PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA SANITÁRIA
A INFLUÊNCIA DA POLUIÇÃO DIFUSA E DO REGIME
HIDROLÓGICO PECULIAR DO SEMIÁRIDO NA QUALIDADE DA
ÁGUA DE UM RESERVATÓRIO TROPICAL
JOSÉ NEUCIANO PINHEIRO DE
OLIVEIRA
JOSÉ NEUCIANO PINHEIRO DE OLIVEIRA
A INFLUÊNCIA DA POLUIÇÃO DIFUSA E DO REGIME
HIDROLÓGICO PECULIAR DO SEMIÁRIDO NA QUALIDADE DA
ÁGUA DE UM RESERVATÓRIO TROPICAL
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Sanitária, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Sanitária.
Orientador: Prof. Dr. Arthur Mattos Co-Orientadora: Prof. Dra. Vanessa Becker
NATAL - RN
2012
A INFLUÊNCIA DA POLUIÇÃO DIFUSA E DO REGIME
HIDROLÓGICO PECULIAR DO SEMIÁRIDO NA QUALIDADE DA
ÁGUA DE UM RESERVATÓRIO TROPICAL
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Sanitária, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Sanitária.
BANCA EXAMINADORA
O48i Oliveira, José Neuciano Pinheiro de.
A influência da poluição difusa e do regime hidrológico peculiar do semiárido na qualidade da água de um reservatório tropical / José Neuciano Pinheiro de Oliveira. – Natal: UFRN, 2012.
99 f.: il.
Orientador: Arthur Mattos
Dissertação (Mestrado em Engenharia Sanitária) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Sanitária.
1. Poluição difusa - Dissertação. 2. Regime hidrológico - Dissertação. 3. Semiárido - Dissertação. 4. Eutrofização - Dissertação. I. Mattos, Arthur. II. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título.
Aos meus pais, Francisco Gonçalves de Oliveira e Emília Maria Pinheiro de Oliveira,
que sempre batalharam para me proporcionar uma educação de qualidade e por
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus e a Nossa Senhora das Graças, por ter me dado saúde, coragem e sabedoria durante todo o estudo e pelas oportunidades concedidas e graças alcançadas.
A CAPES pela concessão de bolsa de mestrado.
A FINEP pelo financiamento da pesquisa através do projeto Monitoramento da Evaporação e Mudanças Climáticas no Rio Grande do Norte (MEVEMUC).
Aos meus orientadores, Professor Dr. Arthur Mattos, Professora Dra. Vanessa Becker e Professora Dra. Karina Patrícia Vieira da Cunha, pela orientação neste trabalho. Agradeço pela oportunidade e confiança depositada em meu trabalho, pela força, contribuição e motivação, principalmente nesta reta final que foi muito difícil, porém facilitada pelas suas palavras de incentivo e apoio. O aprendizado que tive com vocês levarei para o resto da minha vida.
Aos professores, Dr. Eduardo von Sperling e Dr. José Etham, pelas valorosas contribuições na minha banca de defesa.
Ao LARHISA/UFRN – Laboratório de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental e a Universidade Federal do Rio Grande do Norte, pelo espaço concedido e essencial para realização desta pesquisa.
A todos os professores do Programa de Pós-graduação em Engenharia Sanitária da UFRN, que colaboraram para minha formação.
A secretária do PPgES, Leonor Barbosa e suas auxiliares Lucymara e Carina, a secretária do LARHISA, Dacifran e aos técnicos de laboratório Nilton, Aline e Sandro por todo suporte e ajuda durante todo período de mestrado.
Aos professores Dr. José Luiz de Attayde e Dr. André Callado, pelas contribuições na minha banca de qualificação.
Agradeço a Anselmo, Paola, Chagas de Cristo e ao Sr. Oliveira das Secretarias de Meio Ambiente e Infraestrutura do município de Currais Novos/RN pelo apoio fundamental nas atividades de campo e pelo fornecimento de dados de grande valia para esta pesquisa.
Aos funcionários da SEMARH, CAERN e EMPARN pelo fornecimento de dados fundamentais para a realização deste estudo.
Ao grande motorista Sr. Assis (coleguinha), competente e sempre disposto a ajudar nas coletas, com um humor excepcional e compreensível aos constantes problemas inerentes as longas e cansativas viagens.
Aos meus colegas da turma de mestrado de 2010, Adriano, Larisse, David, Pedro, Rafael e Raquel pela grande amizade e pelos momentos de descontração e lazer juntos.
Aos meus colegas do PPgES, Raniere, Dayana, Selma Thaís, Alex, Hélio, Moisés, Herisson e Rafael pela amizade e pelas valorosas contribuições na realização desta pesquisa.
Aos meus colegas do projeto MEVEMUC, Anderson, Iagê, Beto, Anysio, Eduardo, Leandro, Rodrigo, Jurandir, Laíssa, Maricota, Kátia, Luciana, Érika, Thársia e Ângela pela ajuda nas coletas, na organização dos dados e nas análises de laboratório. Com vocês o exaustivo trabalho de campo se tornou muito mais divertido e descontraído. São momentos inesquecíveis que vou levar para o resto da vida.
Aos meus pais, Francisco Gonçalves de Oliveira (Seu Chico Isabel) e Emília Maria Pinheiro de Oliveira (Dona Zanira), aos meus irmãos Neiliane Pinheiro de Oliveira e Francisco Neudiano Pinheiro de Oliveira e a toda minha família que, apesar da distância, sempre me deram apoio, confiança e palavras de conforto nos momentos difíceis. Tenho muito orgulho de ser o primeiro mestre dessa família tão carismática e batalhadora.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ... ix
LISTA DE TABELAS ... xi
RESUMO... xii
ABSTRACT ... xiii
APRESENTAÇÃO ... xiv
1. INTRODUÇÃO ... 1
1.1. Reservatórios ... 1
1.2. Regime hidrológico de regiões semiáridas ... 2
1.3. Eutrofização ... 3
1.4. Balanço de massa de nutrientes em reservatórios ... 5
1.5. Poluição difusa de ecossistemas aquáticos ... 6
2. HIPÓTESES ... 7
2.1. Hipótese geral ... 7
2.2. Hipóteses específicas ... 7
3. OBJETIVO GERAL ... 8
3.1. Objetivos específicos... 8
4. ÁREA DE ESTUDO ... 8
CAPÍTULO 1 - Eutrofização e balanço de massa de fósforo em um reservatório tropical ... 11
RESUMO... 11
ABSTRACT ... 12
INTRODUÇÃO ... 13
MATERIAL E MÉTODOS ... 14
RESULTADOS ... 23
DISCUSSÃO ... 28
CONCLUSÕES ... 32
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 33
RESUMO... 37
ABSTRACT ... 38
INTRODUÇÃO ... 39
MATERIAL E MÉTODOS ... 40
RESULTADOS ... 44
DISCUSSÃO ... 54
CONCLUSÕES ... 59
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 59
CAPÍTULO 3 - Qualidade de solos sob diferentes usos e seu potencial em disponibilizar poluentes para um reservatório localizado em região semiárida...63
RESUMO... 63
ABSTRACT ... 64
INTRODUÇÃO ... 65
MATERIAL E MÉTODOS ... 66
RESULTADOS ... 73
DISCUSSÃO ... 78
CONCLUSÕES ... 86
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 87
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 92
6. CONCLUSÕES ... 94
LISTA DE FIGURAS
Figura 15: Variação temporal dos valores médios de clorofila-a e do volume do reservatório Dourado, Currais Novos/RN, durante o período compreendido entre maio de 2011 e março de 2012... 51 Figura 16: Análise de Componentes Principais (ACP) de variáveis limnológicas, meteorológicas e morfométricas no reservatório Dourado, Currais Novos/RN, durante o período compreendido entre maio de 2011 e março de 2012. Unidades amostrais: local de coleta (1 = próximo a barragem; 2 = região central; 3 e 4 próximo a desembocadura dos principais rios); meses amostrados (Mai = Maio; Jn = Junho; Jl = Julho; Ag = Agosto; Se = Setembro; Ou = Outubro; Nv = Novembro; Dz = Dezembro; Ja = Janeiro; Fe = Fevereiro; Ma = Março); T = temperatura da água; Cond = Condutividade elétrica da água; %OD= % oxigênio dissolvido; SSF = Sólidos suspensos fixos; SSV = Sólidos suspensos voláteis; Turb = Turbidez; PT = fósforo total; FSR = fósforo solúvel reativo; NO3 = Nitrato; NH3 = Amônia; Cla = Clorofila-a;
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Balanço de entrada e saída de água no reservatório Dourado, Currais Novos/RN, durante o período de maio de 2011 à março de 2012...24 Tabela 2: Volume médio de água (V), área superficial média (A), profundidade média (Z), vazão mensal de saída (Q) e tempo de residência da água (Tw) do reservatório Dourado, Currais Novos/RN, durante o período de maio de 2011 a março de 2012. (Fonte: SEMARH – Dados não publicados)...25 Tabela 3: Volumes afluentes, concentrações médias de fósforo total e cargas totais de fósforo que entraram no reservatório Dourado, Currais Novos/RN, a partir dos rios e da precipitação durante o período compreendido entre maio de 2011 e março de 2012...25 Tabela 4: Volumes efluentes, concentrações médias de fósforo total e cargas totais de fósforo que saíram do reservatório Dourado, Currais Novos/RN, devido ao vertimento, abastecimento e irrigação no período compreendido entre maio de 2011 e março de 2012. ...26 Tabela 5: Valores dos parâmetros carga de fósforo por unidade de área do reservatório (L(P)), tempo de residência da água (Tw) e profundidade média (Zmed) encontrados para o reservatório Dourado, Currais Novos/RN, durante o período compreendido entre maio de 2011 e março de 2012...26 Tabela 6: Estatísticas descritivas (mínima, máxima, média e desvio padrão) das variáveis limnológicas monitoradas no reservatório Dourado, Currais Novos/RN, durante os períodos seco e chuvoso...46 Tabela 7: Atributos físicos do solo na camada de profundidade 0-20 em ambientes sob diferentes usos do solo na zona ripária do reservatório Dourado, Currais Novos/RN...73 Tabela 8: Atributos químicos do solo em ambientes sob diferentes tipos de uso do solo na zona ripária do reservatório Dourado, Currais Novos/RN...74 Tabela 9: Atributos químicos do solo nas profundidades de amostragem 0-20 cm e 20-40 cm em ambientes sob diferentes tipos de uso do solo na zona ripária do reservatório Dourado, Currais Novos/RN...75 Tabela 10: Estimativas de perdas de solo (t.ha-1.ano-1) e de fósforo disponível (kg. ha-1.ano-1) do solo em ambientes diferenciados quanto ao uso na zona ripária do
RESUMO
Oliveira, J.N.P. A influência da poluição difusa e do regime hidrológico peculiar do semiárido na qualidade da água de um reservatório tropical. Natal: Universidade Federal do Rio Grande do Norte. 2012. 99 pp. Dissertação de Mestrado.
Na região semiárida do nordeste do Brasil a maioria dos reservatórios utilizados para abastecimento público vem sofrendo degradação da qualidade da água, influenciados pela poluição difusa de áreas agrícolas e de pecuária da bacia de drenagem e pelo regime hidrológico peculiar da região, caracterizado por um período de chuva com maiores volumes armazenados nos reservatórios e um período de seca com redução do nível da água devido à intensa evaporação e aumento do processo de eutrofização. O reservatório Dourado, localizado no município de Currais Novos, região semiárida do estado do Rio Grande do Norte é um exemplo de manancial de abastecimento que pode apresentar degradação da qualidade da água e inviabilização do seu uso, devido ao elevado aporte externo de nutrientes a partir de fontes não-pontuais da bacia de drenagem durante o período chuvoso e aumento do processo de eutrofização devido a diminuição do volume armazenado durante o período de seca. Este trabalho teve como objetivo investigar e quantificar a poluição difusa e o regime hidrológico da região semiárida a fim de estabelecer padrões referentes à qualidade da água do reservatório Dourado. O período de estudo foi compreendido entre os meses de maio de 2011 a março de 2012. A polução difusa foi quantificada tanto em relação à bacia de drenagem, a partir do balanço de massa de fósforo no reservatório, como em relação a áreas sob diferentes tipos de uso do solo na zona ripária do reservatório a partir da avaliação dos atributos químicos do solo e das perdas de fósforo em cada área. A influência do regime hidrológico na qualidade da água do reservatório foi avaliada a partir do monitoramento mensal das variáveis morfométricas, meteorológicas e limnológicas do reservatório ao longo do período de estudo. Os resultados mostraram que o reservatório recebeu uma elevada carga de fósforo advinda da bacia de drenagem e se apresentou como um sistema capaz de reter parte desta carga afluente, conferindo uma tendência ao aumento do processo de eutrofização. A poluição difusa por nutrientes a partir de áreas sob diferentes tipos de uso do solo na zona ripária do reservatório foi maior na área sob influência da pecuária, sendo essa área considerada uma potencial fonte difusa de nutrientes para o reservatório. Em relação ao regime hidrológico, durante o período de chuva o reservatório foi caracterizado por elevadas concentrações de nutrientes e reduzida biomassa algal, enquanto que no período de seca a redução do volume e o aumento do tempo de retenção da água do reservatório contribuiu para o crescimento excessivo da biomassa algal, favorecendo o aumento do processo de eutrofização. Em síntese a qualidade da água do reservatório tropical Dourado é direcionada pela poluição difusa oriunda da bacia de drenagem e pelo regime hidrológico peculiar da região semiárida, onde o período chuvoso é caracterizado pelo elevado aporte de compostos alóctones provenientes dos rios tributários e da erosão do solo na zona ripária do reservatório, e o período seco caracterizado pela marcante redução do volume armazenado devido à intensa evaporação, alto tempo de residência da água e a consequente degradação da qualidade da água devido ao aumento do processo de eutrofização.
ABSTRACT
In semiarid region of northeast Brazil, the majority of reservoirs used for public supply has suffered degradation of water quality affected by diffuse pollution from agricultural and livestock areas of the watershed and by hydrologic regime peculiar to the region, characterized by a rainy season with higher volumes stored in reservoirs and a dry season with a reduction in water level due to high evaporation and increase of eutrophication. The Dourado reservoir, located in Currais Novos city, semiarid region of Rio Grande do Norte state, is one example of a water supply reservoir that can have degradation of water quality and impracticability of their use, due to the high external input of nutrients from non-point sources of watershed during the rainy season and increasing of eutrophication due to decrease the stored volume during the dry period. This study aimed to investigate and quantify diffuse pollution and the hydrologic regime of semiarid region in order to establish standards regarding the water quality of Dourado reservoir. The study period was between the months of May 2011 to March 2012. The diffuse pollution was quantified in terms of watershed from the mass balance of phosphorus in the reservoir, as in relation to areas under different types of land use within the riparian zone of the reservoir from the assessment of soil chemical properties and losses of phosphorus in each area. The influence of hydrological regime on water quality of the reservoir was evaluated from the monthly monitoring of the morphometric, meteorological and limnological features throughout the study period. The results showed that the reservoir has received a high load of phosphorus coming from the drainage basin and presents itself as a system able to retain some of that load tributary, giving an upward trend of the eutrophication process. Diffuse pollution by nutrients from areas under different types of land use within the riparian zone of the reservoir was higher in areas under the influence of livestock, being this area considered a potential diffuse source of nutrients to the reservoir. Regarding the water regime during the rainy season the reservoir was characterized by high concentrations of nutrients and small algal biomass, while in the dry season the reduction of volume and increase of the water retention time of the reservoir, contributing to the excessive growth algal biomass, favoring an increase in eutrophication and deterioration of water quality. In synthesis the water quality of Dourado reservoir is directed by diffuse pollution coming from the drainage basin and the hydrological regime of the peculiar semiarid region, where the rainy season is characterized by high input of allochthonous compounds from the tributaries and erosion of the soil in the reservoir riparian zone, and the dry season characterized by reducing the storage volume due to high evaporation, high residence time of water and consequent degradation of water quality due to the increase of eutrophication process.
APRESENTAÇÃO
Este trabalho foi realizado na Universidade Federal do Rio Grande do Norte, no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Sanitária, sob orientação do prof. Dr. Arthur Mattos e Co-orientação da prof. Dra. Vanessa Becker e da prof. Dra. Karina Patrícia Vieira da Cunha.
A pesquisa foi parte integrante do projeto “Monitoramento da Evaporação e Mudanças Climáticas no Rio Grande do Norte”, financiado pela FINEP (processo n° 52009).
A influência da poluição difusa e do regime hidrológico peculiar do semiárido na qualidade da água de um reservatório tropical é o tema da presente dissertação. A dissertação é formada por três capítulos, cada um na forma de artigo científico, contendo resumo, abstract, introdução, material e métodos, resultados, discussão,
1. INTRODUÇÃO
1.1 Reservatórios
Reservatórios são ecossistemas aquáticos artificiais formados a partir do barramento de um rio em uma bacia hidrográfica, possuindo características que tendem para sistemas lóticos ou lênticos de acordo com seu tempo de residência. Esses sistemas promovem uma contínua e dinâmica ligação entre ecossistemas terrestres e aquáticos e por isso são sensíveis às alterações humanas na bacia de drenagem.
A construção de reservatórios para diversos fins é uma das grandes experiências humanas na modificação dos ecossistemas naturais. Pequenos sistemas de acumulação de água, com propósito inicial limitado, foram substituídos por empreendimentos complexos e de grande porte, utilizados principalmente para a produção de energia elétrica (Straskraba e Tundisi, 1999).
O rápido aumento na construção de reservatórios e a grande dimensão desses ecossistemas artificiais têm produzido inúmeros problemas devido às alterações nos sistemas hidrológico, atmosférico, biológico e social na região de construção e na área atingida pelo lago artificial. Um reservatório ao interceptar o fluxo de água de um rio, além das inúmeras modificações causadas em um amplo espectro de atividades e processos ao longo da bacia hidrográfica, passa a funcionar como um 'coletor de eventos', detectando os impactos do uso e ocupação do solo dentro dos limites de sua bacia (Prado, 2002).
As grandes cadeias de reservatórios nas bacias brasileiras apresentam importante significado econômico, ecológico, hidrológico e social para muitas regiões do país. Esses sistemas foram utilizados como base para o desenvolvimento regional, uma vez que são destinados para diversas finalidades, como hidroeletricidade, irrigação, piscicultura, transporte, controle de cheias, recreação, turismo e reserva de água para o abastecimento humano (Poolman, 2006).
A construção de reservatórios no Nordeste brasileiro teve início na época do Brasil Império, com a criação do reservatório de Cedro (CE), no entanto, somente após a grande seca de 1944/1945 iniciou-se efetivamente a construção dos reservatórios ao longo do curso de água dos rios das principais bacias hidrográficas. Assim foi desenvolvido um dos maiores programas de construção de reservatórios do mundo com mais de 70 mil reservatórios sendo construídos, os maiores, cerca de 1000 reservatórios, pelo poder público e os pequenos e médios, pela iniciativa privada (Molle, 1994).
A construção de reservatórios no semiárido brasileiro foi vital para a sua ocupação e desenvolvimento de atividades econômicas, capaz de aumentar a resistência do homem à seca, através do suprimento de água para abastecimento humano, dessedentação de animais, produção agrícola irrigada e desenvolvimento da piscicultura (Freitas, 2011).
1.2 Regime hidrológico de regiões semiáridas
Zonas semiáridas se caracterizam pela deficiência e/ou irregularidade de chuvas, onde a evapotranspiração normalmente supera a precipitação, provocando a perda de grande parte da água superficial e um alto coeficiente de variação do fluxo anual dos rios que, combinados com a falta de rios perenes e lagos naturais, provoca a intermitência de quase toda a rede hidrográfica, se constituindo em um severo problema para a captação e o armazenamento desse recurso essencial (Silva, 2007).
A disponibilidade de água na região semiárida brasileira é caracterizada pelo déficit hídrico, apresentando marcante diferença entre o período chuvoso, com precipitações concentradas em 3 a 4 meses do ano, e o período seco prolongado com taxas de evaporação normalmente superando os 2000 mm.ano-1. Como as
chuvas normalmente se concentram no período de abril a junho, os maiores déficit hídricos ocorrem nos meses de outubro a dezembro.
Os padrões climáticos característicos da região semiárida induzem ao estabelecimento de algumas feições como a formação vegetal da região composta pela caatinga hiperxerófila resistente à seca e solos de relevo plano com baixa profundidade e susceptíveis à erosão natural, com pouca ou nenhuma formação de aquíferos (Araújo, 2003).
Todos esses fatores característicos da região semiárida têm levado a tomada de decisões por parte dos órgãos governamentais visando à segurança hídrica adequada durante os períodos de seca através da construção de reservatórios para fornecimento de água para indústria, agricultura e abastecimento público (Molle, 1994). Tem-se observado, no entanto que a segurança hídrica adequada nessas regiões através da garantia de elevada quantidade de água armazenada nos reservatórios nem sempre é uma condição de disponibilidade adequada, visto que alguns fatores climáticos da região podem alterar em grande escala a qualidade da água armazenada.
Algumas características das regiões semiáridas como a intermitência dos rios, a seca prolongada e as altas taxas de evaporação tendem a aumentar os níveis de nutrientes e o tempo de residência da água dos reservatórios, favorecendo a condição eutrófica e a inviabilização do uso desses mananciais para as atividades humanas (Costa et al., 2009).
1.3 Eutrofização
A eutrofização pode ser caracterizada como o processo de enriquecimento das águas por nutrientes, tipicamente fósforo e nitrogênio, resultando no aumento da produção e crescimento de algas e macrófitas aquáticas, com conseqüente desequilíbrio do ecossistema aquático e progressiva degeneração da qualidade ambiental dos corpos d´água (Dodds et al., 2009).
externas de formas pontuais e difusas, bem como de fontes internas do próprio ecossistema, como os sedimentos límnicos (Schindler, 2006).
Com a aceleração do processo de eutrofização mudanças significativas ocorrem no ciclo de nutrientes, refletindo diretamente na qualidade da água dos ecossistemas aquáticos. Com o aumento da disponibilidade de nutrientes ocorre um crescimento excessivo do fitoplâncton, e como conseqüência do processo de decomposição da matéria orgânica ocorre uma depleção significativa do oxigênio dissolvido, podendo ocasionar a morte das comunidades aquáticas aeróbias, gerando a perda da qualidade cênica do ambiente e o aumento da incidência de cianobactérias (Carpenter et al., 1998).
Em estados avançados de eutrofização pode ocorrer a proliferação de cianobactérias em detrimento de outras espécies aquáticas. Muitos gêneros desses microrganismos, quando submetidos a determinadas condições ambientais, podem produzir toxinas que têm efeitos diretos sobre a saúde humana e provocam aumento nos custos para o tratamento da água (Carmichael et al., 2001).
Em mananciais localizados na região semiárida brasileira o problema da eutrofização pode ser acelerado devido a condições ambientais naturais como a alta evaporação, que tende a concentrar os nutrientes na água; o longo período de detenção da água e características pedológicas, geológicas e geomorfológicas que facilitam a lixiviação e o carreamento de nutrientes para os reservatórios (Freitas et
al., 2011).
Outro problema no semiárido é o fato de que, para a manutenção de uma adequada sustentabilidade hídrica, a maioria dos reservatórios construídos nessas regiões normalmente possui elevado fator de envolvimento da área da bacia de captação em relação à área superficial dos reservatórios, semelhante a reservatórios de outras regiões do Brasil. Esse fenômeno pode influenciar diretamente a limnologia dos reservatórios pelo grande potencial de enriquecimento por nutrientes provenientes de fontes não-pontuais tais como áreas agrícolas e de pecuária localizadas ao longo da bacia (Thornton e Rast, 1993).
Vários trabalhos apontam para a gravidade do problema em escala mundial (Dodds et al., 2009; Smith and Schindler, 2009) e em zonas semiáridas (Bouvy et al.,
2007; Panosso et al., 2007; Chellapa et al., 2008; Costa et al., 2009). Em função da
eutrofização muitos reservatórios e lagos no mundo já perderam sua capacidade de abastecimento de populações, manutenção da vida aquática e recreação.
1.4 Balanço de massa de nutrientes em reservatórios
O balanço de massa (ou balanço de materiais) é uma descrição quantitativa de todos os materiais que entram, saem e que se acumulam em um sistema com fronteiras delimitadas. Essa ferramenta de modelagem é de grande importancia para a gestão dos programas e procedimentos operacionais em reservatórios, além de permitir avaliar como a bacia hidrográfica influencia a qualidade da água.
Os estudos de balanço de massa em lagos e reservatórios foram essenciais para o desenvolvimento dos primeiros modelos de eutrofização na década de sessenta. Com base na estimativa da carga total de fósforo afluente aos corpos d’água foram estabelecidas correlações com as concentrações deste elemento encontradas na massa líquida (Vollenweider, 1969).
Um modelo pioneiro de balanço de massa para ecossistemas aquáticos foi proposto por Vollenweider (1969), o qual considerava as cargas de entrada e saída de fósforo dos lagos, além da perda para o sedimento a partir da medida da taxa de sedimentação de fósforo e algumas simplificações, tais como a mistura completa das cargas de fósforo logo após sua entrada; a taxa de sedimentação de fósforo proporcional a sua concentração no lago e a concentração no fluxo de saída igual à concentração na coluna d’água. A partir dos trabalhos pioneiros de Vollenweider (1969) foram desenvolvidas relações de cunho mais abrangente, onde se incluíram variáveis hidráulicas e morfométricas na previsão da concentração de fósforo nos ambientes aquáticos (Dillon e Rigler, 1975; Salas e Martino, 1991).
O balanço de massa é tomado atualmente como um padrão em diversos estudos para quantificar a entrada, retenção e exportação de nutrientes, bem como avaliar o potencial de eutrofização de reservatórios (Matzinger et al., 2007). A
Vários trabalhos sobre balanço de massa realizados ao longo de ciclos hidrológicos evidenciam uma retenção de nutrientes em reservatórios (Jossette et
al., 1999; Greco, 2002; Hart et al., 2002; Starling et al., 2002; Cope et al,. 2011;
Freitas, 2011; Bezerra, 2011). Nesses mananciais os modelos de balanço de massa contribuiram para um melhor entendimento e quantificação dos impactos provocados pelo aporte de nutrientes através da bacia de drenagem e ajudaram a prever o risco e a magnitude do processo de eutrofização a que esses mananciais estarão sujeitos nos próximos anos.
Os modelos de balanço de massa têm se tornado elemento fundamental para o desenvolvimento de estratégias para a recuperação de reservatórios, contribuindo também para um planejamento e manejo adequado não só desses ecossistemas, mas de toda a bacia hidrográfica na qual eles estão inseridos.
1.5 Poluição difusa de ecossistemas aquáticos
A poluição difusa é uma das principais causas de comprometimento da qualidade da água de ecossistemas aquáticos em diversos países, devido a sua
difícil quantificação e constante variação ao longo do tempo (Carpenter et al., 1998).
Essa forma de poluição está ligada principalmente a resíduos das atividades
agrícolas (fertilizantes, herbicidas, inseticidas, fungicidas, entre outros) e a eventos irregulares, tais como elevadas precipitações concentradas em um curto período de tempo que tendem a aumentar a erosão e a quantidade de poluentes transportados através dos escoamentos superficiais (Huang e Xia, 2001). Este tipo de poluição pode ser intensificado devido à irrigação, à compactação do solo derivada da mecanização, ao desflorestamento (inclusive de mata ciliar), à ausência de práticas conservacionistas do solo, aos processos erosivos, além da interferência de fatores naturais como a geologia, geomorfologia, declividade, pedologia, forma e densidade de drenagem da bacia hidrográfica e permeabilidade do solo (Collins et al.2007).
A poluição difusa advinda da agricultura é, muitas vezes, a principal fonte de elevadas cargas poluentes transportadas pelos sistemas fluviais ao longo das bacias hidrográficas, ocasionando a degradação de corpos d’água superficiais situados nas regiões de menor altitude (Heathwaite et al., 2005). Dentre os principais poluentes
pelo desenvolvimento do processo de eutrofização em ecosssitemas aquáticos (Foy, 2005).
Áreas agrícolas que utilizam fertilizantes e áreas de pecuária com elevada produção de excretas animais tendem a aumentar consideravelmente os teores de nutrientes no solo, os quais, durante eventos chuvosos, podem ser carreados aos corpos d’água junto com material particulado através dos escoamentos superficiais (Heathwaite et al, 2005). A transferência de nutrientes na forma particulada é
geralmente associada à falta de cobertura vegetal, a qual expõe o solo à energia das gotas de chuva e à mobilização subsequente de finas partículas enriquecidas com nutrientes (Uusitalo et al., 2000).
Em regiões semiáridas a poluição difusa de mananciais pode ser elevada devido a características peculiares da região, notadamente solos rasos com pouca cobertura devido a vegetação esparça característica (Oyama e Nobre 2004), além de chuvas intensas que ocorrem de forma concentrada em poucos dias do ano, promovendo uma maior erosão e aumento do potencial de carreamento de nutrientes para os corpos d’água (Nigussie et al., 2008).
2. HIPÓTESES
2.1 Hipótese Geral:
A poluição difusa e o regime hidrológico peculiar da região semiárida são os fatores direcionadores da qualidade da água do reservatório tropical Dourado, localizado na região semiárida do nordeste brasileiro.
2.2 Hipóteses Específicas:
- A sazonalidade, regida pelo regime hidrológico, modifica as características limnológicas dos ecossistemas aquáticos do semiárido, devido ao aporte de compostos alóctones no período de chuva e à diminuição do volume de água armazenada durante o período seco.
3. OBJETIVO GERAL
Investigar e quantificar a poluição difusa e o regime hidrológico da região semiárida a fim de estabelecer padrões referentes à qualidade da água do reservatório tropical Dourado, utilizado para abastecimento público.
3.1 Objetivos específicos
- Realizar o balanço de massa de fósforo total e determinar a sua taxa de retenção no reservatório Dourado, região semiárida do Nordeste.
- Determinar o grau de trofia do reservatório através das concentrações de fósforo total e clorofila-a.
- Avaliar a influência da sazonalidade, regida pelo regime hidrológico, na dinâmica das variáveis limnológicas do reservatório.
- Verificar as relações entre variáveis limnológicas, morfométricas e meteorológicas do reservatório durante um ciclo hidrológico.
- Avaliar a qualidade do solo em áreas ripárias sob diferentes usos do solo, a fim de identificar áreas com maior potencial em disponibilizar poluentes para o reservatório.
- Estimar as perdas de solo e fósforo através da erosão hídrica em áreas sob diferentes tipos de uso do solo.
4. ÁREA DE ESTUDO
O semiárido do estado do Rio Grande do Norte, também conhecido como Seridó, apresenta aspectos físico-climáticos bastante específicos. O clima é quente, descrito pela classificação de Köppen (1928) como clima do tipo BSw’h’ (Estepe), com uma média pluviométrica de 550 mm/ano, caracterizado por um regime de escassez e desigual distribuição de chuvas e período chuvoso compreendido entre os meses de fevereiro a junho. A insolação média da região é de 3000 horas de luz solar por ano, aliada a temperaturas médias sempre superiores a 22° C e umidade relativa média anual na casa dos 64 % (IDEMA, 2012).
acentuado. As principais espécies presentes nesse tipo de vegetação são: pereiro, faveleiro, facheiro, macambira, mandacaru, xique-xique e jurema-preta. Os solos predominantes na região são os neossolos litólicos, com alta fertilidade natural, textura argilo/arenosa, de relevo plano com baixa profundidade e susceptíveis à erosão natural (IDEMA, 2012).
O relevo da região é composto pela depressão sertaneja, terrenos baixos situados entre as partes altas do Planalto da Borborema e da Chapada do Apodi, possuindo elevações em torno de 200 a 400 metros de altitude na região de Currais Novos. Os terrenos que compõem a região são predominantemente de formação cristalina pré-cambriana, com pouca ou nenhuma formação de aquíferos (IDEMA, 2012).
Localizada nos estados da Paraíba e do Rio Grande do Norte a bacia hidrográfica do rio Piranhas-Açu é de grande importância econômica para o estado do Rio Grande do Norte, ocupando uma superfície de 17.498,5 km², que corresponde a cerca de 30 % do território estadual, contribuindo com 79% do total de água acumulada no estado (SEMARH, 2012). Rios importantes como o rio Piranhas-Açu e Seridó, dentre outros, fazem parte desta importante bacia hidrográfica com capacidade de acumulação de 2.988.369.372 m³. No estado do Rio Grande do Norte a bacia do rio Piranhas-Açu possui cerca de dezessete reservatórios, dentre esses importantes mananciais de abastecimento como os reservatórios Dourado, Cruzeta, Marechal Dutra, Passagem das Traíras, Boqueirão de Parelhas e Itans.
A sub-bacia do reservatório Dourado, objeto deste estudo, possui uma área de 478,93 km² e um perímetro de 107,67 km, compreendendo as terras dos seguintes municípios: Cerro Corá (RN) 36,5 km² (7,62%), Currais Novos (RN) 364,83 km² (76,18%) e Lagoa Nova (RN) 77,56 Km² (16,20%).
A capacidade máxima de acumulação do reservatório está em torno de 10.321.600,00 m³, com um volume de reserva intangível de 1.054.000,00 m³, área superficial de 3,16 km² e profundidade máxima de 10 m. A barragem é construída em terra batida com 524 m de extensão e altura máxima de 14,50 m (SEMARH, 2012).
Capítulo 1
EUTROFIZAÇÃO E BALANÇO DE MASSA DE FÓSFORO EM UM RESERVATÓRIO TROPICAL
RESUMO
Nas últimas décadas o aumento das cargas de nutrientes transportadas aos ecossistemas aquáticos a partir das bacias hidrográficas é um dos principais problemas relacionados ao aumento do processo de eutrofização e degradação da qualidade da água desses ambientes. O reservatório Dourado, localizado na região semiárida do nordeste do Brasil é um exemplo de reservatório que pode apresentar aumento do processo de eutrofização devido ao elevado aporte externo de nutrientes advindos de fontes não-pontuais da bacia de drenagem. Com base nesse processo este trabalho tem por objetivo avaliar o grau de trofia e realizar o balanço de massa de fósforo total do reservatório Dourado para fornecer subsídios ao manejo adequado de fontes difusas de fósforo ao longo da bacia, visando à mitigação do processo de eutrofização do reservatório. O período de estudo foi compreendido entre maio de 2011 e março de 2012. A partir do balanço hídrico do reservatório no período de estudo foi realizado o balanço de massa de fósforo com base na estimativa das cargas totais de entrada e saída de fósforo do reservatório. Foram calculados ainda a porcentagem de fósforo total retida pelo reservatório, o coeficiente de exportação de fósforo da bacia de drenagem e a carga de fósforo sobre o reservatório. A eutrofização do reservatório Dourado foi avaliada em relação às concentrações de fósforo total e de clorofila-a através de um modelo simplificado de estado trófico proposto para ecossistemas aquáticos tropicais, utilizando uma curva de distribuição probabilística que estima a probabilidade de ocorrência de um determinado estado trófico. Os resultados mostraram que o balanço hídrico positivo do reservatório Dourado durante o período chuvoso contribuiu para uma elevada exportação de nutrientes da bacia de drenagem a partir dos rios afluentes. A carga total de entrada de fósforo no reservatório foi de cerca de 2000 kg.ano-1, enquanto que a carga total de saída de fósforo foi de 946 kg.ano-1, fazendo com que o
ABSTRACT
INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas o aumento das cargas de poluentes transportados aos ecossistemas aquáticos a partir das bacias hidrográficas é um dos principais problemas relacionados à degradação da qualidade ambiental desses ecossistemas. Mudanças no uso e na cobertura do solo da bacia tais como o desmatamento de áreas para plantio associado ao emprego de fertilizantes químicos, têm levado a modificações na taxa de escoamento superficial, no transporte de sedimentos e nos fluxos de nutrientes para corpos d’água superficiais (Ismail e Nagib, 2011).
Emissões de nutrientes a partir de fontes difusas advindas da bacia de drenagem podem ter grande influência no aumento do processo de eutrofização dos ecossistemas aquáticos, devido ao crescimento excessivo de produtores primários tais como algas, cianobactérias e macrófitas aquáticas que consomem os nutrientes em excesso e se reproduzem de forma acelerada (Carpenter et al., 1998).
Como principais consequências da eutrofização nos ecossistemas aquáticos pode-se destacar: alterações no padrão de oxigenação; florações de algas, cianobactérias e macrófitas aquáticas; perda da biodiversidade e da atração paisagística; restrições aos usos da água; efeitos sobre a saúde humana e aumento nos custos para o tratamento da água (Dodds et al., 2009).
O processo de eutrofização é mais crítico em corpos d’água lênticos, onde os nutrientes são lentamente removidos devido ao tempo de renovação da água ser alto em comparação aos ecossistemas lóticos, fazendo com que os nutrientes se acumulem e fiquem disponíveis por mais tempo na coluna d’água para o consumo dos produtores primários (Neiff, 1996).
O fósforo, na maioria das águas continentais, pode ser considerado o principal fator limitante da máxima produção da biomassa fitoplanctônica e o nutriente crítico na determinação do grau de eutrofização (Correll, 1998). Nos corpos d’água lênticos o fósforo comporta-se como um macronutriente e, sendo um nutriente primário, é essencial para o crescimento do fitoplâncton, podendo estimular o crescimento excessivo desses produtores e o aumento do processo de eutrofização, quando em excesso (Salas e Martino, 2001).
teoria da eutrofização de corpos d’água lênticos como os reservatórios, bem como nos programas aplicados de preservação e recuperação destes ambientes (Vollenweider, 1969; Rossi e Premazzi, 1991; Dillon e Evans, 1993).
Nesse sentido, o conhecimento da quantidade de fósforo retida ou exportada pelos reservatórios é essencial para prever e monitorar o processo de eutrofização nesses sistemas, além de ser importante para propor estratégias de manejo através da redução das cargas externas de fósforo.
Reservatórios construídos na zona semiárida e em outras regiões do Brasil normalmente possuem elevado fator de envolvimento da área da bacia de captação em relação à área superficial dos reservatórios, contribuindo para um maior potencial de enriquecimento desses corpos d’água por nutrientes advindos de fontes não-pontuais como áreas agrícolas e de pecuária localizadas ao longo da bacia (Thornton e Rast, 1993).
O reservatório Dourado, localizado na região semiárida do nordeste do Brasil é um exemplo de reservatório que pode apresentar aumento do processo de eutrofização devido ao elevado aporte externo de nutrientes advindos de fontes não-pontuais da bacia de drenagem, em virtude do reservatório ser situado em uma região sem influência de cargas pontuais. Em virtude desse processo, este trabalho tem por objetivo avaliar o grau de trofia e realizar o balanço de massa de fósforo total do reservatório Dourado para fornecer subsídios ao manejo adequado de fontes difusas de fósforo ao longo da bacia, visando à mitigação do processo de eutrofização do reservatório.
MATERIAL E MÉTODOS Área de estudo
Figura 1: Mapa de localização da sub-bacia do reservatório Dourado, Currais Novos/RN, com destaque para os principais rios afluentes e os pontos de amostragem de água no reservatório. (Fonte: Projeto MEVEMUC).
A região possui um clima descrito pela classificação de Köppen (1928) como do tipo BSw’h’ (Estepe), caracterizado por um regime de escassez e desigual distribuição de chuvas, com média pluviométrica de 470 mm/ano e período chuvoso compreendido entre os meses de fevereiro e junho. A insolação média da região é de 3000 horas de luz solar por ano, aliada a temperaturas médias sempre superiores a 22° C, umidade relativa média anual próxima dos 6 4 % e evaporação potencial em torno dos 2000 mm/ano (IDEMA, 2012).
Cálculo do balanço hídrico e do balanço de massa de fósforo
O balanço hídrico do reservatório durante o período de maio de 2011 a março de 2012 foi calculado com base na equação geral da continuidade adaptada para um lago fechado (equação 1):
A.(dh/dt) = entrada (P.A + Qsup + Qrec) - saída (E.A + Qsub + Qcon + Q vert) (Eq.1)
Onde: A. (dh/dt) = Taxa de variação de armazenamento do reservatório; A = Área média do espelho d’água;
(dh/dt) = Taxa de variação do nível d’água do reservatório; P = Precipitações pluviais;
(Qsup) = Escoamento superficial;
(Qrec) = Recarga subterrânea do aquífero; E = Perda d'água por evaporação;
(Qsub) = Perdas subterrâneas do reservatório; (Qcon) = Perdas d’água devido ao consumo (Q vert) = Perdas d’água devido ao vertimento
O volume armazenado e a sua variação mensal no reservatório (A.(dh/dt)) ao longo do período de estudo foram obtidos através do monitoramento mensal da cota-área-volume do reservatório, fornecido pela Secretaria de Estado do Meio Ambiente e dos Recursos Hídricos do Rio Grande do Norte (SEMARH).
As recargas subterrâneas do aquífero (Q rec) e as perdas subterrâneas do reservatório (Q sub) não foram consideradas no balanço hídrico devido aos terrenos que compõem a bacia hidrográfica do reservatório Dourado serem predominantemente de formação cristalina pré-cambriana, com pouca ou nenhuma formação de aquíferos (IDEMA, 2012).
A perda de água mensal no reservatório por evaporação foi calculada através do produto entre a área do espelho d’água em cada mês (m²) e a evaporação real mensal (ET0) em m, calculada com base no modelo proposto por
Thornthwaite e Mather (1955). Os dados das temperaturas médias mensais utilizados no cálculo da evaporação real foram fornecidos pela Empresa de Pesquisa Agropecuária do estado do Rio Grande do Norte (EMPARN).
As perdas de água do reservatório devido ao consumo (Q cons) em m³ foram estimadas com base na vazão mensal retirada pela Companhia de Água e Esgoto do Rio Grande do Norte (CAERN) para abastecimento público da cidade de Currais Novos e na vazão média mensal retirada para irrigação obtida através de entrevistas com agricultores usuários da água residentes no entorno do reservatório.
O volume vertido do reservatório em m³ (Q vert) foi obtido com base na equação proposta por Francis para cálculo da vazão de vertedores retangulares de fundo delgado (Villela e Mattos, 1975). A lâmina d’água média sobre o vertedouro durante o período de vertimento (0,083 m) e o comprimento da soleira (160 m) utilizados na equação de Francis foram fornecidos pela Secretaria de Estado do Meio Ambiente e dos Recursos Hídricos do Rio Grande do Norte (SEMARH).
irrigação. O volume total de entrada de água no reservatório através dos rios em m³ foi obtido pela soma dos volumes mensais de entrada.
Qsup= △V – Qprec. + Qvert + QEvapo + QDemanda (Equação 2)
A estimativa das cargas mensais de entrada de fósforo total no reservatório foi realizada multiplicando-se a vazão de entrada de água no reservatório (m3.mês-1), pela concentração média de fósforo (gP.m-3) na água que afluiu ao reservatório
através dos principais rios tributários e da precipitação pluvial.
Amostras de água dos rios São Bento e Areias (96% da área total da bacia) foram coletadas durante os meses de maio e junho de 2011 (n = 3) para quantificar a concentração de fósforo total na água que aflui ao reservatório por esses tributários. Além das amostras coletadas nos rios, foram coletadas amostras de água de chuva (n = 3) no mesmo período para detecção da concentração de fósforo total nessa componente do balanço de massa. O número reduzido de coletas deve-se ao fato da irregularidade das chuvas e da intermitência dos rios, que apresentavam escoamento apenas em curtos períodos de tempo.
O cálculo da vazão mensal afluente ao reservatório através dos rios foi realizado com base na equação 2. A carga de fósforo total introduzida mensalmente no reservatório pelos rios foi calculada pelo produto entre a vazão afluente (m³.mês
-1) e a concentração média mensal de fósforo total (gP.m-3), obtida nas três
amostragens nos rios São Bento e Areias. A carga de fósforo mensal introduzida pelas precipitações foi obtida multiplicando-se a concentração média de fósforo total na água de chuva (gP.m-3) pelo volume precipitado (m3) sobre a área do espelho d’água em cada mês.
A carga total de entrada de fósforo durante o período de estudo foi obtida pelo somatório das cargas de entrada mensais através dos rios e da precipitação pluvial.
A estimativa das cargas mensais de saída de fósforo total do reservatório foi calculada pelo produto entre a vazão de saída de água do reservatório (m3.mês-1) e
a concentração média de fósforo (gP.m-3) na água do reservatório e do vertedouro
Amostras de água do reservatório foram coletadas mensalmente em quatro pontos de coleta (fig. 1) durante o período de maio de 2011 a março de 2012, a fim de quantificar a concentração média mensal de fósforo total na água que é retirada do reservatório para irrigação e abastecimento público. No período de vertimento do reservatório foram coletadas amostras de água (n = 3) no vertedouro para detecção das concentrações de fósforo total da água liberada durante o período.
O cálculo da vazão mensal retirada do reservatório para uso na irrigação foi obtido com base em entrevistas com agricultores usuários da água residentes no entorno do reservatório. Foram registradas in loco as vazões de referência de
bombas hidráulicas que retiram água do reservatório e cada usuário informou quantas horas por dia em média utiliza a bomba de sua propriedade para captar água utilizada na irrigação. Utilizando-se a vazão de referência das bombas identificadas no entorno do reservatório e o horário de funcionamento diário de cada uma, encontrou-se uma vazão de saída mensal em torno de 11.700 m³.mês-1 para uso na irrigação.
A vazão mensal retirada do reservatório para abastecimento público da cidade de Currais Novos foi obtida com base no monitoramento realizado pela Companhia de Água e Esgoto do Rio Grande do Norte (CAERN), a qual retira cerca de 229.680 m³.mês-1 do reservatório para suprir a demanda de água do município. A vazão que foi liberada do reservatório através do vertimento no mês de maio de 2011 foi estimada em 5.870.000 m³.mês-1.
A carga mensal de saída de fósforo total do reservatório devido ao abastecimento público e a irrigação foi calculada pelo produto entre a vazão retirada por esses usos (m³.mês-1) e a concentração média mensal de fósforo total (gP.m-3) dos quatro pontos de coleta do reservatório. A carga mensal de fósforo total liberada devido ao vertimento foi calculada multiplicando-se a vazão de saída pelo vertedouro (m³.mês-1) pela concentração média de fósforo total (gP.m-3) das três amostragens na saída do vertedouro.
Carga P retida (%) = Carga total entrada P – Carga total saída P (Equação 3) Carga total entrada P x 100
Em relação às perdas de fósforo no interior do reservatório, salienta-se que pode ocorrer uma considerável perda de fósforo a partir da coluna d´água por sedimentação de partículas em suspensão contendo fósforo, porém o modelo desenvolvido nesse trabalho é do tipo simples e empírico, o qual fornece informações somente a respeito das entradas e saídas de fósforo do sistema, não envolvendo qualquer reação química ou biológica associadas com o ambiente aquático.
Para se determinar a carga de fósforo total sobre o reservatório foi calculado o coeficiente de exportação de fósforo da bacia (Lb(P)), dividindo-se a carga total de entrada do fósforo pela área de drenagem dos principais rios tributários, e com isso pode-se calcular a carga de fósforo sobre o reservatório, conforme a equação 4, proposta por Toledo Jr. et al., (1983).
L(P) = AD x Lb (P) (Equação 4) AL
Onde: L(P) = Carga de fósforo sobre o reservatório (gP total. m-2.ano-1) AD = Área de drenagem (m2);
Lb(P) = Coeficiente de exportação de P (gP total. m-2.ano-1); AL = Área do reservatório (m2)
Avaliação da eutrofização do reservatório
A eutrofização do reservatório Dourado foi avaliada em relação ao fósforo total através de um modelo simplificado de estado trófico proposto para ecossistemas aquáticos tropicais (Salas e Martino, 1991), utilizando uma curva de distribuição probabilística e o balanço de massa de fósforo no reservatório ao longo do período compreendido entre maio de 2011 e março de 2012.
Figura 2: Distribuição probabilística de estado trófico para lagos tropicais baseada na concentração de fósforo total. Fonte: Salas e Martino (1991).
Para a utilização do valor de fósforo total no eixo X da curva probabilística e sua posterior extrapolação para obtenção da probabilidade de ocorrência de um determinado estado trófico, é necessário que esse valor esteja na forma de logaritmo da concentração de fósforo total em mg P/m³, encontrada a partir do modelo simplificado proposto por Salas e Martino (1991) (Equação 5).
P = L(P). Tw3/4 (Equação 5)
Z 3
Onde: P = Concentração de fósforo total em mg P.m-3
L(P) = carga de fósforo por unidade de área do reservatório (g.m-2. ano-1); Tw = tempo de retenção da água (anos);
Z = profundidade média (m)
período de estudo. A profundidade média do reservatório (Zmed) foi obtida a partir do quociente entre o volume médio (m³) no período de estudo e a sua área superficial média (m²).
A eutrofização do reservatório foi avaliada ainda em relação à clorofila-a através do mesmo modelo simplificado de estado trófico proposto por Salas e Martino, (1991), utilizando uma curva de distribuição probabilística e a concentração média anual de clorofila-a no reservatório (fig. 3). Devido à utilização da concentração média anual de clorofila-a no modelo simplificado, foram utilizados dados de clorofila-a do período compreendido entre maio de 2011 e abril de 2012.
Figura 3: Distribuição probabilística de estado trófico para lagos tropicais baseada na concentração de clorofila-a. Fonte: Salas e Martino (1991)
Análise das amostras de água
As amostras de água dos rios, da chuva, e do reservatório foram acondicionadas em garrafas de polietileno, previamente lavadas com HCl 10% e água deionizada e acondicionadas em caixas térmicas com gelo durante o transporte até o laboratório para a análise de fósforo total. As concentrações de fósforo total foram determinadas pelo método colorimétrico proposto por Valderrama
Ultra oligotrófico
Oligotrófico
Mesotrófico
Eutrófico
Hiperutrófico Distribuição de
probabilidade
(1981). Para a análise de Clorofila-a na água do reservatório as amostras foram previamente filtradas em membranas de fibra de vidro e as concentrações determinadas por espectrofotometria após extração com etanol 95% (Jespersen e Christoffersen, 1988).
RESULTADOS Balanço hídrico
Durante o período de estudo compreendido entre os meses de maio de 2011 a março de 2012 as precipitações mensais não seguiram o padrão registrado pela média histórica, com o período chuvoso ocorrendo nos meses de maio, junho e julho de 2011 e o período seco ocorrendo nos meses de agosto de 2011 a março de 2012 (fig. 4). Durante o período chuvoso precipitaram-se cerca de 300 mm de chuva na região do reservatório Dourado, com maiores volumes registrados no mês de maio de 2011. No período de seca foram registrados 71,5 mm de chuva, distribuidos principalmente nos meses de janeiro e fevereiro de 2012 (fig. 4).
Figura 4: Precipitações mensais acumuladas no período de abril/2011 a abril/2012 e precipitações médias mensais no período compreendido entre 1911 e 2011 na estação pluviométrica da cidade de Currais Novos/RN (Fonte: Secretaria Municipal de Infra-estrutura e Serviços Urbanos de Currais Novos – dados não publicados).
A flutuação do volume armazenado no reservatório Dourado mostra que, no inicio do mês de maio de 2011, o reservatório apresentou 79 % da capacidade total
Precipitação Abr/11 a Abr/12
Precipitação média mensal no período de 1911 a 2011
de acumulação, vindo a atingir sua capacidade máxima e a verter no final do mês de maio, devido às intensas chuvas e ao elevado volume de água afluente ao reservatório a partir dos rios durante este mês. Com o início do período de seca o reservatório sofreu diminuição progressiva de volume até o final do período de estudo, devido à escassez de chuvas e à intensa evaporação, registrando 43 % de sua capacidade no final do mês de março de 2012 (Fig. 5).
Figura 5: Balanço hídrico do reservatório Dourado, Currais Novos/RN, durante o período de maio de 2011 a março de 2012, destacando a variação do volume armazenado.
O volume total de entrada através dos rios e da chuva foi menor em relação ao volume total perdido pela evaporação e através do vertedouro e da demanda para abastecimento e irrigação, fazendo com que o reservatório apresentasse déficit hídrico durante o período de estudo (tabela 1).
Tabela 1: Balanço de entrada e saída de água no reservatório Dourado, Currais Novos/RN, durante o período de maio de 2011 a março de 2012.
Entrada Saída
Vol. rios (m³) 9.122.948 Vol. Evaporado (m³) 3.617.541
Vol. chuva (m³) 779.640 Vol. Demanda/vertido (m³) 8.316.077
Vol. Total entrada (m³) 9.902.588 Vol. Total saída (m³) 11.933.619
Déficit = 2.031.030 m³
Durante o período de estudo o reservatório apresentou ainda reduzida profundidade média e elevado tempo de residência da água (tabela 2).
Tabela 2: Volume médio de água (V), área superficial média (A), profundidade média (Z), vazão mensal de saída (Q) e tempo de residência da água (Tw) do reservatório Dourado, Currais Novos/RN, durante o período de maio de 2011 a março de 2012. (Fonte: SEMARH – Dados não publicados)
Parâmetro V (106 m³) A (106 m²) Z(m) = V/A Q (106 m³.mês-1) Tw = V/Q (dias)
7,67 2,54 3,02 0,75 304
Balanço de massa de fósforo
A carga de entrada de fósforo no reservatório Dourado durante o período de estudo foi composta em quase sua totalidade pela elevada carga de fósforo exportada da bacia de drenagem e transportada ao reservatório a partir dos rios tributários. A carga de entrada de fósforo a partir da precipitação foi baixa devido ao reduzido volume afluente ao reservatório e à baixa concentração de fósforo na água precipitada (tabela 3).
Tabela 3: Volumes afluentes, concentrações médias de fósforo total e cargas totais de fósforo que entraram no reservatório Dourado, Currais Novos/RN, a partir dos rios e da precipitação durante o período compreendido entre maio de 2011 e março de 2012.
Entrada
Vol. afluente (106 m³) Conc. P total (g.m-3) Carga de fósforo (kg.ano-1)
Rios 9,1 0,2 1985,45
Precipitação 0,78 0,017 14,47
Total entrada 9,88 0,217 1999,92
Tabela 4: Volumes efluentes, concentrações médias de fósforo total e cargas totais de fósforo que saíram do reservatório Dourado, Currais Novos/RN, devido ao vertimento, abastecimento e irrigação no período compreendido entre maio de 2011 e março de 2012.
Saída
Vol. efluente (106 m³) Conc. P total (g.m-3) Carga de fósforo (kg.ano-1)
Vertedouro 5,87 0,12 768,44
Abast.e Irrigação 2,44 0,067 178,34
Total saída 8,31 0,187 946,78
O cálculo do balanço de massa de fósforo no reservatório Dourado resultou em uma carga de entrada de 1999,92 kg.ano-1, recebida pelo reservatório durante o período de estudo, enquanto que a carga de saída de fósforo do reservatório devido ao vertimento e à retirada de água para abastecimento e irrigação foi de 946,78 kg.ano-1. A carga total de fósforo retida pelo reservatório foi de 1053,14 kg, representando 52,65 % de retenção da carga total no período de estudo.
Foi realizado o cálculo do coeficiente de exportação de fósforo da bacia de drenagem do reservatório Dourado, Lb(P), sendo estimado em aproximadamente 0,0041 gP.m-2.ano-1, o que resultou em uma carga de fósforo sobre o reservatório de cerca de 0,63 gP.m-2.ano-1.
Estado trófico do reservatório
Na estimativa do estado trófico do reservatório Dourado em relação ao fósforo total, utilizou-se os valores da carga de fósforo por unidade de área do reservatório (L(P)), do tempo de residência da água (Tw) e da profundidade média (Zmed) (tabela 5) na equação 5.
Tabela 5: Valores dos parâmetros carga de fósforo por unidade de área do reservatório (L(P)), tempo de residência da água (Tw) e profundidade média (Zmed) encontrados para o reservatório Dourado, Currais Novos/RN, durante o período compreendido entre maio de 2011 e março de 2012.
Parâmetro Valor
Carga de fósforo por unidade área (L(P)) 0,63 g.m-2.ano-1
Tempo de residência da água (Tw) 303 dias
Profundidade média (Zmed) 3,02 m
1,77 mg P.m-3, que, quando aplicado no eixo X da curva de distribuição
probabilística, origina o gráfico representado na figura 6.
Figura 6: Distribuição probabilística de estado trófico com base nas concentrações de fósforo total para o reservatório Dourado, Currais Novos/RN, no período compreendido entre maio de 2011 e março de 2012.
De acordo com o modelo adotado para avaliação de estado trófico através das concentrações de fósforo total, observou-se uma maior probabilidade do reservatório Dourado ser classificado como mesotrófico (52%). Com probabilidades moderadas apresentou-se o estado eutrófico (38%) e com probabilidades reduzidas apresentaram-se os estados hipereutrófico e oligotrófico (5%).
Na estimativa do estado trófico do reservatório Dourado a partir das concentrações médias anuais de clorofila-a dos quatro pontos de amostragem localizados no reservatório, durante o período compreendido entre maio de 2011 e abril de 2012, encontrou-se o valor médio de 28,4 mg cl-a.m-3. Aplicando-se esse valor no eixo X da curva de distribuição probabilística, obtêm-se o gráfico representado na figura 7.
Ultra oligotrófico
Mesotrófico 52%
Eutrófico 38%
Figura 7: Distribuição probabilística de estado trófico com base nas concentrações anuais de clorofila-a para o reservatório Dourado, Currais Novos/RN, no período compreendido entre maio de 2011 e abril de 2012.
Com base nas concentrações anuais de clorofila-a, observou-se uma maior probabilidade do reservatório Dourado apresentar estado mais elevado de eutrofização em relação à avaliação feita através das concentrações de fósforo total. Observou-se uma maior probabilidade de ocorrência dos estados hipereutrófico (49%) e eutrófico (47%) em relação ao estado mesotrófico (4%), que apresentou baixas probabilidades de ocorrência.
DISCUSSÃO
As bacias hidrográficas da região semiárida do Brasil apresentam algumas características que potencializam o aporte de nutrientes aos reservatórios da região. A presença de solos rasos com pouca cobertura vegetal, devido à vegetação esparsa e de pequeno porte do bioma caatinga, associados a eventos chuvosos concentrados em poucos dias do ano, fazem com que os solos da região se tornem bem lixiviados e os nutrientes sejam carreados em grande escala para os corpos d’água superficiais durante o período chuvoso (Oyama e Nobre, 2004). Para o reservatório Dourado a carga total de entrada de fósforo em torno de 2000 kg.ano-1
Ultra oligotrófico
Oligotrófico
Mesotrófico
Eutrófico
Hipereutrófico Distribuição de
probabilidade
Clorofila-a Hipereutrófico 49%
Eutrófico 47%
ratifica o elevado aporte de fósforo em bacias da região semiárida. Estudos recentes desenvolvidos em bacias da mesma região também registraram elevados aportes de fósforo ao reservatório Marechal Dutra (5.505 kg.ano-1), estudado por Bezerra (2011) e ao reservatório Cruzeta (28.240 kg.ano-1), em pesquisa desenvolvida por Freitas et
al., (2011).
Salienta-se que o aporte externo de nutrientes aos reservatórios está condicionado ainda ao elevado fator de envolvimento da área da bacia de captação em relação à área superficial dos reservatórios. Para o reservatório Dourado o fator de envolvimento é de 151,5, enquanto que para o reservatório Marechal Dutra esse fator é de 298,13 (Bezerra, 2011) e para o reservatório Cruzeta o fator é de aproximadamente 164 (Freitas et al., 2011), explicando o menor aporte de fósforo ao
reservatório Dourado em relação aos outros reservatórios.
Em relação à retenção anual do fósforo total, o reservatório Dourado reteve 52% do total de entrada pelos rios afluentes, caracterizando o reservatório como um acumulador de fósforo durante o período de estudo.
De acordo com Carmo (2000) as exportações de nutrientes em corpos d’água superficiais podem estar provavelmente relacionadas à eutrofização do sistema, devido a estoques potenciais de nutrientes no sedimento, carga interna de nutrientes e à grande biomassa de algas fitoplanctônicas. Barbosa et al. (1998) e
Torres et al., (2007) constataram na Lagoa da Pampulha, um ambiente eutrófico
urbano, elevadas taxas de retenção de fósforo, 99,8% de retenção encontrada por Barbosa et al. (1998) e 80,9 % encontrada por Torres et al., (2007). Carmo et al.,
(2002) verificaram, em reservatórios situados em área de preservação ambiental na cidade de São Paulo, em um ambiente caracterizado como oligotrófico e pouco impactado, baixas taxas de retenção de fósforo (20%).
O coeficiente de exportação de fósforo total da bacia de drenagem do reservatório Dourado (0,0041 gP.m-2.ano-1) aproximou-se do coeficiente de exportação proposto por Diogo et al., (2003) para bacias cobertas em sua maioria
por vegetação natural (0,01 gP.m-2.ano-1), similar à bacia do reservatório Dourado. Em pesquisa sobre a exportação de nutrientes desenvolvida na área rural da bacia do rio Jaguari, no Estado de São Paulo, Mansor et al., (2006) obtiveram coeficiente
