade friccional do vento junto à superfície.
Quando W < 1: ocorre afloramento da termoclina; W > 1: Não ocorre afloramento.
2 1 2
*
⎟⎟ ⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ ⋅ ⋅
= C u
u
ar Dρ ρ
Onde: ρar, ρ - densidade média do ar e da água; CD – coeficiente de resistência (constante); u - velocidade do vento.
Outra interpretação para o Número de Wedderburn é de que representa a razão do momento de restauração do centro volumétrico do lago sobre o momento do distúrbio, para estratificação em duas camadas. Se o vento é tal que W < 1, então a termoclina pode subir e a água do metalímnio pode ser trazida para a superfície (Thompson & Imberger, 1980).
As águas metalimnéticas podem ser muito ricas em nutrientes, pois no metalímnio é comum o desenvolvimento do chamado “prato nítrico” devido à nitrificação ou desnitrificação das populações bacterianas metabolicamente ativas existentes nessa parte do lago (Jorgensen &
Vollenweider, 2000).
Número de Lago
Se o momentum dado pelo vento é grande suficiente, a água hipolimnética pode aflorar na direção contrária a do vento. Este comportamento é válido apenas em lagos grandes, onde os efeitos da rotação da Terra são importantes. Imberger & Patterson (1990) estenderam as idéias do
(5)
(6) L
u h ' g
2
* 2
⋅
⋅
= ⋅δ W
e batimetria irregular, estendendo sua aplicação na previsão do afloramento da água hipolimnética.
Onde: LN – Número de Lago; St – parâmetro de estabilidade; H – profundidade total; hT – altura do fundo do lago até a termoclina; hv – altura do centro volumétrico do lago; As – área superficial; u* - velocidade friccional induzida pelo vento.
∫
−=
H v
t g h z z A z dz
S
0
) ( ) ( )
1 ( ρ
ρ
Onde: St - parâmetro de estabilidade; ρ - densidade média da água; g - aceleração da gravidade;
hv - altura do centro volumétrico; z - altura da camada; ρ(z) - densidade da água na camada; A(z) – área da camada.
( ) ( )
z dz Adz z h HzA
H v
0 0
∫
= ∫ (9)
Onde: hv - altura do centro volumétrico; z - altura da camada; A(z) – área da camada; dz – variação de altura da camada.
Quando LN > 1, não há afloramento da água hipolimnética; quando LN < 1, a água fria e profunda rica em nutrientes pode alcançar a superfície durante episódios de vento. Robertson &
Imberger (1994) encontraram boa correlação entre o regime do lago (expresso pelo LN) e a resposta química do lago à forçante meteorológica, mostrando que o vento pode induzir oscilações verticais significativas.
De forma análoga às metodologias estabelecidas no campo da hidráulica, são números adimensionais de primeira ordem, que podem particionar e classificar o regime hidrodinâmico dos ecossistemas lênticos. Sua aplicação é mais indicada em lagos grandes (Imberger, 2001), porém a falta de metodologias estabelecidas especificamente para os reservatórios de menor tamanho justifica sua aplicação com ressalva.
(7)
(8)
2
* v 3/2
s
T t
u ) h -(H A
) h -(H S
⋅
⋅
= ⋅ LN